用于形成三维物体的装置及方法制造方法及图纸

一种用于形成三维(3D)物体的装置，所述装置包括3D打印头部，所述3D打印头部用于通过形成第一材料的多个连续的层以制造3D物体的第一部分。所述装置还包括铺放头部，所述铺放头部用于通过将连续纤维加强的第二材料的多个层分配到3D物体的第一部分上以制造3D物体的第二部分。另外，铺放头部包括用于在分配连续纤维加强的第二材料期间将连续纤维加强的第二材料按压就位的辊。基于对应于3D物体模型的数据组，控制器控制3D打印头部及铺放头部以协作地形成3D物体。

Apparatus and method for forming a three-dimensional object

An apparatus for forming a three-dimensional (3D) object includes a 3D print head, which is used to produce a first portion of a 3D object by forming a plurality of successive layers of a first material. The apparatus further includes a placement head configured to distribute the second portion of the 3D object to a first portion of the 3D object by reinforcing a plurality of layers of the second material that is reinforced by the continuous fiber. In addition, the placement head includes a roller for pressing the second material in which the continuous fiber is strengthened during the distribution of a continuous material to strengthen the second material. Based on the data set corresponding to the 3D object model, the controller controls the 3D print head and the placement head to form the 3D object cooperatively.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及用于形成三维(3D)物体、或用于在基底上形成3D特征部的装置及方法。更特别地，本专利技术涉及用于形成具有纤维加强部段的3D物体或3D特征部的快速原型设计装置及方法。
技术介绍
术语“3D打印”涉及一组增材制造过程，在增材制造过程中，利用非加强的树脂、含短纤维的树脂、金属、纸等采用层叠的方式创建3D物体。已经开发了几种不同类型的3D打印系统，包括基于材料挤制、材料喷射、直接的能量沉积等的系统。3D打印系统的现有应用包括快速原型设计(RP)，以及替换零部件及其他小体积产品的分散式制造。基于所需的物体的数据组表示，并且在不使用特殊工具或模具的情况下，生产个别零部件的能力弥补了与3D打印有关的低生产速度以及高生产成本。不幸的是，由热塑性或热固性聚合树脂制成的已打印的3D物体不具备充分的机械强度或耐久性，以使用在半结构性应用中或结构性应用中。当然，利用含有短加强纤维的树脂确实能够提高塑料3D打印的物体的机械性能，但是这种提高的程度受3D打印过程本身的性质所限制。另一方面，由金属制成的已打印的3D物体具有高得多的机械强度或耐久度。虽说如此，相比于塑料3D打印系统，金属3D打印系统的成本仍然非常高。而且，在制造过程中使用熔融态金属产生了对于更复杂的安全设施以及火灾扑救装备的需要。一种不同类型的增材制造过程是基于自动铺带(ATL)或基于自动铺丝(AFP)的。例如，基于ATL机器或基于AFP机器的制造过程目前使用在诸如飞行器部件之类的先进复合部分的生产中。在该过程中，ATL机器或AFP机器以自动的方式将纤维加强件放置在模具或芯轴上。更特别地，该机器利用呈条带或丝束形式的热固性或热塑性的预浸渍材料以形成复合敷层(layups)。例如，ATL机器使用一个或更多个条带，每一个条带具有介于大约75mm和300mm之间的宽度，然而，AFP机器使用多个小宽度的丝束，该丝束的宽度通常小于大约8mm。同样地，相比于AFP，ATL实现了高得多的沉积速率，但也产生了多得多的废物。ATL和AFP过程能够形成具有非常高机械强度的部件，并且该部件适合于半结构性应用或结构性应用。不幸的是，对所生产的每一部件均需要专用的模具或芯轴，专用的模具或芯轴增加了在快速原型设计或小体积应用中的生产成本。克服上述局限性及缺点中的至少一些将会是有益的。
技术实现思路
