基于抗张强度的对物体进行加成制造的方法

摘要

一种用于对物体进行加成制造的方法包括以下步骤：确定所述物体的应力张量；以及根据所述应力张量用挤出机(304)淀积材料。该挤出机可以在淀积材料的同时相对于物体沿着三个正交轴线性地且围绕至少一个轴可旋转地移动。门架(320)可沿着X、Y以及Z轴移动，并且在门架上安装有可关于A轴和B轴移动的耳轴台。在耳轴台上安装有压印板(305)，并且该挤出机在使门架和耳轴台移动的同时在该压印板上淀积材料。

权利要求

1.一种用于对物体进行加成制造的方法，该方法包括以下步骤：确定所述物体的应力张量；

根据所述应力张量用进行五自由度运动的挤出机淀积材料；并且在使所述挤出机沿着三个正交轴直线移动且绕所述正交轴中的至少一个旋转的同时进行淀积；

对所述物体进行破坏的试验；以及

根据故障模式更新所述应力张量。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：在可旋转的耳轴台上所安装的压印板上淀积所述材料，并且其中，所述耳轴台安装在可平移的门架中。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：分析所述物体的模型以生成所述应力张量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体具有近似最佳的强度-重量比和近似恒定的壁厚。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，推测地确定用于淀积所述材料的图案。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定地确定用于淀积所述材料的图案。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，使用有限元法确定所述应力张量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述物体的性能规格确定所述应力张量。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，从预定的形状库选择所述应力张量。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，反复执行所述淀积、所述试验以及所述更新。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述挤出机可旋转。

12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：优化所述挤出机的路径。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述优化使生产时间最小化。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述优化使所述物体的强度最大化。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述优化使材料使用最小化。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述挤出机包括实现所述材料的固态焊接的超声波换能器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述超声波换能器用于生成各种强度的材料接合部。

说明书

基于抗张强度的对物体进行加成制造的方法

技术领域

[0001] 本发明总体涉及对物体进行加成制造，并且更具体地涉及提供具有期望的抗张强度的物体。

背景技术

[0002] 3D打印是用于根据数字模型制作任意形状的三维物体的加成制造过程。在3D打印中，相邻地布置连续的材料层以形成物体。通常，通过可移动的喷嘴来挤出圆的或带状材料。

[0003] U.S.5121329描述了熔融淀积成型，其中，在产生熔融的热塑性材料的流或带的同时使挤出机在直角坐标系中移动。彼此相邻地布置带以产生填充所期望物体的体积的层。

[0004] U.S.5866058描述了在制作物体的同时控制局部环境以将所挤出的材料维持在凝固温度以下且在蠕变松弛温度以上。

[0005] 通常，由现有技术方法生产的物体具有严重的各向异性抗张强度变化的不期望的特性。熔融热塑性材料的各个带具有接近材料的体强度(bulk strength)的轴向强度，但带间和层间接合强度大幅变化。

[0006] 例如，如图1所示，对于注塑成型的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，各个带轴向抗张强度为大约30兆帕(MPa)，十字交叉45/-45度和0/90方位合成物为大约20MPa，并且横向(带至带)强度为大约2MPa或带的轴向强度的1/15。

[0007] 特殊的聚合物(诸如如U.S.20090295032描述的用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)功能化的ABS等)可以提高接合。诸如聚醚酰亚胺等的高成本材料可以生产具有35MPa的层间接合强度中最小强度并具有最大90MPa作为各带抗张强度的零件，这是2：1强度差，但仍然远远好于传统ABS的15:1的比。

[0008] U.S.5906863描述了向诸如陶瓷浆料等的热硬化混合物添加短纤维，以产生具有定向纤维的“绿色部分”。未描述控制定向的具体方法。

[0009] 大多数现有技术的3D打印机基于工件和挤出机的三自由度线性正交(XYZ)操纵。

[0010] 一些3D打印机为了提供用于随后将被胶粘、溶剂接合或激光烧结的粉末铺开的更均匀的表面而使用转盘或圆筒体作为支撑底座(参见WO 2011/011818)。

