CN105189091B - 利用净化塔来打印三维部件的增材制造方法 - Google Patents

利用净化塔来打印三维部件的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

一种用于利用增材制造***(10)打印三维部件(20)的方法，所述方法包括：利用多个打印头(18)或者沉积管线来打印三维部件(20)的层或用于三维部件(20)的支撑结构(22)的层；在三维部件(20)的层和支撑结构(22)的层的打印中间，在待机模式和操作模式之间切换打印头(18)或沉积管线。所述方法还包括：对于待被切换到操作模式的每个打印头(18)或沉积管线执行净化操作，其中，净化操作包括利用被切换到操作模式的打印头(18)或沉积管线打印至少一个净化塔(24)的层。

Description

利用净化塔来打印三维部件的增材制造方法
技术领域
本公开涉及一种增材制造***，所述增材制造***利用基于层的增材制造技术来打印或以其他方式构建三维(3D)部件。具体地，本公开涉及一种用在基于挤出的增材制造***中的净化操作技术。
背景技术
增材制造***被用于使用一种或多种增材制造技术以利用3D部件的数字表示(例如，AMF和STL格式文件)来打印或以其他方式构建3D部件。市场可购得增材制造技术的示例包括基于挤出的技术、喷射、选择性激光热压、粉末/粘结剂喷射、电子束熔化以及立体印刷工艺。对于这些技术中的每一个，3D部件的数字表示首先被切割成水平层。对于每个被切割的层，然后生成工具路径，该工具路径向特定的增材制造***提供指令以打印给定的层。
例如，在基于挤出的增材制造***中，可以通过挤出可流动的部件材料以逐层方式用3D部件的数字表示来打印3D部件。经由由***的打印头所携带的挤出末端或喷嘴以挤出部件材料，部件材料在x-y平面中在基板上被沉积为一系列路径。被挤出的部件材料熔化为之前被沉积的部件材料并且一旦温度降低就固化。打印头相对于基板的位置然后沿着z轴线(垂直于x-y平面)增大，并且然后该过程重复以形成类似于数字表示的3D部件。
在通过沉积多层部件材料而制造3D部件时，支撑层或结构典型地被构建在正被构造的3D部件的外伸部之下或者3D部件的腔体中，该外伸部或腔体不被部件材料自身支撑。使用与沉积部件材料的沉积技术相同的沉积技术可以构建支撑结构。主机生成用作支撑结构的额外的几何形状，该支撑结构用于正在形成的3D部件的外伸段或自由空间段。在打印过程期间，然后按照所生成的几何形状利用第二喷嘴来沉积支撑材料。支撑材料在制造期间粘合到部件材料，并且当打印过程完成时可以从完成的3D部件上移除。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种用于利用增材制造***打印3D部件的方法，所述方法包括：利用多个打印头或者使用基于层的增材制造技术的沉积管线来打印3D部件的层或用于3D部件的支撑结构的层；在3D部件的层和支撑结构的层的打印中间，在待机模式和操作模式之间切换打印头或沉积管线。所述方法还包括：对于被切换到操作模式的每个打印头或沉积管线执行净化操作，其中，净化操作包括利用被切换到操作模式的打印头或沉积管线以打印至少一个净化塔的层。
本公开的另一方面涉及一种利用增材制造***打印3D部件的方法，所述方法包括：使得第一打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式；使用处于操作模式中的第一打印头或沉积管线利用支撑材料打印净化塔的第一层；并且在打印净化塔的第一层之后，使用处于操作模式中的第一打印头利用支撑材料打印支撑结构的层。所述方法还包括：使得第二打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式；使用处于操作模式中的第二打印头或沉积管线利用部件材料打印净化塔的第二层；并且在打印净化塔的第二层之后，使用处于操作模式中的第二打印头利用部件材料打印3D部件的层。
本公开的另一方面涉及一种利用增材制造***打印3D部件的方法，所述方法包括：打印用于3D部件的支撑结构的第一层；利用部件材料打印净化塔的第一层；并且在打印净化塔的第一层之后，利用部件材料在支撑结构的第一层的至少一部分上打印3D部件的第一层。所述方法还包括：利用支撑材料打印净化塔的第二层；以及在打印净化塔的第二层之后，利用支撑材料在3D部件的第一层的至少一部分上打印支撑结构的第二层。
定义
除非特别地规定，被用于本文中的以下术语具有如下提供的意义。
术语“优选的”和“优选地”是指本发明的在特定情况下可以承担特定优点的实施例。然而，在相同或其他情况下其他实施例也可以是优选的。此外，一个或多个优选实施例的陈述不暗示着其他实施例是无用的，并且不试图将其他实施例排出到本公开的范围之外。
方向性取向，诸如“之上”、“之下”、“顶部”、“底部”等是指3D部件的层打印方向。在下文示出的实施例中，层打印方向是沿着竖直z轴线的向上方向。在这些实施例中，术语“之上”、“之下”、“顶部”、“底部”等基于竖直z轴线。然而，在沿着不同轴线打印3D部件的层的实施方式中，诸如沿着水平x轴线和y轴线，术语“之上”、“之下”、“顶部”、“底部”等相对于给定轴线。
术语“提供”，诸如“提供打印头”，当在权利要求中被引用时，不试图要求所提供的物件的任何特定配送或接收。而是，为了简明和便于阅读起见，术语“提供”仅用于列举将在权利要求的随后元件中所提及的物件。
由于可预期的变化对于本领域的技术人员是已知的，因而关于可测量的值和范围的术语“大约”和“基本上”被用在本文中(例如，测量中的限制和可变性)。
附图说明
图1是与用于打印本公开的3D部件、支撑结构和净化塔的可消耗组件一起使用的增材制造***的俯视主视立体图。
图2A是与增材制造***一起使用的打印头和引导管的立体图。
图2B是打印头的分解立体图。
图3A是构建基板上的被打印的3D部件、支撑结构和净化塔的立体图。
图3B是构建基板上的被打印的3D部件、支撑结构和净化塔的俯视图。
图4是净化塔的顶部的立体图。
