用於製造接頭構件的系統和方法與流程
2023-05-26 14:07:21
本申請要求於2014年7月2日提交的美國臨時專利申請序列號62/020,084的優先權，該申請通過引用全文併入本文。
背景
空間框架構造用於汽車應用、結構應用、海上應用以及許多其他應用中。空間框架構造的一個示例可以是焊接的管框架骨架構造(tube frame chassis construction)，其由於低工裝成本、設計靈活性以及生產高效結構的能力的優點而常用於低體積和高性能交通工具設計。這些結構要求骨架的管以多種角度相連接，並且可能要求同一連接點適應多種管幾何形狀。製造用於連接這樣的管框架骨架的接頭構件的傳統方法可能產生較高的設備和製作成本。
技術實現要素：
存在對一種可以能夠生成用以連接具有多種幾何形狀參數的管的接頭的製造方法的需要。本文提供了一種3-D列印用於諸如碳纖維管的連接管的接頭的方法。所述接頭可以根據每個管交點處的幾何形狀要求和物理要求的規範而進行列印。3-D列印接頭的方法可以減少製作成本並且可以很容易地擴展。
本公開內容中描述的3-D列印方法可以允許在所述接頭上列印不可以通過其他製造方法可實現的精細特徵。本公開內容中描述的精細特徵的示例可以是用以迫使連接管的中心與鄰近的接頭突出部的中心同軸的定心特徵。定心特徵可以在接頭的內區域的外表面與連接管的內表面之間提供可在其中應用粘合劑的間隙。另一示例可以是，接套可以列印在接頭上，所述接頭可以連接至用以引入粘合劑以粘合接頭和管組件的設備。
本發明的方面涉及一種製造用於連接多個連接管從而形成空間框架的接頭構件的方法，所述方法包括：確定要由所述接頭構件連接的所述多個連接管中的每一個的相對管角度、管尺寸和管形狀；確定要由所述多個連接管施加在所述接頭構件處的應力方向和量級；以及3-D列印具有某種配置的接頭構件，所述配置(1)適應每個接頭構件處的相對管角度、管尺寸和管形狀，並且(2)支撐由所述多個連接管施加的應力方向和量級。
在一些實施方式中，所述空間框架被配置成用於至少部分地包圍三維體積。所述多個連接管中的每個連接管可以具有沿不同平面的縱軸。所述空間框架可以是交通工具骨架框架。
所述方法還包括在所述接頭構件的至少一部分上3-D列印定心特徵。所述定心特徵可以列印在被配置成插入到連接管中的接頭構件的接頭突出部上。可以基於要由所述多個連接管施加在所述接頭構件處的應力方向和量級來確定所述定心特徵的特性。可以根據經驗(empirically)或根據計算來確定要由所述多個連接管施加在所述接頭構件處的應力方向和量級。
本發明的附加方面可以涉及一種交通工具骨架，其包括：多個連接管；以及多個接頭構件，每個接頭構件的尺寸和形狀被設計成與所述多個連接管中的多個連接管的至少一個子集相配合，以形成三維框架結構，其中所述多個接頭構件由3-D印表機形成。
在一些實施方式中，所述多個接頭構件中的每個接頭構件的尺寸和形狀被設計成使得當連接管與所述接頭構件相配合時，所述接頭構件接觸所述連接管的內表面和外表面。可選地，所述多個接頭構件中的至少一個接頭構件包括在該接頭構件的3-D列印期間形成的內部路由特徵(internal routing feature)。所述內部路由特徵可以提供用於在所述三維框架結構形成時將流體傳送通過所述交通工具骨架的通路網絡。所述內部路由特徵可以提供用於在所述三維框架結構形成時將電力傳送通過整個交通工具骨架中的電氣部件的通路網絡。
所述多個接頭構件可以包括在所述接頭構件的3-D列印期間形成的安裝特徵。所述安裝特徵可以提供用於將板安裝在所述三維框架結構上的板安裝件。
可以根據本發明的附加方面而提供一種用於形成結構的系統。該系統可以包括：計算機系統，其接收描述了要由多個接頭構件連接以形成所述結構的框架的多個連接管中的每一個的相對管角度、管尺寸和管形狀的輸入數據，其中所述計算機系統被編程用於確定要由所述多個連接管施加在所述多個接頭構件處的應力方向和量級；以及與所述計算機系統通信的3-D印表機，其被配置成用於生成具有某種尺寸和形狀的多個接頭構件，所述尺寸和形狀(1)適應每個接頭構件處的相對管角度、管尺寸和管形狀，並且(2)支撐由所述多個連接管施加的應力方向和量級。
在一些情況下，所述結構的框架至少部分地包圍三維體積。所述多個接頭構件還可以包括位於由所述3-D印表機形成的所述接頭構件的至少一部分上的定心特徵。所述定心特徵可以列印在被配置成插入到連接管中的接頭構件的接頭突出部上。可以基於要由所述多個連接管施加在每個接頭構件處的應力方向和量級來確定所述定心特徵的特性。
根據以下詳細描述，本公開內容的附加方面和優點將會變得對本領域技術人員顯而易見，其中僅示出和描述了本公開內容的說明性實施方式。如將會意識到的，本公開內容能夠具有其他實施方式和不同實施方式，並且其若干細節能夠在都不偏離本公開內容的情況下具有在各個明顯方面的修改。因此，附圖和描述在本質上被認為是說明性的，而不是限制性的。
引用併入
本說明書中所提及的所有出版物、專利和專利申請均通過引用而併入於此，程度猶如具體地和個別地指出要通過引用而併入每一單個出版物、專利或專利申請。
附圖簡要說明
本發明的新穎特徵特別地體現在所附權利要求中。通過參考對其中利用到本發明原理的說明性實施方式加以闡述的以下詳細描述和附圖，將會獲得對本發明的特徵和優點的更好的理解，在附圖(在本文中亦為「圖」)中：
圖1示出了由3-D列印節點所連接的碳纖維管構造而成的空間框架的骨架的示例。
圖2示出了用於設計和構建接頭的過程的流程圖。
