專利名稱：模型制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用按要求噴射珠滴及向量繪圖技術(shù)的三維模型制造裝置。
本發(fā)明的目的在于提供一種三維模型制造裝置，它相對于以前的多種建議，在達(dá)到所需尺寸精度、各表面上的表面光潔度質(zhì)量方面，都有明顯的改進(jìn)，并能制造按目前需要而規(guī)定的復(fù)雜形狀。
本發(fā)明的三維模型制造裝置是這樣一種設(shè)備，它應(yīng)用向量繪圖法一層疊一層地施加可固化的物質(zhì)而制成計(jì)算機(jī)(如CAD)生成結(jié)構(gòu)的三維模型。這些層是通過將很小的液相物質(zhì)珠滴從一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴到臺(tái)架上而制成的，所說噴嘴及臺(tái)架可沿XYZ座標(biāo)系相對移動(dòng)。X座標(biāo)和Y座標(biāo)最好是水平的，而Z座標(biāo)是豎直的。但其它取向也是可以的而且實(shí)用的。在X/Y相對移動(dòng)過程中，珠滴沿向量沉積到臺(tái)架上，一次一個(gè)地、一層疊一層地形成模型。所述噴嘴和臺(tái)架按照計(jì)算機(jī)(控制器)的指令彼此相對移動(dòng)，在X-Y平面內(nèi)(以與X-Y矢量繪圖儀相似的方式)形成各層，同時(shí)，或者臺(tái)架，或者各噴嘴可沿Z方向移動(dòng)，以使噴嘴得以形成其后的各層。
在本模型制造裝置的一個(gè)具體實(shí)施例中有兩個(gè)噴嘴，與第一種物質(zhì)有關(guān)的一個(gè)，將形成模型的光滑外表面，并提供模型實(shí)心內(nèi)部的填充料，而與可除去的另一種物質(zhì)有關(guān)的一個(gè)，形成對模型的其它無支撐部分(如H形模型的橫線)的支撐。在另一個(gè)具體實(shí)施例中，第一種和的質(zhì)和填充料可由一個(gè)三噴嘴系統(tǒng)的各分立噴嘴噴出。本模型制造裝置最好包含一個(gè)毛刺刮刀，用以平整X-Y平面內(nèi)沉積的各層，使得沿Z方向的結(jié)構(gòu)是平整的。可以通過彼此間隔地沉積各珠滴并在沉積珠滴固化之后回填以控制模型的變形。
選擇珠滴的加熱和成分，不僅要能提供模型結(jié)構(gòu)的整體化，還要使它們幾乎當(dāng)與臺(tái)架或其它物質(zhì)接觸時(shí)就快速地固化使附加各層可以不受延遲地被旋加上去，并可控制或基本消除收縮。
按照本發(fā)明，提供一種三維模型制造裝置，利用模制劑料的繪圖向量，每次一層地、順次一層疊一層地制作三維模型，其特征在于a)支撐機(jī)構(gòu)其限定一表面，用以在制作過程中支撐三維模型；b)按要求的液滴噴射裝置，用于按要求一次一滴地噴射產(chǎn)生珠滴的熔融模制劑料液滴，以繪制確定各層的向量；c)安裝噴嘴的安裝機(jī)構(gòu)1)用以沿XYZ軸座標(biāo)系的至少兩個(gè)軸相對于所述表面同時(shí)移動(dòng)，以使噴嘴沿任意所需的向量方向移動(dòng)，同時(shí)，所述噴嘴在所述表面上繪制所述模制劑料的向量，2)在需要的時(shí)候，用以沿座標(biāo)系的全部三個(gè)X、Y和Z軸相對于該平面移動(dòng)噴嘴；d)控制機(jī)構(gòu)，用于控制沿X、Y、Z座標(biāo)軸的移動(dòng)，以及由噴嘴噴射產(chǎn)生珠滴的液滴，以產(chǎn)生由珠滴形成的模制劑料的向量，沿任意方向和所需的一切方向通過向量繪圖產(chǎn)生模型。
按照本發(fā)明，還提供一種制作三維模型的方法，它包括以下步驟a)提供一個(gè)表面，用以在制作過程中支撐三維模型；b)從按要求的噴嘴一次一滴地將產(chǎn)生珠滴的模制劑料液滴噴射到支撐表面上，同時(shí)，在控制機(jī)構(gòu)的控制下，沿XYZ座標(biāo)系的X和Y座標(biāo)、平行于支撐表面彼此相對地移動(dòng)噴射裝置及支撐表面，以便通過向量繪圖產(chǎn)生模型的層；c)在控制機(jī)構(gòu)的控制下，沿Z座標(biāo)方向，垂直于支撐表面、彼此相對地移動(dòng)噴射裝置及支撐表面；d)按需要重復(fù)重復(fù)循環(huán)步驟b)和c)，以產(chǎn)所需附加層直至完成模型。
在以下的詳細(xì)描述中，將通過參照附圖，以舉例的方式描述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明三維模型制造裝置三個(gè)噴嘴的等角示意圖；圖2是本發(fā)明所用噴嘴的立剖面圖；圖3是圖2圓圈A部分的放大視圖；圖4是圖2圓圈B部分的放大視圖；圖5是圖2圓圈C部分的放大視圖；圖6是本發(fā)明一個(gè)噴嘴的供料系統(tǒng)示意圖；圖7和8表示控制噴嘴用的一個(gè)電脈沖，示出作為動(dòng)作噴嘴特征的波形和表示噴嘴停止動(dòng)作的不合格波形；圖9至13表示供空心模型用的各種網(wǎng)格構(gòu)架。模型制造裝置的設(shè)備首先參見圖1，本發(fā)明的三維模型制造裝置包括框架2，它支撐著一對彼此以一定距離間隔、沿該模型制造裝置X座標(biāo)方向(軸)4延伸著的水平導(dǎo)軌3。這對導(dǎo)軌3支撐著另一對彼此以一定距離間隔、沿Y座標(biāo)方向(軸)6延伸著的水平導(dǎo)軌5。這對Y座標(biāo)導(dǎo)軌5在其端部被支撐于X座標(biāo)導(dǎo)軌3上的支承座7中，以使該Y座標(biāo)導(dǎo)軌5得以在X座標(biāo)方向上沿X座標(biāo)導(dǎo)軌3滑動(dòng)。該二Y座標(biāo)導(dǎo)軌沿X座標(biāo)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)是通過由電機(jī)9帶動(dòng)的皮帶傳動(dòng)裝置8(為清楚計(jì)，移出本設(shè)備來表示)來實(shí)現(xiàn)的，所述電機(jī)包括一個(gè)光學(xué)編碼器29，用以檢查和確定該座標(biāo)導(dǎo)軌在系統(tǒng)邏輯控制器11的控制下沿X座標(biāo)相對于臺(tái)架10(被表示為具有立方體式樣)的位置。
Y座標(biāo)導(dǎo)軌5支撐著滑動(dòng)架12，后者與上述關(guān)于座標(biāo)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)相似，在帶光學(xué)編碼器30的電機(jī)系統(tǒng)13所驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)帶控制下滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)13也受系統(tǒng)邏輯控制器11的控制，以檢查和確定該滑動(dòng)架相對于臺(tái)架10的位置；不過，這種情況下是指沿Y座標(biāo)方向相對于臺(tái)架10的位置。
