用于快速原型制作的分层实体制造系统及快速原型制作方法
阅读：866发布：2020-05-14
专利汇可以提供用于快速原型制作的分层实体制造系统及快速原型制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于快速 原型 制作的 分层实体制造 (LOM)系统。该系统设置用于可控地将 粘合剂 施加在多层纸基底之上以生成三维物体，该系统包括：a)用于所述粘合剂的空腔；b)分配器，该分配器与所述空腔 流体 连通，以从该空腔将所述粘合剂分配到位于构建 位置 的所述纸基底上；c)进纸机构，该进纸机构用于接收多张纸，并且用于进给所述多张纸中的单张纸；d)用于从所述进纸机构将所述单张纸输送到构建物体位置以随后施加粘合剂的装置。，下面是用于快速原型制作的分层实体制造系统及快速原型制作方法专利的具体信息内容。
1.一种用于快速原型制作的分层实体制造(LOM)系统，该系统设置用于可控地将粘合剂施加在多层纸基底之上以生成三维物体，该系统包括：
a)用于所述粘合剂的空腔；
b)分配器，该分配器与所述空腔流体连通，以从该空腔将所述粘合剂分配到位于构建位置的所述纸基底上；
c)进纸机构，该进纸机构用于接收多张纸，并且用于进给所述多张纸中的单张纸；
d)用于从所述进纸机构将所述单张纸输送到构建物体位置以随后施加粘合剂的装置。
2.根据权利要求1所述的分层实体制造系统，其中，该系统包括在所述分配器上可操作的控制装置，该控制装置将所述分配器指向所述基底的特定位置，从而随后将粘合剂分配到所述纸基底上。
3.根据权利要求1所述的分层实体制造系统，其中，所述进纸机构构造成接收不同厚度的纸张。
4.根据权利要求1所述的分层实体制造系统，其中，该系统可利用不同颜色的纸张操作，从而能够制造三维有色物体。
5.根据权利要求4所述的分层实体制造系统，其中，所述进纸机构构造成接收不同颜色的多张纸，并且根据需要选择性地进给所述多张纸中的单张纸。
6.根据权利要求1所述的分层实体制造系统，其中，所述分配器包括具有接触表面的粘合剂施加轮，该接触表面包括用于容纳擦片处的粘合剂的多个沿周向间隔开的凹槽，并且在所述轮旋转时将粘合剂输送到目标基底以在该目标基底上的离散位置沉积可控量的粘合剂，其中所述轮和所述擦片一起限定了密封的粘合剂填充室。
7.根据权利要求1所述的分层实体制造系统，其中，所述分配器安装成相对于目标基底平移。
8.根据权利要求1所述的分层实体制造(LOM)系统，其中，该系统使用多个单张的目标基底材料，该系统包括用于接收多张基底材料的输入盘(58)，包括邻近所述输入盘设置的基底材料供给装置，并且包括进料辊和抓取头部，该抓取头部构造成从所述进料辊抽取一张基底材料，并且将该张基底材料定位在所述目标基底上以形成构建物体。
9.根据权利要求8所述的分层实体制造系统，其中，所述抓取头部构造成从所述辊夹持一张基底材料。
10.根据权利要求8所述的分层实体制造系统，其中，所述抓取头部包括支撑面和夹持部，其中所述夹持部是可操作的，以在与所述支撑面分离的静止位置和与所述支撑面接触的夹持位置之间移动。
11.根据权利要求10所述的分层实体制造系统，其中，所述抓取头部构造成夹持所述一张基底材料的前缘。
12.根据权利要求10所述的分层实体制造系统，其中，所述支撑面包括楔形形式，该楔形形式构造成当所述一张基底材料被抽出而定位在所述目标基底上时提供该张基底材料的受控弯曲。
13.根据权利要求9所述的分层实体制造系统，其中，所述输入盘构造成接收呈叠层结构的多张基底材料，该叠层的单张基底材料至少在颜色上不同于该叠层的其他张基底材料。
14.一种快速原型制作方法，该快速原型制作方法包括：
提供根据权利要求1所述的系统；
利用使用水基粘合剂依次彼此粘合的一叠单张纸生成三维模型，所述分配装置设置用于将粘合剂受控地施加在所述纸的特定位置；
使所述三维模型与废料分离；并且
丢弃废料。
15.根据权利要求14所述的快速原型制作方法，该方法包括使用水基粘合剂将两个或更多个三维模型彼此粘附以生成更大的三维模型的后续步骤。
用于快速原型制作的分层实体制造系统及快速原型制作方法
技术领域
[0002] 本发明涉及提供快速原型制作(rapid prototyping)能力的分层实体制造(LOM)系统。在优选设置中，本发明涉及粘合剂分配装置，特别涉及在用于快速原型制作(RP)的分层实体制造(LOM)系统中涂布粘合剂使用的粘合剂分配装置。
背景技术
[0003] 快速原型制作定义为受计算机控制的加成制造，因为通过增加材料而不是依靠材料的去除或减少的传统加工方法来制造物体。应当理解，术语“快速”是相对术语而是在技术内具有特定意义的一个术语，因为最终的三维物品的结构根据使用的方法以及模型的尺寸和复杂性可以花费从几小时到几天的时间。存在许多在快速原型制作的一般领域内采用的已知方法。分层实体制造(LOM)是快速原型制作(RP)的一种形式，涉及将涂有粘合剂的纸、塑料或金属层压板连续地层叠，然后将它们依次地粘合在一起并且用刀或激光刀具切割成形。
