聚合物喷洒沉积方法及系统技术方案

本发明专利技术揭露了多种聚合物喷洒沉积系统及方法，其可以与广泛的热塑性材料使用于生产通常只使用更传统的制造技术所取得的具复杂度及结构完整性的高分辨度物件，如注射成型方法。该等聚合物喷洒沉积系统及方法使用一拉伸流体于二个渐扩表面(诸如二个滚筒或二个活塞)之间的喷雾生成器。经拉伸的流体断裂开而成为复数个液滴，并经导引通过一可含有可选的液滴尺寸选择器的传输系统而进入一多喷嘴阵列。该多喷嘴阵列经控制以导引该喷雾至一目标表面上，藉以产生一三维物件。被揭露的该等聚合物喷洒沉积系统及方法可使用在三维打印头及打印技术中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上有关一种用于制造三维物件的聚合物喷洒沉积方法及系统。
技术介绍
零件定制生产是一个不断发展的产业且具有广泛的应用。传统上，射出成型及其它加工技术被用来产生物件的模型或生产物件本身。更具体而言，经加热的材料(如玻璃、金属、热塑性塑料及其它聚合物)被射入一特成型为所预期物件形状的注塑模具中。该材料能够在模具中冷却，并呈现模具的形状以形成物件。注塑模具的生产是昂贵且费时的，且物件形状的改变是难以在不进一步增加生产物件的时间和费用的情形下调整适应。附加制造业因响应在改变注塑模具以生产模具或物件本身上的费用、时间及困难性而兴起。已知的附加制造技术包含熔融沉积成型(FDM)、立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)及喷射系统在内。各个已知的附加制造技术在材料、费用及/或体积容量上具有限制，阻碍了使用一整套热塑性材料进行小型运作生产、定制生产及原型制作。再者，已知的附加制造技术不能够精确地生产具有与通过传统技术(如射出成型)所产生机械性能、表面处理及特征复制度质量目标相比的零件。在附加制造业不能产生具有足够应用表现的零件的情况下，已经出现整个使用低成本工具的快速计算机数值控制(CNC)加工及快速射出成型的产业。然而，这些技术明显比附加制造技术更加昂贵，并具有其本身的制造限制。产业被迫在一通过传统但昂贵、不易变更且耗时的技术(如射出成型)所做出的高质量及高体积容量物件，与产生较低质量物件(或许不具有所预期的结构完整度，且有时不具有所预期的材料)但有较快速度及灵活性的附加制造技术之间作出决定。例如，FDM及SLS在能够使用的材料种类上受到限制，并产生出密度小于100%的物件。快速CNC成型具有特征细节及完成度优异但仍是昂贵的较好质量物件。利用已知附加制造技术所产生的原型常常被精制，直至在产生出供大规模使用的射出模具的时点选定出最终设计。这样的多阶段生产过程也是费时且昂贵的。制造业将受益于一可实现数字化、使用一套广泛热塑性材料的附加制造、及特征分辨率的优点的制造过程，而能够制造出具有藉更传统的制造技术所得到的复杂度及结构完整性的物件。
技术实现思路
以下的详细描述结合了目前最好的实施本专利技术示例性实施例的设想模式。本专利技术大致上提供一种聚合物喷洒沉积系统，其包括一喷雾生成器，该喷雾生成器自一流体源接收一流体并通过将二渐扩表面之间的流体拉伸成一流体细丝直至该流体细丝断裂而生成复数个流体液滴，该复数个流体液滴形成一喷雾。该系统亦具有:一收集组件，其自该喷雾生成器接收该喷雾并挟带该喷雾于一载体气流中；一多喷嘴阵列，其接收该载体气流并将该载体气流引向一目标表面；以及一物件产生平台，其控制该多喷嘴阵列反复涂覆该载体气流于该目标表面以在该目标表面上形成一三维物件。于本专利技术的一方面中，该流体为一高分子量聚合物流体溶液。其它实施例可包含一或多个喷雾生成器，各喷雾生成器包含二个滚筒，该等滚筒吸引该流体至该二滚筒所界定的一辊隙的一上游侧内，并使该流体在该辊隙的一下游侧于该二滚筒的相对渐扩表面之间拉伸。另外的实施例可使用一具有一熔点的热塑性塑料的流体，且其中该收集组件以一高于该熔点的温度保留该热塑性塑料于该载体气流中。【附图说明】图1A为一根据本专利技术该等方面的聚合物喷洒沉积系统方块图。图1B显示在一使用根据本专利技术的聚合物喷洒沉积系统及方法产生三维物件的方法中的步骤。