CN107428096B - 3d打印物体和用于生产3d打印物体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产3D打印物体(100)的方法，其中所述方法包括(i)3D打印阶段，3D打印阶段包括对3D可打印材料(110)进行3D打印以提供打印材料(120)的3D打印物体(100)，其中所述3D打印阶段还包括在3D打印期间在在构造中的3D打印物体(100)中形成通道(200)，其中所述方法还包括(ii)填充阶段，填充阶段包括利用可固化材料(140)填充所述通道(200)并固化可固化材料(140)以向通道(200)提供固化材料(150)，其中固化材料(150)具有比周围的打印材料(120)低的刚度。

Description

3D打印物体和用于生产3D打印物体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产3D打印物体的方法。本发明还涉及这种物体本身，例如利用这种方法可获得的。
背景技术
增材技术是本领域已知的，其中材料被并入在经由这种技术制造的物体中。例如，US2013303002描述了一种用于微电子设备的三维互连结构和用于生产这种互连结构的方法。该方法包括如下步骤，其中使用增材分层制造工艺制造主体结构。主体结构包括三维包覆骨架和支撑结构。包覆骨架包括层状自由形式的骨架部分，在将导电材料施加在主体结构上之后，这些骨架部分将在互连结构的电触件之间形成电互连。支撑结构支撑层状自由形式的骨架部分。可将支撑结构的部分去除，以隔离和/或露出电互连。包覆骨架可以通过绝缘材料被嵌入，以提供进一步的支撑。除此以外，包覆骨架部分形成单个连接管，该管通过使镀层流体涌过管而在内表面上被包覆，以用于形成电互连。
增材制造(AM)是一个不断成长的材料加工领域。它可以用于快速原型制作、定制、后期配置、或小批量生产。对于3D喷墨打印或分配，可以使用液体单体混合物，并且随后通过光聚合在沉积下一层之前将形状固定。
US5700406公开了一种用于制造制品的方法，其中通过将液体构造材料的液滴喷射到平台上而形成空腔，并且其中空腔填充有可固化材料以形成制品的固体部分。
大多数AM技术生产具有比通过常规制造工艺生产的物体的机械性质差的机械性质的物体。例如，AM结构的平面内和平面外机械性质可能会比注射成型(IM)结构/材料差，这是由于这些物体的高度各向异性行为。进一步地，低平面内性质是结构的非均匀性的结果。例如，在熔融沉积成型(FDM)中，非均匀性是由纤维的形状和纤维之间的空隙引起的。这引起例如纤维中的变形的局部化，可能导致纤维断裂以及可能的纤维脱离。另外，低平面外性质是结构和工艺的非均匀性结果：由于逐层加工中的时间差异(从而温度差异)，层之间的粘附性低于层内纤维之间的粘附性。因此，不但变形在纤维中被局部化以及纤维脱离，而且层(部分地)脱离。特别是非弹性性质受到这些出现的现象的影响(正如我们所说的在弹性状态下不出现的纤维断裂和脱离)。
US2003186042公开了如下工艺，其中使用立体光刻、选择性激光烧结、挤出、打印头技术等从基础材料生产快速原型部件。在生产期间，在快速原型部件中产生空腔，并且在此之后利用填充材料填充空腔以增强原型部件的耐用性。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种用于3D打印的替代方法，优选地，该方法进一步至少部分地消除上述缺陷中的一个或多个。本发明的另一方面是提供一种替代的3D打印物体，优选地，该物体进一步至少部分地消除上述缺陷中的一个或多个。
这里，我们打算在AM生产的物体中引入例如缝线或其他类型的增强结构，以改善它们的机械性质。缝线或其他类型的增强结构，由具有高柔顺性(即低刚度)和延展性(即对于断裂具有大应变)的材料制成。这可以导致例如(i)纤维中的低应力(由于***材料的柔顺性)，从而防止或延迟纤维的变形的局部化和断裂，(ii)材料的改善的平面外机械完整性，和(iii)***的材料起断裂阻止器作用，由于它的高延展性。缝线等可以通过利用可以在稍后阶段固化的低黏度材料填充所打印的物体中的空腔来生产。这样的空腔可以在打印期间有意地引入3D物体中。
可以设想在增材制造机中包括“常规”缝合工艺，然而“常规”缝线增加了部件的厚度。例如，对于衣服这并不重要，因为材料本身以及缝合线是柔软和柔韧的，从而在最终产品中不会感觉到由于缝线引起的不均匀。然而，对于其他较硬的材料，这可能是一个问题。同样，以“常规方式”进行缝合可能是复杂的，因为它需要在制造的部件中打孔。为了避免那些问题，可以利用3D设计和打印在如下所示的材料内部引入缝线或其他类型的增强结构，也可借助于在下文中进一步讨论的牺牲层。
在第一方面，本发明提供了一种用于生产3D打印物体(“物体”或“3D物体”)的方法，其中该方法包括(i)3D打印阶段，其中3D可打印材料(“可打印材料”)被3D打印以提供3D打印物体，并且其中在3D打印期间，在3D打印物体(在构造中的3D打印物体)中形成通道，该通道包括两个或更多个通道部分，每个通道部分具有通道轴线，并且两个或更多个通道轴线具有大于0°且小于180°的相互夹角，通道包括选自由分叉结构和缝线结构构成的组的锚固部分，并且其中所述方法还包括填充阶段，其中利用可固化材料填充所述通道，并且其中固化所述可固化材料以向通道提供固化材料，该固化材料具有比周围的打印材料低的刚度。因此，通道可以提供增强结构，该增强结构基本嵌入打印的3D物体中。
