專利名稱：具有多個擠出線的單電動機擠出頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用基于擠出的分層制造系統的三維(3D)目標的制作。 具體地，本發明涉及用一個驅動電動機擠出用于構建3D目標的多種材料的 擠出頭。
背景技術：
基于擠出的分層制造系統(例如，由美國明尼蘇達州的Eden Prairie 的斯特拉特西斯(Sti"atasys)公司幵發的熔融沉積成型系統)典型地通 過擠出流動的構建材料，例如熱塑性材料，用于以一層一層的形式構建來 自CAD模型的3D目標。構建材料通過擠出頭攜帶的噴嘴擠出，并根據路徑 的順序在XY平面中沉積在基座上。擠出的構建材料熔化以預先地沉積構建 材料，并當溫度下降時凝固。然后，擠出頭相對基座的位置沿著Z軸(垂 直于XY平面)增加，然后，重復加工過程以形成類似CAD模型的3D目標。
根據來自主機電腦的構建數據，擠壓頭相對基座的運動在計算機控制 下進行。構建數據通過將3D目標的CAD模型初始分層為多個水平分層的層 而獲得。然后，對于每個片層，主機電腦生成用于沉積構建材料通道的構 建路徑以形成3D目標。
在通過沉積構建材料的層而制作3D目標中，支撐層或結構件構建在懸 垂部分的下方或在結構下的目標的空腔中，所述結構不通過構建材料本身 支撐。支撐結構可以利用沉積構建材料的同樣的沉積技術構建。主機電腦 產生附加的幾何形狀，所述幾何形狀用作用于將待形成的3D目標懸垂的支 撐結構，或作為待形成的3D目標的自由空間部分。然后，在構建加工期間， 支撐材料依據產生的幾何形狀沉積。在制作期間，支撐材料粘附到構建材 料，并當構建加工完成時，支撐材料從完成的3D目標中移除
發明內容
本發明涉及一種包括至少一個驅動輪和在至少第一狀態和第二狀態 之間可定位的組合件的擠出頭。組合件包括設置為當組合件定位在第一狀 態時接合至少一個驅動輪的第一擠出生產線和設置為當組合件定位在第 二狀態時接合至少一個驅動輪的第二擠出生產線。
圖l是具有部分斷開以顯示本發明的擠出頭的基于擠出的分層制造系 統的側視圖2A是具有定位在構建狀態的轉換板組合件的擠出頭的前透視圖2B是轉換板組合件定位在支撐狀態的擠出頭的前透視圖3是轉換板組合件定位在構建狀態的擠出頭20的左側視圖4A是顯示在圖2A中的轉換板組合件的左部分的放大視圖4B是顯示在圖2B中的轉換板組合件的右部分的放大視圖5是顯示轉換板組合件的從圖3中的部分5-5剖開的剖視圖6A是擠出頭的前分解視圖6B是擠出頭的后分解視圖；以及
圖7A至7E是在用于在構建狀態和支撐狀態之間定位轉換板的使用中 的擠出頭的轉換桿的放大視圖。
具體實施例方式
圖1是系統10的側視圖，所述系統10為用于制造3D目標的基于擠 出的分層制造系統，例如熔融沉積成型系統。系統10包括構建室12、控 制器14、冷卻線16和材料供給部分18，在此，構建室12包括本發明的 擠出頭20。可以包括擠出頭20的適合的系統包括由美國明尼蘇達州的 EdenPrairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司的商標名稱為"FDM"的商 業適用的熔融沉積成型系統。
如下所述，擠出頭20使用一個驅動電動機(在圖1中未顯示)選擇 地擠出一對材料(例如，構建和支撐材料)而一層一層地構建3D目標。 單驅動電動機減少了擠出頭20中的部件的數量，同時也提供良好的擠壓 性能。構建室12包括室壁22和設置在室壁22中的內部分24，其中室壁22 被斷開以顯示內部分24。在內部分24內，構建室12還包括導向軌26和 構建平臺28、 3D目標30和支撐結構32。擠出頭20通過沿y軸延伸的導 向軌26和通過沿x軸(未顯示)在內部分24中延伸的另外的導向軌(未 顯示)支撐。導向軌26和附加的導向軌允許擠出頭20在沿x軸和y軸的 平面中的任何方向移動。構建平臺28為用于構建3D目標30和支撐結構 32的工作表面，并沿z軸可調節高度。
控制器14根據CAD模型引導擠壓頭20和構建平臺28的運動，以在 構建平臺28上構建3D目標30和支撐結構32。如下所述，控制器14還 使用單驅動電動機引導擠壓頭20的沉積模式，以選擇地沉積構建物質和 支撐材料。
冷卻線16包括冷卻風扇34和管道36，其中管道36將擠出頭20與 冷卻風扇34互相連接。如下所述，冷卻風扇34給擠壓頭20提供冷卻空 氣，用于控制材料溫度。
材料供給部分18包括構建材料供給38a、支撐材料供給40a和供給線 38b和40b。如細絲線的構建材料供給38a和支撐材料供給40a通過供給 線38b和40b分別地將構建材料和支撐材料供給到擠出頭20。這樣就允 許擠出頭20根據控制器14的擠出模式沉積構建和支撐材料，以構建3D 目標30和支撐結構32。
適合的細絲線以及用于將細絲線供給到3D成型系統的適合的組合件 的實例公開在Swanson等的美國專利第6， 923， 634號和Comb等的美國 出版物第2005/0129941號中。雖然構建供給線38a和支撐供給線38b的 材料在此作為構建材料和支撐材料說明，但用于擠出頭20的適合的材料 包括擠出材料的任何形式(例如，熱塑性材料)。