图5是一层净化塔的俯视图，其示出了打印该层的过程。
图6是构建基板上的简化的多层被打印的3D部件、支撑结构和净化塔的侧视图。
图7是构建基板上的被打印的3D部件、支撑结构和净化塔的侧视图。
图8是构建基板上的被打印的3D部件、支撑结构、净化塔和独立的净化层的立体图，其示出了第一可选的净化塔实施例。
图9是构建基板上的被打印的3D部件、支撑结构和多个净化塔的立体图，其示出了第二可选的净化塔实施例。
图10是第一可选净化塔的顶部的立体图。
图11是一层第一可选净化塔的俯视图，其示出了用于打印该层的过程。
具体实施方式
本公开涉及一种用于利用净化塔(或多个净化塔)使用增材制造***以打印3D部件和支撑结构的方法。如上简短所述，在通过沉积多层部件材料以制造3D部件时，一个或多个支撑结构可以被构造在正被构造的3D部件的外伸部之下或者所述3D部件的腔体中，该外伸部或腔体不被部件材料自身支撑。支撑结构优选地利用支撑材料而被打印，该支撑材料在完成打印操作之后可以从相关的3D部件上移除。
为实现该目的，增材制造***可以使用多个打印头或沉积管线，其中，第一打印头或沉积管线可以被用于打印3D部件，并且第二打印头或沉积管线可以被用于打印支撑结构。为了便于讨论，参考用于打印3D部件和支撑结构的分开的打印头而进行下文的公开说明，所述分开的打印头被称为“部件打印头”和“支撑打印头”。此种部件和支撑打印头的示例包括在Swanson等人的2010/0283172和2012/0164256号美国出版物中公开的那些打印头。然而，本公开的方法同样适用于与单个沉积头一起使用，该单个沉积头具有用于打印3D部件和支撑结构的多条沉积管线。此种沉积头的示例包括在Leavitt的7,625,200号美国专利和LaBossiere等人的7,604,470号美国专利中公开的沉积头。
当利用打印头(或者多个沉积管线)进行打印时，每个打印头或沉积管线优选地在“操作模式”和“待机模式”之间是可切换的。该操作模式优选地是如下的模式：其中打印头的液化器组件被加热到其设定点操作温度(多个设定点操作温度)以产生用于熔化部件材料或支撑材料的期望热梯度。相比之下，待机模式优选地是如下的模式：其中打印头的液化器组件被从操作模式中冷却下来以防止其部件材料或支撑材料热降解、渗出或滴出。
此外，在一些实施例中，当在操作模式和待机模式之间切换时，打印头中的一个或多个可以被抬起、枢转或以其他方式相对于构建平面和/或彼此移动，诸如还在Leavitt的7,625,200号美国专利，LaBossiere等人的7,604,470号美国专利以及Swanson等人的2010/0283172号和2012/0164256号美国专利中公开的那样。例如当从操作模式切换到待机模式时，打印头可以被抬起、枢转或以其他方式移离构建平面较小距离以防止干涉被打印层。然后，当接下来被切换返回到其操作模式时，打印头相对于构建平面返回到其初始距离以用于打印随后的层。
典型地，当部件打印头处于其操作模式以打印一层3D部件时，支撑件打印头处于待机模式，反之亦然。例如，在3D部件层完成之后，增材制造***然后可以切换打印头，从而支撑打印头进入操作模式以打印一层支撑结构，并且部件打印头进入其待机模式。然后，在完成支撑结构层之后，增材制造***可以返回切换打印头，使得部件打印头进入其操作模式以打印一层支撑结构，并且部件打印头进入其待机模式。
当每个打印头进入其操作模式时，其优选地在打印下一层之前经历净化操作。如在Turley等人的7,744,364号美国专利中讨论的那样，净化操作通常涉及将给定的打印头移动到净化站，在该净化站中，打印头将一股部件材料或支撑材料挤出到净化桶中，可选地接下来还有末端擦拭操作。
该净化操作提供多个期望功能。首先，该净化操作清除可能粘连到液化器组件的壁上的任何部件材料细丝或支撑材料细丝，并且确认打印头能够挤出部件材料或支撑材料。该净化操作也移除任何打印头中的夹带的气体和降解材料，并且将打印头到已知的操作状态以打印后面的层，诸如使得液化器组件中的弯月面(meniscus)进入到基本已知的位置并且将液化器组件的内部温度升高到基本稳态条件。在打印头闲置或处于其待机模式的同时，该净化操作也移除可能从液化器组件的喷嘴中悬挂的可变渗出物，并且能够导致喷嘴的末端管区域中的任何空隙的可变性。另外，对于每层非常低容量的3D部件，该净化操作可以向每层提供最小的流量，从而降低部件材料在某一温度的停留时间。
然而，净化站的使用典型地需要足够量的部件材料或支撑材料被从打印头中挤出，从而具有足够的重量以脱离给定的打印头并且进入到净化桶中。此外，净化站自身在增材制造***中可以占据相当大的面积，这将降低用于打印3D部件的可用构建体积。此外，净化桶需要周期性地被清空累积的多股净化材料。这可以防止增材制造***在诸如打印工厂中以全自动方式起作用。
如此，本公开的方法涉及一种过程，在该过程中，部件打印头和支撑打印头在净化操作期间打印净化塔(或多个净化塔)。如下所述，净化塔在不需要使用分开的净化站的情况下允许每个打印头实现净化操作的上述的期望功能。这能够增加增材制造***中的可用构建体积，并且降低在净化操作期间消耗的部件材料和支撑材料的量，并且允许增材制造***以全自动方式操作。
图1示出了与两个可消耗组件12一起使用的***10，其示出了用于执行本公开的方法以打印3D部件、支撑结构以及一个或净化塔的适当增材制造***。每个可消耗组件12是容易装载的、可拆卸的、并且可替换的容器装置，该容器装置保持用于使用***10进行打印的一部分可消耗细丝。典型地，可消耗组件12中的一个容纳部件材料细丝(“部件材料可消耗组件”)，并且另一个可消耗组件12容纳支撑材料细丝(“支撑材料可消耗组件”)。然而，两个可消耗组件在结构上可以是等同的。
在示出的实施例中，每个可消耗组件12包括容器部14、引导管16、打印头18，其中打印头18分别被称为部件打印头18p(用于部件材料)和支撑打印头18s(用于支撑材料)。容器部14可以保持一轴或一卷可消耗细丝，诸如在Mannella等人的2013/0161442 A1号和2013/0161432 A1号美国出版物中讨论的那些细丝。引导管16与容器部14和打印头18相互连接，其中打印头18的(或者***10的)驱动机构经由引导管16从容器部14中将连续多段的可消耗细丝拉到打印头18的液化器组件。
