輸送膠凝材料的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一種使用膠凝材料執(zhí)行多層構(gòu)造方法的裝置(100)，該裝置具有盛放膠凝材料的儲存器(4)。儲存器(4)聯(lián)接到帶有輸送噴嘴(13)的打印頭(6)。輸送噴嘴(13)能夠被機械手臂組件(1)移動而使噴嘴(13)沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位。與噴嘴(13)的轉(zhuǎn)位相關(guān)聯(lián)地控制膠凝材料從儲存器(4)到噴嘴(13)的流動以及將材料擠出噴嘴(13)。支撐材料、速凝劑和結(jié)合材料也可以從打印頭(6)沉積。
【專利說明】輸送膠凝材料的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于膠凝材料的沉積的新式構(gòu)造技術(shù)及執(zhí)行該技術(shù)的裝置，這種技術(shù)可選地通過以受控方式施加“促凝劑”來進行。本發(fā)明還涉及一種用于多層膠凝材料的沉積的裝置和技術(shù)，所述膠凝材料優(yōu)選地在其沉積的位置處被進一步配給一個或多個促凝劑成分(accelerator compound),由此允許在部分固化的膠凝材料上施涂其它多個層，而不會使所述材料在這些另外的一個或多個層的重量作用下過度變形。
【背景技術(shù)】
[0002]快速原型技術(shù)(rapid prototyping)在過去的十年中越來越廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，從一種適用領(lǐng)域較窄的技術(shù)演變?yōu)樘峁┎牧线x擇、分辨率及各種其它要素的多種技術(shù)的主流。其中較為常用的技術(shù)是立體平版印刷、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和熔融沉積建模(FDM)，后兩者都是主要使用塑膠材料的疊加式制造技術(shù)，F(xiàn)DM還特別用于快速制造短期或小批量的塑膠部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在將快速原型技術(shù)所提供的優(yōu)點應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計及制造的領(lǐng)域，并將其引入構(gòu)造領(lǐng)域，切實地提供能夠“打印”由膠凝材料形成的大型復(fù)雜且不規(guī)則的物件和結(jié)構(gòu)的3D打印機。
[0004]目前已進行了若干次嘗試來取得本發(fā)明所提供的一些優(yōu)點，然而，所有的方案都有其缺點，且通常在能夠制造的物件/結(jié)構(gòu)的尺寸以及所述物件/結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性這兩個方面中的任一者或兩者上都非常受限制。
[0005]術(shù)語“速凝劑”應(yīng)被理解為包括任何能夠經(jīng)由催化或其它過程來加速膠凝材料的固化/凝結(jié)的材料(物質(zhì))。
[0006]術(shù)語“緩凝劑”應(yīng)被理解為是指使膠凝材料的固化/凝結(jié)遲緩或減慢的材料。這樣可延長可加工性的開放時間(open time)以及/或者改善可加工性的流變性、可擠壓性、可打印性及可構(gòu)建性。
[0007]術(shù)語“膠凝材料”或“灌注材料”應(yīng)被理解為包括能夠以流體狀態(tài)運送并隨后在沉積之后變硬的一種或多種填料和粘結(jié)劑形成的任何集聚物(agglomeration)。
[0008]術(shù)語“穩(wěn)定的膠凝材料”是指添加了緩凝劑的膠凝材料。
[0009]術(shù)語“支撐材料”是指被臨時沉積以用來支撐后續(xù)的多個構(gòu)造的層的材料，所述支撐材料在完成所述構(gòu)造時被移除，并且可選地為針對后續(xù)的再利用而被回收/再循環(huán)。
[0010]術(shù)語“結(jié)合材料(cartilage material,軟骨材料)”和“結(jié)合層”是指這樣的材料或?qū)?，其被插置于支撐層與膠凝層之間、或者覆蓋于完工的表面之上、或者圍繞用以使這些層更容易分離的任一內(nèi)部或外部特征，使建筑部件的表面與其它流體分離(例如在固化期間使膠凝材料的水分蒸發(fā)或其它成分的損失最小化)，以提高膠凝材料的表面光潔度以及/或者使所述膠凝材料能夠產(chǎn)生紋理飾面。這種層可以是臨時的或半永久式的，或者可形成完工的部件的永久特征。
[0011]術(shù)語“工作表面”不僅涉及開始構(gòu)造的初始表面，而且涉及膠凝材料、支撐材料和結(jié)合材料中的任一者或所有的最上部露出層。
[0012]特別針對膠凝材料與支撐材料的沉積的相互關(guān)系描述的術(shù)語“大致同時”應(yīng)被寬泛地解釋，因為其不太可能為任何指定的層將需要相同的量、甚至相同的膠凝材料和支撐材料的分布的情況，因此支撐材料沉積而同時膠凝材料不沉積的情形將不可避免，反之亦然，因此這個術(shù)語應(yīng)被理解為推斷，膠凝材料與支撐材料的所述沉積可以是同步的(盡管不要求精確的同步性)。