圖2A和圖2B是擠出頭20的前透視圖(省略了外殼體)，其提供了擠出 頭20的內部部件的總體視圖。如圖2A所示，擠出頭20包括底部分20a和沿z 軸偏移的頂部分20b，如上圖1所示，底部分20a面對構建平臺28。擠出頭 20的定向方位例如"頂部"、"底部"、"左"和"右"指圖2A中顯示的方位， 其中"頂部"和"底部"沿z軸所得，而"左"和"右"是沿y軸所得。定 向方位用于說明清晰，其目的不是限制本發明。如從圖2A中的頂部到底部所示，擠出頭20包括變換器42、導管附 件44、氣流支管46、控制板48、轉換板組合件50、驅動輪51和轉換開 關52。變換器42是從底部分20a延伸到頂部分20b的擠出頭20的框架。 變換器42被固定到導向軌26 (在以上圖1中顯示)，用于在構建加工期 間沿y軸移動擠出頭20。
導管附件44是一個用于將導管36連接到擠出頭20的連接位置。這 樣就允許擠出頭20接收來自冷卻風扇34的冷卻空氣。氣流支管46連接 到導管附件44，并且如下詳述，氣流支管46作為用于引導來自導管36 的冷卻空氣從多個出口孔(例如，出口孔53b和53s)到擠出頭20內的各 個位置的封閉路徑。控制板48是固定到變換器42的電路板，并與控制器 14 (在以上圖l中顯示)信號通訊，用于引導擠出頭20的操作。
轉換板組合件50是擠出頭20的選擇地擠出構建材料和支撐材料的部 分，轉換板組合件50包括基座54、樞軸56、構建線58、支撐線60、彈 簧62和突起件64。基座54是在樞軸56處樞軸地連接到變換器42的附 屬框架。如下所述，基座54的樞軸連接允許轉換板組合件50在構建狀態、 中間狀態和支撐狀態之間圍繞樞軸56轉動。
當轉換板組合件50定位在構建狀態(如圖2A中顯示)時，構建線 58與驅動輪51接合以擠出構建材料。當構建線58的一個和多個部件與 驅動輪51定位在工作關系時，發生構建線58與驅動輪51之間的"接合"， 用于通過構建線58供給構建材料的細絲線。
同樣地，當轉換板組合件50定位在支撐狀態(如圖2B中顯示)時， 支撐線60與驅動輪51接合以擠出支撐材料。當支撐線60的一個和多個 部件與驅動輪51定位在工作關系，出現支撐線60和驅動輪51之間的"接 合"，用于通過支撐線60供給支撐材料的細絲線。
最后，當轉換板組合件50定位在中間狀態時，構建線58和支撐線60 與驅動輪51分離。當構建線58和支撐線60的所述部件與驅動輪51不再 處在工作關系時發生所述"分離"，因而防止構建材料和支撐材料的擠出。
基座54包括狹槽66，所述狹槽66是鄰近底部分20a定位在構建線 58和的支撐線60之間的狹長槽。突起件64是設置在狹槽66中用于將轉 換板組合件50在底部分20a處固定到變換器42的伸長部分。這就允許轉換板組合件50繞樞軸56樞軸轉動，同時仍然固定地保持到變換器42。 如圖2A所示，當轉換板組合件50定位在構建狀態中時，突起件64設置 在狹槽66的左側處。
構建線58是連接到基座54的第一擠出線，用于擠出構建材料。構建 線58還連接到供給線38b，用于從構建材料供給38a (顯示在以上的圖1 中)接收構建材料。同樣地，支撐線60為連接到基座54的第二擠出線， 用于擠出支撐材料。支撐線60也連接到供給線40b，用于從支撐材料供 給40a (顯示在以上的圖1中)接收支撐材料。
在可供選擇的實施例中，構建線58和支撐線60在轉換板組合件50 中調換。此實施例有利于引導材料到驅動輪51的具體側面，以保證材料 通過設定的支撐線的合適地供給。如圖2A所示，通過構建線58供給的材 料傳到驅動輪51的左側，而通過支撐線60供給的材料傳到驅動輪51的 右側。這樣，在此可供選擇的實施例中，構建材料通過線60在驅動輪51 的右側供給，而支撐材料通過線58在驅動輪51的左側供給。
在此使用時，術語"擠出線"指為了擠出材料的目的設置為接收和達 到材料的條件(例如，熔化材料到擠出粘度)的任何適合的路徑。適合的 擠出線可以包括與所顯示的用于構建線58和支撐線60相同或不同數量的部件。
如以下說明，彈簧62是連接到構建線58和支撐線60的偏置件，并 提供用于轉換開關52的偏置力。驅動輪51是設置在構建線58和支撐線 60之間的電動機驅動輪，其提供驅動力，用于分別地從構建線58或支撐 線60供給構建材料和支撐材料的細絲線。驅動輪51設置為根據轉換板組 合件50的位置(即，構建狀態、支撐狀態、或中間狀態)或與構建線58 或支撐線60的接合，或保持分離。
如上所述，當轉換板組合件50定位在構建狀態(如圖2A所示)時， 構建線58與驅動輪51接合以擠出構建材料。因此，擠出頭20可以擠出 構建材料的通路以構建3D目標30的層。另外，當在此狀態時，支撐線 60與驅動輪51分離，這樣就防止了支撐材料與構建材料的擠出同時擠出。
