利用增材制造以制造三維物體的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用增材制造以制造三維物體的方法，其中三維物體包括三維構(gòu)件，且本發(fā)明還涉及一種用于通過疊層制造以制造三維物體的相應(yīng)系統(tǒng)以及一種用于這種系統(tǒng)的分配頭。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造(additivemanufacturing)或疊層制造(additive layermanufacturing)被越來越多地用于快速制造原型甚或最終構(gòu)件且隨之也被分別稱為快速原型和快速制造。與涉及通過，例如，切割、鉆孔或其他機加工工藝從材料塊去除材料的常規(guī)制造方法相比，增材制造直接根據(jù)物體的數(shù)字化表現(xiàn)形式一層層地構(gòu)建所需的三維物體。其也被稱為3D打印。
[0003]一種類型的增材制造包括從分配頭的噴嘴分配或擠出待用于制造產(chǎn)品的材料以在支撐板上提供薄材料，并隨后固化或硬化所分配的材料。材料可按，例如小珠的形式進行分配或擠出，且可通過對溫度和材料和合適的選擇自動地實現(xiàn)所分配材料的硬化。材料僅被施加至支撐板的對應(yīng)于所制造的產(chǎn)品的那些部分上。隨后，以相同的方式在對應(yīng)于所制造的產(chǎn)品的那些部分中的初始層的頂部提供進一步的薄層材料。重復(fù)該工藝直到獲得完整的物體?？梢允菬崴苄曰蚪饘俨牧系牟牧峡砂纯蓮木€圈進行放卷的線材的形式被提供至分配頭。相應(yīng)的3D打印機也被稱為使用供線技術(shù)的3D打印機。分配頭通常適于在其熔化溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上加熱在分配頭內(nèi)的材料，且安裝分配頭以使其可在合適的控制單元的控制下選擇性地在水平和垂直方向上進行線性移動，從而形成各層。
[0004]這種類型的特別的增材制造方法也被稱為熔融沉積造型(FDM)。
[0005]如上所述，該物體是按三維方式直接一層層地建立起來的。這使得通過使用一個且相同的裝置從各種材料，特別是塑料材料和金屬材料有效且快速地制造出不同的高度復(fù)雜的物體成為可能。例如，難于通過使用其他技術(shù)生產(chǎn)的高度復(fù)雜的格柵或蜂窩狀結(jié)構(gòu)能夠很容易地制造出來。相比于傳統(tǒng)方法，物體的復(fù)雜性對制造成本僅具有較小的影響。
[0006]由于這些優(yōu)勢，上述類型的增材制造方法在各種技術(shù)領(lǐng)域，如飛機和汽車工程中找到了越來越多的應(yīng)用。除此之外，如安裝支架之類的構(gòu)件通過增材制造而制造出來的，它必須稍后被固定至如纜線或?qū)Ч苤惖钠渌麡?gòu)件。其已被證明通常很難或無法通過增材制造而直接在其他構(gòu)件上制造來使其彼此固定。因此，當制造，例如安裝支架時，需要單獨的工藝步驟將安裝支架固定至它所要安裝的構(gòu)件上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種利用或使用增材制造以制造三維物體的簡易、快速且具有成本效益的方法，其中三維物體包括三維構(gòu)件或部分，其是通過增材制造而在屬于三維物體的單獨組件或部分上直接形成的，從而使兩個構(gòu)件彼此相附接。本發(fā)明的進一步的目的是提供一種分配頭和一種用于進行這種方法的系統(tǒng)。
[0008]該目的是通過具有權(quán)利要求1所述特性的方法、具有權(quán)利要求9所述特性的分配頭以及具有權(quán)利要求11所述特性的系統(tǒng)而實現(xiàn)的。該方法、分配頭和系統(tǒng)的有利的實施例是各從屬權(quán)利要求的主題。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，一種利用或使用增材制造以制造三維物體的方法包括-根據(jù)上述的現(xiàn)有技術(shù)的方法-在基材上依次提供從分配頭的噴嘴擠出的多層材料，一層位于另一層的頂部上，其中每一層均是按對應(yīng)于所制造的三維物體的圖案所形成的。材料是可固化的或能夠進行硬化，且每一層均是在被施加至基材或前一層上后進行固化或硬化的。因此，該方法通常包括提供基材并隨后按所述方式在基材上依次形成多層。出于這些目的，可利用上面所提及的使用供線技術(shù)的3D打印系統(tǒng)。要注意的是，噴嘴可優(yōu)選地具有在兩個垂直方向上具有不同尺寸或為細長的噴嘴開口，從而使剛從噴嘴擠出的材料部分具有相應(yīng)的截面形狀。例如，噴嘴開口和剛從噴嘴擠出的材料部分可以是帶有或不帶有圓角的矩形。利用這種噴嘴配置，可有利地以一次噴嘴移動覆蓋基材或前一層的較大面積。