滑動(dòng)架12裝有三個(gè)噴嘴60，其一用于噴注制壁物料(制模復(fù)合物-MC)的料滴，其二用于噴注填方物料(還是MC)的料滴，其三則用于噴注支撐物料(SM)的珠滴。后面會(huì)更為詳細(xì)地描述這些材料。
可借助步進(jìn)電機(jī)15驅(qū)動(dòng)螺桿螺母螺旋頂重器16使臺(tái)架10相對于滑動(dòng)架12沿Z座標(biāo)方向(軸)升降，其中的螺母安裝在臺(tái)架10上，以便由步進(jìn)電機(jī)15的皮帶傳動(dòng)裝置17轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿升降該臺(tái)架。臺(tái)架10由沿Z座標(biāo)方向伸展之導(dǎo)柱18上的支承座導(dǎo)引。各導(dǎo)柱18受到框架2的剛性支撐。
系統(tǒng)邏輯控制器11利用軟件程序一極可能像在作圖過程中的矢量繪圖儀中用來控制矢量繪圖筆運(yùn)動(dòng)所采用的那些程序確定臺(tái)架沿Z座標(biāo)方向相對于噴嘴60的位置和從各噴嘴60噴射生成材料滴珠的時(shí)間，這將為本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員所理解。
框架2支撐著動(dòng)力源19，根據(jù)各自的需要及系統(tǒng)邏輯控制器11所發(fā)出的指令，給各系統(tǒng)以及本模型制造裝置提供動(dòng)力?？拷黊座標(biāo)導(dǎo)軌3的一端噴嘴檢驗(yàn)和清洗臺(tái)20，后面將會(huì)更加詳細(xì)地描述它。在X座標(biāo)導(dǎo)軌3的這同一端支撐著熱料儲(chǔ)存器21，它們貯存所需的MC，填方MC和SC，取道供料容器22送至噴嘴60。壓力泵23被框架2所支撐，在需要將熱料儲(chǔ)存器21中所存的物質(zhì)送到供料容器22時(shí)，它給熱料儲(chǔ)存器21加壓。
X座標(biāo)導(dǎo)軌3還支撐著模型修整系統(tǒng)24，后面將詳細(xì)描述它的使用。模型修整系統(tǒng)24由一個(gè)平面銑刀25組成，由電機(jī)26通過皮帶驅(qū)動(dòng)；修整系統(tǒng)24還包括一個(gè)護(hù)罩27，用以通過出口28與一真空管道相連，以便于移走本模型修整系統(tǒng)所產(chǎn)生的刮屑。該模型修整系統(tǒng)包括電磁鐵31，用于耦接滑動(dòng)架12及Y座標(biāo)導(dǎo)軌5，以便沿X座標(biāo)導(dǎo)軌移動(dòng)所述銑刀。銑刀25限定一個(gè)沿Y座標(biāo)方向延伸的軸，而且其長度至少有如臺(tái)架10沿Y座標(biāo)方向的尺寸那么大。
人們將能理解，可以毫不費(fèi)力地將多組噴嘴設(shè)置在一個(gè)滑動(dòng)架上，必要時(shí)，可用工具調(diào)節(jié)其間的間隔；它們與一套公用的X、Y和Z驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、修整系統(tǒng)、控制器、動(dòng)力源等相聯(lián)系，能夠在單獨(dú)一臺(tái)模型制造裝置同時(shí)模制多個(gè)形狀相似的模型。
人們將能理解，盡管參照圖1所描述的模型制造裝置1提供多個(gè)噴嘴60沿X-Y座標(biāo)方向的矢量移動(dòng)，以及臺(tái)架10沿Z座標(biāo)方向的移動(dòng)，但其它結(jié)構(gòu)對于那些本領(lǐng)域的熟練人員也是顯見的。事實(shí)上，可以通過或者只移動(dòng)噴嘴60或者只移動(dòng)臺(tái)架10，亦或通過按所需座標(biāo)的噴嘴和臺(tái)架的任意組合移動(dòng)，來提供這些X、Y、Z座標(biāo)移動(dòng)。此外，雖然Z座標(biāo)方向最好為豎直向，本領(lǐng)域的熟練人員將會(huì)理解，關(guān)于Z座標(biāo)方向(軸)的其它取向也是可能的。
人們將能理解，盡管已經(jīng)按認(rèn)定其為一獨(dú)立單元的方式描述了系統(tǒng)邏輯控制器，但多個(gè)按需組合的分立控制單元也可一起形成這樣的系統(tǒng)邏輯控制器。
噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2和3所示，噴嘴端部組件有一小喉管62，它由含氟聚合物模制而成的，而且其一端63的內(nèi)部被制成錐狀。模制過程中，先定好此錐體，再通過切去喉管的錐端63，打開后面，形成一個(gè)有所需直徑的噴口73。喉管的另一端是打開的，從后面將要討論的供料系統(tǒng)接受熔融液體。
此喉管的周圍是由壓電材料制成的另一個(gè)管子64。這個(gè)壓電的管子64經(jīng)過鍍敷以作為壓電電極提供電連接(也就是像一個(gè)電容器的情況一樣)。給壓電管64圍上一個(gè)環(huán)氧樹脂的電氣絕緣密封坡65，以吸收熱沖擊。然后，將此組件裝入車有螺紋的鋁襯套66中。
噴嘴端部組件還包括連接管67，它是一個(gè)長度較短的彈性導(dǎo)管，裝附于喉管的打開端。推壓連接管67通過襯套66一端里面的孔68，之后再將牽拉它通過另一端。然后將噴嘴端部組件61裝到連接管67上，并回拉連接管67至該噴嘴端部組件61剛好與襯套的開口相接觸。此后將噴嘴端部組件61裝入車有螺紋的鋁襯套66中。隨著噴嘴端部組件61的裝入，從另一端牽拉連接管67，使其不致成為打折的。完全裝好該噴嘴端部組件61之后，去掉多余的導(dǎo)管，使與車有螺紋的鋁襯套66之后表面平齊。此時(shí)，將一小的管狀插入物69(密封管)置入所述彈性導(dǎo)管的端部。
小密封管69有兩個(gè)基本作用。第一，該密封管69比彈性連接管67的內(nèi)徑大0.4mm。這就造成連接管67的外徑堵塞襯套66的內(nèi)徑。其次，密封管69的小內(nèi)徑利用毛細(xì)作用力限制上述液體的壓力頭，并使噴頭60能長時(shí)間保持空閑而不漏滴。密封管69還補(bǔ)償來自上述液體容量的噴頭壓力，使得能夠立噴而不漏滴。
此時(shí)，再將已裝在一起的各件裝入管狀噴嘴儲(chǔ)料槽70中。該管狀噴嘴儲(chǔ)料槽70具有加熱器71和過濾器72(圖4)。
制作模型的料劑(MC)從熱料儲(chǔ)存槽81經(jīng)熱料供送管75(圖5)被送到噴嘴儲(chǔ)料槽70。模型料劑(MC)的供送得到維持，通過自然虹吸作用，供料管保持對噴頭的灌注。這個(gè)輸送系統(tǒng)通過噴口的確定加注是極為重要的。
噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)側(cè)、模型料劑(MC)的表面保持一個(gè)小氣袋76(圖2和5)。這個(gè)“氣囊”76具有作為液壓脈動(dòng)隔離器的關(guān)鍵作用，這種脈動(dòng)是隨著噴射過程中噴頭的交替而出現(xiàn)的。這樣，此“氣囊”76抑制了由噴頭的移動(dòng)而引起的液壓脈動(dòng)，并使熱供料管免受彎液面及珠滴形成的干擾。
隨著噴注的繼續(xù)和噴嘴儲(chǔ)料槽中模型料劑(MC)液面的下降，氣囊擴(kuò)大，噴嘴儲(chǔ)料槽中產(chǎn)生一個(gè)不高的真空。由于供料管75處于虹吸平衡，這個(gè)不高的真空增加了自熱料儲(chǔ)存槽經(jīng)供料管管噴嘴儲(chǔ)料槽輸送的模型料劑(MC)。
開動(dòng)本系統(tǒng)時(shí)，喉管62保持壓電管64的電壓。當(dāng)收到珠滴噴射信號(hào)時(shí)，這個(gè)電壓降低，同時(shí)壓電管64退極性。這種退極造成壓電管64將一收縮力加給喉管62，并通過駐留在喉管62中的液體發(fā)送能量波。喉管62的內(nèi)部容積也有一些減小。這種音頻能量波以及容積的收縮一起勢必從背向供料管和面向噴口兩個(gè)方面對料液加壓。由于供料管75充有料液，所以最后的阻力路徑是朝向噴口73的。另外，供料管中的料液起障礙物的作用，同時(shí)按音頻方式反射一部分音頻能量。所提供的總能量水平足以克服噴口73中的彎液面和阻力，將噴射一個(gè)小MC珠滴。
在保持噴頭60及滑動(dòng)架系統(tǒng)的尺寸和負(fù)擔(dān)減至最小程度的努力中，將管狀噴嘴儲(chǔ)料槽主體70的尺寸特別地定為提供(單個(gè)供料管)大約15分鐘的工作。管狀噴嘴儲(chǔ)料槽70還是主要部件，其它部分都是裝配于其上的。如圖4所示，該管狀噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)是網(wǎng)式過濾器72的凹槽。裝配時(shí)，該過濾器洽在噴嘴端部組件61上面、管狀噴嘴儲(chǔ)料槽70的底部。
噴嘴儲(chǔ)料槽的頂部裝有排氣帽77，形成噴嘴儲(chǔ)料槽70與材料輸送系統(tǒng)之間的連接件。此帽內(nèi)側(cè)有一彈性墊圈78，為系統(tǒng)內(nèi)引入氣體密封。在帽的邊緣，精確地安裝在彈形墊圈邊緣的是排氣孔74，它直接向外部大氣排氣。這些孔都是極為關(guān)鍵的，它們提供一種以對氣囊76的腔內(nèi)壓強(qiáng)(正向或負(fù)向)破壞最小方式排放噴嘴儲(chǔ)料槽氣體的方法。當(dāng)把帽77松開時(shí)，立刻破壞密封，使空氣得以通過排氣孔74進(jìn)入噴嘴儲(chǔ)料槽70中的氣囊76；而當(dāng)把帽77緊固時(shí)，則不會(huì)因讓空氣通過排氣孔74進(jìn)入噴嘴儲(chǔ)料槽70而有害地增大噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)的壓強(qiáng)。這樣就足以使噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)的料液液面相對保持不變。如果沒有排氣孔，當(dāng)把蓋子松開時(shí)，則這種擰松的作用將有效地增大氣囊76的內(nèi)部容積，從而加大真空度。這個(gè)真空必將通過噴口把空氣吸入氣囊，結(jié)果是當(dāng)繼續(xù)噴射時(shí)，會(huì)妨礙噴射。同樣，如果沒有排氣孔，那么擰松帽蓋的作用必將增大腔內(nèi)的壓力，并將物料壓出噴口。沒有排氣孔，則在僅僅少量地移開帽蓋再反回之后，噴嘴儲(chǔ)料槽很快就會(huì)耗盡物料。
襯套66能向噴頭組件作標(biāo)準(zhǔn)化趨近。如較早所述的那樣，所述襯套包含喉管62、節(jié)制流量的密封管69和彈性連接管67。需要日常保養(yǎng)時(shí)，這個(gè)襯套很容易被取下，并接近噴頭的其余部分。
加熱器71是噴頭60的供熱源。輔助熱量來自被送到噴嘴儲(chǔ)料槽70內(nèi)的熔融物料。加熱器71為薄金屬片型的，直接附著在噴嘴儲(chǔ)料槽70的外表面上。使熱電偶(未示出)的端部直接與鋁的管形噴嘴儲(chǔ)料槽70接觸。將熱電偶的輸出耦接到熱控裝置，以便將噴頭60的溫度控制在+/-2攝氏度。
通過所裝的夾緊裝置將噴頭緊固在滑動(dòng)架上，所述夾緊裝置將噴嘴儲(chǔ)料槽的底緣80夾緊在滑動(dòng)架的位置上。
上面揭示的噴頭結(jié)構(gòu)可在控制于6000Htz的最大重啟動(dòng)速率下工作。相同尺寸的模型料劑(MC)珠滴在6000Htz的最大重啟動(dòng)速率下自噴嘴始終如一地被發(fā)射出來。如果把重啟動(dòng)速率增大到12000Htz，則噴嘴共振發(fā)射的模型料劑(MC)珠滴有如在6000Htz條件下發(fā)射珠滴的兩倍大。因而，在12000Htz條件下比起在6000Htz條件下發(fā)射四倍量的模型料劑(MC)，比如兩倍的珠滴數(shù)，而這里所說的珠滴是兩倍那么大的；所以在12000Htz條件下模型的制造速度是在6000Htz條件下的四倍，不過，由于所沉積的模型料劑(MC)珠滴尺寸被增大，相應(yīng)降低所得模型的光潔度質(zhì)量。所以，噴頭在12000Htz重啟動(dòng)速率下工作可有利于被用于填充模型的內(nèi)部空間，其無需良好表面光潔度或者以草擬方式快速地制造草擬模型。
可以理解，可給本模型制造裝置設(shè)置兩個(gè)噴頭。一個(gè)噴頭用于在6000Htz下噴射制作壁的模型物料并在12000Htz下快速充填在模型內(nèi)的空間而另一個(gè)噴頭在6000Htz下噴射支撐物料，以充填模型內(nèi)的空間還可以理解，除了應(yīng)用第一噴頭在12000Htz下快速充填模型內(nèi)的空間，還可使用喉管62中有較大噴口73的第三噴頭噴射較大珠滴的模型物料，從而快速充填內(nèi)部空間，而無需12000Htz的重啟動(dòng)速率，或者在12000Htz下充填得更快。
可以理解，可設(shè)置噴嘴陣列來快速充填或打網(wǎng)線，這些噴嘴之一也形成制作模型壁的噴嘴60。
物料/供料系統(tǒng)按照一個(gè)物料供送系統(tǒng)的實(shí)施例(圖6)，已將模型料劑(MC)和支撐物料(SC)儲(chǔ)存在每種物料的供料槽81中。圖6中只示出其中之一。將這些供料槽81裝在模型制造裝置上，并根據(jù)每種物料的流體動(dòng)力情況安置在臨界高度上。給每個(gè)供料槽配備一個(gè)能夠自行調(diào)節(jié)溫度控制的A/C加熱器(未示出)。無需外部溫度控制器，這些加熱器即可將MC和SC的溫度控制在8攝氏度內(nèi)。