圖3示出了與3-D印表機通信的計算機。
圖4示出了描述可以如何使用設計模型生成用於給定設計模型的組件的列印節點的詳細流程圖。
圖5示出了使用本文描述的方法列印的節點的示例。
圖6示出了連接至管的接頭，其中管相對於彼此成不相等的角度。
圖7示出了具有5個突出部的接頭。
圖8示出了被列印成與具有不相等的截面尺寸的管相連接的接頭。
圖9a-圖9d示出了列印在接頭上的定心特徵的示例。
圖10示出了描述一種用以基於接頭上的預期負荷或應力來選擇定心特徵的方法的流程圖。
圖11示出了具有接套的接頭突出部的截面，所述接套連接至接頭突出部的側壁中的內部通路。
圖12a-圖12c示出了被列印成具有集成的結構特徵的接頭以及用於電氣路由和流體路由的通路。
具體描述
雖然本文已經示出和描述了本發明的各種實施方式，但對於本領域技術人員顯而易見的是，這樣的實施方式僅以示例的方式提供。本領域技術人員可以在不偏離本發明的情況下想到許多更改、改變和替代。應當理解，可以採用對本文所描述的本發明的實施方式的各種替代方案。
本公開內容提供了一種通過增量製作和/或減量製作(諸如3-D列印)來製造接頭構件的方法。接頭構件可被配置成用於提供多個連接管的連接，所述多個連接管可用於構造輕質空間框架。空間框架可以是具有三維體積的框架。空間框架可以是這樣的一個框架，其可以接受一個或多個板件以至少部分地包圍該框架。空間框架的示例可以是交通工具骨架(vehicle chassis)。除了包括接頭/管框架構造的任何其他結構之外，所描述的公開內容的各個方面還可適用於此處標識的任何應用。應當理解，本發明的不同方面可以被單獨地、共同地或彼此結合地理解。
圖1示出了根據本發明實施方式的交通工具骨架100，包括由一個或多個節點(亦稱為接頭)102連接的連接管101a、101b、101c交通工具。每個接頭構件可以包括中央主體以及從中央主體延伸的一個或多個埠。可以提供多埠節點或接頭構件來連接管，諸如碳纖維管，以形成二維結構或三維結構。該結構可以是框架。在一個示例中，二維結構可以是平面框架，而三維結構可以是空間框架。空間框架可以包圍其中的體積。在一些示例中，三維空間框架結構可以是交通工具骨架。交通工具骨架可以具有長度、寬度和高度，它們可以包圍其中的空間。交通工具骨架的長度、寬度和高度可以大於連接管的厚度。
交通工具骨架可以形成交通工具的構架。交通工具骨架可以提供用於放置交通工具的主體板件的結構，其中主體板件可以是形成交通工具外殼的門板、頂板、地板或任何其他板件。此外，骨架可以是用於車輪、傳動系、發動機組、電氣部件、加熱和冷卻系統、座椅或存儲空間的結構支撐件。交通工具可以是能夠承載至少約1個或多個、2個或更多個、3個或更多個、4個或更多個、5個或更多個、6個或更多個、7個或更多個、8個或更多個、十個或更多個、二十個或更多個或者三十個或更多個乘客的載客交通工具。交通工具的示例可以包括但不限於轎車、卡車、公交車、廂式貨車、小型貨車、旅行車、RV、拖車、牽引車、手推車、汽車、火車或摩託車、船舶、太空飛行器或飛機。交通工具骨架可以提供與交通工具類型的成形因素相匹配的成形因素。根據交通工具的類型，交通工具骨架可以具有不同的配置。交通工具骨架可以具有不同級別的複雜度。在一些情況下，可以提供三維空間框架，該三維空間框架可以提供交通工具的外構架。外構架可被配置成用於接受主體板件以形成三維外殼。可選地，可以提供內支撐件或部件。內支撐件或部件可以通過連接至空間框架的一個或多個接頭構件而連接至該空間框架。可以提供多埠節點和連接管的不同布局以適應不同的交通工具骨架配置。在一些情況下，一組節點可被布置用於形成單個獨特的骨架設計。或者，該一組節點的至少一個子組可以用於形成多個骨架設計。在一些情況下，一組節點中的至少一個子組節點可被組裝到第一骨架設計中並繼而被拆卸和重新用於形成第二骨架設計。第一骨架設計和第二骨架設計可以是相同的，或者它們可以是不同的。節點可以能夠在二維平面或三維平面中支撐管。例如，多分叉節點(multi-prong node)可被配置成用於連接沒有落入同一平面內的管。連接至多分叉節點的管能夠以三維方式提供並且可以跨越三個正交軸。在備選實施方式中，一些節點可以連接可能共用二維平面的管。在一些情況下，接頭構件可被配置用於連接兩個或更多個管，其中所述兩個或更多個管中的每個管具有沿不同平面的縱軸。所述不同平面可以是相交平面。
交通工具的連接管101a、101b、101c可以由碳纖維材料或任何其他可用的複合材料形成。複合材料的示例可以包括高模量碳纖維複合物、高強度碳纖維複合物、平紋編織碳纖維複合物、線束緞紋編織碳纖維複合物、低模量碳纖維複合物或低強度碳纖維複合物。在備選實施方式中，管可以由諸如塑料、聚合物、金屬或金屬合金等其他材料形成。連接管可以由剛性材料形成。連接管可以具有不同的尺寸。例如，不同的連接管可以具有不同的長度。例如，連接管可以具有近似於約1英寸、3英寸、6英寸、9英寸、1ft、2ft、3ft、4ft、5ft、6ft、7ft、8ft、9ft、10ft、11ft、12ft、13ft、14ft、15ft、20ft、25ft或30ft的長度。在一些情況下，管可以具有相同的直徑或不同的直徑。在一些情況下，管可以具有近似於約1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4"、5"、10"、15"或20"的直徑。
連接管可以具有任何截面形狀。例如，連接管可以具有基本上圓形的形狀、正方形形狀、橢圓形形狀、六邊形形狀或任何不規則形狀。連接管截面可以是開放的截面，諸如C形通道、I形梁或角。
