CN109396330A - 使用增材制造进行熔模铸造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用增材技术熔模铸造的方法。一方面，该方法包括：利用可在计算机设备上执行的一个或多个软件工具创建建筑组件的数模，将该数模导入到增材制造设备中；根据数模，控制增材设备创建第一实体样本；利用第一实体样本作为模板创建第一凹模，创建的第一凹模具有一基本由第一实体样本外形轮廓定义的空腔；利用第一凹模创建第二实体样本；合围第二实体样本创建第二凹模；利用第二凹模制造一铸件；并通过精修铸件生产建筑组件。

Description

使用增材制造进行熔模铸造的方法

技术领域

本发明涉及使用增材制造进行熔模铸造的方法。更进一步地，本发明涉及使用增材制造进行熔模铸造的方法生产建筑构造中的建筑构件，该建筑构件具有高度复杂的几何形状。

背景技术

目前存在多种制造三维(3D)固体物件(例如，建筑构件)的方法。这些方法一般可以分为减材制造和增材制造。

减材制造是通过连续地切掉一个实心固体块的材料来构造3D物体。该制造方法可以通过人工手动切削材料，更典型的是使用数控机床(CNC)。例如，使用CNC可以把增强玻璃纤维混凝土(GRFC)通过铣加工成简单的3D形状。因为其弯曲强度差，因此，GRFC板通常比较厚，也没有复杂的3D形状。

另一方面，增材制造，通常称作3D打印，通常在计算机的控制下通过连续生成的材料(例如塑料、金属、混凝土等)层构造3D物体。这些3D形状几乎可以是由3D数模或其他电子数据格式形成的任何形状和几何结构。

例如，直接金属激光烧结(DMLS)是一种增材制造技术，其利用激光束生成立体构件。DMLS***发射激光束到金属粉末的基床上，自动瞄准3D数模定义的空间点位，通过将材料熔化并焊接在一起而制造立体构件。通过选择材料，DMLS可以制造非常复杂形状的3D物体。目前，根据DMLS***最新技术水平，其支持的最大建造体积大约是10.00in.×10.00in.×8.70in，而且DMLS非常昂贵。因为一个典型的建筑构件，例如外墙板，可能有3m x 2m(或118in.×79in.)大，其显然超过了DMLS的最大可支持建造体积，用DMLS制造用于建筑构造中的建筑构件(例如外墙板)是不现实的。

许多其他的增材制造技术可用于3D物体的制造。例如，熔丝沉积成型(FDM)是一种增材制造技术，其通常用于制作模型，样机研究，和产品应用。FDM情况下，材料在喷嘴处加热，从喷嘴中抽出，然后一层层沉积。该喷嘴能够水平移动，在每一新层沉积后工作台垂直的上下移动。另外，光固化成型是一种通过一层一层成型的增材制造技术，其用于制造模型，原型设计，图样和产品部件。SLA通过光聚合形成聚合物，光聚合是光促使分子链链接在一起的一个过程。此外，选择性热烧结是又一种增材制造方法，其使用热敏打印头加热热敏塑料粉末层。当一层完成后，粉末床将向下移动，且有一个自动化的滚筒添加新的材料层，该新的材料层被烧结形成模型的下一个横截面。然而，由于材料的使用受限于塑料(例如ABS、PVC等)，树脂，和粉末，因此，以上没有一种方法可以用于直接打印建筑/外墙材料。

鉴于此，需要开发一种能够制造用于建筑构造的大尺寸建筑组件(例如侧向尺寸(长或宽)至少大于1米)的新方法，该构建具有高度复杂的几何形状。

发明内容

本发明提供了一种熔模铸造的方法，其为一种用于制造建筑构件的增材制造方法。本发明揭露了组合大尺寸3D打印技术和铸造成型技术。通过本专利发明的揭露，大尺寸建筑构件变得可大规模定制且价格可负担，通过该技术使快速且低成本的设计复杂建筑构件成为可能。

一方面，本发明提供了利用增材制造技术的熔模铸造方法。该方法包括：利用在计算机设备上可执行的一种或多种软件工具创建一个建筑构建的数模，并将该数模导入一个增材制造装置中；根据该数模，通过控制增材制造设备生产出第一个实体样本；使用第一个实体样本作为模板创建第一个凹模,该凹模具有一个基本由该第一实体样本的表面轮廓定义的空腔；使用第一凹模生产第二实体样本；通过合围该第二实体样本，从而创建第二凹模；使用第二凹模铸造一个铸件，并通过精修铸件生产建筑组件。

