具有多个挤出线的单电动机挤出头的制作方法

专利名称：具有多个挤出线的单电动机挤出头的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用基于挤出的分层制造系统的三维(3D)目标的制作。 具体地，本发明涉及用一个驱动电动机挤出用于构建3D目标的多种材料的 挤出头。
背景技术：
基于挤出的分层制造系统(例如，由美国明尼苏达州的Eden Prairie 的斯特拉特西斯(Sti"atasys)公司幵发的熔融沉积成型系统)典型地通 过挤出流动的构建材料，例如热塑性材料，用于以一层一层的形式构建来 自CAD模型的3D目标。构建材料通过挤出头携带的喷嘴挤出，并根据路径 的顺序在XY平面中沉积在基座上。挤出的构建材料熔化以预先地沉积构建 材料，并当温度下降时凝固。然后，挤出头相对基座的位置沿着Z轴(垂 直于XY平面)增加，然后，重复加工过程以形成类似CAD模型的3D目标。
根据来自主机电脑的构建数据，挤压头相对基座的运动在计算机控制 下进行。构建数据通过将3D目标的CAD模型初始分层为多个水平分层的层 而获得。然后，对于每个片层，主机电脑生成用于沉积构建材料通道的构 建路径以形成3D目标。
在通过沉积构建材料的层而制作3D目标中，支撑层或结构件构建在悬 垂部分的下方或在结构下的目标的空腔中，所述结构不通过构建材料本身 支撑。支撑结构可以利用沉积构建材料的同样的沉积技术构建。主机电脑 产生附加的几何形状，所述几何形状用作用于将待形成的3D目标悬垂的支 撑结构，或作为待形成的3D目标的自由空间部分。然后，在构建加工期间， 支撑材料依据产生的几何形状沉积。在制作期间，支撑材料粘附到构建材 料，并当构建加工完成时，支撑材料从完成的3D目标中移除
发明内容
本发明涉及一种包括至少一个驱动轮和在至少第一状态和第二状态 之间可定位的组合件的挤出头。组合件包括设置为当组合件定位在第一状 态时接合至少一个驱动轮的第一挤出生产线和设置为当组合件定位在第 二状态时接合至少一个驱动轮的第二挤出生产线。


图l是具有部分断开以显示本发明的挤出头的基于挤出的分层制造系 统的侧视图2A是具有定位在构建状态的转换板组合件的挤出头的前透视图2B是转换板组合件定位在支撑状态的挤出头的前透视图3是转换板组合件定位在构建状态的挤出头20的左侧视图4A是显示在图2A中的转换板组合件的左部分的放大视图4B是显示在图2B中的转换板组合件的右部分的放大视图5是显示转换板组合件的从图3中的部分5-5剖开的剖视图6A是挤出头的前分解视图6B是挤出头的后分解视图；以及
图7A至7E是在用于在构建状态和支撑状态之间定位转换板的使用中 的挤出头的转换杆的放大视图。
具体实施例方式
图1是系统10的侧视图，所述系统10为用于制造3D目标的基于挤 出的分层制造系统，例如熔融沉积成型系统。系统10包括构建室12、控 制器14、冷却线16和材料供给部分18，在此，构建室12包括本发明的 挤出头20。可以包括挤出头20的适合的系统包括由美国明尼苏达州的 EdenPrairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司的商标名称为"FDM"的商 业适用的熔融沉积成型系统。
如下所述，挤出头20使用一个驱动电动机(在图1中未显示)选择 地挤出一对材料(例如，构建和支撑材料)而一层一层地构建3D目标。 单驱动电动机减少了挤出头20中的部件的数量，同时也提供良好的挤压 性能。构建室12包括室壁22和设置在室壁22中的内部分24，其中室壁22 被断开以显示内部分24。在内部分24内，构建室12还包括导向轨26和 构建平台28、 3D目标30和支撑结构32。挤出头20通过沿y轴延伸的导 向轨26和通过沿x轴(未显示)在内部分24中延伸的另外的导向轨(未 显示)支撑。导向轨26和附加的导向轨允许挤出头20在沿x轴和y轴的 平面中的任何方向移动。构建平台28为用于构建3D目标30和支撑结构 32的工作表面，并沿z轴可调节高度。
控制器14根据CAD模型引导挤压头20和构建平台28的运动，以在 构建平台28上构建3D目标30和支撑结构32。如下所述，控制器14还 使用单驱动电动机引导挤压头20的沉积模式，以选择地沉积构建物质和 支撑材料。
冷却线16包括冷却风扇34和管道36，其中管道36将挤出头20与 冷却风扇34互相连接。如下所述，冷却风扇34给挤压头20提供冷却空 气，用于控制材料温度。
材料供给部分18包括构建材料供给38a、支撑材料供给40a和供给线 38b和40b。如细丝线的构建材料供给38a和支撑材料供给40a通过供给 线38b和40b分别地将构建材料和支撑材料供给到挤出头20。这样就允 许挤出头20根据控制器14的挤出模式沉积构建和支撑材料，以构建3D 目标30和支撑结构32。
适合的细丝线以及用于将细丝线供给到3D成型系统的适合的组合件 的实例公开在Swanson等的美国专利第6， 923， 634号和Comb等的美国 出版物第2005/0129941号中。虽然构建供给线38a和支撑供给线38b的 材料在此作为构建材料和支撑材料说明，但用于挤出头20的适合的材料 包括挤出材料的任何形式(例如，热塑性材料)。