发明内容

[0011] 对物体进行加成制造的5D打印机包括挤出机，该挤出机可以在淀积材料的同时相对于物体沿着三个正交轴线性地且围绕轴中的至少一个旋转地移动。

[0012] 门架可沿着X、Y以及Z轴移动，并且可关于A轴和B轴移动的耳轴台安装在该门架上。压印板安装在耳轴台上，并且挤出机在使门架和耳轴台移动的同时在该压印板上淀积材料。

[0013] 分析物体的模型以产生物体的应力张量，并且淀积是根据应力张量。

附图说明

[0014] 图1是现有技术的3D打印机所使用的被挤出材料的传统各向异性抗张强度特性的示意图；

[0015] 图2是根据发明的实施方式的用于对物体进行加成制造的方法的流程图；

[0016] 图3是根据发明的实施方式的5D打印机的示意图；

[0017] 图4A是根据发明的实施方式的现有技术材料图案的示意图；

[0018] 图4B是根据发明的实施方式的材料图案的示意图中的一个；

[0019] 图4C是根据发明的实施方式的材料图案的示意图中的另一个；

[0020] 图5是根据发明的实施方式的基于抗张强度的用于对物体进行加成制造的方法的流程图；

[0021] 图6是根据发明的实施方式的各向异性抗张强度特性的示意图；

[0022] 图7A是根据发明的实施方式的挤出机部件的示意图中的一个；

[0023] 图7B是根据发明的实施方式的挤出机部件的示意图中的另一个；

[0024] 图7C是根据发明的实施方式的挤出机部件的示意图中的另一个；

[0025] 图7D是根据发明的实施方式的挤出机部件的示意图中的另一个；以及[0026] 图7E是根据发明的实施方式的挤出机部件的示意图中的另一个。

具体实施方式

[0027] 本发明的实施方式提供了一种用于使用加成制造来生产三维(3D)物体的打印机。作为优点，物体具有沿着使用中的物体的高应变方向被定向的高抗张强度。

[0028] 基于应力的设计

[0029] 如图2所示，对于一个实施方式，使用计算机辅助设计(CAD)模块210来生成示例3D(球状)物体201的模型211。分析该模型(500)以确定在使用物体时可能存在的应力的分布。分析的结果是体积应力张量221，例如，

[0030] 或

[0031] 依赖于将张量的坐标编号为x1,x2,x3还是简单地标记为x,y,z。根据发明的实施方式使用张量来控制打印机300的运动230和挤出速度。CAD和该分析可以由连接到技术中已知的存储器和输入/输出接口的处理器502来执行。

[0032] 作为优点，打印机为达到3D定向而使用沿着正交轴的3D线性平移运动和关于轴A和轴B的角旋转运动，以实现对应于体积应力张量221的所期望的抗张强度。运动由运行G代码(G-code)的单个流的控制器301a来确定。G代码是最广泛使用的数字控制(NC)编程语言。G代码指示打印机以制作使用预定位置和速度通过使挤出机相对于支撑底座和物体移动的指令而限定的物体。

[0033] 打印机

[0034] 图3示出了五自由度(5D)打印机的一个实施方式。使用可移动门架320的线性水平轴X 301和Y 302以及竖直轴Z 303来关于压印板305定位挤出机304。压印板305对于角度使用传统的G代码标记“A”和“B”，可以关于两个旋转轴A 306和B 307旋转并倾斜。交叉的轴A和轴B的组合体在机加工领域中经常被称为“两轴耳轴台”或简称为“耳轴台”。

