用于增材制造的方法和組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及增材制造，并且更具體地，涉及3D打印中的支撐結(jié)構(gòu)的使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 增材制造(通常被稱為3D打?。┦峭ㄟ^通常在打印床(print bed)上鋪設(shè)連續(xù)的材 料層以形成具有期望尺寸的結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建或增加三維物體的過程。增材制造近幾年來變得廣 泛，且被用于創(chuàng)建從簡單工具到復(fù)雜設(shè)備的部件的所有東西。3D打印機是該領(lǐng)域的重要工 具。
[0003] 增材制造的一種普遍使用是用于原型設(shè)計。制造公司創(chuàng)建原型來確定所構(gòu)思的產(chǎn) 品是否可行、實用以及審美愉悅。"快速原型設(shè)計"的實踐變成了許多工業(yè)的標準?？焖僭?設(shè)計允許企業(yè)在幾個小時內(nèi)創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型。
[0004] 對于快速原型設(shè)計，普遍使用的增材制造技術(shù)是擠壓沉積或熔融沉積成型(FDM)。 一種能夠FDM的打印機采用原材料，通常是單纖維(filament)的形式，擠壓它、加熱它，直到 其變軟，然后沿預(yù)定路徑將材料沉積到未打印(non-printed)平臺（稱為打印床)上。材料隨 后固化和硬化。在沿路徑多次通過之后，材料累積并最終呈現(xiàn)期望"模型"的形狀。
[0005] 其它類型的增材制造包括(1)涂覆，其涉及在表面上散布材料層；以及(2)移印，其 使用襯墊(通常由硅樹脂制成)來將圖像從填充材料(諸如油墨）的刻蝕的印刷板轉(zhuǎn)印到物 體。
[0006] 但是，存在某些結(jié)構(gòu)使用增材制造創(chuàng)建是固有地有挑戰(zhàn)性的。一種這樣的結(jié)構(gòu)被 稱為"懸垂(overhang)"，懸垂是模型的一部分，意味著在下面沒有任何材料的情況下被懸 浮。懸垂的示例是橋。如果懸垂太長，在懸垂的材料有機會固化之前其可能下垂。
[0007] 3D制造模型者創(chuàng)建懸垂的最常見的方式是將初始結(jié)構(gòu)，通常被稱為"支撐結(jié)構(gòu)" 3D 打印到打印床上，然后在支撐結(jié)構(gòu)的頂上打印懸垂。打印支撐結(jié)構(gòu)的示例包括FDM晶格支撐 和光固化(SLA)"針床"。在模型完成之后，制造模型者去除支撐結(jié)構(gòu)材料，例如將其折斷或 用將其化學(xué)溶解。
[0008] 在一些情況下，支撐結(jié)構(gòu)材料可以用水洗掉，例如由Stratasys Ltd.制造的 Objet? 3D打印機所打印的Polyjet?支撐結(jié)構(gòu)。必須從模型中去除支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致浪費材 料。此外，在去除支撐結(jié)構(gòu)后剩余的表面具有大體粗糙的紋理，其可能需要使用額外工藝 (例如拋光)來平滑化。
【附圖說明】
[0009] 盡管所附權(quán)利要求闡述了具有特殊性的本技術(shù)的特征，這些技術(shù)可以從下面結(jié)合 附圖的詳細描述中被最好地理解，在附圖中：
[0010] 圖1示出了可結(jié)合實施例使用的簡化3D打印機示意圖的示例。
[0011] 圖2-圖5以及圖7-圖15圖示了根據(jù)公開的實施例所執(zhí)行的步驟以及由這些步驟導(dǎo) 致的結(jié)構(gòu)。
[0012]圖6是圖5沿線I-Ι的截面圖。
[0013]圖16是圖示根據(jù)各種實施例執(zhí)行的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 轉(zhuǎn)到附圖，其中，相同的附圖標記指代相同的元件，本公開的技術(shù)被圖示為在合適 環(huán)境中實施。下面的描述基于權(quán)利要求的實施例并且不應(yīng)該被視為關(guān)于這里沒有明確描述 的可替代實施例而限制權(quán)利要求。
[0015] 用于增材制造的方法的實施例涉及將有壁的結(jié)構(gòu)(例如，外殼或包殼)增材制造到 打印床上，將具有不粘表面(例如Teflon?)的支撐件放置在結(jié)構(gòu)附近或結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，將材料 層增材制造到一個或更多壁上以及支撐件上以創(chuàng)建懸垂，以及在構(gòu)成懸垂的材料返回到固 態(tài)或變硬之后去除支撐件。
[0016] 在一些實施方式中，結(jié)構(gòu)是內(nèi)側(cè)具有腔的外殼，外殼的第一表面具有懸垂。方法可 以包括將外殼重新定位(支撐件仍在腔內(nèi)側(cè))使得第一表面向下在打印床上且外殼的第二 表面面朝上。更具體地，材料層可以被沉積在至少一個壁上和第二支撐件上。在一些實施例 中，第二懸垂限定第二開口。
[0017] 在一個實施例中，將外殼翻轉(zhuǎn)后放置在第二打印床上。第二打印床可以具有構(gòu)造 用于接收第一懸垂的突出。
[0018] 根據(jù)一些實施例，從腔去除一個或更多支撐件一一或通過第一表面中的開口或通 過第二表面中的開口。
