[发明专利]高分辨率的快速制造

说明书

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。