图2A显示一具有二个滚筒喷雾生成器的实例。图2B显示一具有二个活塞喷雾生成器的实例。图3显示一含有输送信道的收集组件的实例。图4A为液滴尺寸选择器的实例。图4B为液滴尺寸选择器的另一实例。图5为多喷嘴阵列的实例。图6A及6B为具有垂直于该等喷嘴循环的气流的多喷嘴阵列实例。图7为多喷嘴阵列的另一实例。图8A为聚合物喷洒沉积系统的实例。图8B为图8A中所示聚合物喷洒沉积系统实例中的喷嘴。图9为用以导引该喷雾至目标表面的闸控机构的实例。图1OA显示一来自于图9中所示闸控机构的单一喷嘴于关闭位置时的示意图。图1OB显示一来自于图9中所示闸控机构的单一喷嘴于开启位置时的示意图。【具体实施方式】本专利技术所揭露的聚合物喷洒沉积系统及方法有助于实现具有更广泛热塑性材料及所生成物件特征尺寸分辨率的三维数字化附加制造技术的优势，其在复杂度及结构完整性上近似于更传统的制造技术(诸如射出成型制程)。本专利技术所揭露的聚合物喷洒沉积系统及方法可从高分子量聚合物及其溶液与其它热塑性塑料(诸如尼龙、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚砜及乙缩醛)中气溶胶化并产生三维物件。该等聚合物喷洒沉积系统及方法可气溶胶化任何具有高度粘弹性的牛顿型及非牛顿型流体。图1A显不了一聚合物喷洒沉积系统100实例的方块图，其包含一喷雾生成器102、一收集组件104、一多喷嘴阵列106及一物件产生平台108。该喷雾生成器102由一流体源110接收流体，并生成用以形成一喷雾的复数个流体液滴。该复数个流体液滴通过将流体拉伸以形成一流体细丝的流体拉伸技术而生成。该流体细丝断裂成复数个流体液滴而形成该喷雾。流体拉伸方法及系统的实例已在名称均为“METHODS AND SYSTEMS FOR CREATINGAEROSOLS”的第14/066，418及14/066，435号美国专利申请案中讨论，且该等专利均由本申请案的受让人共同拥有，其全文以弓I用方式并入本文中。图2A及2B显示了喷雾生成器的方法及系统实例，其通过将二个渐扩表面之间的流体拉伸成一流体细丝直至该流体细丝断裂而生成复数个流体液滴，该复数个流体液滴形成一喷雾。其它适合在二个渐扩表面之间拉伸流体的方法可以使用多种选择而达到，包含多个滚筒排列、共同转动的滚筒、反向旋转的滚筒、于环圈或皮带内的滚筒等。图2A显示了连续的流体经由一对反向旋转的滚筒200、202而拉伸。该二个滚筒200,202之间的空间界定出一辊隙204而于该等滚筒200、202反向旋转时吸引该流体于其内。该流体于该辊隙204的上游侧206处汇集并被吸引通过该辊隙204。于该辊隙204的下游侧208，该流体于该二反向旋转的滚筒200、202的渐扩表面之间拉伸成一流体细丝210。当该等滚筒200、202反向旋转，该流体细丝210所黏附的滚筒200、202渐扩表面保持不变，但这些表面之间的空间更大。该流体细丝212于该等滚筒200、202的表面远离彼此旋转时变得更长更细。当流体细丝212达到该液桥变得不稳定的时点(对该流体细丝212而言也是毛细管断裂点)时，该流体细丝212断当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物喷洒沉积系统，包括：一喷雾生成器，其自一流体源接收一流体并通过将二渐扩表面之间的流体拉伸成一流体细丝直至该流体细丝断裂而生成复数个流体液滴，该复数个流体液滴形成一喷雾；一收集组件，其自该喷雾生成器接收该喷雾并挟带该喷雾于一载体气流中；一多喷嘴阵列，其接收该载体气流并将该载体气流引向一目标表面；以及一物件产生平台，其控制该多喷嘴阵列反复涂覆该载体气流于该目标表面以在该目标表面上形成一三维物件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D·M·约翰逊，A·R·沃尔克尔，V·贝克，J·S·帕施科维茨，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US