在一个实施例中，创建的该数模根据该数模预定义的边界规则被分为多个数模部件，因此，每一个相邻的数模部件边界具有互补的形状。

在一个实施例中，该互补的形状包括线形，正弦波形，方波形，锯齿形，和随机的锯齿形中的一种。

在一个实施例中，创建第一实体样本包括：根据该数模部件，通过控制一个或多个增材设备创建该第一实体样本的组件，每一个数模部件分别定义该第一实体样本的一个组件；通过组合该些组件形成该第一实体样本。

在一个实施例中，控制增材制造设备包括连续地使用塑料材料层构造第一个实体样本。

在一个实施例中，创建第二实体样本包括：向第一凹模的空腔中注入热液材料；并使该热液材料冷却且凝固在该空腔中，从而形成第二实体样本。

在一个实施例中，热液材料包括熔点低于100℃的可铸造材料(例如蜡)。

在一个实施例中，在第二凹模中创建铸件包括：加热第二凹模到一定的温度，从而使第二实体样本融化在第二凹模中，将第二实体样本从第二凹模中排出，从而在第二凹模中形成一个空腔；向第二凹模的空腔中注入热液材料，并填满该空腔；使该热液材料冷却并固化形成一固体物件，该固体物件的形状与数模定义的形状基本一致；然后从第二凹模中驱出该固体物件，即形成铸件。

在一个实施例中，注入热液材料包括注入一种熔点远高于100℃的建筑材料。

在一个实施例中，建筑材料包括金属、玻璃、陶瓷和混凝土中的一种。

在一个实施例中，精修铸件包括根据精修设计的需要对铸件进行抛光。

在一个实施例中，精修铸件包括给铸件涂敷一层增加其耐久性的保护层。

在一个实施例中，创建第一实体样本包括创建与数模定义尺寸一致的1：1比例的第一实体样本。

在一个实施例中，第一实体样本具有至少1米的横向尺寸。

另一方面，本发明揭露了一种利用增材制造的熔模铸造方法。该方法包括：使用在计算机设备上可执行的一个或多个软件工具创建建筑构件的数模，并将数模导入增材制造设备中，该数模包括多个数模部件，其中相邻的数模部件的边界具有互补的形状。根据数模部件，通过控制一个或多个增材制造设备创建第一实体样本的组件，每一数模部件分别定义第一实体样本的一个的组件，然后连接该些组件形成第一实体样本；利用第一实体样本作为模板创建第一凹模，第一凹模具有一个基本由第一实体样本的表面轮廓定义的空腔；利用第一凹模创建第二实体样本；通过合围第二实体样本，从而创建第二凹模；利用第二凹模创建一铸件；通过精修该铸件生产建筑组件。

在一个实施例中，该互补的形状包括线形、正弦波形、方波形、锯齿形、和随机锯齿形中的一种。

在一个实施例中，控制所述的一个或多个增材制造设备包括，一种情况是，一个或多个增材制造设备连续使用塑料材料层构造第一实体样本的一个组件。

在一个实施例中，创建第二实体样本包括：向第一凹模空腔中注入热液材料；使热液材料冷却并和该空腔凝固在一起，从而形成第二实体样本。

在一个实施例中，热液材料包括熔点低于100℃的可铸造材料(例如蜡)并且。

在一个实施例中，在第二凹中创建模铸件包括：加热第二凹模到一定的温度，从而使第二实体样本融化在第二凹模中，将第二实体样本从第二凹模中排出，从而在第二凹模中形成一个空腔；向第二凹模的空腔中注入热液材料，并填满该空腔；使该热液材料冷却并固化形成一固体物件，该固体物件的形状与数模定义的形状基本一致；然后从第二凹模中驱出该固体物件，即形成铸件。

在一个实施例中，注入热液材料包括注入一种熔点远高于100℃的建筑材料。

在一个实施例中，建筑材料包括金属，玻璃，陶瓷和混凝土。

在一个实施例中，精修铸件包括根据精修需要对铸件进行抛光。

在一个实施例中，精修铸件包括给铸件涂敷一层增加其耐久性的保护层。

在一个实施例中，创建第一实体样本包括创建与数模定义的尺寸1：1比例的第一实体样本。

在一个实施例中，第一实体样本具有至少1米的横向尺寸。

另一方面，本发明揭露提供了一种创建一物体的熔模铸造模具的方法。该方法包括：储存多个数字子组件模型到一非易失性计算机存储介质上，每一个数字子组件模型是物体的一个部分的建模；利用至少一个增材制造设备生成多个物理子组件，每一个物理子组件是由与该多数个子模型对应一致的数字子模型生成的。将该多个物理子组件作为模板创建第一凹模，第一凹模具有一与该物体外形轮廓定义基本一致的空腔；利用第一凹模创建第二实体样本；通过合围该第二实体样本，从而创建第二个凹模。