[0004] LOM类似于其他快速原型制作技术，包括使用待制造的物体/零件的三维(3D)计算机辅助设计(CAD)，由此在CAD包内生成立体平版印刷(STL)或其他适当的格式文件。STL文件被处理并且实际上有效地沿Z轴线以与所用的基底材料的厚度匹配的厚度被切片。这产生了零件的一系列的横截面并且在任何具体的高度处每个横截面均具有简单的二维(2D)轮廓。然后使用切割设备描画2D轮廓并且因此在原料的薄片上切割形状。然后在LOM中，将每个单独的薄片上下堆叠和粘合以生产最终的3D物体。
[0005] 在采用纸基原料的现有的LOM系统中，以卷的形式提供纸。纸卷可以设有已经 存在于下面上的粘合剂。在这种情况下，粘合剂可以通过热和/或压力活化以形成在前一层之上的粘合。在替代性方法中，当将材料从卷抽出时可以将粘合剂涂于材料的下侧。然而，存在许多与使用卷材有关的缺点。例如，机器常常仅对于特别制造的卷材才可操作，该卷材可能成本过于昂贵和/或难以替换。也存在与天天使用原料卷有关的缺点。例如，由于在其上预涂粘合剂，卷可能在进料机构中被粘住或堵塞。由于上述缺点，因为废料通过与制造零件相同的粘附力被粘在一起，所以去除废料可能非常困难。因为常常需要凿子和其他锐器来撬开物体，所以这可能导致在废料去除“除草”期间零件被损坏。
[0006] 在适合用于传统LOM系统的纸的类型中存在更多的限制。因为纸由随机粘结起来的纤维层组成，因而断定结构可以具有变化的孔隙率度。纸是高度多孔材料并且含有差不多70％的空气。纸张的孔隙率是纸的吸湿性或者具体的一张纸吸收墨水、水或在这种情况下吸收粘合剂的能力的指示。当为LOM选择具体类型的纸时，重要的是考虑纸的孔隙率。
[0007] 纸的性质无疑与可以使用的粘合剂的类型有紧密地联系，并且限制该粘合剂的类型。存在与粘合剂涂于纸上有关的更多问题和注意事项。在已知打印机中，象在依靠诸如压电分配头的受计算机控制的电动机械装置的分配系统中，所述头通常是精密，并且在长时间不用后这些装置可能被阻塞并且可能需要频繁地保养、维修以及替换。因此这种设置可能存在用于保养与修理的高昂的管理费用。
[0008] 在纸层之间涂布粘合剂的其他方法包括：
[0009] 1.涂布纸张的整个工作区域，如上所述在后处理成品零件期间在去除废料时会产生相当大的困难；2.使用基底，该基底当被放置在纸张上的某些位置时防止在这些位置进行粘合。该技术通过最初涂布整个纸张并且然后借助于“防胶”基底使部分粘合剂“无粘性”而存在有效地浪费粘合剂的缺点；或者3.使用静电系统以象传统2D打印机印刷墨水一样以静电复印的方式将粘性调色剂沉积到纸张表面上。该方法可能存在技术上复杂并且需要特别制造的粘性调色剂的缺点。
[0010] 进一步指出，当前LOM系统使用的粘合剂是溶剂基的并且是非水溶性的，因而例如对处理来说存在环境问题。然而，这种溶剂基粘合剂到目前为止已经用于LOM，因为使用具有高含湿量的水基粘合剂存在诸如纸的翘曲和变形的更多问题，这样不利于水基粘合剂在LOW系统中的应用。
[0011] 因此关于粘合剂分配装置和在用于快速原型制作的LOM系统使用的粘合剂分配装置存在许多需要解决的问题。
发明内容
[0012] 这些需要和其他需要通过在第一方案中提供将水基粘合剂用作用于分层处理的粘合剂的LOM系统来解决。通过控制分配的粘合剂的量和/或位置，该LOM系统允许使用水基粘合剂，同时使用于分层的纤维素基纸材料的翘曲或变形最小化。
[0013] 在另一个方案中本发明的教导提供一种LOM系统，该LOM系统利用标准尺寸的纸张，可以从存储位置到工作场所一张张地获取该标准尺寸的纸张，在该工作场所可以施加粘合剂以粘合连续的纸张，从而产生分层的最终结构。
[0014] 在另一个方案中提供一种LOM系统，该LOM系统包括控制装置以能够在基底上的特定位置处有差别地施加特定量的粘合剂。这样能够可控地将粘合剂分配到特定位置，这有利地允许减小待使用的粘合剂的量，并且也保证了将粘合剂特定地施加在需要粘合剂的位置。
[0015] 这种系统可以采用或包括粘合剂施加轮，该粘合剂施加轮具有用于容纳粘合剂的多个沿周向间隔开的凹槽，其中所述轮是可旋转的，以将充入一个或更多个所述凹槽的粘合剂输送到目标基底，并且在该目标基底上的离散点处沉积受控量的粘合剂。
[0016] 在一个实施方式中，所述轮包括构造成与所述目标基底接触的接触表面，并且其中所述多个凹槽形成在该接触表面中。
[0017] 在另一个实施方式中，所述装置包括粘合剂擦片(wipe)，该粘合剂擦片与所述轮一起限定用于将粘合剂填充到所述一个或更多个凹槽中的密封的粘合剂填充室。
[0018] 在又一个实施方式中，所述擦片联接至加压的粘合剂供给部。
[0019] 在一个实施方式中，所述擦片限定所述室的侧壁和开口。
[0020] 在另一个实施方式中，所述擦片形成为与所述轮相符。
[0021] 在又一个实施方式中，所述密封的粘合剂填充室包括排气装置，以能够通过从所述凹槽置换空气并且从所述室排出空气来填充该凹槽。
[0022] 在一个实施方式中，所述排气装置包括所述擦片中的构造成与凹槽相互作用的结构。
[0023] 在另一个实施方式中，所述轮的所述凹槽当它们旋转通过所述室时被填充。
