構(gòu)成，每個徑向帶垂直于罐的徑向"出"方向。整個罐表面可以鑲嵌以這些徑向帶圖案的幾 何分散體，即，規(guī)則的和抽象的正多面體，以及由測地手段產(chǎn)生的幾何分散體。這大大改進(jìn) 了罐的拉伸強度。
[0057] 常規(guī)三自由度ΧΥΖ打印機不可能實現(xiàn)鋪放這種帶圖案所需要的取向。然而，如本 文中描述的打印機使擠壓機沿著ΧΥΖ軸線平移，并且使物體沿著Α軸線和Β軸線旋轉(zhuǎn)， 能夠產(chǎn)生接近最佳的強度重量比并且接近恒定的壁厚的壓力罐。
[0058] 圖4A示出了由常規(guī)3D打印機構(gòu)建的球形壓力罐400的帶材料的常規(guī)布置。層 401、402、403等被"脆弱地"附接在Z404方向上，給定材料在Z方向上的約2MPa的拉伸極 限，2MPa大約為300PSI，所以如果壓力容器對被包含的加壓流體具有1平方英寸的內(nèi)部橫 截面，并且赤道環(huán)橫截面也是一平方英寸，則預(yù)計容器將在大約300PSI的壓力下沿Z方向 破裂。
[0059] 圖4B示出了球形壓力容器450的帶擠壓的一個實施方式。首先，一個帶厚的內(nèi)殼 410由擠壓機進(jìn)行沉積。然后，一系列徑向帶的星號形狀411-415通過使用?打印機300 直接進(jìn)行打印。對于球形壓力容器的局部區(qū)域處的壓力引起的應(yīng)力而言，每個星號均具有 最佳強度的帶鋪放圖案。打印這些徑向帶圖案的最佳放置和順序可以隨機或確定性地加以 確定。
[0060] 例如，第一徑向帶圖案411可以打印在表面上的任何地方。第二圖案可以打印在 與第一地方不重疊的任何地方。優(yōu)選地，為了將運動時間降至最低，圖案應(yīng)該是與第一圖案 不重疊的最接近的圖案。該"最接近的不重疊"選擇方法繼續(xù)，直到不再有不重疊的圖案可 以打印。然后，所有的打印圖案都從考慮中去除，并且選擇并打印另一隨機選擇的圖案。"最 接近的不重疊"選擇方法重復(fù)，直到所有的期望圖案都放置在表面上。假設(shè)軸線上的屈服強 度最大，預(yù)期，同一平方英寸的有效載荷橫截面，一平方英寸20和30MPa之間的環(huán)強度，或 者失效時約3000到4000PSI，這樣的數(shù)量級優(yōu)于由常規(guī)3D打印機打印的物體。
[0061] 圖4C示出了另一實施方式。該實施方式基于的啟發(fā)是，可以通過在XY423、XZ 422和YZ421平面中纏繞平行擠壓，或者通過類似于地球儀上煒度線和經(jīng)度線的方向纏繞 來構(gòu)建球形壓力罐420。雖然具有不平行材料帶的這些擠壓圖案就強度重量比而言可能不 太理想，但是圖案更易于計算、分析和編程適當(dāng)?shù)奈鍌€自由度運動。在不平行沉積的情況 下，材料可以根據(jù)物體上局部應(yīng)力的加權(quán)求和進(jìn)行分布。
[0062] 分析
[0063] 圖5示出了設(shè)計和分析501備選方案。應(yīng)力張量221可以由有限元方法（FEM)510 確定。FEM是確定邊值問題的近似解的數(shù)值技術(shù)。FEM使用變分法來將誤差函數(shù)降至最低 并產(chǎn)生穩(wěn)定的解決方案。
[0064] 替代地，張量可以根據(jù)應(yīng)力張量性能規(guī)格來確定520,或者假定530為恒定的、均 勻的或選自典型形狀的預(yù)定庫。適當(dāng)?shù)目商幹玫闹渭?09還可以設(shè)計成同樣的方式。然 后，物體201可以由打印機300構(gòu)建。
[0065] 隨后，物體可以進(jìn)行破壞性測試550。被測試物體的失效模式然后可以用于更新 560實際使用中的應(yīng)力張量，并且更新的應(yīng)力張量然后用于產(chǎn)生更優(yōu)化的鋪放圖案，用于接 下來產(chǎn)生物體。該重復(fù)工藝可以根據(jù)期望而重復(fù)，從而允許進(jìn)一步產(chǎn)生使強度取決于自動 設(shè)計的實際使用中的失效模式的物體。
[0066] 在另一實施方式中，對于期望物體內(nèi)的各種帶的首選取向，以一些便捷的細(xì)節(jié)水 平直觀地確定應(yīng)力張量。例如，設(shè)計人員可能知曉的是，物體將用作具有高的內(nèi)部壓力的液 壓缸，并將由外框使之軸向壓縮，從而僅需要小的軸向拉伸強度量。由此，設(shè)計人員將指定 大多數(shù)（如果不是所有）的帶鋪放為圍繞缸內(nèi)部軸對稱的圓形路徑。
[0067] 圖6示出了呈圓環(huán)曲面形狀的物體600,對于根據(jù)實施方式的各種軸線具有對應(yīng) 的拉伸強度。這些擠壓圖案用常規(guī)3D打印機是不可能再現(xiàn)的。
[0068]替代實施方式
[0069]圖7A示出了在擠壓期間使擠壓機繞Z軸線旋轉(zhuǎn)以將"扭曲"帶入帶材料中的布置， 類似于紡線以增加其拉伸強度的方式。如果材料具有圓形橫截面，則擠壓機可以包括如圖 7B和圖7C所示的內(nèi)部矩形或多邊形波形起伏（riffling)。波形起伏將優(yōu)選的取向或微觀 結(jié)構(gòu)施加給擠壓材料。
[0070] 圖7D示出了其中擠壓機呈"J"形并可以繞Z軸線旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。以這種方式，擠壓 機可以將材料沉積在難以到達(dá)的物體內(nèi)部的其它地方。
[0071] 在一個替代實施方式中，例如，為了將生產(chǎn)時間降至最低，將強度增至最大，將材 料使用量降至最低，噴嘴跟隨的"路徑"能以各種方式進(jìn)行優(yōu)化。
[0072] 在如圖7E所示的另一實施方式中，擠壓與超聲波結(jié)合相組合，由此使用換能器 705將高頻超聲波聲能局部地施加給材料，以實現(xiàn)固態(tài)"結(jié)合"。這對熱塑性材料是有用的， 尤其對擠壓和接合不同的材料是有用的。該超聲波結(jié)合輔助技術(shù)可以選擇性地使用，諸如 用于產(chǎn)生建立在高度易折支撐（無超聲波輔助而產(chǎn)生）上的"強壯"物體（用超聲波輔助 產(chǎn)生），即，打印機產(chǎn)生了具有各種強度的材料結(jié)合。
[0073][工業(yè)應(yīng)用]
[0074] 本發(fā)明的設(shè)備和方法可應(yīng)用至各種各樣的領(lǐng)域。
【主權(quán)項】
1. 一種用于以增材方式制造物體的設(shè)備，該設(shè)備包括： 擠壓機，所述擠壓機被構(gòu)造成在沉積材料的同時關(guān)于所述物體沿著三個正交軸線線性 地運動并且圍繞軸線中的至少一個旋轉(zhuǎn)地運動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括： 門架，所述門架能沿著X軸線、Y軸線和Z軸線運動； 安裝在所述門架上的耳軸臺，所述耳軸臺能繞A軸線和B軸線運動；以及 安裝在所述耳軸臺上的臺板，其中所述擠壓機在所述門架和耳軸臺運動的同時將所述 材料沉積在所述臺板上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述物體包括可去除的支撐件。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述物體具有比所述可去除的支撐件大的拉伸 強度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括： 處理器，所述處理器被構(gòu)造成分析所述物體的模型并且產(chǎn)生所述物體的應(yīng)力張量，并 且其中所述沉積是根據(jù)所述應(yīng)力張量來進(jìn)行的。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述物體具有接近最佳的強度重量比，以及接近 恒定的壁厚度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，用于沉積所述材料的圖案是隨機確定的。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，用于沉積所述材料的圖案是確定性地確定的。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述應(yīng)力張量是使用有限元模型確定的。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述應(yīng)力張量是由所述物體的性能規(guī)格確定 的。11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述應(yīng)力張量選自預(yù)先確定的形狀庫。12. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述物體進(jìn)行破壞性測試，并且所述應(yīng)力張量 根據(jù)失效模式而被更新。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述沉積、測試和更新被重復(fù)性地進(jìn)行。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述擠壓機是可旋轉(zhuǎn)的。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述擠壓機呈J形。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述擠壓機包括波形起伏。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述擠壓機的路徑被優(yōu)化。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述優(yōu)化將生產(chǎn)時間降至最低。19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述優(yōu)化將所述物體的強度增至最大。20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述優(yōu)化將材料使用量降至最低。21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述擠壓機包括超聲波換能器，用于輔助所述 材料的結(jié)合。22. -種用于以增材方式制造物體的方法，所述方法包括以下步驟： 使擠壓機沿著三個正交軸線線性地運動并且圍繞軸線中的至少一個旋轉(zhuǎn)地運動；以及 在運動的同時沉積材料以制造所述物體。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 分析所述物體的模型并且產(chǎn)生所述物體的應(yīng)力張量，并且其中所述沉積是根據(jù)所述應(yīng) 力張量來進(jìn)行的。
【專利摘要】以增材方式制造物體的5D打印機包括擠壓機(304)，所述擠壓機可以在沉積材料的同時關(guān)于所述物體沿著三個正交軸線線性地運動并且圍繞軸線中的至少一個旋轉(zhuǎn)地運動。門架(320)可沿著X軸線、Y軸線和Z軸線運動，并且可繞A軸線和B軸線運動的耳軸臺被安裝在所述門架上。臺板(305)被安裝在所述耳軸臺上，并且所述擠壓機在所述門架和耳軸臺運動的同時將所述材料沉積在所述臺板上。分析所述物體的模型以產(chǎn)生所述物體的應(yīng)力張量(221)，并且所述沉積是根據(jù)所述應(yīng)力張量來進(jìn)行的。
【IPC分類】B29C67/00
【公開號】CN105408092
【申請?zhí)枴緾N201480040354
【發(fā)明人】威廉·S·葉拉茲尼斯, J·C·巴威爾三世, J·卡茨, 德克·布林克曼
【申請人】三菱電機株式會社
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2014年7月2日
【公告號】DE112014003302T5, US20150021830, WO2015008670A1