在该实施例中，引导管16和打印头18是可消耗组件12的子部件，并且可以互换到具有每个可消耗组件12的***10并且从所述***互换。在可选实施例中，引导管16和/或打印头18可以是***10的部件，而不是可消耗组件12的子部件。
用于可消耗组件12的适当部件材料和支撑材料包括在以下专利中公开和列出的那些材料，即Crump等人的5,503,785号美国专利；Lombardi等人的6,070,107号和6,228,923号美国专利；Priedeman等人的6,790,403号美国专利；Comb等人的7,122,246号美国专利；Batchelder的2009/0263582号美国专利申请出版物；Hopkins等人的2010/0096072号美国专利申请公开；Batchelder等人的2011/0076496号美国专利申请公开；以及Batchelder等人的2011/0076495号美国专利申请出版物。
***10是增材制造***，用于使用基于层的增材制造技术以分别利用可消耗组件12的部件材料细丝和支撑材料细丝以打印3D部件或模型以及相应的支撑结构(例如3D部件20和支撑结构22)。另外，如下进一步所述，***10还可以在净化操作期间利用部件材料和支撑材料来打印净化塔24。
用于***10的适当的增材制造***包括基于挤出的***，该***由Stratasys，Inc.，Eden Prairie，MN以商标“FDM”和“FUSED DEPOSITION MODELING”开发。如图所示，***10包括***壳体26、两个机架28、腔体30、压印盘32、压印盘台架34、头滑架36、头台架38、z轴线马达40和一对x-y马达42。
***壳体26是***10的结构部件并且可以包括多个结构子部件，诸如支撑框架、壳体壁等。在示出的实施例中，***壳体26限定机架28以及腔体30的尺寸。机架28是容器机架，该容器机架被构造为分别容纳可消耗组件12的容器部14。典型地，每个机架28可以试图容纳部件材料可消耗组件12或者支撑材料可消耗组件12。
在可选实施例中，机架28可以被省略以减小***10的总体占地面积。在该实施例中，容器部14可以靠近***壳体26站立，同时提供用于引导管16和打印头18的足够范围的移动。然而，机架28提供用于装载可消耗组件12的方便位置。
腔体30是容纳用于打印3D部件20和支撑结构22的封闭环境。腔体30可以(例如，利用循环的加热空气)被加热从而在部件材料和支撑材料被挤出和沉积之后减少其固化速率(例如，减少扭曲和卷曲)。在可选的实施例中，腔体30可以被省略和/或被不同类型的构建环境所替代。例如，3D部件20和支撑结构22可以被构建在通向环境条件的或者利用可选的结构而被封闭(例如，柔性帘)的构建环境中。
压印盘32是一个平台并且被压印盘台架34支撑，在该平台上3D部件、支撑结构22和净化塔24以逐层方式被打印。在一些实施例中，压印盘32可以接合和支撑构建基板44，该构建基板可以是如在Dunn等人的7,127,309号美国专利中公开的托盘基板，该托盘基板由塑料、波纹状硬纸板或其他适当材料制成，并且该压印盘32还可以包括柔性聚合膜或衬里、油漆带、聚酰亚胺带(例如，来自于E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，DE的商标名为KAPTON的带子)，或者用于将沉积材料粘连到压印盘32上或者构建基板44上的其他一次性构造物。压印盘台架34是台架组件，该台架组件被构造为沿着(或者大致沿着)竖直z轴线移动压印盘32并且被z轴线马达40驱动。
头滑架36是被构造为容纳诸如打印头18等的一个或多个可移除打印头并且被头台架38支撑的单元。用于头滑架36的适当装置的示例和用于将打印头18保持在头滑架36中的技术包括在Swanson等人的2010/0283172号和2012/0164256号美国出版物中公开的那些示例和技术。
如上所述，在一些实施例中，引导管16和/或打印头18可以是***10的部件，而不是可消耗组件12的子部件。在这些实施例中，用于打印头18的适当装置的额外示例以及打印头18和头台架38之间的连接件包含在以下专利中公开的那些示例和连接件，即Crump等人的5,503,785号美国专利；Swanson等人的6,004,124号美国专利；LaBossiere等人的7,384,255号和7,604,470号美国专利；Batchelder等人的7,896,209号美国专利以及Comb等人的8,153,182号美国专利。
在示出的实施例中，头台架38是带从动台架组件，该带从动台架组件被构造为在(或者大致在)腔体30之上的水平x-y平面中移动头滑架36(以及被保持的打印头18)并且被x-y马达42驱动。用于头台架38的适当的台架组件的示例包括在Comb等人的2013/0078073A1号美国出版物中公开的那些示例。
在可选的实施例中，压印盘32可以被构造为在腔体30中在水平x-y平面中移动，并且头滑架36(以及打印头18)可以被构造为沿着z轴线移动。也可以使用其他类似装置，使得压印盘32和打印头18中的一个或两个相对于彼此是可移动的。压印盘32和头滑架36(以及打印头18)也可以沿着不同的轴线被定向。例如，压印盘32可以被竖直地定向，并且打印头18可以沿着x轴线和y轴线打印3D部件20和支撑结构22。