[0013]術(shù)語“活化劑”應(yīng)被理解為包括任何能夠通過催化或其它工藝加速支撐材料的固化/凝結(jié)的材料。
[0014]當(dāng)使用術(shù)語“噴嘴”時，其應(yīng)被理解為指示單個噴嘴或多個相互接近的噴嘴，因此單數(shù)應(yīng)被解釋為也包括復(fù)數(shù)，反之亦然。
[0015]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)/技術(shù)狀態(tài)的許多缺點，并且在第一方案中提供了一種多層構(gòu)造方法，每層的構(gòu)造均包括以下步驟:
[0016]提供膠凝材料；
[0017]將所述膠凝材料輸送到噴嘴；
[0018]使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位；以及
[0019]通過將所述膠凝材料從所述噴嘴擠出而將所述膠凝材料施涂到工作表面；以及
[0020]對于所要求的每個另外的構(gòu)造層，重復(fù)這些步驟。
[0021]優(yōu)選地，該膠凝材料是穩(wěn)定的膠凝材料。優(yōu)選地，在將膠凝材料輸送到噴嘴之前并且在將膠凝材料施涂到工作表面之前，該膠凝材料是穩(wěn)定的。優(yōu)選地，所述膠凝材料是混凝土材料。
[0022]優(yōu)選地，所述方法的特征在于加入如下步驟:將速凝劑施加到所述膠凝材料，所述速凝劑的施加可以在所述膠凝材料的所述擠出之前、期間或之后進行。所述穩(wěn)定的膠凝材料可以通過振動、攪拌、混合或任何其它眾所周知的方法而被攪動，由此減小所述膠凝材料與用以將其輸送的裝置的內(nèi)表面之間的摩擦。所述噴嘴沿所述預(yù)定路徑的所述轉(zhuǎn)位優(yōu)選由計算機控制。
[0023]該方法優(yōu)選地還包括與所述膠凝材料的施涂大致同時地，在相鄰的層中、在不需要膠凝材料的區(qū)域施涂支撐材料，使得所述支撐材料與所述膠凝材料一起提供用于下一層的構(gòu)造的工作表面。
[0024]優(yōu)選地，所述方法還包括使所述支撐層能夠接觸(暴露于)活化劑。
[0025]所述方法可還包括在隨后的一層是一個膠凝材料層的多個區(qū)域處將結(jié)合層施涂到支撐層的上表面。添加所述結(jié)合層用于改善膠凝材料的表面光潔度，同時通過使膠凝材料固化時丟失的水分量最小化來改善所完成的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性。
[0026]該方法可還包括使用一個或多個攝像機來捕捉與工作表面的表面紋理和/或變形相關(guān)的實時信息，所述信息被用來確定被施涂的當(dāng)前層的必要的施涂條件，所述施涂條件是從噴嘴的數(shù)量、噴嘴尺寸、噴嘴取向、膠凝材料的流速、噴嘴轉(zhuǎn)位的速率以及施加速凝劑的速度或時刻中選擇的。
[0027]膠凝材料、支撐材料、結(jié)合層或材料或促凝劑中任一者的施涂/輸送均能夠通過可振動噴嘴或通過可變直徑噴嘴的其中之一或兩者來執(zhí)行。
[0028]本發(fā)明的第二方案提供用于執(zhí)行上述多層構(gòu)造方法的裝置，所述裝置包括:膠凝材料的儲存器，所述儲存器功能連接至噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述膠凝材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
[0029]優(yōu)選地，膠凝材料的儲存器包括穩(wěn)定的膠凝材料的儲存器。該儲存器可以具有任何能夠減緩來自噴嘴的不連續(xù)的、但由壓力控制的流動的尺寸。優(yōu)選地，所述裝置還包括用于將速凝劑施加到所述膠凝材料的裝置。
[0030]所述裝置可還包括攪拌裝置，該攪拌裝置和所述儲存器功能連通，以及/或者和位于所述儲存器與所述噴嘴之間的所述功能連接裝置功能連通。
[0031]該裝置優(yōu)選地還包括計算機控制裝置，所述控制裝置控制所述噴嘴轉(zhuǎn)位、所述膠凝材料的流速以及施加所述速凝劑的時刻和速率。
[0032]所述轉(zhuǎn)位裝置優(yōu)選地包括機械手臂，所述機械手臂優(yōu)選地既能夠沿三個獨立的軸線轉(zhuǎn)位，又能夠使所述噴嘴沿多個軸線旋轉(zhuǎn)。
[0033]該裝置優(yōu)選地還包括:支撐材料的儲存器，所述儲存器功能連接至支撐材料用噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述支撐材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
[0034]優(yōu)選地，所述裝置還包括用于將活化劑施加到所述支撐材料的裝置。
[0035]所述裝置還包括:結(jié)合材料的儲存器，所述儲存器功能連接至結(jié)合材料用噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述結(jié)合材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
