CN103688066B - 螺旋紧固件和制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种螺旋紧固件。在另一方面中，螺旋紧固件由多层材料和/或多层光可固化材料制成。另一方面使用三维印刷机将材料从喷墨印刷头喷出，以构建一种具有螺旋构造的紧固件。

Description

螺旋紧固件和制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年6月2日提交的序列号为13/151,374的美国专利申请的优先权权益，该美国专利申请以引用的方式纳入本文。

背景技术和发明内容

本发明总体涉及紧固件，且更具体而言，涉及制造具有螺旋构造的聚合物紧固件。

传统地，聚合物零件通过注射成型或挤出成型制作。在这些工艺中，在高压下将经加热的聚合物液体引入到匹配金属模具中，在此之后所述模具被内部冷却，从而固化所制造的零件。当熔融聚合物被注入模具腔中时，空气从所述模具腔排出。理想地，注射成型或挤出成型适合于每年要求十万或更多个零件的大批量生产。然而，这些传统的制造工艺的缺点是需要非常昂贵的机械加工的钢模具，在期望零件修正的情况下，机械加工的钢模具的修改是困难且耗时的，并且机械加工的钢模具受制于成问题的零件至零件（part-to-part）的容差变化。这些变化是由固化期间的成型收缩、成型压力差、由内部空隙和外部缩痕造成的零件翘曲等造成的。这种传统模具工具的费用使得聚合物零件的较小批量的生产昂贵得难以接受。

在于1998年11月3日授权给Morello等人的标题为“ToleranceClip”的美国专利No.5,829,937和于1996年4月9日授权给Heaton等人的标题为“HarnessFixingDevice”的美国专利No.5,505,411中公开了示例性注射成型夹子，这两个美国专利都以引用的方式纳入本文。这些夹子具有圣诞树形变化，具有从杆的每一侧延伸的、间隔开且分立的倒钩。然而，由于所述倒钩的间距，这些夹子仅提供了受限且有限的工件紧固位置。因此，这阻止了紧密地紧固接合。此外，于2002年1月8日授权给Jakob等人的标题为“FasteningSystem”的美国专利No.6,336,778公开了一种塑料螺钉；然而，该螺钉的缺点是仅适用于该螺钉的螺纹与工件面板的旋转接合。

还公知的是使用立体平板印刷术（stereolithography）来生产非功能性聚合物零件而非紧固件。这些常规的立体平板印刷术方法使用激光来在一桶液体聚合物中的移动平台上创建成层零件。当正在制造所述零件时，它从所述液体上升。这些零件的生产极其缓慢，并且是不实用地易碎的。

根据本发明，提供了一种紧固件。一方面，螺旋紧固件由多层材料和/或多层光可固化材料制成。另一方面使用三维印刷机将材料从喷墨印刷头喷出，以构建具有螺旋构造的紧固件。又一方面提供了通过以成层和/或构建布置沉积材料来制作螺旋紧固件的方法。又一方面通过在材料沉积期间，在紧固件被气体（例如，空气）基本环绕的环境中沉积材料来制作螺旋紧固件。另一方面，线性可***的聚合物紧固件包括柔性的螺旋构造，该螺旋构造在螺纹和中心轴之间具有连续的底切部（undercut）或凹槽。另一方面，还采用了一种制作具有螺旋构造的紧固件的方法。