連接管101a、101b、101c可以是中空管。可以沿著管的整個長度而提供中空部分。例如，連接管可以具有內表面和外表面。管的內徑可以對應於連接管的內表面。管的外徑可以對應於管的外表面。在一些實施方式中，內徑與外徑之間的差可以小於或等於約1/32"、1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4或5"。連接管可以具有兩個末端。兩個末端可以彼此相反。在備選實施方式中，連接管可以具有三個、四個、五個、六個或更多個末端。交通工具骨架框架可以包括與節點102連接的碳纖維管。
本公開內容中呈現的多埠節點102(亦稱為接頭，接頭構件、接頭、連接器、銜套)可適於在交通工具骨架框架中使用，諸如圖1中示出的框架。骨架框架100中的節點可被設計用於適配骨架設計規定的管角度。節點可以預成形為期望的幾何形狀以允許快速且低成本的骨架組裝。在一些實施方式中，節點可以使用3-D列印技術進行預成形。3-D列印可以容許節點以可適應不同框架配置的一系列廣泛幾何形狀形成。3-D列印可以容許節點基於計算機生成的、包括節點尺寸的設計文件形成。
節點可以由金屬材料(例如，鋁、鈦、不鏽鋼、黃銅、銅、鉻鉬鋼或鐵)、複合材料(例如，碳纖維)、聚合材料(例如，塑料)或這些材料的一些組合構成。節點可以由粉末材料形成。3-D印表機可以使粉末材料的至少一部分熔化和/或燒結以形成節點。節點可以由基本上為剛性的材料形成。
節點可以支撐施加在節點處或附近的應力。節點可以支撐壓應力、張應力、扭應力、剪應力或這些應力類型的一些組合。節點處所支撐的應力的量級可以為至少1兆帕(MPa)、5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、250MPa、500MPa或1GPa。應力的類型、方向和量級可以是靜態的並且取決於節點在框架中的位置。或者，應力類型、方向和量級可以是動態的並且是交通工具的運動的函數，例如節點上的應力可以隨交通工具上坡和下坡而變化。
圖2示出了描述一種用於3-D列印用於將管(諸如碳纖維管)連接在空間框架中的接頭構件的方法的流程圖。在該方法中，骨架設計模型被選擇201。骨架設計模型可以是新的設計或者儲存在庫中的設計，所述庫可以包括先前使用的設計或常見的庫存設計。骨架設計可以由利用3-D列印過程形成接頭的用戶生成或者由不同於形成接頭的用戶的用戶生成。骨架設計可以是可編輯的。骨架設計可以通過在線市場可獲得。根據所選的骨架設計，管規範(specification)(例如，內徑和外徑，管截面以及管在連接點處相對於彼此的角度)被確定202。接著，每個管連接點處的動態應力和靜態應力被確定203。可以使用計算模型，例如有限元分析，來確定每個管連接點處的動態應力和靜態應力。使用在步驟202和203中確定的物理性質和結構性質，接頭(節點)被設計204。最後，在最後步驟中，使用3-D印表機，根據由前面的步驟確定的規範使接頭被生成205。可以同時形成兩個或更多個接頭。或者，每次形成一個接頭。
骨架設計模型能夠以任何可用的結構設計軟體程序，例如AutoCAD、Autodesk、Solid Works或Solid Edge生成。骨架設計模型能夠以針對空間框架設計的要求而定製的簡單的自定義設計工具生成。這種自定義工具可以對接至現有的結構設計軟體以從極少的一組輸入數據(例如，進入給定節點的管的相對角度)自動生成完整的節點幾何形狀。在生成骨架的模型之後，可以限定每個管連接點。管連接點可以是使用接頭來連接兩個或更多個管的位置。管連接點的特性可以由模型確定並用於限定設計所需的接頭結構，例如可以確定管的數目、管尺寸以及管的相對角度。每個接頭處的管的數目可以由骨架模型確定，例如接頭可以連接2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個或10個管。接頭位置處的每個連接管的直徑和截面形狀可以由模型確定。例如，接頭可以連接正方形的管、圓形的管、橢圓形的管、三角形的管、五邊形的管、六邊形的管或不規則形狀的管。連接至接頭的管可以都具有相同的截面形狀或者它們可以不同。連接管的直徑可以由模型確定，連接管可以具有至少約1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4"、5"、10"、15"或20"的直徑。連接至接頭的管可以都具有相同的直徑或者直徑可以不同。每個接頭處的管的相對角度也可以由骨架模型確定。
可選地，用戶可以設計骨架設計的一部分或者提供要符合的設計規範。由一個或多個處理器執行的軟體可以設計骨架的其餘部分或者提供符合所述規範的骨架細節。處理器可以在無需任何進一步的人工幹預的情況下生成所述設計的至少一部分。本文描述的任何特徵可以由軟體、用戶或者軟體和用戶兩者初始地設計。
附加結構部件、機械部件、電氣部件和流體部件的位置也可以由結構設計軟體確定。例如，剪切板件、結構板件、震動系統、發動機組、電路以及流體通路的位置可以由結構設計軟體確定。骨架模型可以用於限定接頭設計，使得接頭可以與結構部件、機械部件、電氣部件和流體部件的位置集成。