可供選擇地，當轉換板組合件50定位在支撐狀態(如圖2B所示)時， 支撐線60與驅動輪51接合以擠出支撐材料。因此，擠出頭20可以擠出支撐材料的通道以構建支撐結構32的層。構建線58相應地與驅動輪51 分離，這樣就防止了構建材料在與支撐材料的擠出同時擠出。
當轉換板組合件50在構建狀態和支撐狀態之問轉換時，其運行通過 中間狀態。在中間狀態中，轉換板組合件50定位在構建狀態和支撐狀態 之間，其將構建線58和支撐線60與驅動輪51分離。這樣就防止了當轉 換板組合件50轉換狀態時，驅動輪51意外地擠出構建材料和支撐材料。
轉換開關52是在構建狀態、支撐狀態和中間狀態之間移動轉換板組 合件50的機械驅動開關。轉換開關52包括轉換桿68、軌道銷70和傳感 器板72。轉換桿68滑動地保持在變換器42中底部分20a處，并延伸超過 變換器42的左和右側。轉換桿68包括軌道74，所述軌道74是延伸進轉 換桿68的狹長的"S"型槽(只有一半軌道74顯示在圖2A中)。
軌道銷70鄰近底部分20a，在的擠出頭20的右側處延伸穿過基座54。 軌道銷70在基座54的下方的位置處與轉換桿68的軌道74接合，并通過 彈簧62在軌道74內偏置。如下所述，這樣就允許轉換桿68的滑動運動， 以相應地圍繞樞軸56樞軸轉動轉換板組合件50。
傳感器板72包括用于監測轉換桿68相對變換器42的位置的一個或 多個傳感器(在圖2A中未顯示)，從而監測轉換板組合件50定位在構建 狀態、支撐狀態或中間狀態的時間。傳感器板72的使用將在以下進一步 說明。
如圖2A所示，當轉換板組合件50在構建狀態時，轉換桿68從變換 器42的右側延伸。在此狀態中，擠出頭20可以在圍繞構建室12移動的 同時擠出構建材料，從而沉積構建材料的路徑。然而，當控制器14引導 擠出頭20以從擠出構建材料轉換到擠出支撐材料時，轉換開關52被滑動 轉換桿68驅動朝向變換器42的左側(如箭頭A所示)。
轉換桿68可以以多種方式朝向變換器42的左側滑動。在一個實施例 中，擠出頭20在右箭頭B表示的方向滑動穿過構建室12，直到轉換桿68 接觸構建室12內的障礙物(如圏2A所示的障礙物76r)為止。障礙物可 以為構建室12內的任何適合的結構，例如，室壁(例如，室壁22)或構 建室12的架子系統。
當轉換桿68接觸障礙物76R時，如箭頭A所示，擠出頭20在箭頭B的方向的連續運動朝向變換器42的左側推動轉換桿68。因為轉換桿68 通過軌道銷70和軌道74與轉換板組合件50接合，所以，轉換桿68的滑 動造成轉換板組合件50圍繞樞軸56在順時針方向樞軸轉動。
當轉換桿68在箭頭A的方向滑動時，構建線58與驅動輪51分離， 從而防止驅動輪51擠出構建材料。在此點處，轉換板組合件50從構建狀 態轉換到中間狀態。如上所述，當轉換板組合件50定位在中間狀態時， 構建線58和支撐線60與驅動輪51分離。當轉換桿68繼續在箭頭A的方 向滑動時，支撐線60與驅動輪51接合。在此點處，轉換板組合件50從 中間狀態轉換到支撐狀態，用于擠出支撐材料。
圖2B顯示了在支撐狀態的轉換板組合件50，其中支撐線60與驅動 輪51接合。如圖所示，轉換桿68從變換器42的左側延伸，而突出件64 設置在狹槽66的右側處。
一旦擠出頭20完成用于設定層的支撐材料的擠出，則控制器14將引 導轉換板組合件50從支撐狀態轉換回構建狀態。因此，轉換開關52通過 滑動轉換桿68驅動朝向變換器42的右側(箭頭C表示)。轉換桿68還可 以以多種方式朝向變換器42的右側滑動，在一個實施例中，擠出頭20在 箭頭D表示的方向(箭頭A的相對方向)滑動穿過構建室12，直到轉換 桿68接觸構建室12內的第二障礙物(如圖2B所示的障礙物76J為止。 第二障礙物可以為構建室12內的任何適合的結構，例如，室壁(例如， 室壁22)或構建室12的架子系統。
當轉換桿68接觸障礙物76L時，如箭頭C所示，擠出頭20在箭頭D 的方向的連續運動推動轉換桿68朝向變換器42的左側。轉換桿68的滑 動相應地造成轉換板組合件50在逆時針方向圍繞樞軸56樞軸轉動，以返 回到構建狀態。
在構建周期期間，擠出頭20沉積構建材料和支撐材料的通道，以在 構建平臺28上以一層一層的方式分別構建3D目標30和支撐結構32。當 構建所述層時，擠出頭20可以根據來自控制器14的指令在構建狀態和支 撐狀態之間來回地轉換。轉換板組合件50和轉換開關52的使用允許擠出 頭20使用一個驅動輪(和一個電動機)交替地沉積構建材料和支撐材料， 從而降低部件成本，并增加擠出頭20的組合件的可達性。圖3是轉換板組合件50定位在構建狀態中的擠出頭20的左側視圖。 如圖所示，擠出頭20進一步包括電動機78，所述電動機78是連接到驅 動輪51 (在圖3中未顯示)的驅動電動機，用于在構建加工期間旋轉驅動 輪51。如上所述，因為轉換板組合件50在構建狀態和支撐狀態之間是可 定位的，所以，只需要一個驅動輪(即，驅動輪51)和一個電動機(即， 電動機78)交替地擠出構建材料和支撐材料。
