CN101449295A - 高分辨率的快速制造 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于形成物体(100)的方法，该方法包括步骤：喷射第一材料(102)以形成限定支撑结构增量的多个层；和挤出第二材料(104)以形成物体(100)的层。物体(100)的层与支撑结构增量的内部表面大体相符。

Description

高分辨率的快速制造
技术领域
本发明涉及利用加成法技术由计算机设计的三维物体的制造。具体而言，本发明涉及利用熔融沉积成型和喷射技术对三维物体的快速制造。
背景技术
计算机生成设计的三维物体的快速原型设计用于形成具有多种功能的部件，诸如美感调节、检验数学模型、概念可视化(concept visualization)、形成硬模(forming hard tooling)、干扰和空间布局的研究以及测试功能性。快速原型设计技术还迅速地普及到制造市场，其中可以快速制造物体的复制品，并且每一个物体都展示出可与钢制模具制造的物体相比的物理特性。
快速制造应用需要与注射成型的部件相等的高生产量、良好的表面光洁度、和强度、韧性和耐化学性。为实现所需的功能质量，理想的是用诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯和聚砜的热塑性材料建造快速制造的物体，所有这些材料都展示出良好的物理特性。
熔融沉积成型是由MN的Enden Prairie的Stratasys公司研发的流行的快速原型设计技术，其可以用热塑性材料建造三维物体。熔融沉积成型机通过经由挤出头携带的管嘴挤出可流动的成型材料(例如，热塑性材料)、并且将成型材料以预定的图案沉积至底座上来建造三维物体。成型材料以流畅的股线方式挤出，称为条道(road)。典型地，通过在x-y平面中沉积一系列条道，沿z-轴(与x-y平面垂直)提高挤出头的位置，并接着重复该过程来形成为层状态形式的物体。挤出头相对于底座的移动是在计算机控制下根据由计算机辅助设计(CAD)系统提供的设计数据来执行。挤出的成型材料熔化于前边沉积的成型材料，并且根据温度的下降凝固以形成类似于CAD模型的三维物体。
另一种用于从可凝固材料建造物体的技术被称为喷射技术，喷射技术使来自诸如喷墨打印头的喷射头的管嘴的成型材料的液滴沉积。在分配之后，使喷射的材料凝固(例如，通过将材料暴露在紫外射线中固化)。
根据现有技术的层式制造技术(例如，熔融沉积成型和喷射)研发的三维物体的表面会由于层状构成而具有纹理或条纹。弯曲的或成角度的表面通常具有“台阶”外观，该台阶外观是由于具有方形边缘轮廓的横截面形状成层所导致的。尽管台阶不会影响物体的强度，但是会有损美感。通常，台阶效果与层厚度成比例，并且随着降低层厚度而减少。
现有的诸如可从Stratasys公司商业上获得的系统的熔融沉积成型机可建造具有范围从大约180微米(大约0.007英寸)到大约760微米(大约0.030英寸)的层厚度、和范围从大约125微米(大约0.005英寸)到大约1500微米(大约0.060英寸)的条道宽度的三维物体。热塑性材料流动通过挤出末端，该挤出末端具有范围典型地从大约125微米(大约0.005英寸)到大约500微米(大约0.020英寸)的内径，分配速率设计成生产所需的层厚度和条道宽度。
通常以大约500赫兹(Hz)体素速率(voxel rate)操作熔融沉积成型机，以大约每小时三立方英寸的分配速率挤出热塑性材料。产生的物体分辨率通常是大约130微米(大约0.005英寸)，取决于物体的几何形状。热塑性材料的高粘度(例如，大约500泊)和其低热导性(例如，大约0.2瓦/米-℃)通常在以较高频率(以减少建造时间)移动挤出机的同时，限制这些塑料通过较小的挤出末端(以产生较薄层)的挤出。
现有技术的喷射技术可以以大约2千赫(kHz)到大约200kHz的体素速率喷射小材料液滴。喷射层的厚度的范围通常范围从大约5微米(大约0.0002英寸)到大约150微米(大约0.006英寸)，在大约25微米(大约0.001英寸)的平坦化之前有典型厚度。因此，产生的物体分辨率通常大约50微米(大约0.002英寸)，取决于物体的几何形状。然而，已知的可喷射材料不具有可挤出的热塑性材料的理想材料特性。这样，喷射的物体通常不适合快速制造应用。需要可提高由展示出良好物理特性的诸如热塑性材料的材料建造三维物体的速度和分辨率的技术。
发明内容
本发明涉及一种通过喷射技术和熔融沉积成型的原理相结合而提供高分辨率的快速制造的三维物体的方法和系统。喷射第一材料以形成限定支撑结构的增量的多个层。喷射使支撑结构的增量具有高分辨率的内部表面。
