纖維增強(qiáng)增材制造的方法
【專利說明】纖維増強(qiáng)増材制造的方法
[0001 ]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請根據(jù)美國法典35U.S.C.§119(e)主張享有于2013年9月19日提交的序列號為61/880129、2013年9月24日提交的序列號為61/881946、2013年9月27日提交的序列號為61/883440、2013年11月10日提交的序列號為61/902256和2013年11月22日提交的序列號為61/907431的美國臨時申請的權(quán)益;并且根據(jù)美國法典35U.S.C.§119(e)主張享有于2014年3月21日提交的序列號為14/222318的美國專利申請、2014年6月5日提交的序列號為14/297437的美國專利申請和2014年7月17日提交的序列號為14/333881的美國專利申請各者的權(quán)益，并且作為它們各自的部分繼續(xù)申請案;上述這些申請的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。將序列號為 61/804235、61/815531、61/831600、61/847113 和61/878029 的美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明各方面涉及三維打印。
【背景技術(shù)】
[0004]“三維打印”領(lǐng)域包括例如光固化立體成型(SLA)和熔絲制造(FFF)等各種方法。SLA生產(chǎn)通常不耐用或不耐紫外線的高精細(xì)度零件且用于概念驗證工作;而FFF通過噴嘴擠出ABS或類似聚合物的連續(xù)絲珠。
[0005]在“復(fù)合鋪疊(CompositeLay-up)”領(lǐng)域中，將浸漬有樹脂粘結(jié)劑的織物的預(yù)浸漬(“預(yù)浸”)復(fù)合片材分層至模具中、加熱并固化。在“復(fù)合絲纏繞(Composite filamentWinding)”中，繞著特制的芯棒纏繞含有數(shù)千個單碳束的粘性“絲束(tow)”，以形成旋轉(zhuǎn)對稱零件。
[0006]還沒有用于在增材制造(additive manufacturing)期間對纖維定向從而各向異性地改善成品零件的特性的商業(yè)性或?qū)嶒炐约夹g(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一實施例和/或方面，一種三維打印機(jī)的三維工具路徑指令的生成方法，所述方法包括:接收三維幾何結(jié)構(gòu)，且將所述三維幾何結(jié)構(gòu)切分為多層。用于控制三維打印機(jī)沉積材料的各向同性填充材料(例如，聚合物)輪廓工具路徑限定第一層的周界的至少一部分。用于控制三維打印機(jī)沉積基本上各向異性的填充材料(例如，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物)的各向異性填充工具路徑限定所述第一層的內(nèi)部的至少一部分。相對于所述各向異性填充工具路徑的軌跡對基本上各向異性的所述填充材料的各向異性特征進(jìn)行導(dǎo)向。
[0008]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，一種方法生成三維打印機(jī)的工具路徑指令，該指令用于對第一層的內(nèi)部的至少一部分進(jìn)行限定的第一各向異性填充材料工具路徑、對第二層的內(nèi)部的至少一部分進(jìn)行限定的第二各向異性填充材料工具路徑以及對介于所述第一層與所述第二層之間的第三層的內(nèi)部的至少一部分和周界的至少一部分進(jìn)行限定的各向同性填充材料工具路徑。
[0009]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，用于控制三維打印機(jī)沉積基本上各向異性的填充材料的各向異性填充工具路徑之一被沉積在相鄰于所述第一層的內(nèi)部內(nèi)的負(fù)子輪廓且增強(qiáng)所述負(fù)子輪廓的位置處。
[0010]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，所述各向異性填充工具路徑之一是根據(jù)另一各向異性填充工具路徑而被計算出的，并且位于相鄰于所述第一層的各向異性工具路徑并增強(qiáng)所述第一層的各向異性工具路徑的位置處。可選地，該計算出的第二各向異性填充工具路徑位于所述第一層內(nèi)。可替代地或額外地，該計算出的第二各向異性填充工具路徑位于與所述第一層相鄰的第二層內(nèi)。
