高产出量的三维打印系统、装置和方法制造方法及图纸

提供打印装置和方法，其利用高产出量挤出来产生打印材料，例如三维物体。根据本发明专利技术的高产出量挤出系统将挤出的长丝立体预热至期望的预热温度，然后在将长丝挤出系统并挤出到例如为构建平台的表面上之前将挤出的长丝保持或加热至期望的熔融温度。通过在将长丝加热到其被挤出的温度之前预热长丝，它有助于提高系统的产出量。同样，通过立体加热，它进一步有助于提高系统的产出量。在本文中还提供了通常用于结合所公开的高产出量系统进行打印的装置和方法的各种实施例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高产出量的三维打印系统、装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2015年12月1日提交的题为“高产出量的基于挤出的增材制造”的美国临时申请62/261,394以及于2016年9月9日提交的题为“高产出量的三维打印系统、装置和方法”的美国临时申请15/260,813的优先权和权益，其全文内容被援引纳入本文。
本申请涉及用于高产出量的三维打印系统、装置和方法，更具体地涉及高产出量的基于挤出的增材制造。
技术介绍
增材制造(AM)技术如熔融层积成型和熔丝制造(FFF)在各种制造行业中迅速得到普及，这是由于AM能够创造独特的几何形状和加工独特的材料成分。特别是，AM可以使用大量热塑性原料材料在各种长度尺度上操作。增材制造工艺包括通过喷嘴或孔口选择性地分配材料来构建零件。多个层相互叠加，以创建零件或实体物体。将例如聚合物的材料作为卷绕在线轴中的长丝输送到挤出机，然后在挤出过程中熔融。也就是说，通过挤出机将通常作为缠绕的长丝被保持在机器中的聚合物供给到液化器中，在该液化器中通常通过与液化器中的加热壁热传导来接收热量而被加热和熔融。因此，挤出机将长丝供给通过液化器，使得熔融聚合物通过液化器室端部的喷嘴分配，这减小了熔融聚合物在其输出处的直径。使用台架将挤出机和液化器组件引导到X-Y平面中以构建零件的横截面。零件被构建在被设计用于控制打印环境的腔室内的可移动构建平台上。当在热塑性塑料中打印时，平台和/或其腔室通常被加热以减少零件内的残余应力，该残余应力在从喷嘴沉积之后的冷却期间产生。增材制造工艺中的两个重要组成部分是长丝挤出机构和长丝液化器。通常，包括驱动轮和夹送轮或滚花轮的夹紧轮机构形成长丝挤出机构，其通过沿长丝侧面施加力而线性地驱动长丝。驱动轮和长丝之间的牵引由夹送轮施加的夹紧力提供。以这种方式驱动长丝通常使长丝在其自身和驱动轮之间被压缩，特别是当驱动轮采用滚花时，其刺入长丝。当驱动轮施加到长丝上的力的量超过与长丝接合的区域上的平均剪切应力时，长丝会剪切失效。通常，长丝液化器通过从液化器壁向聚合物传导热能来加热聚合物，并在到达挤出喷嘴之前使聚合物在腔内熔融，在那里其横截面减小。使用增材制造的零件的产出量是受限的，例如由于当前挤出机、液化器和台架的设计。例如，传统挤出机通过提供长丝接合区域来抑制挤出速率，所述长丝接合区域限制了挤出机可以在长丝上施加或传递的力；传统的液化器不能提供适宜的挤压所期望的足够的加热率；传统的台架速度和加速度受到限制，不能以期望的灵活性移动以满足高产出量的挤出速率。就是说，通常，现有挤出机中的挤出力受到长丝剪切区域的限制。当挤出机应力大于长丝剪切区域的剪切应力但小于液化器引起的压降时，发生挤出失败。此外，当前的液化器受到挤出期间对长丝的最大加热率的限制，因为它们通常依赖于来自加热好的液化器壁的导热传递。由于长丝的导热性差和导热速率差，长丝进给速率必须保持缓慢，以使长丝完全加热到期望的熔融温度。因此，随着挤出速率的增加，长丝从导热液化器接收的热量更少。如果长丝未加热到期望温度，则长丝不会在液化器中熔融而是在喷嘴中堵塞，从而防止挤出。用于定位喷嘴和构建平台的当前台架在低动态性能下是有效的，但是由于致动器的基本操作原理及其开环控制方案，与台架一起使用的传统步进电机是速度受限的。另一方面，简单地使用较大的致动器导致台架的质量和惯性增加，从而尽管具有较高的扭矩容量，但是减慢了台架响应时间。由于当前增材制造技术的上述限制，包括不充分加热长丝、需要在液化器上施加高压以适当地挤出长丝。然而，长丝上的高压或力可能导致长丝剪切失效。因此，需要高产出量的增材制造系统、装置和方法，其中，其被设计用于增加挤出机的最大力、对长丝体积的加热速率、以及长丝材料的沉积速率。此外，在各种领域，例如医学、产品设计、电影摄影、教育，航空航天和先进材料等领域中需要这样的适用于聚合物树脂和高性能热塑性塑料的系统、装置和方法，并且适用于大规模挤出AM系统。