如圖3進一步所示，變換器42包括殼體支架80、凸臺82和84、支 架槽85以及導軌槽86和88。擠壓頭20的外殼體(未顯示)通過插入到 支架槽85中的殼體支架80連接到變換器42。凸臺82和84是氣流支管 46設置其上的變換器42的升高部分。氣流支管46通過支架90固定到凸 臺82，通過支架92固定到變換器42。殼體支架80、凸臺82和84、支架 槽85、以及支架卯和92的每個的第二組定位在擠出頭20的右側上，在 圖3中未顯示。導軌槽86和88為橫向延伸通過變換器42的槽，導向軌 26延伸穿過所述導軌槽86和88以在構建室12內支撐擠出頭20。
圖4A是如圖2A所示的轉換板組合件50的左部分的放大視圖，進一 步顯示了利用構建材料的細絲線(在此指細絲線94)的構建線58。如圖 4A中的頂面到底面所示，構建線58包括連接器96、連接銷98、支撐附 件IOO、惰輪102、軸104、液化器塊106和構建噴嘴108。
連接器96是在基座54中的連接點，用于將支撐線38b固定到構建線 58。支撐附件100是通過連接銷98連接到基座54的用于支撐惰輪102的 支架。惰輪102為自由旋轉輪，其通過軸104軸向連接到支撐附件100。 如下所述，惰輪102有助于驅動輪51從構建線38b到液化器塊106以供 給細絲線94。
液化器塊106是固定到基座54的加熱塊，用于根據沿液化器塊106 的適合的熱輪廓將細絲線94熔化到所需的擠出粘度。用于液化器塊106
的適合的加熱塊的實例為在熔融沉積成型系統中商業上適用，由美國明尼 蘇達州的Eden Prairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司的商標"FDM TITAN"表示的產品。
構建噴嘴108是在擠出頭20的底部分20a處固定到液化器塊106的 擠出噴嘴。構建噴嘴108具有用于沉積構建材料的通道噴嘴直徑，其中通道寬度和高度部分基于噴嘴直徑。用于構建噴嘴108的適合的噴嘴直徑的
范圍示例從大約250微米(大約10mil)到大約510微米(大約20mil)。
在用定位在構建狀態的轉換板組合件50擠出構建材料之前，細絲線 94 (即，構建材料)手動和自動地從供給線38b供給到構建線58。這樣 就定位驅動輪51和惰輪102之間的細絲線94的一部分。然后，電動機 78旋轉驅動輪51 (在圖4A所示的逆時針方向)，其使驅動輪51和惰輪 102朝向液化器塊106 (箭頭E表示)拉動細絲線94。
驅動輪51通過電動機78的旋轉將細絲線94連續供給到液化器塊 106。當運行通過液化器塊106時，液化器塊106熔化細絲線94到需要的 擠出粘度。細絲線94未熔化的部分起到促使熔化的構建材料擠出構建噴 嘴108的撞針桿的作用。這樣就允許擠出頭20以所需的流動速度擠出構 建材料，通常地根據驅動輪51的旋轉速度。
圖4B是如圖2B所示的轉換板組合件50的右部分的方法視圖，其進 一步顯示了使用支撐材料的細絲線(在此指細絲線110)的支撐線60。如 圖4B中的頂面到底面所示，支撐線60包括連接器112、連接銷114、支 撐附件116、惰輪118、軸120、液化器塊122以及支撐噴嘴124，其總體 地以與構建線58的相應組合件的相同方式起作用。
連接器112是在基座54中的連接點，用于將支撐線40b固定到支撐 線60。支撐附件116為通過連接銷114連接到基座54用于支撐惰輪118 的支架。惰輪118為自由旋轉輪，其通過軸120軸向連接到支撐附件116。 惰輪118有助于驅動輪51從構建線40b到液化器塊122供給細絲線110。
液化器塊122為根據沿液化器塊122的適合的熱輪廓固定到基座54， 用于將細絲線〗10熔化到所需的擠出粘度的加熱塊。用于液化器塊122的 適合的加熱塊與上述液化器塊106相同。支撐噴嘴124為在液化器塊106 處固定到液化器塊122的擠出噴嘴。用于支撐噴嘴124的適合的特征與以 上構建噴嘴108相同。
在用定位在支撐狀態的轉換板組合件50擠出支撐材料之前，細絲線 110 (即，支撐材料)手動和自動地從供給線40b供給到支撐線60。這樣 就定位驅動輪51和惰輪118之間的細絲線110的部分。然后，電動機78 旋轉驅動輪51 (在圖4B所示的順時針方向)，其使驅動輪51和惰輪118朝向液化器塊122 (箭頭F表示)拉動細絲線IIO。
驅動輪51通過電動機78的旋轉將細絲線110連續供給到液化器塊 122。當運行通過液化器塊122時，液化器塊122熔化細絲線110到需要
的擠出粘度。細絲線iio未熔化的部分起到促使熔化的構建材料擠出構建
噴嘴124的撞針桿的作用。這樣就允許擠出頭20以所需的流動速度擠出 支撐材料，通常地以驅動輪51的旋轉速度。
應該注意，當與支撐線60接合時，驅動輪51的旋轉為在從當與構建 線58接合時的驅動輪51的旋轉的相反旋轉方向(g卩，相對逆時針的順時 針)。這就說明當第二擠出線(即，在圖4B中的支撐線60)與驅動輪接 合時，有利于與擠出線之一 (即，在圖4B中的構建線58)分離。