[0010]重要的是，三維物體是通過基材和三維構(gòu)件的組合而構(gòu)成的，且在開始提供多層以形成三維構(gòu)件前基材被提供作為成品構(gòu)件。換句話說，基材是鑲嵌部分且不是利用該增材制造步驟而制造出來的或是在單獨的增材制造工藝中完全單獨地制造出來的。因此，三維物體不是或不必整體地通過增材制造而制造出來，而是僅其一部分，即其三維構(gòu)件實際上是通過增材制造而形成的。換句話說，該方法也可被稱為用于制造三維構(gòu)件和由基材提供的單獨構(gòu)件或鑲嵌部分之組合的方法，其中三維構(gòu)件被附接至基材且是通過增材制造或3D打印而制造的。
[0011 ] 基材具有非平面表面部分。非平面表面部分可以，例如，整體上為彎曲的或還可包括關(guān)于彼此以一個角度進行取向的且通過彎曲的部分或銳邊進行互連的兩個或多個平面子部分。三維構(gòu)件是直接-通過增材制造步驟-而至少部分地在非平面表面部分上形成的，且其方式為使其被固定地安裝至基材。為了實現(xiàn)將三維構(gòu)件固定地安裝至基材，三維構(gòu)件可特別地進行制造，從而使三維構(gòu)件以環(huán)形閉合的方式或以充分圍繞基材的方式圍繞基材以將三維構(gòu)件固定至基材。三維構(gòu)件可完全地在非平面表面部分上形成或可部分地在非平面表面部分上且部分地在基材的其他表面部分上，特別是一個或多個平面表面部分上形成。
[0012]在形成該層中的至少一層的期間，即在將至少一層施加至基材或前一層的期間，和/或在形成該層中的至少兩個相鄰層的之間，實現(xiàn)在基材和分配頭之間的相對移動，從而在基材坐標系中使分配頭在非平面表面部分上方沿非線性路徑移動。特別地，非線性路徑可對應(yīng)于非平面表面部分的相應(yīng)形狀。在任何情況下，類似于非平面表面部分，非線性路徑可以整體上為彎曲的或還可包括關(guān)于彼此以一個角度進行取向的且通過彎曲的部分或銳角進行互連的兩個或多個直線部分。例如，非線性路徑可以是彎曲的路徑，如圓形或橢圓形的路徑或具有扇形的路徑。
[0013]因此，在基材坐標系中，分配頭至少部分地圍繞包括非平面表面部分的基材移動。因此，在形成該層中的至少一層且在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間和/或在形成該層中的至少兩個相鄰層的之間且在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間，噴嘴的分配方向的取向，即通過噴嘴所限定的中心方向或通過噴嘴射出的材料的施加方向在基材坐標系中發(fā)生變化。這具有從基材的不同側(cè)且從基材坐標系中的不同方向?qū)⒉牧鲜┘又粱?，特別是其非平面表面部分的效果。
[0014]該方法提供了利用增材制造-S卩，3D打印-在不進行將兩個構(gòu)件彼此固定的單獨步驟的情況下直接在單獨的構(gòu)件上形成三維構(gòu)件的優(yōu)勢。因此，實現(xiàn)了較高的自動化程度和系統(tǒng)集成度，這顯著地降低了成本并節(jié)省了時間。該方法在應(yīng)用于飛機或汽車應(yīng)用中可以是有利的。
[0015]在優(yōu)選的實施例中，在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間，分配頭相對于機器坐標系移動。機器坐標系為實施該方法的機器的坐標系且與當機器以固定的方式位于地面上時的地球坐標系相同。
[0016]在該實施例中或在替代實施例中，在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間，基材相對于機器坐標系繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。機器坐標系優(yōu)選為與之前提及的系統(tǒng)相同。對于圓柱形或包括圓柱形部分的基材而言，其表面部分構(gòu)成非平面表面部分，且旋轉(zhuǎn)軸線優(yōu)選為圓柱形部分的縱軸線。這種基材的實例為纜線或圓柱形導(dǎo)管。
[0017]在一個優(yōu)選的實施例中，在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間，分配頭繞旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)以使噴嘴的分配方向適應(yīng)于非平面表面部分。在該實施例中，分配頭優(yōu)選為被安裝至分配頭安裝結(jié)構(gòu)的分配頭安裝構(gòu)件，且分配頭安裝構(gòu)件為固定的(如果在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間僅基材相對于機器坐標系發(fā)生移動的情況下)或為可移動的(在基材和分配頭之間發(fā)生相對移動的期間分配頭相對于機器坐標系發(fā)生移動的其他情況下)，其中分配頭可旋轉(zhuǎn)或可樞轉(zhuǎn)地被安裝至分配頭安裝構(gòu)件，