[0036]在特別優(yōu)選的實施例中，所述裝置還包括一個或多個攝像機，所述一個或多個攝像機或者是不動的并且安裝到所述機械手臂，或者能夠獨立地轉(zhuǎn)位以跟蹤所述擠出噴嘴，所述攝像機能夠捕捉與紋理、形狀或形態(tài)相關(guān)的信息，所述一個或多個攝像機能夠?qū)⑺鲂畔鬏數(shù)剿鲇嬎銠C控制單元，所述計算機控制單元能夠解釋所述信息，并隨后利用所述信息來通知對所述一個或多個擠出噴嘴的控制以及所述一種或多種材料從所述一個或多個儲存器到所述一個或多個噴嘴的流動。
[0037]用于施涂/輸送/擠出膠凝材料、支撐材料、結(jié)合層或促凝劑的任何一個或多個噴嘴可以是可振動噴嘴或者可變直徑噴嘴，或者兩者皆可。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]現(xiàn)在將借助示例并參照附圖描述本發(fā)明的實施例，在附圖中:
[0039]圖1是用于執(zhí)行膠凝材料的多層輸送的輸送裝置的示意圖；
[0040]圖2是與圖1的輸送裝置一起使用的結(jié)合有兩個沉積頭的打印頭的示意圖；
[0041]圖2a和圖2b是示出在沉積期間圖2的打印頭的沉積頭的沉積的示意圖；
[0042]圖3是與用于輸送膠凝材料的支撐輸送機構(gòu)一起構(gòu)成圖2的打印頭的一部分的膠凝材料沉積頭的局部剖視示意圖；
[0043]圖3a是打印頭的示意性側(cè)視圖；
[0044]圖4是適合與圖1的裝置一起使用的促凝劑及結(jié)合材料的輸送機構(gòu)、光學(xué)測量系統(tǒng)和機器人控制機構(gòu)的示意圖；[0045]圖5是適合與圖1的裝置一起使用的砂及粘結(jié)劑沉積頭的示意性剖視圖；
[0046]圖6是適合與圖5的沉積頭一起使用的砂輸送機構(gòu)的示意圖；
[0047]圖7是適合與圖1的裝置一起使用的膠凝材料攪拌器的剖視示意圖；
[0048]圖8是適合與圖2的打印頭一起使用的振動噴嘴的不意圖；以及
[0049]圖9是適合與圖2的打印頭一起使用的可變噴嘴的示意圖。
【具體實施方式】
[0050]圖1示出用于將膠凝材料輸送到噴嘴13的輸送裝置100，該噴嘴的空間位置和取向能夠以自動機械方式被控制。輸送裝置100執(zhí)行使用輸送泵2來將膠凝材料輸送到噴嘴13的、可被描述為“打印”的工藝過程。與漏斗102組合的螺桿泵2經(jīng)由輸送管3聯(lián)接到沉積頭6。沉積頭6安裝在機械手臂組件I上，機械手臂組件I被配置為向沉積頭6提供自動化的自由運動。機械手臂組件I由主控制器110控制。優(yōu)選地，機械手臂組件I使沉積頭6能夠移動，即沿所有三個正交軸線一起地或獨立地轉(zhuǎn)位，還允許噴嘴13繞所有三個正交軸線旋轉(zhuǎn)而使其具有全部六個自由度。這樣，總體而言，機械手臂組件I提供用于沿預(yù)定路徑使噴嘴轉(zhuǎn)位的裝置。
[0051]沉積頭6形成多功能打印頭101的一部分，多功能打印頭101安裝在機械手臂組件I的最遠手臂103上。最遠手臂103還支撐將膠凝材料輸送到噴嘴13的活塞5和儲存器4。在使用中，螺桿泵2將膠凝材料從漏斗102通過輸送管3輸送到儲存器4。
[0052]膠凝材料可被連續(xù)地攪動以維持合適的流變狀態(tài)。儲存器4可消除將材料輸送到沉積頭6期間螺桿泵2所累積的不需要的高壓，以便精確地控制膠凝材料的擠出。膠凝材料優(yōu)選地從儲存器4通過活塞5輸送到沉積頭6，并以可調(diào)節(jié)的流速輸送到噴嘴13，并沿由驅(qū)動機械手臂組件I的主控制器110控制的預(yù)限定的路徑擠出。優(yōu)選地在膠凝材料被裝載到漏斗102中之前，或者當(dāng)膠凝材料已在漏斗102中時將緩凝劑添加到膠凝材料，以便提供穩(wěn)定的膠凝材料的儲存器?；蛘?，緩凝劑可以像稍后所討論的那樣在下游加入。
[0053]圖2更為詳細地示出打印頭101以及噴嘴13和打印頭101的多軸線旋轉(zhuǎn)。打印頭101由馬達7、齒輪箱8、單向軸承9、膠凝材料用沉積頭6 (本文也稱為“第一”沉積頭)及其噴嘴13、以及支撐材料用第二沉積頭11及其噴嘴12組成。如圖2a和圖2b所示，打印頭101可繞與圖2的附圖的平面正交的軸線旋轉(zhuǎn)。機械手臂組件I的旋轉(zhuǎn)自由度允許第一沉積頭6和第二沉積頭11被定位成用于相對于表面104或105a或105b來沉積材料,并保持垂直于每個軸線的界線內(nèi)形成的表面104、105a、105b的取向。這使得能夠產(chǎn)生凹曲面105a或凸曲面105b，同時使噴嘴12、13與打印面(例如特別為凹面105a)之間的碰撞的風(fēng)險最小化，以及允許用于建造水平層104的固定豎直取向。
[0054]圖3示出打印頭101和膠凝材料輸送機構(gòu)的進一步的細節(jié)?；钊?具有被來自進氣口 17的空氣驅(qū)動的活塞缸16?；钊?6被構(gòu)造為經(jīng)由活塞桿107驅(qū)動儲存器4內(nèi)的活塞頭106?；钊^106包括密封環(huán)20和一個或多個磁體19，這些磁體被配置為通過接近磁性開關(guān)22A、22B來致動這些磁性開關(guān)，以指示活塞頭106的第一位置和第二位置。配置開關(guān)邏輯電路21用以監(jiān)測磁性開關(guān)22A、22B的狀態(tài)，并向主控制器110提供反饋。
