選擇性區(qū)域溫度控制構(gòu)建板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于增材制造工藝中的構(gòu)建板，增材制造工藝例如但不限于三維打印。特別地，本發(fā)明涉及一種帶有多個加熱/冷卻區(qū)域的構(gòu)建板，以使在構(gòu)建板的表面之上的溫度分布和熱梯度可被控制。
【背景技術(shù)】
[0002]在金屬和/或塑料零件制造中通過注塑或擠壓來生產(chǎn)大批量和系列零件是常見的。塑料注塑的優(yōu)點特別是由于復雜零件的幾何形狀的高精度生產(chǎn)，由此注塑工藝的功能性最佳地滿足了塑料零件的成本效益的和經(jīng)濟生產(chǎn)的要求。
[0003]然而，單個單元和小批量塑料零件的需求持續(xù)增長，無論是否有在短時限之內(nèi)供給的要求以及具有與注塑零件類似的性能。存在制造工藝用于這些零件的生產(chǎn)，這些零件被廣泛的所知為術(shù)語“原型(prototyping)”。這些零件的生產(chǎn)一般基于從3D數(shù)據(jù)的幾何形狀的生成。這些幾何形狀通過使用相應的材料生產(chǎn)為各種形式，例如粉末的可熔層，通過例如激光的熱輸入，通過例如打印工藝的生成系統(tǒng)，生產(chǎn)為粉末零件的各種組合，并使用“熔化線材(melt strand)”工藝。
[0004]多種三維打印設(shè)備目前可用于從這種3D數(shù)據(jù)生產(chǎn)零件。三維(3D)打印是指基于數(shù)字3D物體模型和材料分配器來制造3D物體的工藝。在3D打印中，分配器根據(jù)確定的打印圖案在至少二維中移動并分配材料。為了構(gòu)建3D物體，調(diào)節(jié)保持被打印的物體的平臺，使得所述分配器能夠施加多個材料層。換言之，3D物體可通過打印多個材料層而被打印，一次一層。如果所述分配器在三維中移動，所述平臺不需要移動。3D打印特征，例如速度、精度、色彩選擇和成本，由于不同的分配機構(gòu)和材料而變化。
[0005]已知的系統(tǒng)通過沉積熱固化材料來制造固體模型或零件。在這些工藝中，可流動材料被順序地沉積在基體上或先前沉積的熱塑性材料上。所述材料在其被沉積后固化并因此能夠遞增地制造期望的形式。熱固化系統(tǒng)的示例包括熔融沉積成型、蠟噴射、金屬噴射、耗材電弧焊和等離子噴涂。這些工藝包括3D打印的熔融沉積成型和熔融纖維制造方法。
[0006]由于大多數(shù)沉積材料隨溫度改變密度，這些系統(tǒng)分享了由這些密度變化所產(chǎn)生的產(chǎn)品原型的最小化幾何畸變的挑戰(zhàn)。由于塑性變形等，熱固化系統(tǒng)經(jīng)受翹曲或卷曲、以及熱應力和熱沖擊。卷曲明顯是由在冷卻期間引入原型的曲線幾何畸變導致。對這種幾何畸變(相對于利用可熱固化材料的快速原型系統(tǒng)的當前階段制造的原型)的單個最大貢獻是所述材料的密度的變化，由于所述材料從相對熱的可流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相對冷的固態(tài)。
[0007 ]存在減少卷曲的影響的技術(shù)。一種技術(shù)涉及周圍構(gòu)建環(huán)境的加熱以減少可能的溫度差異。另一種技術(shù)是仔細選擇表現(xiàn)出最低可能的熱膨脹系數(shù)的構(gòu)建材料。另一種技術(shù)是在最低可能的溫度沉積構(gòu)建材料。
[0008]本領(lǐng)域充滿了各種固體成型教導。例如?？藗惼?Crump)的且轉(zhuǎn)讓給與本申請同一受讓人的美國專利號5，121，329的描述了一種熔融沉積成型系統(tǒng)。雖然克倫普系統(tǒng)結(jié)合了加熱的構(gòu)建環(huán)境，在添加后續(xù)的材料層時，它要求沉積的材料低于其固化溫度。衛(wèi)拉瓦(Vilavaara)的美國專利號4，749，347和阿爾姆奎斯特(Almquist)等人的美國專利號5，141，680描述了結(jié)合了可流動的、熱固化材料的快速原型系統(tǒng)。這兩個專利教導了保持在和低于擠壓材料的固化溫度的構(gòu)建環(huán)境。