通过这种方法，可以获得具有更高强度的3D打印物体。例如，通过填充有固化材料的通道可以抑制脱层。这种通道可以被用作和配置为一种缝线和/或锚固件。本发明的另一个优点是通道(也可以(因此)被指示为增强通道)可以以使它们从外部不可见的方式配置。这可以改善物体的外观，并且还可以提供更平滑的表面。
术语“3D打印物体”或“3D物体”是指经由3D打印(它是一种增材制造工艺)获得的三维物体，诸如具有高度、宽度和长度的物体。原则上，3D物体可以是可3D打印的任何物体。它可以是具有使用功能的物品或纯粹装饰的物品。它可以是诸如汽车、房屋、建筑物等物品的比例模型。进一步，3D物体可以是用于在另一设备或装置中使用的零件或元件，诸如透镜、反射镜、反射器、窗户、准直仪、波导、颜色转换元件(即包括发光材料)、冷却元件、锁定元件、导电元件、壳体、机械支撑元件、感测元件等。3D打印物体包括3D打印材料。
增材制造(AM)是一组主要通过增材工艺从3D模型或其他电子数据源制作三维物体的工艺。增材g工艺可以涉及晶粒(经由烧结、熔化或胶合)或材料层(经由层的连续沉积或生成，例如聚合)的接合。在金属晶粒的选择性熔化的情况下，可以生产与常规制造工艺生产的物体具有相似的密度和结构的物体。在其他情况下，物体由将会影响物体的性质的界面分离的晶粒或层组成。
广泛使用的增材制造技术是称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是一种通常用于建模、原型制作和生产应用的增材制造技术。FDM通过分层放下材料而以“增材”原理工作；塑料细丝或金属线从线圈解绕并供应材料以生产部件。可能地，(例如，对于热塑性塑料)，细丝在放下之前被熔化和挤出。FDM是一种快速原型制作技术。用于FDM的另一个术语是“熔丝制造”(FFF)。这里，应用术语“细丝3D打印”(FDP)，这被认为等效于FDM或FFF。通常，FDM打印机使用热塑性细丝，细丝被加热到它的熔点，然后逐层(或实际上是逐个细丝)挤出以产生三维物体。FDM打印机可用于打印复杂物体。因此，在一个实施例中，该方法包括通过FDM 3D打印生成3D打印物体。
可能特别适合作为3D可打印材料的材料可以选自由以下项构成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅氧烷等。特别地，3D可打印材料包括选自由以下项构成的组的(热塑性)聚合物：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、尼龙(或聚酰胺)、醋酸酯(或纤维素)、PLA(聚乳酸)、对苯二甲酸酯(诸如PET聚对苯二甲酸乙二醇酯)、丙烯酸酯(聚甲基丙烯酸酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA)、聚丙烯(或聚丙烯树脂)、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如膨胀的耐冲击聚乙烯(或聚乙烯)，低密度(LDPE)高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯)聚氯乙烯等。可选地，3D可打印材料包括选自由以下项构成的组的3D可打印材料：脲醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚碳酸酯(PC)、橡胶等。可选地，3D可打印材料包括选自由以下项构成的组的3D可打印材料：聚砜、聚醚砜、聚苯砜、酰亚胺(诸如聚醚酰亚胺)等。
3D打印物体特别地(至少部分地)由3D可打印材料(即可用于3D打印的材料)制成。术语“3D可打印材料”也可以指代两种或更多种材料的组合。通常，这些(聚合物)材料具有玻璃化转变温度Tg和/或熔化温度Tm。3D可打印材料将被3D打印机加热，3D可打印材料离开喷嘴前的温度至少为玻璃化转变温度，并且通常至少达到熔化温度。因此，在一个实施例中，3D可打印材料包括热塑性聚合物，诸如具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)，并且打印机喷头的作用包括加热接收器物品和沉积在接收器物品上的3D可打印材料中的一项或多项，至少达到玻璃化转变温度，特别是至少达到熔点温度。在另一个实施例中，3D可打印材料包括(热塑性)聚合物，该聚合物具有熔点(Tm)，并且打印机喷头的作用包括加热接收器物品和沉积在接收器物品上的3D可打印材料中的一项或多项，至少达到熔点温度。可以(在本文中)使用的材料的具体示例可以例如选自由以下项构成的组：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、木质素、橡胶等。可以使用的材料的其他示例例如选自：金属、粘土、混凝土等。
