[发明专利]具有受控的材料进料的快速原型系统

说明书

技术领域

本发明涉及使用以挤出为基础的分层制造技术制造三维物体。更具体地，本发明涉及利用供给驱动机构的沉积成型系统，所述供给驱动机构容纳各种直径的细丝，本发明更有效地控制细丝的移动并更容易维护和修理。

背景技术

三维模型用于包括美学判断、证明数学计算机辅助涉及(CAD)模型、形成硬质工具、研究干扰和空间分布(interference and space allocation)以及试验功能性的功能。挤出为基础的分层制造机器根据由CAD系统提供的设计数据，通过从在预定图案中的挤出头挤出可固化的成型材料建造三维模型。或者是液体或者是固体成型材料的进料被供给到挤出头。一种技术用于以细丝束的形式供给成型材料。在成型材料的进料为固体形式的情况下，液化器使得该进料为可流动的温度以便于沉积。

用于制造三维物体的以挤出为基础的设备和方法披露在Valavaara的美国专利No.4749347、Crump的美国专利No.5121329、Crump的美国专利No.5340433、Crump等人的美国专利No.5503785、Danforth等人的美国专利No.5900207、Batchelder等人的美国专利No.5764521、Batchelder等人的美国专利No.5968561、Dahlin等人的美国专利No.6022207、Stuffle等人的美国专利No.6067480以及Batchelder等人的美国专利No.6085957中，所有这些专利都转让给斯特拉塔西斯公司(Stratasys，inc.)，即本发明的受让人。

在采用细丝供给的成型机器中，成型材料作为缠绕在卷轴上的柔性细丝被装入机器中，这例如披露在美国专利No.5121329中。当固化时利用足够的粘结剂粘附到前面的层上并且可以作为柔性材料供给的可固化的材料用作成型材料。包括液化器和分配喷嘴的挤出头接收细丝，在液化器中熔化细丝，并将熔化的成型材料从喷嘴中挤出到包含在建筑封套(buildenvelope)内的基部上。成型材料一层一层地挤出在由CAD模型限定的区域内。被挤出的材料熔合到先前沉积的材料上并固化以形成表现(或类似)该CAD模型的三维物体。在建造由温度降低时热固化的成型材料制成的模型中，建筑封套优选是在沉积期间被加热到刚好低于成型材料的固化温度，然后被逐渐冷却以从材料释放应力的腔室。如美国专利No.5866058中所披露的，此方法使得模型在建造时消除模型的应力，从而完成的模型是无应力的并且具有非常小的变形。

在通过沉积可固化材料形成三维物体中，支撑层或结构在下面建造伸出部分或建造在建造中不由模制材料本身支撑的物体的空腔内。例如，如果物体是地下洞穴的内部的模型且洞穴原型由底到顶构造，钟乳石将需要临时支撑直到顶部完成。利用相同的沉积技术和设备可以建造支撑结构，且成型材料通过该沉积技术和设备被沉积。在适当的软件控制下的设备产生作为用于正在形成的物体的伸出或自由空间部分的支撑结构的另外的几何形状。支撑材料或者由在成型设备中的分开的分配头沉积，或者由沉积成型材料的相同的分配头沉积。支撑材料选择为将在构造期间粘附到成型材料上并且可以从完成的物体上移除。已知成型材料和支撑材料的各种组合，例如在美国专利No.5503785中披露的。

在当前技术的Stratasys FDM^三维成型机器(如在上述专利中披露的，其采用细丝供给)中，包绕在线轴上的成型细丝卷通过将卷安装到轴上而装入机器内。细丝由热塑性或蜡材料制成。通过由低摩擦系数材料制成的导向管，使用者可以手动供给细丝束，将细丝从卷上解开直到细丝束到达在挤出头出的一对电机驱动的供给辊。相反，一系列供给辊可以利用并定位在细丝的卷或源的开始，沿供给通道并最终在挤出头处进给在成型机器内的细丝束。需要进给、驱动或供给细丝束的力可以大体上时常需要多达大约20磅的推力。

细丝束最终由供给辊进给到由挤出头承载的液化器内。在液化器内，细丝被加热到可流动的温度。当供给辊继续将细丝进给到挤出头内时，进来的细丝束的力将可流动的材料从分配头中挤出，在分配头处，可流动的材料被沉积到可移除地安装在建筑平台上的衬底上。从喷嘴挤出的材料的流量是细丝进给到头部的速度以及分配喷嘴孔板的尺寸的函数。在液化器中也会存在污物部分，并且这些污物部分与细丝一起从喷嘴中挤出。基于污物部分的尺寸，污物部分可以局部或完全堵塞喷嘴，这形成比液化器中的正常压力水平大大约4-5倍的很大的压力峰值。在此压力峰值期间，供给辊必须能够继续驱动细丝。