[0024] 在又一个实施方式中，所述接触表面构造成与所述擦片密封接触。
[0025] 在一个实施方式中，所述装置包括偏压装置，以维持所述擦片与所述轮密封接触。
[0026] 在另一个实施方式中，所述接触表面与所述轮一体。
[0027] 在又一个实施方式中，所述接触表面包括可安装至所述轮的环。
[0028] 在一个实施方式中，所述凹槽的尺寸和间距可以根据待沉积的粘合剂的量而改变。
[0029] 在另一个实施方式中，所述凹槽具有大约10-50纳升的容积。
[0030] 在又一个实施方式中，所述凹槽为基本半球形。
[0031] 在一个实施方式中，所述接触表面由低摩擦材料组成和/或包括低摩擦涂层。
[0032] 在另一个实施方式中，所述目标基底包括纸基底。
[0033] 在又一个实施方式中，所述纸以纸张形式提供。
[0034] 在一个实施方式中，所述粘合剂包括水基粘合剂，例如PVA粘合剂。
[0035] 在另一个实施方式中，所述粘合剂通过毛细管作用从被填充的凹槽沉积到所述目标基底。
[0037] 在一个实施方式中，所述装置安装成相对于所述目标基底平移。
[0038] 在另一个实施方式中，所述装置联接至驱动装置，以控制该装置相对于所述目标基底的线速度。
[0039] 在又一个实施方式中，所述角速度和所述线速度是可控的，以根据需要在所述目标基底上铺设可变量的粘合剂。
[0040] 本发明还提供结合有根据本发明的粘合剂分配装置的、用于快速原型制作的分层实体制造(LOM)系统。
附图说明
[0042] 现在将参照附图描述本发明，附图中：
[0043] 图1是根据本发明的实施方式的粘合剂分配装置的立体图；
[0044] 图2是图1的该装置的剖视图；
[0045] 图3是示出擦片和带凹槽的轮的图1的该装置的正视图；
[0046] 图4是从在毛细管作用沉积方法中用于将粘合剂涂于基底的图1的该装置的侧面看到的局部剖视图；
[0047] 图5是从图1的该装置的侧面看到的示出粘合剂轮的装填(priming)的剖视图；
[0048] 图6是结合有根据本发明的实施方式的粘合剂分配装置的分层实体制造系统的部件的局部等距视图，该图为机器基础设计图；
[0049] 图7是从图6的该系统的前方看到的正视图，该图为机器基础设计图；
[0050] 图8是结合有粘合剂分配装置的图6和7的系统的多功能头部的放大等距视图；
[0051] 图9.1是示出刀具和抓取器部的具体细节的从后方看到的图8的多功能头部的放大等距视图；图9.2和图9.3是示出分别处于停用状态和启动状态的抓取器部的从侧面看到的平面图，其中示出了断电和通电状态的抓取器和楔形件；
[0052] 图10是操作多功能头部的抓取器部和进料系统以从进料器抓取一张基底材料并且将其放置在构建物体上的适当位置的步骤的从侧面看到的平面图；
[0053] 图11至图14是涉及根据发明的LOM快速原型制作的步骤的图示，图11示出零件的CAD模型，图12是未除草(un-weeded)的切块，图13是局部露出的零件，图14是完成的3D零件。
[0054] 图15是示出图6的系统的操作的流程图。
具体实施方式
[0055] 参照附图并且开始具体参照图1至图5，描述了分层实体制造系统的具体部件。一个这种部件是粘合剂分配装置1，该粘合剂分配装置1包括联接至粘合剂施加轮3的粘合剂填充器2。该粘合剂填充器2在压力下与位于进口部4的粘合剂进料器相连接，并且包括从进口部4向粘合剂出口部5输送粘合剂20的一个或更多个轴向通道6。粘合剂出口部5在这种情况下包括由擦片7和粘合剂施加轮3一起限定的室8。擦片7从填充器2向下悬置或延伸，并且具有横向侧壁9和10，该横向侧壁9和10通过限定开口的前纵向侧壁11和后纵向侧壁12连接并且构造成联接至轮并与轮接触。擦片7和施加轮3设计成相对应并且合作限定室8，其中擦片限定侧壁并且轮的接触表面限定该室的底部。擦片的尺寸和形状与轮3对应，使得当擦片7联接至轮时，它们限定的粘合剂室8是有效密封的室。擦片7的接触侧或开口边缘包括或设置成基 本上与轮3的形状对应的弧形。填充器2包括诸如弹簧装置的偏压装置或可以与该偏压装置接触，以维持擦片7与轮3接触从而在轮旋转期间维持密封。
[0056] 粘合剂施加轮3包括具有用于容纳粘合剂的多个凹槽14的接触表面13。粘合剂被填充到位于擦片7的凹槽14内并且当轮旋转时在凹槽中从擦片输送到目标基底21。凹槽14的形状和其在轮3上的间距可以根据待铺设的粘合剂的量按要求变化。应当理解，暴露的粘合剂的体积和粘合剂暴露于空气的时间是最小的，并且诸如粘合剂的早期硫化的问题也被最小化。
[0057] 施加器接触表面13是构造成与填充器2的擦片7和目标基底(例如一张纸21)接触的轮的一部分。如在示出的示例性实施方式中，施加器接触表面13可以形成在轮3的圆周上或圆周处或者与轮成一体。轮是可更换的。例如，可以设置具有不同尺寸或不同间距或直径的凹槽的多个不同的轮以便使用。然后根据具体应用，可以使适当的轮与其他类型的轮互换。
[0058] 接触表面13和/或凹槽14可以由低摩擦材料，例如迭尔林组成或形成，并且/或者可以包括低摩擦涂层，例如特氟纶。