与传统装置相比，本发明的螺旋紧固件和方法是有利的。例如，当三维印刷时，本发明的螺旋紧固件和方法不需要任何独特的工具或模具，从而节省数十万美元以及数周的模具制造时间。此外，本发明的三维印刷方法允许各个制造周期之间的快速且便宜的设计和零件修正。另一方面，本发明的印刷螺旋紧固件和方法基本不存在零件至零件的容差变化，使得可在单个机器制造周期中生产至少10个，更优选地至少40个相同的螺旋紧固件。对于本发明的印刷螺旋紧固件和方法的其他方面，多个头开口、机器内的用于构成紧固件的固定支撑件和周围空气制造环境允许增大的制造速度、更简单的机械加工以及易于接近所制造的紧固件。极为有利的是，本发明的聚合物紧固件包括围绕杆延伸的连续螺旋和锥形的工件接合构造，这提供了相对于具有变化厚度和硬度的附接工件的本质上无限的定位。例如，相同的紧固件具有柔性的螺旋接合构造或翅片（fin），该柔性的螺旋接合构造或翅片可适应于具有2mm厚的金属面板和具有4mm厚的石膏面板。还有益的是，本发明的聚合物螺旋紧固件被线性地***一个工件，而非常规螺钉的更耗时的旋转。可在下文的描述和所附权利要求以及附图发现本发明的附加优点和特征。

附图说明

图1是示出了本发明的螺旋紧固件的一个优选实施方案的立体图；

图2是沿图1的线2-2所取的纵向截面，示出了螺旋紧固件；

图3是示出了安装在工件中的螺旋紧固件的局部侧视图；

图4是示出了螺旋紧固件的一个替代实施方案的立体图；

图5是示出了制造螺旋紧固件的一个优选机器的立体图，其中该机器的上盖被移除；

图6A-图6C为示出了构建螺旋紧固件的该优选机器的一系列图解侧视图；

图7是示出了用于制作螺旋紧固件的一个替代工具的立体图；以及

图8是示出了用于制作螺旋紧固件的一个替代工具的俯视图解视图。

具体实施方式

在图1-图3中示出了本发明的紧固件101的优选实施方案。紧固件101包括：横向加大的头103；纵向细长的轴或杆105，从头103大体垂直地延伸；以及，螺旋构造或翅片107，环绕杆105的至少大部分。这种螺旋紧固件理想地适于将部件（例如，内部装饰面板）紧固至机动车辆面板。例如，所述紧固件将聚合物门装饰面板或纤维板门装饰面板紧固至金属板门面板。此外，所述紧固件可将支架附接至建筑物中的石膏板墙、将聚合物隔板附接至玩具内，或诸如此类。

杆105和螺旋构造107在与头103相对的、大体尖锐的端部109处终止。此外，与螺旋构造107的壁厚度Ψ相比，杆105具有更大的横截面厚度β。螺旋构造107的内部表面111沿着其长度连续地成锥形，以在所述内部表面111和杆105的邻近的面对表面（facingsurface）之间限定锐角α，从而在其间创建底切部或杯状凹槽。螺旋构造107的外部表面113也具有与内部表面111的锥度大体平行的锥度。螺旋构造107的平坦上部边缘和杆105的中心线之间的侧视角度（sideviewangle）Φ在30°和90°之间，更优选地在60°和70°之间，从而在工件125的后侧部127上提供翅片剥离压力（peelingforce），以导致紧密的接合。因此，螺旋构造107创建螺旋形、杯状且连续的倒钩结构，在***工件123和125的孔121内期间，该倒钩结构可向内挠曲朝向杆105的纵向中心线。然而，螺旋构造107在工件125的后侧部127上向外扩张回至其标称状态（如在图2中示出的），从而阻止从此处容易的移除，因为取出力是***力的至少两倍。例如，约8至12磅（更优选地，约10磅）的***力被线性地施加至头103，用于将所述紧固件完全地***到金属板工件125中；约25至50磅（更优选地，约45磅）的取出力被线性地施加，以将所述紧固件拉出所述工件。

螺旋构造107的连续性质在该螺旋构造107和工件125的后侧部127之间提供了无限调整和接合的能力。这允许工件的容差变化，同时在螺旋构造107的直接接合后侧部127的部分和头103的底部表面129之间提供非常紧密且固定的配合。锥度改进了螺旋构造的柔性，从而进一步增强紧固紧密性和可调整性。应理解，这应当与常规的圣诞树形紧固件的间隔开的倒钩形成对比，常规的圣诞树形紧固件未提供无限的可调整性从而在许多紧固状态中允许一些松动。