***10还可以包括一对传感器组件(未示出)，该传感器组件被构造为读取来自移动通过引导管16的连续多段可消耗细丝的编码标记，这些传感器组件诸如为在Batchelder等人的2011/0117268号，201I/0121476号和2011/0233804号美国专利出版物中公开的那些传感器组件。
***10还包括控制器46，该控制器46是被构造为监测和操作***10的部件的一个或多个控制电路。例如，由控制器46执行的控制功能中的一个或多个可以在硬件、软件、固件或者它们的组合等中被执行。控制器46可以通过通信线路48与以下装置进行通信，即打印头18、腔体30(例如，利用用于腔体30的加热单元)、头滑架36、马达40和42、传感器组件44以及多个传感器、校准装置、显示装置和/或用户输入装置。在一些实施例中，控制器46也可以与机架28、压印盘32、压印盘台架34、头台架38和***10的其他适当部件中的一个或多个进行通信。
虽然示出为单一信号线，但是通信线路48可以包括一个或多个电的、光学的和/或无线的信号线，从而允许控制器46与***10的每个部件进行通信。此外，虽然控制器46和通信线路48被示出为位于***10的外部，但是它们可以是***10的内部部件。***10和/或控制器46还可以与诸如计算机50等的一个或多个基于计算机的***进行通信，该***可以包括基于计算机的硬件，诸如用于生成、储存工具路径，并且将工具路径和相关的打印指令传递到***10的数据储存装置、处理器、存储模块等，并且该***可以位于***10的外部和/或内部。在一些实施例中，控制器46自身可以执行由计算机50或***10的其他部件所典型地执行的诸如生成和储存工具路径和相关的打印指令等的操作中的一个或多个，并且执行编译功能等。
在操作期间，控制器46可以引导z轴线马达40和压印盘台架34从而将压印盘32移动到腔体30中的预定高度。控制器46然后可以引导马达42和头台架38以在腔体30之上的水平x-y平面中来回地移动头滑架36(和被保持的打印头18)。控制器46还可以引导打印头18以分别从容器部14中并且经由引导管16选择性地拉出连续多段可消耗细丝。
图2A和2B示出了示例性的打印头18，该打印头18包括壳体18a、马达组件18b、驱动机构18c和液化器组件18d，其中液化器组件18d包括喷嘴18e。在每个打印头18处，马达组件18b和驱动机构18c将连续多段的可消耗细丝供给到液化器组件18d，该液化器组件18d热熔化接收到的连续多段可消耗细丝，从而可消耗细丝变成熔化的材料。熔化的材料然后被从喷嘴18e中挤出并且被沉积在压印盘32上以用于以逐层方式打印3D部件20、支撑结构22和净化塔24。
如在Swanson等人的13/587,002号美国专利申请中讨论的那样，喷嘴18e可以包含具有任何适当的长度-直径比的轴向通道。例如，在一些实施例中，喷嘴18e可以包含具有诸如比例为约2∶1至约5∶1的长度-直径比的轴向通道，从而产生较高流动阻力。在其他实施例中，喷嘴18e可以包含具有诸如小于约1∶1的比例的长度-直径比的轴向通道，从而产生较低流动阻力。因此，用于喷嘴18e的轴向通道的适当长度-直径比可以位于从约1∶2至约5∶1的范围中，其中，在一些较低流动阻力的实施例中，从约1∶2至约1∶1的范围内的比例可以被本公开的方法优选使用。
在完成打印操作之后，产生的3D部件32和支撑结构22可以从腔体30中移除，并且支撑结构22可以从3D部件上移除。净化塔24自身然后可以被循环利用或者否则按照需要被放弃。3D部件20然后可以经历一个或多个额外的后处理步骤。
如图1所示，并且如图3A和3B进一步所示，净化塔24可以被打印在构建基板44上的任何适当空闲位置上(即，x-y构建平面中的不被3D部件20或支撑结构22所占据的任何位置)。如下文进一步讨论的那样，根据打印头18何时在它们的操作模式和它们的待机模式之间切换并且何时执行净化操作，净化塔24的每一层都可以由部件材料或者由支撑材料打印。
如图4进一步所示，净化塔24以逐层方式被打印以限定外周壁52和内壁54，其中外周壁52在x-y构件平面中具有钻石形状横截面几何形状，该几何形状限定内部体积56。内壁54位于内部体积56内部，并且在示出的实施例中，等分或基本等分内部体积56。由于对于每层，外周壁52和内壁54可以利用单一的工具路径以被打印，因而这对于以较快打印速度和少量的材料来打印净化塔24而言是特别适合的几何形状。这因此在净化操作期间降低了延迟和材料消耗。然而，在其他实施例中，净化塔24的一个或多个层可以利用两个或以上的路径以被打印。
在可选实施例中，净化塔24可以具有任何适当的外周壁几何形状，该外周壁几何形状优选地限定在x-y构建平面中基本上被密闭的用于保持内壁52的内部体积。适当的外周壁几何形状的示例包括正方形壁、矩形壁、圆形壁、椭圆形壁等，其中，单一工具路径和简单的几何形状对于快速打印目的而言是优选的。
如图5所示，优选地沿着相同的工具路径58打印净化塔24的每层(称为层24a)，该工具路径58具有起始顶点60、角部顶点62a-62d以及终止顶点64和在彼此之间延伸的工具路径段58a-58d。如上所述，在给定的打印头18从其待机模式切换到其操作模式之后并且在打印3D部件20或支撑结构22的随后的层之前，控制器46可以引导打印头18中的一个以通过打印净化塔24的层24a来执行净化操作。
当执行净化操作时，控制器46可以引导头滑架36来将打印头18移动到起始顶点60上方。控制器46然后可以引导打印头18的驱动机构以将部件材料细丝或支撑材料细丝供给到打印头18以挤出部件材料或支撑材料。控制器46还可以引导头滑架36以沿着工具路径段58a-58e在箭头68a-68e的方向上移动打印头18。一旦达到终止顶点64，控制器46可以引导打印头18以停止将部件材料或支撑材料挤出到完成的层24a。
对于在挤出开始时将任何过量的拉丝包含在内部体积56之内的区域中的情况而言，该工具路径图案是有利的。换言之，外周壁52防止可以生成的任何拉丝离开净化塔24，由于(与传统的进化站的偏移位置相比)净化塔24和3D部件20非常靠近，所以该拉丝离开净化塔可能以其他方式干涉3D部件或支撑结构22的打印。
起始顶点60和第一角部顶点62a之间的工具路径段58a的长度可以根据打印头18的拉丝状态而变化，该拉丝状态可以基于多个因素，诸如打印头18的热属性、部件材料或支撑材料的成分、打印头18的挤出速率和移动速率、腔体30内部的温度、在其待机模式中累积在打印头18中的降解材料和气体的量等。工具路径段58b-58e的长度因此可以基于工具路径段58a的长度。