[0011]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，所述各向異性工具路徑之一限定第一層的內(nèi)部的至少一部分且包括第一起點，且另一各向異性工具路徑限定第二層的內(nèi)部的至少一部分且包括從所述第一起點偏移的第二起點。
[0012]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，所述各向異性工具路徑之一限定第一層的內(nèi)部的至少一部分且包括與第一各向異性工具路徑的相鄰部分交叉的第一交叉部，且其中，另一各向異性工具路徑限定第二層的內(nèi)部的至少一部分且包括與第二各向異性工具路徑的相鄰部分交叉的第二交叉部，所述第二交叉部偏離于所述第一交叉部。
[0013]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，產(chǎn)生用于控制三維打印機(jī)沉積基本上各向異性的填充材料的兩個各向異性填充工具路徑，其中的一個基于另一個但是處于遠(yuǎn)端的層中，且形心被建立在這兩個各向異性填充工具路徑之間。用于控制三維打印機(jī)沉積基本上各向同性的填充材料的各向同性填充材料工具路徑限定第三層的內(nèi)部的至少一部分和周界的至少一部分并且可選地接近所述形心，并且介于所述第一層與所述第二層之間。
[0014]可替代地或額外地，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例和/或方面，各向異性填充工具路徑之一跟隨不規(guī)則軌跡，該軌跡含有偏離于復(fù)合子輪廓邊界的偏移?？商娲鼗蝾~外地，產(chǎn)生所述各向異性填充工具路徑的相鄰各所述偏差之間的交叉部，且所述交叉部布置在所述各向異性填充工具路徑的彎曲部。
【附圖說明】
[0015]圖1A至IC是使用連續(xù)芯增強(qiáng)絲以及擠出的樹脂絲的三維打印系統(tǒng)的示意性圖示，其中，圖1A是連續(xù)芯增強(qiáng)絲-擠出打印機(jī)的示意圖，圖1B是復(fù)合擠出纖維打印頭組件的橫截面圖和示意圖，圖1C是纖維打印頭組件的特寫放大橫截面；
[0016]圖2A至2C是使用連續(xù)芯增強(qiáng)絲以及光固化立體成型或選擇性激光燒結(jié)的三維打印系統(tǒng)的示意性圖示，其中，圖1A和IB是連續(xù)芯增強(qiáng)絲-SLA/SLS打印機(jī)的示意圖且圖1C是定位工序的不意圖；
[0017]圖3是能夠使用圖1C的復(fù)合擠出纖維打印頭組件打印的三維打印機(jī)的框圖和示意性圖示；
[0018]圖4是說明了圖3的3D打印機(jī)的整體操作的流程圖。
[0019]圖5是三維打印機(jī)系統(tǒng)的框圖和示意性圖示，該系統(tǒng)包括CAD站、切片機(jī)和路徑生成器、區(qū)域和路徑設(shè)計器以及三維打印機(jī)；
[0020]圖6是說明了三維打印機(jī)系統(tǒng)的元件之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交換的調(diào)用圖；
[0021]圖7是說明了圖4的切片機(jī)和路徑生成器的整體操作的流程圖；
[0022]圖8是說明了圖7的子輪廓或區(qū)域生成器的整體操作的流程圖；
[0023]圖9是說明了圖8的全局規(guī)則的處理的流程圖；
[0024]圖1OA示出了對于全局操作用于圖9的規(guī)則處理的示例性屏幕上零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)；
[0025]圖1OB示出了對于層操作的用于圖9的規(guī)則處理的示例性屏幕上零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)；
[0026]圖1lA至IlC示出了用于夾層板規(guī)則示例的由圖1OA的零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)實施的模型、渲染、工具路徑表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0027]圖12是說明了圖8的路徑規(guī)則的處理的流程圖；
[0028]圖13示出了用于圖12的規(guī)則處理的示例性屏幕上零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)；