[0055]輸送管3聯(lián)接到儲存器4的端部用以輸送膠凝材料。打印頭101上的膠凝材料沉積頭6通過傳輸軟管18聯(lián)接到儲存器4，傳輸軟管18由夾子25、27夾緊到沉積頭6。泵輥板(pump roller plate) 23承載多個棍24,并被構(gòu)造為能繞軸線108旋轉(zhuǎn),使得每個棍24能夠相繼地將傳輸軟管壓靠于彎曲的壓力靴28，這與蠕動泵的設(shè)計類似。
[0056]在使用中，通過由進氣口 17噴射空氣來驅(qū)動活塞缸16，向開關(guān)22B驅(qū)動活塞頭106而輸送穩(wěn)定的膠凝材料，由此從儲存器4排出的穩(wěn)定的膠凝材料通過傳輸軟管18并到達沉積頭6。通過使泵輥板23上的輥24如從圖3觀看的順時針方向旋轉(zhuǎn)而將傳輸軟管18中的膠凝材料擠出，使膠凝材料通過噴嘴13被擠出。當(dāng)活塞頭磁體19觸發(fā)下部開關(guān)22B時，開關(guān)邏輯電路21向主控制器110發(fā)送信號，以停止通過進氣口 17噴射空氣及通過輸送管3泵送材料。膠凝材料由此被泵入到儲存器4中，從而再充填儲存器。該過程可通過將空氣噴射入第二進氣口 17A，以向上驅(qū)動活塞缸16和活塞頭106來協(xié)助進行。在再充填儲存器4期間，主控制器110也可停止泵輥板23的旋轉(zhuǎn)及機械手臂組件的運動，以允許在儲存器再充填完成之后且在重新開始操作以前具有再充填的時間?？梢栽谘b填儲存器4時將緩凝劑添加到膠凝材料。
[0057]活塞優(yōu)選地被布置為向沉積頭6和/或噴嘴13提供恒壓。該功能也可由用以控制從儲存器或供給源到沉積頭和/或噴嘴的材料的壓力及流動的任何合適機構(gòu)來執(zhí)行。例如，可使用基于氣囊或膜片的系統(tǒng)。
[0058]主控制器110大體上與控制噴嘴13的運動或轉(zhuǎn)位相一致地控制膠凝材料經(jīng)由該噴嘴的流速。
[0059]圖3還在套印于其中的示意圖3a中示出打印頭101的正視圖，在該圖的主體部分中描繪了打印頭101的端部剖視圖。
[0060]剛剛描述的輸送機構(gòu)所用的膠凝材料可以是如前文所論述的任一種合適的材料，但應(yīng)優(yōu)選地根據(jù)例如下列標準來研制:可加工性、可泵送性、可擠壓性、可打印性和可構(gòu)建性，針對三維混凝土打印工藝進行優(yōu)化。
[0061]圖4描繪了使用光學(xué)測量設(shè)備32的實時反饋系統(tǒng)，還示出用于輸送促凝劑和/或結(jié)合材料的打印頭101的進一步特征。
[0062]反饋系統(tǒng)包括光學(xué)傳感器32、測量結(jié)果處理器33和機械手臂組件I的主控制器110用接口 34。光學(xué)傳感器可包括一個或多個攝像機，該攝像機用于觀察通過從沉積頭6、11中的任一者擠出而累積成的材料層。光學(xué)傳感器32 (或多個傳感器)可以是不動的，或者是安裝到機械手臂組件I的一部分上，或者可安裝到打印頭101?；蛘?，可將上述一個或多個光學(xué)傳感器32安裝到可單獨移動的或可轉(zhuǎn)位的結(jié)構(gòu)，例如安裝在單獨的軌道或機械手臂上。光學(xué)傳感器32 (例如攝像機)優(yōu)選地被配置為用以捕捉通過沉積頭6、11中的任一個或兩個沉積的材料的紋理、形狀或形態(tài)的信息。
[0063]在使用中，反饋系統(tǒng)可測量沉積期間擠出的滴(例如膠凝材料或稍后描述的其它材料)的連續(xù)度、寬度、高度和反射率之中的某些或全部，以及之前構(gòu)建的層的任何豎直變形、水平變形或其它變形。該反饋系統(tǒng)還可監(jiān)測與表面光潔度和紋理以及擠出的滴的三維位置相關(guān)的信息，以及/或者先前參照計算機模型產(chǎn)生的指令建造的各層的信息。這類信息在測量結(jié)果處理器33中被實時處理，而通過控制機械人接口 34和系統(tǒng)暫停等等，設(shè)定參數(shù)的任何變化可造成的沉積方法、泵速度、行進速率的改變。隨著材料沉積，設(shè)定參數(shù)的變化可能變得“頻繁(on the fly) ”，因此具有對輸送裝置的實時反饋，以控制對當(dāng)前所沉積的層進行沉積所用的當(dāng)前的參數(shù)。或者，可利用設(shè)定參數(shù)的變化來控制未來的參數(shù)(例如下一個沉積的層的參數(shù))，以便“校正”或“修整”從之前的一個或多個層的預(yù)期輪廓的偏離。設(shè)定參數(shù)的變化可包括沉積裝置(例如泵或噴嘴或機械手臂組件)的任一操作參數(shù)，以控制被沉積的材料的流速、高度或位置。
[0064]打印頭101或輸送機構(gòu)可還包括促凝劑(速凝劑)用容器29和結(jié)合材料用容器
30。每個這些容器29、30通過輸送管111、112和電磁閥31聯(lián)接到噴嘴35，該電磁閥31受測量結(jié)果處理器33的控制。噴嘴35可與呈多室噴嘴形式的膠凝材料噴嘴13 —體形成?；蛘撸瑖娮?5可鄰近膠凝材料噴嘴13或與該噴嘴同心地設(shè)置，例如形成護罩。