骨架模型可以用於計算每個接頭處的應力方向和量級。可以使用有限元分析來計算應力，所述有限元分析採用線性或非線性的應力模型。當骨架靜止時或者當骨架正沿著典型路徑，例如沿著直線、彎曲軌跡，沿著平滑表面，沿著粗糙表面、平坦地形或丘陵地形移動時，可以計算接頭上的應力。計算得到的接頭上的應力可以是剪應力、張應力、壓應力、扭應力或這些應力類型的組合。接頭可以包括用以支撐計算得到的應力的設計特徵。接頭上包括的設計特徵可被配置成符合特定安全標準。例如，接頭可被配置成用於承受在至少為1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45或50的安全係數內的計算得到的應力。接頭可被設計用於在可能振動或經受震動或衝擊的框架上支撐管。例如，交通工具骨架可以在馬路上被驅動，並且可以經歷長期振動。接頭可以能夠承受由長時間振動導致的施加在接頭上的力和應力。在另一示例中，如果交通工具要撞擊另一物體，則該交通工具可能會經歷衝擊。接頭可被設計用於承受所述衝擊。在一些情況下，接頭可被設計用於承受多達某一預定程度的衝擊。可選地，可以期望接頭在超出所述預定程度後變形或改變其構型，並且減震。接頭可被設計成滿足各種框架規範和準則。在一些情況下，接頭可被設計用於形成滿足針對消費者和/或商用交通工具的州或國家安全要求的骨架。
最後的接頭設計可以由管尺寸和形狀要求、集成的結構部件、機械部件、電氣部件和流體部件的位置以及計算得到的應力類型和量級連同任何性能規範來確定。圖3示出了可以如何在設備301上的軟體程序中開發滿足必要規範的接頭的計算模型的示圖。設備可以包括處理器和/或存儲器。存儲器可以包括非暫時性計算機可讀介質，所述非暫時性計算機可讀介質包括用於執行諸如設計步驟或計算等一個或多個步驟的代碼、邏輯或指令。處理器可被配置成用於根據非暫時性計算機可讀介質來執行步驟。所述設備可以是臺式計算機、蜂窩電話、智慧型電話、平板計算機、膝上型計算機、伺服器或任何其他類型的計算設備。設備可以與3-D印表機302通信。3-D印表機302可以根據軟體程序中開發的設計來列印接頭。3-D印表機可被配置成用於通過加量製作和/或減量製作來生成物體。3-D印表機可被配置成用於形成金屬物體、複合物物體或聚合物物體。3-D印表機可以是直接金屬雷射燒結(DMLS)印表機、電子束熔化(EBM)印表機、熔融沉積成型(FDM)印表機或噴射印表機。3-D印表機可以列印由鈦、鋁、不鏽鋼、結構塑料或任何其他結構材料製成的接頭。
3-D列印可以包括基於作為輸入的計算模型或電子模型來製作三維結構的過程。3-D印表機可以採用任何已知的列印技術，包括擠壓沉積、細粒度粘合、層壓或立體光刻。3-D列印的一般技術可以涉及將三維物體的設計分解為一系列數字層，印表機將會繼而逐層形成該一系列數字層直到物體完成。接頭能夠以逐層方式列印，並且可以適應範圍廣泛的幾何形狀設計和詳細特徵，所述詳細特徵可以包括內部特徵和外部特徵。
3-D列印的接頭可以與管組裝在一起以形成框架結構。該設計可能是靈活的，以適應後期設計變化。例如，如果在設計過程的後期將支撐管添加至設計中，則可以迅速地並且以低成本列印附加接頭以適應該額外的支撐管。使用與3-D印表機通信的計算機模型來生成接頭的方法可以允許以低成本迅速地生產範圍廣泛的幾何形狀。
圖4示出了先前描述的方法的詳細流程圖。所描述的步驟僅通過示例的方式提供。一些步驟可以忽略，無序地完成或者與其他步驟調換。任何步驟都可以藉助於一個或多個處理器自動地執行。一個或多個步驟可以在或可以不在用戶輸入幹預的情況下執行。所述過程以步驟401開始，步驟401涉及選擇框架設計，諸如骨架設計，該設計可以從儲存設計的庫中選擇或者其可以是針對特定項目而開發的新設計。
在選擇設計之後，接下來的步驟為402a、402b、402c和/或402d，所述步驟可以包括計算針對框架的接頭的結構需要或規範。步驟402a-402d可以按任何順序完成，所有步驟402a-402d可以都完成或者可以發生僅一些步驟。步驟402a涉及計算每個接頭處的結構負荷。結構負荷可以通過有限元方法確定並且可以包括剪應力、壓應力、張應力、扭應力或任何應力組合的方向和量級。應力的計算可以在假設交通工具正在運動或者假設交通工具是靜止的情況下進行。這還可以包括計算任何性能規範，諸如安全規範、製作規範、耐久性規範。步驟402b是繪製整個交通工具中的流體線路和電氣線路。流體通路的示例可以包括冷卻劑管道、潤滑劑管道、通風管道、空氣調節管道和/或加熱管道。電氣系統可能需要從源到系統的電氣路由，電氣系統的示例可以包括音頻系統、內部照明系統、外部照明系統、發送機點火部件、車載導航系統和控制系統。步驟402c是確定每個接頭處的管角度、形狀和尺寸。在步驟402d中，繪製諸如板件和懸掛連接等結構部件。
在於步驟402a-402d中計算接頭需要/規範之後，可以在步驟403a-403d中設計接頭構件以適應接頭需要/規範。接頭設計方法可以包括步驟403a-403d。步驟403a-403d可以按任何順序完成，所有步驟403a-403d可以都完成或者可以發生僅一些步驟。每個接頭處的已知應力分布可以確定接頭的壁厚、接頭材料或者要列印在接頭上的必要的定心特徵403a。在繪製流體線路和電氣線路之後，對應的內部路由特徵可被設計成列印在接頭上403b。接頭可以具有單獨的、針對流體途徑和電氣途徑的內部路由特徵，或者接頭可以具有由流體通路和電氣通路共享的一個路由特徵。在確定管角度、形狀和尺寸之後，接頭可以被設計403c以使得其可以在滿足其他規範的同時適應必要的管。使用在402d中確定的圖，集成的連接特徵的位置被設計成列印在接頭上403d。這樣的設計步驟可以按順序地或並行地發生。在設計用於列印的接頭時，可以組合地考慮各種接頭設計需要。在一些情況下，在設計接頭的過程中還可以考慮3-D列印工藝。