图2A和图2B是挤出头20的前透视图(省略了外壳体)，其提供了挤出 头20的内部部件的总体视图。如图2A所示，挤出头20包括底部分20a和沿z 轴偏移的顶部分20b，如上图1所示，底部分20a面对构建平台28。挤出头 20的定向方位例如"顶部"、"底部"、"左"和"右"指图2A中显示的方位， 其中"顶部"和"底部"沿z轴所得，而"左"和"右"是沿y轴所得。定 向方位用于说明清晰，其目的不是限制本发明。如从图2A中的顶部到底部所示，挤出头20包括变换器42、导管附 件44、气流支管46、控制板48、转换板组合件50、驱动轮51和转换开 关52。变换器42是从底部分20a延伸到顶部分20b的挤出头20的框架。 变换器42被固定到导向轨26 (在以上图1中显示)，用于在构建加工期 间沿y轴移动挤出头20。
导管附件44是一个用于将导管36连接到挤出头20的连接位置。这 样就允许挤出头20接收来自冷却风扇34的冷却空气。气流支管46连接 到导管附件44，并且如下详述，气流支管46作为用于引导来自导管36 的冷却空气从多个出口孔(例如，出口孔53b和53s)到挤出头20内的各 个位置的封闭路径。控制板48是固定到变换器42的电路板，并与控制器 14 (在以上图l中显示)信号通讯，用于引导挤出头20的操作。
转换板组合件50是挤出头20的选择地挤出构建材料和支撑材料的部 分，转换板组合件50包括基座54、枢轴56、构建线58、支撑线60、弹 簧62和突起件64。基座54是在枢轴56处枢轴地连接到变换器42的附 属框架。如下所述，基座54的枢轴连接允许转换板组合件50在构建状态、 中间状态和支撑状态之间围绕枢轴56转动。
当转换板组合件50定位在构建状态(如图2A中显示)时，构建线 58与驱动轮51接合以挤出构建材料。当构建线58的一个和多个部件与 驱动轮51定位在工作关系时，发生构建线58与驱动轮51之间的"接合"， 用于通过构建线58供给构建材料的细丝线。
同样地，当转换板组合件50定位在支撑状态(如图2B中显示)时， 支撑线60与驱动轮51接合以挤出支撑材料。当支撑线60的一个和多个 部件与驱动轮51定位在工作关系，出现支撑线60和驱动轮51之间的"接 合"，用于通过支撑线60供给支撑材料的细丝线。
最后，当转换板组合件50定位在中间状态时，构建线58和支撑线60 与驱动轮51分离。当构建线58和支撑线60的所述部件与驱动轮51不再 处在工作关系时发生所述"分离"，因而防止构建材料和支撑材料的挤出。
基座54包括狭槽66，所述狭槽66是邻近底部分20a定位在构建线 58和的支撑线60之间的狭长槽。突起件64是设置在狭槽66中用于将转 换板组合件50在底部分20a处固定到变换器42的伸长部分。这就允许转换板组合件50绕枢轴56枢轴转动，同时仍然固定地保持到变换器42。 如图2A所示，当转换板组合件50定位在构建状态中时，突起件64设置 在狭槽66的左侧处。
构建线58是连接到基座54的第一挤出线，用于挤出构建材料。构建 线58还连接到供给线38b，用于从构建材料供给38a (显示在以上的图1 中)接收构建材料。同样地，支撑线60为连接到基座54的第二挤出线， 用于挤出支撑材料。支撑线60也连接到供给线40b，用于从支撑材料供 给40a (显示在以上的图1中)接收支撑材料。
在可供选择的实施例中，构建线58和支撑线60在转换板组合件50 中调换。此实施例有利于引导材料到驱动轮51的具体侧面，以保证材料 通过设定的支撑线的合适地供给。如图2A所示，通过构建线58供给的材 料传到驱动轮51的左侧，而通过支撑线60供给的材料传到驱动轮51的 右侧。这样，在此可供选择的实施例中，构建材料通过线60在驱动轮51 的右侧供给，而支撑材料通过线58在驱动轮51的左侧供给。
在此使用时，术语"挤出线"指为了挤出材料的目的设置为接收和达 到材料的条件(例如，熔化材料到挤出粘度)的任何适合的路径。适合的 挤出线可以包括与所显示的用于构建线58和支撑线60相同或不同数量的部件。
如以下说明，弹簧62是连接到构建线58和支撑线60的偏置件，并 提供用于转换开关52的偏置力。驱动轮51是设置在构建线58和支撑线 60之间的电动机驱动轮，其提供驱动力，用于分别地从构建线58或支撑 线60供给构建材料和支撑材料的细丝线。驱动轮51设置为根据转换板组 合件50的位置(即，构建状态、支撑状态、或中间状态)或与构建线58 或支撑线60的接合，或保持分离。
如上所述，当转换板组合件50定位在构建状态(如图2A所示)时， 构建线58与驱动轮51接合以挤出构建材料。因此，挤出头20可以挤出 构建材料的通路以构建3D目标30的层。另外，当在此状态时，支撑线 60与驱动轮51分离，这样就防止了支撑材料与构建材料的挤出同时挤出。