如圖4B所示，如果構建線58和支撐線60都與驅動輪51接合，則驅 動輪51的順時針旋轉將使細絲線IIO供給到液化器塊122。然而，如以上 圖4A所示，旋轉也將在箭頭E的相對方向供給。這將使細絲線94與驅 動輪51和惰輪102分離，從而需要接下來的重新插入步驟。但是，繞構 建狀態和支撐狀態之間的樞軸56樞軸轉動轉換板組合件50保證當第二擠 出線接合時，至少一個擠出線保持與驅動輪51分離。
圖5是圖3中的剖面5-5的放大剖視圖，進一步顯示了轉換板組合件 50 (為了說明清晰沒有說明省略的組合件)。如圖所示，構建線58進一步 包括供給通道126和液化通道128。供給通道126為設置通過基座54的 通道，并在連接器96處具有入口以及相鄰驅動輪51和惰輪102的出口。 供給通道126提供用于從供給線38b供給細絲線94 (圖5中未顯示)到 驅動輪51和惰輪102的路徑。
擠出通道128為延伸通過液化器塊106的通道，其具有相鄰驅動輪51 和惰輪102的入口和在構建噴嘴108處的出口。擠出通道128提供用于細 絲線94運行通過液化器塊106的路徑。在一個實施例中，擠出通道128 是可移除地插入到液化器塊106的分離的管件。可移除的管件可以在構建 加工之間去除和更換，從而簡化擠出頭20的維修和清洗。在另一實施例 中，擠出通道128包括漏斗形入口 (即加寬入口)以有助于細絲線94的 插入。
同樣地，支撐線60也包括供給通道130和液化通道132。供給通道130是設置通過基座54的通道，并以同樣的方式起到作為構建線58的供 給通道126的作用，用于從供給線40b供給細絲線110 (圖5中未顯示) 到驅動輪51和惰輪118。擠出通道132為延伸通過液化器塊122的通道， 其也以同樣的方式起到構建線58的擠出通道128的作用。用于擠出通道 128的以上說明的實施例也應用到擠出通道132。
如圖5進一步顯示，當轉換板組合件50定位在構建狀態時，構建線 58的構建噴嘴108總體地平行于z軸延伸，其允許構建材料朝向構建平臺 28垂直向下擠出構建材料。相反，支撐線60的支撐噴嘴124定向為與z 軸成一定的角度。此傾斜的定位導致轉換板組合件50繞樞軸56樞軸旋轉， 其沿z軸垂直升高支撐噴嘴124，從而降低在構建加工期間支撐噴嘴124 與擠出層干涉的危險。可供選擇地，當轉換板組合件50定位在支撐狀態 時，將出現相反的情況(如以上圖2B所示)。支撐噴嘴124總體地平行于 z軸延伸，而構建噴嘴108定向為與z軸成一定的角度。
參照驅動輪51和惰輪102和118之間的接合，惰輪102和118在各 自構建和支撐狀態中與驅動輪51偏移的距離可以根據使用的構建和支撐 材料的類型改變。距離一般地是在(1)在驅動輪51和相應的惰輪之間的 細絲線的良好的牽引，以及(2)當驅動輪與惰輪分離時降低細絲線在惰 輪周圍獲得的彎曲量，之間折中。
當轉換板組合件50定位在構建狀態時，在驅動輪51和惰輪102之間 的適合距離的實例的范圍對于熱塑材料(即高強聚苯乙烯和聚丙烯腈丁二 烯苯乙烯high-impact polystyrenes and polyacrylonitrile-butadiene-styrenes) 從大約lmil到大約5mil，而對于較低屈服材料(例如，由美國明尼蘇達 州的Eden Prairie的斯特拉特西斯(Stratasys)公司生產的商標名稱為 "WATERWORKS"禾P "SOLUBLE SUPPORTS"的商業適用的水可溶材 料)，從大約lOmil到大約15mil。在當轉換板組合件50定位在支撐狀態 時在驅動輪51和惰輪102之間的適合距離包括上述用于驅動輪51和惰輪 102的同樣的適用范圍。
如圖5進一步顯示，氣流支管46進一步包括出口孔134B、 134s、 136B 和136s。出口孔538和535 (在以上圖2A中顯示)和1348和134s針對擠 出路徑128和132的入口，并從氣流支管46提供冷卻空氣到擠出路徑128和132的入口。這就降低了細絲線94和110在擠出路徑128和132的各 自入口處熔化的危險。
出口孔136b和136s分別針對構建噴嘴108和支撐噴嘴124，并從氣 流支管46提供冷卻空氣到構建噴嘴108和支撐噴嘴124，以冷卻構建和 支撐材料的擠出流。這就使擠出流易于熔化到事先沉積的通道上，也降低 了當驅動輪51停止旋轉后，流出構建噴嘴108和支撐噴嘴124的過度材 料的危險。因此，氣流支管46設置為提供冷卻空氣給來自同一個來源(即， 冷卻線36)的擠出頭20內和周圍的多個位置。
圖6A和圖6B分別為擠出頭20的頂部和底部分解視圖(為了清晰省 略了氣流支管46)，進一步顯示了在變換器42和轉換板組合件50之間的 相互連接。如圖6A所示，樞軸56包括延伸部分138和保持組合件140(即， 彈簧、墊圈和銷組合件)。延伸部分138插入到轉換板組合件50的孔142 中，并用保持組合件140保持。這樣就使轉換板組合件50繞樞軸56樞軸 轉動，用于在構建狀態、中間狀態和支撐狀態之間轉換。