在最後的步驟404中，生產一組列印接頭以供在401中選擇的框架組件中使用。列印接頭可被3-D列印成符合使用步驟403a-403d的綜合考慮而設計的接頭。列印的接頭可以用於完成對骨架的組裝。
本文所描述的適於製造用於連接管的接頭的3-D列印方法可以減少組裝骨架所需的時間。例如，用以設計和構建骨架的總時間可以少於或等於約15分鐘、30分鐘、45分鐘、1小時、2小時、3小時、4小時、5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、12小時、1天、2天、3天、4天、5天、6天、1周、2周、3周、4周或1個月。在一些情況下，列印接頭本身可以花費少於或等於約1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、15分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘、1小時、1.5小時、2小時、2.5小時或3小時。組裝骨架所需的時間可以減少，因為3-D列印方法可以比典型的製作方法需要較少的工具。在本文所描述的方法中，單一工具(例如，3-D印表機)可被配置成用於製造具有不同規範(例如，尺寸/形狀)的多個接頭。例如，可以使用單一3-D印表機來列印一系列接頭，所述一系列接頭都具有相同的設計。在另一示例中，可以使用單一3-D印表機來列印一系列接頭，所述一系列接頭具有不同的設計。不同的設計可以都屬於同一框架組件，或者可被列印以用於不同的框架組件。這可以在調度某一場所處的接頭列印工作中提供更高程度的靈活性，並且可以容許製造商優化接頭的生產以滿足制定目標。在一些情況下，3-D印表機的尺寸和形狀可被設計成使得其可被運送至正在構建交通工具的場所。此外，3-D列印可以增加接頭的質量控制或一致性。
由圖4描述的製作過程可以減少製作時間和費用。可以通過減少形成一個或多個接頭所需的工具的數目來減少製作時間和/或費用。所有接頭也都可以利用單一的3-D印表機形成。類似地，與由3-D印表機提供的其他製作技術相比，可以通過更高水平的質量控制來減少製作時間和/或費用。例如，與其他方法相比，使用先前描述的方法生產接頭的成本可以使製作成本減少至少5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。使用3-D列印製作用以在空間框架中連接管的接頭允許每個接頭具有不同的形狀和尺寸，而無需單獨的針對每個接頭的模具或工具。針對接頭的3-D列印過程可以很容易地規模化。
圖5中示出了可以使用所描述的3-D列印方法製作的接頭的示例。圖5中示出的接頭具有主體部分501以及離開接頭主體的三個接受器埠502。接受器埠502可以是用於與連接管相配合的位置。接受器埠可以通過插入到連接管的內部部分以及/或者覆在連接管的外部表面來與該連接管相配合。接受器埠在三維空間中可以具有相對於彼此的任何角度。埠相對於彼此的角度可以由骨架設計規定。在一些情況下，可以提供三個或更多個埠。所述三個或更多個埠可以是或者可以不是共面的。埠可以能夠接受圓形的、正方形的、橢圓形的或不規則形狀的管。用於連接管的不同截面形狀/尺寸，埠可被配置成適應管的不同形狀/尺寸，埠本身可以具有不同的截面形狀/尺寸。埠可以是圓形的、正方形的、橢圓形的或不規則形狀的。
突出部502可被設計成使得其可以插入到連接管中。接頭突出部的壁厚可被列印成使得接頭能夠支撐由用於完整的骨架設計的有限元模型計算出的結構負荷。例如，需要支撐大量級負荷的接頭可以比支撐較小負荷的接頭具有更厚的壁。
圖6示出了與三個管602a-602c連接的接頭601。該圖示出了可以如何設計接頭從而以不同的角度連接管。對應於接頭的一組管之間的角度可以是相等的或不相等的。在圖6中示出的示例中，標記所述角度中的兩個，管602a與602b之間的角度標記為603，而管602b與602c之間的角度標記為604。在圖6中，角度603和604是不相等的。603和604的可能值可以為至少1°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°或180°。
接頭可被列印成具有任何數目的突出的接受器埠以與連接管相配合。例如，接頭可以具有至少一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十二個、十五個、二十個、三十個或五十個接受器埠或分叉。接頭可以具有少於本文所描述的任何數目的接受器埠。接頭可以具有落入本文所描述的任何兩個值之間的範圍內的數目的接受器埠。圖7示出了具有五個突出部的接頭的示例。此外，突出部可以具有相等的或不相等的直徑。例如，圖8示出了被設計用於接受具有不同直徑的管的接頭801，其中在上埠802處接受較小的管並在下埠803處接受較大的管。在另一示例中，同一接頭上的不同埠可以能夠接受具有1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、2:3、2:5、2:7、3:5或3:7的不同管之間的直徑比的管。在非圓形管的情況下，直徑可以由相關的基本長度尺度表示，例如在正方形管的情況下，由邊長表示。另外，具有不同截面形狀的管可以能夠適配至同一接頭上的不同突出部上。例如，接頭可以具有突出部，該突出部具有圓形形狀、橢圓形形狀、正方形形狀、矩形形狀或不規則形狀中的全部或任何組合。在其他實現中，單一接頭可以具有這樣的突出部，所述突出部具有相等的直徑和/或相同的形狀。3-D列印接頭可以適應這種一系列廣泛的接頭配置。