[0029]圖14A至14D示出了用于交叉運動示例的由圖13的零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)實施的模型、渲染、工具路徑表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0030]圖15是說明了圖8的區(qū)域規(guī)則的處理的流程圖；
[0031]圖16示出了用于圖15的規(guī)則處理的示例性屏幕上零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)。
[0032]圖17A至17C示出了用于區(qū)域擠出示例的由圖16的零件渲染和邏輯結(jié)構(gòu)實施的模型、渲染、工具路徑表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0033]圖18示出了在對比方向上的示例性復(fù)合鋪疊；
[0034]圖19A至19C示出了在對比方向上的示例性六軸外殼堆疊；
[0035]圖19D至19G示出了用來增大有效慣性矩的根據(jù)本實施例的復(fù)合鋪疊的示例性權(quán)重分布；
[0036]圖20示出了用于本實施例的規(guī)則和參數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu);且
[0037]圖21示出了針對圖8的工序的用于對優(yōu)先化的或有序的規(guī)則和參數(shù)的操作之后的最終狀態(tài)進(jìn)行記錄的示例性文件格式。
【具體實施方式】
[0038]在本發(fā)明中，“3D打印機(jī)”包括分立式打印機(jī)和/或?qū)嵤┹^大工序內(nèi)的增材制造子工序的用于制造機(jī)械的工具頭配件。參照圖1至圖5，3D打印機(jī)由運動控制器20控制，運動控制器20解譯專用G代碼702且根據(jù)G代碼702驅(qū)動3D打印機(jī)的各種執(zhí)行器。
[0039]如本文中所用，“擠出(extrus1n)”應(yīng)該具有它的常規(guī)含義，例如，這樣的工序:通過模具擠壓庫存材料以使之呈現(xiàn)出比庫存材料更小的橫截面面積的特定形狀。熔絲制造(FFF)是擠出處理。同樣，“擠出噴嘴(extrus1n nozzle)”應(yīng)該具有它的常規(guī)含義，例如，這樣的器件:該器件被設(shè)計為當(dāng)液態(tài)流離開(或進(jìn)入)密閉腔室時控制擠出液態(tài)流的方向或特征，特別是用來增大速度和/或限制橫截面面積。本發(fā)明還會使用新創(chuàng)詞“管道噴嘴(conduit nozzle)”或“噴嘴管(nozzlet)”來描述終端打印頭，其中，不同于FFF噴嘴，不存在創(chuàng)建于打印材料中的額外速度或顯著背壓，并且含有基體(matrix)和嵌入纖維的打印材料的橫截面面積在整個處理中基本維持相同(甚至如以粘結(jié)隊列(bonded rank)的方式沉積至零件的那樣)。如本文中所用，“沉積頭(deposit1n head)”應(yīng)該包括擠出噴嘴、管道噴嘴和/或混合噴嘴。
[0040]最后，在三維打印領(lǐng)域中，“絲(filament)”通常指的是卷繞的建造材料的整個橫截面面積，而在復(fù)合材料領(lǐng)域中，“絲”指的是例如碳纖維的單個纖維(其中，例如，“I千絲束”將具有1000個單束)。為了本發(fā)明的目的，“絲”應(yīng)該保留三維打印領(lǐng)域的含義，且“束(strand)”意味著一起形成整個復(fù)合“絲”的例如嵌入基體中的單個纖維。
[0041]圖1A至IC說明了三維打印機(jī)的實施例，各自具有至少兩種打印方式-一種應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合絲，而另一種應(yīng)用純粹的或凈基體樹脂(熱塑或固化)。纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2(在本文中也被稱為連續(xù)芯增強(qiáng)絲)可以是基本密實無孔的，并且可以包括覆蓋或浸漬內(nèi)部連續(xù)單芯或多芯的聚合物或樹脂。
[0042]通過管道噴嘴10供給纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2，管道噴嘴10被(例如，帶式加熱器或盤式加熱器)加熱至為基體材料選擇的受控溫度以維持預(yù)定的粘度、粘結(jié)隊列的粘附力和/或表面光潔度。在一些實施例中，通過管道噴嘴10拖曳或牽拉絲2。