[0035] 物体201由馈送材料310的带通过挤出机并且在压印板上淀积一次性支撑物309来构造。然后，可以在该一次性支撑物上淀积物体。通常，该一次性支撑物由十分稀疏地布置的材料带来构造，其被设计为在完成制造时容易摆脱物体。换言之，理想地是，支撑物是易碎的。一次性支撑物具有足够的厚度以允许挤出机达到对物体201的完全360°半球状路径。

[0036] 通过使挤出机沿着X轴、Y轴以及Z轴线性移动且有角度地关于A轴和B轴移动，挤出机可以相对于物体实现任意所期望的位置和角度，由此可以在物体上淀积具有任意所期望的轴定向的挤出材料310的带。

[0037] 要理解的是，可以沿许多不同的方向经由打印机制造物体。然而，一些方向可能由于支撑物所需厚度的减小而是优选的。

[0038] 作为该过程的示例，考虑不均匀受力的平板。如果该平板的应力分析指示加载在材料的特定区域中的张力沿东西方向为10MPa，沿南北方向为5MPa并且沿上下方向为零，那么最佳材料布置将是两个带沿东西、然后一个带沿南北、然后两个带沿东西、然后一个带沿南北，并且如此重复，直到获得所期望的材料厚度为止。其他简单的图案可以用于其他形状。

[0039] 示例：压力罐

[0040] 如图4A、图4B以及图4C所示，更有趣的示例物体是球状压力罐。为了便于描述，省略出入孔和安装硬件。

[0041] 从罐壁材料的一小部分的局部角度，各个邻近区域看起来相同。应力张量指示罐壁的各个小体积经受沿垂直于罐的径向的所有方向均匀的张力。然而，从全局视角，应力张量随罐材料的各小体积的经纬度而变化。

[0042] 如图4A例示，球状罐的“北极”处的小块(patch)经受由传统XYZ 3D打印机的XY布置路径良好处理的力。然而，球状罐的“赤道”经受如上所述在传统3D打印机中标记为非常弱的、沿Z方向404的大的拉伸应力。这是因为传统XYZ 3D打印机无法与Z轴对准地布置带。由此，在传统3D打印机上所打印的球状罐具有脆弱的赤道，并且在经受超压时在赤道处破裂。简单的解决方案会使赤道材料较厚(例如，对于ABS，需要十倍厚度)，或使压力罐非对称(例如，沿着Z轴较长)。

[0043] 然而，在用于最大强度罐的更好的解决方案中，罐的各区段应当主要由各垂直于罐的径向“外”方向的径向带组成。整个罐表面可以由这些径向带图案的几何学分散(即，规则和抽象的正多面体)以及由测地装置产生的几何学分散来镶嵌。这大大提高了罐的抗张强度。

[0044] 传统的三自由度XYZ打印机无法实现布置该带图案所需的定向。然而，如这里所描述的5D打印机伴随着挤出机沿着XYZ轴的平移和物体沿着A轴和B轴的旋转，能够生产具有近似最佳的强度重量比和近似恒定的壁厚的压力罐。

[0045] 图4A示出了由传统3D打印机构造的球状压力罐400的带材料的传统设置。层401、402、403等沿Z 404方向“弱地”附接，在沿Z方向的材料中给出大约2MPa的张力极限，2MPa为大约300PSI，因此如果压力容器具有所容纳的被加压液体的1平方英寸的内部截面以及也是一平方英寸的赤道环状截面，则将预料容器在大约300PSI的压力下沿Z方向破裂。

[0046] 图4B示出了球状压力容器450的带挤出的一个实施方式。首先，由挤出机淀积一个带厚的内壳410。然后，通过使用5D打印机300直接打印一系列径向星号形状411-415。各星号具有针对在球状压力容器的该局部区域处由压力感应的应力的最佳强度带布置图案。可以推测地(stochastically)或确定地(deterministically)确定打印这些径向带图案的最佳布置和顺序。

