CN107953572A

CN107953572A - 用于纤维增强添加制造的方法

Info

Publication number: CN107953572A
Application number: CN201711119963.3A
Authority: CN
Inventors: 格雷戈里·托马斯·马克
Original assignee: Markforged Inc
Current assignee: Markforged Inc
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2018-04-24
Also published as: US10040252B2; CA2914512C; IL242901B; AU2018203340A1; US9370896B2; EP3130444B1; US20160368213A1; JP6475232B2; WO2014197732A2; IL266425B; EP3130444A1; EP3004435A2; EP3444102A1; US20210221054A1; IL266425A; AU2018203340B2; WO2014197732A3; EP3004435B1; US20190168451A1; US20140361460A1

Abstract

描述了涉及三维打印机、增强丝及其使用方法的多个实施方案。在一个实施方案中，将无空隙增强丝进给至挤出喷嘴中。增强丝包括芯和围绕芯的基质材料，芯可以是连续的或半连续的。将增强丝加热到高于基质材料的熔化温度并且低于芯的熔化温度的温度，然后从挤出喷嘴挤出丝。

Description

用于纤维增强添加制造的方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2013年6月5日提交的美国临时申请序列号61/831,600、2013年7月17日提交的美国临时申请序列号61/847,113、2013年9月15日提交的美国临时申请序列号61/878,029、2013年9月24日提交的美国临时申请序列号61/881,946以及2013年11月10日提交的美国临时申请序列号61/902,256的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

本申请是中国专利申请第201480044287.6号的分案申请，第201480044287.6号的专利申请其申请日是2014年6月5日，发明名称是“用于纤维增强添加制造的方法”。

技术领域

一些方面涉及三维打印。

背景技术

“三维打印”作为一种技术包括多种方法，例如立体光刻法(Stereolithography，SLA)和“熔丝制造(Fused Filament Fabrication，FFF)。SLA产生高分辨率零件，其通常不是耐用的或UV稳定的，用于概念验证工作；而FFF通过喷嘴挤出ABS或类似聚合物的连续丝珠粒。

“复合铺层(Composite Lay-up)”通常与三维打印无关。在这个技术中，将织物的预浸(“prepreg”)复合片用树脂粘合剂浸渍成二维图案。然后将一个或多个独立片铺层成模型并且加热以使结合树脂液化并且使最终零件固化。

“复合丝缠绕”也通常与三维打印无关。在这个技术中，包括数千个独立碳线束(carbon strand)的粘性“丝束(tow)”缠绕在常规心轴上以形成旋转对称零件。丝缠绕通常限于凸形，因为拉紧的丝“桥接”了任何凹形。

没有提供复合铺层或复合丝缠绕的益处的商业化或实验三维“打印”技术。

发明内容

根据本发明的第一个形式，用于添加制造(additive manufacturing)零件的步骤的一种组合包括：供应未熔无空隙纤维增强复合丝(unmelted void free fiberreinforced composite filament)，其包括在丝的基质材料内延伸的一个或多个轴向纤维线束(fiber strand)，在基质材料内不具有大量空气间隙。未熔复合丝沿着阻止丝屈曲的间隙配合区以进给速率进给，直至丝到达喷管(nozzlet)的屈曲部分(即，与零件相对的喷管末端，任选地在喷管端和零件之间具有丝直径或更小的间隙)。尤其是在横向压力区(transverse pressure zone)，将丝加热到高于基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在丝内部的基质材料。随着纤维增强复合丝以结合排(bonded rank)沉积到零件上，利用熨烫唇(ironing lip)向纤维增强复合丝的熔化的基质材料和一个或多个轴向纤维线束施加熨烫力。在这种情况下，熨烫唇以在熨烫唇和零件之间的纤维增强复合丝中维持中性至正性张力的打印速率与零件相邻着平移，这种中性至正性(即，无张力至有一些张力)张力小于将结合排与零件分离所需的张力。

根据本发明的第二个形式，用于添加制造零件的步骤的另一种额外的或替代的组合包括上述供应步骤，以及纤维增强复合丝以进给速率进给。将丝类似地加热，特别是在横向压力区。将复合丝的熔化的基质材料和所述至少一个轴向纤维线束穿线(threaded)(例如，以未熔状态通过加热的打印头)以接触横向压力区中的零件。该横向压力区相对于并且相邻着零件以打印速率平移，以将丝末端(包括纤维和基质)带到熔化位置。丝末端可任选地变形或弯曲以到达该位置。在熔化位置，基质材料间隙地在丝内部熔化。

根据本发明的第三个形式，用于添加制造零件的三维打印机包括未熔无空隙纤维增强复合丝的纤维复合丝供应器(例如，丝轴或离散丝段的盒)，所述未熔无空隙纤维增强复合丝包括在丝的基质材料内延伸的一个或多个轴向纤维线束，在基质材料内不具有大量空气间隙。一个或多个线性进给机构(例如，驱动摩擦辊或传送机、进给轨道、重力、液压或其他压力等，任选地包括滑动离合器或单向轴承以允许材料进给速度和打印速度之间的速度差)使未熔复合丝以进给速率前进，任选地沿着引导丝沿路径或轨道前进和/或阻止丝屈曲的间隙配合通道(例如，管、导管、固体零件内的引导通道、传送机辊或球)。打印头可以包括(全部任选地和/或替代地)加热器元件和/或热区和/或热腔，一个或多个丝引导件，冷进给区和/或冷却器，和/或再成形唇、挤压尖、熨烫尖和/或熨烫板，和/或线性和/或转动制动器，以使打印头在X、Y、Z任意方向和/或额外地以一至三个旋转自由度移动。构建压板(build platen)可以包括构建表面，并且可以包括一个或多个线性制动器，以使构建压板在X、Y、Z任意方向和/或额外地以一至三个旋转自由度移动。加热器(例如，辐射加热器、感应加热器、热空气喷射或流体喷射、电阻加热器、使用发射的或辐射的电磁辐射，任选地加热熨烫尖)将丝特别是基质材料加热至大于基质材料的熔化温度的温度(以熔化丝内单纤维周围的或在多个线束的情况下间隙地在线束之间的基质材料)。打印头和/或构建压板的线性制动器和/或旋转制动器可以各自单独地和/或协作地限定打印速率，后者是形成连接排的速度。控制器任选地通过传感器监测加热器、丝的温度和/或加热器消耗的能量。

在本发明的该第三个形式和任选地本发明的其他形式中，进给机构、间隙配合通道、构建压板的线性或旋转制动器和/或打印头的线性和旋转制动器、引导件、热腔和/或再成形或熨烫唇或尖可任选地协作(其任意组合或排列或者全部)作为横向压力区，将丝挤压和/或熔化到构建压板上或被打印零件内。任选地，打印头和/或构建压板的线性或旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以沿着丝的轴向线束(例如，进给辊直径的切线)施加压缩力和/或施加来自构建压板或被打印零件的反作用力，以将熔化基质丝挤压在构建压板上或者零件之前的层上或内，以形成结合排(即，粘附在下面基本平坦的表面或其一侧的基本矩形的排)。完全任选地另外或替代地，打印头和/或构建压板的线性或旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以向熔化的基质丝的一侧施加横向、向侧面、向下的熨烫和/或熨烫力(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板)，以将熔化的基质丝挤压和/或熨烫到构建压板上或者零件之前形成的层上或内以形成结合排。完全任选地另外或替代地，打印头和/或构建压板的线性和旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以在再成形唇和零件之间的纤维增强复合丝内维持中性至正性张力的打印速率与零件相邻着施加中性至正性张力，所述张力通过丝的线束和未熔基质和/或在构建压板、之前沉积的结合排和打印头或进给机构之间(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板，并且进一步任选地使用打印头或引导件的内表面，和/或进给机构离合器、滑动件、电机驱动、空载(idling)、电机内阻和/或小电阻电流)。这种张力任选地为小于将结合排与零件分离所需力的中性至正性张力，以维持结合排的形成，并且进一步任选地和/或替代地，可以足够分离或切断通过熔化基质连接在打印头上的具有不连续内部纤维的丝。

在本发明的该第三个形式以及任选地本发明第一个和第二个以及其他形式中，打印头和/或构建压板的线性和旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以施加横向、向侧面、向下、再成形和/或熨烫力(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板)来在不同打印阶段(例如，穿线阶段(threading phase)相对于打印阶段)在打印机、丝和零件内产生不同的力的平衡。例如，在本发明的一个形式中，打印头和/或构建压板的线性和旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以施加横向、向侧面、向下、再成形和/或熨烫力(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板)，可以在施加结合排的连续打印阶段主要通过横向挤压和轴向张力施加结合排，在穿线或初始化阶段主要通过横向挤压和轴向压缩来施加结合排。