如圖6A進一步顯示，突出件64包括延伸部分144和保持組合件146 (即，彈簧、墊圈和銷組合件)。延伸部分144插過轉換板組合件50的狹 槽66 (在圖6A中未顯示)，并用保持組合件146保持。如上所述，突出 件64將轉換板組合件50固定到變換器42，同時也使轉換板組合件50繞 樞軸56樞軸轉動。
轉換板組合件50還包括熱電偶導線147a和147b，而控制板48包括 連接點48a和48b。熱電偶導線147a和147b彎曲并分別連接到連接點48a 和48b。這就使控制板48監測液化器塊106和122的熱輪廓。
轉換開關52進一步包括凸臺148、螺釘150和路徑152。凸臺148是 通過螺釘保持傳感器板72固定到相鄰底部分20a的變換器42的擠出組合 件。路徑152沿相鄰底部分20a的變換器42橫向延伸，并且是轉換桿68 滑動保持的變換器42的部分。如下所述，轉換桿68進一步包括傳感器表 面154，其使用傳感器板72標識轉換板組合件50定位在哪個狀態。當轉 換桿68保持在路徑152中時，傳感器板72固定到凸臺148，傳感器板72 設置在傳感器表面154上方。
如圖6B所示，軌道銷70延伸通過相鄰底部分20a的轉換板組合件50的基座54。此外，傳感器板72包括為與控制板48信號通訊的傳感器 156和158。如下所述，傳感器156和158是設置為當轉換桿68沿路徑 152滑動時，沿傳感器表面154 (在圖6B中未顯示)檢測變化的光學傳感 器。
圖7A-7C是使用軌道銷70和傳感器156和158的轉換桿68的放大視 圖，在此，放大視圖相對應以上在圖6A中顯示的視圖。如上所述，轉換 桿68包括軌道74和傳感器表面154。
軌道74包括第一區160、過渡區162以及第二區164，其中過渡區 162設置在第一區160和第二區164之間。第一區160為當轉換板組合件 50定位在構建狀態時軌道銷70設置的區域(如圖7A所示)。同樣地，第 二區164為當轉換板組合件50定位在支撐狀態時軌道銷70設置的區域。 過渡區162限定軌道74的"S"型，并用于將轉換板組合件50從構建狀 態或支撐狀態轉換到中間狀態。
傳感器表面154包括設置在非反射部分174的相對側面上的反射部分 170和172。反射部分170和172為可以基本比非反射部分174反射更多 光線的光線反射表面。傳感器156和158可以檢測從傳感器表面154反射 的光線的強度的光學傳感器。結果，傳感器156和158可以檢測當轉換桿 86沿路徑152 (在圖7A中未顯示)滑動時反射光線的強度變化。這就使 得傳感器的156和158標識轉換板組合件50定位的狀態。
在以下說明的實施例中，傳感器156和158設置為根據儲存在控制板 48(在圖7A中未顯示)中預定模式模式標識轉換板組合件50定位的狀態。 例如，當傳感器156設置在反射部分(例如，反射部分170)上方而傳感 器158設置在非反射部分174 (如圖7A和7B所示)上方時，此接收信號 的組合作為構建狀態預先限定。此預先限定的模式相對應轉換板組合件50 的位置，其中構建線58與驅動輪51接合，用于擠出構建材料。
同樣地，當傳感器156和158都設置在非反射部分174 (如以下圖7C 和7D所示)上方時，此接收信號的組合作為中間狀態預先確定。此預先 限定的模式相對應轉換板組合件50的位置，其中構建線58和支撐線60 與驅動輪51分離。最后，當傳感器156設置在非反射部分174上方，而傳感器158設置 在反射部分(例如，反射部分172)(如下圖7E所示)上方時，此接收 信號的組合作為支撐狀態預先確定。此預先限定的模式相對應轉換板組合 件50的位置，其中支撐線60與驅動輪51接合，用于擠出支撐材料。
如圖7A所示，轉換板組合件50定位為使得軌道銷70設置在軌道74 的第一區160中。當軌道銷70設置在第一區160中時，在轉換板組合件 50上的彈簧62的偏置力(顯示在以上圖2A中)在垂直于第一區160的 路徑的箭頭G的方向偏置軌道銷70。相應地，傳感器156設置在反射部 分170的上方，而傳感器158設置在非反射部分174的上方。結果，控制 板48標識轉換板組合件50在構建狀態。當轉換板組合件50定位在此狀 態時，驅動輪51和構建線58可以將構建材料擠出以構建3D目標30。
當控制器14將擠出頭20引導為轉換到支撐狀態時，轉換桿68在箭 頭A的方向(相對應圖2A中的箭頭A)沿路徑152滑動。轉換桿68的 滑動造成軌道銷70進入到過渡區162 (如圖7B所示)，從而使轉換板組 合件50繞樞軸56樞軸轉動(在順時針方向)。
當軌道銷70進入過渡區162時，轉換板組合件50樞軸轉動的旋轉距 離相對應需要將構建線58與驅動輪51分離的距離。因此，當軌道銷70 進入到過渡區162吋，轉換板組合件從構建狀態轉換到中間狀態。當在過 渡區162中時，彈簧62的偏置力平衡，從而消除軌道銷70的偏置。這就 將轉換板組合件50穩定在中間狀態。