在一个实施例中，该方法进一步包括，在创建第一凹模之前，将所述的多数个物理子组件连接在一起，从而基本定义物体的外形轮廓。

在一个实施例中，在所述的多个物理子组件中的两个相邻的物理子组件的边界具有规则的图样形状。

在一个实施例中，在所述的多个物理子组件中的两个相邻的物理子组件的边界具有不规则的图样形状。

在一个实施例中，连接所述的多个物理子组件包括将所述的多个物理子组件中的相邻的两个物理子组件紧扣在一起。

在一个实施例中，创建第一凹模包括：创建多个子模具，每一个子模具利用相应的物理子组件作为子模板，该物理子组件来自于所述的多个物理子组件；链接该些子模具构成第一凹模。

附图说明

根据本发明所述的一个实施例，图1是一个流程图，图解了熔模铸造生产建筑组件的方法。

根据本发明所述的一个实施例，图2图解了生产外墙板的过程，图中的流程为：1、计算机辅助设计，在电脑上设计任何你能想到的形状；2、塑料打印：大尺寸3D打印机，使用1:1比例，如果需要的尺寸超过了打印机的打印范围，在这中情况下，可以将多个单片粘在一起；3、为蜡建模：为蜡创建一个凹模；4、蜡模型：该模型可以反复使用；5、去蜡：使用热阻材料为蜡创建一个模，然后加热该模使蜡熔化并流出；6、倒材料：向该模中倒入热液材料；7、成品：成品铸件可以根据设计需要进行抛光处理；8、高性能集成墙：成品铸件用于为墙板，高性能集成墙的一部分。

根据本发明所述的一个实施例，图3图解了生产自适应连接头的过程，图中的流程为：1、计算机辅助设计：设计用于连接3D外墙板和结构墙的自适应连接头；2、塑料打印：大尺寸3D打印机，使用1:1比例；3、为蜡建模：为蜡创建一个凹模；4、蜡模型：该模型可以反复使用；5、去蜡：使用耐热材料为蜡创建一个模，然后加热该模使蜡熔化并流出；6、倒液体材料：向该模中倒入热液材料；7、成品：成品铸件可以根据设计需要进行抛光处理；8、安装：该自适应连接头能够适应复杂的表面，连接复杂形状的外墙板。

根据本发明所述的一个实施例，图4图解了以自由形式生产复杂3D结构的过程，图中的流程为：1、计算机辅助设计：设计复杂形状的结构组件；2、塑料打印：大尺寸3D打印机，使用1:1比例；3、为蜡建模：为每一个单件创建一个凹模；4、蜡模型：该模型可以反复使用；5、去蜡：使用耐热材料为蜡创建一个模，然后加热该模使蜡熔化并流出；6、倒液体材料：向该模中倒入热液材料；7、成品：成品铸件可以根据设计需要进行抛光处理；8、安装并做最终的精修：将大量结构组件的单件进行装配，连接，然后精修成为成品。

根据本发明所述的实施例，图5图解了两个相邻的数模部件的典型的边界形状，该数模由被生产的3D固体物件定义。

具体实施方式

本发明提供了一种利用增材制造进行熔模铸造的方法，用于生产，例如大尺寸建筑组件(例如具有大尺寸，例如长或宽至少大于1米)。根据本发明揭露的方法，大尺寸的建筑组件变成可大规模定制且价格可承受。

一般来说，大规模定制化是针对大量定制化的产品，该大量定制化的产品消除了传统大量生产方法的刚性。设计或生产过程可以容易地改变而不增加额外的生产成本，甚至在投入生产线以后。随着像3D打印数字工具的出现，具有上百个步骤和组件的复杂设计和生产线(例如汽车引擎)能够简化为很少的部件，从而简化并革新了设计生产过程。

铸造通常涉及到向具有空腔的模具中倾倒热液材料(例如熔融金属)的步骤。然后，该热液冷却并凝固在模具的空腔中，从而形成所需形状的固体物件。最后，该固体物件被从模具中驱出。模具的形状可以由一次性的图样定义(例如蜡制的样本)。这项技术通常被称作熔模铸造或脱蜡铸造。一次性图样可以是手工雕刻蜡块制成，或者通过向机械加工的图样钢模中注射液蜡材料制成。图样从图样钢模(其与蜡样本的三维一致)中被生产出来，然后从模具中融化或烧掉。因此，图样具有需要完成部件的形状。例如，参见1989年7月4日授权的美国专利No.4,844,144，该专利由墨菲等人撰写，全部内容被引用。