本文中使用的3D打印技术不限于FDM。可以应用于本发明中的其他3D打印技术可以例如选自立体光刻、粉末接合、喷墨等。可以应用基于挤出的工艺，诸如FDM，其中除了其他材料之外，还可以应用热塑性塑料(例如，PLA、ABS)、HDPE、共晶金属、橡胶、硅氧烷、瓷等之中的一种或多种。还可以应用另一种基于挤出的工艺，诸如自动注浆成型，其中除了其他材料之外，还可以应用陶瓷材料、金属合金、金属陶瓷、金属基质复合材料、陶瓷基质复合材料等之中的一种或多种。可以应用电子束无模成型制造器(EBF3)或直接金属激光烧结(DMLS)，其中特别地可以应用金属合金。进一步地，可以应用(基于颗粒状的)诸如电子束熔化(EBM)(特别是利用金属合金)、选择性激光熔化(SLM)(特别是利用金属或金属合金)、选择性激光烧结(SLS)(特别是利用热塑性粉末)等之类的工艺。进一步地，可以应用粉末床和喷墨头3D打印，诸如基于石膏的3D打印(PP)，例如用石膏。此外，可以应用叠层实体制造(LOM)，例如用纸、金属箔或塑料膜。进一步地，可以应用立体光刻(SLA)或数字光处理(DLP)等，例如用光聚合物。
然而，特别地，该方法包括聚合物的打印，即可打印材料和可固化材料可以包括聚合物材料，特别地聚合物材料彼此不同。
在具体实施例中，可固化材料可以包含聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚氨酯、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯和丙烯酸酯中的一种或多种；特别是硅氧烷型聚合物，诸如PDMS。在又一个实施例中(同样参见上文)，3D可打印材料可以包括选自由以下项构成的组的一种或多种聚合物材料：ABS、聚苯乙烯和聚碳酸酯(PC)。可打印材料还可以包括其他材料(同样参见上文和下文)。可打印材料在室温下可以是固体，但是加热时可以变成可打印的(即特别是可流动的)。可选地，在打印机喷嘴下游可以应用进一步的加热，例如固化可打印材料。
术语“上游”和“下游”涉及物品或特征相对于可打印材料从可打印材料产生装置(这里特别是3D打印机(喷头)的喷嘴)的传播的的布置，其中相对于来自可打印材料产生装置的可打印材料的流内的第一位置，可打印材料的流内的更靠近可打印材料产生装置的第二位置是“上游”，并且可打印材料的流内的更远离可打印材料产生装置的第三位置是“下游”。
一般而言，通道将不是相对于通道轴线没有任何弯曲部的直通道。该通道一般而言将具有多个弯曲部和/或其他装置以改善3D物体的完整性。当然，3D物体可以包括多个通道。因此，术语“通道”也可以指代多个通道。
通道包括形成所述通道的两个或更多个通道部分，其中每个通道部分具有通道轴线，并且其中两个或更多个通道轴线具有大于0°且小于180°的相互夹角(α)。通道还可以包括至少三个通道部分，该至少三个通道部分具有至少三个通道轴线，该至少三个通道轴线具有大于0°且小于180°的相互夹角(α)。通过包括弯曲部，可以进一步实现3D物体的不同部分不易断裂；通道(更准确地说，通道内的固化材料)可以将不同部分保持在一起。特别地，该通道可以配置成3D物体中的曲折结构。其中一个示例可以是缝线，诸如链式缝线。特别地，通道可以包括两个通道部分，该两个通道部分具有成锐角的通道(部分)轴线；甚至更特别地，通道可以包括三个或更多个通道部分，该三个或更多个通道部分具有成锐角的通道(部分)轴线。如上所述，这样的通道可能从物体的外部不可见。
特别地，通道基本上被完全填充。进一步地，可固化材料特别地不作为一种薄膜施加到通道壁上，而是通道的基本上整个截面可以用可固化/固化材料填充。通道可以具有圆形截面，但是通道也可以具有其他类型的截面，如正方形、三角形等。进一步地，在通道的长度上截面可以变化。例如，当使用FDM时，通道也可以包括例如在FDM打印期间生成的空隙。
此外，可以应用不同类型的通道。通常，等效圆直径(2*sqrt(面积/π))，其中“sqrt”是平方根)将在0.05-100mm的范围内，诸如0.2-50mm，这可以取决于3D物体的尺寸。如上所述，即使在符合该等效圆直径的情况下，截面的形状也可以随通道长度而变化。一般而言，填充有固化材料的通道的总通道体积相对于包括填充有固化材料的通道的打印材料的总体积可以在0.05-20vol.％的范围内，诸如0.5-10vol.％。进一步地，通常通道将填充有在至少70vol.％的范围内的固化材料，诸如至少80vol.％，甚至更优选地至少90vol.％的通道体积，诸如基本上完全填充有固化材料。
物体还可以包括不同的层，诸如包含不同化学组成的层。这种层状结构可能包括固有的弱点，因为这些层可能倾向于脱层，例如在某些类型的应力下。因此，在一个实施例中，3D打印物体包括两个或更多个层，其中通道被配置在第一层的至少一部分和第二层的至少一部分内。这些第一和第二层可以不必相邻。可选地，一个或多个层可以被配置于其间。在另一个实施例中，层彼此物理接触。
为了进一步增强，通道可以包括将主体部分锚固到另一个主体部分的结构或元件。在本文中，术语“主体部分”不一定指代与另一主体部分具有区别功能的部分。术语“主体部分”可以特别地指代主体的可以可选地与一个或多个其他主体部分基本相同的部分。合适的结构例如是锚结构。通道包括选自由以下项构成的组的锚固部分：分叉结构和缝线结构。利用分岔结构，通道可以分成(“纯分岔”)两个或三个(“交叉”)或更多通道。缝线结构是一种环路结构，可选地，包括结等。可选地，缝线结构可以是重复的缝线结构。因此，特别地，每个通道可以包括一个或多个锚固部分。