挤出第二材料以形成三维物体的层，其中所述三维物体的层大体符合所述支撑结构增量的高分辨率的内部表面。重复喷射和挤出直到形成所述三维物体和所述支撑结构。因此，该支撑结构用作可同时用其结构填充的高分辨率模型。这样使三维物体由具有良好物理特性的材料以高沉积速率形成并具有高表面分辨率。
附图说明
图1是部分被分离的本发明的三维成型系统的侧视图；
图2是部分被分离的本发明的三维成型系统的主视图；
图3是监测沉积层的照相机的视图；
图4是说明根据本发明的建造过程的示意图；
图5是根据本发明沉积的材料层的视图；
图6A-6D是三维物体和建造过程中的支撑结构的图示；
图7是图6A中示出的支撑结构和三维物体的示图，图示了挤出薄条道壁法(extruded thin-road wall approach)；
图8是图7中示出的支撑结构和三维物体的示图；
图9是图6A中示出的支撑结构和三维物体的示图，图示了开裂法(chinking approach)；
图10是图6A中示出的支撑结构和三维物体的示图，图示了失蜡法(lostwax approach)；以及
图11是图6A中示出的支撑结构和三维物体的示图，图示了支撑支柱法(support stilts approach)。
具体实施方式
图1和图2分别为三维成型系统的侧视图和主视图，该系统是根据本发明的用于制造三维物体的设备。系统10包括建造室12、控制器14、CAD系统16、材料供给部分18、和循环系统20。
建造室12包括室壁22和设置在室壁22内的内部部分24。内部部分24如图1和图2中的分裂部分所示。在内部部分24内，建造室12还包括喷射头26、平坦化装置28、挤出头30、导轨32、平台34、支撑结构36和三维物体38。如下所述，喷射头26将支撑材料喷射至平台34上以在增量过程中建造支撑结构36。通过支撑结构36的喷射的散布，挤出头30将成型材料挤出至平台34上，用以在支撑结构36内建造物体38。
喷射头26和平坦化装置28作为一个单独单元连接在一起，并且由导轨32支撑，该导轨在建造室12内沿y-轴延伸。这使得喷射头26和平坦化装置28可沿y-轴前后移动。挤出头30由导轨32和另外的导轨40支撑，其中另外的导轨40在建造室12内沿x-轴延伸。导轨32和40使挤出头32在通过x-轴和y-轴限定的平面中可沿任何方向移动。
平台34为建造支撑结构36和物体38提供工作表面，并且在沿着z-轴的方向上设置在喷射头26、平坦化装置28和挤出头30之下。平台34沿z-轴的高度可以以传统的方式调节，以改变平台34与喷射头26之间、与平坦化装置28之间、以及与挤出头30之间的距离。
材料供给部分18包括支撑材料供给部42、成型材料供给部44、支撑材料供给线路46、和成型材料供给线路50。用支撑材料供给线路46将支撑材料供给部42连接到建造室12的喷射头26，使得存储在支撑材料供给部42中的支撑材料被抽到喷射头26。可通过支撑材料返回线路48将建造支撑结构36后没有用到的支撑材料输送回至支撑材料供给部42。通过成型材料供给线路50将成型材料供给部44连接到建造室12的挤出头30，使得存储在成型材料供给部44中的成型材料被传送至挤出头30。
循环系统20包括真空部54、冷却风扇56、真空导管58、和冷却导管60。通过真空导管58将真空部54连接至建造室16的平坦化装置28。相似地，通过冷却导管60将冷却风扇56连接至建造室16的挤出头30。冷却风扇56为挤出头30提供冷却空气，以使挤出头30保持在所需的温度下。
建造室12的喷射头26包括面向下的喷嘴62阵列，所述喷嘴根据预定的图案喷射成滴的支撑材料，以一层层地建造支撑结构36。在本实施例中，喷嘴62以单一列阵的方式跨越整个工作空间。为了消除发生故障的管嘴(例如，堵塞或失效的管嘴)的影响，喷射头26可沿x-轴移位，以使喷嘴62相对于工作空间的位置可任意排列。这可通过使用沿x轴延伸的平行于用于挤出头30的导轨40的三组导轨(未显示)来实现。在可选实施例中，喷嘴62可以只跨越部分的工作空间，将喷射头26制成多个通道(例如，光栅扫描和交错的光栅扫描图案)，以便沿z-轴以每一个递增高度覆盖整个工作空间。另外，喷嘴62可从x-轴以一定角度偏移，以提高每一个通道的分辨率(例如，切割角度(saber angle))。
喷射头26可以是商业喷墨打印头，例如，同行所指的GALAXY、NOVA和SPECTRA打印头/喷射组件，所有所述打印头/喷射组件均可从NH的Lebanon的Spectra公司商业获得。在一个实施例中，喷射头26使用按需喷墨(drop-on-demond)技术。现有技术中使用按需喷墨技术的典型的喷射头以每管嘴大约三kHz的速率可靠地喷射出直径大约38毫米的液滴，并且具有每英寸多于300管嘴的管嘴密度。在可选实施例中，喷射头26使用连续滴落技术。连续滴落技术通常提供较高生产量，但是液滴的尺寸具有更多的可变性。在另一可选实施例中，喷射头26可以定制和/或可少到具有一个喷嘴。例如，喷嘴头26可沿y-轴快速移动并且使液滴以静电方式偏转到位。