[0009]在巴徹爾德(Batchelder)等人的美國專利號5,866,058中公開的另一種已知的系統(tǒng)和方法，計算擠壓熱固化的可流動的材料的順序，從而制造所期望的幾何形狀。加熱的可流動的成型材料然后在其沉積溫度下依次擠壓到構(gòu)建環(huán)境中，該構(gòu)建環(huán)境保持新沉積的材料附近的體積在材料的固化溫度和其蠕變溫度之間的沉積溫度窗口中。接著，將新擠壓材料逐漸冷卻到其固化溫度以下，同時保持幾何形狀中的溫度梯度在所期望的零件的幾何精度設(shè)定的最高值以下。
[0010]如在勒普(RepRap)開放源碼倡議(開發(fā)可以打印大多數(shù)自身組件的三維打印機的倡議)中公開的另一種已知的系統(tǒng)，公開了一種加熱的構(gòu)建平臺。在加熱床上打印允許打印零件在打印期間保持溫暖，以當它冷卻到低于熔點時允許更多的塑料的收縮并促進粘附。
[0011]但是，盡管控制的構(gòu)建環(huán)境或現(xiàn)有加熱床為這些技術(shù)制造的零件或制品的翹曲或卷曲的提供一些控制，制造的零件或制品的翹曲和內(nèi)部熱應力仍是問題。
[0012]因此，提供了溫度分布的控制的構(gòu)建板是有利的。特別地有利的是，提供具有多個加熱/冷卻區(qū)(選擇性區(qū)域加熱)的構(gòu)建板，以使在構(gòu)建板的表面上的溫度分布和熱梯度可以被控制，從而允許零件或制品的熱應力減輕或消除。多個加熱/冷卻區(qū)域也減少或消除與粘附、擴張和收縮、層到層結(jié)合、分層和應力松弛相關(guān)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]解決方案通過如本文公開的一種構(gòu)建板提供，所述構(gòu)建板包括多個單元(element)，每個單元具有接觸板和溫度控制模塊。所述接觸板形成所述構(gòu)建板的上表面的至少一部分，在所述至少一部分上制造有制品(article)?？刂破髋c所述溫度控制模塊通信并控制相應溫度控制模塊的溫度。多個單元允許所述構(gòu)建板的上表面的選擇性的溫度控制，使所述制品的部分被選擇性地冷卻或加熱。
【附圖說明】
[0014]圖1是位置接近本發(fā)明的構(gòu)建板的說明性實施例的三維打印裝置的打印頭的平面圖。
[0015]圖2是圖1的構(gòu)建板的放大透視圖。
[0016]圖3是圖2的構(gòu)建板的側(cè)視圖。
[0017]圖4是沿圖2的線3-3截取的構(gòu)建板的剖面圖。
[0018]圖5是構(gòu)建板的一個單元的放大剖面圖。
【具體實施方式】
[0019]根據(jù)本發(fā)明的原理的說明性實施例的描述旨在與附圖關(guān)聯(lián)閱讀，附圖被認為是整個文字描述的一部分。在本文所公開的本發(fā)明的實施例的描述中，任何對方向或取向的標記僅旨在為描述的方便并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。諸如“下部”、“上部”、“水平”、“豎直”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“頂”和“底”以及其變型(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相對性的術(shù)語應解釋為在描述時或在討論時如附圖中所示所提及的方向。這些相對性的術(shù)語僅是為了方便描述且不要求該裝置被在特定的方向構(gòu)造或操作，除非明確指明是這樣。諸如“附接”、“固定”、“連接”、“聯(lián)接”、“相互連接”以及類似的術(shù)語指的是其中結(jié)構(gòu)通過中間結(jié)構(gòu)直接或間接地彼此固定或附接的關(guān)系，以及兩者可移動的或剛性的固定或關(guān)系，除非另外明確說明。此外，本發(fā)明的特征和益處通過參考優(yōu)選實施例而闡述。因此，本發(fā)明明確地不應當限于這些優(yōu)選實施例，這些優(yōu)選實施例示出了一些可能的非限制性的特征的組合，這些特征可單獨存在或以其它特征的組合存在，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