接頭可被列印成使得其包括被配置成適配在連接管之內的突出部區域以及用以適配在連接管之上的凸緣。被配置成適配在連接管之內的接頭突出部可被列印成使得可以在突出部的表面與凸緣的內徑之間形成環形區域。
本文所描述的3-D列印方法可以容許包括使用其他製造方法可能是不可能的或成本高昂的精細結構特徵。例如，定心特徵可被列印在接頭的突出部區域上。定心特徵可以是接頭突出部上以規則或不規則圖案凸起的隆起物或其他形狀。在組裝接頭和管時，定心特徵可以使接頭突出部定心在連接管之內。如果在接頭突出部與連接管之間放置粘合劑，則定心特徵可以在期望厚度或位置中創建用以使粘合劑分散的流體途徑。在另一示例中，接套(nipple)可被列印至接頭上。接套可以提供用於在接頭突出部與連接管之間的空間中引入粘合劑的真空埠或注射埠。在一些情況下，定心特徵可以促進粘合劑在接頭突出部與連接管之間的空間中的均勻分布，如本文其他各處詳細描述。
定心特徵可以包括接頭突出部上的凸起列印圖案，其被設計成適配在連接管之內。定心特徵可以在最初形成接頭突出部時列印在該突出部上，或者它們可以在已經設計好接頭之後列印在接頭突出部上。定心特徵可以從接受器埠的突出部的外表面(管接合區域)凸起。凸起的定心特徵的高度可以為至少0.001"、0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"或0.050"。定心特徵可以優選地列印在被配置成適配在連接管之內的突出部區域上，如圖9a-圖9d中所示。在備選實施方式中，定心特徵可被列印在位於接頭上的、被配置成適配在連接管的外徑之上的凸緣區域上，以附加於或替代將定心特徵列印在管接合區域上。定心特徵可被列印在被配置成適配在連接管之內的突出部以及接頭上的被配置成適配在連接管的外徑之上的凸緣區域之一或全部兩者之上。
圖9a-圖9d示出了四種可能的接頭定心特徵實施方式的詳細視圖。圖9a示出了小塊定心特徵901，該特徵包括位於接頭突出部的管接合區域上的凸起的點的圖案。接頭突出部的管接合區域可以是被配置成用於與管的表面接觸的接頭突出部的一部分。管接合區域可被配置成插入到管中。點能夠以一個或多個行或列或者以交錯的行和/或列來提供。凸起的點可以具有至少0.001"、0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"或0.050"的直徑。
圖9b示出了螺旋形路徑定心特徵902，該特徵包括環繞在接頭突出部的管接合區域的全長周圍的連續凸起的線。連續凸起的線可以包繞管接頭突出部單次或多次。備選設計可以包括具有不包繞管接合區域的整個直徑的凸起的螺旋形定心特徵的定心特徵。在備選實施方式中，螺旋形定心特徵可以環繞接合區域的圓周的10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、180°、190°、200°、210°、220°、230°、240°、250°、260°、270°、280°、290°、300°、310°、320°、330°、340°、350°或整個360°。定心特徵還可以包括多個凸起的線，該凸起的線環繞管的全長而不以類似於多頭螺紋的方式相交。
圖9c示出了迷宮定心特徵(labyrinth centering feature)903，該特徵包括凸起的短線，其以與接頭突出部的長度方向成90度角與接頭的管接合區域外切。迷宮定心特徵中的相鄰短線被組織成交錯圖案。可以提供多行短線。短線可以基本上彼此平行。或者，可以提供不同的角度。
圖9d示出了斷續螺旋線定心特徵904，該特徵包括凸起的短線，其以與管接合區域的長度方向成45度角與接頭的管接合區域外切。在另一示例中，定心特徵可以具有以1°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°或180°角與管接合區域外切的凸起的線。圖9c和圖9d中示出的定心特徵中的短線可以具有至少0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"、0.050"或0.100"的長度。
可以使用除圖9a-圖9d中所描述的那些圖案之外的其他圖案。備選圖案可以包括成不規則角度或間隔的短線、線和點的組合或者環繞接合區域的一組實線，其中在所述線之間具有均勻或非均勻的間隔。在一些情況下，定心特徵的圖案可以被設計成在不使一個或多個定心特徵相交的情況下，可能不能繪製從內突出部的遠端到近端的筆直直線。這可以促使粘合劑採取更迂迴的路徑並且促進粘合劑的分散，如本文其他地方進一步描述。或者，在不使一個或多個定心特徵相交的情況下，可以提供從內突出部的遠端到近端的直線。
能夠以不同的密度在接頭突出部上列印定心特徵。例如，接頭突出部可被列印成使得突出部的90％覆蓋有凸起的定心特徵。在具有90％的定心特徵覆蓋範圍的情況下，所述特徵可以非常緊密地間隔開。或者，定心特徵可以覆蓋突出部的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％。定心特徵可以覆蓋小於這裡所描述的任何百分比。定心特徵可以落在這裡所描述的任何兩個百分比之間的範圍內。可以選擇列印在接頭上的定心特徵的密度以提供由骨架模型確定的結構特徵。