該供料槽具有密封蓋，蓋上有一螺紋管接頭，用以裝附合成橡膠管82。當(dāng)未將輸料系統(tǒng)裝到噴頭60上的時(shí)候，該管82被用來清潔輸料系統(tǒng)；當(dāng)把它裝到噴頭上的時(shí)候，此管被用于清潔噴頭。更當(dāng)給它加上一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庠磿r(shí)，就可決定噴頭內(nèi)的污染比率和過濾器的情況。
物料輸送系統(tǒng)工作的基本原理在于虹吸作用。供料槽81與噴嘴儲(chǔ)料槽70之間存在流料的平衡。在由兩個(gè)儲(chǔ)料槽和一個(gè)輸料連接管構(gòu)成的常用系統(tǒng)中，當(dāng)從一個(gè)儲(chǔ)料槽取出物料時(shí)，相應(yīng)數(shù)量的物料流經(jīng)另一個(gè)儲(chǔ)料槽的輸料管，以平衡料液平面。只有在兩個(gè)儲(chǔ)料槽處在相同的大氣壓力下，才可這樣做。
當(dāng)一個(gè)儲(chǔ)料槽象在噴頭60中那樣被封閉時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)作就有點(diǎn)不同。噴嘴儲(chǔ)料槽70中存在氣囊76。噴嘴儲(chǔ)料槽70是氣密密封的。隨著噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)料液平面的下降，使該噴嘴儲(chǔ)料槽內(nèi)的真空度加大。隨著這種作用力的增強(qiáng)，料液經(jīng)加熱的輸料管流入該噴嘴儲(chǔ)料槽70。這個(gè)氣囊還起穩(wěn)定裝置的作用。由于這個(gè)氣囊的緣故，可耐受較大的液面變化。供料儲(chǔ)存槽液面的任何變化，通常都會(huì)在噴嘴的彎液面上有一即時(shí)的液壓作用，但是，由于這個(gè)氣囊系統(tǒng)，供料存儲(chǔ)槽液面改變40mm，噴嘴的彎液面上也沒有有害的作用。如前所述，該氣囊還使噴嘴頂端組件61免受由于噴頭滑動(dòng)架的移動(dòng)所引致的液壓沖擊。沒有此氣囊，將很難保持噴嘴正常的和始終如一的工作。
MC和SC是非常不同的物料。它們最重要的特點(diǎn)是，兩者在相似的溫度下發(fā)生相變，但它們有著完全不同的溶劑。用來除去SC的溶劑對于MC無效；反之亦然。這造成一種非常有利的控制環(huán)境，所使用的溶劑很普通，而且對環(huán)境是無損的。
就各種制作模型的物料而言，其它的不同在于它們的密度和表面張力。由于這些不同，各種物料的工作液面就是不同的?；旧?，供料儲(chǔ)存槽中MC(磺胺基材料)的液面在噴嘴儲(chǔ)料槽中液面上方大約25mm。供料儲(chǔ)存槽中SC(蠟基質(zhì)材料)的液面在噴嘴儲(chǔ)料槽中液面下方大約25mm。
噴嘴故障檢測以下參見圖7和8，圖7表示一個(gè)壓電啟動(dòng)脈沖，它被用于產(chǎn)生要由噴嘴60噴射的MC或SC的珠滴。該脈沖大致為方波并且終端是擾動(dòng)的，該終端在圖7中被一虛線圓包圍。圖8是圖7中所示擾動(dòng)的放大視圖。每個(gè)噴嘴產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，成為噴嘴正常工作時(shí)的標(biāo)志，圖8中用實(shí)線表示這種正常標(biāo)志。隨著同一噴嘴噴射每一個(gè)珠滴，可對工作中噴嘴的標(biāo)志進(jìn)行分析，而且為了與后面的同一噴嘴的擾動(dòng)比較，還將它儲(chǔ)存起來。如果所分析的后面的擾動(dòng)處在一個(gè)與噴嘴標(biāo)致相關(guān)的所存信息適當(dāng)?shù)钠顑?nèi)，則控制裝置可證實(shí)該噴嘴處于正常的工作中。然而，如果該信號(hào)明顯地不同于常規(guī)的擾動(dòng)標(biāo)志，則如圖8中虛線所示，控制裝置將確定噴嘴已出現(xiàn)故障。
珠滴間隔的控制隨著來自現(xiàn)有硬件，如編碼器29、30的恰當(dāng)輸入，適當(dāng)?shù)能浖蓤?zhí)行下述功能。
1)給噴嘴60以啟動(dòng)信號(hào)，從而得到一個(gè)給定的、與速度、角度或曲線的曲率無關(guān)的質(zhì)量向量(珠滴間隔)。軟件及邏輯控制就每隔一定間隔地配置珠滴，從而得到給定限度的大小和表面光潔度。
2)為了控制珠滴間隔，軟件不移動(dòng)噴嘴，使它們關(guān)于臺(tái)架的矢量速度超過各噴嘴的最大重啟動(dòng)速率?？捎袃煞N辦法設(shè)定珠滴間隔，即，使用軟件或者硬件。
硬件通?？刂茊?dòng)，使保持均勻的珠滴間隔，而與起始及結(jié)束過程中可能變化的速度或者向量的角度或曲率無關(guān)。在向量沿X或Y座標(biāo)的情況下，硬件啟動(dòng)珠滴，各編碼器29、30持續(xù)動(dòng)作，在加速或減速期間與規(guī)定的珠滴間隔相配合。當(dāng)向量產(chǎn)生的速度接近或者是一恒定速度時(shí)，在某些情況下，珠滴的啟動(dòng)可能變換為關(guān)于時(shí)基，而非編碼器的信號(hào)啟動(dòng)。
在斜向量或成角度向量的情況下，利用編碼器29或30，顯示最大增量(這指示該向量關(guān)于所用編碼器的軸不超過45度)及編碼器信號(hào)的數(shù)目將被縮減，使規(guī)定的珠滴間隔得以維持。編碼器29、30被用來檢測沿X及Y座標(biāo)中的每一個(gè)的運(yùn)動(dòng)。
在斜線或曲線的情況下，正如“突然打開”的兩個(gè)編碼器之一所測得的那樣，硬件根據(jù)兩個(gè)測量結(jié)果之比來調(diào)節(jié)珠滴的間隔，所述兩個(gè)測量結(jié)果與VX、VY成比例。這個(gè)瞬時(shí)作用比值的反正切或者平方和給出曲線或者斜線的瞬時(shí)角度。通過使用一個(gè)檢查表，確定用以保持所需液滴間隔的各珠滴之間編碼器信號(hào)的數(shù)目。
采用具有較高瞬時(shí)速度和0到45度瞬時(shí)角度的編碼器。在45度角情況下，發(fā)生從一個(gè)編碼器到另一個(gè)編碼器的轉(zhuǎn)換。在關(guān)于弧端減慢的過程中，通過調(diào)節(jié)最后珠滴的間隔，維持正確的長度。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)所希望的功能，由X軸或Y軸編碼器29、30來啟動(dòng)各噴嘴。X座標(biāo)編碼器29被用于X座標(biāo)方向4的45度以內(nèi)的各管；Y座標(biāo)編碼器30被用于X座標(biāo)方向4的大于45度角的各管。這樣，就使所需的珠滴間隔被精確地維持在與向量方向、速度或曲率無關(guān)的所需間隔。
通過噴嘴噴射直徑大約0.09mm的液滴以得到直徑大約0.12mm的珠滴，可以達(dá)到典型的0.025mm的珠滴間隔。
硬件通過在公知的短時(shí)間間隔內(nèi)測量編碼器29、30的編碼器信號(hào)數(shù)目來測量所說的瞬時(shí)角。利用所得的這些編碼器信號(hào)之比并使用一個(gè)檢查表，我們可以在各珠滴噴射器之間確定編碼器的信號(hào)數(shù)，以便在任意瞬時(shí)線間夾角下得到均勻的所需珠滴間隔。