此外，虽然工具路径段58a示出为在内部体积56内整体延伸，但是工具路径段58a可选地可能较短，从而起始顶点相对于第一角部顶点62可以被定位在任何适当位置，从而将过量拉丝包含在内部体积56内的区域中。总体而言，工具路径58的整体长度优选地是足够的，从而打印头18实现用于打印3D部件20或支撑结构22的随后的层的已知操作状态，并且更优选地使得打印头18实现净化操作的所有上述期望功能(而不需要使用分开的净化站)。
可选地，如图所示，终止顶点64可以可选地用作另一角部顶点，工具路径58可以被引导通过层24a的顶部，诸如工具路径段58f所示，以到达位于净化塔24外部的随后的终止顶点66。然而，当按照工具路径段58f时，控制器46优选地引导打印头18而不挤出任何材料。替代地，打印头沿着工具路径段58f(或任何其他类似的工具路径段)的移动允许打印头18的喷嘴18e在工具路径段58c处沿着外周壁52擦拭。如此，净化塔24还可以用作末端擦拭装置，该末端擦拭装置进一步地排出了对分开的净化站的需求。
如上所述，净化塔24的每个层24a优选地沿着相同的工具路径58被打印。然而，在净化塔24被打印得足够高的情况下，使得它的高度基本上比它的横截面面积大，有利的是打印净化塔24的具有较大横截面面积较低层24a，并且具有在较高层处倾斜或变尖成较小横截面面积的壁。这优选地防止了在打印操作期间净化塔24的部分晃动，否则该晃动能够损害随后多层的打印。
计算机50(或控制器46)可以在打印操作之前和/或打印操作期间的任何适当时间生成用于打印净化塔24的工具路径指令。在第一实施例中，当切割和生成用于3D部件的支撑件的时候，可以生成净化塔24。例如，一旦接收了用于3D部件20的数字模型，计算机50可以运行预处理程序以将3D部件20切割成分开的层，生成支撑结构22，并且生成用于3D部件20和支撑结构22的工具路径。适当的预处理程序的示例包括由Stratasys，Inc.，EdenPrairie，MN以商标名“INSIGHT”和“CATALYST”开发的程序，该程序可以被修改以生成用于净化塔24的每层的工具路径(例如，工具路径58)。
在第二实施例中，用于净化塔24的工具路径可以是利用独立的后处理程序(在运行预处理程序之后)而被后处理为预先生成的工具路径指令。该后处理程序可以由用户手动地操作，或者可以以自动的模式被预处理程序和/或控制器46调用。
在第三实施例中，在打印操作期间，计算机50可以编辑用于净化塔24的工具路径。在该实施例中，当***10正打印给定层时，计算机50可以在生成的工具路径指令处规划生成的工具路径，并且识别何时下一材料切换将发生。在此时，在下一打印头18切换之后，计算机50可以在时序中编辑和***用于净化塔24的工具路径(例如，工具路径58)。优选地，计算机50还可以计算用于打印进化塔24的给定层的部件材料或支撑材料的量，从而保证可消耗组件12依旧具有足够量的部件材料或支撑材料以完成打印操作。
用于每个层24a的特定材料取决于哪个打印头18将被从其待机模式切换到其操作模式以用于3D部件20和支撑结构22的给定层。该时序典型地取决于何时用于3D部件20和支撑结构22的层的工具路径需要材料切换。例如，图6示出了用于可以利用***10打印的3D部件70和支撑结构72的简化层装置，其中，具有部件层70a-70d的3D部件70利用部件打印头18p被打印，具有支撑层72a-72d的支撑结构72利用支撑打印头18s被打印(如图所示由斑点所填充)。在该实施例中，打印头18还可以在净化操作期间利用部件材料和支撑材料来打印净化塔74。
如图所示，前两个被打印层72a和72b用于支撑结构72的。如此，在构建基板44上打印支撑层72a之前，支撑打印头18s可以进入到其操作模式，并且优选地，按照如上所述的用于净化塔24的相同工具路径58(如图5所示)，通过利用支撑材料打印净化塔74的层74a而经历净化操作。支撑打印头18s然后可以按照指定的工具路径利用支撑材料而打印支撑层72a。当支撑层72a被完成时，压印盘台架34可以沿着z轴线将压印盘32和构建基板44向下降低单层增量。
然后，因为还整体地利用支撑材料来打印支撑层72b，所以支撑打印头18s可以按照指定的工具路径来打印支撑层72b，并且然后利用支撑材料来打印净化塔74的层74b。可选地，如果要求，则工具路径构造也可以被设置成使得支撑打印头18s在打印支撑层72b之前打印层74b。支撑层72b是必要的以将净化塔74维持在与3D部件70和支撑结构72的被打印层相同的高度。
当层72b和74b完成时，压印盘台架34然后可以沿着z轴线将压印盘32和构建基板44向下降低单层增量。可以看出，层70a和72c彼此共面。如此，因为支撑打印头18s是处于其操作模式的当前打印头18(部件打印头18p当前处于其待机模式)，所以支撑层72c可以先于部件层70a被打印。因此，支撑打印头18s可以利用支撑材料按照指定的工具路径来打印支撑层72c。
然后，打印头18可以被切换，从而支撑打印头18s进入到其待机模式，并且部件打印头18p进入到其操作模式。部件打印头18p然后优选地，按照如上所述的用于净化塔24的相同工具路径58，通过利用部件材料打印净化塔74的层74c以经历净化操作。部件打印头18p然后可以利用部件材料按照指定的工具路径来打印部件层70a。当部件层70a完成时，压印盘台架34可以沿着z轴线将压印盘32和构建基板44向下降低单层增量。
之后的层70b和72d也是彼此共面的。如此，因为部件打印头18p是处于其操作模式中的当前打印头18(支撑打印头18s当前处于其待机模式)，所以部件层70b可以先于支撑层72d被打印。因此，部件打印头18p可以利用部件材料按照指定的工具路径来打印部件层70b。
然后，打印头18可以被切换返回，从而部件打印头18p进入到其待机模式，并且支撑打印头18s进入到其操作模式。支撑打印头18s然后可以通过利用支撑材料打印净化塔74的层74d而经历净化操作。支撑打印头18s然后可以按照指定的工具路径利用支撑材料而打印支撑层72d。当支撑层72d被完成时，压印盘台架34可以沿着z轴线将压印盘32和构建基板44向下降下低单层增量。
