在本文件中公開的裝置涉及制造三維物品的打印機(jī)以及更具體地，涉及用于制造具有不同類型的構(gòu)建材料的三維打印物品的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字三維制造(也稱為數(shù)字添加制造)是一種由數(shù)字模型制造實(shí)際上具有任何形狀的三維固態(tài)物品的過程。三維打印是一種添加過程，其中一個(gè)或多個(gè)打印頭將連續(xù)的材料層噴射或沉積在不同形狀的基底上?；妆恢卧谄脚_(tái)上，所述平臺(tái)可以通過可操作地連接到平臺(tái)的致動(dòng)器的操作以三維方式移動(dòng)，或者一個(gè)或多個(gè)打印頭可操作地連接到一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器以使一個(gè)或多個(gè)打印頭受控移動(dòng)從而制造形成物品的層。三維印刷與傳統(tǒng)的物品形成技術(shù)不同，傳統(tǒng)的物品形成技術(shù)主要依靠通過例如切割或鉆孔的減除法從工件去除材料。

當(dāng)前的三維物品噴墨打印機(jī)在可以噴射的光聚合物材料的粘度范圍方面具有顯著的限制，大多數(shù)材料具有10至20厘泊(cp)的上限。將光聚合物材料噴射到正形成的物品上后，利用紫外線(uv)或其它合適的輻射源固化材料。這些光聚合物材料可能是昂貴的并且可能具有例如強(qiáng)度和穩(wěn)定性的物理性質(zhì)，其可用于制造具有廣泛功能的堅(jiān)固物品。例如熔融絲制造(fff)或者立體光刻(sla)的其他添加制造方法擴(kuò)大了用于制造產(chǎn)品的材料范圍。那里材料比固化的光聚合物材料更耐用并且通常便宜得多。使用fff制成的部件的表面光潔度不如使用uv噴墨制造的那些，并且uv噴墨可以更容易地制造具有高分辨率表面的部件。因此，能夠制造具有固化的光聚合物材料和由fff和sla方法使用的材料的復(fù)合物品的系統(tǒng)將是有利的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

將擠出的構(gòu)建材料與固化的光聚合物結(jié)合在三維物品中的制造方法增加了結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和耐久性。該方法包括利用控制器操作多個(gè)噴射器中的至少一個(gè)噴射器以朝基底噴射光聚合物材料的液滴，光聚合物材料的液滴形成有在基部上方延伸的周邊部分，使得周邊部分和基部限定一容積，利用控制器操作紫外線(uv)輻射源以至少部分地固化光聚合物材料的液滴，利用控制器操作擠出器以擠出由基部和周邊部分限定的容積內(nèi)的熱塑性材料，利用控制器操作至少一個(gè)噴射器以將額外的光聚合物材料噴射到熱塑性材料上以在熱塑性材料的至少一部分上形成表面，并且利用控制器操作uv輻射源以固化光聚合物材料的液滴和額外的光聚合物材料。

將擠出的構(gòu)建材料與固化的光聚合物結(jié)合在三維物品中的系統(tǒng)增加了結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和耐久性。該系統(tǒng)包括平面構(gòu)件、被配置成朝平面構(gòu)件噴射光聚合物材料的液滴的至少一個(gè)噴射器、紫外線(uv)輻射源、被配置成朝平面構(gòu)件擠出熱塑性材料的擠出器、以及可操作地連接到至少一個(gè)噴射器、uv輻射源和擠出器的控制器?？刂破鞅慌渲贸桑翰僮鞫鄠€(gè)噴射器中的至少一個(gè)噴射器以朝平面構(gòu)件噴射光聚合物材料的液滴，光聚合物材料的液滴形成在基部上方延伸的周邊部分，使得周邊部分和基部限定一容積，操作uv輻射源以至少部分地固化光聚合物材料的液滴，操作擠出器以擠出由至少部分地固化的光聚合物材料的基部和周邊部分限定的容積內(nèi)的熱塑性材料，操作至少一個(gè)噴射器以將額外的光聚合物材料噴射到熱塑性材料上以在熱塑性材料的至少一部分上形成表面，并且操作uv輻射源以固化光聚合物材料的液滴和額外的光聚合物材料。

附圖說明

結(jié)合附圖，在以下描述中解釋將擠出的構(gòu)建材料與固化的光聚合物結(jié)合在一個(gè)添加制造的三維物品中的系統(tǒng)的前述方面和其它特征。

圖1說明了一種用于形成具有不同材料的三維物品的系統(tǒng)。

圖2說明了利用圖1的系統(tǒng)形成的混合結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖3說明了具有傾斜壁的利用圖1的系統(tǒng)形成的另一個(gè)混合結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖4說明了利用圖1的系統(tǒng)形成的沿著物品的底部具有突起的混合結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖5說明了利用圖1的系統(tǒng)形成的混合支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖6說明了利用圖1的系統(tǒng)形成的具有多個(gè)相對(duì)于彼此定向不同的熱塑性構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