在现有技术中的喷射头中，喷射的液滴表现出不同的尺寸，从而导致不确定的沉积速率。为解决该不确定问题，将喷射头26校准为过度沉积支撑材料。然后可通过平坦化装置28将过剩材料大致移除。平坦化装置28可以是适用于使沉积层平坦化的任何装置。在本实施例中，平坦化装置28是旋转式切刀，其通过将支撑材料物理地切割掉而使支撑结构层平坦化。可选地，平坦化装置28可以是溶剂辅助的研磨式平坦化装置(solvent-assisted lapping planarizer)，其包含使部分的支撑结构36溶解的涂敷有溶剂的辊子。这特别适用于支撑结构36的小型特征，否则所述小型特征可能会由于传统平坦化装置引起的剪切力被损坏。以下将说明，另一个可选的平坦化装置28包括特别适用于特定材料的支撑结构36的平滑辊。
理想的是平坦化装置28略微延伸到喷射头14之下。在该布置中，当喷射的支撑材料沿z-轴的高度增加到与平坦化装置28的高度相等时，使喷射的支撑材料平坦化。这样防止了喷嘴62与支撑结构36的喷射层相碰撞。在可选实施例中，平坦化装置28可从喷射头26分离，使平坦化装置28可沿z-轴以不同高度定位。这样提供了平坦化装置28根据喷射的支撑材料而作用的间隔的控制。
由真空部54通过真空导管58将通过平坦化装置28移除的支撑材料从建造室16撤走。当通过平坦化装置28将材料移除时，真空部46把材料从建造室16中吸走。平坦化装置28和真空部54可以是用于使过剩的支撑材料平坦化且移除的任何合适的平坦化系统。例如，在使用平坦化装置28的时候，可使用带负电的静电辊代替真空部54收集并移除过剩支撑材料。
挤出头30可以是接收热塑性材料并在熔融状态下分配热塑性料的任何类型，例如，用于熔融沉积成型的挤出头。挤出头30包括根据预定的图案挤出成型材料厚层(bulk layer)以一层层的建造物体38的挤出末端64。在本发明的一个实施例中，挤出头30的挤出末端64可包括较大的孔口，所述孔口能够挤出比通常利用现有的熔融沉积成型系统挤出的层更厚的成型材料的厚层。
用于成型材料的厚层的适合的厚度的实例包括大约760微米(0.03英寸)。这是使用现有的熔融沉积成型系统的几倍。术语“厚度”和“层厚度”在此限定为沿图1和2中示出的z-轴的距离。挤出末端64的较大的孔口还可以使成型材料的挤出速率高于现有的熔融沉积成型系统的速率。从挤出末端64的适合的挤出流动速率的实例包括至少大约1.6升/小时(大约100英寸3/小时)。比较之下，现有的熔融沉积成型系统的挤出速率大约0.05升/小时(大约3英寸3/小时)。
建造室14的喷射头26、平坦化装置28、挤出头30、和平台34每一个都通过控制器14来管理。控制器14可以是用于从CAD系统16中接收数据并指导支撑结构36和物体38的沉积和平坦化图案的任何合适的计算机系统。
CAD系统16为控制器14提供物体38的数字表示，用于挤出头30的挤出图案由所述数字表示来确定。CAD系统16还由物体38的数字表示产生支撑结构36的数字表示。在一个实施例中，CAD系统16首先识别表示物体38的外部表面的数据。然后CAD系统16产生支撑结构36的数字表示，其中支撑结构36具有通过表示物体38的外部表面的数据限定的几何图形的内部表面。同样地，支撑结构36被设计成为用于物体38的匹配模具。CAD系统16为控制器14提供支撑结构36的数字表示，用于喷射头26的喷射图案由所述数字表示确定。
在此使用的物体38的“外部表面”术语包括暴露于外部环境的物体38的所有表面，例如，物体38的外侧几何表面、物体38暴露的中空部分、和在物体38之中延伸的暴露的通道。在此使用的支撑结构36的“内部表面”术语包括与物体38的外部表面几何上相对应的支撑结构36的所有的表面。
在可选实施例中，控制器14和CAD系统16可以是提供支撑结构36和物体38的数字表示的单一系统，并管理系统10的部件。另外，可通过各种数据处理技术产生支撑结构36的数字表示。
理想的是建造室12的内部区域24保持在高于成型材料的蠕变松弛温度(creep-relaxation temperature)的温度下。在高于成型材料的蠕变松弛温度的温度环境下建造物体38，随后逐渐冷却，使施加在物体38上的应力减轻。如果环境太冷，新挤出的热的成型材料和之前存在的已冷却的成型材料之间的热梯度会与成型材料的热膨胀系数一起产生翘曲或卷曲。另一方面，如果环境太热，成型材料将不会充分地固化，并且物体38将下垂。