然后，因为支撑层70c整体上利用部件材料以被打印，并且因为支撑打印头18s是处于其操作模式中的当前打印头18，因而并且打印头18可以被切换，从而支撑打印头18s到其待机模式并且部件打印头18p进入到其操作模式。部件打印头18p然后可以通过利用部件材料来打印净化塔74的层74e而经历净化操作。部件打印头18p然后可以利用部件材料按照指定的工具路径来打印部件层70c。当部件层70a完成时，压印盘台架34可以沿着z轴线将压印盘32和构建基板44向下降低单层增量。
然后，因为部件层70d整体上利用部件材料来打印，并且因为部件打印头18p是处于其操作模式中的当前打印头18，因而打印头18p可以按照指定的工具路径来打印部件层70d。在此时，因为不存在支撑结构72的其他层，所以将不存在在用于打印头18的操作模式和待机模式之间的进一步切换。尤其是，净化塔70可以在最高层处被终止，在该最高层处，存在材料改变(即，从部件材料切换到支撑材料，反之亦然)。因此，用于净化塔24的额外层不再是必要的，并且可以被省略。另一方面，如果用于支撑结构72的额外支撑层随后将被打印，那么净化塔的额外层可以利用部件材料与3D部件70的每一层一起被打印，直到需要下一个打印头切换和净化操作。
图7示出了用于以相同的方式打印3D部件20、支撑结构22和净化塔24的适当示例，其中3D部件20具有基部20a、轴部20b和外伸顶部20c。类似地，支撑结构22具有将基部20a支撑和锚定到构建基板44上的锚定部22a，以及支撑外伸顶部20c和封装轴部20b的上部22b。
如进一步所示，3D部件20和支撑结构22的层可以被组合成堆叠区域76a-76e。在堆叠区域76a处，层只包括用于锚定部22a的支撑材料。在此之上，在堆叠区域76b处，每个层都包括用于基部20a的部件材料和用于锚定部22a的支撑材料。然后，在堆叠区域76c处，层仅包括用于基部20a的部件材料。在此之上，在堆叠区域76d处，每个层都包括用于轴部20b的部件材料和用于上部22b的支撑材料。最终，在堆叠区域76e处，层仅包括用于外伸顶部20c的部件材料。
如上所示，对于净化塔74(如图6所示)，净化塔24的层还可以以基于堆叠区域76a-76e的层图案的方式在部件材料和支撑材料之间交错和交替。例如，在打印支撑结构22的锚定部22a的层之前，支撑打印头18s可以切换到其操作模式并且通过利用支撑材料将净化塔24的第一层打印在构建基板44上以执行净化操作。支撑打印头18s然后也可以利用支撑材料将锚定部22a的第一层打印在构建基板44上。
然后可以在堆叠区域76a中，对个每个层，重复净化塔24和锚定部22a的打印，其中，压印盘台架32可以在每个被打印层之间将压印盘30和构建基板44逐渐地下降单层增量。如此，可以整体地利用支撑材料来打印堆叠区域76a处的净化塔24的层，并且净化塔24优选地具有与锚定部22a的被打印层相同的高度。
在完成堆叠区域76a中的最后一层之后，压印盘台架32将压印盘30和构建基板44下降单层增量，因为下一层的增量(即，堆叠区域76b中的第一层)包括一层基部20a(即，部件材料)和一层锚定部22a(即，支撑材料)，所以情况发生改变。如此，因为支撑打印头18s是处于其操作模式的当前打印头18，所以支撑打印头18s可以利用支撑材料打印一层锚定部22a。打印头18然后可以被切换，从而支撑打印头18s进入到其待机模式，并且部件打印头18p进入到其操作模式。部件打印头18p然后可以通过利用部件材料来打印净化塔24的下一层而经历净化操作，并且然后打印用于基部20a的层。
在完成当前层之后，压印盘台架32将压印盘30和构建基板44下降单层增量，并且部件打印头18p可以利用部件材料来打印下一层基部20a。打印头18然后可以被切换，从而部件打印头18p进入到其待机模式，并且支撑打印头18s进入到其操作模式。支撑打印头18s然后可以通过利用支撑材料来打印净化塔24的下一层而经历净化操作，并且打印用于锚定部22a的层。
按照如上所述的用于部件层70a和70b、支撑层72c和72d(如图6所示)以及净化塔层74c和74d的相同图案，该来回切换然后可以对于每个层在堆叠区域76b中重复。如此，对于堆叠区域76b，净化塔24的层具有交错图案，所述交错图案在逐层基础上在部件材料和支撑材料之间来回切换。
在完成堆叠区域76b中的最后一层之后，压印盘台架32将压印盘30和构建基板44下降单层增量，因为下一层(即，堆叠区域76c中的第一层)只包括用于基部20a的部件材料，所以情况再次发生改变。如此，如果支撑件打印头18s当前是处于操作模式中的打印头18，那么打印头18可以被切换使得支撑打印头18s进入到其待机模式，并且部件打印头18p进入到其操作模式。部件打印头18p通过利用部件材料来打印下一层净化塔24而经历净化操作。
可选地，如果部件打印头18p当前是处于其操作模式中的打印头18，那么部件打印头18p可以维持在其操作模式中并且利用部件材料来打印下一层净化塔24以维持净化塔24的高度。部件打印头18p然后可以在堆叠区域76c中利用部件材料来打印基部20a和净化塔24的每个连续层，其中压印盘台架32可以在每个被打印层之间将压印盘30和构建基板44逐渐地下降单层增量。如此，净化塔24的在堆叠区域76c处的层可以全部利用部件材料来打印，并且净化塔24优选地具有与基部20a的被打印层相同的高度。
在完成堆叠区域76c中的最后一层之后，压印盘台架32将压印盘30和构建基板44下降单层增量，因为下一层(即，堆叠区域76d中的第一层)包括一层轴部20b(即，部件材料)和一层上部22b(即，支撑材料)，所以情况再次发生改变。如此，因为部件打印头18p在此时是处于其操作模式中的当前打印头18，所以部件打印头18p可以利用部件材料来打印轴部22b的第一层。