可供选择地，当转换板组合件50定位在支撑状态(如图2B所示)时， 支撑线60与驱动轮51接合以挤出支撑材料。因此，挤出头20可以挤出支撑材料的通道以构建支撑结构32的层。构建线58相应地与驱动轮51 分离，这样就防止了构建材料在与支撑材料的挤出同时挤出。
当转换板组合件50在构建状态和支撑状态之问转换时，其运行通过 中间状态。在中间状态中，转换板组合件50定位在构建状态和支撑状态 之间，其将构建线58和支撑线60与驱动轮51分离。这样就防止了当转 换板组合件50转换状态时，驱动轮51意外地挤出构建材料和支撑材料。
转换开关52是在构建状态、支撑状态和中间状态之间移动转换板组 合件50的机械驱动开关。转换开关52包括转换杆68、轨道销70和传感 器板72。转换杆68滑动地保持在变换器42中底部分20a处，并延伸超过 变换器42的左和右侧。转换杆68包括轨道74，所述轨道74是延伸进转 换杆68的狭长的"S"型槽(只有一半轨道74显示在图2A中)。
轨道销70邻近底部分20a，在的挤出头20的右侧处延伸穿过基座54。 轨道销70在基座54的下方的位置处与转换杆68的轨道74接合，并通过 弹簧62在轨道74内偏置。如下所述，这样就允许转换杆68的滑动运动， 以相应地围绕枢轴56枢轴转动转换板组合件50。
传感器板72包括用于监测转换杆68相对变换器42的位置的一个或 多个传感器(在图2A中未显示)，从而监测转换板组合件50定位在构建 状态、支撑状态或中间状态的时间。传感器板72的使用将在以下进一步 说明。
如图2A所示，当转换板组合件50在构建状态时，转换杆68从变换 器42的右侧延伸。在此状态中，挤出头20可以在围绕构建室12移动的 同时挤出构建材料，从而沉积构建材料的路径。然而，当控制器14引导 挤出头20以从挤出构建材料转换到挤出支撑材料时，转换开关52被滑动 转换杆68驱动朝向变换器42的左侧(如箭头A所示)。
转换杆68可以以多种方式朝向变换器42的左侧滑动。在一个实施例 中，挤出头20在右箭头B表示的方向滑动穿过构建室12，直到转换杆68 接触构建室12内的障碍物(如圏2A所示的障碍物76r)为止。障碍物可 以为构建室12内的任何适合的结构，例如，室壁(例如，室壁22)或构 建室12的架子系统。
当转换杆68接触障碍物76R时，如箭头A所示，挤出头20在箭头B的方向的连续运动朝向变换器42的左侧推动转换杆68。因为转换杆68 通过轨道销70和轨道74与转换板组合件50接合，所以，转换杆68的滑 动造成转换板组合件50围绕枢轴56在顺时针方向枢轴转动。
当转换杆68在箭头A的方向滑动时，构建线58与驱动轮51分离， 从而防止驱动轮51挤出构建材料。在此点处，转换板组合件50从构建状 态转换到中间状态。如上所述，当转换板组合件50定位在中间状态时， 构建线58和支撑线60与驱动轮51分离。当转换杆68继续在箭头A的方 向滑动时，支撑线60与驱动轮51接合。在此点处，转换板组合件50从 中间状态转换到支撑状态，用于挤出支撑材料。
图2B显示了在支撑状态的转换板组合件50，其中支撑线60与驱动 轮51接合。如图所示，转换杆68从变换器42的左侧延伸，而突出件64 设置在狭槽66的右侧处。
一旦挤出头20完成用于设定层的支撑材料的挤出，则控制器14将引 导转换板组合件50从支撑状态转换回构建状态。因此，转换开关52通过 滑动转换杆68驱动朝向变换器42的右侧(箭头C表示)。转换杆68还可 以以多种方式朝向变换器42的右侧滑动，在一个实施例中，挤出头20在 箭头D表示的方向(箭头A的相对方向)滑动穿过构建室12，直到转换 杆68接触构建室12内的第二障碍物(如图2B所示的障碍物76J为止。 第二障碍物可以为构建室12内的任何适合的结构，例如，室壁(例如， 室壁22)或构建室12的架子系统。
当转换杆68接触障碍物76L时，如箭头C所示，挤出头20在箭头D 的方向的连续运动推动转换杆68朝向变换器42的左侧。转换杆68的滑 动相应地造成转换板组合件50在逆时针方向围绕枢轴56枢轴转动，以返 回到构建状态。
在构建周期期间，挤出头20沉积构建材料和支撑材料的通道，以在 构建平台28上以一层一层的方式分别构建3D目标30和支撑结构32。当 构建所述层时，挤出头20可以根据来自控制器14的指令在构建状态和支 撑状态之间来回地转换。转换板组合件50和转换开关52的使用允许挤出 头20使用一个驱动轮(和一个电动机)交替地沉积构建材料和支撑材料， 从而降低部件成本，并增加挤出头20的组合件的可达性。图3是转换板组合件50定位在构建状态中的挤出头20的左侧视图。 如图所示，挤出头20进一步包括电动机78，所述电动机78是连接到驱 动轮51 (在图3中未显示)的驱动电动机，用于在构建加工期间旋转驱动 轮51。如上所述，因为转换板组合件50在构建状态和支撑状态之间是可 定位的，所以，只需要一个驱动轮(即，驱动轮51)和一个电动机(即， 电动机78)交替地挤出构建材料和支撑材料。