在该优选实施方案中，头103的底部表面129是大体平坦的，然而，本文所应用的三维印刷方法有利地允许柔性的伞形物、局部的肋、预定形状和位置的内部且完全封闭的空间，或诸如此类。通过本文公开的示例性紧固件，锁模状态存在于螺旋构造107和头103的底部表面129之间，所述锁模状态通过常规的注射成型工艺来制造是困难且昂贵的，但是所述锁模状态通过本发明的优选三维喷墨印刷工艺很容易创建，因为不需要定制或专用的工具和模具。头103附加地具有圆形周缘141，以及弯曲且穹顶状的顶部143。此外，杆105在所附接的螺旋构造交叉部之间具有大体圆柱形的外部形状。还值得注意的是，在螺旋构造107和杆105之间提供成锐角的交叉部，以提供增强的挠曲点。

图4示出了一种替代实施方案的聚合的且可线性***的紧固件101。头103和杆105与所述的优选实施方案类似。然而，螺旋构件或翅片145具有连续的波浪形或波状的远端边缘，该连续的波浪形或波状的远端边缘接合工件面板125（参见图3）。

在图5-图6C中示出了优选的制造机器和制造工艺。三维印刷机201包括固定的支撑表面203，在该支撑表面203上创建一组相同的紧固件101。机器201还包括至少一个喷墨印刷机头205，优选地八个头，所述喷墨印刷机头205通过电马达或其他自动受控致动器而沿着一个或多个门型导轨（gantryrail）207从一侧到另一侧横向往返移动。所述门型导轨还通过电马达或其他自动受控致动器被驱动沿着外侧轨道209在支撑表面203上方前后移动。至少两个存储罐211或可移除的盒（cartridge）经由供应软管213连接至头205，从而将包含在每一罐211中的相同或不同的聚合物材料215供给至头205中的多个喷墨印刷机开口217。开口217可以构成10×10的喷嘴阵列或者甚至100×100的喷嘴阵列，并且更优选地96个喷嘴以线性阵列布置，使得在单个头经过期间同时喷出多个材料流。所述材料优选是粉末和水混合物形式的紫外光可固化的感光聚合物。替代地，线轴（包含由所述聚合物材料构成的细长且柔性的线或长丝）可被供给至所述头、熔化并且被喷出至所述支撑表面上作为成层且连续的线。

具有输入键盘221、输出显示屏223和微处理器的计算机控制器219连接至机器201的中央处理单元225，以控制来自罐211的材料的供给以及头205的相对于支撑表面203的致动器移动。机器的使用者将包含紧固件的设计的CAD文件下载到与计算机控制器210相关联的非暂态计算机存储器（例如，RAM、ROM、硬盘驱动器或可移动存储器）中。然后使用者使用存储在所述存储器中的软件指令来将期望量的紧固件数字地铺设在支撑表面203上并且将紧固件定位在制造取向上，同时为该设计添加任何的支撑件，在所述制造后，所述支撑件随后被移除。使用者还输入待在制造中使用的材料，然后计算机控制器219中的微处理器和CPU225运行所述软件，使得头205开始其移动和材料沉积，从而创建该组紧固件。

在头205第一次经过期间，喷墨印刷开口217喷出聚合物材料215流，从而铺设第一层，随着机器头205的第一次横向经过，构造紧固件的头203的外部表面143（参看图2）。该第一次经过铺设了紧固件的约为0.1-1.0mm的材料厚度。当机器头在其横向路径中继续时，它还将为在相同的制造周期中被制造的每个邻近的紧固件铺设同样精确的材料层。替代地，如果开口的阵列足够大、展开或被包含在多个头上，则多个头可被同时沉积。一个或多个紫外灯241被附接至头205，一个或多个紫外灯241用于在成层材料沉积之后立刻发出光至所述成层材料上，这将所述成层材料结合在一起并且固化所沉积的材料层。在为多个紧固件中的每一个沉积第一层之后，头205继而将第二层聚合物材料215喷在已沉积的第一层之上，继而当通过灯241固化时，第二层聚合物材料215结合至所述第一层。该成层和固化被重复许多次，例如，多于50层或50次头经过，直到完全创建所述紧固件。