第一至第三个形式或其他形式中的上述步骤或结构没有哪些对本发明来说是关键的，并且本发明可以表示成这些的不同组合。特别地，将纤维增强丝挤压到零件中的过程可以任选地在穿线或初始化期间临时进行，通过沿着纤维复合材料(未熔纤维线束、部分熔化并且部分玻璃的基质)的轴向压缩，和/或通过横向压力区(例如，打印头尖)的“熨烫”和/或再成形和/或通过再成形唇和/或通过打印头之后伴随“熨烫”板。每一种方式和结构本身都是有效的，并且在本发明中考虑了其排列和组合。此外，挤压可以与通过未熔纤维线束维持的丝中压缩或张力组合来进行。挤压或熨烫可以在横向压力区(例如，打印头尖)和/或熨烫唇和/或伴随“熨烫”板上游或下游张力的存在下，但是另外或替代地，在挤压下游以及横向压力区(例如，打印头尖)和/或熨烫唇和/或伴随“熨烫”板上游张力的存在下进行。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，任选地基质材料包含：未熔弹性模量为大约0.1至5GPa和/或未熔极限抗拉强度为大约10至100MPa以及熔化弹性模量小于0.1GPa并且熔化极限抗拉强度小于10MPa的热塑性树脂，以及弹性模量为大约5-1000GPa并且极限抗拉强度为大约200-100000MPa的一个或多个轴向纤维线束。这些形式可任选地保持纤维增强复合丝在间隙配合区、非接触区、横向压力区中以及随着结合排附着到工件上时基本恒定的横截面积。在这些第一至第三个形式中的每一个中，任选地丝具有大于1×10^-5英寸并且小于2×10^-3英寸的横截面积。进一步任选地，至少一个轴向线束在任何横截面积中包括100至6000个重叠的轴向线束或平行的连续轴向线束。这样的基质材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯、环氧树脂、乙烯基化合物、尼龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚乳酸或液晶聚合物，并且这样的轴向线束材料包括碳纤维、芳族聚酰胺纤维或纤维玻璃。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，任选地控制进给速率和打印速率中的至少一者以维持间隙配合区内纤维增强丝的压缩。另外或替代地，对于这些和其他形式，任选地在穿线或初始化阶段，在熨烫立即上游的非接触区加热丝并且控制进给和打印速率，以在非接触区内诱导沿着丝的轴向压缩，其主要通过沿着丝延伸的一个或多个轴向纤维线束内的轴向压缩力实现。另外或替代地，对于这些和其他形式，任选地在穿线或初始化阶段，控制进给速率和打印速率中的至少一者以压缩纤维增强复合丝，并且平移丝的末端以侧向地紧靠熨烫唇下面的待通过施加热和压力熨烫的零件。另外或替代地，对于这些和其他形式，通过熨烫唇加热和/或熔化丝，并且控制进给速率和打印速率中的一者或两者，以在熨烫唇和零件之间的纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，其主要通过沿着丝延伸的至少一个轴向纤维线束内的张力实现。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，任选地通过在间隙配合区处或邻近间隙配合区的切割器切割和/或中心在间隙配合区或熨烫唇中的一者或两者处或者与间隙配合区或熨烫唇中的一者或两者相邻的切割器切割未熔纤维增强丝。另外或替代地，对于这些以及其他形式，间隙配合区包括在纤维增强复合丝周围形成间隙配合的至少一个通道，并且在整个所述至少一个通道中，纤维增强复合材料维持在低于基质材料的玻璃化转变温度的温度。任选地通过墨盒(cartridge)供应，以使增强的纤维材料的制造或形成(例如，纤维与基质结合)速度与打印速度解耦。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，任选地将熨烫唇距离当前打印层表面(例如，下面的结合排层，FFF或纤维复合材料，或压板)的距离控制为小于丝的直径(例如，每一结合排的高度小于丝的直径)。在横向压力区挤压或熨烫丝可以包括随着丝沉积在结合排上向丝施加熨烫力。另外或替代地，对于这些和其他形式，所述方法包括阻止丝接触限定了非接触区的腔的加热壁；和/或包括使丝接触横向压力区中的加热熨烫尖以熔化丝的基质材料。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，所述方法任选地还包括，随着熔化的基质材料和轴向纤维线束在横向压力区被压入零件以形成横向及垂直的结合排，通过利用熨烫唇向熔化的基质材料和至少一个轴向纤维线束施加第一熨烫力，以及向熔化的基质材料和至少一个轴向纤维线束施加作为来自零件本身的法向反作用力的相反的再成形力，来在至少两侧压扁结合排。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，所述方法还可以包括拖曳横向压力区中与零件的第一部分连接的纤维增强复合丝，将横向压力区平移通过自由空间，以及熨烫以将纤维增强复合丝再连接到零件的第二部分。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，所述方法可以包括利用丝形成固体壳，和/或熨烫唇可以为圆形。另外或替代地，对于这些以及其他形式，熨烫唇可以在喷管或打印引导件的尖，喷管出口的横截面积大于喷管或打印引导件入口的横截面积。另外或替代地，对于这些以及其他形式，加热腔或非接触区壁内的横截面积大于间隙配合区的横截面积。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，所述方法可以包括以第一方向在零件的第一位置以及以第二方向在零件的第二位置沉积结合排。另外或替代地，对于以及其他形式，所述方法可以包括当向丝施加的拖曳力大于关联的进给机构的力阈值时从喷管或打印引导件拉出丝。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，一个或多个纤维芯可以构建为沿着丝的轴向方向延伸的一系列单独段。在这种情况下，所述段可以位于沿着丝的轴向方向的预索引(pre-indexed)位置；和/或至少一些段可以沿着丝的轴向方向重叠。另外或替代地，对于这些以及其他形式，段的平均长度可以小于或等于加热区或非接触区的长度。

在本发明这些第一至第三个形式以及其他形式中的每一个中，将第一丝以第一期望图案沉积到基质材料层中的推-拉挤过程可以后面接着基质层的固化(例如，立体光刻法或选择性激光烧结)或者与基质层的固化平行进行，以形成包括沉积的第一丝的零件层。另外或替代地，对于这些以及其他形式，这种替代可以任选地包括切割第一丝并且在基质材料层中以第二沉积图案沉积第二丝。

本发明的一个方面使用基本上无空隙的预浸(预浸料(prepreg))材料来打印结构，所述材料在整个打印过程中保持无空隙。这种材料的一种形式是增强丝，其包含具有多个连续线束的芯，所述连续线束用已经“渗入(wicked)”线束的热塑性树脂预浸并且使用本发明的一种推-拉挤方法施加以形成三维结构。由润湿或渗入线束的热塑性(或未固化的热固性)树脂形成的复合材料可能不是“坯料(green)”的，但是同样是刚性、低摩擦力和基本无空隙的。另一种形式可以使用单个实心连续芯。另一种形式可以使用分段的连续芯，即，还预期了沿着长度分段成多个部分的连续芯。另一种形式可以使用实芯或者多个独立线束，其可以彼此均匀间距或包括重叠。本文关于打印材料使用的“无空隙”可以意指，空隙百分比上限为1％至5％，下限为0％；关于打印零件，空隙百分比上限为1％至13％，下限为0％。任选地，可以在真空下进行推-拉挤过程以进一步减少或消除空隙。

本文描述了纤维或芯“增强”材料。纤维或芯可以位于丝的内部或者芯材料可以延伸到丝的外表面，或者对于多线束的实施，二者皆有。包括“增强”的术语可以任选地延伸到不为复合材料提供异常的增强结构强度的线束、纤维或芯，例如光导纤维或流体传导材料以及导电材料。另外，应理解的是，芯增强材料还包括由材料如光纤、流体传导通道或管、导电线或线束提供的功能增强。

本发明预期，任选地，包括使用本文不同的可容材料的整个推-拉挤过程可以是其他添加制造，特别是立体光刻法(SLA)、选择性激光烧结(SLS)或使用液体或粉末形式基质的其他方面的前体或平行过程。推-拉挤可以嵌入由这些基本无空隙零件的这些方式制备的零件内或周围，使得整个零件表现出增强的强度。

如果使用推-拉挤过程来铺设具有一个或多个优势方向的结合排，这些方向可任选地在局部和整体二者表现出各向异性强度。结构内增强的方向性或各向异性可以任选地在期望的位置和方向提供增强的零件强度，以满足特定设计要求或能够制造更轻和/或更强的零件。

任选地在任何上述发明中，切割器可以提供期望长度复合丝和/或结合排的选择性沉积。切割器任选地定位在芯材料的进给机构和喷管出口之间。另外的或替代的切割器可以定位在喷管出口处。替代地或另外，并且任选地在任何上述发明中，基本上无空隙的材料可进给通过成形喷管以提供期望形状，尤其是扁平的。喷管可以包括熨烫唇，其包括用于形成结合排的顶表面或侧表面的形状，特别是弯曲唇或倒角、直唇或倒角或者正方形或矩形再成形表面。

任选地在任何上述发明中，基质材料可以是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、环氧树脂、乙烯基化合物、尼龙、聚醚酰亚胺(PEI))、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)或液晶聚合物。芯或芯的线束可以在结构上、传导性上(电和/或热)、绝缘性上(电和/或热)、光学上和/或以提供流体运输的方式增强。芯或芯的线束可以包括(特别是用于结构增强)碳纤维、芳族聚酰胺或高强度尼龙纤维、纤维玻璃。另外，多种连续芯或线束可以在单个连续芯增强丝中组合以提供多种功能性，例如电和光性质二者。

任选地在任何上述发明或本发明的形式中，具有不同树脂纤维比的纤维增强复合丝可以在零件的不同部分中提供不同性质，例如，在不同阶段利用不同打印头打印。同样任选地，“低树脂”纤维增强复合丝骨架纤维可用于内部结构以最大化强度重量比(例如，按横截面积计30％树脂/70％纤维)。“低树脂”意指按横截面积计树脂百分比为30％至50％。同样任选地，“高树脂”纤维增强复合丝壳涂层(例如，按横截面积计90％树脂/10％纤维)可用于防止下面的芯或芯的单个纤维线束可能的透印。另外，在本发明的一些实施方案和形式中，消耗材料可以具有零纤维含量，并且是常规FFF的专用树脂和/或打印。

任选地在任何上述发明或本发明的方面中，未熔复合丝以进给速率沿着阻止丝屈曲的间隙配合区进给，直到所述丝到达喷管的屈曲部分(出口)。

所有列出的选项单独地或以任何可操作排列或组合适用于本发明第一、第二、第三以及其他形式中的每一个，包括如本领域技术人员理解的利用本文公开的仪器设备结构实施的动作或步骤，以及如本领域技术人员理解的执行本文公开的动作或步骤的设备结构。在所有情况下，贯穿本发明，术语“可以”表示本发明的任选的另外或替代材料、结构、动作或发明。