根据本发明所述的一个实施例，图1是一个流程图，图解了熔模铸造生产建筑组件的方法。根据本发明所述的一个实施例，图2图解了生产外墙板的过程。为了清晰并简单的说明，下面将同时讨论图1和2。根据图1和2，在步骤110中，根据要生产的3D固体物件创建数模112。数模112可以使用一个或多个计算机软件包创建，例如计算机辅助设计工具(CAD)，并以适当的电子文档格式保存在计算机存储设备10中。在可选实施例中，数模112可以通过3D扫描艺术家的一件手工雕刻作品创建。

在一个实施例中，数模112可以利用跨平台的方法设计，例如，利用复合CAD工具。典型地，建筑设计基于非均匀有理B样条理论(NURBS),参数化软件(例如Rhinoceros 3D环境下运行的Grasshopper插件或者达索***公司的CATIA)。NURBS是一个普遍用于计算机绘图的数学模型，用于生成或呈现曲线或曲面。在参数化软件中，3D模型的表面可以由数学公式定义，通过改变公式的参数调整3D模型的表面。

板嵌是将大的复杂的建筑体分解成可建造尺寸板(例如1平方米)的过程。然而，在基于软件的NURBS中没有嵌板特性。而且，细分软件中，例如Autodesk公司的Maya软件和Luxology公司的Modo软件，也通常不用于建筑工业中。因此，同时具备参数化设计软件(例如Grasshopper)和细分法软件(例如Modo)的特点，一种基于细分几何学的完美的工作方法已被开发出来。

在一个实施例中，使用基于细分的或Catmull-Clark算法细分的软件(例如Maya或Modo)，不同的建筑嵌板以网格的形式(例如四边形或方形网格)被数字化创建。网格是3D文件中最小单位，因为它在三维坐标系(例如直角坐标系、柱面坐标系或球面坐标系)中仅仅指示顶点。Catmull-Clark细分是应用于计算机绘图的一项技术，可以通过细分曲面模型创建平滑的曲面。向像Rhino软件的参数化软件中导入网格去重建。然后，在参数软件(例如Grasshopper)中，网格顶点作为关键参数被指示。在一个实施例中，在参数化软件中，每一个网格仍然保持为一个网格，而不是被转化为数学公式。

在一个实施例中，移动被参数控制的顶点(例如，使用一个吸引者点)，从而允许不同的变化和变形作用。也就是，网格形式数字化的板可以变化为不同的形状，而且每一个数字化板最终可以有不同的形状，而不是分享相似的板(例如大量定制)。最终的网格被重新导入基于细分法的软件(例如Modo)之中，最后调整网格转变为光滑的有机形状。最终的细分几何结构具有光滑的有机形状，然后可以导出成为预先定义好的数学格式，例如，NURBS,“.OBJ,”and“.STL”，其可以直接导入到3D打印机设备中进一步加工。

还是参考图1和2，在120步骤中，数模112被传输或导入3D打印设备20中用于创建第一实体样本122，第一实体样本122与数模112定义的尺寸和形状基本一致(例如1：1比例)。基于数模112，通过连续地叠加多层3D打印材料，编程后的3D打印设备20创建第一实体样本112。在一个实施例中，第一实体样本122的3D打印材料包括硬质塑料材料。需注意的是，根据使用的3D打印技术，对于FDM打印机，第一实体样本122的原料可以包括聚乳酸(PLA)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，对于SLA打印机，第一实体样本122的原料可包括树脂。

在具体实施例中，数模112定义的3D物体可能太大而不能用现有的3D打印设备20进行3D打印。因此，对第一实体样本122进行单批次的3D打印是难以实现的。因此，可以将数字模型112分为多个部分，每个部分用3D打印设备20进行打印。这些部分可以作为第一实体样本122的组件被单一的3D打印设备20打印出来。例如，这些组件可以分别通过多个3D打印设备20同时地、连续地打印出来，当然，分散的组件也可以以任何其他合适的方式打印出来。然后，3D打印的组件组合起来便可形成完整的第一实体样本122了。根据用于生产出第一实体样本122的材料特性，第一实体样本122的组件可以通过任何适当的方法进行组装，如冲压、机械紧固、粘结、焊接、热熔等等。

为了分别地创建第一实体样本122的组件，可以使用可执行软件包将数模113分成多个部件，例如，计算机10上每个部件与第一实体样本122的各个组件一一对应。数模112的每一个部件可以根据原始数模122生成，并传输到或导入一个或多个3D打印设备中创建第一实体样本122相对应的组件。