材料被沉积在计算机控制器19通知头哪儿需要壁或其他聚合物构造的地方，但是头不会将任何材料沉积在所述紧固件的CAD制图中呈现为孔或其他开口区域的地方。一种示例材料是DM9870聚合物。聚合物材料被堆叠在许多层中，从而在机器201的封壳内侧的气体环境（尤其是，空气）中将整个紧固件创建成整体零件或单件零件。换言之，在整个制造周期中，除了接触支撑表面203的第一层之外，紧固件全都被空气环绕。如本文所使用的，制造“周期”或机器“周期”指的是从所述头开始沉积第一层材料直到所述头沉积用于整个零件的最后一层材料并且在机器中被固化的时间段。在所述机器周期完成之后，使用者手动地将所制造的紧固件从支撑表面203移除，例如通过使用腻子刀（puttyknife）或其他移除工具。在单个机器周期中制作至少40个紧固件，该机器周期优选地小于90分钟。在一个可选步骤中，每个所移除的紧固件被浸入硬化剂、溶剂或最终固化溶液中，这也用于溶解任何支撑件，尤其是当所述支撑件由溶剂可溶解材料制成时，所述溶剂可溶解材料不同于限定紧固件的壁的主要材料。

在Kritchman等人的于2010年8月26日公布的标题为“RapidProductionApparatus”公开号为2010/0217429的美国专利公开说明书、Batchelder等人的于2011年3月31日公布的标题为“RibbonLiquefierforUseinExtrusion-BasedDigitalManufacturingSystem”的公开号为2011/0074065的美国专利公开说明书，以及于2010年12月14日授权给Napadensky的标题为“CompositionsandMethodforUseinThreeDimensionalModelPrinting”的美国专利Nos.7,851,122、于2008年5月6日授权给Kritchman等人的标题为“Device，SystemandMethodforAccuratePrintingofThreeDimensionalObjects”的美国专利Nos.7,369,915，以及于1999年2月2日授权给Batchelder等人的标题为“MethodforRapidPrototypingofSolidModels”的美国专利Nos.5,866，058中公开了如本文所具体说明的可用于制作螺旋紧固件101的示例性的通用三维印刷机和材料。这些专利公开说明书和专利都以引用的方式纳入本文。本发明的优选的机器是来自ObjetGeometriesInc.的Connex500型号，但是较不优选的是来自Stratasys，Inc.的DimensionElite熔融沉积成型机。然而，应理解，通过本文还公开的本发明的三维印刷步骤的制造本文所公开的螺旋紧固件是技术的显著飞跃。

图7和8示出了用于制造螺旋紧固件101（参见图1和2）的替代且不太令人满意的实施方案工具301。工具301是安装至可闭合的压机（press）中的固定压印盘（platen）的专用注射成型模具。类似的相配的工具311被附接至该压机中相对的且可移动的压印盘。固定的或不动的***件303位于工具301内，所述***件303具有四分之一的成型腔305，成型腔305限定所述螺旋紧固件的所述头、杆和螺旋构造的一部分。类似配置的四分之一模腔被布置在可移动的滑座（slide）307内，滑座307被联接在工具301的内部。滑座307通过致动器在工具301内从一侧到另一侧自动移动，使得当通过注射成型机的喷口319将熔融的聚合物注射到工具301的浇口317中时，滑座307定位为抵靠在***件303上。在固化之后，滑座307滑动远离***件303，以允许经固化且经硬化的紧固件101从工具301中移除，由于紧固件的凹槽或底切部的锁模性质，这需要所述螺旋构造挠曲。工具311类似地由固定的***件313和滑座315构造。该专用注射成型工具可用于螺旋紧固件的大批量生产，但是从工具成本和零件至零件容差的观点看，并不像优选的三维印刷工艺那样有利。