打印头18然后可以被切换使得部件打印头18p进入到其待机模式并且支撑打印头18s进入到其操作模式。支撑打印头18s然后可以通过利用支撑材料来打印净化塔24的下一层而经历净化操作，并且然后打印用于上部22b的第一层。然后，对于堆叠区域76d中的每个层，可以重复如上所述的用于堆叠区域76b的相同的来回切换。如此，对于堆叠区域76d，净化塔24的层具有在逐层基础上在部件材料和支撑材料之间来回切换的交错图案。
在完成堆叠区域76d中的最后一层之后，压印盘台架32将压印盘30和构建基板44下降单层增量，因为下一层(即，堆叠区域76e中的第一层)只包括用于外伸顶部20c的部件材料，所以情况再次发生改变。如此，如果支撑打印头18s当前是处于其操作模式中的打印头18，那么打印头18可以被切换使得支撑打印头18s进入到其待机模式，并且部件打印头18p进入到其操作模式。部件打印头18p通过利用部件材料来打印下一层净化塔24而经历净化操作。
可选地，如果部件打印头18p当前是处于其操作模式中的打印头18，那么部件打印头18p可以维持在其操作模式中并且利用部件材料来打印下一层净化塔24以维持净化塔24的高度。部件打印头18p然后可以在堆叠区域76e中利用部件材料来打印外伸顶部的每个连续层，其中压印盘台架32可以在每个被打印层之间将压印盘30和构建基板44逐渐地下降单层增量。
在此时，因为不存在支撑结构22的随后层，所以不需要打印净化塔24的额外层，如图所示。如上所述，净化塔24可以被停在最高层处，在该最高层处存在材料改变(即，从部件材料切换到支撑材料，或者反之亦然)。如此，如果部件打印头18p需要被被切换到其操作模式以用于净化操作，则在堆叠区域76e处，净化塔只需要单一部件材料层。否则，净化塔24的随后层可以被省略以减少材料消耗和打印时间。
如上所述，3D部件20优选地被打印在一层或多层支撑结构22上(即，锚定部22a)以将3D部件20锚定到构建基板44。这能够有助于在打印操作期间降低3D部件20的卷曲。然而，可选地打印指令可以产生如下的情况，即待被打印在构建基板44上的第一层包括用于3D部件(即，部件材料)的工具路径和用于支撑结构(即，支撑材料)的工具路径。在此情况下，两个净化操作将用于打印第一层。
然而，因为净化塔24需要以与3D部件/支撑结构相同的层速率生长，所以两个净化操作不能被堆叠在净化塔24上。替代地，如图8所示，净化操作中的一个将需要与净化塔24的第一层横向相邻的第二工具路径位置(如单一层78)。剩下的净化操作然后可以被打印在净化塔24的第一层的顶部上。
可选地，如图9所示，可以使用两个或多个生长的净化塔(称为净化塔24p和24s)。在该实施例中，可以整体地利用部件材料来打印净化塔24p，并且可以整体地利用支撑材料来打印净化塔24s。如此，对于3D部件20和/或支撑结构22的每个层而言，用于净化塔24p的一层部件材料被打印，并且用于净化塔24s的一层支撑材料被打印为。如可以理解的那样，与如上所示的具有一体化部件/支撑材料净化塔24的实施例相比，该实施例不是优选的，但是可以用作用于执行净化操作的可用替换例。
图10和11示出了用于净化塔24的可选实施例，该实施例包括一对内壁54a和54b以替代单个内壁54。如图11所示，该实施例的净化塔24的每个层可以利用工具路径58来打印，该工具路径58起始于起始顶点60处，并且按照工具路径段58a-58f和围绕角部顶点62a-62e来打印一段部件材料或支撑材料，直到到达终止顶点64。如此，在该实施例中，起始顶点60和终止顶点64都位于内部体积56之内。
这对于包含任何过量的拉丝是有利的，所述拉丝可能在挤出终止之后在内部体积56中的区域中发生，并且所述拉丝可能在起始点处发生，如上所述。在该实施例中，终止顶点64还可以可选地用作另一角部顶点，工具路径58可以如工具路径段58g所示被引导通过层24a的顶部以到达位于净化塔24的外部的随后的终止顶点66，以在工具路径段58d处沿着外周壁52擦拭以擦拭打印头18的喷嘴18e(或者沿着外周壁52的任何其他适当位置)。如此，在该实施例中，净化塔24还可以用作末端擦拭装置，该末端擦拭装置进一步地排出了对分开的净化站的需求。
在一些实施例中，***10可以使用如在以下专利申请中所公开的台架以连续构建的方式***作：诸如Crump等人的13/587,009号美国专利申请；Swanson等人的13/587,012号美国专利申请；以及Mannella的13/587,015号美国专利申请。在这些实施例中，分开的净化塔24可以与每个随后的3D部件一起使用，并且可以与每个随后的3D部件一起被形成在启动楔形件上。
因此，对于在不需要使用分开的净化塔的情况下实现净化塔的上述的期望功能而言，本公开的用于通过打印一个或多个净化塔(例如，净化塔24和74)而执行净化操作的方法是有利的。另外，因为净化塔(例如，净化塔24和74)被生成为3D部件/和支撑结构，因而所述净化塔完全通过控制器46和/或计算机50的软件/固件改变而不是通过硬件改变以被执行。如此，上述的方法可以很容易地被翻新成用于立即使用的当前的增材制造***。这与对于建立增材制造***的打印工厂而言是尤其有用的，该工厂需要***的全自动化以在延长的持续期间(例如，几天、几周或几个月)内打印大量的3D部件。
虽然已经参考优选的实施例描述了本公开，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本公开的精神和范围的基础上可以对形式和细节做出改变。

Claims (20)

1.一种用于利用增材制造***打印三维部件的方法，所述方法包括以下步骤：
利用多个打印头或者沉积管线使用基于分层的增材制造技术来打印三维部件的层或用于三维部件的支撑结构的层；
在三维部件的层和支撑结构的层的打印中间，在待机模式和操作模式之间切换打印头或沉积管线；
为被切换到操作模式的每个打印头或沉积管线执行净化操作，其中，净化操作包括利用被切换到操作模式的打印头或沉积管线打印至少一个净化塔的层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个打印头或沉积管线包括第一沉积管线和第二沉积管线，其中，在待机模式和操作模式之间切换沉积管线的步骤包括：