技术实现思路
通常提供用于高产出量的三维打印系统、装置和方法。在一些实施例中，使用挤出机、包括预热器和液化器的加热器、以及例如台架和小车的移动系统来提供高产出量三维打印和/或增材制造。例如，长丝可以被供给到螺母进给挤出机的进给螺母中。挤出机马达可以旋转进给螺母，通过允许进给螺母的内部接合特征推动或拉动长丝的外部接合特征，引起长丝的线性运动。在长丝进入第二室(例如通过导热传递热量的液化器)之前，加热器通过将能量传递到第一室(例如预热器)中的材料内的分子来将长丝预先加热到预热温度或高于预热温度。进一步加热长丝，或至少保持温度，直到长丝被加热到或高于熔融温度，之后将长丝朝向构建平台挤出和/或在构建平台上沉积。材料的沉积由运动系统控制，该运动系统将加热器和与其相关联的喷嘴驱动到平面上的多个期望的X-Y坐标，从而产生三维物体的一个或多个层。运动系统还可以帮助调节喷嘴相对于打印物体的平台的位置，例如构建平台，或者相对于已经打印到平台上的物体的一个或多个层，以便打印可以沿着第三轴-Z轴发生。在高产出量挤出系统的一个实施例中，该系统包括彼此流体连通的挤出机、预热器和液化器。挤出机被构造成使长丝穿过预热器和液化器朝向构建平台前进，预加热器被构造成将从挤出机接收的长丝的立体升温至至少期望的预热温度，并且液化器被构造成在长丝穿过液化器之前朝向构建平台将通过预热器的长丝的温度维持或升高至至少期望的熔融温度。在一些实施例中，该系统还可包括台架和小车，其中小车具有与其连接的液化器。台架可以被构造成在X-Y平面中移动小车以将液化器定位到X-Y平面中的一个或多个目标X-Y坐标。台架可以是例如H型框架台架。该系统可以进一步包括构建平台，长丝在离开液化器之后被挤出。构建平台可以被构造成沿着与X-Y平面相交的Z轴定位在一个或多个Z坐标上。在包括台架和构建平台两者的实施例中，台架和构建平台可以被构造成一起操作，使得通过液化器通过挤出机挤出的长丝被挤出到一个或多个目标X-Y-Z坐标上。此外，包括台架、小车和构建平台的实施例可以被定义为用于打印三维物体的打印机，其包括高产出量挤出系统(即挤出机、预热器和液化器)。预热器和液化器可以是它们自己的单独部件，每个部件具有它们自己的独立壳体，其具有允许它们之间流体连通的一些机构，例如管。或者，预热器和液化器可设置在单个加热单元的壳体内，在此更统称为加热器。挤出机可以是螺母进给挤出机，其包括具有一个或多个内部接合特征的可旋转进给螺母。接合特征可被构造成接合设置在长丝上的一个或多个互补配合外部接合特征，所述长丝由挤出机推进以在一个或多个互补配合外部接合特征上施加力并使长丝在进给螺母旋转时通过预热器和液化器朝向构建平台前进。在一些实施例中，系统可包括具有一个或多个外部接合特征的长丝，所述外部接合特征与可旋转进给螺母的一个或多个内部接合特征互补，使得一个或多个内部接合特征被构造成在所述一个或多个外部接合特征上施加力，以在所述进给螺母旋转时使所述长丝通过所述预热器，使所述液化器朝向构建平台前进。在一些实施例中，接合特征可以是螺纹。具有接合特征的长丝可包括第一材料和第二材料。在一些情况下，第二材料可以比第一材料更导电。当加热到期望的熔融温度时，第一材料可以熔融，当加热到期望的熔融温度时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高产出量挤出系统，包括：挤出机；与所述挤出机流体连通的预热器；和与所述预热器流体连通的液化器，其中所述挤出机被构造成使长丝穿过所述预热器和所述液化器朝向构建平台前进，其中所述预热器被构造成将自所述挤出机接收的长丝的立体升温到至少期望的预热温度，和其中所述液化器被构造成在所述长丝朝向构建平台离开所述液化器之前将通过所述预热器的长丝的温度至少保持在期望的熔融温度，或者至少升温至期望的熔融温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.01 US 62/261394;2016.09.09 US 15/2608131.一种高产出量挤出系统，包括：挤出机；与所述挤出机流体连通的预热器；和与所述预热器流体连通的液化器，其中所述挤出机被构造成使长丝穿过所述预热器和所述液化器朝向构建平台前进，其中所述预热器被构造成将自所述挤出机接收的长丝的立体升温到至少期望的预热温度，和其中所述液化器被构造成在所述长丝朝向构建平台离开所述液化器之前将通过所述预热器的长丝的温度至少保持在期望的熔融温度，或者至少升温至期望的熔融温度。