如图3进一步所示，变换器42包括壳体支架80、凸台82和84、支 架槽85以及导轨槽86和88。挤压头20的外壳体(未显示)通过插入到 支架槽85中的壳体支架80连接到变换器42。凸台82和84是气流支管 46设置其上的变换器42的升高部分。气流支管46通过支架90固定到凸 台82，通过支架92固定到变换器42。壳体支架80、凸台82和84、支架 槽85、以及支架卯和92的每个的第二组定位在挤出头20的右侧上，在 图3中未显示。导轨槽86和88为横向延伸通过变换器42的槽，导向轨 26延伸穿过所述导轨槽86和88以在构建室12内支撑挤出头20。
图4A是如图2A所示的转换板组合件50的左部分的放大视图，进一 步显示了利用构建材料的细丝线(在此指细丝线94)的构建线58。如图 4A中的顶面到底面所示，构建线58包括连接器96、连接销98、支撑附 件IOO、惰轮102、轴104、液化器块106和构建喷嘴108。
连接器96是在基座54中的连接点，用于将支撑线38b固定到构建线 58。支撑附件100是通过连接销98连接到基座54的用于支撑惰轮102的 支架。惰轮102为自由旋转轮，其通过轴104轴向连接到支撑附件100。 如下所述，惰轮102有助于驱动轮51从构建线38b到液化器块106以供 给细丝线94。
液化器块106是固定到基座54的加热块，用于根据沿液化器块106 的适合的热轮廓将细丝线94熔化到所需的挤出粘度。用于液化器块106
的适合的加热块的实例为在熔融沉积成型系统中商业上适用，由美国明尼 苏达州的Eden Prairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司的商标"FDM TITAN"表示的产品。
构建喷嘴108是在挤出头20的底部分20a处固定到液化器块106的 挤出喷嘴。构建喷嘴108具有用于沉积构建材料的通道喷嘴直径，其中通道宽度和高度部分基于喷嘴直径。用于构建喷嘴108的适合的喷嘴直径的
范围示例从大约250微米(大约10mil)到大约510微米(大约20mil)。
在用定位在构建状态的转换板组合件50挤出构建材料之前，细丝线 94 (即，构建材料)手动和自动地从供给线38b供给到构建线58。这样 就定位驱动轮51和惰轮102之间的细丝线94的一部分。然后，电动机 78旋转驱动轮51 (在图4A所示的逆时针方向)，其使驱动轮51和惰轮 102朝向液化器块106 (箭头E表示)拉动细丝线94。
驱动轮51通过电动机78的旋转将细丝线94连续供给到液化器块 106。当运行通过液化器块106时，液化器块106熔化细丝线94到需要的 挤出粘度。细丝线94未熔化的部分起到促使熔化的构建材料挤出构建喷 嘴108的撞针杆的作用。这样就允许挤出头20以所需的流动速度挤出构 建材料，通常地根据驱动轮51的旋转速度。
图4B是如图2B所示的转换板组合件50的右部分的方法视图，其进 一步显示了使用支撑材料的细丝线(在此指细丝线110)的支撑线60。如 图4B中的顶面到底面所示，支撑线60包括连接器112、连接销114、支 撑附件116、惰轮118、轴120、液化器块122以及支撑喷嘴124，其总体 地以与构建线58的相应组合件的相同方式起作用。
连接器112是在基座54中的连接点，用于将支撑线40b固定到支撑 线60。支撑附件116为通过连接销114连接到基座54用于支撑惰轮118 的支架。惰轮118为自由旋转轮，其通过轴120轴向连接到支撑附件116。 惰轮118有助于驱动轮51从构建线40b到液化器块122供给细丝线110。
液化器块122为根据沿液化器块122的适合的热轮廓固定到基座54， 用于将细丝线〗10熔化到所需的挤出粘度的加热块。用于液化器块122的 适合的加热块与上述液化器块106相同。支撑喷嘴124为在液化器块106 处固定到液化器块122的挤出喷嘴。用于支撑喷嘴124的适合的特征与以 上构建喷嘴108相同。
在用定位在支撑状态的转换板组合件50挤出支撑材料之前，细丝线 110 (即，支撑材料)手动和自动地从供给线40b供给到支撑线60。这样 就定位驱动轮51和惰轮118之间的细丝线110的部分。然后，电动机78 旋转驱动轮51 (在图4B所示的顺时针方向)，其使驱动轮51和惰轮118朝向液化器块122 (箭头F表示)拉动细丝线IIO。
驱动轮51通过电动机78的旋转将细丝线110连续供给到液化器块 122。当运行通过液化器块122时，液化器块122熔化细丝线110到需要
的挤出粘度。细丝线iio未熔化的部分起到促使熔化的构建材料挤出构建
喷嘴124的撞针杆的作用。这样就允许挤出头20以所需的流动速度挤出 支撑材料，通常地以驱动轮51的旋转速度。
应该注意，当与支撑线60接合时，驱动轮51的旋转为在从当与构建 线58接合时的驱动轮51的旋转的相反旋转方向(g卩，相对逆时针的顺时 针)。这就说明当第二挤出线(即，在图4B中的支撑线60)与驱动轮接 合时，有利于与挤出线之一 (即，在图4B中的构建线58)分离。