在一些实施例中，根据数模112预定好的边界规则，计算机10上的可执行软件包用于生成数模112的多个部件。因此数模112的相邻部件可以形成形状互补的边界。根据本发明实施例，图5图解了数模112中两个相邻部件512A和512B的典型边界形状。数模112中两个相邻部件512A和512B的边界可以用任何适当的方式来进行定义。在一些实施例中，该边界形状可以专门设计为规则的形状502，504(例如线形、正弦波形、方波形等)，或不规则的形状506(例如一个随机的锯齿状)。在一些实施例中，这些边界可以相互紧扣。在一些实施例中，如果有需要，第一实体样本122的每一个组件都能够根据相应的数模112的各自部件获得，其包含专门设计成形的边界。专门设计成形的边界可以增加第一实体样本122的两个相邻组件的接合面积，从而增加结合的结构强度。在其他实施例中，当生成数模112的部件时，根据预先设定的连接形式，例如，拼合接头，边界规则可以定义数模112相邻的两个部件的边。

在某些实施例中，根据在计算机10上的初始设定，3D打印设备20可以收到完整的数模112。在3D打印第一实体样本122之前，根据上面的描述，利用在3D打印设备20上可执行的软件包，根据收到的数模112应用的边界规则，3D打印设备20可以将数模112转化成多个部件。

在步骤130中，利用第一实体样本122作为模板创建第一凹模132，使第一凹模132中形成一空腔。第一凹模132的空腔外形状与第一实体样本122的表面轮廓基本相同。在这种情况下，第一实体样本122的多个组件分别地被3D打印，根据第一实体样本122的多个组件的各自的一个，多个第一凹模132被创建。在这个情况下，多个第一凹模132可以被连接成为一个大尺寸的凹模，该凹模具有和由数模112定义的基本一样的空腔。为了降低粗糙程度多个第一凹模132的边界可被抛光和精制。

为了方便使用空腔，一个或多个输入管道134可以引入第一凹模132。输入管道134可以在第一凹模132上钻孔形成，或其他合适的方法。第一凹模132可使用硅胶材料，该硅胶材料是一种常用于铸造蜡模具用材料，或可使用橡胶，该橡胶是一种更便宜的可选材料，或可使用其他可替代的材料。在一些实施例中，第一凹模132的材料熔点高于热液材料142(在步骤140中介绍的)。

在步骤140中，通过第一凹模132上的输入管道134，热液材料142被注入第一凹模132的空腔中，从而充满整个空腔。在一个实施例中，热液材料包括有机材料(例如，蜡)，该材料可以在室温下形成疏水性的且可塑的固体。在一个实施例中，该有机材料具有40℃到80℃的熔点，或熔点低于100℃。热液材料142被冷却并固化在在第一凹模132的空腔中，从而形成第二实体样本144(或蜡复制品)。然后，将第二实体样本144从第一凹模132中移出。

在步骤150中，通过合围第二实体样本144创建第二凹模152。在一个实施例中，第二凹模152由耐热材料制备(例如陶瓷、石膏、沙子等)，且包含一个输出通道154和一个输入通道156。在某些实施例中，输入通道156和输出通道154可能是同一个。在一个实施例中，甚至当温度高于1000℃时，耐热材料可能还是固体状态。依据将被铸造的材料特性来确定第二凹模152的耐热材料。第二凹模152的耐热材料的熔点必须显著高于将被铸造的材料的熔点。例如，铝具有大约660℃的低熔点，因此，可在大多数材料类型的模中被铸造。然而，不锈钢具有1300℃的熔点，高于石膏的熔点1200℃(可工作温度大约1200℃)。因此，不锈钢不能在石膏模具中被铸造，必须在具有更高熔点的模具中被铸造，例如沙模。

需要注意的是，在某些实施例中，不需要实施步骤130和140，第二凹模152可以直接由第一实体样本122制备。也就是，依靠3D可打印材料(例如塑料或蜡)，第一实体样本122可能直接被3D打印成足够大尺寸，从而直接制备第二凹模152，这样可省去步骤130和140。也需要注意，在其他特定的实施例中，步骤130和140可能需要反复实施。

在步骤160中，通过加热第二凹模152到一定温度，从而使第二凹模152中的第二实体样本144液化。结果是，通过输出通道154，液化的第二实体样本144流动并被排出第二凹模152，从而在第二凹模152中形成一个空腔。该空腔的形状和第二实体样本144表面轮廓基本一致。