利用一個(gè)計(jì)數(shù)器，從各噴嘴噴射珠滴；所說計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)正交的編碼器信號(hào)。依線的瞬時(shí)夾角調(diào)整計(jì)數(shù)的數(shù)目。
還有其它更復(fù)雜的將向量終止在正確點(diǎn)的方法。向量的長度通常不是珠滴間隔的偶數(shù)倍，而是通常都有多余。為使向量結(jié)果有一個(gè)精確的長度，可采用其它幾利較為復(fù)雜的方法中的一種
1)取“n”個(gè)均勻的珠滴，這里“n”等于線長被珠滴間隔除；再多取一個(gè)具有間隔“r”的珠滴作為此多余的量。理想地，應(yīng)由軟件來滿足“n”和“r”的要求，或者，如果需要，由硬件來計(jì)算。大多數(shù)情況中，這種方法可能是最便于使用的方法。
2)通過安排硬件，增加“r”珠滴間隔，得到精確的長度，可達(dá)到理論上說為較好效果。盡管這種方法更適宜于直線，它也能用于曲線的情況。
3)使一珠滴處在線的端部，盡管這不是正確的位置。這引起在這點(diǎn)壁高的改變，適當(dāng)?shù)乜刂?，這點(diǎn)可為高度的增加。當(dāng)像后面所述的那樣用銑刀進(jìn)行切削時(shí)，可使高度的這個(gè)誤差得到校正。
譬如，如果由各噴嘴噴射的液滴取大約270微秒去沖擊工質(zhì)，在它被以電學(xué)方式控制后，形成珠滴。在84mm/sec的噴射速度下，從液滴被啟動(dòng)之后，使液滴飛行差不多0.23mm，以形成珠滴。然而，如果我們開始一條線并保持它，我們得到一個(gè)珠滴，隨后開始加速，設(shè)為4Gs。在移動(dòng)了例如0.24mm之后，我們想要啟動(dòng)下一個(gè)珠滴—這發(fā)生在3.6毫秒后，這時(shí)我們在142mm/sec下移動(dòng)，使珠滴穿行0.30mm，而不是0.24mm。我們要使下一個(gè)液滴在0.48mm處，這發(fā)生在5.1毫秒時(shí)，而且在這里速度將為200mm/sec；珠滴以此速度穿行0.56mm，間隔0.27mm。我們要使下一個(gè)液滴在0.76mm處，這發(fā)生在6.2毫秒時(shí)，而且在這里速度為244mm/sec；珠滴以此速度穿行0.83mm，間隔0.27mm。我們要使下一個(gè)液滴在1mm處，這發(fā)生在7.2毫秒時(shí)，而且在這里速度為282mm/sec；珠滴以此速度穿行1.1mm，間隔0.26mm。當(dāng)速度接近813mm/sec時(shí)，間隔保持接近0.25mm，這里我們可以按時(shí)間間隔轉(zhuǎn)接啟動(dòng)。隨著我們減慢，各點(diǎn)以零點(diǎn)幾毫米趨于較為緊密地靠在一起，而不是更分開。
由于軟件控制珠滴間隔，在線的加速和減速部分我們?nèi)允褂镁幋a器信號(hào)啟動(dòng)印制模件。我們使用編碼器29或30，它們按角度說，是較為接近啟動(dòng)噴嘴的瞬時(shí)角的。由于控制器11的電子線路總是知道所劃線的瞬時(shí)角，于是這可將我們引到一個(gè)檢查表，告訴我們在這個(gè)階段中再啟動(dòng)所用的信號(hào)數(shù)。當(dāng)隨著我們在恒定速度階段重啟動(dòng)時(shí)，我們就不需要使用這種檢查表了。
一種與上述接近的選擇如下。軟件與硬件的組合保持編碼器信號(hào)的蹤跡。在或者X軸或者Y軸的每個(gè)編碼器信號(hào)下，考慮到珠滴飛行時(shí)間來計(jì)算所移動(dòng)的斜向距離和當(dāng)前的速度，對啟動(dòng)的珠滴計(jì)算這個(gè)正確的時(shí)間，以便得到正確的液滴間隔。
模型的制造采用模型制造裝置1，利用熱固性液滴按需噴射器(噴嘴60)在所需“液滴間隔”條件下制成一個(gè)給定層的內(nèi)表面和外表面的向量輪廓，這樣，即制成三維模型。最好將所述向量輪廓重復(fù)一次或多次，隨著部件的幾何形狀，根據(jù)所需的輪廓完成安置隨后的各向量，同時(shí)建立方案(實(shí)心模型或空心模型)。此偏差量被稱為“壁間距”。為制作高質(zhì)量表面的三維模型，可以改變這些參數(shù)。還可以同時(shí)改變壁間距和珠滴間隔，可得到從大約0.03mm到大約0.18mm的層厚范圍，這個(gè)范圍導(dǎo)致操作者可交替使用所能選擇的表面光潔度/制作時(shí)間。應(yīng)注意的是，珠滴間隔可如前面所描述的那樣得到控制。利用控制器11經(jīng)執(zhí)行軟件可作到壁間距的控制。從頭至尾的向量繪制是一種用于提高表面質(zhì)量的附加軟件控制。
然后，在使用X-Y向量繪圖技術(shù)的情況下，利用具有上面提到之珠滴控制的多個(gè)噴嘴每次一個(gè)水平層地制作模型。Z座標(biāo)的模型控制后面將在“層發(fā)展過程控制”中討論。
雖然已經(jīng)討論過利用從“共振”噴嘴60或從專用的大噴口噴嘴噴射MC來填隙，但還有其它的填充系統(tǒng)。例如可由快速凝固的發(fā)泡材料(如尿烷)或其它快凝材料和/或快速施加材料(如蠟、粉劑等)填充空隙。
一種補(bǔ)充的填隙方法是，在完成了許多層時(shí)，但最好在切削極小顆粒之前，在周圍環(huán)境溫度條件下加入球形珠滴，將空席填充到進(jìn)行切削的程度。這些顆粒可以是模型劑料(MC)，或者可以是任何其它適用的材料。
填隙之后，要通過從制作劑料噴嘴或者甚至是支撐材料噴嘴噴射珠洋，至少將這些顆粒在上表面粘接在一起；切削之后，就像前面那樣繼續(xù)模型的制作。
層發(fā)展過程控制就控制部件的幾何形狀而言，Z軸的控制是重要的。由于設(shè)備之間液滴體積的變化以及厚度的變化，目前控制Z軸唯一實(shí)用的方法是以選定的間隙銑削模型。在一個(gè)給定的層內(nèi)，諸如交線等幾何形狀的變化以及壁厚的變化均可產(chǎn)生層厚的改變。雖然這可能只是每層千分之幾毫米的量，但這很快會(huì)累加起來。在選定間隔后，平面銑削頂面能保證豎向的發(fā)展是在像X和Y軸那樣的精確的尺寸控制以下。
另外，以所選的間隔進(jìn)行平面銑削頂層有助于減小層內(nèi)的應(yīng)力。累加起來的液滴收縮是造成附加形變控制問題的主要原因，這個(gè)問題將在隨后討論。銑削這些層未能平衡這些應(yīng)力，使這些應(yīng)力與作業(yè)背道而馳地實(shí)際保持著，并引致這些層趨于沿其它方向變形。但由于有堅(jiān)固的基礎(chǔ)，使這些層就在這些應(yīng)力狀態(tài)下被制作著，而沒有問題。為保持精確的Z軸制作，在已經(jīng)敷設(shè)了一層或者多層(最好是五層)模型復(fù)合體之后，使用模型修整系統(tǒng)24。當(dāng)控制器11傳送一個(gè)切削指令給Y座標(biāo)導(dǎo)軌5與滑動(dòng)架12的組合時(shí)，經(jīng)兩個(gè)電磁鐵31移動(dòng)成與模型修整系統(tǒng)耦接并“拾取”該系統(tǒng)，同時(shí)在軟件所能選擇的切削速度和進(jìn)給量條件下將平面銑刀25橫送過模型；將模型修整系統(tǒng)24返回其原位，解除這種耦接，繼續(xù)制作模型。所述平面銑刀被敷以一種聚合物(Poly-ond)，以助模型免除切屑，而由接到出口28的比大氣壓低的壓力清除之。