附图说明

图1A和1B是使用连续芯增强丝的三维打印***的示意图；

图2是三维打印过程的代表性流程图；

图3A-3D是连续芯增强丝2的芯结构的多个实施方案的示意图；

图4是具有第二功能性线束的连续芯增强丝的芯结构的示意图；

图5是假设的收敛喷嘴内纤维聚束的示意图。

图6A-6C是打印***的一些实施方案中使用的喷管的示意图；

图7是三维打印***的示意图；

图8是包括切割器的三维打印***以及桥接开放空间的打印过程的示意图；

图9是由三维打印***和/或过程形式的包括经封闭开放空间的零件的示意图；

图10是包括引导管的三维打印***的示意图；

图11是包括引导管的三维打印***的照片；

图12A和12B是分别在第一和第二索引位置的剪切头的示意图；

图13是包括剪切的多喷管打印头的示意图；

图14A-14C分别是喷嘴和圆形出口喷嘴的示意图；

图15A是与喷管尖整合的切割器的示意性横截面图；

图15B是图14A中描绘的与喷管尖整合的切割器的旋转90°的示意性横截面图；

图15C-15D是与喷管尖整合的切割器的实施方案的底视图；

图16是与喷管尖整合的切割器的示意性横截面图；

图17A是在零件形成过程中施加压紧压力的三维打印***的示意图；

图17B是沉积之前的待用于打印***的连续芯增强丝的示意图；

图17C是使用压紧压力沉积后连续芯增强丝和材料周围珠的示意图；

图18A是现有技术喷嘴的示意图；

图18B是扩散喷嘴的示意图；

图18C是在向前进给清洁周期中示出的图18B的扩散喷嘴的示意图；

图19A是用直喷嘴打印的连续芯丝的示意图；

图19B是用直喷嘴打印的预浸丝束胚料(green towpreg)的示意图；

图19C-19E是用扩散喷嘴穿线和打印的连续芯丝的示意图；

图20A是具有低摩擦冷进给区的多材料喷管的示意图；

图20B是包括低摩擦冷进给区的稍微收敛喷管的示意图；

图21A是现有技术喷嘴的示意图；

图21B-21D代表了喷嘴几何结构的多个实施方案；

图22是抗滴喷嘴和减压***的示意图；

图23A是位于喷嘴内的半连续芯丝的示意图；

图23B是位于喷嘴内的具有重叠线束的半连续芯丝的示意图；

图23C是具有对齐的线束并且位于喷嘴内的半连续芯丝的示意图；

图24A是多纤维丝连续芯的示意图；

图24B是具有偏移线束的半连续芯丝的示意图；

图24C是具有对齐线束的半连续芯丝的示意图；

图24D是具有对齐线束和一个或多个连续线束的半连续芯丝的示意图；

图25是使用半连续芯丝的填充模式的示意图；

图26是由三维打印***和/或过程形成的多打印层的示意图，具有包括不同纤维方向的不同层和层的不同部分；

图27A是用于形成第一取向的组件的三维打印过程的示意图；

图27B是和图27A的零件一起使用的设备的示意图；

图27C是用于在图27A零件上形成第二个取向的组件的三维打印过程的示意图；

图28A是在第一个取向使用多轴***的三维打印过程的示意图；

图28B是在图28A的零件上形成另一个取向的组件的示意图；

图29是使用连续芯增强丝的三维打印***的示意图；

图30A是包括使用三维打印过程应用于侧面的壳的零件的示意图；

图30B是包括使用三维打印过程应用于顶部和侧面的壳的零件的示意图；

图30C是包括已偏离下面支撑表面的壳的零件的示意图；

图30D是利用填充材料形成的零件的示意图；

图30E是利用从角落向内延伸的复合材料和填充在内部的聚合物形成的零件的示意图；

图30F是利用从角落向内延伸的复合材料和填充在内部的聚合物形成的零件的示意图；

图30G是利用从角落向内延伸的复合材料和填充在内部的聚合物形成的零件的示意图；

图31A是利用包括同一方向的纤维取向的离散段形成的翼型的示意图；

图31B是利用包括不同方向的纤维取向的离散段形成的翼型的示意图；

图31C是利用离散段和形成于其上的壳形成的翼型的示意图；

图32是包括打印壁和可选择打印头的三维打印***的示意图；

图33是用于打印***的多元件打印头的示意图；

图34是包括沉积的增强纤维的立体光刻法三维打印过程的示意图；以及

图35是包括沉积的增强纤维的立体光刻法三维打印过程的示意图。

具体实施方式

在添加制造和复合铺层二者相对近的技术中，新创词变得很常见。例如“预浸料(prepreg)”是预浸复合材料，其中树脂基质和纤维线束提前制备为复合原材料。“预浸丝束(towpreg)”是由“丝束(tow)”(数百至数千个纤维线束的捆，具有非常高纤维百分比，例如95％)和粘性(室温下)树脂的组合形成的“预浸料”，通常主要是浸渍丝束的纤维(例如，75％纤维线束)，粘性树脂被浸渍为在丝缠绕过程中在松松相邻的纤维线束之间传递剪切的手段并且将预浸丝束粘附到旋转元件上。“拉挤”是制备丝束的方法之一，其中丝束穿过树脂拉出以形成(完全在张力下进行的过程)包括嵌入树脂的丝束的延长并且通常坚硬的复合材料。

本文使用的“挤出”应具有其常规含义，例如，将原料挤压穿过模具以具有比原材料减小的横截面积的特定形状的方法。熔丝制造(FFF)是一种挤出方法。同样地，“喷嘴”应具有其常规含义，例如，被设计来控制流体流动的方向或特性，尤其是随着流体流动离开(或进入)封闭室增加速度和/或限制横截面积的装置。

相比之下，本发明使用新创词“推-拉挤(push-pultrusion)”来描述根据本发明的整体上的新过程，其中不同于挤出，纤维增强复合打印材料的前进运动包括：开始、穿线或压缩的初始化阶段，然后是嵌入的纤维线束的拉伸，以及随着打印材料在构建桌上以及相继地在零件内形成结合排，贯穿打印头的基质的融化/固化和未熔/未融化状态。本发明还使用了新创词“喷管(nozzlet)”来描述根据本发明的末端打印头，其不同于FFF喷嘴，没有显著的背压以及在打印材料中产生的额外速度，并且打印材料(包括基质和嵌入纤维)的横截面积在整个过程(甚至随着沉积在零件的结合排上)中保持基本类似。

本发明还使用了新创词“推-拉挤预浸料(推-拉挤预浸料)”来描述可用于推-拉挤的材料，其不同于常规预浸丝束，该树脂优选地为热塑性树脂：(i)提供足够摩擦力和暴露的树脂材料，以通过辊或其他摩擦进给方式进给，(ii)具有足够的刚性(即，正常未熔弹性模量)，以被推动穿过间隙配合管或通道而无未熔“玻璃”态的屈曲，刚性由嵌入的纤维线束提供，较长程度上由未熔基质树脂提供，(iii)和/或在环境条件下没有可感知的“粘着性(tack)”/分子扩散，即在环境或甚至温暖条件下为“玻璃”态，因此可以容易地推过这样的管而不粘着。

在用于用树脂浸渍纤维的过程中，固结(consolidation)通常有利于除去因树脂不能完全地取代来自纤维线束、丝束或粗纱的空气而导致的空隙。通常通过在高压釜中加热以及压紧加压来使预浸料的单独浸渍粗纱、丝束、层片或层固结。固结步骤通常需要应用非常高的压力和真空下非常高的温度相对长的时间。此外，使用高压釜或烘箱的固结过程不走需要“装袋”操作来为铺层提供在工具上的密封膜以允许施加真空用于移除空气，以及提供在高压釜中产生固结所需的压差。。该过程步骤还减少复合材料零件操作的总生产率。因此，对于热塑性复合材料，有利的是原位固结成低空隙复合材料，同时利用ATL/AFP机器将条带层压大量基底上。该过程通常称为原位ATL/AFP，并且该过程中使用的材料称为原位级条带。

最后，在三维打印领域，“丝”通常是指缠绕的构建材料的整个横截面积，而在复合材料领域，“丝”是指例如碳纤维的单纤维(其中，例如，“1K丝束”将具有1000根单线束)。为了本发明的目的，“丝”应保持来自三维打印的含义，“线束”应意指单纤维，所述单纤维例如嵌入基质并且与之一起形成整个复合“丝”。

添加制造方法通常导致相对于常规模塑方法降低强度和耐久性。例如，由于沉积材料的相邻带(例如，结合排)之间较弱的结合以及气穴(air pocket)和空隙，熔丝制造得到的零件表现出比注射模塑零件低的强度。

预浸片复合材料构建方法是耗时并且困难的，因此较昂贵。此外，将预浸片围绕曲线弯曲可能造成纤维重叠、屈曲(buckle)和/或扭曲(distort)，导致不期望的软点。

由于非常柔韧和高摩擦力(粘性)构建物，将市售纤维“预浸丝束”输送通过塑料浴来添加基质材料，然后进一步输送通过常规打印头并不得到可行的附加过程。此外，该过程将这种复合材料的制造速度与其运输四度(即使可以打印)结合在了一起。预浸丝束通常需要并且出售时具有“粘性”(在其沉积在工具或铺层倾向于上后，足以保护丝束位置的室温粘附水平)。此外，丝束“胚”料截留空气并且包含空气空隙，其仅通过高张力和/或随后真空和/或加热步骤除去。这些步骤也降低了打印过程的速度。

因此，需要复合材料添加制造方法，其比铺层或缠绕更快速；降低或阻止在结合排中截留空气，避免了大部分真空或加热后处理；提供了在凹型中沉积复合材料的能力和/或在表面或复合材料壳上构建离散特特征的能力。

现在转到附图，其描述了所公开材料和三维打印方法的具体实施方案。

图1A描绘了在应用纤维增强复合丝2构建结构之前的三维打印机3000的实施方案。纤维增强复合丝2(在本文也称为连续芯增强丝)可以是推-拉挤预浸料，其基本上不含空穴并且包括涂覆或浸渍内部连续单芯或多线束芯6的聚合物或树脂4。

将纤维增强复合丝2进给通过被加热(例如，通过带式加热器或盘管式加热器)到用于基质材料的所选择受控推-拉挤温度的喷管10，以维持预定粘度和/或结合片的预定量的粘附力和/或表面光洁度。推-拉挤可以高于聚合物4的熔化温度，低于聚合物4的分解温度并且低于芯6的熔化或分解温度。

在于喷管10中加热并且基质材料或聚合物4基本熔化后，将连续芯增强丝2施加到构建压板16上以构建连续层14，以便形成三维结构。通过控制器20控制(i)构建压板16的位置和方向或者(ii)喷管10的位置和取向来在期望的位置和方向沉积连续芯增强丝2。位置和方向控制机构包括框架***、机械臂和/或H框架，这些中任一个均装配有对于控制器10的位置和/或唯一传感器，以监测喷管10相对于构建压板16和/或所构建零件的层14的相对位置或速度。控制器20可以使用感知的X、Y和/或Z位置和/或位移或速度矢量来控制喷管10或压板16随后的运动。例如，三维打印机1000可以包括测量到压板16的距离的测距仪15、三个平移轴和/或三个旋转轴中任意一个上的位移传感器、距离积分器和/或监测喷管10相对于构建压板16的位置或运动的加速计。如图1A中描绘的，(例如，激光)距离传感器15可以扫描喷管10前面的部分，以便校正喷管10的Z高度或者所需的填充体积以匹配期望的沉积轮廓。该测量还可用于填充零件中检测的空隙。测距仪15还在丝施加后测量零件以确认沉积的结合排的深度和位置。

三维打印机1000可以包括由控制器20控制的切割器8，其在沉积过程中切割连续芯增强丝(例如，不形成尾巴)，以便(i)在结构上形成独立的特征和组件，以及(ii)控制多个部分和层中沉积材料和/结合排的方向性或各向异性。如所描绘的，切割器8是与位于喷管出口的背板12相关联的切割刀片。其他切割器包括激光、高压空气或流体，或者剪切。

图1A还描绘了三维打印机1000中任选使用的至少一个第二打印头18以在硬件上打印例如保护涂层，包括100％树脂FFF挤出的耐UV或耐划伤涂层。

图1B描绘了施加纤维增强复合丝2构建接头的三维打印机3001的实施方案。相同的编号特征与关于图1A描述的那些类似。

如图1B中所述的，从动辊42和空转辊40的上游，卷轴(未示出)在中等张力下供应未熔无空隙纤维增强复合丝。丝包括在丝的基质材料内延伸的至少一个轴向纤维线束，在基质材料内不具有大量空空气间隙。在本实施例中，纤维增强复合丝2是推-拉挤预浸料，其包括浸渍数百或数千根连续碳纤维线束6A的尼龙基质4A。

本文讨论的“区域”是从卷轴(未示出)到零件的丝的整个轨迹的一段。从动辊42和空转辊40以阻止丝屈曲的进给速率(任选地可变地由控制器20(未示出)控制，并且任选地小于打印速率，这些速率之间的任何差异由滑动离合器或单向轴承沿着丝吸收)沿着间隙隙配合区3010、3020进给或推动未熔丝。在非接触腔或非接触区714，可以加热复合丝的基质材料。随着辊42、40的进给力或推力通过未熔基质传递到沿着间隙配合区3010、3020的纤维，内部的纤维6A在穿线阶段或打印过程开始时可以处于轴向压缩之下。