如图4B所示，如果构建线58和支撑线60都与驱动轮51接合，则驱 动轮51的顺时针旋转将使细丝线IIO供给到液化器块122。然而，如以上 图4A所示，旋转也将在箭头E的相对方向供给。这将使细丝线94与驱 动轮51和惰轮102分离，从而需要接下来的重新插入步骤。但是，绕构 建状态和支撑状态之间的枢轴56枢轴转动转换板组合件50保证当第二挤 出线接合时，至少一个挤出线保持与驱动轮51分离。
图5是图3中的剖面5-5的放大剖视图，进一步显示了转换板组合件 50 (为了说明清晰没有说明省略的组合件)。如图所示，构建线58进一步 包括供给通道126和液化通道128。供给通道126为设置通过基座54的 通道，并在连接器96处具有入口以及相邻驱动轮51和惰轮102的出口。 供给通道126提供用于从供给线38b供给细丝线94 (图5中未显示)到 驱动轮51和惰轮102的路径。
挤出通道128为延伸通过液化器块106的通道，其具有相邻驱动轮51 和惰轮102的入口和在构建喷嘴108处的出口。挤出通道128提供用于细 丝线94运行通过液化器块106的路径。在一个实施例中，挤出通道128 是可移除地插入到液化器块106的分离的管件。可移除的管件可以在构建 加工之间去除和更换，从而简化挤出头20的维修和清洗。在另一实施例 中，挤出通道128包括漏斗形入口 (即加宽入口)以有助于细丝线94的 插入。
同样地，支撑线60也包括供给通道130和液化通道132。供给通道130是设置通过基座54的通道，并以同样的方式起到作为构建线58的供 给通道126的作用，用于从供给线40b供给细丝线110 (图5中未显示) 到驱动轮51和惰轮118。挤出通道132为延伸通过液化器块122的通道， 其也以同样的方式起到构建线58的挤出通道128的作用。用于挤出通道 128的以上说明的实施例也应用到挤出通道132。
如图5进一步显示，当转换板组合件50定位在构建状态时，构建线 58的构建喷嘴108总体地平行于z轴延伸，其允许构建材料朝向构建平台 28垂直向下挤出构建材料。相反，支撑线60的支撑喷嘴124定向为与z 轴成一定的角度。此倾斜的定位导致转换板组合件50绕枢轴56枢轴旋转， 其沿z轴垂直升高支撑喷嘴124，从而降低在构建加工期间支撑喷嘴124 与挤出层干涉的危险。可供选择地，当转换板组合件50定位在支撑状态 时，将出现相反的情况(如以上图2B所示)。支撑喷嘴124总体地平行于 z轴延伸，而构建喷嘴108定向为与z轴成一定的角度。
参照驱动轮51和惰轮102和118之间的接合，惰轮102和118在各 自构建和支撑状态中与驱动轮51偏移的距离可以根据使用的构建和支撑 材料的类型改变。距离一般地是在(1)在驱动轮51和相应的惰轮之间的 细丝线的良好的牵引，以及(2)当驱动轮与惰轮分离时降低细丝线在惰 轮周围获得的弯曲量，之间折中。
当转换板组合件50定位在构建状态时，在驱动轮51和惰轮102之间 的适合距离的实例的范围对于热塑材料(即高强聚苯乙烯和聚丙烯腈丁二 烯苯乙烯high-impact polystyrenes and polyacrylonitrile-butadiene-styrenes) 从大约lmil到大约5mil，而对于较低屈服材料(例如，由美国明尼苏达 州的Eden Prairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司生产的商标名称为 "WATERWORKS"禾P "SOLUBLE SUPPORTS"的商业适用的水可溶材 料)，从大约lOmil到大约15mil。在当转换板组合件50定位在支撑状态 时在驱动轮51和惰轮102之间的适合距离包括上述用于驱动轮51和惰轮 102的同样的适用范围。
如图5进一步显示，气流支管46进一步包括出口孔134B、 134s、 136B 和136s。出口孔538和535 (在以上图2A中显示)和1348和134s针对挤 出路径128和132的入口，并从气流支管46提供冷却空气到挤出路径128和132的入口。这就降低了细丝线94和110在挤出路径128和132的各 自入口处熔化的危险。
出口孔136b和136s分别针对构建喷嘴108和支撑喷嘴124，并从气 流支管46提供冷却空气到构建喷嘴108和支撑喷嘴124，以冷却构建和 支撑材料的挤出流。这就使挤出流易于熔化到事先沉积的通道上，也降低 了当驱动轮51停止旋转后，流出构建喷嘴108和支撑喷嘴124的过度材 料的危险。因此，气流支管46设置为提供冷却空气给来自同一个来源(即， 冷却线36)的挤出头20内和周围的多个位置。
图6A和图6B分别为挤出头20的顶部和底部分解视图(为了清晰省 略了气流支管46)，进一步显示了在变换器42和转换板组合件50之间的 相互连接。如图6A所示，枢轴56包括延伸部分138和保持组合件140(即， 弹簧、垫圈和销组合件)。延伸部分138插入到转换板组合件50的孔142 中，并用保持组合件140保持。这样就使转换板组合件50绕枢轴56枢轴 转动，用于在构建状态、中间状态和支撑状态之间转换。