如上所述，当提供通道(特别是包括锚固部分)时，不同的主体部分(即使在组成方面相同，甚至在彼此不可区分的情况下)可以比在没有这种结构的情况更好地保持在一起。可以防止断裂或脱层。然而，同样如上所述，锚固部分当然也可以用于主体部分，该主体部分具有不同的组成或材质等。因此，在另一实施例中，第一锚固部分被配置在第一层中，并且其中第二锚固部分被配置在第二层中，其中第一和第二层特别地具有不同的化学组成。
在3D打印期间提供通道。3D打印导致产生3D物体。在t＝0秒(起始)和最后的打印动作之间获得的产品在本文中也指示为3D物体。然而，有时这个物体，当它正在被制作时，也被指示为在构造中的3D物体。例如，该命名法可用于强调在3D打印工艺中执行动作。因此，3D打印阶段(进一步)包括在3D打印期间在在构造中的3D打印物体中形成通道。因此，实际上以如下方式打印通道，即以在3D打印期间形成通道的方式打印3D物体。
填充通道可以在打印期间完成。例如，部分通道已形成或通道已准备好，然后通道利用可固化材料进行填充，然后进行可的固化，以及进一步的3D打印(可选地，随后固化；当然至少一个固化阶段应用于固化可固化材料)，进一步地，3D打印可选地还可以进一步包括生成通道和利用可固化材料填充通道。然而，在另一个实施例中，首先，物体基本上完全是3D打印的，随后填充通道。所以，该方法因此可以进一步包括(ii)填充阶段，该阶段包括利用可固化材料(并固化可固化材料，以向通道提供固化材料)填充该通道。
然而，在固化之后，可以执行最终的(3D打印)动作，例如以提供封闭层来封闭通道的开口。因此，在一个实施例中，该方法进一步包括(iii)结尾阶段，该阶段在填充阶段之后，其中结尾阶段包括封闭通道开口，可选地也可通过3D打印。需要注意，此结尾阶段，或更准确地说，封闭通道，并不总是必要的。例如，可以容许固化材料在3D物体的外表面处的通道的端部处是可见的。需要注意，可选地，结尾阶段还可以包括一个或多个(a)加热(诸如通过激光和/或火焰)3D物体的外层的至少一部分，(b)溶剂溶解3D物体的外层的至少一部分，以及(c)涂覆3D物体的外层的至少一部分。备选地，结尾阶段可以排在填充之后，但在固化之前。因此，可选地，只有在完全打印3D打印物体之后才可以进行固化。因此，可选地，填充阶段和结尾阶段可以至少部分重叠。
通道可以利用液体(可固化材料)进行填充，例如通过注射可固化液体，诸如利用注射器。特别地，该固化性材料在固化前可以具有相对低的(动态)黏度，诸如100-1000cP(在20℃)。附加地或备选地，真空可以有助于填充。因此，在另一个实施例中，填充阶段包括使3D打印物体经受低于大气压力的压力，随后利用可固化材料填充通道。备选地或附加地，连接到(在构造中的)3D打印物体中的待填充的通道的孔可以用作真空入口。
特别地，填充材料在固化时也可以具有低的收缩率(通常小于几个体积百分比)，并且在打印装置可能的操作温度的范围内，热膨胀系数特别地应当接近3D打印材料，以减少加工导致的残余应力。因此，特别地，打印材料和固化材料的热膨胀比可以特别地在0.6-1.4的范围内，例如0.7-1.3，诸如0.8-1.2，例如0.9-1.1。在打印过程中通过利用在增材制造技术中所提供的设计自由度，容易将空腔引入到物体中，增材制造技术允许在实际产品中实现复杂3D形状，例如螺旋状或植物根状。
如上所述，填充材料是可固化材料。固化可以例如通过本领域已知的光和热中一种或多种来执行。3D物体是包括辐射透射材料，诸如对于UV、可见光和IR辐射中的一种或多种透射的材料，也可以应用通过光/辐射进行的固化。备选地或附加地，可以应用热。因此，特别地，可固化材料是可热固化的材料。因此，在一个实施例中，可固化材料包括可热固化的材料，并且该方法还包括使3D打印物体的至少一部分受热(以固化可固化材料)。因此，3D物体，在构造中和/或完成时可以例如通过加热被固化。
如上所述，该方法包括3D打印。因此，该方法因此可以包括使用3D打印机。本文中，3D打印机可以特别地包括加热元件(同样)具有加热3D打印机喷嘴下游的打印材料和/或可固化材料的功能。这可以是对喷嘴下游的可打印材料和/或可固化材料的加热，但尚未沉积在接收器物品(或基底)或(其他)打印材料上，和/或这可以是对可打印材料和/或可固化材料的加热。特别地，该加热可以是局部加热，例如，在基本上直接位于打印机喷嘴下方的区域中。因此，在一个实施例中，3D打印机还包括加热单元，该加热单元被配置成加热所述打印材料和/或可固化材料。
本发明还提供了利用本文所述的方法可获得(或特别地获得)的3D打印物体。特别地，在另一方面，本发明还提供了一种包括包含固化材料(即，增强结构)的通道的3D打印物体，其中特别地，固化材料具有比周围的打印材料低的刚度。通道包括锚固部分，该锚固部分选自由分叉结构和缝线结构构成的组。在一个具体实施例中，3D打印物体包括两个或更多个层，其中通道被配置在第一层的至少一部分和第二层的至少一部分内，并且其中第一锚固部分被配置在第一层中并且其中第二锚固部分被配置在第二层中。当然，如上所述，3D打印物体也可以包括多个这样的通道。