圖7a是類似于圖6所示的基體結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D，并且圖7b是圖7a中的基體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖7a的視圖描述了在基體結(jié)構(gòu)中包括固體材料層以阻止液體光聚合物流入基體太深。

圖8是用于制造具有不同材料的三維物品的添加制造方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了大體上了解本文公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)，參考附圖。在附圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的元件。如本文件中所用，術(shù)語“擠出器”指一種能夠制造半固體形式的熱塑性材料的連續(xù)流的裝置。術(shù)語“半固體”意指材料具有可延展性但未轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟牟牧蠣顟B(tài)。術(shù)語“噴射器”指一種排出液體材料的液滴的裝置。噴射器可以是具有排出液滴的裝置陣列的噴墨打印頭，或者其可以是銷噴射器陣列，其中每個(gè)噴射器排出液滴。術(shù)語“調(diào)平裝置”意指一種具有研磨表面、平滑旋轉(zhuǎn)表面、或切除三維物品中的材料形成結(jié)構(gòu)的一部分的切割器的裝置。術(shù)語“熱塑性”意指一種在低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下是固體剛性的并且在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上是半固體的材料。熱塑性塑料的實(shí)例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚酰胺、聚碳酸酯等。在用于印刷三維物品的常用熱塑性塑料中，聚乳酸(pla)是特別有用的，因?yàn)榕c例如abs的其它熱塑性材料相比，它具有相對(duì)低的擠出溫度。術(shù)語“光聚合物”指當(dāng)暴露于電磁輻射時(shí)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化的材料。

圖1示出了一種用于制造具有多種材料的三維物品的添加制造系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括平面構(gòu)件14、一個(gè)或多個(gè)噴射器18、調(diào)平裝置22、紫外線(uv)輻射源26、一個(gè)或多個(gè)擠出器30、冷卻器34和控制器40。噴射器18可以被配置成噴墨打印頭。至少一個(gè)噴射器18被配置成朝平面構(gòu)件14噴射光聚合物材料的液滴。擠出器30被配置成朝平面構(gòu)件14擠壓熱塑性材料。致動(dòng)器38可操作地連接到平面構(gòu)件14并被配置成以使平面構(gòu)件14選擇性地在擠出器30、噴射器18、uv源26、冷卻器34和調(diào)平裝置22下方移動(dòng)，使得控制器34能夠操作這些組件并在平面構(gòu)件上形成三維物品42?；蛘撸聞?dòng)器38可操作地連接到噴射器18、uv輻射源26、調(diào)平裝置22、冷卻器34和擠出器30以使控制器能夠參照平面構(gòu)件14移動(dòng)這些組件以制造物品42。冷卻器34是一種在光聚合物固化后將其冷卻并可以用風(fēng)扇實(shí)施的裝置。

控制器40可操作地連接到噴射器18、調(diào)平裝置22、uv源26和擠出器30。控制器配置有存儲(chǔ)在可操作地連接到控制器的存儲(chǔ)器中的編程指令以操作系統(tǒng)10的組件。具體地，控制器40被配置成操作多個(gè)噴射器中的至少一個(gè)噴射器18以噴射光聚合物材料的液滴，從而在平面構(gòu)件14上形成至少一層光聚合物材料。如圖1所示，所述至少一個(gè)層形成有在基部50上方延伸的周邊部分46，使得周邊部分和基部限定容積54?？刂破鬟€被配置成操作uv輻射源26以至少部分地固化所述至少一層光聚合物并且操作擠出器30以擠出在所述至少一層至少部分固化的光聚合物材料的容積54內(nèi)的熱塑性材料?？刂破?0還被配置成操作一個(gè)或多個(gè)噴射器18以將額外的光聚合物材料噴射到容積54中的熱塑性材料上從而在熱塑性材料的至少一部分上形成表面，如物品42的右側(cè)的周邊部分46中所示?？刂破鞅慌渲贸刹僮鱱v輻射源26以完成光聚合物材料和額外的光聚合物材料的固化。以這種方式，物品的內(nèi)部已形成有熱塑性材料，并且外部已形成有光聚合物材料。如前所述，系統(tǒng)10還包括調(diào)平裝置22，其可操作地連接到控制器40，并且控制器34進(jìn)一步被配置成操作調(diào)平裝置26以移除所述至少一層光聚合物材料的一部分以確保周邊部分的上表面位于光聚合物材料的基部上方的預(yù)定高度?？刂破?0也被配置成操作冷卻器以將熱量從固化的光聚合物中移除。