定心特徵可以是凸起的，使得接頭/管組件包括連接管的內表面與被設計成進入連接管中的接頭突出部的表面之間的空間。內管直徑與突出部之間的公差可以使得接頭和管形成壓力適配連接。在壓力適配連接的情況下，定心特徵在管插入至接頭中時可以變形或者不變形。定心特徵可以使接頭突出部定心在連接管之內，使得連接管的內表面與接頭突出部的表面之間的距離可以具有均勻的徑向厚度。或者，定心特徵可以促進接頭突出部與連接管之間的空間的非均勻分布。
可以在同一骨架結構中的不同接頭上列印不同的定心特徵。可以在同一接頭上的不同接頭突出部上列印不同的定心特徵。可以選擇列印在接頭突出部上的定心特徵以使得該接頭支撐通過在骨架結構上執行的有限元分析而確定的應力分布。圖10中示出了用以確定要列印在接頭上的定心特徵的方法的示例。在該方法中，第一步驟1001是確定接頭突出部上的負荷或應力。可以使用有限元分析來計算應力，所述有限元分析採用線性或非線性的應力模型。當骨架靜止時或者當骨架正沿著典型路徑，例如沿著直線、彎曲軌跡、平坦地形或丘陵地形移動時，可以計算接頭上的應力。計算得到的接頭上的應力可以是剪應力、張應力、壓應力、扭應力或應力類型的組合。圖10中示出的方法的下一步驟是選擇將會為所確定的應力或負荷分布提供最佳結構支撐的定心特徵1002。選擇定心特徵可以涉及選擇可能的定心特徵的圖案、尺寸和密度的任何組合。該過程中的最後步驟可以是在接頭上列印定心特徵。
例如，預期要經歷高量級張力的接頭可被列印成具有小塊定心特徵，使得接頭與管之間的粘合劑接觸面積最大化。在另一示例中，預期要經歷順時針方向的扭應力的接頭可被列印成具有逆時針方向的螺旋形定心特徵以提供針對扭力的阻力。
還可以選擇定心特徵的尺寸和密度以使得接頭支撐通過在骨架結構上執行的計算分析和/或經驗分析而確定的應力分布。定心特徵的高度可以規定形成於接頭突出部的表面與連接管的內徑之間的環的體積。在組裝接頭和管時，可以用粘合劑來填充環的體積。可以選擇定心特徵高度以使得粘合劑的體積被優化用於支撐接頭上的預期應力或負荷。定心特徵的密度還可以改變環形區域的體積。例如，與具有疏密度定心特徵的接頭相比，具有高密度定心特徵的接頭在環形區域中可以具有更小的體積。可以選擇定心特徵密度以使得粘合劑的體積被優化用於支撐接頭上的預期應力或負荷。
可以將用於連接真空管道或注射管道的接套(nipple)直接列印在接頭上。可以在列印接頭時將接套列印在接頭上，使得接頭和接套可以由同一塊材料雕刻而成。或者，可以單獨地列印接套並在列印之後將其添加至接頭。接套可以具有微細的內部途徑，該內部途徑可以是利用除3-D列印以外的製作方法不可能實現的。在一些情況下，通過接套和/或與接套流體連通的內部途徑，流體可被遞送至突出部的管接受區域與附接至該突出部的管的內徑之間的環形空間。流體可以是粘合劑。粘合劑可以通過列印的接套而被吸入或推入至環形區域中。接套可以定位在接頭的相對側上以使粘合劑均勻地分布。兩個或更多個接套可以對稱地或不對稱地附接至接頭。例如，它們可以在周向上彼此相對地提供在接頭的接受器埠上。它們可以提供在接頭的接受器埠的近端處或附近。或者，它們可以提供在接頭的接受器埠的遠端處或附近，或其任何組合。接頭可以在每個突出部上具有至少約1個、2個、3個、4個、5個、10個、15個或20個接套。
接套可以定位在遠離內部接頭特徵處、接近內部接頭特徵處或者與內部接頭特徵同軸定位，所述內部接頭特徵諸如為內接頭突出部的壁之內的流體途徑，其可以提供均勻的粘合劑塗層。圖11示出了具有接套1101的接頭突出部的示例的截面，所述接套連接至接頭突出部的壁之內的內部流體途徑1102。內部途徑可被列印在接頭的側壁中。內部途徑可以具有進入環形區域中的出口1103。內部途徑可以將流體(例如，粘合劑)引入至環形區域中。內部途徑可以具有圓形截面、正方形截面、橢圓形截面或不規則形狀的截面。內部途徑的直徑可以為至少1/100"、1/64"、1/50"、1/32"、1/16"、1/8"、1/4"或1/2"。如果內部流體途徑具有非圓形截面，則列出的直徑可以對應於截面的相關基本長度尺度。流體途徑可以沿著接頭突出部的全長或長度的任何部分延伸。
接套的形狀和配置可被設計成與真空和/或壓力注射設備相連接。將接套直接列印在接頭上可以減少對用以將粘合劑注射至環形區域中的設備的需要。在引入粘合劑之後，可以通過將接套從接頭切割或熔化來移除接套。
集成的結構特徵可被直接列印至接頭之上或之內。集成的結構特徵可以包括流體管道系統、電氣布線、電氣總線、板安裝件、懸掛安裝件或定位特徵。集成的結構特徵可以簡化骨架設計並且減少構造骨架結構所需的時間、勞動、部件和成本。集成的結構特徵在每個接頭上的位置可以由骨架模型確定，並且軟體可以與3-D印表機通信以製造具有針對所選骨架設計而言必要的集成結構特徵的每個接頭。
接頭可被列印成使得其包括用於交通工具的剪切板件或主體板件的安裝特徵。接頭上的安裝特徵可以允許板件直接連接至交通工具骨架框架。接頭上的安裝特徵可被設計成與板件上的互補配合特徵相配合。例如，接頭上的安裝特徵可以是具有用於硬體(例如螺絲、螺栓、螺母或鉚釘)的孔洞的法蘭、卡扣或被設計用於焊接或粘合劑應用的法蘭。圖12a-圖12c示出了被設計用於與諸如交通工具等結構上裝載的其他系統集成的接頭的特徵。接頭可被設計成與結構的剪切板件或主體板件集成。
圖12a示出了具有法蘭1201的接頭。法蘭1201可以用於連接至剪切板件或主體板件(未示出)。在使用接頭構件以構造交通工具骨架的情況下，接頭構件可以與懸掛系統集成。懸掛系統可以包括液壓減震器、空氣減震器、橡膠減震器或彈簧加壓減震器。懸掛系統可以通過對法蘭1201的附接而連接至接頭構件。法蘭可被列印成使得其包含用於與連接硬體(例如，螺絲、釘、鉚釘)相配合的至少一個孔洞1202。
接頭可被列印成使得其包括用於電氣連接的集成通路。集成到接頭中的電氣連接可以是電絕緣的。集成到接頭中的電氣連接可以是接地的。集成到接頭中的電氣連接可以與通過連接至該接頭的管而路由的布線連通。電氣布線可以用於向交通工具上裝載的系統提供動力以及/或者向電池提供動力以啟動或運行交通工具引擎。使用來自集成接頭的動力的交通工具上裝載的系統可以包括導航、音頻、視頻顯示器、動力窗或動力座椅調節。交通工具內的動力分配可以專門通過管/接頭網絡而行進。圖12b示出了用於使電線在整個結構中路由的可能的接頭實施方式。圖12b中示出的接頭具有入口區域1203；該入口可以用於插入電氣連接或電線。電線可以插入到入口區域中並且從接頭路由至管以用於整個骨架中的傳輸。可使用電線提供動力的一個或多個系統可以通過入口區域與線相連接。集成到接頭中的電連接可以提供插件，該插件容許用戶插入一個或多個設備以獲得設備的功率。在一些情況下，可以在3-D列印接頭之前、之後或期間將一個或多個電接觸列印至接頭上。
接頭可被列印成使得其包括集成的加熱和冷卻流體系統以提供交通工具骨架中的熱調節和空氣調節。其他應用可以包括冷卻和/或加熱交通工具的各種部件。將流體(例如，氣體或液體)系統集成到接頭/管構造中可以部分地或完全地消除交通工具設計對常規通風管和管道系統的需要。接頭可以將熱流體或冷流體從生產源(例如，電加熱元件、發動機組熱交換機、制冷機、空氣調節單元或鍋爐)路由至骨架中的某一位置，其中乘客或交通工具操作員可能希望使內部加熱或冷卻。接頭可以包含集成部件，以從源吸入熱流體或冷流體、分配熱流體或冷流體並且在遠離源的位置處排放熱流體或冷流體。組件中的接頭和管可以使用玻璃纖維、泡沫絕緣、纖維素或玻璃絲進行熱絕緣。接頭和管組件可以是不漏流體的。在包括集成流體系統的接頭的情況下，可以使用圖12b中示出的接頭實施方式。入口，諸如圖中所示的一個入口1203，可以用於通過在多個接頭之間經由連接管來管道輸送流體的方式來使流體路由，以使整個結構加熱或冷卻。
圖12c中示出了可用於流體或電力的路由的接頭的截面圖。在圖12c中示出的示例中，兩個接頭突出部由內部通路1204連結。在實施方式中，圖12c中的接頭可以使流體或布線從1205處的入口路由至1206處的出口。用於流體和電力的路由的通路可以是相同的通路或者它們可以是分開的。內部接頭路由可以保持兩種或更多種流體在接頭內分離，同時仍然在管之間或者從管至安裝在接頭上的連接器或特徵之間提供期望路由。
接頭可被列印成使得其包括集成的定位特徵或標識特徵。該特徵可以在組裝和處理期間實現對接頭的自動標識或處理。定位特徵的示例可以包括圓柱形凸臺(例如，具有平坦的且徑向的凹槽的凸臺)、具有帽的擠出的C形、與非對稱銷圖案適配的卡口或逆向卡口、掛鈎特徵或者具有在檢查時可以唯一地限定特徵定向和位置的幾何形狀的其他特徵。這些定位特徵可以對接至機器人夾持器或工件固定工具或者由其夾緊。一旦夾緊運動開始、部分完成或完成，接頭的接口可被完全限定。定位特徵可以在空間框架組裝之前和期間實現對接頭的可重複和可選的自動化定位。限定特徵的幾何形狀還可以使得自動化系統能夠在將管插入到接頭期間協調多個接頭沿著空間中的限定路徑的運動。在組裝期間，至少兩個管可以並行地插入到多個接頭中，而不導致幾何約束。集成的定位特徵還可以包括整體標識特徵。例如，標識特徵可以是一維條形碼、二維QR碼、三維幾何圖案或這些元素的組合。標識特徵可以對關於其所附接的接頭的信息進行編碼。這種接頭信息可以包括：接頭的幾何形狀，包括管進口相對於標識/位置特徵的定向；接頭的材料；粘合劑注射埠和真空埠相對於標識/定位特徵的定位；接頭所需的粘合劑；以及接頭管直徑。組合的標識/定位特徵可以實現對用於組裝的接頭的自動化定位，而無需向自動化組裝單元供應外部信息。
本文所描述的任何特徵可以隨接頭的其餘部分一起列印。例如，包括本文所描述的各種特徵(例如，定心特徵、接套、通路等)的整個接頭能夠以單一步驟列印並且由單一整體材料形成。或者，可以將特定特徵列印至預先存在的接頭部件上。例如，可以將定心特徵列印至現有的接受器埠上。
接頭製造的3-D列印方法可以是高效製作過程。單一的一組設備可被配置成用於生成具有不同詳細特徵的多種接頭幾何形狀。與傳統製作方法相比，生產可以具有較低的時間和成本要求，此外，所述過程可以很容易地從小批量生產擴展到大批量生產。所述過程可以提供優於傳統製作方法的質量控制，其可以減少與畸形部件相關聯的浪費以及重製可能不滿足質量控制的標準的部件所需的時間。
雖然本文已經示出和描述了本發明的優選實施方式，但對於本領域技術人員顯而易見的是，這樣的實施方式只是以示例的方式提供的。本文並不旨在通過說明書中提供的特定示例來限制本發明。儘管已經參考前述說明書描述了本發明，但本文的實施方式的描述和圖示不應以限制性的意義來解釋。本領域技術人員現將會在不偏離本發明的情況下想到許多更改、改變和替代。此外，應當理解，本發明的所有方面並不限於本文闡述的特定描繪、配置或相對比例，而是取決於多種條件和變量。應當理解，在實踐本發明的過程中可以採用對本文所描述的本發明實施方式的各種替代方案。因此可以設想，本發明還應當覆蓋任何這樣的替代、修改、改變或等同物。以下權利要求旨在限定本發明的範圍，並因此覆蓋這些權利要求範圍內的方法和構造及其等效項。