“穿线”是推送预浸料或推-拉挤预浸料通过出口的方法，其中在缝合操作的时标(time scale)上，预浸料或推-拉挤预浸料的刚性与粘附/阻力相比足够大(以防止预浸料或推-拉挤预浸料屈曲或扩口/堵塞)。最初，在穿线阶段，丝2的熔化基质材料6A和轴向纤维线束4A被轴向压缩压进零件中，随着构建压板和打印头彼此相对着平移，丝的末端接触熨烫唇726并且随后在横向压力区3040被连续熨烫以在零件14上形成结合排。横向压力意指丝一侧的压力，在本文中也讨论为“熨烫”。如箭头所示，该横向压力区3040(以及打印头附着的零件)可以以打印速率与零件14相邻着平移(或者打印速率可以是压板16和打印头两者或之一平移的结果)。

在本实施例中，就拉伸和压缩弹性模量而言，基质材料是热塑性树脂，未熔弹性模量为大约0.1至5GPa，熔化弹性模量小于0.1GPa，纤维线束是弹性模量为大约5-1000GPa的线束材料。以这种方式，当基质熔化时，纤维线束足以抵抗变形，以便能够将整根丝以有限的摩擦力“推送”通过小间隙，甚至通过自由空间。对于极限拉伸强度，基质材料优选未熔极限拉伸强度为大约10至100MPa并且熔化极限拉伸强度小于10MPa的热塑性树脂，并且至少一个轴向线束包含极限拉伸强度为大约200-100000MPa的线束材料。以这种方式，纤维的内部线束足以抵抗拉伸或拉断，以能够将从结合排延伸通过自由空间的显著距离上的整个丝维持在中性至正性(即，从零张力到较高量的张力)张力，在一些情况下在基质完全固化之前。大部分丝具有大于1×10^-5(1×10E-5)英寸并且小于2×10^-3(2×10E-3)英寸的横截面积。在多线束纤维的情况下，丝在任何横截面积中可以包含100至6000个重叠的轴向线束或平行的连续轴向线束(特别是在碳纤维线束的情况下)。

打印头或喷管708或者构建平台16之一或二者可以平移，例如，控制进给速率和/或打印速率以在穿线阶段维持丝中的压缩，以及在打印操作中维持中性至正性张力。可以在非接触区3030加热并熔化丝2的基质材料4A(特别地，以使得较小机会粘附到喷管708的壁上)，但是在熨烫唇或尖726熔化或液化。较大或发散的非接触区直径任选地阻止丝接触限定非接触区加热壁714。可以监测或控制进给或打印速率以维持无支撑区中的压缩、中性张力或正性张力，以及主要通过沿着丝延伸的纤维线束内的轴向压缩或拉伸力。

如图1B中所示，横向压力区3040包括对丝2再成形的熨烫唇726。此熨烫唇726可以是将丝2压紧或挤压到零件中以成为结合排的元件。熨烫唇726还从加热壁714或其他热源传导的热，以在横向压力区3040中熔化或液化丝2的基质材料4A。任选地，随着丝2沉积到结合排中，横向压力区3040中的熨烫唇726将熔化丝2在顶部压平，向熔化的基质材料和轴向纤维线束施加熨烫力。这可以通过确保熨烫唇726的底部到下方层的顶部的高度小于丝的直径来实现。另一个在再成形力是与熨烫唇726隔开并且相对地施加在熔化的基质材料和轴向纤维链上的来自零件本身的法向反作用力。随着熔化的基质材料4A和轴向纤维线束6A在横向压力区3040中被压进零件14，这在至少两侧压平结合排，以形成横向和垂直结合的排(即，熨烫也推动结合排到相邻排中)。

因此，熨烫唇726和来自零件本身的法向反作用力彼此相对并且将熔化的复合丝夹在或挤压在它们之间以在零件14中形成结合排。熨烫施加的压力和热提高了扩散和显微向相邻排中渗透。

如图1B中所示，在此实施例中，在间隙配合区3010、3020或与间隙配合区3010、3020相邻处切割未熔纤维增强丝。可以如图1A中所示，在导管72(具有间隙配合)和喷管708之间的间隙62中切割，或者在喷管708内(例如，非接触区3030上游)切割。替代地或另外，可以通过位于间隙配合区3010、3020或熨烫唇725处或与他们相邻的切割器8切割芯增强丝。间隙配合区3010、3020包括在纤维增强复合丝2周围形成间隙配合的任选中断的通道，并且优选转动配合或间隙定位配合之一，在任何情况下足够的间隙以允许将丝向推送，即使在轴向压缩下也是如此，而无粘附以及无屈曲。

沿着轴向方向的推送/进给以及横向压力区3040内的熨烫未必是形成结合排的仅有的力。替代地或另外，横向压力区3040和/或熨烫唇726分别以在熨烫唇726和零件14的结合排之间的纤维增强复合丝2中维持中性至正性张力的打印速率向零件14平移，该张力小于使结合排与零件14分离所需的力。

例如，在通过熨烫尖或唇726熔化基质材料6A后，可以通过控制器20控制进给和/或打印速率以在熨烫唇726和零件14的结合排之间的纤维增强复合丝2中维持中性至正性张力，其主要通过沿着丝2延伸的纤维线束4A内的拉伸力实现。这在结合排结线束并且转向以便以相反方向开始新的相邻排时尤其如此，因为可以释放来自熨烫唇到零件14的压力。这还可用于形成通过开放空间的桥，例如，通过拉伸来自与零件14的第一位置连接的横向压力区3040中的纤维增强复合丝2；然后平移横向压力区3040通过开放空间；然后熨烫以将纤维增强复合丝2再连接到零件14的第二位置。

不同于真实的挤出过程，丝2的横截面积在整个时间中基本维持，并且没有线、基质或丝2明显变长或缩短。缠绕的推-拉挤预浸料的进给速率和结合排的形成速率(打印速率)基本相同(但是对于一部分运输或进给，滑动离合器或单向轴承可以允许松弛、堆积或差异化)。有时，进给速率和压缩速率可以临时地并且差异性地控制，以平衡熨烫唇726下游足够的中性至正性轴向张力，或者可以使用滑动离合器以允许进给速率或打印速率滑动。但是，在间隙配合区、无支撑区、横向压力区以及随着结合排附着到工件或零件14上，保持了纤维增强复合丝基本恒定的横截面积。

图2示出了使用图1A或1B描述的***和控制器的三维打印工艺的示意性流程图。在图2中，以虚线和“A”后缀表示本发明的任选步骤，其可以单独地或以任意组合来改变图2中公开的本发明的一些形式，但是没有那些示出的步骤是单独关键的或者以示出的特定顺序，除非本身需要。最初，在步骤S103中，供应(例如，由卷轴，作为推-拉挤预浸料)连续芯或多线束纤维增强丝2。如步骤S103A中所示，以墨盒形式供应可能是重要的，因为其允许推-拉挤预浸料过程和打印过程之间的完全独立性。即，推-拉挤预浸料或打印均可以是限速因素，并且通过使用制备的可互换丝的墨盒或辊，二者均可以独立制备。在步骤S105中，将丝2从供应器或卷轴(例如，通过辊)中抽出并且未熔的相对刚性状态进给通过间隙配合或者连续的间隙配合，所述间隙配合阻止丝随着推送和进给的屈曲。任选地，如步骤S105A中所示，在穿线或缝合过程中，以在进给至加热喷管708的下游丝2中保持轴向压缩的方式(注意的是，这可能变成在侧向挤压步骤S111后可选步骤S113A中的轴向中性或正性张力)进给丝。

在步骤S107中，将丝(以及因此基质材料)加热到高于树脂的熔化温度并且低于步骤S107中的连续芯或丝的熔化温度的期望温度。该步骤的这种实现可以不用于图2中示出的顺序，即，熨烫唇726或其他加热区的加热可能在步骤S107开始，但是实际熔化可能进在步骤S11A发生。另外，加热区可以是沿着路径的最终区域，即，任选步骤S107A中示出的熨烫唇或非接触区。该步骤使全部基质材料熔化并且允许丝的形状改变，例如，随着其装/压入零件，从圆形横截面或椭圆横截面变成正方形或矩形横截面，但是同时保持了基本类似或相同的横截面积。如任选步骤S107A,中指出的，该加热可以在喷管尖的熨烫尖726中或处发生。此外，在非接触区714或3030中，喷管708的壁距离丝2足够远以使得即使加热成塑料、玻璃化转变或粘性形式，丝也不会粘附到壁上。在步骤S108中，三维打印机1000、3001的控制器20控制(任选地在步骤S108A中使用本文所述的传感器)喷管708相对于构建压板16或零件的位置、速度或加速度，并且可以监测其之间的距离以及每个区域处或每个区域内的温度特性。

在步骤S110中，在控制加热喷管708的位置和运动的同时，控制器20在穿线阶段或运输阶段控制进给速率、打印速率、切割器8和/或温度以在封闭的间隙配合区3010或3020(切割器8的上游和下游)以及加热区和/或非接触区714、3030中维持逐项压缩；和/或控制区域3040内的挤压、压缩或压平压力或力；和/或在打印阶段控制零件14内的结合排和侧向或横向压力区3040和/或熨烫唇208、508和/或726之间丝内的轴向中性至正性张力。

在步骤S111中，在控制器120的控制之下，丝(基质和纤维)2被压入零件14。任选地，如步骤S111A所示，这利用熨烫唇或尖208、508和/或726进行，其可以光滑，但是也可以更像刮刀(对于耐磨纤维，例如芳族聚酰胺)。同时，在步骤S113中将加压区3040和/或构建压板或平台16相对于彼此平移(任选地在3个轴上，进一步任选地在3个旋转轴上旋转)。任选地如任选步骤S113A中所示，在该步骤S113中，维持和/或提高尖208、508和/或726与零件14之间丝内的中性或正性张力。

在步骤S115中，熨烫(加压和加热)和相对平移(或相对打印动作，对于多轴设备)粘附丝2中的熔化基质的底部和侧面以在零件14中形成结合排。如本文讨论的以及在步骤S115A中示出的，这些排可以任选地为紧密的左右交互(boustrophedon)排，可以是圆形、椭圆或扁圆环(例如，对于长零件的跑道形状)，可以在“Zamboni”图案中以小的拐弯前进，并且在任意这些以及其他图案中，可以相继铺层以使得一层平行于或重叠于下面的层，或者横向于(垂直或成角度)下面的层。