虽然本文已经公开了多种实施方式，但应理解，可采用其他变体。例如，所述螺旋蜗壳（volute）可间隔远离所述头，以在其间提供圆柱形或矩形的肩部。所述螺旋紧固件可替代地用于船舶、航空器或其他行业，尽管不会实现某些优势。此外，多个间隔开的头或不同形状的头可被印刷为所述紧固件的一部分，然而可能不会实现多种益处。另外，所述螺旋紧固件可具有刚性三维印刷聚合物的头和/或杆，以及不同的且柔性三维印刷聚合物的螺旋构造，在相同的机器头经过期间被整体附加成层。然而，这些变化、改型或变体不被认为偏离本发明的精神和范围。

Claims (31)

1.一种使用三维印刷机制作紧固件的方法，所述方法包括：

(a)将聚合物材料的层沉积到一个支撑表面上；

(b)将随后的聚合物材料的层沉积在每一先前层上，直到所述紧固件被完全地创建；

(c)作为所述沉积步骤的一部分，创建所述紧固件以包括一个横向加大的头、一个纵向细长的杆和一个环绕所述杆的至少大部分的螺旋构造，所述紧固件由所述聚合物材料制作；

(d)在所述沉积和创建步骤过程中，用一种气体环绕所述紧固件的大部分；

(e)通过光来固化所述紧固件，使得所述聚合物材料的层被结合在一起；以及

(f)从所述支撑表面移除已完成的紧固件，其中已完成的所述螺旋构造是柔性的并且包括一个锥形的内部表面，该锥形的内部表面相对于所述杆的一个面对表面成锐角，并且所述螺旋构造的壁厚度小于邻近的所述杆的横截面的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括由所述聚合物材料在所述紧固件上创建锥形的远端端部，该锥形的远端端部与所述头相对,所述头具有圆形周缘。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述螺旋构造上创建锥形的外部表面，使得邻近所述头在所述内部表面和所述杆的面对表面之间形成一个锁模区域，并且所述内部表面和所述外部表面在其间限定所述螺旋构造。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括创建所述螺旋构造以允许所述螺旋构造和所述杆之间的挠曲，以及创建所述螺旋构造以允许沿着所述杆的工件至紧固件的调整，所述螺旋构造具有大于360度的连续的外圆周。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体是空气，并且所述紧固件是整体单件。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述聚合物材料从定位在所述支撑表面上方的一个机器头流出，所述机器头和所述支撑表面中的至少一个根据计算机指令相对于另一个自动移动，以在相同的机器周期中创建相同的多个所述紧固件，不存在由其制造所引起的收缩和膨胀。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物材料是一种从能移动的机器头以连续方式喷出的聚合物线，该聚合物线来自一个线轴，该线轴将所述线供应至所述机器头。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在小于90分钟的单个机器周期内，同时地制造至少10个具有螺旋构造的所述紧固件。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述聚合物材料从包括多个开口的喷墨印刷头流出，使得多个聚合物材料流同时发生，用于所述紧固件的每一层。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述螺旋构造和所述头之间创建一种锁模状态。

11.一种使用三维印刷机的方法，所述方法包括：

(a)将聚合物材料从所述三维印刷机的一个喷墨印刷头喷出；

(b)通过放置所述聚合物材料以限定一个紧固件头，来构建一个螺旋紧固件；

(c)通过放置所述聚合物材料以限定一个底切的且锥形的螺旋螺纹并至少沿着所述螺旋螺纹的大部分圆周创建一个锁模区域，来构建所述螺旋紧固件；以及

(d)当正在构建所述螺旋紧固件时，通过光来固化所述紧固件。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过放置所述聚合物材料以限定一个从所述紧固件头延伸并且位于所述螺旋螺纹内的杆，来构建所述螺旋紧固件，所述螺旋螺纹是柔性的，以允许其挠曲地线性地***工件。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述螺旋螺纹上创建一个锥形的外部表面和内部表面，使得在所述内部表面和所述杆的面对表面之间限定一个锐角。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括由所述聚合物材料在所述紧固件上创建一个尖端，所述尖端与所述紧固件头相对。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括基于逐层来构建所述紧固件，所述三维印刷机还包括一个支撑表面，在该支撑表面上构建所述聚合物材料，并且所述喷墨印刷头和所述支撑表面中的至少一个相对于另一个移动，以随着一次移动经过来创建每层。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述聚合物材料穿过开口从所述喷墨印刷头流出，使得多个聚合物材料流同时发生，用于所述螺旋紧固件的每一层。