[0043]在管道噴嘴10中被加熱且使基體材料或聚合物4基本熔化后，連續(xù)芯增強(qiáng)絲2被涂覆至建造壓盤16來建造連續(xù)層14以形成三維結(jié)構(gòu)。控制器20控制(i)建造壓盤16的位置和取向或(ii)管道噴嘴10的位置和取向中的一者或兩者以使連續(xù)芯增強(qiáng)絲2沉積在期望的地點和方向。位置和取向控制機(jī)構(gòu)包括吊架系統(tǒng)、機(jī)器臂和/或H框架，這些中的任一者配備有受控制器20控制的位置和/或位移傳感器，以對管道噴嘴10相對于建造壓盤16和/或正被構(gòu)建的零件的各層14的相對位置或速度進(jìn)行監(jiān)控?？刂破?0可以使用感測到的X、Y和/或Z位置和/或位移或速度矢量來控制管道噴嘴10或壓盤16的后續(xù)運動。例如，三維打印機(jī)1000可以包括三個平移和/或三個旋轉(zhuǎn)軸中任一者上的位移、速度或加速度換能器，所述換能器檢測管道噴嘴10相對于建造壓盤16的位置或運動。(例如，激光)測距傳感器可以掃描管道噴嘴10前方的部位以便校正管道噴嘴10的Z高度或需要的填充體積以匹配期望的沉積外形。
[0044]三維打印機(jī)1000可以包括受到控制器20控制的刀具8，該刀具8在沉積工序期間切割連續(xù)芯增強(qiáng)絲(例如，沒有尾狀物形成)，從而(i)將單獨的各特征件和組件形成在結(jié)構(gòu)上以及(i i)控制多個截面和層中的沉積材料和/或粘結(jié)隊列的方向性或各向異性。圖1A也說明了至少一個第二打印頭18，三維打印機(jī)1000選擇性地使用第二打印頭18來將例如包括100%樹脂F(xiàn)FF擠出、抗紫外線或抗劃傷涂層在內(nèi)的保護(hù)涂層打印在零件上。這里可以發(fā)現(xiàn)配對或復(fù)合FFF打印頭1800的說明，且該說明通常適用于保護(hù)涂層。
[0045]如圖1A至IC所示，在從動輥42和導(dǎo)輥40的上游，卷繞軸(未示出)在微拉力下供給未熔化的密實無孔的纖維增強(qiáng)復(fù)合絲。所述絲包括在絲的基體材料內(nèi)延伸的至少一個軸向纖維束，且所述絲的基體材料內(nèi)基本不具有空氣間隙。在本示例中，纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2包括浸漬有成百上千個連續(xù)碳纖維束6A的尼龍基體4A。
[0046]沿著防止絲發(fā)生屈曲的間隙配合區(qū)域，從動輥42和導(dǎo)輥40以一定的進(jìn)給速率(選擇性地受到控制器20的可變控制，選擇性地小于打印速率且選擇性地由單向軸承吸收進(jìn)給速率與打印速率之差)來進(jìn)給或推進(jìn)未熔化絲。
[0047]首先，在穿線階段，以軸向壓縮將絲2的熔化的基體材料6A和軸向纖維束4A壓入零件，且隨著建造壓盤和打印頭相對于彼此平移，絲的端部接觸熨燙唇726，隨后在橫向壓力區(qū)域3040內(nèi)被不斷熨燙以在零件14中形成粘結(jié)隊列。
[0048]打印頭或管道噴嘴708或建造壓盤16中的任一者或兩者可以被平移，例如，控制進(jìn)給速率和/或打印速率以在穿線階段維持絲的壓縮且在打印操作中維持中性至正向拉力。絲2的基體材料4A可以在非接觸區(qū)域內(nèi)被加熱和熔化(特別地，以使較少機(jī)會粘附至管道噴嘴708的壁)，但是在本實施例中通常在熨燙唇或尖端726處被熔化或液化。主要通過沿著絲延伸的纖維束內(nèi)的軸向壓縮力或拉伸力，可以監(jiān)控或控制進(jìn)給速率和打印速率以維持未支撐區(qū)域內(nèi)的壓縮、中性拉伸或正向拉伸。
[0049]如圖1B和IC所示，橫向壓力區(qū)域3040包括對絲2進(jìn)行重新塑形的熨燙唇726。熨燙唇726將絲2壓緊或按壓進(jìn)零件且也可以接收從受熱壁714傳導(dǎo)來的熱量，以熔化或液化橫向壓力區(qū)域3040內(nèi)的基體材料4A?？蛇x地，隨著絲2沉積于粘結(jié)隊列，橫向壓力區(qū)3040內(nèi)的熨燙唇726將熨燙力施加于熔化的基體材料和軸向纖維束，以此使位于上側(cè)的熔化絲2平坦化。通過確保熨燙唇726的底部至下方層的頂部的高度小于絲的直徑，可以促進(jìn)上述平坦化。隨著熔化的基體材料4A和軸向纖維束6A被熨燙以橫向和縱向地形成粘結(jié)隊列時，從零件本身施加作為法向反作用力的另一個重新塑形力，該重新塑形力使至少兩側(cè)的粘結(jié)隊列平坦化(即，熨燙也迫使粘結(jié)隊列進(jìn)入相鄰的隊列)。通過熨燙施加的壓力和熱量改善了進(jìn)入鄰近的隊列的擴(kuò)散和纖維滲透。
[0050]未熔化的纖維增強(qiáng)絲在間隙配合區(qū)域或其鄰近處被切割，但是可以在導(dǎo)管72(具有間隙配合)與管道噴嘴708之間的間隔62中被切割；在管道噴嘴708內(nèi)(例如，非接觸區(qū)3030的上游)被切割;或可替代地或額外地，芯增強(qiáng)絲可以被位于間隙配合區(qū)域3010、3020或熨燙