在步骤170中，通过输入通道156，热液材料172被注入第二凹模152的空腔中,从而填满整个空腔。然后热液材料172冷却固化成一个与数模112定义的形状基本一样的固体物件174。为了进一步加工，该固体物件174被从第二凹模中驱出。在不同的实施例中，热液材料172可能是具有高熔点的建筑材料，例如，金属(例如银、金、黄铜、青铜、锡、铝等)，玻璃，陶瓷，混凝土或类似物。在一实施例中，建筑材料的熔点范围大约为200℃到2000℃，或者明显高于100℃。值得注意的是，热液材料172的熔点一定要明显低于第二凹模152多用热阻材料的熔点。

在步骤180中，固体物件174根据成品需要被抛光或者为了增加耐久性被涂覆一保护层(例如一层或多层耐蚀漆)，从而形成成品182。在一个实施例中，成品182可以是附属于外墙装配线184的外墙板，通过墙箍186将其安装到建筑结构上。根据本发明技术，外墙板可以被制成复杂的3D结构和图样，同时依然具有保护建筑的功能。

根据本发明的一实施例，图3图解了制造自适应连接头的过程。图3呈现的过程与图2相似，只是将外墙板换成了自适应连接头。自适应连接头是一个结构细部，它用于将外墙板连接在结构墙上。使用本发明方法，可以创建高度复杂的自适应连接头，因此，根据不同的情景，自适应连接头能够适应复杂建筑物表面的不同情况。

参考图3，在步骤310中，利用一个或多个CAD工具，一个或多个用于建筑物的自适应连接头被数位化地设计成数模320。在步骤320中，数模312以一层接着一层的方式导入大尺寸的3D打印机中生产，第一实体样本322尺寸和设计尺寸一致(例如1:1比例)。在一实施例中，第一实体样本322包含硬质塑料材料。在步骤330中，第一凹模332被创建成具有一个由第一实体样本322定义的空腔。在步骤340中，液体材料(例如蜡)342被注入该空腔中，从而制备第二实体样本344。在一实施例中，包含可铸造材料(例如蜡或可铸造塑料)的第二实体样本344复制第一实体样本322。

再次参考图3，在步骤350中，通过合围一个或多个第二实体样本344，使用耐热材料制备第二凹模352，并加热使可铸造材料复制品流出，从而在第二凹模352中留下一空腔。在步骤360中，热液材料(例如金属)362注入第二凹模352的空腔中，然后冷却并固化。在步骤370中，固化的铸件372被从第二凹模352中驱出，然后，被抛光或涂覆，使得被设计的自适应连接头382，从而使其满足精修设计或耐久性的需要。在步骤380中，自适应连接头382用于连接3D外墙板384和结构墙386，两者均为复杂形状的建筑组件。在一个实施例中，自适应连接头382的在某个维度上(例如长或宽)小于1米。

鉴于自适应连接头可以这样制造，根据重力和/或侧向力的角度，外墙连接到建筑墙面的结构细部可以任意调整。例如，外墙板能够延伸进屋顶并超过天花板的范畴。需要注意的是同样的方法可以应用于其他建筑组件，例如，建筑结构和室内设计。

图4图解了根据图1所示的本发明的方法自由的制造复杂3D结构的过程。图4所示的过程和图2和3所示的类似，仅仅是复杂3D结构组件代替了外墙板和自适应接头。

参考图4，在步骤410中，利用一个或多个CAD工具将此处的复杂3D结构和组件数位化设计成数模412。根据3D结构的水平特性(例如列)，该设计可以被分为最长尺寸不超过4米的不同部件。在步骤420中，数模412注入到一个或更多的3D打印机中生产，一层接一层，第一实体样本422的尺寸和设计尺寸一致(例如1:1比例)。在一实施例中，第一实体样本422包括第一结构躯干样本422A和第一结构分枝样本422B，其都包含硬质塑料材料。在步骤430中，一个或更多的第一凹模432被创建，每一个凹模432具有一被相应的第一结构躯干样本422A和第一结构分枝样本422B定义的空腔。在步骤440中，液体材料442(例如液蜡)注入第一凹模432的空腔中，从而制备第二实体样本444，包括第二结构躯干样本444A和第二结构分枝样本444B。在一实施例中，包含可铸造材料(例如蜡)的第二结构躯干样本444A和第二结构分枝样本444B复制第一结构躯干样本422A和第一结构分枝样本422B。

再次参照图4，在步骤450中，利用耐热材料制备一个或多个第二凹模452，每一个第二凹模452合围一个或多个第二样本444，然后加热使可铸造复制材料流出，从而在第二凹模452中留下一个空腔。在步骤460中，热液材料(例如金属)462被注入第二凹模452的空腔中，冷却并固化。在步骤470中，固化的铸件472被从第二凹模452中驱出，然后进行抛光或涂覆，从而使设计的结构组件(例如结构躯干472A和结构分枝472B)满足精修设计和耐久性的需要。在步骤480中，结构躯干472A和结构分枝472B连接在一起(例如通过焊接)，以便形成复杂3D结构482需要的成品。在一实施例中，复杂3D结构482可以在某个维度上(例如高)超过1米。