在步骤S117中，在到达期望的终点后，可以切割连续芯增强丝。如在步骤S117和S117A中讨论的，“切割”包括在压缩区3010、3020内一定位置，特别是喷管8的上游，并且热别是在基质材料的未熔玻璃态切割丝。“切割”还包括在喷管708的下游或者与喷管708相邻的位置切割。另外，对于其中连续线束在丝内以离散的独立段形成的实施方案，“切割”可以包括将喷管708和构建压板16彼此拉开以在连续纤维的一个段与另一个段相邻的地方分离基质材料。然后控制器20确定三维零件是否完成。如果打印过程未完成，控制器可以返回步骤S108，在此期间其在连续芯增强丝的下一个片沉积之前感应喷管的当前位置和运动。如果零件完成，可以从构建压板上移除最终零件。或者，可以使用第二打印头S121在零件上沉积任选的涂层，以为最终零件人提供保护涂层和/或施加数字或图像。

图3A-3D可用于本发明的不同丝的示意图，但是其未必是按比例的。图3A和3B描绘了具有实心连续芯6a(例如，纤维玻璃纤维)和周围的热塑性聚合物4或树脂的横截面，分别地按照横截基面积树脂大于70％以及树脂小于30％(分别按照横截面积)。图3C和3D描绘了具有被热塑性树脂包围和渗入/润湿的多线束纤维，分别地树脂大于60％并且所有纤维为1/4直径或更大从周界；以及树脂小于30％，纤维分布在整个丝内并且从周界突出。图4描绘了与图3D类似的横截面，但是包括一个或多个独立的第二功能性线束6c和6d(具有电、光、热或流体传导特性以传导电、信号、热和/或流体，以及用于结构健康监测以及其他期望的功能)。对于碳纤维，用于以推-拉挤预浸料方式打印的树脂量为30-90％(即，按照横截面积10-70％纤维)。

根据本发明的一个形式，将聚合物材料预浸成推-拉挤预浸料，以使得熔化聚合物或树脂在材料的初始产生过程中渗入增强纤维，任选地多纤维丝的整个横截面。任选地根据本发明的这个方面，可以用涂料或试剂如增塑剂，通过辐射施加能量，施加温度、压力或超声来预处理纤维线束，以有助于聚合物或树脂无空隙的渗入多纤维丝芯的横截面。与在较低粘度下实现润湿、渗入、固定或间隙渗透所需的温度或能量相比，区3030中打印过程中的加热温度可以为较低温度和/或熔化材料的较高粘性下，以填充空隙。将推-拉挤预浸料制备为无空隙预浸料允许确定丝的宽度和其他特性(例如，刚度、光滑度)，减少了对于不同丝(相同类型或不同类似)的复杂测量和变量控制的需要。

根据本发明的一个形式，在喷管708的加热部分714中提供真空以在基质熔化的同时移除空气(包括空隙)。这种结构甚至在真空下可以用于包含实心或多纤维丝芯的内部具有空气孔隙的丝(例如，生坯材料)。替代或除了本发明空隙的真空移除之外，可以迫使丝通过曲折路径(其可以通过偏移辊或其他设备提供)以机械地除去截留空气。

图5描绘了本领域中不知道的假设和理论的问题，其中本发明考虑了是否可以将已知的收敛喷嘴用于预浸丝束或其他嵌入式纤维复合丝。作为聚合物的基质材料具有更大的热膨胀系数(甚至在聚合物纤维如芳族聚酰胺的情况下)。随着基质材料加热，认为在收敛喷嘴的有限空间内基质材料由于更大的膨胀而相对于纤维加速。在喷嘴入口附近，基质材料流速V基质小于纤维材料流速V纤维，而在出口，基质材料流速V’基质等于纤维材料流速V纤维。如图5所示，收敛喷嘴内基质材料和纤维不匹配的流速可能导致沉积过程中纤维在喷嘴内聚集，导致沉积中至少堵塞和差的均匀性。虽然本发明人并不认为收敛喷嘴是最佳方案，但是其也在本发明的实施方案内。

图6A至6C示出了贯穿整个喷管保持匹配的纤维材料线束6b和聚合物基质4速度(至少基质不在里面积累)的一系列直喷管和发散喷管。图6A示出了具有与基质材料的热膨胀相匹配的增加的喷管喉直径的发散喷嘴200，所述喷管200包括具有直径D1的入口202，具有增加的直径204的部分，以及具有直径D2的出口206，所述D2大于直径D1。或者，在基质材料和纤维线束具有相对低的热膨胀系数(例如，碳纤维和液晶聚合物)时，喷管200可以包括具有基本相同的直径D3的入口202和出口206，参见图6B。喷管200或708还可以包括圆形出口208或726，如图6C所示。例如，圆形出口208可以呈现为向外延伸的唇、倒角(chamfer)、凸起(filet)、圆弧或提供从出口光滑过渡的其他合适的几何形状，其可以有助于避免打印时丝的断裂、施加应力和/或刮擦。

图7示出了本领域中不知道的假设和理论的问题，其中打印头300形成零件302，其具有沉积的材料层304的最后一部分。打印头300接触挤出的塑料的顶部，未留下用于切割器的部分。如果打印头是本文讨论的推-拉挤打印机但是缺少本文讨论的任选的切割器8、8A，打印头将在零件中打印不作为模型(即，随后除去)的尾端超出部分(tag-end over-run)306。在一些情况下，这可能是期望的(例如，用于传导纤维)。在另一些情况下，这将产生不期望的尾端超出部分，如图7中所示，许多坚硬安装凸起部308中的每一个在凸起部内的每一次层都将具有尾端超出部分306。

图8描绘了用于三维打印机的切割器的两个实施方案。参考例如图1A或1B描述的相同元件基本类似。如图所示，丝2或2a由卷轴38供应，并且通过为丝2a提供指向下游方向的力的传动辊40和空转轮42抽出并且进给。该区(3010或3020)中未加热或者在环境温度或室温下或者在低于玻璃化转变温度的任何情况下，在施加力时丝2a的基质为固态或“玻璃”态。如本文讨论的，施加的下游力通过玻璃态基质4A传递到纤维线束6A，其推动来自加热喷管10的整个丝以构建三维零件，尽管基质随后熔化。切割器8、8a、8b的定位可以减少或消除最终零件中尾部超出部分的存在，或者如果有利的话允许其柔性地产生。

切割器8a(例如，刀片)定位在喷管10的出口允许切割器8a通过切断内部纤维线束来完全地切割沉积的带或结合排的动作，和/或可以通过物理地阻塞喷管出口来阻止进一步前进和/或滴落。切割器8a或8b使得能够通过控制器20控制来使沉积的丝(纤维增强的或未增强的)具有精确控制的长度。或者，喷管10上游的喷管10出口和进给机构40之间的切割器8b的定位允许喷管10出口和零件之间较小的间隙。替代地或另外，切割器8b可以在基质温度低于熔化、软化或玻璃化转变温度的同时切割丝，减少树脂粘在刀片上的倾向，其可以减少机器阻塞和/或能够更加精确地测量沉积材料。

如果在丝2和图10所示导管(其可以是间隙配合3010或较大引导件)之间保持相对紧密(但是绝不结合)的配合，切割线束的下游部分2b被由驱动辊40驱动的相邻上游部分2a推动。随着喷管10和构建压板16相对于彼此移动，之前结合的排(冷却的)粘附并且在张力下“拖曳”来自喷管10的喷丝2b。来自进给机构的上游力和通过丝的未熔或玻璃部分以及丝的线束传递的下游力的组合用于沉积结合排。

如所示，切割器8、8a、8b是任选的，但是也可以阻止丝屈曲以有助于确保均匀沉积和防止机器阻塞。另外，小直径(例如，小于30毫英寸)的连续丝更易于屈曲。在这种情况下，紧密配合导管10，或者与进给机构42、40相邻和/或喷管708出口附近的64、712(区3010、3020中)内的紧密配合引导件可以有助于防止材料屈曲。因此，在一个实施方案中，进给机构42、40可以位于距离导管或喷嘴入口小于约3-8直径以内。在一个具体实施方案中，导管是圆形皮下注射管。但是，如果丝是圆形以外的形状(例如，椭圆、正方形或带状)，将导管尺寸和形状制作为相匹配。任选地，丝2可以包括光滑外涂层和/或表面，其中纤维不从丝2的周界突出(减少在导管中的摩擦或阻力)。

在一些实施方案中，三维打印***不包括导管。相反地，进给机构可以与喷嘴(例如接收管64)的入口足够相邻地定位，以使得从进给机构到喷管入口的连续芯丝2的长度足够小以避免屈曲。在这样的实施方案中，可能期望将由进给机构施加的力限制为小于连续芯丝或进给至喷嘴的其他材料的预期屈曲力或压力的阈值。

在一些实施方案中，限制向沉积的增强纤维施加的最大张力或拖曳力以防止打印的零件被从相应构建平面拉起或者为连续丝提供期望量的中性至正性张力。例如，可以使用单向轴承以限制拖曳力(例如，进给辊的速度设置为小于打印速度，但是单向轴承允许通过辊以驱动它们更快的速度拉动丝)。在这样的一个实施方案中，驱动电机42可以通过单向锁定轴承使驱动轮旋转，以使得旋转马达来驱动轮并且使材料前进。如果材料拖曳速度超过了驱动轮的驱动速度，单向轴承可以滑动，允许拉动额外材料通过进给机构和喷嘴，有效增加进给速率以匹配打印速率或头行进速度，同时还限制驱动力以使得其小于或等于预定限制。还可以使用具有相称的内置滑片的离合器来限制拖曳(中性至正性张力)力。或者，在另一个实施的方案中，可以选择驱动轮和空转轮的正交力和摩擦系数以允许通过进给机构以高于特定拖曳力来拉动连续丝。替代地或另外，可以使用AC感应电机或切换到“关”位置的DC电机(例如，向电机终端或开启式电机终端施加小的阻力)以允许克服电机阻力从打印机拉出丝。在这样的一个实施的方案中，当拖曳力高于期望力阈值时，可以允许马达空转，使得可以将丝从打印机喷管拉出。另外，在一些实施方案中，进给机构可以包括传感器和控制器回路以基于丝的张力提供对沉积速度、打印头速度和/或其他合适的控制参数的反馈控制。

根据本文讨论的本发明的一个形式，打印过程可以在所有阶段类似，或者不同打印阶段在打印机、丝和零件内产生不同的力的平衡(例如，穿线阶段相对于打印阶段，和/或直线阶段相对于曲线阶段)。例如，在本发明的一个形式中，在主要连续打印阶段，打印机可以主要通过侧向加压和轴向张力施加结合排，在穿线阶段通过侧向加压和轴向压缩，其中丝的末端首先抵靠在压板或零件上，然后熨烫尖下平移以熔化。