如上所述的系統(tǒng)10及其控制器的配置使得控制器能夠以多種方式操作以在三維物品中形成特定結(jié)構(gòu)。例如，如圖2所示，控制器34操作一個(gè)或多個(gè)噴射器18以形成具有預(yù)定高度t1的容積54?？刂破?4然后操作擠出器30以擠出光聚合物結(jié)構(gòu)容積內(nèi)的熱塑性材料以將熱塑性材料的上表面定位在預(yù)定高度t2，該預(yù)定高度t2小于至少一層光聚合物材料的基部上方的周邊部分的預(yù)定高度t1。兩個(gè)高度之間的差δ使得控制器34能夠操作調(diào)平裝置26，以平整下一層光聚合物材料而不接觸熱塑性材料。差δ可在約25至約150微米的范圍內(nèi)，但其它范圍也是可能的。

圖3顯示了可以利用系統(tǒng)10形成的傾斜壁結(jié)構(gòu)。為了形成這種類型的結(jié)構(gòu)，控制器34操作至少一個(gè)噴射器18以形成具有至少一個(gè)表面的周邊部分46，該表面相對(duì)于支撐光聚合物材料的基部50的平面構(gòu)件成非垂直角。如圖所示，外壁60可以遠(yuǎn)離容積54傾斜。同樣，可以使容積54的內(nèi)壁成形以容納不同熱塑性材料。例如，內(nèi)壁64首先形成為垂直于基部50，而內(nèi)壁68遠(yuǎn)離容積54傾斜。此外，如圖所示，熱塑性材料76可以被擠到容積54中，其該高度小于如上所述的容積的高度。壁64然后可以在擠出的熱塑性材料上延伸，如圖中所示的下面兩個(gè)描述中所示。控制器34也可以操作一個(gè)或多個(gè)噴射器18或擠出器30以噴射支撐材料的液滴以形成用于傾斜外壁60中一個(gè)的支撐。擠出器的尖端的尺寸可限制擠出熱塑性材料一直到壁64或68并完全填充差δ的能力。因此，該間隙可以在隨后程中利用光聚合物材料填充。

在熱塑性層的邊緣中留出開口以允許印刷交叉光聚合物。交叉光聚合物允許層互鎖并且確保壁處改善的粘附性。同樣通過改變在不同高度處的光聚合物材料與熱塑性材料之間的邊界的方向和位置，材料的互鎖可以改善界面的質(zhì)量并因此改善部件的質(zhì)量。

系統(tǒng)10也可以形成圖4示出的有用的結(jié)構(gòu)。在圖4中，控制器34操作至少一個(gè)噴射器18以形成具有從基部50延伸到由周邊部分46和基部50形成的容積中的突出部80或者具有在基部50表面中形成的凹部的基部50?？刂破?4然后操作擠出器30以利用熱塑性材料76填充突起之間的區(qū)域。這種類型的結(jié)構(gòu)有助于改善容積中的熱塑性材料與形成基部50的光聚合物之間的粘附性。圖5描述了更經(jīng)濟(jì)地由熱塑性材料和光聚合物材料一起形成的支撐結(jié)構(gòu)?？刂破?4操作另一個(gè)擠出器30以擠出支撐熱塑性材料，然后操作其中一個(gè)噴射器以噴射另一種支撐材料104的液滴。噴射的支撐材料104不同于擠出的熱塑性支撐材料100。擠出的支撐材料位于與周邊部分46的外壁相鄰的區(qū)域中，并且噴射的支撐材料覆蓋熱塑性支撐材料以在擠出的支撐材料上形成表面。控制器34然后操作其中一個(gè)噴射器18以在所噴射的支撐材料104上噴射光聚合物材料108的液滴，從而使周邊部分46在形成在另一種噴射的支撐材料104上的表面上延伸。此混合結(jié)構(gòu)比只利用噴射的支撐材料形成的結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)。可以在三維物品內(nèi)形成并且用于其中光聚合物材料沉積在擠出的熱塑性塑料頂部上的物品的上部的另一種有用的混合結(jié)構(gòu)在圖6中示出。在該圖中，控制器34操作擠出器30以形成具有第一取向的第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件110，并形成具有第二取向的第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件114，所述第二取向不同于第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件的第一取向。第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件和第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件在第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件中的熱塑性構(gòu)件與第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件中的熱塑性構(gòu)件之間形成間隙空間?？刂破?4也操作其中一個(gè)噴射器以在擠出的熱塑性材料上利用光聚合物材料形成表面前，將光聚合物材料的液滴噴射到第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件110中的熱塑性構(gòu)件與第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件114中的熱塑性構(gòu)件之間的至少一些間隙空間中?？梢詫⒐饩酆衔锊牧系囊旱螄娚涞竭@些間隙空間中，因?yàn)橐旱蔚闹睆叫∮跀D出的熱塑性構(gòu)件的寬度。因?yàn)楣饩酆衔镌诠袒笆橇黧w，所以其趨于圍繞熱塑性材料流動(dòng)。如果光聚合物太深地滲入熱塑性部件之間的間隙空間的基體中，則可能難以固化。為了防止這種過度滲透，可以在空間內(nèi)形成固體層以阻止流入熱塑性基體過遠(yuǎn)。固體層可通過操作擠出器以利用熱塑性材料形成固體層或通過操作噴射器以利用光聚合物材料形成固體層來形成，所述光聚合物材料在其上形成熱塑性構(gòu)件前被固化。由熱塑性構(gòu)件形成的容積的側(cè)視圖在圖7a中示出并且該結(jié)構(gòu)的俯視圖在圖7b中示出。熱塑性構(gòu)件604延伸進(jìn)入和離開圖的平面，并且熱塑性構(gòu)件608通常與構(gòu)件604正交?？梢允褂昧硪恍┢渌嵌热∠?。層612說明熱塑性材料的固體層，其防止光聚合物進(jìn)入基體結(jié)構(gòu)太深。因?yàn)橐后w光聚合物不滲透固體層，所以如果不直接暴露，其緊靠表面以被散射或透射光固化。選擇不含吸收固化所用光的著色劑的熱塑性塑料也是有益的。