變形的控制在制作高精度部件的過程中，變形是個(gè)要克服的最困難的問題。本系統(tǒng)的基本特點(diǎn)在于可有助于克服這個(gè)困難的變形控制問題。與其它材料相比，用于制作部件的基本材料本身具有較高的收縮率(18％到22％)。當(dāng)一種材料在一種形態(tài)與另一種形態(tài)如液、固等形態(tài)相比有不同比重時(shí)，在相變過程中將有顯見的收縮性。在我們的情況中，我們必須處理這個(gè)問題以及所有固體都有的熱脹系數(shù)問題。當(dāng)部件在熱的情況下被制成，而在冷的情況下使用時(shí)，總是有個(gè)變形的問題的。
為解決引起變形的收縮問題，我們利用我們過程的特殊優(yōu)點(diǎn)。如果人們要將熔融的材料澆注到型模中模制一個(gè)部件，就應(yīng)該利用前面所述的我們材料的條件。不過我們每次一個(gè)液滴(珠滴)地制成部件。這樣作時(shí)，當(dāng)液滴在途中和一旦打到所制的表面上時(shí)，大多數(shù)材料都要出現(xiàn)收縮。在下個(gè)液滴打到該表面上之前，有機(jī)會(huì)完全流入前面的開始收縮的液滴中去。
與層的銑削一起，控制部件的幾何形狀、材料的溫度、珠滴間隔、飛行的距離/時(shí)間、壁間距以及正在制作的表面溫度，就可將這種收縮控制到對引致部件變形有最小的影響的程度。為做到這一點(diǎn)，材料的溫度、飛行的距離/時(shí)間，以及所制作的表面的溫度變成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配置，而液滴間隔、壁間距以及層的銑削都是操作變量?？刂七@些變量，使最大限度地影響變形和尺寸的控制成為可能。
在所有這些因素之外，再就是每個(gè)珠滴的收縮問題，而且不管方法如何，主要任務(wù)就是控制珠滴的收縮。必須賦予珠滴有足夠的液體流動(dòng)性，以確保附著在先前的構(gòu)成上，卻不致于引起變形。
格子結(jié)構(gòu)及圖樣在制作時(shí)要完全消除所有的收縮和變形實(shí)際上是不可能的，但可將其控制在可容許的限度內(nèi)。當(dāng)變形仍是個(gè)問題時(shí)，所想象的填充圖樣就開始起重要的作用了。雙格構(gòu)造以二軸向方式加強(qiáng)著模型的斷面，有助于消除各向異性的收縮。填充圖樣的均勻性增強(qiáng)了對尺寸和收縮的控制。當(dāng)填充壁的間隔時(shí)，重要的在于以最少量的物料得到最大的增強(qiáng)，用以維持四周的制作。有些情況下，必須修改四周的條件，以便與填充圖樣的制作速率相配合。
一般說來，珠滴間隔是個(gè)可設(shè)的參數(shù)。在一種減小收縮的工藝中，將液滴放在一個(gè)特殊的第一珠滴位置。在本應(yīng)是第二珠滴被正常放置的地方有一個(gè)間隔。第二珠滴就被放在應(yīng)屬于第三珠滴的地方。對整個(gè)層循環(huán)重復(fù)這一圖樣。當(dāng)這一層被所需珠滴的一半完成時(shí)，發(fā)生單個(gè)珠滴間隔的移動(dòng)。然后循環(huán)重復(fù)這一層。因此，重復(fù)層的珠滴被放置在先前珠滴之間的間隔中。完成了這個(gè)移動(dòng)了的圖樣之后，就完成了這一層。可對整個(gè)部件，或者只對那些預(yù)計(jì)有變形及尺寸控制問題的地方重復(fù)上述過程。其優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)珠滴都有機(jī)會(huì)充分收縮而不影響這層其它珠滴。結(jié)果是大部分收縮已經(jīng)發(fā)生，同時(shí)目的物也有效地被預(yù)收縮的材料制成。這樣形成的最小應(yīng)力對各層幾乎不會(huì)產(chǎn)生或根本沒有影響。
網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)為了成功地制作某些中空模型，重要的在于內(nèi)部支撐圖樣或網(wǎng)格。這些圖樣使制作具有小于100％密度的模型成為可能。它們基本由厚度和間隔可變并且單向或雙向延伸的壁構(gòu)成。須將這種圖樣的取向精心地考慮成要確保最小的變形。
在某些模型中，當(dāng)采用單向圖樣時(shí)，其形狀可能造成變形問題。這種附加的變形成為沿一個(gè)方向的兩極分化的應(yīng)力結(jié)果。在這樣的情況下，改變支撐圖樣的取向可能通過重新分配應(yīng)力而減少變形的問題。在任何情況下，所選的單向圖樣在整個(gè)部件上是連續(xù)的。
雙向網(wǎng)格由相同層中的雙向壁構(gòu)成。這特別有助于較小的高寬比，這種高寬比需要沿各方向有相同的增強(qiáng)。在較大高寬比的情況下，可有理由從一個(gè)方向到另一個(gè)方向改變圖樣的間隔，以進(jìn)一步加強(qiáng)對變形的控制。
網(wǎng)格圖樣的主要理由基本是1.密度降低。這有幾點(diǎn)直接的好處。第一個(gè)明顯的好處在于較少的材料，因而較少的花費(fèi)。第二個(gè)好處是減少了制作模型所需的時(shí)間。由于少40％的材料，一個(gè)可類比的實(shí)心模型將花費(fèi)長得多的時(shí)間用于制作。2.使形得到控制。當(dāng)變形相對講是次要問題時(shí)，選擇填充圖樣會(huì)進(jìn)一步降低變形，使得只對百分之幾的用途才需考慮如熱處理和固定等輔助解決方法。3.在為鑄造而進(jìn)行的處理過程，減少陶制模槽上蠟型的應(yīng)變。4.模型冷卻得較快。
在確定模型所用網(wǎng)格圖樣類型的時(shí)候，有幾個(gè)要考慮的因素。1.模型所需材料的最少量是多少？有時(shí)模型也許必須是實(shí)心的。2.預(yù)料中的變形怎樣？3.所需外壁的光潔度怎樣？在那些選擇壁型使制作速度加快的情況中，這點(diǎn)是必須考慮的。這些情況需要使外壁的制作速度與網(wǎng)格壁的制作速度相配合。4.部件將被填充嗎？根據(jù)部件的重量，這將確定圖樣的間隔。部件越淺薄，圖樣的間隔就須越密。