17.一种使用三维印刷机制作紧固件的方法，所述方法包括：

(a)使用至少一个喷墨印刷机开口来喷出至少一种三维可印刷聚合物，以创建具有圆形周缘的横向加大的头；

(b)使用所述至少一个喷墨印刷机开口来喷出所述至少一种三维可印刷聚合物，以创建从所述头延伸的纵向细长的杆；

(c)使用所述至少一个喷墨印刷机开口来喷出所述至少一种三维可印刷聚合物，以围绕所述杆的至少大部分创建一个连续且柔性的螺旋；以及

(d)在一个90分钟内的印刷机器周期期间，制作至少10个所述紧固件，而不需要特定的紧固件模具。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在构建所述杆之前构建所述头。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述螺旋和所述杆之间创建一个锁模区域。

20.根据权利要求17所述的方法，其中相对于一个匹配工件，与一个较小的线性***力相比，所述紧固件承受较大的线性取出力，并且所述紧固件是一个机动车辆紧固件。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括使所述聚合物从定位在机器支撑表面上方的一个机器头流出，所述机器头和所述机器支撑表面中的至少一个根据计算机指令相对于另一个自动移动，以在相同的机器周期中创建相同的多个所述紧固件。

22.根据权利要求17所述的方法，还包括当构建所述聚合物以创建所述紧固件时通过光来固化所述聚合物，并且经由至少一个软管将所述聚合物供应至所述至少一个喷墨印刷机开口。

23.根据权利要求17所述的方法，进一步包括基于逐层在一个固定的机器支撑表面的顶部上构建所述紧固件。

24.根据权利要求17所述的方法，其中当步骤(a)-(c)发生时，所述紧固件由一种气体环绕。

25.一种使用三维印刷机制作紧固件的方法，所述方法包括：

(a)使用至少一个印刷机开口来喷出至少一种可印刷聚合物，以创建具有圆形周缘的横向加大的头；

(b)使用所述至少一个印刷机开口来喷出所述至少一种可印刷聚合物，以创建从所述头延伸的纵向细长的杆；

(c)使用所述至少一个印刷机开口来喷出所述至少一种可印刷聚合物，以围绕所述杆的至少大部分创建连续且柔性的螺旋；

(d)使所述聚合物从定位在机器支撑表面上方的所述印刷机开口流出，所述机器支撑表面和所述印刷机开口中的至少一个根据计算机指令相对于另一个自动移动，以在相同的制造周期内创建相同的多个所述紧固件；

(e)当所述聚合物被构建时，通过光来固化所述至少一种可印刷聚合物，以创建所述紧固件；以及

(f)在一个90分钟内的印刷机器周期期间，制作至少10个所述紧固件；

其中与一个较小的线性工件***力相比，所述紧固件承受较大的线性工件取出力，并且所述紧固件是一个机动车辆紧固件。

26.根据权利要求25所述的方法，其中在构建所述杆之前构建所述头。

27.根据权利要求25所述的方法，还包括构建所述头使其直接附接至所述杆。

28.根据权利要求25所述的方法，还包括经由至少一个软管将所述聚合物作为液体供应至所述至少一个印刷机开口。

29.根据权利要求25所述的方法，还包括基于逐层在一个固定的机器支撑表面的顶部上构建所述紧固件。

30.根据权利要求25所述的方法，还包括当步骤(a)-(c)发生时，所述紧固件由一种气体环绕。

31.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述螺旋上创建锥形的外部表面和内部表面，使得在所述内部表面和所述杆的面对表面之间形成一个锐角，并且逐层创建所述聚合物以创建一个具有圆形周缘的加大的头。