如图6A进一步显示，突出件64包括延伸部分144和保持组合件146 (即，弹簧、垫圈和销组合件)。延伸部分144插过转换板组合件50的狭 槽66 (在图6A中未显示)，并用保持组合件146保持。如上所述，突出 件64将转换板组合件50固定到变换器42，同时也使转换板组合件50绕 枢轴56枢轴转动。
转换板组合件50还包括热电偶导线147a和147b，而控制板48包括 连接点48a和48b。热电偶导线147a和147b弯曲并分别连接到连接点48a 和48b。这就使控制板48监测液化器块106和122的热轮廓。
转换开关52进一步包括凸台148、螺钉150和路径152。凸台148是 通过螺钉保持传感器板72固定到相邻底部分20a的变换器42的挤出组合 件。路径152沿相邻底部分20a的变换器42横向延伸，并且是转换杆68 滑动保持的变换器42的部分。如下所述，转换杆68进一步包括传感器表 面154，其使用传感器板72标识转换板组合件50定位在哪个状态。当转 换杆68保持在路径152中时，传感器板72固定到凸台148，传感器板72 设置在传感器表面154上方。
如图6B所示，轨道销70延伸通过相邻底部分20a的转换板组合件50的基座54。此外，传感器板72包括为与控制板48信号通讯的传感器 156和158。如下所述，传感器156和158是设置为当转换杆68沿路径 152滑动时，沿传感器表面154 (在图6B中未显示)检测变化的光学传感 器。
图7A-7C是使用轨道销70和传感器156和158的转换杆68的放大视 图，在此，放大视图相对应以上在图6A中显示的视图。如上所述，转换 杆68包括轨道74和传感器表面154。
轨道74包括第一区160、过渡区162以及第二区164，其中过渡区 162设置在第一区160和第二区164之间。第一区160为当转换板组合件 50定位在构建状态时轨道销70设置的区域(如图7A所示)。同样地，第 二区164为当转换板组合件50定位在支撑状态时轨道销70设置的区域。 过渡区162限定轨道74的"S"型，并用于将转换板组合件50从构建状 态或支撑状态转换到中间状态。
传感器表面154包括设置在非反射部分174的相对侧面上的反射部分 170和172。反射部分170和172为可以基本比非反射部分174反射更多 光线的光线反射表面。传感器156和158可以检测从传感器表面154反射 的光线的强度的光学传感器。结果，传感器156和158可以检测当转换杆 86沿路径152 (在图7A中未显示)滑动时反射光线的强度变化。这就使 得传感器的156和158标识转换板组合件50定位的状态。
在以下说明的实施例中，传感器156和158设置为根据储存在控制板 48(在图7A中未显示)中预定模式模式标识转换板组合件50定位的状态。 例如，当传感器156设置在反射部分(例如，反射部分170)上方而传感 器158设置在非反射部分174 (如图7A和7B所示)上方时，此接收信号 的组合作为构建状态预先限定。此预先限定的模式相对应转换板组合件50 的位置，其中构建线58与驱动轮51接合，用于挤出构建材料。
同样地，当传感器156和158都设置在非反射部分174 (如以下图7C 和7D所示)上方时，此接收信号的组合作为中间状态预先确定。此预先 限定的模式相对应转换板组合件50的位置，其中构建线58和支撑线60 与驱动轮51分离。最后，当传感器156设置在非反射部分174上方，而传感器158设置 在反射部分(例如，反射部分172)(如下图7E所示)上方时，此接收 信号的组合作为支撑状态预先确定。此预先限定的模式相对应转换板组合 件50的位置，其中支撑线60与驱动轮51接合，用于挤出支撑材料。
如图7A所示，转换板组合件50定位为使得轨道销70设置在轨道74 的第一区160中。当轨道销70设置在第一区160中时，在转换板组合件 50上的弹簧62的偏置力(显示在以上图2A中)在垂直于第一区160的 路径的箭头G的方向偏置轨道销70。相应地，传感器156设置在反射部 分170的上方，而传感器158设置在非反射部分174的上方。结果，控制 板48标识转换板组合件50在构建状态。当转换板组合件50定位在此状 态时，驱动轮51和构建线58可以将构建材料挤出以构建3D目标30。
当控制器14将挤出头20引导为转换到支撑状态时，转换杆68在箭 头A的方向(相对应图2A中的箭头A)沿路径152滑动。转换杆68的 滑动造成轨道销70进入到过渡区162 (如图7B所示)，从而使转换板组 合件50绕枢轴56枢轴转动(在顺时针方向)。
当轨道销70进入过渡区162时，转换板组合件50枢轴转动的旋转距 离相对应需要将构建线58与驱动轮51分离的距离。因此，当轨道销70 进入到过渡区162吋，转换板组合件从构建状态转换到中间状态。当在过 渡区162中时，弹簧62的偏置力平衡，从而消除轨道销70的偏置。这就 将转换板组合件50稳定在中间状态。
