本文中公開的裝置涉及產(chǎn)生三維物體的打印機，并且更特別地，涉及用于加強這樣的物體的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字三維制造也稱為數(shù)字增材物體制造，是從數(shù)字模型制造實質(zhì)上任何形狀的三維固體物體的過程。三維打印是增材過程，其中一個或多個打印頭在襯底上以不同形狀噴射材料的連續(xù)層。襯底支撐在平臺上，平臺通過可操作地連接到平臺的致動器的操作可三維地移動，或者一個或多個打印頭可操作地連接到一個或多個致動器以便控制一個或多個打印頭的運動以產(chǎn)生形成物體的層。三維打印與主要依賴通過減材過程從工件去除材料的傳統(tǒng)物體形成技術(shù)(如切割或鉆孔)可區(qū)分。

目前的三維打印機關(guān)于可以噴射的材料的粘度范圍具有明顯的限制，多數(shù)材料具有10到20厘泊(cP)之間的上限。噴射被固化的液體光聚合物的打印機被限制到該范圍的上限。因此，用這些材料制造的物體可能太脆弱并且因此在它們的功能性上被限制。諸如熔融沉積成型(FDM)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)的其它增材制造方法可以使用材料的更寬范圍并且因此能夠產(chǎn)生比由固化光聚合物材料制造的物體更耐用的產(chǎn)品。所以，能夠用固化光聚合物材料產(chǎn)生與FDM和SLS方法產(chǎn)生的物體一樣耐用的物體的系統(tǒng)將是有利的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在結(jié)構(gòu)的增材制造過程期間將纖維或一個或多個網(wǎng)片嵌入三維結(jié)構(gòu)中的制造方法增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性。方法包括用控制器操作多個噴射器中的至少一個噴射器以在襯底上形成光聚合物材料的至少一個層，用所述控制器操作紫外(UV)輻射源以部分固化所述光聚合物的至少一個層，用所述控制器操作致動器以將纖維定位到所述部分固化的光聚合物的至少一個層的頂表面上，以及用所述控制器操作所述至少一個噴射器以將附加光聚合物材料噴射到所述纖維上從而在所述纖維上形成光聚合物材料的至少一個其它層。

在結(jié)構(gòu)的增材制造過程期間將纖維或一個或多個網(wǎng)片嵌入物體中的系統(tǒng)增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性。系統(tǒng)包括襯底，配置成朝著所述襯底噴射光聚合物材料滴的多個噴射器，發(fā)射輻射以固化從所述多個噴射器噴射的光聚合物材料的紫外(UV)輻射源，配置成將纖維定位在由所述襯底支撐的光聚合物材料上的致動器，以及可操作地連接到所述多個噴射器、所述輻射源和所述致動器的控制器。所述控制器配置成操作所述多個噴射器中的至少一個噴射器以在所述襯底上形成光聚合物材料的至少一個層，操作所述UV輻射源以部分固化所述光聚合物材料的至少一個層，操作所述致動器以將纖維定位在所述部分固化的光聚合物材料的至少一個層的頂表面上，以及操作所述多個噴射器以將附加光聚合物材料噴射到所述纖維上從而在所述纖維上形成光聚合物材料的至少一個其它層。

附圖說明

在結(jié)合附圖進行的以下描述中解釋將纖維或一個或多個網(wǎng)片嵌入增材制造的三維物體中的系統(tǒng)的前述方面和其它特征。

圖1示出使用能夠在構(gòu)建過程期間定制切割網(wǎng)片的增材制造方法形成三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的俯視圖。

圖2示出圖1中所示的系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另外實施例的包括附加元件的圖1中所示的系統(tǒng)的俯視圖。

圖4是用于將一個網(wǎng)片或多個網(wǎng)片嵌入三維結(jié)構(gòu)中的增材制造方法的流程圖。

圖5是可以在圖3中所示的實施例中使用的纖維分配器的圖示。

具體實施方式

為了本文中公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及系統(tǒng)和方法的細節(jié)的一般理解，參考附圖。在附圖中，相似的附圖標記標示相似的要素。