用于建造室16的内部区域24的合适温度的实例在从成型材料的大约凝固温度到成型材料的大约玻璃化转变温度的范围中。特别适合用于建造室16的温度的实例在从成型材料的大约蠕变松弛温度到成型材料的大约玻璃化转变温度的范围中。
当建造室16的内部区域24保持在成型材料的大约玻璃化转变温度时，成型材料陷落并与支撑结构36的内部表面大体相符。同样地，支撑结构36以与注射成型过程的模具相似的方式起作用。然而，与将塑料射入注模的高压相比，本发明的成型材料的挤出条道将在支撑结构36上施加低压(主要是流体静压)。因此，为支撑物体38，支撑结构36只需要表现出适度的强度。
理想的是使喷射头26与建造室16的内部区域24中热绝缘。延长的高温会使支撑材料和/或喷射头有可能退化。可使用各种装置来保护喷射头26免受到热。例如，可通过与真空部54共享真空导管58的第二冷却风扇(未显示)吸取冷空气来冷却喷射头26。还可以使用对本领域普通技术人员显而易见的其它防护技术，包括Swanson等人公开的美国专利第6,722,872号中的可变形的挡板式绝缘器，该专利的全部内容在此并入本文供参考。
为精确地建造支撑结构36和物体38，控制器14记录喷射头26(沿y-轴的方向)和挤出头30(沿z-轴和y-轴的方向)之间的相对位置。传感器可与控制器14通信以在启动时执行记录，并且在建造过程期间监控喷射头26和挤出头30的记录。
当实现本发明时，理想的是将平坦化装置28定位成可避免与支撑结构36相撞。类似地，理想的是将挤出头30的挤出末端64定位成可避免与支撑结构36相撞。在一个实施例中，平坦化装置28将喷出的支撑材料平坦化到沿z-轴稍微低于挤出末端64的位置的高度。这样当挤出头30行进横过工作空间时有效地防止了挤出末端64与支撑结构36相撞。在可供选择的实施例中，可通过在挤出之前降低平台34以及在挤出完成后使所述平台倒退升高防止碰撞。
除了避免碰撞之外，记录对建造具有精确几何形状的支撑结构36和物体38也是重要的。为了保证以相同的沿z-轴的高度处理支撑材料和成型材料层，必须保持平坦化装置28和挤出头30的挤出末端64之间的记录。同样地，本发明的系统10可包括传感器，所述传感器用以记录并保持系统10的不同部件之间的记录，以避免碰撞，并监控沉积的材料。
图3是由照相机76监控的支撑结构36和物体38的层的视图。照相机76是光学测距传感器，所述光学测距传感器在建造过程期间通过监控支撑结36和物体38的相对高度保持记录。照相机76感测支撑结构36和物体38沿z-轴的高度。然后照相机76比较高度，以判定是否要进一步采取喷射、挤出、平坦化或其它动作。从传感器(例如，照相机76)来的反馈，也可以用于判定喷射了多少层支撑材料。如果支撑结构36的高度低于所需高度，则可喷射额外的支撑材料层并使之平坦化。可选地，如果支撑结构的高度超出所需高度，可以暂停支撑材料层的随后喷射。
系统10使支撑结构36和物体38的形成依据本发明。基于支撑结构36的数字表示，喷射头26喷射支撑材料以建造支撑结构36。相似地，基于物体38的数字表示，挤出头30挤出成型材料以建造物体38。该建造过程使支撑结构36起到用于物体38的高分辨率模具的作用。
图4是说明支撑结构36和物体38通过图1和2中说明的系统10的建造过程的示意图。图3包括建造步骤66a-66d，其中支撑结构36和物体38在平台34上建造，其中支撑结构36具有高分辨率的内部表面38。在步骤66a中，喷嘴64使支撑材料沉积以形成喷射层70。这进一步增加了支撑结构36沿z-轴的高度。在步骤66b中，可以以视使用的支撑材料而定的各种方式执行使喷射层70的支撑材料充分凝固。然后重复步骤66a和66b以形成N个支撑材料喷射层直到达到所需增量为止，其中所需增量在沿z-轴的方向上具有厚度。在一个实施例中，N是至少为四的整数值(即，至少沉积四层喷射层)。在另一实施例中，N是至少为十的整数值(即，至少沉积十层喷射层)。
喷射层(例如，喷射层70)的“充分凝固”不需要在随后的喷射层沉积之前完全凝固支撑材料。本发明只需要支撑结构58的层能够充分地支撑支撑结构58的沉积层并能够支撑物体56。
如步骤66c中所示，在支撑结构36达到所需增量后，平坦化装置28使沉积的支撑材料平坦化。然后通过真空部54将去除的材料从建造室12中移除。在现有技术的典型喷射过程中，平坦化步骤移除大约5％到大约50％的喷射层厚度，典型地是大约20％的值。喷射了多层的支撑材料后的平坦化提供容许在成型材料的挤出层的高度上的小误差的益处。这是因为只喷射几层之后喷射的支撑材料的平坦化将通常通过平坦化装置26避免与前面的成型材料的挤出层的碰撞。
在可选实施例中，平坦化装置28的高度可设定为使支撑材料中的每一层都在喷射后且在喷射支撑材料的随后层之前被平坦化。在该情况下，必须注意通过诸如利用传感器确保成型材料的挤出层的高度保持在平坦化装置28之下。