将第一沉积管线从待机模式切换到操作模式；以及
将第二沉积管线从操作模式切换到待机模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个打印头或沉积管线包括第一打印头和第二打印头，其中，在待机模式和操作模式之间切换打印头的步骤包括：
将第一打印头从待机模式切换到操作模式；以及
将第二打印头从操作模式切换到待机模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中打印所述至少一个净化塔的层的步骤包括：
沿着起始顶点和第一角部顶点之间的第一工具路径段进行打印；
沿着从第一角部顶点到终止顶点的一个或多个额外工具路径段进行打印，所述一个或多个额外工具路径段在构建平面中至少局部地包围第一工具路径段。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个净化塔具有在沿着垂直于构建平面的轴线的高度上减小的横截面面积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个净化塔在最高层处被终止，在所述最高层处，三维部件的被打印层和支撑结构的被打印层存在材料改变。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
生成用于打印三维部件的层和支撑结构的层的工具路径指令；以及
生成用于打印所述至少一个净化塔的层的工具路径指令。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在打印三维部件的层的一部分之后，或者在打印支撑结构的层的一部分之后，或者在打印三维部件的层的一部分和打印支撑结构的层的一部分之后，执行用于打印所述至少一个净化塔的层的工具路径指令的生成步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在打印三维部件的层和支撑结构的层之前，执行用于打印所述至少一个净化塔的层的工具路径指令的生成步骤。
10.一种利用增材制造***打印三维部件的方法，所述方法包括下述步骤：
使第一打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式；
使用处于操作模式中的第一打印头或沉积管线利用支撑材料打印净化塔的第一层；
在打印净化塔的第一层之后，使用处于操作模式中的第一打印头利用支撑材料打印支撑结构的层；
使第二打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式；
使用处于操作模式中的第二打印头或沉积管线利用部件材料打印净化塔的第二层；以及
在打印净化塔的第二层之后，使用处于操作模式中的第二打印头利用部件材料打印三维部件的层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使第一打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式的步骤包括加热第一打印头或沉积管线的液化器组件。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在使第二打印头或沉积管线从待机模式进入到操作模式的同时，使第一打印头或沉积管线从操作模式进入到待机模式；
使第一打印头或沉积管线从待机模式返回到操作模式；
使用返回到操作模式的第一打印头或沉积管线利用支撑材料来打印净化塔的第三层；
在打印净化塔的第三层之后，使用返回到操作模式的第一打印头利用支撑材料来打印支撑结构的层。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括打印净化塔的额外层，使得净化塔在垂直于构建平面的方向上维持与三维部件和支撑结构的被打印层的高度相同的高度。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，打印一个净化塔的第一层和第二层的步骤分别包括：
沿着起始顶点和第一角部顶点之间的第一工具路径段进行打印；
沿着从第一角部顶点到终止顶点的一个或多个额外工具路径段进行打印，所述一个或多个额外工具路径段在构建平面中至少局部地包围第一工具路径段。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个额外工具路径段在构建平面中限定钻石形图案。
16.一种利用增材制造***打印三维部件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)打印用于三维部件的支撑结构的第一层；
(b)利用部件材料打印净化塔的第一层；
(c)在打印净化塔的第一层之后，利用部件材料在支撑结构的第一层的至少一部分上打印三维部件的第一层；
(d)利用支撑材料打印净化塔的第二层；以及
(e)在打印净化塔的第二层之后，利用支撑材料在三维部件的第一层的至少一部分上打印支撑结构的第二层。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括针对三维部件和支撑结构的至少一部分重复步骤(b)-(e)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，净化塔的层的至少一部分在逐层基础上在部件材料和支撑材料之间交错。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，净化塔包括利用单一工具路径打印的外周壁和内壁，其中，对于净化塔的每个被打印的层，在打印外周壁之前打印内壁。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，外周壁在构建平面中限定钻石形的横截面形状。
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