相應地，當軌道銷70進入到過渡區162時，傳感器156和158都設 置在非反射部分174上。因此，控制板48通知控制器14轉換板組合件 50已經轉換到中間狀態。當施加額外的力時，轉換桿68繼續在箭頭A的 方向移動。從而樞軸轉動轉換板組合件(在順時針方向)，直到軌道銷70 進入第二區164為止(如圖7C所示)。轉換板組合件繞軌道銷70的樞軸 轉動進入第二區164的旋轉距離相對應需要將支撐線60與驅動輪51接合 的距離。因此，當軌道銷70進入第二區164時，轉換板組合件從中間狀 態轉換到支撐狀態。當軌道銷70設置在第二區164中時，在轉換板組合 件50上的彈簧62的偏置力(顯示在以上圖2B中)在垂直于第二區164的路徑的箭頭H的方向偏置軌道銷70，并為箭頭G的反向(顯示在以上 圖7A中)。
相應地，當軌道銷70進入第二區164時，傳感器156設置在非反射 部分174的上方，而傳感器158設置在反射部分172的上方。因此，控制 板48通知控制器14轉換板組合件50己經轉換到支撐狀態。當轉換板組 合件50定位在此狀態時，驅動輪51和支撐線60將支撐材料擠出為構建 支撐結構32。
當控制器14引導擠出頭20轉換回到構建狀態時，轉換桿68在箭頭 C的方向(相對應圖2B中的箭頭C)沿路徑152滑動。轉換桿68的滑動 造成軌道銷70從第二區164返回進入到過渡區162 (如圖7D所示)，從 而使轉換板組合件50繞樞軸56樞軸轉動(在逆時針方向)。
當軌道銷70進入過渡區162時，轉換板組合件50樞軸轉動的旋轉距 離相對應需要將支撐線60與驅動輪51分離的距離。因此，當軌道銷70 進入到過渡區162時，轉換板組合件從支撐狀態轉換回到中間狀態。相應 地，在此狀態，傳感器156和158都設置在非反射部分174上。因此，控 制板48通知控制器14轉換板組合件50已經轉換回到中間狀態。
當施加額外的力時，轉換桿68繼續在箭頭C的方向移動。從而樞軸 轉動轉換板組合件(在逆時針方向)，直到軌道銷70進入第一區162為 止(如圖7E所示)。轉換板組合件繞軌道銷70樞軸轉動進入第一區162 的旋轉距離相對應需要將構建線58與驅動輪51接合的距離。因此，當軌 道銷70進入第二區164時，轉換板組合件從中間狀態轉換到構建狀態。 這就再次使彈簧62的偏置力在箭頭G的方向偏置軌道銷70。
相應地，當軌道銷70返回到第一區160時，傳感器156設置在反射 部分170的上方，而傳感器158設置在非反射部分174的上方。因此，控 制板48通知控制器14轉換板組合件50己經轉換回到構建狀態。當轉換 板組合件50定位在此狀態時，驅動輪51和構建線60可以再次將構建材 料擠出以構建3D目標30。
在開始構建加工之前，轉換系統52可以校準為保證傳感器156和158 的預定模式精確地相對應構建狀態、中間狀態和支撐狀態。校準可以通過緩慢地沿路徑152滑動轉換桿，并確定傳感器156和158標識傳感器表面 154中的變化的過渡點進行。
然后，根據過渡點產生傳感器156和158的預定模式，并可以包括超 過過渡點(例如，大約40mil)的閾值以提供安全的范圍。安全范圍保證 在標識形狀在轉換板組合件50的狀態之前傳感器156和158完全超過過 渡點。 一旦產生預定的模式，則擠出頭20可以以正常的速度操作，用于 選擇地擠出構建材料和支撐材料。
轉換開關52提供用于在構建狀態、中間狀態和支撐狀態之間樞軸轉 動轉換板組合件50的適合的設置。另外，轉換開關52提供了用于標識轉 換板組合件50定位狀態的適合的裝置，從而允許控制器14引導擠出頭20 在用一個驅動電動機(即，電動機78)擠出構建材料和擠出支撐材料之間 轉換。
在可供選擇的實施例中，傳感器156和158可以標識轉換板組合件50 以多種方式定位的狀態。在另外可供選擇的實施例中，當轉換板86沿路 徑152滑動時，傳感器156和158可以用檢測在反射光線的強度的變化的 一個傳感器158更換。此外，傳感器156和158可供選擇地為也可以標識 轉換板組合件50的定位狀態的非光學傳感器(例如，近程式傳感器)。
當擠出頭20如上所述使用兩個擠出線(即，構建線58和支撐線60) 時，本發明的可供選擇的擠出頭可以包括沿電動機78的軸延伸的附加的 轉換板組合件。這樣就使一個電動機(即，電動機78)旋轉與附加的轉換 板組合件對齊的附加的驅動輪。
在這些可供選擇的實施例中，每個附加的轉換板組合件都包括定位轉 換板組合件在構建狀態、中間狀態、以及支撐狀態之間的轉換開關。這樣， 當附加的轉換板組合件定位在構建狀態或支撐狀態吋，其余的轉換板組合 件定位在中間狀態，從而防止多個同時擠出。這些可供選擇的實施例有利 于用不同的構建材料和/或不同顏色的材料在一個構建加工中構建3D目標 30。
在另外可供選擇的實施例中，驅動輪51可以用沿電動機78的軸延伸 的多個驅動輪更換，其中每個擠出線(例如，構建線58或支撐線60)與 一個驅動輪接合。這樣，當轉換板組合件50定位在構建狀態時，構建線58與第一驅動輪接合，而支撐線60與第二驅動輪分離。可供選擇地，當
轉換板組合件50定位在支撐狀態時，支撐線60與第二驅動輪接合，而構 建線60與第一驅動輪分離。此可供選擇的實施例允許使用一個驅動電動 機(例如，電動機78)。