刚度的差异指示3D打印物体中的固化材料比3D打印物体周围的3D打印材料刚性低。因此，选择可固化材料和可打印材料以分别提供固化材料和打印材料，其中后者具有比前者更高的刚度。刚度可以利用已知的材料分析技术进行测试。材料的刚度可以用帕斯卡(Pascal)或N/m2来量化，并且它可以将材料的应力与弹性应变相关联(通过胡克定律(Hooke’s law)，我们可以假定在材料的弹性状态下是有效的)。它的值可以通过机械测试来实验地确定，诸如拉伸测试、弯曲测试、压缩测试、压痕测试等。
这些材料可以通过使用标准测试或其类似方法对这些特性进行测试。值得注意，本文中特别地指示相对值。可以使用的测试的例子，或者可以使用的基于其进行的类似测试的例子，例如是(i)拉伸测试：ASTM D638-10、ASTM D412-6a、ISO 37:2011、ISO 527；(ii)DMTA(动态机械热分析)：ASTM D4065-12、D5279-13、ASTM E2254-13、ASTM E2425-11、ISO4664-1:2011、ISO 4664-2:2006；(iii)压缩/压痕测试：ASTM D575-91(2012)、ASTM E2546-07、ASTM D2240-05(2010)。值得注意，也可以打印可固化材料。然而，本文中，术语“打印材料”特别是指在用于生产3D打印物体的方法中，利用3D打印机打印的不可固化材料，但是可固化材料可以因此在一些实施例中也是“打印材料”。因此，在一个实施例中，周围的打印材料具有第一刚度并且固化材料具有第二刚度，其中第二刚度与第一刚度之比小于0.8，诸如小于0.5，例如在0.001-0.05的范围。因此，固化材料更柔顺。该比例可以应用于例如弯曲(弯曲能力)、压缩(被压缩能力)和压痕(被压入能力)等中的一个或多个(还可参见上述指示的测试)。例如，固化材料可以是打印材料的可弯曲度的两倍，即刚度低两倍(比率为0.5)。备选地或者附加地，对于固化材料，被压缩的能力可以比对于打印材料的高，并且因此打印材料的刚度高于固化材料等的刚度。值得注意，特别是与固化材料物理接触的打印材料可以用于比较。因此，通过引入具有更柔韧材料的通道，3D打印材料可以进一步地保持在一起，像一种常规缝合。
在另一方面，本发明还提供了一种3D打印机，该打印机包括打印机喷头，打印机喷头包括第一喷嘴，第一喷嘴用于将3D可打印材料打印到接收器物品，该3D打印机还包括第二打印机喷嘴，第二打印机喷嘴用于提供可固化材料，并且其中3D打印机还包括固化单元，该固化单元配置成在第二打印机喷嘴的下游固化可固化材料。固化单元可以包括加热单元和辐射单元中的一个或多个(诸如用于提供UV、VIS和IR辐射中的一种或多种，特别至少提供UV辐射)。
附图说明
现在仅将通过示例的方式，参考所附的示意图，来描述本发明的实施例，其中对应的附图标记指示对应的部分，并且其中：
图1a-1d示意性地描绘了一些基本方面；
图2非常示意性地示出了一个实施例的一些阶段和方面；
图3a-3h示意性地描绘了本发明的一些方面；
图4示意性地描绘了3D打印机(或AM打印机)的一个实施例；
图5示出了比较结果，其中ND表示归一化的位移，而NRF表示归一化的反作用力。
示意图不一定按比例绘制。
具体实施方式
基于粉末烧结的增材制造(AM)技术导致由烧结的晶粒组成的物体，其中晶粒之间的颈部(附图标记1320所示)具有低的断裂强度，例如参见图1a。基于分层工艺(诸如立体光刻、薄片层叠)的AM可以导致由层组成的物体(附图标记2320所示)，其中层之间的界面表示潜在的断裂线，参见图1b。基于细丝沉积的AM(熔融沉积成型)导致由细丝组成的物体(附图标记320所示)，其中细丝之间的界面表示潜在的断裂线，参见图1c。实际上，归因于加工过程和所产生的温度差异，平面内(IP)和平面外(OP)粘结性质将发生变化，从而致使平面外的性质不如平面内的性质。基于晶粒或纤维的粘合的AM(彩色喷射、标记锻造式纤维打印机)导致部分由嵌入在基质中的晶粒1320和/或纤维320组成，附图标记3320所示。基质对晶粒或纤维的粘附可能会很弱，也可参见图1d。
改善例如平面内和平面外性质的可能方案例如是(i)降低结构不均匀性的影响(例如局部加热以改善层之间的粘合性)，(ii)改变层表面的化学或机械性质，以改善粘合性，(iii)通过更连续的结构减少现有不均匀性的影响，(iv)去除或填充空隙，和(v)增加(垂直)缝线或其他类型的增强结构，特别是在本文中描述的。
图2非常示意性地示出了一个实施例的一些阶段和方面。该方法包括(i)3D打印阶段，附图标记I所示，该阶段可以包括对3D可打印材料110进行3D打印以提供打印材料120的3D打印物体100，其中3D打印阶段还包括在3D打印期间，在构造中的3D打印物体100中形成通道200，其中该方法还包括(ii)填充阶段，附图标记II所示，包括利用可固化材料140填充通道200并固化可固化材料140以向通道200提供固化材料150。可选地，该方法还可以包括(iii)结尾阶段，附图标记III所示，该阶段在填充阶段II之后，其中结尾阶段包括封闭通道开口207，可选地，但不一定通过3D打印来封闭。值得注意，填充通道和固化材料的阶段基本上可以是独立的。在每个填充阶段之后，并不一定出现固化，它可以在一定数量的填充阶段之后出现，或可能仅在结束时出现一次－这取决于打印和可固化材料的性质和固化机理。备选地，如果环境温度足够高，则不需要明显的固化动作，随着时间的推移，材料将在该升高的温度下固化；即可以自动地包括固化阶段。然而，特别地，打印材料经受超过环境温度的温度。如上所述，也可以在例如结尾阶段的至少一部分之后进行固化，例如，结尾阶段包括封闭通道200。