圖1和2示出使用能夠在構(gòu)建過程期間將纖維或網(wǎng)片嵌入結(jié)構(gòu)中的增材制造方法形成三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。當在本文中使用時，術(shù)語″纖維″指的是可用于將耐用性或抗拉強度賦予制造的結(jié)構(gòu)的一種或多種材料的細絲的集合。當在本文中使用時，″網(wǎng)″指的是被組織以在至少兩個不同方向上延伸并且保持在一起以形成在一定程度上可透空氣和光的實體的多個纖維。打印機100包括襯底10，至少一個噴射器12，切割裝置14，致動器16，控制器18，生成光柵數(shù)據(jù)的光柵圖像處理器22，以及打印頭驅(qū)動器24。例如由計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)產(chǎn)生的三維部件文件20由三維光柵圖像處理器22接收，所述處理器生成待打印以形成部件11的層的光柵圖像數(shù)據(jù)。光柵圖像處理器22將光柵圖像數(shù)據(jù)傳到打印頭驅(qū)動器24并且驅(qū)動器生成像素化數(shù)據(jù)，所述像素化數(shù)據(jù)用于操作至少一個噴射器12以及將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器18。至少一個噴射器12配置成朝著襯底10噴射光聚合物材料滴，使得滴在襯底10的頂部上形成光聚合物材料層。如圖1中所示，多個噴射器可以連續(xù)被提供并且部件11移動通過噴射器的線以接收來自每一個的光聚合物材料滴。切割裝置14配置成將網(wǎng)材料切割成實質(zhì)上任何形狀。致動器16配置成將來自切割裝置14的至少一個網(wǎng)材料片13朝著襯底移動。至少一個網(wǎng)材料片13的目的是通過將至少一個網(wǎng)材料片13插入部件的層之間增加部件穩(wěn)定性和強度。網(wǎng)用作部件內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)，并且可以放置在整個部件各處或者選擇性地放置在部件內(nèi)的僅僅高應(yīng)力區(qū)域處。網(wǎng)材料可以由強度足以支撐固化部件的任何材料制造。這些材料包括、但不限于金屬，如鎳和不銹鋼，和高強度塑料。

控制器18可操作地連接到打印頭驅(qū)動器24、至少一個噴射器12、切割裝置14和致動器16。控制器18配置成操作系統(tǒng)的各種部件。例如，控制器18配置成具有帶電子存儲裝置的中央處理單元(CPU)和顯示器或用戶接口(UI)的配套、專用計算機?？刂破?8也配置有通用或?qū)Ｓ每删幊烫幚砥鳎鎏幚砥鲌?zhí)行存儲在可操作地連接到控制器的存儲器中的編程指令。處理器、它們的存儲器和接口電路將控制器配置成執(zhí)行下述的操作。這些部件設(shè)在印刷電路上或者作為專用集成電路(ASIC)中的電路被提供。電路的每一個可以用獨立處理器實現(xiàn)或者多個電路可以在相同處理器上實現(xiàn)。替代地，電路可以用設(shè)在超大規(guī)模集成(VLSI)電路中的分立部件或電路實現(xiàn)。而且，本文中所述的電路可以用處理器、ASIC、分立部件或VLSI電路的組合實現(xiàn)。