利用不同類型的材料施加器形成具有不同材料的物品的添加制造方法200在圖8中示出。在該方法的描述中，過程正在執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)或功能的說明是指執(zhí)行存儲(chǔ)在可操作地連接到控制器或處理器的存儲(chǔ)器中的編程指令以操縱數(shù)據(jù)或操作打印機(jī)中一個(gè)或多個(gè)組件以執(zhí)行該任務(wù)或功能的控制器或通用處理器。上述控制器34可以是這樣的控制器或處理器?；蛘撸刂破?4可以利用多于一個(gè)處理器和相關(guān)聯(lián)的電路和組件來實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)被配置成形成本文所述的一個(gè)或多個(gè)任務(wù)或功能。

該方法開始于控制器操作多個(gè)噴射器中的至少一個(gè)噴射器以朝基底噴射光聚合物材料的液滴(框204)。光聚合物材料形成有在基部上方延伸的周邊部分，使得周邊部分和基部限定容積，如圖2中所示?？刂破鞑僮髡{(diào)平裝置以移除基底上的光聚合物材料的液滴的一部分，以使得周邊部分具有位于基部上方的預(yù)定高度的上表面(框208)?？刂破鞑僮髯贤饩€(uv)輻射源以部分地固化光聚合物的一個(gè)或多個(gè)層(框212)。如本文件中所使用的，“操作uv輻射源”意指激活該源使其輻射，移動(dòng)該源使得來自該源的輻射撞擊光聚合物材料，或打開和關(guān)閉能夠選擇性地發(fā)射輻射的快門?？刂破魅缓蟛僮鲾D出器以擠出在部分固化的光聚合物材料的容積內(nèi)的熱塑性材料，以將熱塑性材料的上表面定位在小于至少一層光聚合物材料的基部上方的周邊部分的預(yù)定高度的高度處(框216)。一個(gè)或多個(gè)噴射器由控制器操作以將額外的光聚合物材料噴射到熱塑性材料上，以在熱塑性材料的至少一部分上形成表面(框220)。uv輻射源再次由控制器操作以固化較早噴射的光聚合物材料和額外的光聚合物材料(框224)。

如上所述，周邊部分的內(nèi)壁和外壁可以是傾斜的，并且基部的上表面可以形成有從基部延伸到由周邊部分和基部形成的容積中的突起?？刂破魅缓蟛僮鲾D出器以利用熱塑性材料填充突起之間的區(qū)域。該方法還可以用于擠出在與周邊部分的外壁相鄰的區(qū)域中的支撐材料，將與所噴射的支撐材料不同的另一種支撐材料噴射到擠出的支撐材料上，以在擠出的支撐材料上形成表面，并且在所噴射的支撐材料上噴射光聚合物材料的液滴，以將周邊部分在另一種噴射的支撐材料上形成的表面上延伸。該方法也使得控制器能夠操作擠出器以形成具有第一取向的第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件并且形成具有第二取向的第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件，所述第二取向不同于第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件上的第一取向。第一多個(gè)熱塑性構(gòu)件中的熱塑性構(gòu)件和第二多個(gè)熱塑性構(gòu)件中的熱塑性構(gòu)件之間的間隙空間可以填充光聚合物材料或者留空以減小物品的重量。