[0065]速凝劑和/或結(jié)合材料可因此通過噴嘴35輸送，噴嘴35與膠凝材料噴嘴13同軸、鄰近膠凝材料噴嘴13或至少部分圍繞膠凝材料噴嘴13設(shè)置(或者是這些設(shè)置方式的組合)。速凝劑噴嘴和/或結(jié)合材料噴嘴35可包括圍繞膠凝材料噴嘴13的周向護罩，或者可結(jié)合到膠凝材料噴嘴13內(nèi)。這使得結(jié)合材料能夠與膠凝材料同時累積成層或者散布在膠凝材料中，或者成為該膠凝層或每個膠凝層的基層、中間層或保護層。例示出的結(jié)合材料可包括膠乳、明膠、乙烯基、金屬(例如用于導(dǎo)電性、精整或結(jié)構(gòu)的增強)、膨脹泡沫材料(例如用于熱絕緣)、樹脂、粉末、織物、染料、墨水及其它表面光潔度或?qū)傩蕴岣叩牟牧稀?br> [0066]在使用中，電磁閥31控制通過噴嘴35沉積的促凝劑和結(jié)合材料從容器29、30的輸送。圖4的用于輸送促凝劑和結(jié)合材料的系統(tǒng)被示出為重力供給系統(tǒng)。然而，還可以將這些系統(tǒng)中的任一個更換為泵系統(tǒng)。例如，蠕動泵可使促凝劑或結(jié)合材料中的任一者或兩者定量輸送到噴嘴13。
[0067]這樣，總體而言，容器29、閥31、輸送管111和噴嘴35或13提供用于將速凝劑施加到穩(wěn)定的膠凝材料的例示性裝置，而主控制器110、接口 34例示了用以控制速凝劑的時亥IJ、流速和施涂速率的裝置。
[0068]用于建造(膠凝)材料的促凝劑可包括含硫的鋁鹽和二乙醇胺，并可以選擇為控制膠凝材料的凝結(jié)時間。促凝劑可與緩凝劑混合，例如由氨基三亞甲基膦酸、檸檬酸和甲醛形成，以確保足夠的開放時間，從而確保層的可構(gòu)建性。優(yōu)選地，一些緩凝劑與漏斗102中設(shè)置的膠凝材料預(yù)先混合并輸送到沉積頭6。這樣為膠凝建造材料的使用提供了更長的開放時間。優(yōu)選地，促凝劑的添加晚于緩凝劑(例如在噴嘴13處添加)，以縮短材料沉積之后的強化時間。
[0069]圖4的容器29、30中的促凝劑和結(jié)合材料可在容器29和30中被保持在低壓下。當(dāng)電磁閥31被供電以使材料能夠從每個容器29或30通過該電磁閥進入噴嘴時，之前鋪設(shè)的表面上的沉積物被涂覆來自所選擇的容器29、30的材料。如前面提到的，噴嘴35可包括護罩，該護罩可由該噴嘴中一單獨的部分構(gòu)成，并且該噴嘴是可旋轉(zhuǎn)的，以便順著沉積頭6取向為沿著被構(gòu)造的工件的行進方向。這樣，在大體方案中，結(jié)合了容器29、30、電磁閥31、輸送管111、112以及噴嘴13、35的打印頭101設(shè)有速凝劑用儲存器、結(jié)合材料用儲存器以及將速凝劑和結(jié)合材料輸送到噴嘴(用以從噴嘴擠出)的裝置。
[0070]圖5示出支撐材料用沉積頭11的進一步細節(jié)。例示出的支撐材料可以是粘結(jié)劑和砂。粘結(jié)劑被儲存于粘結(jié)劑容器36，該粘結(jié)劑容器通過粘結(jié)劑泵37和混合室115的粘結(jié)劑進入點38聯(lián)接到混合室115。支撐材料(例如型砂)可通過合適的容器(圖中未示)的砂進入點39輸送?；旌鲜?15包括用于將砂與粘結(jié)劑混合的混合槳41、42。槳41、42被合適的馬達46和軸117旋轉(zhuǎn)，它們還旋轉(zhuǎn)噴嘴12內(nèi)的防沉積桿66。板43A、43B具有孔43。[0071]在使用中，混合后的砂和粘結(jié)劑經(jīng)過板43A、43B的孔43，孔43的尺寸是可調(diào)節(jié)的，以調(diào)控混合材料通過該孔落下的速度，進而控制混合室中的混合時間，以便保持混合度?；旌喜牧想S后通過噴嘴12被擠出?；旌鲜?15中的支撐材料的量由定量(計量)單元40控制，該定量單元40包括具有縫隙119的旋轉(zhuǎn)缸118，而支撐材料的流速由可變磁阻拾音器(pickup，撿拾器)47和泵速度控制電路48測量和控制。隨著軸117、混合槳41、42和防倒伏桿66旋轉(zhuǎn)，可變磁阻拾音器根據(jù)旋轉(zhuǎn)的速度而生成可變頻率信號。通過可變磁阻拾音器的測量也可以由其它設(shè)備來產(chǎn)生，例如霍耳效應(yīng)設(shè)備或光學(xué)設(shè)備。這種可變頻率信號被供給到頻率-電壓轉(zhuǎn)換器，然后供給到脈寬調(diào)制(PWM)電路以驅(qū)動粘結(jié)劑泵37。粘結(jié)劑泵優(yōu)選為從動，以便維持期望的或恒定的砂與粘結(jié)劑的比率。防倒伏桿66的旋轉(zhuǎn)防止了殘余物在噴嘴12內(nèi)累積。
[0072]總體而言，混合室115提供一支撐材料用例示性儲存器，用于(將支撐材料)輸送到噴嘴12，主控制器110還進一步控制支撐材料通過馬達46和粘結(jié)劑泵37到噴嘴的流速。
[0073]用于支撐材料的促凝劑或“活化劑”可通過促凝劑輸送管44輸送到噴嘴12。如圖所示，噴嘴12可以是多端口噴嘴并可包括護罩噴嘴裝置45，以輸送用于支撐材料的活化齊U。活化劑因此可通過噴嘴45輸送，該噴嘴45與支撐材料噴嘴12同軸、鄰近支撐材料噴嘴12或至少部分圍繞支撐材料噴嘴12 (或者是這些設(shè)置方式的組合)。在如圖所示的一種設(shè)置方式中，活化劑噴嘴45可包括圍繞支撐材料噴嘴12的周向槽。另一種設(shè)置方式可以是將活化劑混合到支撐材料噴嘴12內(nèi)的支撐材料中。