[0020]構(gòu)建平臺或構(gòu)建板中的溫度分布在構(gòu)建零件或制品中起重要作用，特別是在具有緊幾何公差的零件或制品中?，F(xiàn)有的構(gòu)建板缺乏對溫度分布的控制，導致在構(gòu)建板中不期望的熱梯度。本發(fā)明解決了由于不受控的溫度分布所引起的問題。另外，本發(fā)明有助于控制被構(gòu)建或制造的零件或制品的粘附、膨脹和收縮、層到層粘接、應力松弛等。
[0021]用于三維打印中的現(xiàn)有的熔融沉積成型和熔融長絲制造具有一些問題，例如但不限于被構(gòu)建的零件或制品的卷曲、翹曲，以及分層。這些問題造成了在制造期間的零件或制品不受控制的收縮和膨脹。不受控制的收縮和膨脹由被構(gòu)建的零件或制品中的不受控制的溫度分布、熱梯度、熱沖擊、殘余應力等引起。不受控制的收縮和膨脹可存在而與用于構(gòu)建零件或制品的材料無關(guān)(例如但不限于熱固化材料，例如填充和未填充的聚合物、高溫熱塑性塑料或金屬)。
[0022]為了克服不受控制的收縮和膨脹的問題，本發(fā)明的智能的構(gòu)建板具有嵌入在構(gòu)建板內(nèi)部的電子控制的溫度控制機構(gòu)，該溫度控制機構(gòu)優(yōu)化被構(gòu)建的零件或制品的溫度控制。
[0023]參見圖1，示出構(gòu)建平臺或選擇性區(qū)域溫度控制構(gòu)建板10的說明性實施例，其接近三維打印裝置的打印頭12。三維打印裝置可以是行業(yè)中任何已知的類型，包括但不限于，在2014年10月3日提交的同時待審美國專利申請系列號為62/059,380中所示的裝置，由此通過引用并入其全文。同時三維打印裝置，構(gòu)建平臺或構(gòu)建板可以使用多種增材制造工藝，包括但不限于三維打印。
[0024]三維打印裝置通過從打印頭12沉積材料到構(gòu)建板10上來構(gòu)建三維零件或制品14。在材料的沉積發(fā)生時，打印頭12在X、y平面中移動且構(gòu)建板1沿z軸移動。但是，打印頭12的移動和/或構(gòu)建板10的移動可能會在其它方向上發(fā)生而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0025]在構(gòu)建時，為了支承零件或制品14，構(gòu)建板10具有上表面20，從打印頭12沉積的材料將粘附到該上表面。在一些實施例中，基材安裝在構(gòu)建板10的頂部，在其上構(gòu)建零件或制品14?；牡氖褂迷试S在該零件或制品14完成之后很容易從裝置移除。
[0026]參見圖2至5，構(gòu)建板10包括從I到N的多個區(qū)域或模塊化單元30。每個模塊化單元30由接觸板32、溫度控制模塊34和絕緣板36組成。多個模塊化單元30的多個接觸板32形成上表面20或上表面20的至少一部分。使用的模塊化單元30的數(shù)目可基于許多因素或參數(shù)而變化，該因素或參數(shù)包括但不限于，構(gòu)建板10的尺寸、被制造的零件或制品14的尺寸和復雜性、用于制造零件或制品14的材料類型和/或構(gòu)建板10設(shè)置的環(huán)境。
[0027]每個溫度控制模塊34是具有控制其溫度的能力的設(shè)備，且因此控制其相應的模塊化單元30的溫度。如圖5所示，溫度控制模塊34包括加熱/冷卻機構(gòu)38和溫度傳感器40。加熱/冷卻機構(gòu)可以是但不限于，微/納米加熱器、線圈、熱管、微/納米通道、熱電冷卻器、電磁感應加熱或它們的組合。加熱/冷卻機構(gòu)可以根據(jù)已知的原理運行，這些原理例如但不限于熱電效應、塞貝克-珀爾帖(Seback-Peltier)