图3a-3h示意性地描绘了本发明的一些方面。每个3D物体可以引入一个或多个缝线，或其他类型的增强结构。缝线或其他类型的增强结构可以具有不同的三维形状，不同的三维形状由通过AM带来的几何设计灵活性提供，例如参见图3a-3b，其中示意性地描绘了本文中描述的方法的一些方面。图3a示意性地描绘了填充有固化材料的不同类型的通道200。这些通道促进了主体的不同部分的关联，如痛传统的缝线。由图3可以得出，通道200的总体积可以相对较低(相比于3D打印物体100的总体积)。在图3a-3b中，在打印过程期间将空腔引入(引入了)物体100。图3c示意性地描绘了随后利用低黏度材料(即可固化的)，即可固化材料140，填充空腔。
缝线或其他类型的增强结构材料可以是例如，硅氧烷橡胶、聚硅氮烷、树脂、丙烯酸酯。为了估计***材料的所需的性质，已经执行了数值模拟(见下文)。归因于***材料的低体积分数，尽管3D物体的强度因此可以改善，但整个物理性质并不显著改变。增强结构包括一个或多个通道，以及可选地，一个或多个锚固部分(见下文)。
在填充空腔时，可能需要压力出口1207，也可参见图3d。物体中的孔隙度可能足以使空气出去。如果没有，可以在打印过程期间引入出气口。当然，可以应用多于一个的压力出口1207。
在一个实施例中，入口207还可以用作出气口或压力出口1207，出气口或压力出口1207特别地在填充阶段期间位于部分空腔的顶部，使得填充材料不会逸出，如图所示(参见图3b-3e)。空气出口也可以连接到真空，以便于填充空腔，从而允许使用较高黏度的材料。填充阶段可以在3D物体处于降低的压力的情况下执行。一旦空腔被填充，则可以用热或光(如果该部分对于适当的波长是可穿透的)或活性气体(如果该部分对该气体是可渗透的)固化材料。
在实施例中，例如参见图3e，顶层和底层部分不能由缝线维持，因此与其余部分相比，它们可能具有更差的机械性质。这些层可以以允许容易去除的方式有目的地被添加作为牺牲层，附图标记1120所示。如果它们由与该部分不同的另一种材料(例如，顶层和底层可以由在水中溶解的PVA制成，并且是熔融沉积成型中用于支撑结构的标准材料)制成，则它们可以通过抛光或溶解来除去。这可以在结尾阶段完成。
这种方法也可以用于改善两种材料之间的粘附性，并且将两种材料“附接”在一起，例如两种材料通常可能根本不会相互粘附，或通常具有太弱的粘附性，以便在产品中实施，如图3f所示。这里，3D打印物体100包括两个或更多个层160，其中通道200配置在第一层160a的至少一部分和第二层160b的至少一部分内。图3e-3f示出了不同的主体部分也经由增强结构相关联。
图3g-3h进一步示意性地描绘了本发明的一些方面。例如图3g示意性地描绘了通道200的一个实施例，该通道包括形成所述通道200的两个或更多个通道部分201，其中每个通道部分201具有通道轴线202(本文也指示为“通道部分轴线”)，并且其中两个或多个通道轴线202具有大于0°且小于180°的相互夹角α。这里，通道部分用附图标记201a-201c指示，并且它们的通道(部分)轴线用附图标记202a-202c指示。相互夹角用附图标记α1-α3指示。这里，α1是锐角；其他的角度α2和α3举例来说是钝角(优角)。当然，直角也是可能的。图3h示意性地描绘了可能的锚固部分205的一些实施例，诸如分叉结构206和缝线结构207。也可以使用组合(例如参见图3a)。特别地，锚固部分可以与通道组合用作增强结构。
为了制备这种缝线或其他类型的增强结构，用于(增材)制造的3D打印机可能需要具有附加的喷墨或分配头，喷墨或分配头可以用于利用合适的缝合材料填充所生成的缝线孔。图4示意性地描绘了3D打印机的一个实施例，该3D打印机可用于例如本文中所描述的AM方法。这个图4示出了3D打印机500，该3D打印机500包括打印机喷头501，打印机喷头501包括第一喷嘴502，第一喷嘴502用于将3D可打印材料110打印到接收器物品550，3D打印机500还包括第二打印机喷嘴1502(例如来自另一个打印机喷头1501)，第二打印机喷嘴1502用于提供可固化材料140，并且其中3D打印机500还包括固化单元1100，该固化单元1100被配置成使第二打印机喷嘴1502下游的可固化材料140固化。固化单元1100可以例如提供热量，附图标记q所示。举例来说，示意性地描绘了FDM打印机的一个实施例。
附图标记500指示3D打印机。附图标记530指示配置用于3D打印(特别是FDM 3D打印)的功能单元；该附图标记也可以指示3D打印阶段单元。这里，仅示意性地示出了用于提供3D打印材料的打印机喷头，诸如FDM 3D打印机喷头。附图标记501指示打印机喷头。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印机喷头，但是其他实施例也是可能的。附图标记502指示打印机喷嘴。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印机喷嘴，但是其他实施例也是可能的。附图标记320指示可打印的3D可打印材料的细丝(诸如上文所述)。为了清楚起见，并未描绘3D打印机的所有特征，仅仅描绘了对本发明特别相关的特征。3D打印机500被配置成通过在接收器物品550上沉积多个细丝320来生成3D物品10，其中每根细丝20包括3D可打印材料，诸如具有熔点Tm。3D打印机500配置成在打印机喷嘴502的上游加热细丝材料。这可以例如使用包括挤出和/或加热功能中的一种或多种的装置来完成。这种装置利用附图标记573来指示，并且布置在打印机喷嘴502的上游(即在细丝材料离开打印机喷嘴502之前)。附图标记572指示具有材料的线轴，特别是线的形式。3D打印机500将线转换成细丝或纤维320。通过逐个细丝布置将细丝布置在细丝上，可以形成3D物品10。然而，本文使用的3D打印技术不限于FDM(也参见上文)。