[0074]上述的這些設(shè)置方式理想地適于分配型砂或其它的借助例如C02之類的氣體材料凝結(jié)的合適的粉末狀材料。例如由沉積頭11產(chǎn)生的將來自進入點39的砂與來自粘結(jié)劑容器36的濕的粘結(jié)材料(例如水)混合而成的潮濕的砂借助C02凝結(jié)。這使得支撐材料能夠以與膠凝材料相似的方式便利地累積成層。如前文所論述的，可使用能夠在沉積之后(例如項目構(gòu)造之后或者后來的膠凝材料層沉積之后)移除并且可以再循環(huán)的支撐材料。例如，在其后的工藝階段期間，能夠利用水沖掉砂基支撐材料。
[0075]例示出的用于支撐材料的活化劑可以是二氧化碳(C02)，其在低壓之下施加于混合支撐材料，其通過造成干燥脫水來加速硅砂與硅酸鈉之間的反應(yīng)。促凝劑可從配備有6_管44的外部缸(圖中未不)輸送，穿過電磁閥(圖中未不)經(jīng)由護罩45離開噴嘴12。因此，支撐材料能夠在沉積期間被啟用。
[0076]圖6示出用于輸送支撐材料的砂成分的機構(gòu)的進一步的細節(jié)。利用低壓壓縮空氣(其通過氣動測量儀58和針閥50被加入)從散裝容器49吹送支撐材料(例如干硅砂)通過輸送管55進入到靠近機械手臂組件I的最末端安裝的小儲存器56，從儲存器56排放的空氣由針閥52和氣管54調(diào)節(jié)，以降低干砂(輸送)到支撐材料用沉積頭11的速率。在支撐材料沉積的不使用期間，當(dāng)儲存器56被充滿時，使用針閥51和空氣管53，裝配到儲存器56上的重量傳感器停止砂的流動。散裝容器49、粘結(jié)劑容器36和混合室115中的任一個或多個也可以作為支撐材料的儲存器的示例。
[0077]前面說明的，膠凝材料可被攪動以保持新鮮。圖7描繪了使膠凝材料能夠連續(xù)或周期性攪拌的攪拌器裝置120的細節(jié)。攪拌器裝置120可布置在膠凝材料輸送路徑的任何合適的位置，例如布置在圖1中所示的漏斗102和螺桿泵2組件或其下游。膠凝材料被輸送到包括混合或攪拌槳62和振動器65的容器59。混合或攪拌槳62可通過軸61被馬達60旋轉(zhuǎn)。容器59中的材料的攪拌通過驅(qū)動軸61的馬達60和混合槳62來執(zhí)行，以及通過振蕩容器59的振動器65來執(zhí)行。槳62具有特定的表面積，因此其需要一定的力來使其移動。代表材料的剛性的力能夠由轉(zhuǎn)矩測量單元63來測量。力測量結(jié)果處理器64監(jiān)測所要求的旋轉(zhuǎn)槳62的轉(zhuǎn)矩，并調(diào)整過程參數(shù)以及振動器65的頻率和振幅，以便有助于膠凝材料的流動。
[0078]這樣，總體而言，攪拌槳62和/或振動器65例示出了適合攪拌膠凝材料或穩(wěn)定的膠凝材料的攪拌裝置。
[0079]圖8示出振動噴嘴裝置121，振動噴嘴裝置121被構(gòu)造為能夠隨著材料的沉積而使材料變得堅實，改善了濕材料的中間層黏合并且提高了表面光潔度。振動噴嘴裝置121能夠被布置為用于沉積建造(膠凝)材料或支撐材料，即其能夠結(jié)合到圖2和圖3a中的噴嘴13或噴嘴12中。
[0080]圖8的范例示出用作膠凝材料噴嘴的振動噴嘴裝置121。膠凝材料可通過軟管18或其它管路(例如經(jīng)由輥泵24)被輸送。軟管18被保持在噴頭頭部122中并被振動器123豎直振動(如示意圖中的取向)，即振動發(fā)生在平行于軟管的長軸的方向和擠出的方向。振動器123可通過電線67壓電堆疊連接至電源。當(dāng)振動器123保持固定時，為了使振幅更大，還可以或者可選地使用音圈或機械運動。還可以或者可選地使用超聲振動施加到沉積頭噴嘴，以獲得更小振幅進而用于精確的材料控制。
[0081]這樣，總體而言，圖8提供可振動噴嘴。該可振動噴嘴可配置為使噴嘴沿平行于噴嘴軸線的方向振動。本文中噴嘴軸線對應(yīng)于軟管的縱軸線以及擠出方向。振動噴嘴可改善通過噴嘴擠出的材料的流動和/或壓實擠出的材料?？烧駝訃娮炜膳渲脼槭箛娮煅嘏c噴嘴軸線正交的方向振動。這樣可導(dǎo)致表面質(zhì)量不同，無需表面壓實。
[0082]圖9a和圖9b示出配置為提供可變的滴尺寸和可變的滴縱橫比的可變直徑噴嘴130。這樣允許了一定幾何形狀的更高的填充密度，并提供迅速的動力系統(tǒng)響應(yīng)。
[0083]可變直徑噴嘴130能夠被布置為用于沉積建造(膠凝)材料或支撐材料而，即其能夠結(jié)合到圖2和圖3a的噴嘴13或噴嘴12中。
[0084]圖9a和圖9b的示例示出了用作膠凝材料噴嘴13的可變直徑噴嘴130。膠凝材料可通過軟管18或其它管路(例如經(jīng)由輥泵24)輸送。軟管18聯(lián)接到噴嘴130中的軟管殼體132，軟管具有多級軸向槽131，其被切割成使關(guān)閉運動最大化。如圖9a和圖9b所示，軸向槽131優(yōu)選地還稍微向軟管的長軸傾斜，并且優(yōu)選地還稍微向軟管的徑向傾斜。