相应地，当轨道销70进入到过渡区162时，传感器156和158都设 置在非反射部分174上。因此，控制板48通知控制器14转换板组合件 50已经转换到中间状态。当施加额外的力时，转换杆68继续在箭头A的 方向移动。从而枢轴转动转换板组合件(在顺时针方向)，直到轨道销70 进入第二区164为止(如图7C所示)。转换板组合件绕轨道销70的枢轴 转动进入第二区164的旋转距离相对应需要将支撑线60与驱动轮51接合 的距离。因此，当轨道销70进入第二区164时，转换板组合件从中间状 态转换到支撑状态。当轨道销70设置在第二区164中时，在转换板组合 件50上的弹簧62的偏置力(显示在以上图2B中)在垂直于第二区164的路径的箭头H的方向偏置轨道销70，并为箭头G的反向(显示在以上 图7A中)。
相应地，当轨道销70进入第二区164时，传感器156设置在非反射 部分174的上方，而传感器158设置在反射部分172的上方。因此，控制 板48通知控制器14转换板组合件50己经转换到支撑状态。当转换板组 合件50定位在此状态时，驱动轮51和支撑线60将支撑材料挤出为构建 支撑结构32。
当控制器14引导挤出头20转换回到构建状态时，转换杆68在箭头 C的方向(相对应图2B中的箭头C)沿路径152滑动。转换杆68的滑动 造成轨道销70从第二区164返回进入到过渡区162 (如图7D所示)，从 而使转换板组合件50绕枢轴56枢轴转动(在逆时针方向)。
当轨道销70进入过渡区162时，转换板组合件50枢轴转动的旋转距 离相对应需要将支撑线60与驱动轮51分离的距离。因此，当轨道销70 进入到过渡区162时，转换板组合件从支撑状态转换回到中间状态。相应 地，在此状态，传感器156和158都设置在非反射部分174上。因此，控 制板48通知控制器14转换板组合件50已经转换回到中间状态。
当施加额外的力时，转换杆68继续在箭头C的方向移动。从而枢轴 转动转换板组合件(在逆时针方向)，直到轨道销70进入第一区162为 止(如图7E所示)。转换板组合件绕轨道销70枢轴转动进入第一区162 的旋转距离相对应需要将构建线58与驱动轮51接合的距离。因此，当轨 道销70进入第二区164时，转换板组合件从中间状态转换到构建状态。 这就再次使弹簧62的偏置力在箭头G的方向偏置轨道销70。
相应地，当轨道销70返回到第一区160时，传感器156设置在反射 部分170的上方，而传感器158设置在非反射部分174的上方。因此，控 制板48通知控制器14转换板组合件50己经转换回到构建状态。当转换 板组合件50定位在此状态时，驱动轮51和构建线60可以再次将构建材 料挤出以构建3D目标30。
在开始构建加工之前，转换系统52可以校准为保证传感器156和158 的预定模式精确地相对应构建状态、中间状态和支撑状态。校准可以通过缓慢地沿路径152滑动转换杆，并确定传感器156和158标识传感器表面 154中的变化的过渡点进行。
然后，根据过渡点产生传感器156和158的预定模式，并可以包括超 过过渡点(例如，大约40mil)的阈值以提供安全的范围。安全范围保证 在标识形状在转换板组合件50的状态之前传感器156和158完全超过过 渡点。 一旦产生预定的模式，则挤出头20可以以正常的速度操作，用于 选择地挤出构建材料和支撑材料。
转换开关52提供用于在构建状态、中间状态和支撑状态之间枢轴转 动转换板组合件50的适合的设置。另外，转换开关52提供了用于标识转 换板组合件50定位状态的适合的装置，从而允许控制器14引导挤出头20 在用一个驱动电动机(即，电动机78)挤出构建材料和挤出支撑材料之间 转换。
在可供选择的实施例中，传感器156和158可以标识转换板组合件50 以多种方式定位的状态。在另外可供选择的实施例中，当转换板86沿路 径152滑动时，传感器156和158可以用检测在反射光线的强度的变化的 一个传感器158更换。此外，传感器156和158可供选择地为也可以标识 转换板组合件50的定位状态的非光学传感器(例如，近程式传感器)。
当挤出头20如上所述使用两个挤出线(即，构建线58和支撑线60) 时，本发明的可供选择的挤出头可以包括沿电动机78的轴延伸的附加的 转换板组合件。这样就使一个电动机(即，电动机78)旋转与附加的转换 板组合件对齐的附加的驱动轮。
在这些可供选择的实施例中，每个附加的转换板组合件都包括定位转 换板组合件在构建状态、中间状态、以及支撑状态之间的转换开关。这样， 当附加的转换板组合件定位在构建状态或支撑状态吋，其余的转换板组合 件定位在中间状态，从而防止多个同时挤出。这些可供选择的实施例有利 于用不同的构建材料和/或不同颜色的材料在一个构建加工中构建3D目标 30。
在另外可供选择的实施例中，驱动轮51可以用沿电动机78的轴延伸 的多个驱动轮更换，其中每个挤出线(例如，构建线58或支撑线60)与 一个驱动轮接合。这样，当转换板组合件50定位在构建状态时，构建线58与第一驱动轮接合，而支撑线60与第二驱动轮分离。可供选择地，当
转换板组合件50定位在支撑状态时，支撑线60与第二驱动轮接合，而构 建线60与第一驱动轮分离。此可供选择的实施例允许使用一个驱动电动 机(例如，电动机78)。
虽然本发明已经参照优选实施例进行了说明，但本领域的普通技术人 员应该认识到，可以在此基础上对形式和细节上做出改变，而不脱离本发 明的主题精神和范围。
权利要求
1. 一种挤出头，所述挤出头包括至少一个驱动轮；以及在至少第一状态和第二状态之间可定位的组合件，所述组合件包括第一挤出线，所述第一挤出线设置为当组合件定位在第一状态时接合至少一个驱动轮；以及第二挤出线，所述第二挤出线设置为当组合件定位在第二状态时接合至少一个驱动轮。
2. 根据权利要求l所述的挤出头，其中第一挤出线包括惰轮，当组合件定位在第一状态时，所述惰轮相邻所述至少一个驱动 轮设置；液化器块，所述液化器块具有入口通道和出口通道，所述入口通道相 邻惰轮；以及挤出喷嘴，所述挤出喷嘴相邻液化器块的出口通道设置。
3. 根据权利要求l所述的挤出头，进 -步包括设置为在至少第一状 态和第二状态之间移动组合件的转换开关。
4. 根据权利要求3所述的挤出头，其中所述转换开关包括转换杆， 所述转换杆在第一点和第二点之间滑动，用于在至少第一状态和第二状态 之间定位组合件。
5. 根据权利要求4所述的挤出头，其中所述转换杆包括设置为与所 述组合件接合的轨道。
6. 根据权利要求l所述的挤出头，进一步包括用于标识所述组合件 被定位的状态的传感器。
7. 根据权利要求l所述的挤出头，其中当与第一挤出线接合时，所 述至少一个驱动轮在第一旋转方向旋转，并当与第二挤出线接合时，所述 至少一个驱动轮在第二旋转方向旋转，第二旋转方向与第一旋转方向相 反。
8. 根据权利要求l所述的挤出头，进一步包括具有多个出口孔的气 流支管。
9. 一种挤出头，所述挤出头包括 变换器；驱动轮，所述驱动轮旋转地连接到所述变换器；组合件，所述组合件枢轴地连接到变换器并包括第一挤出线和第二挤出线；以及转换开关，所述转换开关连接到变换器并与组合件接合，用于在至少 第一状态和第二状态定位组合件，其中所述第一挤出线设置为当组合件定 位在第一状态时接合所述驱动轮，而第二挤出线设置为当组合件定位在第 二状态时接合驱动轮。
10. 根据权利要求9所述的挤出头，其中第一挤出线包括 惰轮，当组合件定位在第一状态时，所述惰轮相邻驱动轮设置； 液化器块，所述液化器块具有入口通道和出口通道，所述入口通道相邻惰轮；以及挤出喷嘴，所述挤出喷嘴相邻液化器块的出口通道设置。
11. 根据权利要求9所述的挤出头，其中所述转换开关包括能够相 对变换器滑动的转换杆。
12. 根据权利要求ll所述的挤出头，其中所述转换杆包括轨道，所述轨道设置为与组合件接合，用于相对变换器枢轴转动所述组合件。
13. 根据权利要求l所述的挤出头，其中转换开关包括设置为标识组合件被定位的状态的传感器。
14. 根据权利要求13所述的挤出头，其中转换开关进一步包括能够相对变换器滑动的转换杆，并且其中所述传感器设置为检测所述转换杆的 滑动。
15. —种用于构建三维目标的方法，所述方法包括提供包括组合件和至少一个驱动轮的挤出头，其中组合件包括第一挤 出线和第二挤出线；将组合件定位在第一状态 将组合件定位在第二状态以及将组合件定位在第三状态，使得至少一个驱动轮与第-—挤出线接合; ，使得至少一个驱动轮与第一挤出线分离;，使得至少一个驱动轮与第二挤出线接合。
16. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括当组合件定位在第一 状态时，在第一旋转方向旋转至少一个驱动轮，从而从第一挤出线挤出第 一材料。
17. 根据权利要求16所述的方法，进一步包括当组合件定位在第二 状态时，在第二旋转方向旋转至少一个驱动轮，从而从第二挤出线挤出第 二材料，其中第二旋转方向与第一旋转方向相反。
18. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括感应组合件定位在第一状态、第二状态和第三状态的时间。
19. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括驱动与组合件接合的转换开关。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，驱动所述转换开关包括 将与组合件接合的转换杆滑动到第一点，从而从第一状态定位组合件到第二状态；以及将转换杆滑动到第二点，从而从第二状态定位组合件到第一状态。
全文摘要
本发明公开一种挤出头(20)，所述挤出头(20)包括至少一个驱动轮(51)和可定位在至少第一状态和第二状态之间的组合件(50)。组合件(50)包括第一挤出生产线(58)，所述第一挤出生产线(58)设置为当所述组合件定位在第一状态时接合至少一个驱动轮(51)；和第二挤出生产线(60)，所述第二挤出生产线(60)设置为当组合件(50)定位在第二状态时接合至少一个驱动轮(51)。
文档编号A01J21/00GK101460050SQ200780020529
公开日2009年6月17日 申请日期2007年3月15日 优先权日2006年4月3日
发明者托马斯·J·麦克多诺, 本杰明·N·杜恩, 约瑟夫·E·拉博西埃, 马文·E·埃谢尔曼 申请人:斯特拉塔西斯公司