为了说明本发明，利用有限元模型进行数值模拟。选择用于典型的FDM细丝结构的代表性几何结构。假定细丝为ABS，其具有刚度E＝2500MPa、泊松比(Poisson’s ratio)ν＝0.4、屈服强度25MPa、以及硬化模量H＝125MPa。细丝之间的粘合性由所谓的内聚区单元描述，内聚区单元借助于牵引分离定律(traction-separation law)在断裂韧性(Gc)和断裂强度(tmax)方面限定细丝之间的分离。这些非线性元件已成功应用于描述微电子设备中的接口故障。为了说明加工过程的效果(即在平面内和面外方向之间的粘附性质的差异)，选择以下粘附性质：(a)垂直界面：Gc＝8000J/m2、tmax＝100MPa；(b)水平界面：Gc＝1000J/m2、tmax＝35MPa。垂直界面的断裂韧性是基于ABS的实际断裂韧性的。为了均匀地对平面内和平面外界面进行加荷，在模型的右边缘和上边缘处规定了等轴应变，而在左边缘和下边缘处应用了对称条件。显然，平面外粘附的水平导致界面故障(损坏)。归因于粘合性质的差异，在平面内界面处仅引发少量的损坏。明显地，这些故障导致打印结构的机械性质变差。在水平和垂直方向上产生的力-位移曲线展现出明显的不稳定性，之后界面故障定位在界面的底部行中，而不是在整个样本中示出更均匀的界面故障。为了防止出现这些故障，在细丝之间***柔顺且坚韧的材料。归因于双轴加荷，选择***材料的“+”形(十字形)用于说明所提出方法的目的。实际上，细丝和填充材料之间的空腔也将被填充。明显地，这将改善填充材料对细丝的附着，这归因于机械互锁机制。
评估了由于等轴加荷而导致的变形几何结构。发现具有比周围的材料更低刚度的***材料促进了所有变形，同时界面没有被严重加荷。为了估计所需的粘附性以防止***材料从细丝脱离，已经在填充材料和ABS之间的界面处的几个位置处计算出能量释放速率值。事实证明，在这种特定情况下，所需的粘附水平在45J/m2(对于E＝1MPa的非常柔顺的材料)到高达23kJ/m2之间变化(对于“刚性”聚合物材料，E＝2000MPa)。典型的聚合物-聚合物界面粘附力值在几百J/m2的数量级(取决于实际组合和表面处理)。如前所述，在加工过程期间，对细丝和填充材料之间的空腔的填充将归因于机械互锁效应和增加粘合性表面而缓解这一要求。明显地，每种具体情况都会对***材料有关柔顺性、韧性和***几何结构有特殊要求。后者可以在部件的3D设计中很容易考虑。图5示出了对于没有增强结构(在0.5处断裂)和具有增强结构的结构，归一化反作用力作为结构的归一化位移的函数。
本文中术语“基本上”，诸如“基本上组成”将由本领域技术人员理解。术语“基本上”还可以包括具有“完全地”，“彻底地”，“全部地”等的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可以被去除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，诸如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”也包括其中术语“包括”意指“由...组成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及“和/或”之前和之后提及的一项或多项。例如，短语“物品1和/或物品2”和类似短语可以涉及物品1和物品2中的一个或多个。术语“包含”在一个实施例中可以指“由...组成”，但在另一个实施例中也可以指“至少包含有所定义的种类和可选地一种或多种其他种类”。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等是用于区分相似的元件，而不一定用于描述次序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中描述的发明的实施例能够以不同于本文所描述或说明的其他顺序进行操作。
除了其他方面之外，本文的设备在操作期间被描述。对于本领域技术人员将是清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代的实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。使用动词“包含”以及其变体不排除不同于权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤。元件之前的前缀“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的几个可以由同一个硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。