[0019] 在另一實施例中，一種用于增材制造的方法被執(zhí)行為:在打印床上增材制造包殼 的壁;在打印床上將支撐件定位在包殼內(nèi)；增材制造從至少一個壁延伸到支撐件上的懸垂； 從打印床去除包殼；以及從包殼去除支撐件。
[0020] 每個支撐件可以是單個件或具有多個互鎖區(qū)段，并且具有不粘平滑表面或紋理表 面。用于支撐件的特定材料可以包括Teflon?、聚四氟乙烯、鋁、不銹鋼、陽極氧化鋁和陶 bL· 〇
[0021] 另一實施例是一種組件，該組件包括第一打印床和置于其上的增材打印的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)具有懸垂和限定腔的內(nèi)側(cè)表面。該組件進一步包括置于第一打印床上腔內(nèi)的可再使用 的支撐件。當懸垂處于部分液態(tài)時，支撐件與懸垂的下側(cè)表面接觸且提供對懸垂的支撐。
[0022] 這里描述的各種實施例可以用于增材制造各種不同物體。例如，這些方法中的一 個或更多可以用來原型設(shè)計智能電話或其它電子設(shè)備的殼。這樣的殼可以包括各種材料中 任何一種，包括下面列出用于單纖維120(圖1)的那些。不管用于創(chuàng)建殼的增材制造過程的 類型，都是這樣。
[0023] 這里所使用的術(shù)語"操作者"意味著操作一個或更多這里所述的設(shè)備的實體。操作 者可以是人，或者可以是另一設(shè)備，諸如自動組裝設(shè)備、機器人、計算設(shè)備等等。
[0024] 這里使用的術(shù)語"增材制造"指的是通過鋪設(shè)連續(xù)的材料層以形成具有預(yù)定尺寸 的結(jié)構(gòu)而創(chuàng)建三維物體的過程。增材制造包括沉積打印(包括FDM)、涂覆、移印、選擇性激光 燒結(jié)(SLS)、光固化(SLA)和Po lyJet? 3D打印。
[0025] 這里使用的術(shù)語"3D打印"、"打印"指的是使用3D打印機來增材制造。
[0026] 圖1示出了可以結(jié)合公開的技術(shù)使用的3D打印機的簡化示意圖。在這個實施例中， 3D打印機使用具有基于溫度的固化的沉積打印技術(shù)?？商娲脑霾闹圃旒夹g(shù)是具有紫外光 固化的噴射光聚合物。還有其它的增材制造方法可被替代。
[0027] 3D打印機100具有框架101和基本平坦的第一打印床110。第一打印床110附接于框 架101并且可從框架101去除。如下面將要描述的，在實施例中，操作者可以分離第一打印床 110并且用第二打印床來將其替換?？商娲兀僮髡呖梢詫⒌诙蛴〈哺浇佑诳蚣?01，使 得第二打印床在第一打印床的頂上。3D打印機100還包括附接于框架101的電機118以及聯(lián) 接到電機118的擠壓組件104。擠壓組件104位于打印床110上且可沿著框架101的一個或更 多軸移動。3D打印機100進一步包括經(jīng)由傳導(dǎo)通路117電聯(lián)接到電機118的可編程控制器 114。控制器114具有存儲器116。3D打印機100還具有電聯(lián)接到控制器114的數(shù)據(jù)接口 119。
[0028]仍參照圖1，擠壓組件104具有擠壓機106和聯(lián)接到擠壓機106的熱端108。控制器 114經(jīng)由傳導(dǎo)通路121電聯(lián)接到擠壓機106。為了編程3D打印機100，操作者經(jīng)由數(shù)據(jù)接口 119 建立與3D打印機100的數(shù)據(jù)連接，并且傳送指令(例如，CAD指令)到控制器114,在其存儲器 116中存儲指令。
[0029]再次參照圖1，單纖維120加載到擠壓機106中。單纖維120包括在被加熱時液化（即 軟化)的材料?？赡懿牧系氖纠崴懿牧?、聚乳酸(PLA)材料、丙稀腈?丁二稀·苯乙稀 (ABS)材料、橡膠處理的材料、硅樹脂、丙烯酸樹酯、聚酰胺(尼龍）、玻璃填充聚酰胺、立體平 版印刷材料(環(huán)氧樹脂）、銀、鈦、鋼、蠟、光聚合物和聚碳酸酯。在一些實施例中，存在不同外 觀或成分的多種單纖維。例如，可能存在第一單纖維是藍色蠟并且第二單纖維是白色蠟。
[0030] 當3D打印機100操作時，控制器114從存儲器116檢索指令，處理指令，并且將指令 轉(zhuǎn)化為電機118和擠壓機106識別的命令。控制器114將命令傳輸?shù)诫姍C118，其通過驅(qū)動擠 壓組件104沿著一個或更多路徑移動來響應(yīng)，以及將命令傳輸?shù)綌D壓機106,其通過加熱熱 端108以及通過迫使單纖維120穿過熱端108中收縮的通道來響應(yīng)。熱端108加熱單纖維120， 直到單纖維處于液態(tài)。熱端108將液化的單纖維沉積到打印床110上。液化單纖維隨后被固 化，直到其充分硬化。可能的固化方法包括紫外(UV)固化和熱固化(例如，通過冷卻或通過 受熱）。
[0031] 電機118驅(qū)動一個或更多滑輪或其它機構(gòu)（未示出）來將擠壓組件104相對于打印 床110上、下或橫向移動。在一些實施例中，存在多個電機，諸如每個運動軸一個電機。電機 118驅(qū)動擠壓組件104的路徑是由控制器114提供至電機118的命令所確定的。
[0032] 現(xiàn)在將參照圖2-15來描述公開的實施例中執(zhí)行的各種方法。
[0033] 參照圖2,3D打印機100沿預(yù)定路徑打印熱塑材料到打印床210上，由此形成具有第 一壁202和第二壁204的結(jié)構(gòu)200。第一壁202和第二壁204以第一角度201a會合以形成第一 角201K3D打印機