根据本文所讨论的本发明的形式，打印***可以在轴向中性至正性张力下沿着直线打印部分(该部分延伸越过喷管708到进给以进给速率控制的机构42、40，但是也可以具有滑动或离合器机构)将丝2从打印机喷管708中拖曳出来。在这样的操作过程中，可以通过控制器20使打印机头以期望的速率移位或平移，并且粘附在之前的层或打印表面上的沉积材料和/或结合排向打印喷嘴中的丝施加拖曳力。丝被从打印***中拉出并且沉积在零件14上。相比之下，另外或替代地，根据本文讨论的本发明形式，当沿着曲线和/或转角打印时，可以通过控制器20控制进给机构42、40的进给速率以及打印***的打印速率来推动沉积的丝到零件或构建表面16上。但是，还考虑了其中在直线操作期间将丝从打印***中推出以及其中当打印曲线和/或转角时将丝从打印头中拖曳出来的本发明形式和实施方案，以及其中将丝基本始终拖曳出或基本始终推出的形式。

包括未熔线束的拉紧的内部线束增强丝的沉积能够通过打印头推动沉积材料并且在(远)端粘附在打印零件上。打印头可以在张力下将丝悬挂穿过开放间隙而无材料下垂，构成构建空心组件(使用或不使用可溶性支撑材料)。

图8描绘了能够通过连续芯增强丝进行的自由空间打印。使连续芯增强丝2b附着在零件上点44处，并且通过打印头保持在点46处，可以桥接间隙48。缺少有张力的内部纤维线束，熔化的基质材料将会下垂并且落入间隙48。在一个实例中，通过桥接间隙48并且附接在相对的部分52和54上的部分50形成了图9中所示的封闭部分盒。这样的自由空间打印可用于产生不能用典型的无支撑材料打印的悬臂梁。在这样的情况下，任选地，冷却机构如冷空气喷射可通过使芯周围的聚合物材料固化来进一步防止下垂，在间隙跨接期间连续冷却整个或大部分构建区域，或者在间隙跨接期间在材料前进点冷却。仅在材料越过间隙时选择性冷却材料可以导致其余零件中更好的粘附，因为维持了相邻层之间升高的增强扩散结合。

在以上所述的实施方案中，切割刀片定位在喷嘴上游以在打印机需要时选择性切断连续芯。尽管所述方法是有效的，但是也有可能预浸丝束不能在切割器和喷嘴之间正确地“跳过间隙”。所以，在一些实施的方案中，期望增加切割步骤后芯材料重新穿线的可靠性。可以将切割器设计为较少或消除切割操作后的无支撑间隙，例如，管形切割器，其中引导丝的两个邻接并且同轴的管临时相对于彼此移位以剪切丝。

与图1A和1B类似，图10描绘了打印机机构。相同的附图标记以及呈现的零件描述了类似特征。在张力下被卷入进给辊40、42的丝2，利用辊40、42来促进引导和维持丝2对齐，丝2通过辊40、42上游的引导管74。在通过辊40、42后，连续芯丝2在轴向压缩(至少足以克服通过任何引导管或元件的摩擦力)。根据压缩之下的材料的长度以及是施加的力的大小，连续芯丝2可能倾向于屈曲。因此，连续丝2通过定位在辊40、42下游以及喷管68上游的紧密配合引导管72(例如，间隙配合)。引导管72引导丝2并且防止连续芯丝2屈曲。打印头70和切割器8之间存在间隙62。

当切割丝2时，丝2“重穿线”通过间隙62的一次到接收引导管64。接收管64本身任选地低于材料的玻璃化转变温度。任选地，接收管64和喷管68的加热部分之间的热间隔件66降低从热喷管68到接收管64的热传递。图11是包括上述组件的***的照片，示出了辊40、42，紧密配合管72和丝2(各自非常小的直径，10至50毫英寸)。

在图10中，可能会遇到重穿线(即，通过整个***，相比于在穿线或缝合过程中通过开始打印的打印头的末端)困难，这是因为与穿线后并且两端被充分支撑和约线束在一阶弯曲模式中相比，当末端无支撑时丝更柔韧并且倾向于弯曲或屈曲。在丝已经穿线后，下游部分引导整个随后丝。切割丝，尤其是利用钝的或厚的刀片，也可能使丝的末端变形，倾向于增加丝2和接收管64的不对准。

为了提高使丝穿过切割器8、8a或8b的穿线可靠性，当不使用时，可以在穿线时将切割器8从间隙62移除，并且引导管72朝向接收管64移位(向下)和/或套叠(telescoped)。可以减小引导管72和接收管64之间的间隙(缺口)，或者可以使管64、72邻接。或者，也可以引导加压流体(例如空气)从引导管72轴向向下，使得轴向流体流动以材料为中心，使材料与接收端16对齐(并且对于高速打印和/或较高打印温度，也可以冷却引导管72管，和/或减小材料通过引导管的摩擦力。

图12A、12B和13描绘了剪切切割器(shear cutter)的实施方案。其各自消除了间隙62以增加穿线的可靠性。旋转切割器可任选地定位在打印头内或打印头上游；并且旋转切割器的相对移动比块移动(block move)更重要。在图12A中，连续丝400由驱动轮408压缩驱动，并且由紧密配合引导管420接收。丝2被压缩驱动通过上剪切切割块引导件406、下剪切切割头402和加热的打印头404。上剪切切割块406和下剪切切割头402相对于彼此移位以向丝施加剪切力来切割丝。图12B示出了上剪切切割块406相对于剪切切割头402平移，剪断丝段422。如果期望剪断切割，剪切头402可以相对于上切割块406返回原位。在剪切并且返回后，丝400的末端被完全捕获在引导管中。没有间隙来跨越。

可能期望提供利用多种材料和/或操作的打印能力。图12A示出了包括任选的索引站414和416的***的一个实施方案。在一个实施方案中，站416是清洁站并且包括任选的金属清洁材料410(例如，黄铜、铜、不锈钢、铝)，其可以通过打印头404进给以清洁喷管，使得喷管能够被加热，并且利用具有比丝2高的熔化温度的材料净化。一种方法可以是：打印头404以后拐角(back corner)或其他合适的位置移动到打印清洁站；然后被加热并收录到站416；然后清洁材料410通过喷管进给以清除任何阻碍物。上剪切切割块406和下剪切切割头402然后可以切断牺牲性清洁块以防止将污染物引回喷嘴。或者，清洁剂循环地通过喷嘴推下和拉回。在另一个实施方案中，清洁站416用于推动清洁剂如高压液体、气体、溶剂等通过喷嘴。

在一些实施方案中，三维打印***可以包括对应于第二丝412的站414，所述第二丝412可以是电传导材料如铜、光传导材料如光纤、第二芯增强丝、塑料、陶瓷、金属、流体处理剂、焊料、焊膏或环氧树脂等。打印喷嘴或喷管404从其他站之一向站414索引，以沉积第二材料412并且当完成时返回。

图13示出了剪切块402，其包括形成在剪切块中的多个喷嘴404和424。在一个实施方案中，喷管404比喷管424具有更大的打印孔，能够以更加快速的体积沉积更大直径的推-拉挤预浸料和/或纯聚合物材料。在另一个实施方案中，第二喷管424与喷管404基本相同。因此，第二喷管424可用作替换喷管，如果喷管404堵塞，可以自动切管其使用。具有额外喷管将减少机器的停机时间，尤其是在无人值守打印时(例如，过夜)。与上文类似，第一和第二喷嘴404和424可以在不同站之间索引。

图14A-14C描绘了具有不同出口的一系列喷管。图14A描绘了喷管500，其包括入口502和包括尖锐出口拐角的出口504，其适合于一些丝2，例如芳香族聚酰胺，但是可能导致损坏不耐磨损的纤维，例如纤维玻璃、碳、技术芯上的镀层、光纤电缆的处理。图14B描绘了平滑过渡多倒角(例如，二倒角，或45度)喷管出口506，其减少了纤维的剪切切割；图14C描绘了平滑的圆形喷管出口或熨烫尖508，期间减少了未熔线束的剪切和切割。

或者，可能期望例如通过如箭头510所示以垂直的Z方向向下推锐缘喷管来切断丝2。如图14C中所示，喷管508的角可以是尖锐的并且定向为Z方向，以便在当压靠丝2时切断连续丝(任选的在张力下，任选地通过驱动进给机构和/或移动打印头或引动构建桌中的任一个或全部)。如图15A-15D所示，喷管的一部分任选地是尖锐的并且朝向喷管出口的内部有有助于从喷管输出的材料。如图所示，平滑倒角喷管600包括从倒角喷管600离开的丝2和定位在喷管远端出口的环602。环602的第一部分是非切割的，并且被成形和设置成避免干扰丝2，环602的第二部分包括切割部分或刀片602a(任选地钢、碳化物或陶瓷)，尖锐的并且定向为向内朝向包含在喷管600内的丝2的路径，如图15B-15D所示，并且占据喷管出口横截面积的小于1/10。切割部分602a可以是以下任意：永久性附着；选择性地在打印期间可缩回以及展开以切割；嵌入喷管出口的周长；如图15B所示形成喷管出口周长的一部分；与喷管出口整体形成；和/或附着在喷管出口。

在图15A-15D所示的操作中，喷管600以方向D相对于正在表面上构建的零件平移，而丝2静止和/或保持在适当位置，导致芯材料6拉紧。随着越来越大的张力施加到连续芯丝2上，芯6被切割部分602a切断。或者，表面和/或零件相对于喷管或使用进给机构拉紧的丝平移以执行切割动作。图16示出了基于喷管尖的切割器的另一个实施方案，在示出的实施方案中，切割环604具有朝向已经沉积的丝2的尖锐的缘，其相对于喷管600和零件运动以暴露锐缘来是促使丝预切割元件604接触并且切断芯材料6。

对于脆性材料，例如光纤电缆，切割部分602a或604可以形成小的划痕，并且喷管和零件的额外的相对平移可以完成切割。对于其他材料，例如复合纤维，圆形几何形状的喷管导致芯6在张力下朝向切割部分602a或604，朝向切割部分的所得固结(例如，压紧)使得能够利用相对较小截面刀片切割较低纤维。对于金属纤维或延性材料，切割部分602a或604可以在材料上产生足够的弱点，其足以在喷管出口处拉紧芯来断裂芯线束。

切割部分602a或604可以是被称为热切刀的高温加热元件，其可以将纤维直接或间接地加热到熔化温度、碳化温度，或者其中芯的抗张强度足够小使得可以利用足够的张力来断裂芯的温度。加热元件可以是高带宽加热器，其迅速加热以及迅速冷却而不损害打印的零件；或者感应加热元件，其隔离对纤维的加热。