本发明进一步适用于包括说明书所描述的和/或所附附图中所示的一个或多个特征化特征的装置。本发明还涉及包括说明中所描述的和/或所附附图中所示的一个或多个特征化特征的方法或过程。
可以组合在该专利中讨论的各个方面以提供额外的优点。此外，一些功能可以形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (11)

1.一种用于生产3D打印物体(100)的方法，其中所述方法包括：
-3D打印阶段，其中3D可打印材料(110)被3D打印以提供所述3D打印物体(100)，并且其中在3D打印期间，通道(200)被形成在所构造的所述3D打印物体(100)中，所述通道(200)包括两个或更多个通道部分(201)，每个通道部分(201)具有通道轴线(202)，并且两个或更多个通道轴线(202)具有大于0°且小于180°的相互夹角(α)，所述通道(200)包括锚固部分(205)，所述锚固部分选自由分叉结构(206)和缝线结构(207)组成的组，以及
-填充阶段，其中利用可固化材料(140)填充所述通道(200)，并且其中固化所述可固化材料(140)以向所述通道(200)提供固化材料(150)，所述固化材料(150)具有比周围的打印材料(120)低的刚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D打印物体(100)包括两个或更多个层(160)，并且其中所述通道(200)被配置在第一层(160a)的至少一部分和第二层(160b)的至少一部分内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一锚固部分(205a)被配置在所述第一层(160a)中，并且其中第二锚固部分(205b)被配置在所述第二层(160b)中。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述可固化材料(140)包括可热固化材料，并且其中所述方法还包括使所述3D打印物体(100)的至少一部分受热。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述填充阶段包括：使所述3D打印物体(100)经受低于大气压的压力，并且随后利用所述可固化材料(140)填充所述通道(200)。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述填充阶段之后的结尾阶段，并且其中所述结尾阶段包括通过3D打印封闭通道开口(207)。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述可固化材料(140)包含聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚氨酯、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯和丙烯酸酯中的一种或多种，其中所述3D可打印材料(110)包括选自由ABS、聚苯乙烯和聚碳酸酯构成的组的聚合物材料中一种或多种，其中所述周围的打印材料(120)具有第一刚度，其中所述固化材料(150)具有第二刚度，并且其中所述第二刚度与所述第一刚度的比值小于0.8。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述打印阶段包括在3D打印期间在所构造的所述3D打印物体(100)中形成多个通道(200)，并且其中所述填充阶段包括利用所述可固化材料(140)填充所述通道(200)并且固化所述可固化材料(140)以向所述通道(200)提供固化材料(150)。
9.一种3D打印物体(100)，包括通道(200)，所述通道(200)包括固化材料(150)，其中所述通道(200)包括两个或更多个通道部分(201)，每个通道部分(201)具有通道轴线(202)，并且两个或更多个通道轴(202)具有大于0°且小于180°的相互夹角(α)，其中所述固化材料(150)具有比周围的打印材料(120)低的刚度，并且其中所述通道(200)包括锚固部分(205)，所述锚固部分选自由分叉结构(206)和缝线结构(207)组成的组。
10.根据权利要求9所述的3D打印物体(100)，其中所述3D打印物体包括两个或更多个层(160)，其中所述通道(200)被配置在第一层(160a)的至少一部分和第二层(160b)的至少一部分内，并且其中第一锚固部分(205a)被配置在所述第一层(160a)中，并且其中第二锚固部分(205b)被配置在所述第二层(160b)中。
11.根据权利要求9和10中的任一项所述的3D打印物体(100)，其中所述周围的打印材料(120)具有第一刚度，其中所述固化材料(150)具有第二刚度，并且其中所述第二刚度与所述第一刚度的比值小于0.8。
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