首先，控制器操作至少一個噴射器12以噴射光聚合物材料滴從而在襯底10上形成光聚合物材料的至少一個層。在光聚合物材料被固化之前控制器18可以操作至少一個噴射器12以增加三維部件文件20所需的或用戶期望的數(shù)量的層。一旦光聚合物材料被固化，至少一個網(wǎng)材料片13定位在光聚合物材料的頂層上?？刂破?8也可以參考用于操作至少一個噴射器12的被處理數(shù)據(jù)操作切割裝置14以將網(wǎng)材料切割成具有對應(yīng)于固化光聚合物材料的至少頂層的一部分的形狀的一個或多個網(wǎng)片13。由此產(chǎn)生的至少一個網(wǎng)材料片13被切割成對應(yīng)于部件11的頂層的一般橫截面形狀的一種或多種形狀，如圖1的實施例中所示。使網(wǎng)材料片13具有大致類似于部件的頂層的形狀的形狀最大化網(wǎng)材料片13接觸的頂層的表面積。接觸面積的該最大化加強部件的結(jié)構(gòu)完整性和耐用性。用于操作至少一個噴射器12的被處理數(shù)據(jù)可以由控制器18使用以操作切割裝置14從而切割單獨地放置到部件的頂層上的多個網(wǎng)片13。切割裝置14配置成使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種切割方法切割網(wǎng)材料。在一個實施例中，切割裝置14是激光切割系統(tǒng)并且在另一實施例中，切割裝置14是可操作地連接到致動器的往復(fù)式刀片系統(tǒng)，所述致動器配置成響應(yīng)從控制器18接收的信號移動往復(fù)式刀片系統(tǒng)以將網(wǎng)切割成對應(yīng)于用于操作形成部件的噴射器的數(shù)據(jù)的形狀。也就是說，控制器18在正和負X、Y和Z方向上操作致動器16以將來自切割裝置14的至少一個網(wǎng)材料片13移動到固化光聚合物材料的至少一個層的頂表面。為了幫助加強部件，控制器18也可以操作致動器16以改變層內(nèi)或不同層中的網(wǎng)片的取向。最后，在至少一個網(wǎng)材料片13被加入固化光聚合物材料的頂層之后控制器18操作至少一個噴射器12以加入附加層從而在至少一個網(wǎng)材料片13的頂部上形成光聚合物材料的至少一個其它層。鋪在固化光聚合物的頂表面上的一個或多個網(wǎng)片不需要與頂層的邊界一致。例如，一個或多個網(wǎng)片的一部分可以延伸超出頂層的邊緣。片的延伸部分可以用于在生產(chǎn)期間操縱部件或用作隨后待噴射的材料的支撐件。一旦部件完成，網(wǎng)片的延伸部可以由已知過程去除。加入層和網(wǎng)片的過程繼續(xù)直到三維部件11完成。

下面公開前述系統(tǒng)的若干附加實施例。在一個實施例中，如圖3中所示，系統(tǒng)還包括配置成生成形成物體的光聚合物材料的至少一個層的圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)傳感器26?？刂破?8可操作地連接到光學(xué)傳感器26以接收對應(yīng)于光聚合物材料層的各種特征(特別是其形狀)的圖像的由光學(xué)傳感器26生成的圖像數(shù)據(jù)。這些圖像數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制器18，所述控制器生成用于操作切割裝置14和至少一個噴射器12的信號。切割裝置14然后將下一個網(wǎng)材料片13切割成期望規(guī)格，該期望規(guī)格對應(yīng)于基于從控制器18發(fā)送的由光學(xué)傳感器26生成的圖像數(shù)據(jù)的信號。控制器18也可以獲取這些數(shù)據(jù)并且操作至少一個噴射器12以考慮通過至少一個網(wǎng)材料片13的加入產(chǎn)生的固化光聚合物材料層的頂表面的變化。當至少一個網(wǎng)材料片13被加入固化光聚合物材料層的頂表面時，脊或隆起可能在網(wǎng)周圍形成。而且，網(wǎng)自身可能在固化光聚合物材料層的頂表面的平面上方升高。所以，將被加入網(wǎng)的頂部上的光聚合物材料層必須考慮頂層表面中的這些變形。光學(xué)傳感器26捕捉該信息并且生成對應(yīng)于該信息的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制器18。如上所述，網(wǎng)材料是可滲透的，因此構(gòu)建和支撐材料可以填充網(wǎng)材料內(nèi)的縫隙空間并且噴射材料的量可以由位置改變以平整下一光聚合物層中的頂表面。因此，控制器18參考這些圖像數(shù)據(jù)操作至少一個噴射器12以在一些區(qū)域中加入更多的光聚合物材料并且在其它區(qū)域中加入更少的光聚合物材料從而獲得光聚合物材料的下一層上的平坦頂表面。