根据本专利技术的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维(3D)物体的装置，该装置包括：3D打印头部，该3D打印头部用于通过形成第一材料的多个连续的层以制造3D物体的第一部分；铺放头部，该铺放头部用于通过将连续纤维加强的第二材料的多个层分配在3D物体的第一部分上以制造3D物体的第二部分，并且该铺放头部包括用于在分配连续纤维加强的第二材料时将连续纤维加强的第二材料按压就位的辊；以及用于接收对应于3D物体模具的数据组的控制器，并且该控制器用于基于数据组指引3D打印头部及铺放头部以协作地形成3D物体。根据本专利技术的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：接收对应于3D物体模型的数据组；基于数据组，通过利用3D打印头部形成第一材料的多个连续的层，制造3D物体的第一部分；并且，基于数据组，通过利用铺放头部将连续纤维加强的第二材料的多个层分配至3D物体的第一部分上，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料时将连续纤维加强的第二材料按压就位，制造3D物体的第二部分。根据本专利技术的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：提供片状金属坯件；为已形成的片状金属坯件的至少一侧的至少部分涂覆打底剂材料；接收对应于3D物体模型的数据组；基于数据组，通过利用3D打印头部在已形成的片状金属坯件的已涂覆的至少部分上形成第一材料的多个连续的层，制造3D特征的第一部分；并且，基于数据组，通过利用铺放头部在3D特征部的第一部分上分配连续纤维加强的第二材料的多个层，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料期间将连续纤维加强的第二材料按压就位中，制造3D特征部的第二部分。根据本专利技术的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：接收对应于3D物体模型和用于该3D物体模型的可移除的支承构件的至少数据组；基于该至少数据组，通过利用3D打印头部形成第一材料的多个连续的层，制造可移除的支承构件；基于至少数据组，通过利用铺放头部将连续纤维加强的第二材料的多个层分配至可移除的支承构件上，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料期间将连续纤维加强的第二材料按压就位，制造3D物体；并且，从3D物体移除可移除的支承构件。附图说明现将仅以示例的方式并参照附图描述本专利技术，其中，贯穿若干附图，相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：图1是根据本专利技术实施方式的系统的简化框图；图2是示出了根据本专利技术实施方式的装置的立体图；图3是示出了图2的装置的3D打印头部及铺放头部的放大细节的立体图；图4是示出了图2的装置的铺放头部的放大细节的侧视图；图5是示出了根据本专利技术实施方式的另一装置的立体图；图6A至图6E是示出了在利用根据本专利技术实施方式的方法制造3D物体时的不同的步骤的图示；图7A至图7E示出了在图6A至图6E中示出的制造方法的相对应的步骤中的在3D物体的所指出的部分内的分层结构；图8是用于根据本专利技术实施方式的方法的简化流程图；图9是用于根据本专利技术实施方式的另一方法的简化流程图；图10A至图10G是示出了在利用根据本专利技术实施方式的另一方法制造3D物体期间的不同的步骤的图示；图11A至图11G图示了在图10A至图10G中示出的制造方法的相对应的步骤中的在3D物体的所指出的部分内的分层结构；图12是根据本专利技术实施方式的另一方法的简化流程图；图13图示了根据本专利技术实施方式制造的3D物体内的靠近3D物体的边缘部分的分层结构；图14图示了根据本专利技术实施方式制造的3D物体内的靠近位于3D物体的水平部分与倾斜部分之间的过渡部的分层结构。具体实施方式下文描述用以使本领域技术人员能够制造及利用本专利技术，并且下文描述在特别的应用及其需求的情况下提供。公开的实施方式的各种改型将会对本领域技术人员是显而易见的，并且本文限定的通常的原理可以应用于其他实施方式及应用而不超出本专利技术范围。因此，本专利技术不意在局限于公开的实施方式中，但本专利技术将会符合与在本文中公开的原理及特征相一致的广义的范围。贯穿本说明书，以及在所附权利要求中，术语“3D打印头部”涉及用于通过增材制造过程形成3D物体的部件的组合体。3D打印头部可以包括、或者可以不包括形成完整的3D打印系统所需要的所有部件。例如，在利用激光来固化液态光聚合物树脂的系统中，3D打印头部可以仅包括经由纤维光缆接收来自激光的光线的光学部件。3D打印头部可以是基于在现有技术中普遍已知的3D打印系统的多个不同类型中的一个。作为数个特别的及非限制性的示例，3D打印头部可以根据诸如材料挤制(例如，熔融沉积成型或FDM)、材料喷射(例如，PolyJet)或直接的能量沉积(例如，激光粉末成型)之类的原理进行操作。在使用中，3D打印头部由诸如热固性树脂或热塑性树脂之类的材料中、或者由另外的适当的非金属材料形成3D物体的至少部分。树脂可以是非填充的，或者树脂可以包含相对短的纤维、矿物等。贯穿本说明书，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成三维(3D)物体的装置，所述装置包括：3D打印头部，所述3D打印头部用于通过形成第一材料的多个连续的层制造所述3D物体的第一部分；铺放头部，所述铺放头部用于通过将连续纤维加强的第二材料的多个层分配到所述3D物体的所述第一部分上来制造所述3D物体的第二部分，并且所述铺放头部包括辊，所述辊用于在分配所述连续纤维加强的第二材料期间将所述连续纤维加强的第二材料按压就位；以及控制器，所述控制器用于接收对应于3D物体模型的数据组，以及，所述控制器用于基于所述数据组指引所述3D打印头部及所述铺放头部协作地形成所述3D物体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.30 US 61/986,5591.