如步骤66d中所示，平坦化之后，将喷射层降低为具有厚度t的支撑结构增量72。然后挤出头30挤出成型材料以填充支撑结构36并建造物体56。在挤出头30之内，使成型材料加热到可流动的温度(根据挤出的成型材料典型地在大约180℃和大约300℃之间)。引入的成型材料自身用作活塞，产生迫使熔融的成型材料从挤出头30的挤出末端64中挤出的抽吸动作。相邻于支撑结构增量72的内部表面68挤出成型材料，以形成具有厚度t’的厚层74。在本发明的一个实施例中，对于成型材料的每一厚层(例如，厚层74)的层厚度t’与对于对应的支撑结构增量(例如，支撑结构增量72)的层厚度t近似相等。
然后继续步骤66a-66d，建造和填充支撑结构36，使其逐渐增加，直到完成物体38为止。可使根据本发明的支撑结构(例如，支撑结构36)浸没(即，充分地包围完成的物体38)，从而忽略物体38的顶面和底面，或忽略物体38的顶面。
图5是如图4所示的支撑结构36和物体38的支撑结构增加的视图。如图所示，支撑结构36由二十四层的喷射层36a-36x的支撑材料形成，并且包括内部表面68。物体38由三个厚层38a-38c的成型材料形成。虚线说明了挤出时的厚层38a-38c的初始形状。如上所述，建造室12的内部区域24可保持在使成型材料下沉并与支撑结构36的内部表面68大体一致的温度。这使得要建造的物体38具有由支撑结构36的高分辨率内部表面68所限定的外部表面。在图5中示出的实施例中，每挤出厚层(例如，厚层38a)喷射出八层喷射层(例如，喷射层38a-38h)。同样地，通过将喷射层的分辨率作用在挤出的厚层38a-38c上使物体38的表面分辨率增加了八倍。
支撑结构36和物体38建造后，可将所述支撑结构和所述物体作为连接块从建造室12的加热环境中移除。在这一点上，在块中可能存在热梯度，当成型材料凝固时，该热梯度可以在支撑结构36上产生明显的力。防止明显的热梯度所需要的冷却时间通常取决于物体38的大小。然而，在成型材料可以产生明显力时，即使支撑材料破裂，成型材料通常也坚硬到足以保持其形状。另外，具有高导热性的支撑材料的使用可以增加物体38的均匀冷却。可选地，支撑结构36和物体38被构成之后，可形成通过支撑结构36的孔，以使冷却液流体流动通过。这也可以增加物体38的均匀冷却。
一旦完成后，可以以任何不会实质上损坏物体38的方式移除支撑结构36。用于从物体38将支撑结构36移除的适合的技术的实例包括：物理移除(即，用施加的力破坏支撑结构36)、在溶剂中溶解至少一部分的支撑结构(下面将说明)、以及其组合。移除支撑结构36后，完成物体38，并且可根据个别需要经历传统的建造后的步骤。
用于本发明的合适的成型材料的实例包括可用熔融沉积成型系统挤出的任何材料。特别适合的成型材料的实例包括热塑性材料，例如，ABS、聚碳酸酯、聚砜及其组合。可以以柔性细丝在供给卷轴上缠绕的形式、或以固体杆的形式从成型材料供给部44供给成型材料，如在Crump的美国专利第5,121,329号中公开，该专利的全部内容在此并入本文供参考。可选地，可以从容器中以液体的形式抽吸成型材料。
成型材料还可以是易受潮的。为保护易受潮的成型材料的完整性，可利用气密性细丝加载和干燥系统使成型材料供给部44保持干燥，例如，在Swanson等人的美国专利第6,685,866号中公开，该专利的全部内容在此并入本文供参考。
用于本发明的适合的支撑材料的实例包括可以从喷墨打印头喷射出、并表现出足够强度以在建造过程期间支撑成型材料的任何材料，例如，溶剂分散材料、紫外线可固化材料以及其组合。理想的是支撑材料还会以良好的表面光洁度快速凝固，具有低沉积粘性，低成本，表现出低环境影响(例如，为无毒材料)，在短时期的时间内能够经受住成型材料的挤出温度，并在延长的时间周期内能够经受住建造室12的温度。
特别适合的支撑材料的实例包括溶剂分散材料，例如，蔗糖溶液和盐溶液。用于蔗糖溶液的合适的成份浓度的实例包括：在大约90℃的水中按重量计算占大约73％的蔗糖(C12H22O11)，和在大约120℃的水中按重量计算占大约80％的蔗糖。这些蔗糖溶液中的每一个都表现出大约18厘泊的粘度。喷射后，水溶剂在建造室16的内部区域24中挥发，从而在喷射的位置处留下残留的蔗糖以建造支撑结构36。盐溶液，例如，在水溶液中的氯化钠以与蔗糖溶液相同的方式起作用，也表现出高导热性(大约五瓦特/米-℃)。这将帮助物体38的均匀冷却。
除不影响环境之外，蔗糖溶液和盐溶液还可溶解在多种溶剂中。这使得可通过将支撑结构36暴露至诸如水的溶剂中而移除支撑结构36。例如，支撑结构36和物体38建成后，可通过将支撑结构36的至少一部分或整个部分溶解在水中来移除支撑结构36，用以暴露完成的物体38。这可实现操作员最小限度的注意力和对物体38的几何形状或强度最小限度的损害。