根据本文讨论的本发明的一个形式，将熔化的基质丝2轴向压缩和/或侧向挤压到结合排中可以提高最终零件的性能。例如，图17A示出了施加有压紧力、轴向压缩或侧向压力62的复合纤维增强元件2。来自轴向压缩的压紧压力以及来自区3040中熨烫唇508、726、208的压扁将基本圆形横截面的丝2a(参见图17B)压缩或再成形到之前下面的层中并且成为第二基本矩形横截面的压紧形状(参见图17C)。整个丝形成结合排(即，与下面的层以及同一层之前的排结合)。丝2b扩展和将内部线束挤入到同一层上的相邻结合排2c中，并且被压缩到下面材料2d的成形丝或结合排中。成形丝或结合排的这种挤压、压紧或扩散减小了增强纤维之间的距离，增加了所得零件的强度(并且替代使用压板或真空袋后处理的在复合材料铺层中实现的常规技术)。因此，在本文讨论的本发明的一些形式中，区3040中丝2的轴向压缩和/或尤其是通过打印机头70、喷管或熨烫唇508、726、208的物理挤压可用于直接相沉积的材料或结合排施加压缩压力，以迫使其扩散或压紧或压扁到傍边和/或下面的排中。横截面积基本保持或保持相同。替代地或另外，在本发明的形式下，可以通过打印头后面的尾随压板；一次向整个层施加压紧压力的跨越整个零件的全宽压板来施加压力；和/或在打印期间可以在每个层形成后施加或者向作为整体的零件施加热、压力或真空以使层中的树脂再流动并且在最后零件内取得期望量的压紧(同时压迫所有的壁以及减少和消除空隙)。

如上所述以及参考图18A，用于熔丝制造(FFF)三维打印机的喷嘴700通常使用喷嘴700的尖的收缩，导致最终阻塞和堵塞打印头(喷嘴)。大部分FFF三维打印机上的喷嘴被认为是定期替换的的磨损项目。

在根据本发明的一些形式的扩散喷嘴中，材料随着从进给区过渡到加热的熔化区而膨胀，使得任何进入进给区的颗粒物质从较大的加热区射出。扩散喷管容易清洁，并且允许以向前进给的方式移除允许的材料。

如下文讨论的，“流体连接”用在允许流动的连续连接的情况下，并且并不暗示丝2在任何特定个阶段是或不是流体，除非另外指出。图18B示出了喷管708，其包括与冷进给区712连接的材料入口710，冷进给区712与加热区714流体连接。加热区714和/或出口716中的腔或通道的横截面积(垂直于流动方向)大于冷进给区712和/或入口710中的腔或通道的横截面积(垂直于流动方向)。冷进给区712可以由与加热区714的材料相比热传导性更低的材料制备，允许丝2通过冷进给区712并且进入加热区714而不软化。

在一个特定实施方案中，扩散喷管708使用低摩擦力进给管(例如，聚四氟乙烯)形成，进给到位于喷管内的较大直径的加热区中，使得加热区中的一部分在管的下游未被覆盖。另外或替代地，加热区可以由低摩擦力材料(例如，聚四氟乙烯)形成或者涂覆有低摩擦力材料(例如，聚四氟乙烯)，并且从冷进给区712到加热区714的过渡可以是台阶式、倒角、弯曲的或平滑的。

图18C示出了一个实例，其中扩散喷管708由使用时在加热区714内形成并且随后移除的塞子718构建。可以使用向前进给清洁循环来清洁扩散喷管708，例如以将一部分塑料施加并且粘附到打印床上或者与打印床相邻的清洁区开始，然后将粘附的塑料冷却(静止冷却)到低于其熔化温度，届时将打印床与喷管相对于彼此移动以从喷管708中抽出塞子718(任选地在来自进给机构上游的丝的未熔压缩力的帮助下)。虽然在扩散喷嘴中可以使用任何合适的材料，但是尼龙和尼龙相关物质是特别有利的，这是因为尼龙的热膨胀系数造成尼龙在冷却期间从喷管上稍微剥离以及尼龙表现出低的摩擦系数。冷进给区和加热区之一或两者中的聚四氟乙烯壁可以有助于塞子的移除。通过将塑料截面挤出到大气中，然后手动或使用自动化工具移除，也可以进行清洁循环而无粘附步骤。

在直喷管的情况下，特别是用于约0.001"至多至0.2"数量级的小直径丝，如图19A中所示，喷管720可以包括与喷管出口722基本相同大小的入口724。材料如线束增强复合丝2通过冷进给区712并且进入加热区714(例如，一个或全部看来那个区为低摩擦力和/或以聚四氟乙烯为壁)。加热区714是热传导性的，例如由铜、不锈钢、黄铜等制成。丝2附接到构建压板16清洁区上，并且进行关于图18B和18C描述的过程。小直径丝适合于此是因为小的热质量允许其快速升温以及与其进给至打印头时基本相同的尺寸挤出(在FFF的情况下)。图19B示出了其中常规预浸丝束坯在直喷管中破碎的假设方式。

图19C-19E示出了根据本发明的形式的穿线方法，其使用通过扩散喷管708进给的刚性推-拉挤预浸料绞合丝，以减少或消除堵塞。在本文中，“穿线”是结合排的连续沉积(直部分和排)的打印第一步，并且仅在丝2被切割、用完(run out)、分离或因其他原因而必须再开始之后才再次进行。图19C示出了位于冷进给区712内的连续芯丝2，冷进给区712可以从距离加热区714为5英寸或更远开始。当丝2具有较大热容量和/或刚度时，冷进给区可以开始靠近加热区714以在缝合前为材料提供预热。在冷进给区712(低于基质的熔化温度)内，丝2保持基本固体和刚性，并且保持在该位置直到临开始打印。

当打印开始时，丝2快速进给和穿线通过喷管，参见图19D。冷进给区712进给至较大腔的加热区714中，并且通过依然位于冷进给区712中的上游丝的刚性来阻止丝2接触加热区714的壁，参见图19D。通过保持刚性并阻止熔化和壁接触直到材料穿线到出口，防止了纤维在喷管内剥离、卷曲和/或堵塞，使得能够更容易地推动丝2进入并且通过热熔化区714。在一些实施方案中，可以在穿线之前和/或期间喷射压缩空气通过喷管以冷却喷管，以降低粘着在喷嘴侧壁上的可能性。另外，在缝合过程中可以减少或消除喷管的加热区714的加热，同样也降低粘着在喷嘴侧壁上的可能性。

随着连续芯丝2继续进给，连续芯丝2接触构建压板16或之前的层。然后通过喷管相对于构建压板16的运动使丝2沿着表面铺设和挤压。在短距离内，丝2接触紧挨着加热区714的圆形或倒角的唇726的壁，或者几乎接触加热区714的壁，如图19E所示。或者，代替平移打印头，可以将丝2驱动至比喷管长度更长的长度，并且当出口被之前的层或打印头堵塞时，丝弯曲至相同效果。在接触圆形或倒角的唇726、加热区714的壁(或与其几乎接触)后，沉积芯丝2被加热至沉积温度(例如，基质的熔化温度)用于熔化构建压板和/或之前的层上的沉积材料。穿线速度可以为例如2500mm/min至5000mm/min。

位于喷管出口716远端的圆形或倒角的唇726可以在喷管出口提供逐渐过渡，以有助于避免连续芯破裂以及还在连续芯丝2沉积时向其施加向下、压紧、挤压或熨烫力。换言之，“熨烫”是指这样的动作，其中：(i)对丝侧面施加的基本侧向或横向力(例如，如果丝水平铺设，则向下)，其由(ii)光滑表面(部分地平行于构建压板，或者其切线平行于构建压板的圆形)施加，(iii)如果挤压熔化丝以成为结合排，所述平面在打印方向上平移。圆形或倒角唇提供了向下的力，并且平移其与构建压板平行的下光滑表面以将连续芯丝向下熨烫到之前的层中。熨烫可以通过将唇726定位在相对于沉积表面比连续芯丝2的直径小的距离处；或者通过将结合排的高度设置成小于丝2的直径来进行熨烫，但是没有这些动作也能实现合适的压紧力(例如，利用充分刚性的材料，仅使用轴向压缩力，将唇定位在大于丝2的直径的距离处)。可以使用适当的传感器感应从唇726到之前的层或构建压板的距离，或者结合排的高度。

本文讨论的熨烫和/或轴向压缩压紧并不需要扩散喷管。例如，熨烫或熨烫唇或尖726可以与基本直线的喷管720或稍微收敛的喷管结合没参见图20A。替代地或另外，收敛喷管还可以使用独立的冷进给区和加热区，例如图20B中所示，所述图示出了收敛喷管728，包括向冷进给区712中进给的喷管入口730，冷进给区712与加热区714以及然后收敛喷管出口732流体连通。

图21A-21D示出了可用于根据本发明的本文所述第二涂层或壳打印头的FFF喷嘴。图21A示出了喷嘴800，其包括入口806，入口806与内壁802对齐，一直延伸到收敛部分804，然后到喷嘴出口808，喷嘴出口808的面积比入口806的面积小。图21B-21D描绘了多种包括平滑过渡以减少喷管内产生的背压的几何结构。图21B描绘了喷嘴810，其包括入口806，最初垂直的具有第一直径的内壁812，但是过渡成切向向内的弯曲814，在经过约45度的弯曲后，拐点816使弯曲逆转并且弯曲至内壁812再次垂直，结果出口818与入口810对齐，但是具有减小的第二直径。图21C描绘了喷嘴820，其具有内壁，所述内壁过渡成朝向喷嘴出口824的向下取向的弯曲822。图21D描绘了喷嘴826，其过渡成倒角喷嘴部分828，后者一直延伸到点830，在此处过渡成向下取向的弯曲832以限定喷嘴出口834。

图22描绘了本文所述的FFF喷嘴的防滴特征。在所描绘的实施方案中，挤出喷嘴900使材料902进给通过一个或多个垫片910并且进入冷进给区914合格加热区912，之后离开喷嘴出口908。空气通道904与冷进给区914连接并且与气缸906流体连通。在操作期间，当打印停止时，气缸906从第一中性位置开动到第二位置以选择性向空气通道904施加吸力。由于空气通道904与冷进给区914以及加热区912内的材料流体连通，吸力可以基本发明防止位于加热区中的聚合物熔体滴落。一旦打印恢复，气缸906可以返回中性位置。

如本文讨论的，“半连续”线束复合材料具有沿着长度分段成为多个离散线束的芯。这些离散线束可以是单分段线束(single segmented strand)或者捆在一起但是沿着其长度分段的多个独立丝束。离散段可以排列为使其不重叠。如本文所述，不切割的材料可以通过向材料施加张力来切断，在大部分情况下同时熔化或软化基质，最经常地在打印周期结线束时。可以通过反向驱动打印机的进给机构和/或相对于打印零件平移打印头而不从喷嘴挤出材料。

图23A-24D描绘了从喷嘴沉积的半连续线束芯丝的多个实施方案，其与图24A中描绘的连续线束芯丝2相比较。

嵌入相应基质材料中的半连续线束也可以具有离散的编入索引的线束长，其中在沿着丝长度的预定间隔处发生半连续芯的终止(并且线束长度可以大于相关联喷管熔化区的长度)。半连续线束芯可以包括清晰分离的以3英寸(例如，2至5英寸)长度排列的单独线束或线束捆，一捆的纤维与另一捆相邻，但是并不延伸到另一捆中。由控制器20控制的路径规划算法可以将线束中的断裂与末端、拐角、边缘以及打印中的其中停止点对齐。考虑到不具有切割器并且使用索引线束的打印机在半连续线束中的索引断裂与喷嘴出口对齐之前布恩那个终止打印过程，控制器20任选地用树脂填充最小特这个长度之下的区域。例如，在许多几何结构中，横截面的出口部分比中央提供了更高强度。在这种情况下，可以从半连续线束打印外部分直到最后一个完整的线束不能填充打印图案，在这个点剩余部分可以留下空白，或者利用纯树脂填充。