[0047] 例如，第一径向带图案411可以打印在表面上的任何位置。第二图案可以打印在不与第一图案交叠的任何地方。优选地，为了使移动时间最小，图案应是不与第一图案交叠的最接近的图案。该“不交叠的最接近”选择法继续直到没有更多的不交叠图案可以被打印为止。然后，根据考虑去除所有所打印的图案，并且另一个随机选择的图案被选择并打印。“不交叠的最接近”选择法反复，直到所有所期望的图案设置在表面上为止。假定轴上最大屈服强度，预期：相同的一平方英寸有效负载截面，破坏时一平方英寸的环状强度在20MPa与30MPa之间或大约3000PSI至4000PSI，这是比由传统3D打印机打印的物体好一个数量级。

[0048] 图4C示出了另一个实施方式。该实施方式基于这样的启发法：可以由XY平面423、XZ平面422以及YZ平面421中的卷绕平行挤出或经由类似于球体上的经线和纬线的方向的卷绕来构建球状压力罐420。尽管具有非平行材料带的这些挤出图案在强度重量比上可能是次佳的，但图案也比合适的五自由度运动的计算、分析并编程简单。在非平行淀积的情况下，可以根据物体上的局部应力的加权和来分配材料。

[0049] 分析

[0050] 图5示出了设计和分析501的另选方案。应力张量221可以由有限元法(FEM)来确定510。FEM是用于确定对边界值问题的近似解的数值技术。FEM使用变分法，以使误差函数最小化并产生稳定解。

[0051] 另选地，张量可以根据应力张量性能规格来确定520，或被假定为恒定的、均匀的或从典型预定的形状库来选择530。还可以以相同的方式设计适当的一次性支撑物309。然后，可以由打印机300来构造物体201。

[0052] 随后，物体可以进行破坏试验550。被试验物体的故障模式然后可以用于更新实际的使用时的应力张量560，然后，使用更新后的应力张量来产生用于下次物体生成的更佳布置图案。可以按期望重复该反复过程，允许物体的进一步生成，其中依赖于实际的使用时的故障模式的强度被自动设计。

[0053] 在另一个实施方式中，对于所期望物体内的各种带的优选定向，以某个方便的详细水平，直观地确定应力张量。例如，设计者可能了解：物体将用作带有高内压的液压缸并且将经由外部框进行轴向压缩，从而仅需要少量的轴向抗张强度。由此，设计者将带布置中的大多数(如果不是全部)指定为围绕气缸内部的轴对称圆形路径。

[0054] 图6示出了根据实施方式具有针对各种轴的对应抗张强度的圆环形状的物体600。这些挤出图案无法用传统的3D打印机再现。

[0055] 另选实施方式

[0056] 图7A示出了这样的设置：以与线被快速旋转(spun)提高其抗张强度类似的方式，在挤出期间使挤出机关于Z轴旋转以在带材料中设置“扭转”。如果材料具有圆形截面，则挤出机可以包括如图7B和图7C所示的矩形或多边形的内部波形起伏。波形起伏给予被挤出材料优选定向或微结构。

[0057] 图7D示出了挤出机为“J”形状且可以关于Z轴旋转的构造。这样，挤出机可以在以其他方式难以到达的物体的内部中淀积材料。

[0058] 在一个另选实施方式中，可以以各种方式来优化喷嘴所沿着的“路径”，例如，以使生产时间最小化，使强度最大化，使材料使用最小化。

[0059] 在如图7E所示的另一个实施方式中，挤出与超声波接合组合，借此，使用换能器705向材料局部施加高频超声波声音能量，以实现固态“接合”。这对于热塑性材料特别是对于挤出和连结异质材料是有用的。可以选择性地使用该超声波接合辅助技术，诸如以生产在非常脆弱的支撑物(未用超声波辅助生产的)上建造的“强壮”物体(用超声波辅助生产的)等，即，打印机生成各种强度的材料接合部。

[0060] 工业应用性

[0061] 本发明的方法可应用于许多种领域。