[0060] 擦片7构造成能够对通过擦片的凹槽14填充粘合剂20。为了填充，擦片7或密封室8结合有排气装置，该排气装置通过允许用粘合剂从凹槽置换空气并且提供从擦片/密封室去除或驱动空气的装置，从而促进用粘合剂从凹槽14替换空气。
[0061] 在这种情况下，排气装置通过擦片7的横向侧壁9、10和凹槽14的相对尺寸以及这些部件的相互作用的从动方式来设置。更详细地，在示例性实施方式中，横向侧壁9和10的与轮3的表面13接触的那些部分的厚度(d1和d2)小于凹槽14的直径(d3)。依靠室的设计有效地实现填充粘合剂和排气。根据轮的旋转方向，横向侧壁9和10中的一个将设有填充室的前缘。横向侧壁9和10形成为使得与轮3接触的边缘具有小于凹槽14的面积的面积。因此，当空的(充满空气的)凹槽14接近擦片7并且在前侧壁9或10之下通过时，粘合剂进入已经进入擦片的凹槽的一部分并且经由暴露于大气的凹槽的该部分从该部分置换空气。因此当轮3旋转时施加轮3的多个凹槽14在进入擦片时被填充粘合剂20。当轮相对于擦片移动时，通过气体或在这种情况下通过空气与粘合剂交换来填充。通过促进空气与粘合剂交换的轮的移动，使凹 槽排气。在凹槽与擦片的前缘或后缘互相作用的点处发生排气。假如在轮旋转中的一个点，没有凹槽部分地或全部地位于擦片的前缘或后缘下方，则可以有效地密封由轮和擦片限定的粘合剂填充室。
[0062] 更详细地，凹槽14相对于擦片7在轮3上的布置提供了在没有任何粘合剂泄漏的情况下停止和重启轮3的能力。为使轮3能够停止旋转而没有任何粘合剂泄漏，需要维持轮3和擦片7之间的气密。只有当没有凹槽14部分地或全部地位于擦片的前/后缘下方时才可存在气密。换句话说，只有当已知每个凹槽和充有粘合剂的室8之间的精确的角关系，使得当轮停止时凹槽完全由室8封闭时，才可存在气密。在该精确的角位置中使轮停止将立即切断粘合剂的流动而没有使用额外的阀。用作整体密封装置的该特征部不需要通常存在于现有技术设计中的调节粘合剂流动的刮刀。这种布置的另一个优点是系统可以长时间留在该密封位置，然后直接重启，而没有诸如因为系统被密封并且没有空气存在而使粘合剂变硬的问题。该布置进一步允许轮能够根据需要地停止和重启而没有过度的粘合剂积聚。在中间过程的情况下这是特别有利的，粘合剂储槽需要充满额外的粘合剂并且该过程同样需要停止一段时间。通过使暴露于空气的粘合剂的体积最小，这种过程的暂时停止本质上不会削弱成品的结构。
[0063] 为使该密封机构便利，需要已知轮3上的每个凹槽14相对于室8和擦片7的精确角位置。轮角位置测定装置用来检测和测量该精确的角关系。例如，轮角位置测定装置例如可以包括近程式传感器和金属标志。每旋转一圈金属标志在近程式传感器下通过一次。金属标志相对于轮的孔的角位置是已知的。因此当标志在近程式传感器下通过时，机器计算密封系统所需的角度旋转。
[0064] 参照附图并且特别是参照图4，示出了利用粘合剂分配装置1的粘合剂沉积法。在这种情况下施加轮3定位成与目标基底21(这里是一张纸)接触。轮3相对于基底21平移并且也通过轮驱动装置旋转。可以独立地驱动平移移动和旋转移动。
[0065] 当充有粘合剂的凹槽14与基底21(在这种情况下是多孔纸基底)接触时，粘合剂由于基底的内在多孔性或吸水性通过毛细管作用沉积到基底上。因为施加轮3沿一系列标定线平移过纸基底21，所以沉积了粘合剂点22的矩阵。当从凹槽14沉积粘合剂时，使空凹槽倒退旋转到填充擦片7/室8，并且重复该过程。
[0066] 从附图，例如图4和图5注意到，凹槽在轮上的布置使得在任一时刻仅一个凹槽和基底接触。单个凹槽离散地接触表面的布置能够用于沉积离散的粘合剂点。
[0067] 在这种情况下，擦片7的接触部的横向侧壁9和10的宽度(d4，见图3)小于轮的接触表面13的宽度(d5)。这种布置便于自动清洁接触表面，因为该设计使得所有过量的粘合剂都附着于接触表面13并且因此沉积在接触的基底上。
[0068] 粘合剂分配装置1还可以包括用于轮的清洁机构。当需要时，轮可以定位在清洁区域之上并且与例如海绵、橡胶或硅酮基材料制成的清洁基底接触，该清洁基底通过使轮旋转多转来清洁所有留在轮上的残留粘合剂。可以将少量清洗液添加到清洁基底以有助于清洁过程。
[0069] 如上所述，轮3可以连接至轮驱动装置(未示出)以实现根据需要沿顺时针或逆时针方向，并且以所需的角速度的旋转。
[0070] 在使用中，粘合剂分配装置1安装成相对于基底21，例如X-Y框架平移运动以使头部能够相对于基底运动，或者可替代地基底可以设置成安装在X-Y台架上以相对于头部移动。下面参照图6至图8示出并且进一步描述实施例。
[0071] 结合有根据本发明的教导设置的用于使轮旋转的独立的驱动装置的轮驱动布置有很多优点。这些优点包括：
[0072] -通过使角速度和线速度相匹配，使从动轮3和纸基底21之间的相对速度能够维持在零。
[0073] -使轮3和纸基底21之间的相对速度能够不同于零，以产生自旋(spinning)或滑动，自旋具有涂抹更大量的粘合剂的作用，而滑动具有涂抹更少量的粘合剂的作用。