[0085]馬達和齒輪箱68被聯(lián)接以旋轉(zhuǎn)小齒輪69，該小齒輪69嚙合并轉(zhuǎn)動附接到關(guān)閉塊71的環(huán)形齒輪70。螺紋73聯(lián)接環(huán)形齒輪70和關(guān)閉塊71。當(dāng)上述關(guān)閉塊和噴嘴13利用螺紋73而相對于彼此軸向移位時，每個環(huán)形關(guān)閉塊71和軟管殼體132上互補的錐形輪廓75使軟管殼體132的遠端72被壓縮。這導(dǎo)致軟管殼體132和軟管18的該端部的半徑減小或增大，由此限定可變直徑噴嘴130。
[0086]可以設(shè)想允許對噴嘴的形狀/橫截面輪廓進行改變的可變直徑噴嘴的另外的設(shè)置方式。因此，用語“可變直徑”噴嘴旨在涵蓋噴嘴端的至少一個橫截面的尺寸能夠變化的噴嘴。橫截面的輪廓并非必須為圓形或橢圓形，而是可以為矩形或其它多邊形狀。軟管中并非必須具有槽，而是可以根據(jù)軟管材料的可撓性、塑性或彈性而收縮或擴張。
[0087]當(dāng)待沉積的材料層要求形成一個或多個滴，并要求這些滴比被打印的材料層的標準滴的尺寸更小或最窄時，可變直徑噴嘴(其孔口能夠自動調(diào)整形狀和/或尺寸從而以受控和連續(xù)的方式改變擠出材料的橫截面輪廓)能夠尤其有用。這樣可避免當(dāng)要求不同分辨率的打印滴(printed bead)時保留多個局部間隙或更換噴嘴的需要。
[0088]主控制器110可用于根據(jù)從光學(xué)傳感器32接收的信息/反饋(例如材料流到噴嘴12、13、35、45的流速及由此處的擠出速率)來控制輸送裝置100的任一功能?？墒褂闷渌愋偷倪m合監(jiān)測由裝置100打印的層的紋理、形狀或形態(tài)的傳感器來取代或補充一個或多個上述光學(xué)傳感器。例如，可以使用利用電磁波譜的其它部分或超聲的傳感器。
[0089]盡管通過具有樞轉(zhuǎn)部段的機械手臂總體上例示出了用于使噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置，但也可以通過任何合適的機械手臂組件或者能夠操縱噴嘴12、13、35、45到空間中的所需的位置和所需的角位置(angular presentation)的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行該功能。例如，可使用吊架系統(tǒng)為打印頭101提供x-y-z坐標臺。該吊架系統(tǒng)可包括四個柱及兩個豎直行進的支承梁。這兩個支承梁進而支撐第三梁，該第三梁沿一水平軸線行進并支撐打印頭。該打印頭則能夠順著第三梁沿另一個水平方向行進。當(dāng)然，也可采用其它設(shè)置方式。
[0090]主控制器110優(yōu)選地為計算機控制裝置，盡管所應(yīng)用特定電路可替代或另外布置。主控制器可以是單個中央單元，或者可以被分配在裝置100的各個零部件之中。
[0091]盡管該優(yōu)選實施例的膠凝沉積頭噴嘴13和支撐材料沉積頭噴嘴12被示出為在打印頭101上具有不同的角度顯示(圖2)，使得它們每個都能夠旋轉(zhuǎn)到在表面104上沉積的位置(圖2a和2b)，但應(yīng)理解的是，膠凝材料噴嘴13和支撐材料噴嘴12還可設(shè)置為相同取向，并可相互緊鄰，以便提供例如同時沉積或者在膠凝材料與支撐材料的沉積之間更快速地切換。
[0092]在“打印”型工藝中能夠?qū)崿F(xiàn)膠凝材料和支撐材料的輸送，其優(yōu)點在于，能夠?qū)Ⅲw積和質(zhì)量減小或最小化的膠凝材料輸送到使用點，減少成本并縮短建造與后處理的時間、清理和再循環(huán)(回收)時間。能夠分別優(yōu)化膠凝材料和支撐材料的輸送路徑，以便輸送到同一打印頭并從該打印頭被輸送。這樣就能夠形成包括中空面板的結(jié)構(gòu)和部件以及雙重彎曲的結(jié)構(gòu)。沉積工藝能夠與其它表面預(yù)加工或表面處理技術(shù)相結(jié)合，這些技術(shù)例如用于形成光滑表面(如填壓法或者通過振動/振蕩器械、空氣噴射及其組合)。
[0093]其它的實施例均應(yīng)被涵蓋于隨附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多層構(gòu)造方法，其特征在于，每層的構(gòu)造均包括以下步驟: 提供膠凝材料； 將所述膠凝材料輸送到噴嘴； 使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位；以及 通過將所述膠凝材料從所述噴嘴擠出而將所述膠凝材料施涂到工作表面； 對于所要求的每個另外的構(gòu)造層，重復(fù)這些步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)造方法，其中，所述膠凝材料為穩(wěn)定的膠凝材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的構(gòu)造方法，其特征在于，所述膠凝材料為混凝土材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1、2或3所述的構(gòu)造方法，還包括將速凝劑施加到所述膠凝材料。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述穩(wěn)定的膠凝材料還通過振動、攪拌、混合或任何其它眾所周知的方法而被攪動。