综上，本领域具有一般技能的人会发现本发明所述的方法是有益的，因为建筑组件能够以自由的形状且高度客制化的方式进行3D打印，而且可以选择材料，并能够适用于完整的结构。建筑不再需要被设计或建设成矩形和/或盒子型的堆叠。建筑元素的制造约束减少，例如正面，构造和内部空间，允许更多的创造性和多样性。外墙板不再是矩形板——可以是具有复杂装饰的三维形状。构造柱不再需要是简单的柱形。具有复杂形式和形状的建筑组件，尺寸大约4m×3m×3m，可以更大或更小，均可以根据本发明制造。因此，在建筑领域可以建立新的标准。例如，空间框架可以被设计具有复杂的细节和装饰，而且价格和效率都与现有技术相似。

另外，本发明的方法在3D打印外墙板(用塑料或其他材料)中是有益的，可以通过焊接或其他方式连接成大尺寸的模具，从而为最终的铸件创建凹模。这样消除了3D打印存在的尺寸限制。

在材料方面，特性建筑的惯例是使用铸铁、玻璃或石头建造正面。一旦模具和/或塑料样本制备好，就可以反复使用。根据本发明，用更低的成本设计和建造更好的建筑成为可能。以使用金属为例，并不限于建筑物正面或内墙，还可以适用于其他的构造，例如围栏或者其他的建筑组件。在建筑行业中，现有3D打印的尺寸不到0.1立方公尺，而且仅仅用于小物件，例如门把手。

而且，使用传统的3D打印技术进行制作非常昂贵。例如，使用DMLS技术，打印一个物件需要24小时，而且不容易重复。根据本发明，3D打印技术不再受尺寸的限制，而且可以更加的经济。

根据本发明描述和定义的目的，需要注意，文中可能用到的定义程度的术语(例如“基本上”、“稍微”、“大约”、“类似的”等)代表的固有程度是不确定的，其可能是用于定量的比较，数值，测量或其他表述。这些程度术语也可能用于表示程度，定量的陈述可能与参考规定有所不同(比如大约10％或更少)，但不会因为有争议而导致主体基本功能的改变。除非另有表述，依据程度术语，本说明书中的任何数值都是可修改的，因此反映出它们本身的不确定性。

虽然在此详细了描述了本发明的各种实施例，在不超出本发明公开的，如附加的权利要求陈述的精神和范围内，本领域具有一般技术的人员容易领会适当的变化和其他实施例。

Claims (35)

1.使用增材制造进行熔模铸造的方法，其特征在于，该方法包括：

利用可在计算机设备上执行的一个或多个软件工具创建建筑组件的数模，然后将该数模导入到一增材制造设备中；

根据该数模，控制该增材设备创建一第一实体样本；

利用该第一实体样本作为模板创建一第一凹模，创建的该第一凹模具有一基本由该第一实体样本外形轮廓定义的空腔；

利用该第一凹模创建一第二实体样本；

合围该第二实体样本创建一第二凹模；

利用该第二凹模制造一铸件；

并通过精修该铸件生产建筑组件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，创建的该数模根据该数模预定义的边界规则被分为多个数模部件，因此，每一个相邻的数模部件边界具有互补的形状。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该互补的形状至少包括线形、正弦波形、方波形、锯齿形、和随机锯齿形中的一种。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，创建该第一实体样本包括：

根据该数模部件，通过控制一个或多个增材设备创建该第一实体样本的组件，每一个数模部件分别定义该第一实体样本的一个组件；通过组合这些组件形成该第一实体样本。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制该增材制造设备包括连续地使用塑料材料层构造该第一个实体样本。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，创建该第二实体样本包括：向该第一凹模的空腔中注入热液材料；并使该热液材料冷却且凝固在该空腔中，从而形成该第二实体样本。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该热液材料包括熔点低于100℃的可铸造材料。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该可铸造材料包括蜡。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第二凹模中生产该铸件包括：

加热该第二凹模到一定的温度，从而使该第二实体样本融化在该第二凹模中，将该第二实体样本从该第二凹模中排出，从而在该第二凹模中形成一个空腔；

向该第二凹模的空腔中注入热液材料，并填满该空腔；

使该热液材料冷却并固化形成一固体物件，该固体物件的形状与该数模定义的形状基本一致；

然后从该第二凹模中驱出该固体物件，即形成该铸件。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，注入该热液材料包括注入一种熔点远高于100℃的建筑材料。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该建筑材料至少包括金属、玻璃、陶瓷和混凝土中的一种。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，精修该铸件包括根据精修设计的需要对该铸件进行抛光。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，精修铸件包括给该铸件涂敷一层增加其耐久性的保护层。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，创建该第一实体样本包括创建与该数模定义尺寸一致的1：1比例的该第一实体样本。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第一实体样本具有至少1米的横向尺寸。