[0074] -通过将轮的下部放置到弄湿的海绵/橡胶材料(未示出)内并且使轮旋转规定转数直到已经去除了所有的过量粘合剂，使得轮3在必要时能够通过附加的装置清洁。
[0075] -使得轮3能够被装填，从而在开始沉积粘合剂的线前没有空的凹槽14存在。
[0077] 在使用中，可以控制轮驱动装置以驱动轮，使得轮的角速度和分配装置相对于基底的线速度之间的差是零，这防止了轮的滑动或自旋。轮驱动装置可以是可调整的，以提供角速度和线速度的相对差，根据需要实现轮的滑动或自旋，从而能够根据需要控制沉积在基底21上的特定点处的粘合剂的量。对于粘合剂沉积的高水平控制是有利的。
[0078] 当分配系统首先到达例如X轴中的具体标定线的末端时，分配系统然后沿相反 方向[-X]在下一标定线上操作。
[0079] 然而在标定线的末端，施加轮的一半的凹槽14将是空的。为解决该问题，本发明还提供用于装填轮的方法。
[0080] 参照图5描述了装填施加轮的示例性方法，该图5示出位于通过使轮沿顺时针方向旋转同时将其向右移动而铺设的粘合剂的线的末端处的施加轮。
[0081] 将粘合剂分配装置1从基底升起并且沿Y方向指向下一个邻线的起始位置以开始向左(-X方向)移动并且沿逆时针方向旋转。然而，因为旋转成和基底接触的凹槽14没有填满，所以沿逆时针方向旋转不会导致粘合剂的沉积。因此装置1构造成使得轮3旋转并且所有的凹槽14在每条粘合剂线起点被填满。
[0082] 如上所述，系统能够为了调节沉积的粘合剂的量而控制轮的角速度。类似地，角速度的控制为填充位于擦片7的凹槽提供了控制。在固定的粘合剂压力下，轮3的角速度指示在擦片7的前缘或后缘下方的持续时间，在该处发生气体交换并且填充凹槽14。因此，使轮3缓慢旋转便于每个凹槽内的填充量较大，并且使轮3以更快的速度旋转导致每个凹槽内的填充量较低。
[0083] 在相同的构造内可能希望进行不同的填充。例如可能希望在制成的零件上的粘合剂量较高，并且在零件周围的无用结构上的粘合剂量较低。因此，在无用结构上沉积较低量的粘合剂，将使轮3以不与分配机构的线速度同步的角速度旋转，并因此导致滑动。因此使较少的填充凹槽能够在特定长度上和基底接触。在例如零件自身需要较高水平的粘合剂的情况下，使轮3的角速度增加到高于分配装置的线速度，并且因此导致自旋。粘合剂轮3的自旋导致对于给定的长度更多的填满的凹槽接触基底。
[0084] 本发明的粘合剂分配装置1适合于使用水基PVA粘合剂。由于这种粘合剂的性质，在铺设粘合剂和烘干/凝固粘合剂之间的开放时间较长，从而能够有充分时间放置随后的基底层或纸张。本发明的粘合剂分配装置1对施加到基底的粘合剂的量的提供非常精确的控制。通过施加轮的凹槽的形式和尺寸并且通过凹槽在该轮上的间距可以部分地实现这种精确控制。特别是，粘合剂分配装置1可以构造成和用来分配粘合剂纳米点(nanodot)，即体积为大约10-50纳升、优选地大约20-30纳升的粘合剂的点。这样，该装置可以用来沉积受控量的水基粘合剂，并且这种控制避免了基底浸透的问题。
[0085] 参照附图并且特别是图6至图8，描述了结合有粘合剂分配装置1的用于快速原 型制作的分层实体制造(LOM)系统50。参照附图并且特别是图9.1至图10，描述了系统的基底进给机构。参照图11至图15描述了分层实体制造的示例性方法。
[0086] 如图11所示，根据本教导的方法开始于期望最终模型的由计算机生成的图像文件。通过顺序地将纸张层叠并且通过该过程按需要切割这些纸张，生成最终未除草的切块(final un-weeded dice block)，见图12。当模型被封装在图12的切块内时，必须使切块的外部破裂以暴露制好的模型(图13)。破裂可以持续，直到模型被完全露出(图14)。
[0087] 这种模型的制造需要多个步骤。虽然将在以下更详细地讨论这些步骤，但是我们将参照图15在下面陈述如下的示例性步骤。不需要必须遵循特定排序的步骤，并且可以根据待制造的最终模型的特性重复一些中间步骤。
[0088] 如图15所示，将第一张纸移至工作面或工作块(步骤1500)。利用粘合剂分配装置将粘合剂放置在该张纸上(步骤1501)。然后将另外的一张纸放置在粘合剂的顶部上，该粘合剂用来将两张纸粘合或粘附在一起(步骤1502)。通过在例如单程中将辊子施加于两张纸之上，可以改进相邻纸张之间的接触(步骤1503)。一旦实现这种改进，则可以使用切割工具来根据这张纸上的期望的最终模型切割模板。切割工具可以实现同时切割一张或更多张纸(步骤1504)。然后可以施加热以提供固化(步骤1505)。然后评价该过程以确定是否需要重复前述步骤(步骤1506)。假如需要重复则将粘合剂施加在最上面的纸张上(步骤1501)，假如不需要重复则(以类似于图12所示的形式)移除完成的零件(步骤1507)。
[0089] LOM系统50包括多功能头部51，该多功能头部51包括粘合剂分配装置1和刀具/抓取器头部52。多功能头部51是可操作的，以不同模式执行不同操作。首先刀具/抓取器部52的抓取器在被启动时操作，以从供纸部传送一张纸，并且将该张纸输送到构建板上的位置，即制造最终结构的位置中。在执行该操作时，刀具/抓取器部52描绘构建板到供纸部和回到构建板之间的路径。其次，刀具/抓取器部52的刀具在被启动时操作，以将构建板上的最上面的一张纸切割成需要的形式。第三，多功能头部51的粘合剂分配部1在被启动时操作，以根据需要将粘合剂施加于构建板上的最上面的一张纸。
[0090] 多功能头部51安装在X-Y框架55、56上，该X-Y框架55、56使头部能够根据需要在构建物体54上的基底21之上定位和移动。分配装置1和刀具/抓取器头部2 沿竖直(z轴)方向的移动在这种情况下受相应的连接的螺线管57和60控制。将纸从供纸部58经进纸机构59以纸张形式进给到系统。系统50还包括单程辊子61，该单程辊子61经过构建物体54，以保证后续层的确定粘合并且使由切割作用产生的毛刺最小。系统50还包括用于施加压力并且使粘合剂硫化的加热板62。X-Y框架以及进纸和放纸的许多特征是传统的，并且同样地是本领域技术人员所熟知的，并且这里不再详细描述。
[0091] 还提供用于快速原型制作的LOM系统50的使用方法，并且可作如下考虑：
[0092] 使用我们想要制造的物体/零件的三维(3D)计算机辅助设计(CAD)(见图9.1至图9.3)；在CAD包内生成并且储存立体平版印刷(STL)文件。将该STL文件提供给控制根据本发明的系统50的操作的软件包。
[0093] 软件根据LOM系统50操作以生成零件的一系列横截面，并且在任何具体的高度处每个横截面均产生简单的二维(2D)轮廓。
[0094] 在本实施例中将A4尺寸的纸张加载到系统50的输入盘58。将单张纸21附着于可移除的构建板53的表面以充当构建物体54的第一未切层。可以手动附着第一张纸。
[0096] 在这种情况下，第一步骤是铺设用于构建物体的基座，即，不会被切割的多层纸和粘合剂。系统50是可操作的，以沉积一层粘合剂为从进纸机构铺设第二张纸作准备。进纸机构59将单页纸从大量纸的顶部分开并且将该单页纸传到等待区域。操作多功能头部51的刀具/抓取器头部52以抓住纸张，并且将其传递到构建区53、54，在构建区53、54纸张被放置在最近施加的粘合剂层的顶部上。使辊子61经过纸张以保证层间的确定粘合。重复这些步骤直到铺设了具有希望厚度的基座。
[0097] 然后系统50操作以铺设构建物体的纸张(基底层)，并且将每一层切割成需要的轮廓。这样，应当理解通常A4尺寸的单张纸被从存储位置取出到工作区域，在该工作区域纸张被上下分层以制造最终结构。通过采用标准尺寸的纸张，根据本教导提供的LOM系统可以使用传统的稳定提供的大量纸或者甚至可以采用循环材料以制造最终的三维结构。
[0098] 多功能头部51在构建物体54的基座的最上面的一张纸的顶面之上移动粘合剂分配装置1，并且在铺设待设置切割轮廓的第一张纸之前施加粘合剂层。在螺线管57的控制下操作粘合剂分配装置1以使轮3和构建物体54上的最上面的纸层接触。
[0099] 粘合剂分配系统1选择性地在基底的作为构建物体的一部分的那些部分处以较高密度施加粘合剂，并且在基底的待切除的那些部分，即其废料部分处以较低密度施加粘合剂。通过利用可以精确地将粘合剂分配系统指向具体目标区的控制系统，并且还通过采用不会导致在希望的分配位置之间的粘合剂的滴落或其他不注意的分配的粘合剂分配系统，而有利于有差别地施加粘合剂。
[0100] 然后多功能头部51从进纸机构58、59拾取下一张纸并且将其放置在构建物体54的最上面的粘合剂层上。经过构建物体的辊子61将层挤压在一起。在螺线管60的控制下操作刀具/抓取器头53，以使刀具和构建物体54的最上面的纸层接触。
[0101] 然后X-Y定位装置55、56移动刀具53，以描绘该层的2D轮廓的路径，并且在此时切割构建物体的该具体层的形状。
[0102] 在已经切割了所需的2D轮廓之后，操作刀具53以在该层的切割轮廓内外制造一系列切块的切口，从而通过将该层的废部切成小方形块来帮助去除废料。一旦完成层的切割，则将构建板53升起以使其和加热板62接触。持续该过程，直到一层一层地建成整个3D模型。
[0103] 当系统50已经完成构建物体54时，从机器上移除可移除的构建板53，以暴露在内部包含3D零件的未除草的切纸块(见图12)。现在可以用手除去废料的立方切块而不用任何象凿子一样的锐器，因为废料仅从粘合剂分配装置接收最小量的粘合剂。因为废料被除去，所以内部的3D零件变得局部可见(见图13)。最后当已除去所有的废料时，3D零件完全暴露(见图14)。
[0104] 参照图9.1和图9.2，更详细地描述多功能头部的基底抓取器部70。抓取器部70包括支撑面71和相应的可动夹持部72。夹持部72可在其中夹持部72与支撑面分开定位的第一停用或静止状态(图9.2)和其中夹持部72与支撑面71接触的第二启动位置之间移动。实际上，启动抓取器部以夹持保持在夹持部和楔形件之间的一张基底材料，这里是一张纸21。这张纸21包括前缘22和后缘23。这张纸在前缘22附近被夹持。使楔形件71成一角度，以保证将该张纸从进料器抽出，迫使构建物体进入弯曲的第一模式，并且因此不会在角落下降或向下垂。这种弯曲的第一模式在图10的(B)可见，在图10的(B)中看到该张纸21在抓取器装置70和进纸机构59之间向下弯曲。
[0105] 图10的(A)至10的(D)示出从进料器分离一页纸并将其放在构建物体54之 上的示例性的步骤的顺序。
[0106] 参照图10的(A)，多功能头部50在上方(这里沿-Y方向)移至进纸机构59，新的一张纸21的前缘22处。
[0107] 多功能头部50沿相反方向(这里+Y方向)向后移动并且同时进纸机构59供应一张纸21。以略高于抓取器头70的线速度的速度设定进纸机构59的速度，该抓取器头70连同楔形件71一起使新的一张纸21在从进纸机构59抽出时进入弯曲的第一模式。
[0108] 参照图10的(B)，示出新的一页21在第一弯曲模式布置中连接至进纸机构59和抓取器部70。在这种情况下，支撑面71成大约10-20度的角度，这表示该页处于第一弯曲模式，其中该张纸21在中间向下弯曲。将该页置于第一弯曲模式防止了当该张纸21被定位时，该张纸的前缘的角部下垂并且可能碰撞构建物体54。具有这种楔形支撑面71不需要在前缘22的总长度上设置页抓取器。
[0109] 参照图10的(C)，一旦该张纸21的前缘22(现在由抓取器部70保持)已经经过构建物体54的前缘，该张纸就被完全从进纸机构59中拉出并且简单地悬挂在构建物体54的边缘的上方。
[0110] 参照图10的(D)，多功能头部50继续沿+Y方向移动，直到新的纸21的后缘23与构建物体54的后缘对齐。此时，系统操作以沿Z方向提高构建物体54的高度，使得当抓取器部70释放该新的纸21时，该张纸21仅具有小的降落距离。这种构建物体的高度相对于新的纸的配位防止了纸张的未对准。
[0111] 这种利用进纸机构59和抓取器部70的配位操作来放置纸张21的方法的优点包括与其中仅驱动纸张的方法相比运行速度快，加上不需要如现有技术中那样的将纸张供应到希望的位置的一组复杂的辊子。
[0112] 因为基底片和粘合剂分开铺设，所以系统的操作有利地容忍未对准。因此，假如一些未对准确实发生，那么没有问题，因为还没有在表面上切割新的轮廓。
[0113] 实施例1
[0114] 在一个实施例中，本发明的系统用来在基底上沉积粘合剂的纳米点，并且如下构造：
[0115] 具有15mm尺寸(直径)的轮
[0116] 凹槽量36
[0117] 从凹槽沉积的粘合剂的点的体积是大约10-50nl，优选地20-25nl[0118] 基底的尺寸：A4
[0119] 因而实施例1的粘合剂分配装置能够在一个示例性实施方式中在每页沉积最多47,647个纳米点，每个纳米点均具有22.9nl(纳升)的最大体积。因此对于完成的构建体积，沉积的纳米点的总量将大约是6600万。
[0120] 这非常不同于目前RP中使用的量。例如，机电点分配系统通常可以具有大约100,000到1百万点的寿命。
[0121] 因此应当理解，结合有本发明的粘合剂分配装置1的系统50因而适合在例如用于快速原型制作的LOM系统中用于施加粘合剂的纳米点。
[0122] 上述凹槽14具有基本半球形，该半球形具有对于任何给定的表面积提供基本上最大的体积的优点。这种形状具有当凹槽在室8下方通过时有利于空气和粘合剂容易交换的另一个优点，因为凹槽的壁不与轮接触面垂直，因此降低空气被捕获在空腔中的粘合剂下方的可能性，假如凹槽具有笔直侧壁则空气可能被捕获在空腔中的粘合剂下方。
[0123] 我们注意到在上述实施例中，实施例1使用直径15mm的轮。应当理解轮的直径可以根据需要变化。然而，轮优选地直径小于20mm，并且最优选地在15-20mm直径的范围内。
[0124] 随着轮的直径增大，纸张基底和下一个填充粘合剂的空腔14之间的垂直距离变小，因此它们成反比，这可以导致溢出(overrun)。补偿这种“溢出”的一个方法是增大空腔间的间距使得垂直距离增大。可替代地，可以减小轮的直径以维持纳米点之间的等间距，如在实施例1的15mm轮的情况下。
[0125] 虽然在所述实施方式中粘合剂分配器装置的轮在轮上具有单列凹槽，但是应当理解轮可以包括一列以上的凹槽列。类似地，虽然在所述实施方式中，粘合剂分配器包括一个轮，但是在替代性布置中可以提供多个轮，其中一个或更多个轮可相对于其他轮独立地移动。这种布置旨在提高粘合剂施加工艺的速度。而且，应当理解虽然在所述实施方式中，凹槽等距隔开，但是在替代性布置中，凹槽间距可以变化并且基本上是不等的。这种布置能够根据接触的轮的部分沉积不同的点图形。
[0126] 仅仅作为本发明的粘合剂分配装置的应用范围和能力的一个实施例已提供了关于使用A4纸张的LOM的示例性方法的实施例1。本实施例涉及使用A4纸基底，然 而，本领域技术人员清楚也可以使用A3尺寸、信或其他适当尺寸的基底。
[0127] 应当理解，因为根据本发明的教导提供的系统提供基于单张纸的连续层叠的3维模型，所以通过以预定顺序提供不同颜色的纸张，可以改变最终模型的最终的颜色形貌(topography)。当然应当理解通过生成模型的Z轴的这种颜色变化可以用来有利地实现诸如以不同颜色表示不同特征。例如，通过使彩色纸分类进入到进纸机构中，可以制作通过不同颜色示出不同海拔的拓扑图。也应当理解，由于该系统使用标准纸格式来制造模型，所以对用户来说通过改变使用的原纸的颜色来简单地改变最终模型的颜色是非常简单的操作。也应当理解，因为可自由地利用许多不同颜色的彩色纸，结果用户可利用的选择比RP机器可利用的传统色彩多得多。