如上所述，控制器18可以配置成生成用于參考由控制器18使用以操作至少一個噴射器12以便形成光聚合物材料的至少一個層的圖像數(shù)據(jù)操作切割裝置14的信號。在該配置中，對于每個層由控制器18使用的圖像數(shù)據(jù)直接來自三維部件文件20。圖像數(shù)據(jù)不來自正在構(gòu)造的實際部件11，并且因此不顯示可能在構(gòu)建過程期間發(fā)生的任何可能的微小缺陷或意外改變。類似于先前所述的實施例，圖像數(shù)據(jù)由控制器18使用以操作切割裝置14從而切割每個網(wǎng)片13。另外，控制器18可以獲取來自部件文件的該圖像數(shù)據(jù)并且用對應(yīng)于至少一個網(wǎng)材料片13已嵌入其中的光聚合物材料層的頂表面的變化的經(jīng)驗確定數(shù)據(jù)來修改它。在構(gòu)建過程開始之前對應(yīng)于網(wǎng)片已嵌入其中的光聚合物材料層的頂表面中的缺陷和脊的該經(jīng)驗確定數(shù)據(jù)與部件文件20一起存儲在存儲器中?？刂破?8然后獲取該經(jīng)驗確定數(shù)據(jù)并且操作至少一個噴射器12以在一些區(qū)域中加入更多的光聚合物材料并且在其它區(qū)域中加入更少的材料從而獲得光聚合物材料的下一層上的平坦頂表面。

在一個或多個網(wǎng)片上施加的光聚合物材料層中的這些缺陷可以使用如以下實施例中所述的其它方法進行補償。在一個實施例中，如圖3中所示的系統(tǒng)100還可以包括配置成參考襯底10移動板或輥30的第二致動器28?？刂破?8可操作地連接到第二致動器28并且還配置成操作第二致動器28以將板或輥30壓入覆蓋至少一個網(wǎng)材料片的光聚合物層中。當板或輥30被壓入覆蓋至少一個網(wǎng)材料片13的光聚合物層中時，它將光聚合物材料推動到至少一個網(wǎng)材料片13中。一旦光聚合物材料層被推動到一個或多個網(wǎng)片中時，至少一個網(wǎng)材料片13定位成略低于、略高于或完全齊平施加到一個或多個網(wǎng)片上的光聚合物材料層的頂表面。該定位保證光聚合物材料層的頂表面相對平坦并且因此準備從至少一個噴射器12接收光聚合物材料的下一層。板或輥30可以包括圓筒形滾動裝置，其在光聚合物材料層和至少一個網(wǎng)材料片13上滾動。板或輥30也可以包括熱板，其被推動到光聚合物材料層和至少一個網(wǎng)材料片13中以加熱光聚合物層從而幫助將至少一個網(wǎng)材料片13附著到施加到網(wǎng)的光聚合物材料層并且平整光聚合物材料的頂層。

在另一實施例中，施加到一個或多個網(wǎng)片的光聚合物材料層的頂表面中的缺陷可以用配置成去除施加到一個或多個網(wǎng)片的光聚合物材料的至少一個層的一部分的平整器32進行修復(fù)?？刂破?8可操作地連接到平整器32并且還配置成操作平整器32以去除施加到一個或多個網(wǎng)片的未固化光聚合物材料的至少一個其它層的一部分。將從未固化光聚合物材料的至少一個其它層去除的部分是突出或以另外方式影響頂表面的平整度的最后層的頂表面的任何部分。一旦這些部分被去除，光聚合物材料的最后層的頂表面足夠水平以使光聚合物材料的附加層加入其頂部上。不需要每個層都完全水平，原因是來自光學(xué)傳感器26的數(shù)據(jù)或來自部件文件的圖像數(shù)據(jù)可以用于解釋這些缺陷并且于是操作至少一個噴射器12以形成下一層。