当建造支撑结构36和物体38时，理想的是在沉积材料之间具有低接触角度。低接触角度增加了成型材料与支撑结构36的分辨率相一致的程度。然而，低接触角度还可以提高在支撑结构36和物体38之间的分界面处的支撑材料和成型材料的粘结。支撑结构36的物理移除可能会损坏物体38的外部表面。同样地，可以通过在溶剂中溶解支撑结构36的至少一部分以移除支撑结构36而避免对物体38的损坏。
诸如蔗糖溶液和盐溶液的溶剂分散材料的可溶性还使平坦化装置28包括平滑的平坦化装置。在该实施例中，在喷射后的一段时间内，部分的喷射溶剂(例如，水)留有未挥发的蔗糖/盐。在以与溶剂辅助的研磨式平坦化装置相似但是不需要额外的溶剂的方式来移除支撑结构36的过剩材料中，未挥发的溶剂帮助平坦化装置28。
如上所述，本发明可用成型材料形成表现出良好物理特性并快速沉积在厚层中的三维物体。三维物体还表现出从喷射的支撑结构中所获得的高分辨率，从而增强三维物体的美感。本发明提供了为至少大约0.5升/小时(大约30英寸3/小时)的成型材料的生产率，具有大约51微米/微米(大约0.002英寸/英寸)的精度，和大约30微米(大约0.001英寸)均方根的表面光洁度。
基本如上所述，在以层状态的方式创造三维物体(例如，物体38)时，必须建造支撑结构(例如，支撑结构36)，用以支撑正在建造的物体部分。在图1-5的讨论中，支撑材料的喷射层充分沉积以形成具有等于大约90度的角度的内部表面(例如，内部表面68)。在这些情况下，支撑材料的每一层都被喷射到下层的支撑材料或成型材料中。
然而，一些三维物体的几何形状需要支撑结构具有以大体大于90度的角度突出的内部表面。在这些情况下，支撑材料的部分层被喷射在没有下层支撑的区域中。在这种情况下，特别是内部表面具有距离垂直面大于30度的角度，喷射的支撑材料自身需要额外的支撑。这些悬垂的区域表现为特定情况，其中修改的建造方法可用于对悬垂区域缺乏的支撑作出补偿。
图6A-6D是在平台103上的建造中的三维物体100和支撑结构102的示意图。如图6A所示，支撑结构102包括悬垂区域104，每一个所述悬垂区域都具有以大致大于90度的角度在物体100上突出的侧部分。这些悬垂区域104需要额外的支撑。图6B和6C示出了在支撑结构102中的部件100的连接建造和完成。图6D示出了从支撑结构102移除的完成的部件100。
可用诸如那些需要建造物体100的许多方法来支撑悬垂支撑结构区域。适合的方法的实例包括挤出薄条道壁法、挤出厚条道壁法(extrudedbulk-road wall approach)、开裂法、失蜡法、支撑支柱法、和热塑性犁切法(thermoplastic ploughing approach)。以下将参照悬垂区域104的增量i在图7-11中说明这些方法。
图7-11说明了支撑悬垂区域104所采用的方法，并且每一个都包括如图6A所示的物体100(具有厚层100a-100c)和支撑结构102的悬垂区域104。
图7和8描述了用于支撑悬垂区域104的挤出薄条道壁法。如图7所示，挤出薄条道壁法包括将成型材料的薄层106预先挤出至增量i中的悬垂区域104之下的区域中。这样在厚层100c上形成支撑壁，从而为悬垂区域104提供支撑。薄层106可从第二挤出末端沉积，该挤出末端可由分开的挤出头或者是主要挤出头30上的第二末端所承载。可选地，主要挤出头30的挤出末端64可包括可调节尺寸的孔口。
在一个实施例中，成型材料可沉积为M层薄层106，其中M是大于或等于2的整数。薄层106中的每一层的厚度是大约t/M，因此支撑壁的厚度(即，增量i)大约等于厚层100a-100c的厚度t’。如图7所示，挤出四层薄层106(即，M＝4)。当随后挤出成型材料的厚层(未显示)以填充增量i时，成型材料的薄层106和厚层熔合在一起以形成单一物体100。
将薄层106施加在厚层100c上，为在支撑结构102的相邻侧壁形成之前施加成型材料的这些区域中提供良好的表面光洁度。因此，理想的是成层状的薄层106的厚度不厚于厚层100a-100c的厚度的大约一半以增加分辨率。为与剩下的部件的表面光洁度相匹配，薄层106的厚度可大约等于支撑材料层的厚度t。
如图8所示，以增量i从支撑结构层104a-104h形成悬垂区域104。成型材料挤出为薄层106a-106d。薄层106a-106d形成支撑壁108，当喷射支撑结构层104a-104h时该支撑壁支撑支撑结构层104a-104h。相邻于支撑壁108沉积厚层100d，以填充增量i。由于挤出四层薄层106(即，薄层106a-106d)，所以图7和8所示的增量i处的物体的表面分辨率将是单独挤出的厚层104d的四倍。