圖9-13例舉了上面所述網(wǎng)格加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的布置。圖9中示出一個(gè)方形城堡式模型的水平中空截面，有多個(gè)單向內(nèi)加強(qiáng)壁120，它們與一對相對的外壁互連。圖10是一個(gè)與圖9相似的截面，有多個(gè)雙向加強(qiáng)壁121。圖11表示圖10的一個(gè)變型，其中雙向加強(qiáng)壁接在模型內(nèi)壁122的端面上；此模型在已制成外壁各層之后再制成每一層。按照這種布置，無需考慮外壁中的應(yīng)力，可以減少或消除其表面斷續(xù)或變形。圖12是一個(gè)正圓柱形城堡式模型的水平截面，具有同心的內(nèi)加強(qiáng)壁123，它們被加強(qiáng)肋124所間隔，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。圖13表示一種封閉如圖9和10所示方形城堡式模型頂部的方法；圖9和10中城堡的頂部125要被封閉。在這種布置中，當(dāng)模型層接近該封閉的頂部時(shí)，液滴被噴射，蓋滿城堡的整個(gè)范圍，結(jié)果，一些液滴形成珠滴，擴(kuò)展了加強(qiáng)壁的頂部，而一些珠滴落在加強(qiáng)壁之間，在城堡底部形成有如126所表示的珠滴。隨著各層逐漸朝著封閉的頂部被形成，壁的寬度隨附加的珠滴在其上形成而增加，直至加強(qiáng)壁間的空間像圖13所示那樣被封閉。之后即可完成整體的頂部。
外表面光潔度的控制噴頭按計(jì)算機(jī)控制的方式來回移動(dòng)，如早些時(shí)候所述那樣，通過反復(fù)施加不同截面或相同截面的模型利料(MC)層，直至得到所需的形狀，以制成三維的目的物。按照這種方法，以各種間距即滴距，一次一滴地構(gòu)成各壁。
隨著噴嘴散布模型劑料(MC)的小液滴，它們落在基質(zhì)上，形成多個(gè)三維珠滴，這些珠滴的凝固后的厚度略小于它們直徑的一半。根據(jù)這樣的間隔，這些珠滴可按照重疊的圖樣沉積。當(dāng)新的覆蓋小液滴打到在下面的凝固了的珠滴時(shí)，它們的沖量使它們沿印制方向稍許向前飛濺。最終的結(jié)構(gòu)就好像是沿著一條線將柔軟的盤互相疊放所得到的樣子。重疊的程度可以為75％以上每個(gè)盤重疊前面的盤并落在下方的層上。在有相當(dāng)數(shù)量的層落下以后，從側(cè)面觀察時(shí)，在壁中可看到一個(gè)串條狀或者一蛇形圖樣。在某些應(yīng)用中，這種串條狀圖樣可能是不需要的，而且可以通過加入緊密相鄰的內(nèi)壁或多個(gè)內(nèi)壁而使其明顯地減小或被完全消除。實(shí)際的這種壁數(shù)將由其它因素(如豎向制成比率)以及所需的光潔度來確定?？砂粗T如此類的需要設(shè)定壁厚(或壁間隔)。
這種串條狀圖樣主要出現(xiàn)在單間隔的壁中，這是指由單個(gè)液滴構(gòu)成的壁，當(dāng)小液滴飛濺時(shí)，能使小液滴沾濕內(nèi)壁的頂部。這樣，沿著制作的方向并向內(nèi)沾濕，同時(shí)減少適合于這種串條狀圖樣的模型料劑(MC)的量。最終結(jié)果是一個(gè)較為光滑的外壁。
內(nèi)部網(wǎng)格或填充圖樣對外壁的光潔度有明顯的影響，這是因?yàn)樗鼈兊亩瞬繉Ρ”诰哂袩嵝?yīng)。由于有多個(gè)厚的外壁，就減弱了這個(gè)與質(zhì)量有關(guān)的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)陌淹獗谥频幂^厚的時(shí)候，網(wǎng)格材料與壁材料的比率按有利于壁的方式轉(zhuǎn)換，以致減小了網(wǎng)格對壁的光潔度的影響。
壁與網(wǎng)格的交線由軟件的算法來確定，凡有相交時(shí)，網(wǎng)格線的端部被從壁的中心線回拉網(wǎng)格壁厚的50％。由于網(wǎng)格壁與外部的單個(gè)壁結(jié)構(gòu)相同，結(jié)果在每條交線處合并了50％的材料。當(dāng)制有多個(gè)厚的網(wǎng)格外壁時(shí)，就只有最內(nèi)壁有意義了。所以，比起多個(gè)厚外壁使網(wǎng)格對外部光潔度的影響來，網(wǎng)格狀將更多地影響單個(gè)厚外壁外部光潔度。
拐角結(jié)構(gòu)用來形成模型周圍的外部拐角和內(nèi)部拐角的工藝非常相似于前面當(dāng)討論網(wǎng)格壁與外壁相交時(shí)所說的材料合并。在用噴嘴回轉(zhuǎn)各拐角時(shí)，MC材料勢必會(huì)積累在拐角處。這種積累部分是由于物料流受到了干擾，以及新的相鄰的壁容許有流體表面張力，從而又增加了一些物料流受到干擾；同時(shí)，這種新的相鄰的壁容許有流體表面張力，從而又增加了一些兩個(gè)壁的物料流進(jìn)到拐角中。另外，當(dāng)噴嘴處在兩個(gè)壁的交會(huì)處并反MC噴射到每個(gè)壁的中心線上時(shí)，就有一些物料重疊在兩個(gè)壁之間，而較多的物料沉積在沿著壁的相交處。如不校正，則這種現(xiàn)象會(huì)以比沿直壁更高的速率漸漸沿豎向造成拐角。
通過離相鄰壁一個(gè)完整的壁厚終止第一個(gè)壁的端部，或者把兩個(gè)壁拉回25％，可使這種現(xiàn)象得到校正。在任何一種中，MC材料都流入該間隙中，減少了拐角處物料的量，消除了這種影響。同時(shí)拐角被形成，其半徑為單個(gè)壁厚的50％。
層的粘合當(dāng)使小液滴落到前一層的頂上時(shí)，有一種軟熔現(xiàn)象，其作用是使舊層與新層連接。這種軟熔只以層厚很小的百分?jǐn)?shù)伸入到前面的層中，但卻只以完成幾件主要的事情。
第一，它增強(qiáng)了新層與舊層的結(jié)合。當(dāng)完成模型時(shí)，層內(nèi)的粘接確保一個(gè)整體的部件。
第二，它減輕了前面的層內(nèi)由于收縮引致1的一些應(yīng)力。所說的前面的層是通過一些制作工藝作為新層而得到的。當(dāng)一層固化時(shí)，由于前面的層已經(jīng)相對地冷了，所以是從底部往上進(jìn)行的。由于該層的頂部不受約束，而底部受約束，就存在不均勻的收縮；這不同于層內(nèi)應(yīng)力引起的收縮。當(dāng)把新層加上時(shí)，軟熔區(qū)勢必要緩和很多的應(yīng)力。通過將它的大部分熱量排放到前面的層中，就達(dá)到退火處理的程度了。這種微小退火處理過程一層繼一層地循環(huán)。
第三，外部光潔度得到改善。粘合劑的局部熔融/軟熔區(qū)也助長了各層在它們結(jié)合處的融合。依靠在前面層與現(xiàn)在層的小液滴半徑吞蝕處以焊縫方式減少結(jié)合的深度改善了光潔度。
按照測試，直到四層，通過前面層的粘合區(qū)的回漢似乎是顯著地改善了表面光潔度。
退火在所有這些步驟已被執(zhí)行之后，如果還有應(yīng)力和變形需要被除去，一個(gè)可選的方案是退火處理。一般說來，退火處理是最后一種手段了。只要部件仍牢靠地安裝在安裝板上，一般就不需進(jìn)行退火處理。
權(quán)利要求