一种用于形成三维(3D)物体的装置，所述装置包括：3D打印头部，所述3D打印头部用于通过形成第一材料的多个连续的层制造所述3D物体的第一部分；铺放头部，所述铺放头部用于通过将连续纤维加强的第二材料的多个层分配到所述3D物体的所述第一部分上来制造所述3D物体的第二部分，并且所述铺放头部包括辊，所述辊用于在分配所述连续纤维加强的第二材料期间将所述连续纤维加强的第二材料按压就位；以及控制器，所述控制器用于接收对应于3D物体模型的数据组，以及，所述控制器用于基于所述数据组指引所述3D打印头部及所述铺放头部协作地形成所述3D物体。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述铺放头部包括与所述辊相邻地设置的加热源，所述加热源用于恰在将所述连续纤维加强的第二材料按压就位之前加热所述连续纤维加强的第二材料。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述3D打印头部是熔融沉积成型(FDM)头部，以及其中，所述第一材料是热塑性树脂。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述铺放头部是自动铺带(ATL)头部及自动铺丝(AFP)头部中的一者。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述3D打印头部固定地安装至台架，以及其中，所述铺放头部经由线性致动器安装至所述台架，所述线性致动器用于相对于所述3D物体以能够控制的方式使所述铺放头部伸出及收回，以在操作所述3D打印头部和操作所述铺放头部之间进行选择性地转换。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述3D打印头部及所述铺放头部安装至计算机数控机器，所述计算机数控机器由所述控制器控制，以及，所述计算机数控机器支持至少五个运动轴。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述3D打印头部及所述铺放头部安装至单一的台架。8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述3D打印头部安装至第一台架，以及，所述铺放头部安装至第二台架。9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述3D打印头部及所述铺放头部安装至单一的机械臂。10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述3D打印头部安装至第一机械臂，以及，所述铺放头部安装至第二机械臂。11.一种用于形成三维物体的方法，所述方法包括：接收对应于3D物体模型的数据组；基于所述数据组，通过利用3D打印头部形成第一材料的多个连续的层制造所述3D物体的第一部分；并且基于所述数据组，通过利用铺放头部将连续纤维加强的第二材料的多个层分配到所述3D物体的所述第一部分上，并且通过在分配所述连续纤维加强的第二材料期间将所述连续纤维加强的第二材料按压就位，制造所述3D物体的第二部分。12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括在形成所述3D物体时，在所述3D打印头部和所述铺放头部之间进行多次转换。13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述3D打印头部是熔融沉积成型(FDM)头部，并且其中，所述第一材料是热塑性非加强树脂。14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述铺放头部是自动铺带(ATL)头部和自动铺丝(AFP)头部中的一者，并且其中，所述连续纤维加强的第二材料包括用基体材料预浸渍的单向纤维。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述单向纤维从由玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维及矿物纤维组成的群组中选取，并且其中，所述基体材料与所述第一材料相兼容。16.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述连续纤维加强的第二材料的所述多个层之中的相邻层中的所述单向纤维布置成相对于彼此成45°±15°、90°±15°以及135°±15°中的一者。17.根据权利要求11所述的方法，其中，利用所述3D打印头部形成所述第一材料的所述多个连续的层包括形成成堆叠的层，在所述堆叠中的每一层在X-Y平面中具有不同的形状。18.根据权利要求17所述的方法，其中，利用所述3D打印头部形成所述第一材料的所述多个连续的层还包括在X方向及Y方向中的至少一个方向上移动所述3D打印头部，并且在垂直于所述X-Y平面的Z方向上同时地移动所述铺放头部。19.根据权利要求17所述的方法，其中，分配所述连续纤维加强的第二材料包括在X方向及Y方向中的至少一个方向上移动所述铺放头部，并且在垂直于所述X-Y平面的Z方向上同时地移动所述铺放头部。20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：在接收所述数据组之前，提供片状金属坯件；并且为所述片状金属坯件的至少一侧的至少部分涂覆打底剂材料，其中，在所述片状金属坯件的已涂覆的至少部分上形成所述第一材料的所述多个连续的层。21.一种用于形成三维物体的方法，所述方法包括：提供片状金属坯件；为已形成的片状金属坯件的至少一侧的至少部分涂覆打...

【专利技术属性】
技术研发人员：托德·德亚维尔，
申请(专利权)人：麦格纳国际公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA