Нецилиндрические филаменты для использования в экструзионных цифровых системах изготовления

Нецилиндрические филаменты для использования в экструзионных цифровых системах изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Настоящее раскрытие относится к прямым цифровым системам изготовления для изготовления трехмерных (3D) моделей. В частности, настоящее изобретение относится к расходным материалам, например моделирующим и опорным материалам, для использования в экструзионных цифровых системах изготовления.

Экструзионная цифровая система изготовления (например, системы моделирования расплавленным осаждением, разработанные Stratasys, Inc., Eden Prairie, MN) используется для изготовления 3D модели из цифрового представления 3D модели послойным образом экструзией текучего расходного моделирующего материала. Моделирующий материал экструдируется через экструзионный наконечник, удерживаемый экструзионной головкой, и осаждается в виде последовательностей трасс на подложке в плоскости x-y. Экструдированный моделирующий материал плавится для предварительного осаждения моделирующего материала и твердеет в результате падения температуры. Далее положение экструзионной головки относительно подложки получает приращение вдоль оси z (перпендикулярной плоскости x-y), и далее этот процесс повторяется для образования 3D модели, сходной с цифровым представлением.

Перемещение экструзионной головки относительно подложки выполняется под управлением компьютера в соответствии с данными изготовления, которые представляют 3D модель. Данные изготовления получают изначальным разделением цифрового представления 3D модели на множественные горизонтальные разделенные слои. Далее, для каждого разделенного слоя главный компьютер создает маршрут изготовления для осаждения трасс моделирующего материала для образования 3D модели.

При изготовлении 3D моделей осаждением слоев моделирующего материала, поддерживающие слои или структуры обычно изготавливаются под нависающими участками или в полостях объектов, находящихся в процессе изготовления, которые не поддерживаются самим моделирующим материалом. Опорная структура может быть изготовлена с использованием тех же технологий осаждения, с помощью которых моделирующий материал осаждается. Главный компьютер создает дополнительную геометрию, действующую в качестве опорной структуры для нависающих сегментов или сегментов свободного пространства образуемой 3D модели. Расходный опорный материал далее осаждается из второго сопла в соответствии с созданной геометрией во время процесса изготовления. Опорный материал прилипает к моделирующему материалу во время изготовления и является удаляемым из готовой 3D модели при завершении процесса изготовления.

Раскрытие изобретения

Первый аспект настоящего раскрытия относится к расходному материалу для использования в экструзионной цифровой системе изготовления. Расходный материал имеет длину и профиль поперечного сечения по меньшей мере участка длины, который является осесимметричным. Профиль поперечного сечения сконфигурирован для обеспечения времени реакции с помощью нецилиндрического ожижителя экструзионной цифровой системы изготовления, которое быстрее (например, по меньшей мере на 50%) времени реакции, достигаемого цилиндрическим филаментом в цилиндрическом ожижителе для той же термически ограниченной максимально объемной скорости потока.

Другой аспект настоящего раскрытия относится к расходному материалу для использования в экструзионной цифровой системе изготовления, причем расходный материал имеет состав, содержащий по меньшей мере один материал, обладающий аморфными свойствами. Расходный материал также имеет нецилиндрическую геометрию, которая содержит длину и профиль поперечного сечения по меньшей мере участка длины. Профиль поперечного сечения конфигурирован для совмещения с нецилиндрическим ожижителем экструзионной цифровой системы изготовления, имеющим входную площадь А _е поперечного сечения и гидравлический диаметр D _h, причем полифенилсульфон D h < 0,95 A e .

Другой аспект настоящего раскрытия относится к способу изготовления расходных материалов для использования в экструзионных цифровых системах изготовления. Способ включает в себя этап, на котором обеспечивают лист, имеющий толщину и состав, содержащий по меньшей мере один термопластичный материал. Способ также включает в себя этап, на котором разрезают лист на множество нецилиндрических филаментов, причем по меньшей мере один из множества нецилиндрических филаментов имеет длину и профиль поперечного сечения по меньшей мере участка этой длины. Профиль поперечного сечения сконфигурирован для совмещения с нецилиндрическим ожижителем экструзионной цифровой системы изготовления, имеющим входную площадь А _е и гидравлический диаметр D _h, причем D h < 0,95 A e . Способ дополнительно включает в себя загрузку по меньшей мере участка множества нецилиндрических филаментов в узлы подачи, по существу, параллельным образом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид спереди экструзионной цифровой системы изготовления для изготовления 3D моделей и опорных структур из нецилиндрических филаментов моделирующих и опорных материалов.

Фиг.2 - вид в перспективе ленточного филамента, который является нецилиндрическим филаментом, имеющим прямоугольный профиль поперечного сечения.

Фиг.3 - вид в разрезе 3-3, взятом на Фиг.2, иллюстрирующий профиль поперечного сечения ленточного филамента.

Фиг.4 - вид с разнесением элементов в перспективе подузла экструзионной головки экструзионной цифровой системы изготовления при использовании ленточного филамента, причем подузел экструзионной головки включает в себя прямоугольный ожижитель.

Фиг.5А - вид в разрезе 5А-5А, взятом на Фиг.4, иллюстрирующий ленточный филамент, экструдированный через прямоугольный ожижитель.

Фиг.5В - вид в разрезе 5В-5В, взятом на Фиг.4, дополнительно иллюстрирующий ленточный филамент, экструдированный через прямоугольный ожижитель.

Фиг.5С - вид в разрезе 5С-5С, взятом на Фиг.4, иллюстрирующий впускной профиль поперечного сечения прямоугольного ожижителя.

Фиг.6 - схематичная иллюстрация множества цилиндрических ожижителей, наложенных поверх прямоугольного ожижителя.

Фиг.7 - блок-схема способа формирования ленточных филаментов.

Фиг.8 - вид в перспективе экструдированного листа, используемого для образования ленточных филаментов.

Фиг.9 - схематичная иллюстрация системы изготовления листа экструзией для образования экструдированного листа.

Фиг.10 - схематичная иллюстрация системы изготовления филаментов для образования ленточных филаментов из экструдированных листов.

Фиг.11 - альтернативный вид в перспективе разреза 3-3, взятого на Фиг.2, иллюстрирующий первый альтернативный ленточный филамент, имеющий одну слоистую поверхность.

Фиг.12 - альтернативный вид в перспективе разреза 3-3, взятого на Фиг.2, иллюстрирующий второй альтернативный ленточный филамент, имеющий две слоистые поверхности.

Фиг.13 - альтернативный вид в перспективе разреза 3-3, взятого на Фиг.2, иллюстрирующий третий альтернативный ленточный филамент, имеющий две слоистые поверхности с множеством слоев.

Детальное описание

Настоящее раскрытие направлено на нецилиндрические филаменты моделирующего и опорного материалов для использования в экструзионных цифровых системах изготовления и способы и системы для изготовления нецилиндрических филаментов. Как обсуждается ниже, нецилиндрические филаменты представляют собой расходные материалы, способные плавиться и экструдироваться из нецилиндрических ожижителей с уменьшенным временем реакции по сравнению с цилиндрическими филаментами, расплавляемыми и экструдированными из цилиндрических ожижителей с такими же объемными скоростями потока. Это благоприятно для улучшения точностей осаждения и уменьшения времени изготовления, тем самым увеличивая эффективность процесса изготовления 3D моделей и соответствующих опорных структур.

Используемое здесь выражение «нецилиндрический филамент» относится к филаменту моделирующего и опорного материала, имеющему профиль поперечного сечения, который является нецилиндрическим (например, прямоугольный профиль поперечного сечения). Это отличает его от «цилиндрического филамента», который имеет профиль поперечного сечения, который является круглым. Соответственно, используемое здесь выражение «нецилиндрический ожижитель» относится к ожижителю, имеющему канал с профилем поперечного сечения, который является нецилиндрическим (например, прямоугольным или дугообразным профилем поперечного сечения) для приема нецилиндрического филамента. Это отличает его от «цилиндрического ожижителя», который имеет канал с профилем поперечного сечения, который является круглым для приема цилиндрического филамента.

Фиг.1 представляет собой вид спереди системы 10, которая представляет собой экструзионную цифровую систему изготовления, которая включает в себя камеру 12 изготовления, плиту 14, балку 16, экструзионную головку 18 и источники 20 и 22 питания, причем экструзионная головка 18 выполнена с возможностью принимать и плавить последовательные участки нецилиндрических филаментов (не показаны на Фиг.1) во время операции изготовления с помощью системы 10. Подходящие экструзионные цифровые системы изготовления для системы 10 включают системы моделирования расплавленным осаждением, разработанные Stratasys, Inc., Eden Prairie, MN.

Камера 12 изготовления представляет собой закрытую среду, которая содержит плиту 14, балку 16 и экструзионную головку 18 для создания 3D модели (называемой 3D моделью 24) и соответствующей опорной структуры (называемой опорной структурой 26). Плита 14 представляет собой платформу, на которой изготавливаются 3D модель 24 и опорная структура 26, и перемещается вдоль вертикальной оси z, основываясь на сигналах, обеспеченных управляемым компьютером контроллером (называемым контроллером 28). Балка 16 представляет собой систему направляющих рельс, выполненную с возможностью перемещать экструзионную головку 18 в горизонтальной плоскости x-y в пределах камеры 12 изготовления, основываясь на сигналах, обеспеченных контроллером 28. Горизонтальная плоскость x-y представляет собой плоскость, определяемую осью x и осью y (не показаны на Фиг.1), где ось x, ось y и ось z ортогональны друг другу. В альтернативном варианте выполнения плита 14 может быть выполнена с возможностью перемещаться в горизонтальной плоскости x-y в пределах камеры 12 изготовления, и экструзионная головка 18 может быть выполнена с возможностью перемещаться вдоль оси z. Другие подобные конструкции также могут быть использованы так, что одна или обе из плиты 14 и экструзионной головки 18 являются подвижными относительно друг друга.

Экструзионная головка 18 поддерживается балкой 16 для изготовления 3D модели 24 и опорной структуры 26 на плите 14 послойным образом, основываясь на сигналах, обеспеченных контроллером 30. Экструзионная головка 18 включает в себя пару нецилиндрических ожижителей (не показаны на Фиг.1), причем первый нецилиндрический ожижитель выполнен с возможностью принимать и плавить последовательные участки нецилиндрического филамента моделирующего материала, и второй нецилиндрический ожижитель выполнен с возможностью принимать и плавить последовательные участки нецилиндрического филамента опорного материала.

Нецилиндрический филамент моделирующего материала может быть подан в экструзионную головку 18 от источника 20 питания по маршруту 30. Подобным образом, нецилиндрический филамент опорного материала может быть подан в экструзионную головку от источника 22 питания по маршруту 32. Система 10 также может включать в себя дополнительные приводные механизмы (не показаны), выполненные с возможностью содействовать подаче нецилиндрических филаментов от источников 20 и 22 питания в экструзионную головку 18. Источники 20 и 22 питания представляют собой источники (например, намотанные контейнеры) для нецилиндрических филаментов, и целесообразно удерживаются в положении, удаленном от камеры 12 изготовления. Подходящие узлы для источников 20 и 22 питания раскрыты в патенте США № 6923634, Swanson и др.; патенте США № 7122246, Comb и др.; и публикации заявки на патент США 2010/0096485 и 2010/0096489, Taatjes и др.

Во время операции изготовления балка 16 перемещает экструзионную головку 18 в горизонтальной плоскости x-y внутри камеры 12 изготовления, при этом нецилиндрические филаменты подаются в экструзионную головку 18. Экструзионная головка 18 термически плавит последовательные участки принятого филамента моделирующего материала, тем самым позволяя расплавленному материалу экструдироваться для изготовления 3D модели 24. Подобным образом, экструзионная головка 18 термически плавит последовательные участки ленточного филамента опорного материала, тем самым позволяя экструдировать расплавленный материал для изготовления опорной структуры 26. Подобным образом, экструзионная головка 18 термически плавит последовательные участки филамента опорного материала, тем самым позволяя экструдировать расплавленный материал для изготовления опорной структуры 26. Каждый из задних нерасплавленных участков нецилиндрических филаментов может функционировать как поршень с вязкостно-нагнетательным воздействием для экструзии расплавленного материала из соответственных ожижителей экструзионной головки 18.

Экструдированные моделирующий и опорный материалы осаждают на плиту 14 для изготовления 3D модели 24 и опорной структуры 26, используя слоевую аддитивную технологию. Опорная структура 26 целесообразно осаждается с возможностью обеспечения вертикальной опоры вдоль оси z для нависающих областей слоев 3D модели 24. После завершения операции изготовления получившаяся модель 3D 24/опорная структура 26 может быть удалена из камеры 12 изготовления, и опорная структура 26 может быть отделена от 3D модели 24.

Как обсуждается ниже, профили поперечного сечения нецилиндрических филаментов и ожижителей позволяют плавить и экструдировать нецилиндрические филаменты из экструзионной головки 18 с уменьшенным временем реакции по сравнению с цилиндрическими филаментами и ожижителями. Это увеличивает эффективность процесса в системе 10 для изготовления 3D модели 24 и опорной структуры 26. Например, уменьшенное время реакции может увеличивать точность положений запуска и остановки для осаждаемых трасс моделирующего и опорного материалов. Во время операции изготовления для образования слоя 3D модели (например, 3D модели 24), экструзионная головка (например, экструзионная головка 18) перемещается в горизонтальной плоскости x-y и осаждает расплавленный моделирующий материал. После завершения данной конфигурации осаждения, экструзионная головка останавливает осаждение моделирующего материала. Оно завершается удержанием филамента от подачи в ожижитель экструзионной головки, тем самым прекращая вязкостно-нагнетательное воздействие филамента.

Однако время реакции от момента, когда экструзионная головка останавливает погружение филамента в ожижитель и до момента, когда моделирующий материал по существу останавливает экструзию из экструзионной головки, не является мгновенным. Наоборот, существует задержка, которая основана на таких параметрах, как термические свойства ожижителя, состав филамента и, как обсуждается ниже, профиль поперечного сечения канала филамента и ожижителя. Подобным образом, также существует задержка времени реакции, связанная с переходом из состояния нулевого потока в состояние стабильного потока. Ожижители и филаменты, которые требуют большое время реакции, увеличивают эти задержки, тем самым потенциально уменьшая точность осаждения. Уменьшение времени реакции, однако, может улучшать эстетическое и конструкторское качества полученной 3D модели особенно при изготовлении 3D моделей, содержащих высококачественные признаки.

Например, уменьшенное время реакции для системы 10 может регулировать ускорение балки 16 в соответствующих положениях вблизи положений запуска и остановки осаждения. Это может повышать способность закрытия трещин каждого слоя, что может повышать качество детали. Дополнительно, время реакции определяет, насколько балка 16 может быть отклонена от постоянной тангенциальной скорости, когда балка 16 перемещается под углом в плоскости x-y. В результате, уменьшенное время реакции позволяет экструзионной головке 18 достигать больших ускорений и замедлений на повороте. Это может уменьшать время изготовления, требуемое для изготовления 3D моделей и опорных структур приблизительно таким же образом, как при поворачивании гоночного автомобиля, что является важными для уменьшения времени гонки.

Для простоты обсуждения следующее далее раскрытие представлено со ссылкой на нецилиндрический филамент, имеющий прямоугольный профиль поперечного сечения (называемый ленточным филаментом), и нецилиндрический ожижитель, имеющий соответствующий прямоугольный канал для приема ленточного филамента. Однако настоящее раскрытие также применимо к нецилиндрическим филаментам, имеющим множество различных профилей поперечного сечения, которые уменьшают время реакции по сравнению с цилиндрическими филаментами.

Фиг.2 представляет собой вид в перспективе ленточного филамента 34, который представляет собой нецилиндрический филамент, имеющий прямоугольный профиль поперечного сечения и включает в себя длину 36. Длина 36 является непрерывной длиной, которая может быть изменена в зависимости от количества ленточного филамента 34, оставшегося в источнике 20 или 22 питания (показанном на Фиг.1). Ленточный филамент 34 является целесообразно гибким вдоль длины 36, чтобы обеспечивать возможность ленточному филаменту 34 закрепляться в источниках 20 и 22 питания (например, наматываться на катушки) и подаваться через систему 10 (например, по маршрутам 30 и 32) без пластической деформации и разрушения. Например, в одном варианте выполнения ленточный филамент 44 целесообразно способен выдерживать упругие деформации, большие, чем t/r, где «t» представляет собой толщину поперечного сечения ленточного филамента 34 в плоскости изгиба (например, толщину 42, показанную на Фиг.3), а «r» представляет собой радиус изгиба (например, радиус изгиба в источнике 20 или 22 питания и/или радиус изгиба по маршруту 30 или 32).

Ленточный филамент 34 может быть изготовлен из множества экструдированных моделирующих и опорных материалов для соответствующего изготовления 3D модели 24 и опорной структуры 24 (показанных на Фиг.1). Подходящие моделирующие материалы для ленточного филамента 34 включают в себя полимерные и металлические материалы. В некоторых вариантах выполнения подходящие моделирующие материалы включают материалы, имеющие аморфные свойства, например термопластичные материалы, аморфные металлические материалы и их совокупности. Примеры подходящих термопластичных материалов для ленточного филамента 34 включают в себя сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), поликарбонаты, полисульфоны, полиэфирсульфоны, полиэфиримиды, аморфные полиамиды их модифицированные варианты (например, сополимеры ABS-M30), полистиролы и их смеси. Примеры подходящих аморфных металлических материалов включают материалы, раскрытые в публикации заявки на патент №2009/0263582, Batchelder и др.

Подходящие опорные материалы для ленточного филамента 34 включают в себя материалы, имеющие аморфные свойства (например, термопластичные материалы), и которые являются целесообразно удаляемыми от соответствующих моделирующих материалов после изготовления 3D модели и опорной структуры 26. Примеры подходящих опорных материалов для ленточного филамента 34 включают в себя водорастворимые опорные материалы, в торговом отношении доступные под торговыми обозначениями «WATERWORKS» и «SOLUBLE SUPPORTS» от Statasys, Inc., Eden Prairie, MN; отделяемые опорные материалы, в торговом отношении доступные под торговым обозначением «BASS» от Statasys, Inc., Eden Prairie, MN; и материалы, раскрытые в патенте США № 5503785, Crump и др.; патенте США № 6070107 и 6228923, Lombardi и др.; патенте США № 6790403, Priedeman и др.; и публикации заявки на патент США № 2010/0096072, Hopkins и др.

Состав ленточного филамента 34 также может включать в себя дополнительные добавки, например пластификаторы, реологические модификаторы, инертные наполнители, красители, стабилизаторы и их совокупности. Примеры подходящих дополнительных пластификаторов для использования в опорном материале включают диалкилфталаты, циклоалкилфталаты, бензил и арилфталаты, алкоксифталаты, алкил/арил фосфаты, полигликольэфиры, адипиновые эфиры, эфиры лимонной кислоты, эфиры глицерина и их совокупности. Примеры подходящих инертных наполнителей включают в себя карбонат кальция, карбонат магния, стеклянные шары, графит, углеродную сажу, углеродное волокно, стекловолокно, тальк, силикат кальция, слюду, алюминий, кремний, каолин, карбид кремния, композитные материалы (например, сферические и филаментный композитные материалы) и их совокупности. В вариантах выполнения, в которых состав включает в себя дополнительные добавки, примеры подходящих объединенных концентраций дополнительных добавок в составе находятся в диапазоне от около 1% по весу до около 10% по весу, причем особо подходящие концентрации находятся в пределах от около 1% по весу до около 5% по весу, основываясь на всем весе состава.

Ленточный филамент 34 также целесообразно проявляет физические свойства, которые позволяют использовать ленточный филамент 34 в качестве расходного материала в системе 10. В одном варианте выполнения состав ленточного филамента 34 является, по существу, однородным по всей его длине. Дополнительно, состав ленточного филамента 34 целесообразно проявляет температуру стеклования, которая является пригодной для использования в камере 12 изготовления. Примеры подходящих температур стеклования в атмосферном давлении для состава ленточного филамента 44 включают температуры около 80°С или более. В некоторых вариантах выполнения подходящие температуры стеклования включают около 100°С или более. В дополнительных вариантах выполнения подходящие температуры стеклования включают около 120°С или более.

Ленточный филамент 34 также целесообразно проявляет низкую прессуемость так, что его осевое сжатие не вызывает застревания ленточного филамента 34 внутри ожижителя. Примеры подходящих значений модулей Юнга для полимерных составов ленточного филамента 34 включают значения модулей около 0,2 ГПа или более, где значения моделей Юнга измеряются в соответствии с ASTM D638-8. В некоторых вариантах выполнения подходящие модули Юнга находятся в пределах от около 1,0 ГПа до около 5,0 ГПа. В дополнительных вариантах выполнения подходящие значения модулей Юнга находятся в пределах от около 1,5 ГПа до около 3,0 ГПа.

В некоторых вариантах выполнения, как обсуждается ниже, ленточный филамент 34 может быть многослойным филаментом. Например, ленточный филамент 34 может включать в себя центральный слой, размещенный между внешними слоями различных материалов. Это позволяет ленточному филаменту 34 проявлять множество физических и эстетических качеств. В дополнительных вариантах выполнения ленточный филамент 34 может проявлять топографические поверхностные конфигурации, которые обсуждаются в предварительной заявке на патент США № 61/247078, Batchelder и др.; заявке на патент США №12/612,342 под названием «Consumable Materials Having Topographical Surface Patterns For Use In Extrusion-Based Digital Manufacturing Systems».

Фиг.3 представляет собой вид в разрезе 3-3, взятом на Фиг.2, иллюстрирующий профиль 38 ленточного филамента 34. Профиль 38 представляет собой осеасимметричный профиль поперечного сечения ленточного филамента 34 в положении вдоль длины 36. В показанном варианте выполнения ленточный филамент 34 имеет, по существу, такой же профиль 38 вдоль длины 36, тем самым позволяя использовать всю длину 36 во время операции изготовления. Альтернативно, один или более участков длины 36 (например, задний концевой сегмент) может быть неиспользуемым.

В показанном варианте выполнения ленточный филамент 34 имеет ширину 40 поперечного сечения и толщину 42 поперечного сечения. Подходящие размеры для ширины 40 и толщины 42 целесообразно позволяет совмещать ленточный филамент 34 с прямоугольным ожижителем экструзионной головки 18, а также целесообразно обеспечивать коэффициент формы поперечного сечения, который уменьшает время реакции экструдированного материала по сравнению с цилиндрическим филаментом в цилиндрическом ожижителе с такой же объемной скоростью потока.

Примеры подходящих размеров для ширины 40 находятся в пределах от около 1,0 мм до около 10,2 мм, причем особо подходящие ширины находятся в пределах от около 2,5 мм до около 7,6 мм, и причем еще более особо подходящие ширины находятся в пределах от около 3,0 мм до около 5,1 мм.

Толщина 42 является целесообразно достаточно тонкой для обеспечения пригодной структурной целостности для ленточного филамента 34, тем самым уменьшая риск возникновения изломов и трещин при закреплении ленточного филамента 34 в источнике 20 или 22 питания и при подаче через систему 10 (например, по маршрутам 30 или 32). Примеры подходящих размеров для толщины 42 находятся в пределах от около 0,08 мм до около 1,5 мм, причем особо подходящие толщины находятся в пределах от около 0,38 мм до около 1,3 мм, и еще более подходящие толщины находятся в пределах от около 0,51 мм до около 1,0 мм.

Как обсуждается ниже, коэффициент формы ширины 40 к толщине 42 и соответствующий коэффициент формы прямоугольного ожижителя могут быть выбраны для эффективного удаления сердцевины, которая связана с цилиндрическим филаментом, имеющим круглое поперечное сечение. Это позволяет плавить и экструдировать ленточный филамент 34 в прямоугольной ожижителе с уменьшенным временем реакции.

Фиг.4 представляет собой разобранный вид в перспективе подузла 44, который представляет собой пригодный подузел экструзионной головки 18 (показанный на Фиг.1) для использования с ленточным филаментом 34. Подузел 44 включает в себя приводной механизма 36, ожижитель 48 и термальный блок 50. Приводной механизм 46 представляет собой приводной механизм филамента, который подает последовательные участки ленточного филамента 34 по маршруту 30 (показанному на Фиг.1) в ожижитель 48. Приводной механизм 46 целесообразно находится в связи посредством сигналов с контроллером 28 (показанным на Фиг.1), тем самым позволяя контроллеру 28 направлять скорости, с которыми приводной механизм 46 подает ленточный филамент 34 в ожижитель 48. Тогда как показан в виде пары приводных колес, приводной механизм 46 может включать в себя множество различных механизмов для подачи ленточного филамента 34 в ожижитель 48. Примеры подходящих приводных механизмов филамента для приводного механизма 46 включают механизмы, раскрытые в публикации заявок на патент № 2009/0274540 и 2009/0273122, Batchelder и др.

Ожижитель 48 представляет собой нецилиндрический ожижитель, который включает в себя канал 52, продолжающийся между верхним концом 54 и нижним концом 56. Верхний конец 54 и нижний конец 56 являются противоположными концами ожижителя 48 вдоль продольной оси 58. Канал 52 представляет собой прямоугольную щель, в которой ленточный ожижитель принимается и плавится. Соответственно, впуск канала 52 на верхнем конце 54 целесообразно имеет размеры, которые позволяют совмещать ленточный филамент 34 с каналом 52. Это позволяет ленточному филаменту скользить в канал 52 без чрезмерного сопротивления трения. Канал 52 также целесообразно обладает, по существу, таким же профилем поперечного сечения вдоль продольной оси 58 между верхним концом 54 и нижним концом 56. Однако в альтернативных вариантах выполнения профиль поперечного сечения канала 52 может быть заострен до более меньшей площади поперечного сечения на нижнем конце 56.

Ожижитель 48 также включает в себя экструзионный наконечник 60, который представляет собой наконечник малого диаметра, который размещен на нижнем конце 56 и выполнен с возможностью экструдировать расплавленный материал ленточного филамента 34 с требуемой шириной трасс. Примеры подходящих внутренних диаметров наконечника для экструзионного наконечника 60 находятся в пределах от около 125 мкм до около 510 мкм.

Термоблок 50 представляет собой теплопроводный компонент, который продолжается вокруг по меньшей мере участка ленточного ожижителя 48 и выполнен с возможностью проводить тепло к ожижителю 48 и принятому ленточному филаменту 34. Примеры подходящих теплопроводных компонентов для термоблока 50 включают раскрытые в патенте США № 6004124, Swanson и др.; патенте США № 6547995, Comb; публикации U.S. № 2007/0228590; и публикации заявки на патент № 2009/0273122, Batchelder и др. В альтернативных вариантах выполнения термоблок 50 может быть заменен множеством различных теплопроводных компонентов, которые создают и/или передают тепло ожижителю 48, тем самым образуя перепад температур внутри ожижителя 48 вдоль продольной оси 58.

Во время операции изготовления в системе 10 (показанной на Фиг.1) ленточный филамент 34 зацепляют с приводным механизмом 46 и погружают в канал 52 ожижителя 48. Далее контроллер 28 заставляет приводной механизм 46 приводить в движение последовательные участки ленточного филамента 34 через ожижитель 48. Когда ленточный филамент 34 проходит через ленточный ожижитель 48, перепад температур, созданный термоблоком 50, плавит материал ленточного филамента 34 внутри ожижителя 48. Задний нерасплавленный участок ленточного филамента 34, приводимый в движение приводным механизмом 46, функционирует как поршень с вязкостно-нагнетательным воздействием на расплавленный материал между нерасплавленным участком и стенками ожижителя 48, тем самым экструдируя расплавленный материал из экструзионного наконечника 60. Далее, экструдированный материал может быть осажден в виде трасс для образования 3D модели 24 послойным образом.

Как описано выше, ленточный филамент 34 способен к плавлению и экструзии из ожижителя 48 с уменьшенным временем реакции по сравнению с цилиндрическими филаментами, расплавляемыми и экструдированными из цилиндрических ожижителей с такими же объемными скоростями потока. Для цилиндрических ожижителей реакция RC-подобные сосредоточенные параметры преобладают над реакцией. В силу этого время реакции для цилиндрических ожижителей принимает значение 1/е времени, которое представляет собой время изменения скорости потока от 0% до в пределах около 63% от нового значения уравновешенного состояния. Для сравнения, для нецилиндрических ожижителей, например ожижителя 48, параметры трансмиссии доминируют над реакцией. В силу этого время реакции для нецилиндрических ожижителей, например ожижителя 48, принимает значение времени между около 10% и около 90% изменений скорости потока.

Например, время реакции подузла 44 представляет собой время, требуемое для скорости потока расплавленного материала в экструзионном наконечнике 60 для реагирования на изменение давления привода, которое приводной механизм 46 прикладывает к ленточному филаменту 34 (за счет команд контроллера 28). Быстрое время реакции полезно для улучшения эстетических и конструкторских показателей получившейся 3D модели, особенно при изготовлении 3D модели, содержащей высококачественные признаки. В частности, быстрое время реакции необходимо для изготовления 3D моделей с высокими скоростями, так как оно определяет степень, с которой балка (например, балка 16) может замедленно перемещаться при повороте и по существу ускоренно перемещаться при выходе из поворота.

«Объемная скорость потока» относится к термически ограниченной максимальной объемной скорости потока, которая представляет собой максимальную объемную скорость потока материала, с которой ожижитель может плавить до экструдированного состояния и далее экструдировать. Для цилиндрического ожижителя термически ограниченная максимальная объемная скорость Q _max потока может быть определена согласно выражению 1

Q max , с = 2 π к L p ,c

где к - коэффициент теплопроводности материала цилиндрического филамента, а L _p,c - длина цилиндрического ожижителя, содержащего расплавленный материал. Таким образом, основываясь исключительно на этой характеристике, объемная скорость Q _max,c может быть увеличена только увеличением длины цилиндрического ожижителя, содержащего расплавленный материал.

Однако в цилиндрическом ожижителе, имеющем особый диаметр, увеличение скорости Q _max,c потока также увеличивает сопротивление потока, которое соответственно увеличивает время реакции. Время реакции может быть представлено постоянной τ _с времени изменения сосредоточенного давления, которое представляет собой форму сопротивления потока и расход потока цилиндрического ожижителя и ленточного филамента. Сопротивление FR _c потока для цилиндрического ожижителя в удельном давлении (объем на секунду) может быть определено согласно выражению 2

FR c = 128 η L p , c π d c 4

где η - динамическая вязкость материала цилиндрического филамента, и d _c - внутренний диаметр цилиндрического ожижителя. Расход FC _c потока для цилиндрического ожижителя может быть определен согласно выражению 3

FC c = π d c 2 L p , c 4 B

где В - модуль упругости ленточного филамента (т.е. сопротивление материала равномерному сжатию).

Объединяя сопротивление потока и расход потока цилиндрического ожижителя, время реакции цилиндрического ожижителя, основанное на постоянной τ _с времени изменения сосредоточенного давления, может быть определено согласно выражению 4

τ c = 32 η L 2 p , c B d c 2

Объединение выражений 1 и 4 иллюстрирует пропорциональное отношение между постоянной τ _с времени и объемной скоростью потока Q _max,c для цилиндрического ожижителя, которое показано в выражении 5

τ c = 8 η Q max , c 2 π 2 к 2 B d c 2

Как показано в выражении 5, увеличение объемной скорости потока материала соответственно увеличивает время реакции, тем самым нежелательно увеличивая время, требуемое для того, чтобы давлению расплавленного материала в экструзионной головке реагировать на изменение давления привода на цилиндрический филамент.

Одна потенциальная технология уменьшения времени реакции заключается в увеличении диаметров цилиндрического филамента и ожижителя. Однако цилиндрически филаменты, имеющие диаметры больше около 2,5 мм становятся трудными в обслуживании и управлении в экструзионной цифровой системе изготовления. В силу этого, для данного объема в цилиндрическом ожижителе увеличение скорости потока материала нежелательно увеличивает время реакции и наоборот. Эти конкурирующие факторы эффективно ограничивают достигаемое время реакции и объемные скорости потока для цилиндрических ожижителей.

Фиг.5А и 5В представляют собой виды в разрезах 5А-5А и 5В-5В, взятых на Фиг.4 соответственно, которые иллюстрируют ленточный филамент 34, расплавляемый в ожижителе 48. Как показано