1.一種三維模型制造裝置，通過繪制模制劑料的向量，每次一層地、順次一層疊一層地制作三維模型，其特征在于a)支撐機(jī)構(gòu)限定一個(gè)表面，用以在制作過程中支撐三維模型；b)液滴按需噴射裝置，用于按要求一次一滴地噴射產(chǎn)生珠滴的熔融模制劑料液滴，以繪制確定各層的向量；c)安裝噴嘴的安裝機(jī)構(gòu)1)用以沿XYZ軸座標(biāo)系的至少兩個(gè)軸相對于所述表面同時(shí)移動(dòng)，以使噴嘴沿任意所需的向量方向移動(dòng)，同時(shí)，所述噴嘴在所述表面上繪制所述模型劑料的向量2)在需要的時(shí)候，用以沿座標(biāo)系的全部三個(gè)X、Y、Z軸相對于該平面移動(dòng)噴嘴；d)控制機(jī)構(gòu)，用于控制沿X、Y、Z座標(biāo)軸的移動(dòng)和由噴嘴進(jìn)行的產(chǎn)生珠滴的液滴噴射，以便沿任意和所需的一切方向產(chǎn)生由珠滴形成的模制劑料的向量從而通過向量繪圖產(chǎn)生模型。
2.一種如權(quán)利要求1所述的三維模型制造裝置，其特征在于a)所述表面是平的并垂直于Z座標(biāo)延伸；b)所述安裝機(jī)構(gòu)是與噴嘴同時(shí)相對于所述表面沿X和Y座標(biāo)移動(dòng)的，以沿任意所需方向確定向量，形成一層；c)所述控制機(jī)構(gòu)控制安裝機(jī)構(gòu)，用以在一層形成以后并先于下一個(gè)相繼的層形成而使所述噴嘴沿Z座標(biāo)相對于所述表面移動(dòng)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的三維模型制造裝置，其特征在于響應(yīng)于向量繪制速度和方向的裝置被提供用來控制所述噴嘴，以便給出恒定的珠滴間隔，為的是提供與其速度、角度或曲率無關(guān)的、所需質(zhì)量恒定的繪圖向量。
4.一種如權(quán)利要求3所述的三維模型制造裝置，其特征在于所述響應(yīng)裝置在噴嘴加速過程中響應(yīng)于向量繪制的速度和方向，并且根據(jù)噴嘴速度基本為常量時(shí)的時(shí)間提供控制。
5.一種如權(quán)利要求3所述的三維模型制造裝置，其特征在于所述向量繪制的速度和方向由X和Y座標(biāo)的編碼器檢測，所述響應(yīng)裝置接收并響應(yīng)它們的輸出，繪圖的方向通過計(jì)算編碼器輸出瞬時(shí)比值的反正切及平方和之一而連續(xù)地確定。
6.一種如權(quán)利要求5所述的三維模型制造裝置，其特征在于響應(yīng)于在角度上靠近所述計(jì)算方向的X和Y座標(biāo)編碼器，根據(jù)該角度，控制所述響應(yīng)裝置來實(shí)現(xiàn)所述的恒定液滴間隔。
7.一種如權(quán)利要求1或2所述的三維模型制造裝置，其特征在于在需要時(shí)利用可移動(dòng)的模型修整系統(tǒng)將模型修整至所需要的高度。
8.一種如權(quán)利要求7所述的三維模型制造裝置，其特征在于所述模型修整系統(tǒng)由所述安裝機(jī)構(gòu)安裝，以移動(dòng)修整，而且它還由所述控制機(jī)構(gòu)控制。
9.一種如權(quán)利要求1所述的維模型制造裝置，其特征在于所述控制機(jī)構(gòu)控制所述安裝機(jī)構(gòu)，以至少沿著所制模型的層的所有外表面及任何內(nèi)表面輪廓的向量移動(dòng)方式，使噴嘴總是相對于所述表面移動(dòng)。
10.一種如權(quán)利要求9所述的三維模型制造裝置，其特征在于所述控制機(jī)構(gòu)控制所述安裝機(jī)構(gòu)，以便相對所述表面移動(dòng)所述噴嘴，分別地產(chǎn)生一個(gè)以上的壁元件，用以在每層限定模型的壁，從而提高露出表面的光潔度。
11.一種如權(quán)利要求1所述的三維模型制造裝置，其特征在于為將收縮和變形減至最小程度，控制裝置使限定模型層各向量的珠滴按兩條路徑形成a)在噴嘴相對表面的第一路徑時(shí)，形成所需向量的各交錯(cuò)珠滴；b)在噴嘴相對表面的第二路徑時(shí)，形成所缺的中間珠滴。
12.一種如權(quán)利要求1所述的三維模型制造裝置，其特征在于有至少兩個(gè)噴嘴，在制作模型的過程中，第一噴嘴用于噴射制作模型結(jié)構(gòu)的模制物料(MC)，第二噴嘴用于噴射支撐物料(SC)，后者沉積可除去的材料，以支撐模型的交叉支架和其它懸空部件。
13.一種如權(quán)利要求1所述的三維模型制造裝置，其特征在于所述控制機(jī)構(gòu)使網(wǎng)格加強(qiáng)肋一層疊一層地沉積到中空模型的加強(qiáng)壁上。
14.一種如權(quán)利要求13所述的三維模型制造裝置，其特征在于靠近封閉頂部的模型部件，所述控制機(jī)構(gòu)使用于構(gòu)成連接板的模制物料沉積到整個(gè)封閉頂部的部件上，從而一層接一層地增加所述連接板的厚度，直至它們滿足為封閉頂部的部件的沉積提供一個(gè)基礎(chǔ)。
15.一種制作三維模型的方法，它包括以下步驟a)提供一個(gè)表面，用以在制作過程中支撐三維模型；b)按照要求，從液滴按需噴嘴一次一滴地將產(chǎn)生珠滴的模制劑料液滴噴射到支撐表面上，同時(shí)，在控制機(jī)構(gòu)的控制下，沿XYZ座標(biāo)系的X和Y座標(biāo)，平行于支撐表面彼此相對地移動(dòng)噴射裝置及支撐表面，以使通過向量繪圖產(chǎn)生模型的層；c)在控制機(jī)構(gòu)的控制下，沿Z座標(biāo)方向，垂直于支撐表面、彼此相對地移動(dòng)噴射裝置及支撐表面；d)按照需要重復(fù)循環(huán)步驟b)和c)以產(chǎn)生需要的附加層，直至完成模型。
全文摘要
本發(fā)明的三維模型制造裝置(1)是一種用向量繪制法逐層施加可固化物質(zhì)而制成計(jì)算機(jī)(如CAD)生成結(jié)構(gòu)的三維模型的裝置。這些層是通過將很小的液相物質(zhì)珠滴從一個(gè)或多個(gè)噴嘴(60)噴到臺(tái)架(10)上制成的，噴嘴及臺(tái)架可沿XYZ坐標(biāo)系相對移動(dòng)。在X/Y相對移動(dòng)過程中，珠滴沿著向量一次一個(gè)地沉積到臺(tái)架(10)上，一層疊一層地形成模型。噴嘴(60)和臺(tái)架(10)按照計(jì)算機(jī)(控制器)(11)的指令彼此相對移動(dòng)，在X-Y平面內(nèi)(以與X-Y矢量繪圖儀相似的方式)形成各層，同時(shí)，臺(tái)架(10)或噴嘴(60)可沿Z方向移動(dòng)，以使借助噴嘴形成其后的各層。
文檔編號(hào)B41J3/407GK1132490SQ94193647
公開日1996年10月2日 申請日期1994年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月26日
發(fā)明者小羅伊登·C·桑德斯, 約翰·L·福賽思, 坎普頓·F·費(fèi)爾布魯克 申請人:桑德斯原型有限公司