16.使用增材制造进行熔模铸造的方法，其特征在于，该方法包括：

利用可在计算机设备上执行的一个或多个软件工具创建建筑组件的数模，然后将该数模导入到一增材制造设备中，该数模包括多个数模部件，其中相邻的数模部件的边界具有完美的形状。

根据该些数模部件，通过控制一个或多个增材制造设备创建一第一实体样本的组件，每一个该数模部件定义该第一实体样本的一个独立的组件，然后组合该些组件形成该第一实体样本；

利用该第一实体样本作为模板创建一第一凹模，创建的该第一凹模具有一基本由该第一实体样本外形轮廓定义的空腔；

利用该第一凹模创建一第二实体样本；

合围该第二实体样本创建一第二凹模；

利用该第二凹模制造一铸件；

并通过精修该铸件生产建筑组件。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该互补的形状包括线形、正弦波形、方波形、锯齿形、和随机锯齿形中的一种。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，控制所述的一个或多个增材制造设备包括，一种情况是，一个或多个增材制造设备连续使用塑料材料层构造该第一实体样本的一个组件。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，创建该第二实体样本包括：向该第一凹模的空腔中注入热液材料；并使该热液材料冷却且凝固在该空腔中，从而形成该第二实体样本。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该热液材料包括熔点低于100℃的可铸造材料。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该可铸造材料包括蜡。

22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在该第二凹模中生产该铸件包括：

加热该第二凹模到一定的温度，从而使该第二实体样本融化在该第二凹模中，将该第二实体样本从该第二凹模中排出，从而在该第二凹模中形成一个空腔；

向该第二凹模的空腔中注入热液材料，并填满该空腔；

使该热液材料冷却并固化形成一固体物件，该固体物件的形状与该数模定义的形状基本一致；

然后从该第二凹模中驱出该固体物件，即形成该铸件。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，注入热液材料包括注入一种熔点远高于100℃的建筑材料。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该建筑材料至少包括金属、玻璃、陶瓷和混凝土中的一种。

25.如权利要求16所述的方法，其特征在于，精修该铸件包括根据精修设计的需要对该铸件进行抛光。

26.如权利要求16所述的方法，其特征在于，精修铸件包括给该铸件涂敷一层增加其耐久性的保护层。

27.如权利要求16所述的方法，其特征在于，创建该第一实体样本包括创建与该数模定义尺寸一致的1：1比例的该第一实体样本。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，该第一实体样本具有至少1米的横向尺寸。

29.创建一物体的熔模铸造模具的方法，其特征在于，该方法包括：

储存多个数字子组件模型到一非易失性计算机存储介质上，每一个数字子组件模型是该物体的一个部分的建模；

利用至少一个增材制造设备生成多个物理子组件，每一个物理子组件是由与该多数个子模型基本一致的数字子模型生成的；

将该多个物理子组件作为模板创建第一凹模，第一凹模具有一与该物体外形轮廓定义基本一致的空腔；

利用该第一凹模创建第二实体样本；

通过合围该第二实体样本，从而创建该熔模铸造模具。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括，在创建该第一凹模之前，将所述的多数个物理子组件连接在一起，从而基本定义该物体的外形轮廓。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，在所述的多个物理子组件中的两个相邻的物理子组件的边界具有规则的图样形状。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，在所述的多个物理子组件中的两个相邻的物理子组件的边界具有不规则的图样形状。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，连接所述的多个物理子组件包括将所述的多个物理子组件中的相邻的两个物理子组件紧扣在一起。

34.如权利要求29所述的方法，其特征在于，创建该第一凹模包括：

创建多个子模具，每一个子模具利用相应的物理子组件作为子模板，该物理子组件来自于所述的多个物理子组件；

连接这些子模具构成第一凹模。

35.一具有在计算机设备上可执行的软件包的增材制造设备，其特征在于，利用该软件包，该增材加工设备被设置为可以接收与被加工的三维固体物件有关的数模，通过应用一预先设定好的边界规则，将该数模转化成多个数模部件，每一个数模部件分别与三维固体物件的一个组件部分对应，该增材制造设备进一步配置后，按照一个该数模部件定义的指令，一层接着一层地去制造至少该三维固体物件的一个对应的组件部分。