[發(fā)明專利]高分辨率的快速制造

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580049068.8
• 申請日: 2005-11-15
• 公開（公告）號: CN101449295A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅伯特·L·津恩尼爾;約翰·塞繆爾·巴徹爾德
• 申請（專利權(quán)）人: 斯特拉塔西斯公司
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及利用加成法技術(shù)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維物體的制造。具體而 言，本發(fā)明涉及利用熔融沉積成型和噴射技術(shù)對三維物體的快速制造。

背景技術(shù)

計(jì)算機(jī)生成設(shè)計(jì)的三維物體的快速原型設(shè)計(jì)用于形成具有多種功能 的部件，諸如美感調(diào)節(jié)、檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型、概念可視化(concept?visualization)、 形成硬模(forming?hard?tooling)、干擾和空間布局的研究以及測試功能性。 快速原型設(shè)計(jì)技術(shù)還迅速地普及到制造市場，其中可以快速制造物體的復(fù) 制品，并且每一個物體都展示出可與鋼制模具制造的物體相比的物理特 性。

快速制造應(yīng)用需要與注射成型的部件相等的高生產(chǎn)量、良好的表面光 潔度、和強(qiáng)度、韌性和耐化學(xué)性。為實(shí)現(xiàn)所需的功能質(zhì)量，理想的是用諸 如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯和聚砜的熱塑性材料建造快速 制造的物體，所有這些材料都展示出良好的物理特性。

熔融沉積成型是由MN的Enden?Prairie的Stratasys公司研發(fā)的流行的快 速原型設(shè)計(jì)技術(shù)，其可以用熱塑性材料建造三維物體。熔融沉積成型機(jī)通 過經(jīng)由擠出頭攜帶的管嘴擠出可流動的成型材料(例如，熱塑性材料)、 并且將成型材料以預(yù)定的圖案沉積至底座上來建造三維物體。成型材料以 流暢的股線方式擠出，稱為條道(road)。典型地，通過在x-y平面中沉積 一系列條道，沿z-軸(與x-y平面垂直)提高擠出頭的位置，并接著重復(fù)該 過程來形成為層狀態(tài)形式的物體。擠出頭相對于底座的移動是在計(jì)算機(jī)控 制下根據(jù)由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來執(zhí)行。擠出的 成型材料熔化于前邊沉積的成型材料，并且根據(jù)溫度的下降凝固以形成類 似于CAD模型的三維物體。

另一種用于從可凝固材料建造物體的技術(shù)被稱為噴射技術(shù)，噴射技術(shù) 使來自諸如噴墨打印頭的噴射頭的管嘴的成型材料的液滴沉積。在分配之 后，使噴射的材料凝固(例如，通過將材料暴露在紫外射線中固化)。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的層式制造技術(shù)(例如，熔融沉積成型和噴射)研發(fā)的 三維物體的表面會由于層狀構(gòu)成而具有紋理或條紋。彎曲的或成角度的表 面通常具有“臺階”外觀，該臺階外觀是由于具有方形邊緣輪廓的橫截面 形狀成層所導(dǎo)致的。盡管臺階不會影響物體的強(qiáng)度，但是會有損美感。通 常，臺階效果與層厚度成比例，并且隨著降低層厚度而減少。

現(xiàn)有的諸如可從Stratasys公司商業(yè)上獲得的系統(tǒng)的熔融沉積成型機(jī)可 建造具有范圍從大約180微米(大約0.007英寸)到大約760微米(大約0.030 英寸)的層厚度、和范圍從大約125微米(大約0.005英寸)到大約1500微 米(大約0.060英寸)的條道寬度的三維物體。熱塑性材料流動通過擠出 末端，該擠出末端具有范圍典型地從大約125微米(大約0.005英寸)到大 約500微米(大約0.020英寸)的內(nèi)徑，分配速率設(shè)計(jì)成生產(chǎn)所需的層厚度 和條道寬度。

通常以大約500赫茲(Hz)體素速率(voxel?rate)操作熔融沉積成型 機(jī)，以大約每小時三立方英寸的分配速率擠出熱塑性材料。產(chǎn)生的物體分 辨率通常是大約130微米(大約0.005英寸)，取決于物體的幾何形狀。熱 塑性材料的高粘度(例如，大約500泊)和其低熱導(dǎo)性(例如，大約0.2瓦 /米-℃)通常在以較高頻率(以減少建造時間)移動擠出機(jī)的同時，限制 這些塑料通過較小的擠出末端(以產(chǎn)生較薄層)的擠出。

現(xiàn)有技術(shù)的噴射技術(shù)可以以大約2千赫(kHz)到大約200kHz的體素 速率噴射小材料液滴。噴射層的厚度的范圍通常范圍從大約5微米(大約 0.0002英寸)到大約150微米(大約0.006英寸)，在大約25微米(大約0.001 英寸)的平坦化之前有典型厚度。因此，產(chǎn)生的物體分辨率通常大約50微 米(大約0.002英寸)，取決于物體的幾何形狀。然而，已知的可噴射材料 不具有可擠出的熱塑性材料的理想材料特性。這樣，噴射的物體通常不適 合快速制造應(yīng)用。需要可提高由展示出良好物理特性的諸如熱塑性材料的 材料建造三維物體的速度和分辨率的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種通過噴射技術(shù)和熔融沉積成型的原理相結(jié)合而提供 高分辨率的快速制造的三維物體的方法和系統(tǒng)。噴射第一材料以形成限定 支撐結(jié)構(gòu)的增量的多個層。噴射使支撐結(jié)構(gòu)的增量具有高分辨率的內(nèi)部表 面。