除了成型材料的厚层是在形成悬垂区域104之前预先挤出到悬垂区域104之下的区域中之外，挤出厚条道壁法与挤出薄条道壁法相似。当成型材料随后的厚条道被挤出以填充支撑结构增量i时，不同的成型材料的厚条道熔合在一起以形成单一物体100。与挤出薄条道壁法相比，在从通过挤出厚条道法形成的物体100中移除支撑结构102后，物体100的预先挤出区域将表现出粗糙的表面光洁度。这些粗糙的区域可通过诸如机械加工、离子铣削、溶剂研磨(solvent lapping)、涂上热表面、研磨、磨蚀、和蒸气平滑处理(vapor smoothing)等后处理步骤变平滑。
在挤出薄条道壁法和挤出厚条道壁法中，必须要注意避免平坦化装置(例如，平坦化装置20)与预先挤出层(例如，薄层106a-106d)相碰撞。这种碰撞可以通过对喷射的支撑材料平坦化定时而避免，使得只有当支撑材料沿z-轴的高度达到高于预先挤出层的高度时，才会使支撑材料平坦化。使薄层106a-106d的成型材料可冷却到足以在分配重叠的喷射支撑物之前支撑平坦化剪切力，将进一步保护物体100的可靠性。
在挤出薄层106a-106d的情况下，可通过使薄层106a-106d的挤出与支撑结构层104a-104h的喷射以对称的方式散置来避免碰撞。首先，可挤出一层或多层薄层106。然后，使支撑结构层104被喷射成与挤出的薄层106的高度至少相等的高度。理想的是直到支撑结构层104达到或超过挤出的薄层106的高度时才执行平坦化操作。这样可防止平坦化装置与薄层106之间的碰撞。另外，可通过在随后的薄层106挤出之前使支撑材料平坦化而防止挤出末端(例如，挤出末端26)和支撑层之间的碰撞。薄层106、支撑结构层104的沉积和平坦化会持续进行直到完成支撑结构增量i为止。然后可沉积成型材料的厚层100s以填充支撑结构增量i。
参照图8，表1提供了用于沉积材料以支撑支撑结构增量i中的悬垂区域104的顺序的实例。
表1
 
步骤 过程 层
1 挤出 薄层106a
2 喷射 支撑结构层104a
3 喷射 支撑结构层104b
4 平坦化 沉积的支撑结构层
5 挤出 薄层106b
6 喷射 支撑结构层104c
 
7 喷射 支撑结构层104d
8 平坦化 沉积的支撑结构层
9 挤出 薄层106c
10 喷射 支撑结构层104e
11 喷射 支撑结构层104f
12 平坦化 沉积的支撑结构层
13 挤出 薄层106d
14 喷射 支撑结构层104g
15 喷射 支撑结构层104h
16 平坦化 沉积的支撑结构层
17 挤出 厚条道100d
如表1和图8所示，对各厚层(例如，厚层100d)来说，都有四层薄层106(即，M＝4)和八层支撑结构层114(即，N＝8)。同样地，每一薄层106挤出之后，喷射出N/M层的支撑层104，其中N/M是2。
图9描述了用以支撑悬垂区域104的开裂法。开裂法包括将第二成型材料的层110喷射至悬垂区域104之下的区域中，以形成支撑壁。第二成型材料理想地不可从支撑结构102移除(例如，非水溶的)，并且理想地表现出对挤出的成型材料的良好的粘附性。可随同支撑材料的喷射一起执行第二成型材料的喷射，以建造对应的悬垂区域104。当挤出成型材料(未显示)随后的厚层以填充支撑结构增量i时，挤出的成型材料熔合至喷射出的第二成型材料，使得喷射的第二成型材料形成部分的物体100。
图10描述了用以支撑悬垂区104的失蜡法。失蜡法包括将可选材料的层112喷射至悬垂区域104之下的区域中以形成支撑壁。适当地选择可选材料用以表现出良好的熔融特性(例如，蜡)。当挤出随后的成型材料的厚层(未显示)以填充支撑结构增量i时，成型材料的热量使可选材料熔化并替换可选材料。失蜡法和开裂法每一个都可通过喷射头用其自己的材料供给部来实现。
图11描述了用以支撑悬垂区域104的支撑支柱法。支柱支撑法包括当形成支撑结构增量i时喷射支撑材料以建造支柱114。然后挤出成型材料以填充增量i，使得支柱126变得嵌入在部件100中。在支柱114与区域104相连接的地方，散开支柱114以提供持续的面向下的侧壁。当从完成的物体100将支撑结构102移除后，小孔或一些嵌入的支撑材料会留在物体100向上的表面上。
热塑性犁切法包括将成型材料的厚条道沉积在将由悬垂区域104占有的区域中，使得成型材料将填充其自身分配的体积加上应该由支撑结构102占有的体积。这可以在填充支撑结构增量i的同时完成。然后可用热的指状物从支撑结构区域104中替换成型材料，并且可接着将支撑材料喷射至产生的空腔中。
尽管已经参照优选实施例对本发明进行了说明，然而本领域普通技术人员将认识到可以在不背离本发明的本质和范围的情况下改变本发明的形式和细节。

Claims (20)