雖然本發明已經參照優選實施例進行了說明，但本領域的普通技術人 員應該認識到，可以在此基礎上對形式和細節上做出改變，而不脫離本發 明的主題精神和范圍。
權利要求
1. 一種擠出頭，所述擠出頭包括至少一個驅動輪；以及在至少第一狀態和第二狀態之間可定位的組合件，所述組合件包括第一擠出線，所述第一擠出線設置為當組合件定位在第一狀態時接合至少一個驅動輪；以及第二擠出線，所述第二擠出線設置為當組合件定位在第二狀態時接合至少一個驅動輪。
2. 根據權利要求l所述的擠出頭，其中第一擠出線包括惰輪，當組合件定位在第一狀態時，所述惰輪相鄰所述至少一個驅動 輪設置；液化器塊，所述液化器塊具有入口通道和出口通道，所述入口通道相 鄰惰輪；以及擠出噴嘴，所述擠出噴嘴相鄰液化器塊的出口通道設置。
3. 根據權利要求l所述的擠出頭，進 -步包括設置為在至少第一狀 態和第二狀態之間移動組合件的轉換開關。
4. 根據權利要求3所述的擠出頭，其中所述轉換開關包括轉換桿， 所述轉換桿在第一點和第二點之間滑動，用于在至少第一狀態和第二狀態 之間定位組合件。
5. 根據權利要求4所述的擠出頭，其中所述轉換桿包括設置為與所 述組合件接合的軌道。
6. 根據權利要求l所述的擠出頭，進一步包括用于標識所述組合件 被定位的狀態的傳感器。
7. 根據權利要求l所述的擠出頭，其中當與第一擠出線接合時，所 述至少一個驅動輪在第一旋轉方向旋轉，并當與第二擠出線接合時，所述 至少一個驅動輪在第二旋轉方向旋轉，第二旋轉方向與第一旋轉方向相 反。
8. 根據權利要求l所述的擠出頭，進一步包括具有多個出口孔的氣 流支管。
9. 一種擠出頭，所述擠出頭包括 變換器；驅動輪，所述驅動輪旋轉地連接到所述變換器；組合件，所述組合件樞軸地連接到變換器并包括第一擠出線和第二擠出線；以及轉換開關，所述轉換開關連接到變換器并與組合件接合，用于在至少 第一狀態和第二狀態定位組合件，其中所述第一擠出線設置為當組合件定 位在第一狀態時接合所述驅動輪，而第二擠出線設置為當組合件定位在第 二狀態時接合驅動輪。
10. 根據權利要求9所述的擠出頭，其中第一擠出線包括 惰輪，當組合件定位在第一狀態時，所述惰輪相鄰驅動輪設置； 液化器塊，所述液化器塊具有入口通道和出口通道，所述入口通道相鄰惰輪；以及擠出噴嘴，所述擠出噴嘴相鄰液化器塊的出口通道設置。
11. 根據權利要求9所述的擠出頭，其中所述轉換開關包括能夠相 對變換器滑動的轉換桿。
12. 根據權利要求ll所述的擠出頭，其中所述轉換桿包括軌道，所述軌道設置為與組合件接合，用于相對變換器樞軸轉動所述組合件。
13. 根據權利要求l所述的擠出頭，其中轉換開關包括設置為標識組合件被定位的狀態的傳感器。
14. 根據權利要求13所述的擠出頭，其中轉換開關進一步包括能夠相對變換器滑動的轉換桿，并且其中所述傳感器設置為檢測所述轉換桿的 滑動。
15. —種用于構建三維目標的方法，所述方法包括提供包括組合件和至少一個驅動輪的擠出頭，其中組合件包括第一擠 出線和第二擠出線；將組合件定位在第一狀態 將組合件定位在第二狀態以及將組合件定位在第三狀態，使得至少一個驅動輪與第-—擠出線接合; ，使得至少一個驅動輪與第一擠出線分離;，使得至少一個驅動輪與第二擠出線接合。
16. 根據權利要求15所述的方法，進一步包括當組合件定位在第一 狀態時，在第一旋轉方向旋轉至少一個驅動輪，從而從第一擠出線擠出第 一材料。
17. 根據權利要求16所述的方法，進一步包括當組合件定位在第二 狀態時，在第二旋轉方向旋轉至少一個驅動輪，從而從第二擠出線擠出第 二材料，其中第二旋轉方向與第一旋轉方向相反。
18. 根據權利要求15所述的方法，進一步包括感應組合件定位在第一狀態、第二狀態和第三狀態的時間。
19. 根據權利要求15所述的方法，進一步包括驅動與組合件接合的轉換開關。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中，驅動所述轉換開關包括 將與組合件接合的轉換桿滑動到第一點，從而從第一狀態定位組合件到第二狀態；以及將轉換桿滑動到第二點，從而從第二狀態定位組合件到第一狀態。
全文摘要
本發明公開一種擠出頭(20)，所述擠出頭(20)包括至少一個驅動輪(51)和可定位在至少第一狀態和第二狀態之間的組合件(50)。組合件(50)包括第一擠出生產線(58)，所述第一擠出生產線(58)設置為當所述組合件定位在第一狀態時接合至少一個驅動輪(51)；和第二擠出生產線(60)，所述第二擠出生產線(60)設置為當組合件(50)定位在第二狀態時接合至少一個驅動輪(51)。
文檔編號A01J21/00GK101460050SQ200780020529
公開日2009年6月17日 申請日期2007年3月15日 優先權日2006年4月3日
發明者托馬斯·J·麥克多諾, 本杰明·N·杜恩, 約瑟夫·E·拉博西埃, 馬文·E·埃謝爾曼 申請人:斯特拉塔西斯公司