圖3中所示的系統(tǒng)100的另一實施例包括用于將一個或多個網(wǎng)片定位在正在制造的部件上的機械臂34。致動器16可操作地連接到機械臂34以使控制器18能夠操作致動器16從而移動機械臂34并且將至少一個網(wǎng)片13定位到光聚合物材料層上。因此，機械臂34的操作改善將至少一個網(wǎng)材料片13放置到光聚合物材料層的頂表面上的過程的速度和效率。在該實施例中，預(yù)切割網(wǎng)片13可以儲存在另一臺板上或者切割裝置14可以由控制器18操作以切割網(wǎng)片。為了便于網(wǎng)形狀與正在形成的部件的區(qū)域一致，具有不同寬度和長度的多個預(yù)切割網(wǎng)片可以儲存在臺板上或者切割裝置14可以被供應(yīng)具有不同寬度的網(wǎng)卷?？刂破?8然后從臺板取下網(wǎng)片13以將它們放置在部件11上。由于系統(tǒng)100用可固化液體光聚合物形成物體，因此UV輻射源36包括在圖3中所示的系統(tǒng)中?？刂破?8可操作地連接到UV輻射源36并且配置成操作UV輻射源36以固化從至少一個噴射器12噴射的液體光聚合物材料?？梢愿鶕?jù)需要不時地進行部件11的該固化。部件可以遠離至少一個噴射器12移動到UV輻射源36可以直接照射部件11并且固化它的地方。部件然后可以移動回到它的初始位置，因此可以操作至少一個噴射器12以繼續(xù)構(gòu)建過程。

在圖4中顯示用于將一個網(wǎng)片或多個網(wǎng)片嵌入三維結(jié)構(gòu)中的增材制造方法200。在該方法的描述中，過程正在執(zhí)行某個任務(wù)或功能的陳述指的是控制器或通用處理器執(zhí)行存儲在可操作地連接到控制器或處理器的存儲器中的編程指令以處理數(shù)據(jù)或操作打印機中的一個或多個部件從而執(zhí)行任務(wù)或功能。上述的控制器18可以是這樣的控制器或處理器。替代地，控制器18可以用一個以上處理器和關(guān)聯(lián)的電路和部件實現(xiàn)，其每一個配置成形成本文中所述的一個或多個任務(wù)或功能。

控制器18(圖1)操作多個噴射器12中的至少一個噴射器12以在襯底上形成液體光聚合物材料的至少一個層(方塊204)。控制器18然后確定是否將加強網(wǎng)材料片13加入到光聚合物材料層的頂表面(方塊208)。如果來自文件20的數(shù)據(jù)指示將不加入網(wǎng)材料片，控制器18用下一層的圖像數(shù)據(jù)操作一個或多個噴射器12以在光聚合物材料的先前層的頂部上形成光聚合物材料的另一層(方塊204)。參考由控制器18從三維部件文件20接收的圖像數(shù)據(jù)進行該確定。如果數(shù)據(jù)指示將加入網(wǎng)材料片，控制器18操作輻射源36以部分固化噴射的光聚合物(方塊210)。當在本文中使用時，″部分固化″表示不通過暴露于固化輻射完全固化光聚合物的一個或多個層。識別一個或多個網(wǎng)片的形狀或輪廓(方塊212)。通過處理從三維部件文件20接收的圖像數(shù)據(jù)或通過處理由控制器18從光學(xué)傳感器26接收的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行輪廓識別，當正在構(gòu)造部件時所述光學(xué)傳感器定位成從部件11捕捉圖像數(shù)據(jù)。控制器18然后操作機械臂34以選擇合適的網(wǎng)片或者控制器可以使用來自三維部件文件20的圖像數(shù)據(jù)或來自光學(xué)傳感器26的圖像數(shù)據(jù)操作切割裝置14以將至少一個網(wǎng)材料片13切割成被識別形狀(方塊216)。本領(lǐng)域中已知的任何切割方法可以用于操作先前所述的各種切割裝置以切割至少一個網(wǎng)材料片。機械臂34然后由控制器18操作以將一個或多個網(wǎng)材料片13加入到部分固化層的頂表面(方塊220)。至少一個網(wǎng)材料片13以片中的細絲的適當取向直接被放置到部分固化光聚合物材料層的頂表面上并且允許在光聚合物材料上方突出?？刂破?8操作至少一個噴射器12以將附加光聚合物材料噴射到至少一個網(wǎng)材料片13上以在至少一個網(wǎng)材料片13上形成光聚合物材料的至少一個其它層(方塊224)?？梢杂蓮娜S部件文件20或從光學(xué)傳感器26發(fā)送到控制器18的圖像數(shù)據(jù)確定形成光聚合物材料的下一層的光聚合物材料的分配。