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述噴嘴沿所述預(yù)定路徑的所述轉(zhuǎn)位是由計算機控制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，還包括:與所述膠凝材料的所述施涂大致同時地，在與所述膠凝材 料相鄰的層中、在不需要膠凝材料的區(qū)域施涂支撐材料，使得所述支撐材料與所述膠凝材料一起提供用于下一層的構(gòu)造的工作表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括使所述支撐層暴露到活化劑的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求書7或8中任一項所述的方法，還包括在多個區(qū)域處將結(jié)合層施涂到所述支撐層的上表面，所述多個區(qū)域的隨后的層是一個膠凝材料層，或者反之亦然。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，還包括使用一個或多個攝像機來捕捉與所述工作表面的表面紋理和/或變形有關(guān)的實時信息，所述信息被用來確定被施涂的當(dāng)前層所必需的施涂條件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述施涂條件為噴嘴尺寸、噴嘴取向、膠凝材料的流速、噴嘴轉(zhuǎn)位的速度以及施加速凝劑的速率或時刻中的一個或多個。
12.一種用于執(zhí)行根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的多層構(gòu)造方法的裝置，包括:膠凝材料的儲存器，所述儲存器功能連接至噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述膠凝材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，還包括將速凝劑施加到所述膠凝材料的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的裝置，還包括攪拌裝置，所述攪拌裝置與所述儲存器功能連通以及/或者與位于所述儲存器與所述噴嘴之間的所述功能連接裝置功能連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的裝置，還包括計算機控制裝置，所述控制裝置控制所述噴嘴的轉(zhuǎn)位、所述膠凝材料的流速以及施加所述速凝劑的時刻和速率。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)位裝置優(yōu)選地包括機械手臂。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述機械手臂優(yōu)選地既能夠使所述噴嘴沿三個獨立的軸線轉(zhuǎn)位，又能夠使所述噴嘴沿多個軸線旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17中任一項所述的裝置，還包括:支撐材料的儲存器，所述儲存器功能連接至支撐材料用噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述支撐材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括用于將活化劑施加到所述支撐材料的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求12至19中任一項所述的裝置，還包括:結(jié)合材料的儲存器，所述儲存器功能連接至結(jié)合材料用噴嘴；使所述噴嘴沿預(yù)定路徑轉(zhuǎn)位的裝置；用于控制所述結(jié)合材料從所述儲存器到所述噴嘴的流動以及將所述材料擠出所述噴嘴的裝置。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，還包括一個或多個攝像機，所述一個或多個攝像機是不動的并且安裝到所述機械手臂，或者能夠獨立地轉(zhuǎn)位以跟蹤所述擠出噴嘴，所述攝像機能夠捕捉與紋理、形狀或形態(tài)的有關(guān)信息，所述一個或多個攝像機能夠?qū)⑺鲂畔鬏數(shù)剿鲇嬎銠C控制單元，所述計算機控制單元能夠解釋所述信息，并隨后利用所述信息來通知對所述一個或多個擠出噴嘴的控制及所述一種或多種材料從所述一個或多個儲存器到所述一個或多個噴嘴的流動。
22.根據(jù)權(quán)利要求12至21中任一項所述的裝置，其中所述噴嘴中的任一個或多個包括可振動噴嘴。
23.根據(jù)權(quán)利要求12至21中任一項所述的裝置，其中所述噴嘴中任一個包括可變直徑噴嘴。
【文檔編號】B28B3/26GK104023925SQ201280054134
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月1日
【發(fā)明者】西門·奧斯汀, 理查德·A·巴斯韋爾, 索宇·利姆, 約翰·韋伯斯特 申請人:拉夫伯勒大學(xué)