2.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，还包括：台架；和小车，具有与其连接的所述液化器，其中所述台架被构造成在X-Y平面中移动所述小车以将所述液化器定位到X-Y平面中的一个或多个目标X-Y坐标。3.根据权利要求2所述的高产出量挤出系统，其中，所述台架是H型框架台架。4.根据权利要求2所述的高产出量挤出系统，还包括：构建平台，所述长丝在离开所述液化器之后朝向所述构建平台被挤出，所述构建平台被构造成沿着Z轴线定位在一个或多个Z坐标上，该Z轴线与X-Y平面相交，其中所述台架和构建平台被构造成一起操作，使得被该挤出机挤出经过液化器的长丝被挤出到一个或多个目标X-Y-Z坐标上。5.一种用于打印三维物体的打印机，所述打印机包括权利要求4所述的高产出量挤出系统。6.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，其中，所述预热器和所述液化器被设置在单个加热单元的壳体内。7.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，其中，所述挤出机是螺母进给挤出机，所述挤出机还包括可旋转的进给螺母，所述进给螺母具有一个或多个内部接合特征，所述内部接合特征被构造成接合设置在由所述挤出机推进的长丝上的一个或多个互补的配合外部接合特征，以在一个或多个互补的配合外部接合特征上施力并在进给螺母旋转时使长丝经过所述预热器和液化器朝向构建平台前进。8.根据权利要求8所述的高产出量挤出系统，其中，所述可旋转的进给螺母被构造成通过绕轴线旋转而使长丝向构建平台前进，所述长丝沿该轴线被进给到所述进给螺母中，所述进给螺母具有形成在其上的内部接合特征，其被构造成与长丝接合而使该进给螺母沿该进给轴线对长丝施力。9.根据权利要求7所述的高产出量挤出系统，还包括具有一个或多个外螺纹的带螺纹的长丝，所述外螺纹与所述可旋转的进给螺母的所述一个或多个内部接合特征互补，使得所述一个或多个内部接合特征被构造成在进给螺母旋转时在一个或多个外螺纹上施力以使长丝向构建平台前进。10.根据权利要求9所述的高产出量挤出系统，其中，所述带螺纹的长丝包括第一材料和第二材料，当所述第一材料被加热到期望的熔融温度时熔融，所述第二材料在它们被加热到期望的熔融温度时保持固态或比第一材料粘性低。11.根据权利要求7所述的高产出量挤出系统，其中，所述进给螺母的内部接合特征和所述长丝的外部接合特征包括一个或多个互补几何构型，该互补几何构型选自由以下组成的组：配合周期性纹理、三角形、矩形和螺纹。12.根据权利要求7所述的高产出量挤出系统，其中，所述挤出机包括模头，所述模头被构造成在由所述挤出机推进的长丝的外部产生一个或多个接合特征。13.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，其中，所述预热器还包括发射器，所述发射器被构造成将辐射或电流传递到将由所述挤出机推进的长丝，从而遍及长丝体积地以基本均匀的方式将所述长丝的温度升高到期望的预热温度。14.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，其中，所述预热器选自由红外(IR)加热器和电辅助加热器所组成的组。15.根据权利要求1所述的高产出量挤出系统，还包括控制器，所述控制器被构造成调节供应给所述预热器的功率、供应给所述液化器的功率和施加到所述挤出机的进给螺母的力中的至少一个，以基于所接收的系统的实时参数来改变期望的预热温度、期望的熔融温度和挤出机的进给速率中的至少一个，实时参数包括以下参数中的至少一个：(1)挤出机施加在由挤出机推进的长丝上的挤出力；(2)挤出机的进给速率；(3)长丝进入预热器之前的长丝温度；(4)长丝进入液化器之前的长丝温度；(5)在长丝朝向构建平台离开液化器之前的长丝温度或长丝朝向构建平台离开液化器时的长丝温度。16.一种打印方法，包括：将长丝挤出到打印装置的第一室；当长丝处于所述第一室或前进通过所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·戈，A·J·哈特，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US