[0128] 由可以根据本教导使用的类型的纸提供的柔性使用户能够选择性地使用不同厚度的纸。应当理解可以提供不同厚度的纸。因为用于本教导的LOM装置的纸张可单独地选择，所以对用户来说可以对于他们要做的每个工作而改变纸的厚度。
[0129] 也可以通过在全部的模型的分层中使用相同厚度的纸并且选择性地在预定区域切掉模型的元件以具有不同厚度的区域来提供最终模型的这种挠曲或铰接。比邻近区域薄的区域将比该邻近区域更柔软，并且同样地可以制造一体形成但是具有相对于彼此可移动的元件的复杂零件。最终部件的一部分相对于另一部分的这种挠曲源自于几何形状的控制，因此较少的层(可少到一层)存在于需要柔性的区域。
[0130] 使用不同厚度的纸也可以用于制造存在需要更精细细节和不需要这种精细细节的区域的3维模型。例如当制造垂直壁时，使用可以被切割成提供必需的最终垂直形状的多层厚纸就足够了。假如需要曲面，则使用可以被单独切割以提供更连续的光滑倾斜加工表面的多个较薄纸张可以更容易地制造这种曲面。因为较厚纸张的分层相比较薄纸张的分层更快地发展形成的高度，所以在要求较快构建的地方也可以考虑使用较厚的纸。当需要在初始测试设计时这可以是有益的，但是一旦选定，就将使用较薄纸张构造完成的物品以提供更好的全面加工。
[0131] 虽然在所述的实施方式中分配装置的轮被安装成以直线方式移动以沿直线施加粘合剂，但是应当理解在替代性布置中，整个粘合剂分配系统可以安装成能够绕其自身的垂直轴线旋转。这将使轮能够遵循所制造形状的轮廓。这种布置将提高粘合剂分配过程的速度，而不需要装填轮，这是因为轮将总是沿相同方向旋转。
[0132] 虽然在所述实施方式中施加器接触表面14设置成形成在轮周上，但是应当理解 在替代性实施方式中接触表面14可以具有环形并且该环可以移动和更换，例如，包括不同尺寸或不同间距的凹槽的许多不同的环可以设置成装配到轮。
[0133] 应当理解和明白，本文已经描述的是分层实体制造系统的示例性布置。使用这种系统以在生成三维模型时使用水基粘合剂粘合连续的多层纸。该纸能以传统纸张尺寸提供，并且可一次一页地在系统内从存储部移动到构建物体位置。该系统通常利用粘合剂施加轮实现将粘合剂施加在纸上，该粘合剂施加轮具有多个用于容纳粘合剂的沿周向间隔开的凹槽。轮可旋转以将充入一个或更多个凹槽的粘合剂输送到目标基底，并且在该目标基底上的离散点处沉积受控量的粘合剂。
[0134] 本发明提供将粘合剂施加于纸上的系统和方法，该系统和方法保证纸不会被粘合剂浸透从而使纸张的翘曲最小化。通过可以根据需要控制沉积到基底之上的粘合剂的量，而使页的翘曲最小化。通过对沉积在基底上的粘合剂的量提供精确控制，可以使用水基粘合剂，例如多乙酸乙烯酯(PVA)。该系统类似地便于使用不同类型的和标准类型的纸。因而该系统使用传统的并且易于取得的原料，例如标准办公纸，并且具有用户界面友好且易于操作和供给的优点。应当理解，通过提供使用水基粘合剂并且可以使用再循环的传统供纸的LOM法，浪费问题比现有RF方案容易解决。用于LOM处理的供纸可以是废纸或废弃纸，并且来自LOM处理的废纸可以容易地以和传统再循环相同的方式循环。丢弃水基粘合剂比丢弃诸如用于现有RP处理的溶剂或塑料更容易。
[0135] 设置支撑粘合剂分配部的多功能头部，以及在同一头上设置刀具/抓取器部不需要提供单独地实现这些部件中的每一个的移动的分开的安装和移动装置。本发明的系统的多功能头部上的抓取器部的设置有效地消除了对进纸系统的需要。使用安装有抓取器的头部便于在LOM的其中抓取器正将一张纸定位在承载有粘合剂层的一张纸上的情况下容易地将一张纸定位在构建板上。
[0136] 该系统还可以使用多张纸，从运行和维护的观点看这有利地消除了与操纵辊子相关的问题。
[0137] 可以使用水基粘合剂，这解决了与使用和处理溶剂基粘合剂有关的更多的环境问题和顾虑。
[0138] 本发明的系统还提供对将粘合剂定位在基底上的卓越控制。还可以控制铺设的粘合剂的密度。这些特征有助于消除粘合剂的浪费。
[0139] 本发明的装置和系统还包括防止粘合剂的积聚和因此发生的阻塞的设计构件。自动清洁构件具有在装置和系统的维护方面的优点。
[0140] 根据本教导提供的系统可以采用标准纸张，例如A4的纸张，该纸张既不在下方预涂压敏粘合剂，也不利用静电印刷技术(例如利用“粘性”油墨粘接剂)彼此粘合。由于这种系统使用标准纸和水基PVA粘合剂，因此该系统是非常环境友好的。因为标准纸和水基粘合剂容易从主流供应商处获得，所以该系统与现有技术系统相比运行经济。这种系统可以使用例如已经穿过常规2D打印机/办公打印机的循环纸，从而进一步降低运转成本。
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