1.一种形成物体的方法，所述方法包括步骤：
喷射第一材料以形成限定支撑结构增量的多个层，所述支撑结构增量具有内部表面；以及
挤出第二材料以形成所述物体的层，其中所述物体的层与所述支撑结构增量的所述内部表面大体相符。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在保持一定温度的环境下形成物体，所述温度的范围是从所述第二材料的大约蠕变松弛温度到所述第二材料的大约玻璃化转变温度。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使所述支撑增量平坦化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体的层具有与所述支撑结构增量的厚度近似相等的厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括溶剂分散材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料包括热塑性材料。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括感测所述支撑结构增量的高度，其中所述第一材料的多个层的层数根据感测的高度而变化。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述支撑结构增量的悬垂区域处支撑的缺乏进行补偿，其中所述悬垂区域是所述支撑结构增量的所述内部表面远离垂直面突出大于至少大约30度的角度的区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述补偿步骤包括挤出所述第二材料以形成用以支撑所述悬垂区域的多个薄层，其中所述多个薄层的每一层都具有最多是所述物体的层的厚度的大约一半的厚度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述补偿步骤包括喷射第三材料，以形成用以支撑所述悬垂区域的多个薄层。
11.一种形成物体的方法，所述方法包括步骤：
提供所述物体的数字表示，所述物体的数字表示包括表示所述物体的外部表面的数据；
形成支撑结构的数字表示，所述支撑结构的数字表示包括表示所述支撑结构的内部表面的数据，其中所述支撑结构的所述内部表面具有通过所述物体的所述外部表面限定的几何形状；
根据所述支撑结构的数字表示喷射多个层以形成支撑结构增量，其中所述支撑结构增量包括所述支撑结构的内部表面的一部分；
根据所述物体的数字表示挤出所述物体的层，其中所述物体的层与所述支撑结构增量的所述内部表面大体相符；以及
重复所述喷射和挤出步骤，以形成所述物体和所述支撑结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括在保持一定温度的环境下形成所述物体，所述温度的范围是从所述物体的层的材料的大约蠕变松弛温度到所述物体的层的材料的大约玻璃化转变温度。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使所述支撑增量平坦化。
14.根据权利要求14所述的方法，其中所述物体的层具有与所述支撑结构增量的厚度近似相等的厚度。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：
冷却所述物体以使所述物体充分凝固；以及
通过使所述支撑结构的至少一部分在溶剂中溶解来从所述物体中移除所述支撑结构。
16.一种用于形成物体的系统，所述系统包括：
喷射头，所述喷射头用于喷射第一材料以形成支撑结构的层，其中所述支撑结构具有内部表面；
挤出头，所述挤出头具有用于挤出第二材料以形成所述物体的层的挤出末端，其中所述物体的层中每一层的厚度都表现出大于所述支撑结构的层中每一层的厚度；以及
建造室，所述建造室用于保持使所述物体的层与所述支撑结构的所述内部表面大体相符的温度。
17.根据权利要求16所述的系统，进一步包括用于使所述支撑结构的层平坦化的平坦化装置。
18.根据权利要求16所述的系统，进一步包括用于感测所述支撑结构的层的高度的传感器。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述挤出头进一步包括第二挤出末端。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述温度的范围是从所述第二材料的大约蠕变松弛温度到所述第二材料的玻璃化转变温度。
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