為了解決施加層的頂表面中的可能缺陷，控制器18然后可選地操作第二致動器28以將板或輥30壓入光聚合物材料的施加層和至少一個網(wǎng)材料片13中(方塊228和232)?？刂破?8操作板或輥30以在施加層和網(wǎng)材料片13上滾動圓筒形滾動裝置或抵靠施加層和至少一個網(wǎng)材料片13加壓可以加熱的板。圓筒形滾動裝置將光聚合物材料的施加層推動到網(wǎng)材料13中，幫助平整網(wǎng)使得可以精確地加入光聚合物材料的下一層?？梢约訜岬陌鍖⒕W(wǎng)材料13推動到層中并且平整層，以及加熱它使得它進一步附著到光聚合物材料層。

附加地或替代地，可以通過使用平整器去除缺陷解決施加的光聚合物的頂層中的缺陷。因此，過程繼續(xù)確定施加層是否將被平整(方塊236)，如果是，控制器18操作平整器以去除未固化光聚合物的施加層的部分(方塊240)。平整器32的操作去除突出或以另外方式影響層的頂表面的平整度的光聚合物材料的施加層的頂表面的任何部分。一旦可選的平整完成，控制器18然后從圖像數(shù)據(jù)確定是否將光聚合物材料的附加層和可能的網(wǎng)材料加入到部件11(方塊244)。如果控制器18確定繼續(xù)加入層，方法繼續(xù)(方塊204)。如果控制器18確定沒有附加層將被加入到部件11，方法完成(方塊248)。在除了上述點以外的方法200的過程期間的任何點，光聚合物材料層可以可選地由UV輻射源36固化。如果由控制器18確定光聚合物材料層需要固化，控制器18操作UV輻射源36以固化光聚合物材料的最后施加層。

在圖3中所示的系統(tǒng)的另一替代實施例中，機械臂34和切割裝置14由圖5中所示的纖維分配器504替換。分配器504可操作地連接到致動器16，因此控制器18可以操作致動器16以在部件11上方的各平面中的不同X、Y位置定位分配器504。分配器504包括漸縮到噴嘴512的主體508。多個料箱516配置成用于與主體508的內(nèi)部和噴嘴512選擇性連通。當料箱516移動到能夠使料箱與主體508的內(nèi)部和噴嘴512連通的位置時，儲存在料箱內(nèi)的單獨的短纖維穿過主體508并且通過噴嘴512離開。因此，通過操作致動器16以將噴嘴512定位在纖維將定位的固化光聚合物層上的位置上方并且然后將料箱516移動到使纖維能夠通過噴嘴512排出的位置，纖維可以沉積在部件11上。(一個或多個)附加層然后可以施加到纖維并且針對頂表面中的缺陷用輥或平整器進行調(diào)整，如上所述。