如图23A中描绘的，半连续芯丝1000包括位于基质1006内的第一线束1002和第二线束1004。丝1000进入低于基质玻璃化转变温度的喷管的冷进给区712。丝1000随后流过加热或熔化区714。在沉积之前，丝1000中的基质1006在加热区714内熔化。离开喷嘴后，丝1000以锚定点1005附接到零件或构建压板16上。可以通过相对于锚定点1005向前移动打印头，而半连续芯丝1000不前进；或者替代地，打印头可以保持固定，上游半连续芯丝1000缩回以施加期望的张力。由锚定点1005提供的张力允许位于喷管内的第二线束1004其余部分从加热喷嘴中拉出嵌入线束。

图23C和24C示出了索引的半连续芯丝1012，其中芯材料的末端在该部分基本结线束，因此能够在整体距离清晰分离。在预索引位置1016将芯材料的单个段与芯材料的相邻段分离。在对应于图中描绘的预索引位置1016的边界位置，材料将表现出降低的强度(例如，与包括嵌入纤维的结合排相比)。图25示出了使用这样的半连续芯丝。如图所示，多个线束1100沉积到零件或构建板上。沉积线束1100以使得其形成转弯1102以及其他特征，直到打印头使其最终在1104处通过并且割断材料，如上文所述。由于单个线束比零件的剩余距离长，剩余距离1106可以留作空白或者用分离的材料如聚合物填充。

虽然图23A示出了两个单独线束，图23B和24B示出了半连续芯丝1008，其包括嵌入在基质1006中的类似尺寸线束1010的分布。虽然以交错线示出了三个线束，这简单代表了线束的随机化或交错分布。例如，材料可以包含约1,000个碳纤维线束(纤维捆术语“1k拖”，但是在本讨论中丝束必须恰当地无空隙嵌入本文所述的热塑性基质中。可以将线束214的尺寸和分布控制为使得具有基本上类似长度的许多重叠线束。这样，半连续线束丝可以包含相对于打印喷管的熔化区大小的段，以使得可以从喷管出口拉出单个线束。熔化区可以至少与预浸纤维捆中的单个纤维的线束长度一样长或者为预浸纤维捆中的单个纤维的线束长一半。在对拉伸材料以分离丝的过程中，嵌入零件或粘附到打印平面的线束提供了锚定力，以拉出保留在喷管中的线束部分。对于长线束，一些线束可能保留在喷嘴内，其可能导致垂直取向的线束任选地被打印头推倒，或者任选地将随后的沉积层策略性放置为材料层内的垂直取向线束。

材料可以组合索引的和重叠的线束。例如，可以使用索引的连续线束，与位于较长线束扎进的转接点的较短捆平行，以使得喷管的熔化区包括足够的距离以拉出位于熔化区的重叠线束。这种方法的优点是减少了较长完整连续线束之间边界的弱点。在切断给定芯和基质材料的过程中，期望切割力足够小以防止零件变形、提升、上游纤维断裂或其他有害影响。在一些情况下，线束可能在挤出过程中断裂，这在端点是可接受的。虽然基于应用线束长度可以变化，但是对于大规模打印，通常线束长度可以为约0.2"至36"。

图24D示出了半连续芯丝和连续芯丝之间的混合方法的实例。在描绘的实施方案中，材料1018包括多个离散部分，与上文关于图24C和25描述的实施方案类似，其包括位于预索引位置的嵌入基质1006的一个或多个芯段1014。该材料还包括沿着材料的长度延伸的嵌入基质1006的连续芯1020。连续芯1020的尺寸可以为使得能够通过足够的张力切断，以能够简单地通过施加足够的张力来在预索引位置切断材料。或者，还亏上游上述多种切割方法中的任意一种。

与常规铺层一趟，复合材料的连续层可以以0°、45°、90°以及其他期望角度铺设，以为零件提供多个方向的强度以及增加强度重量比。控制器20可以控制运行，以在一个或多个特定方向和位置以轴向排列沉积增强纤维。可以选择增强纤维的轴向排列用于层内的一个或跟多个独立部分，或者可以选择用于独立层。例如，如图26所示，第一层1200可以具有第一增强纤维取向，第二层1202可以具有第二增强纤维取向。或者，第一层1200或者任意其他期望层内的第一部分1204可以具有不同于相同层内的第二部分1206或者任意数量的其他部分的纤维取向。

图27A-27C示出了利用打印头1310制造各向异性物理的方法。零件1300具有垂直取向的打印的子组件1302，零件取向平面A，其与第一取向的XY打印平面对齐。打印的子组件1302形成了电机的缠绕传导性芯，缠绕着Z方向。为了在零件1300上形成另一个线圈，将图27B所示的夹具1304添加到打印区域的打印平面1306处或下。夹具1304将零件1300保持在第二取向，平面A旋转到平面A'以使得接下来的子组件1308可以添加到平年1300。子组件1308再次以Z方向沉积，但是离开了具有组组建1302的平面，如图27C所示。

图28A示出了与图27A-27C相同的各向异性零件，但是代替使用夹具，打印机使零件1300和打印头1310绕着一个或多个轴旋转。零件1300通过旋转轴1312保持在适当位置，所述旋转轴设置并且控制平面A的取向。在图28B中，旋转轴1312旋转了90°以在与子组件1302垂直的方向形成子组件1308。相反地，打印头510可以围绕XT和/或YT方向旋转以实现类似结果。可以增加额外的自由度，例如，在汽车应用中，旋转轴1312可以相当于烤肉架(rotisserie)，其能够使车架围绕YT轴旋转以使得连续纤维能够布置在X-Y平面、Z-Y平面或之前的任何平面。或者，跟踪车架内部轮廓的流体旋转可用于随着车辆旋转使材料连续沉积在车辆上。这样的三维打印机可任选地向打印头增加XT轴以能够全轮廓跟踪以及产生凸形和凹形单片车身结构二者。除了旋转零件1300和打印头1310以外或者替代它们，支撑零件1300的桌1314可围绕ZT轴旋转以能够使组件旋转给定纤维方向。

三维打印机可以在堆叠的二维层的外部轮廓上形成三维壳。这可以防止层离以及增加零件的抗扭刚度。

图29示出了三维打印头1310，其具有关于图28A和28B描述的能力，用于形成包括三维打印壳的零件。打印头1310首先沉积一系列层1320(其可以是纤维增强的或纯树脂，或者任意组合)以构建零件。打印头1310能够在常规XYZ方向铰接(articulate)，以及绕着XT、YT和ZT方向旋转。

图30A-30C描绘了使用图29的打印头形成的多个零件。图30A示出了在XY平面中沉积为二维层的多个部分1322的零件。部分1324和1326随后沉积在ZY平面中以赋予零件在Z方向增加的强度。图30B示出了相关的壳打印方法，其中在XY平面形成层1328和1330并且被在XY和ZY方向延伸的壳1332和1334覆盖。如图中所示，壳1332和1334可以完全覆盖下面的由层1328和1330形成的芯，参见部分1336，或者一个或多个壳可以仅覆盖在下面的芯的一部分上。例如，在部分1338中，壳1332覆盖在层1328和1330二者上。但是，壳1334不完全覆盖层1328，并且产生了图中所示台阶式结构。图30C示出替代实施方案，其中添加支撑材料1340以相对于构建压板或其他支撑表面升高零件，以使得三维打印机的转动头在零件和支撑表面之间具有间隙，已能够将壳1342沉积到下面的零件芯的层1344上。

以上描述的打印头还可以用于形成包括不同的连续芯增强丝取向的离散子部分。一个子部分中的连续芯增强丝方向可以基本上在XY方向，而另一个子部分中的方向可以在XZ或YZ方向。

本发明打印方法可以使用这样的填充方式，其在所选择区域使用高强度复合材料，在其他位置使用填充材料(例如，较低强度的复合材料或纯树脂，例如尼龙)，参见图30D-30G，其描绘了横截面中层的堆叠。图30D描绘了完全由填充材料1350形成的零件。在图30E中，复合材料1352径向向外沉积在零件的大部分上，并且向内延伸期望距离以提供期望的刚度和强度的增加。零件的其余部分由填充材料1350形成。如图30D-30G的一系列图示出的，用户可以从零件的多个角或多或少地延伸复合材料相对于填充材料的使用。例如，由控制器20控制的控制算法可以在规定数量的同心填充过程的使用同心填充方式追踪零件的外部角和壁部分，然后使用期望的填充材料填充零件的其余部分。

图31A-31C示出了示例性翼型的多个实施方案的横截面，其仅作为可以在不同子部分内利用部分纤维取向来形成的一种形状。本文的“翼型”可以与“在不同方向和沿着不同表面具有不同强度的3D形状”互换使用。

图31A示出了在同一平面上利用塑料沉积来构建三维零件的每一个部分的方法。具体地，部分1350、1352和1354均在相同的XY平面取向构建。描绘的部分在相邻界面连接，为了说明目的，放大了其边界。

在图31B中，零件利用独立部分1362、1364和1366构建，其中部分1362和部分1366的纤维取向1368和1372与部分1364的纤维取向1370正交。通过使部分1364中的纤维相对于其他部分正交取向，所得零件在Z方向具有大得多的结合强度。此外，通过以这种方式构建零件，设计师可以确定每个部分的相对厚度，以规定沿着每个方向的强度。

图31C描绘了与包括不同纤维取向的子部分组合的壳。在本实施方案中，部分1374、1376和1378在相同方向沉积以形成芯，之后在正交方向打印壳1386。壳1386可以是单层或多个层。另外，根据设计要求，除了与下面的芯方向正交外，壳1386的多个层可以包括各种取向角度。虽然本实施方案示出了具有全部在相同方向1380、1382和1384的纤维取向的内部部分，但是明显的是，子部分1374、1376和1378也可以设置有与图31B类似的不同纤维取向。

图32描绘了具有可选择打印头的三维打印机的任选实施方案。在所描绘的实施方案中，打印臂1400能够通过万向连接1404附接到打印头1402。合适的消耗材料1406(例如连续芯增强丝)可能已经进给至打印头1402中，或者可以在其附接至打印机1400上后进给至打印机。当期望另一种打印材料时，打印臂1400将打印头1402返回到相关联的支架上。随后，打印机1400可以捡起打印头1408或1410，后者能够打印尺寸不同和/或包含不同材料的消耗材料以提供差异。

虽然本发明的一个形式使用热塑性基质，但是混合***也是可能的。增强丝可以使用通过固化周期完成的基质，例如使用热、光、激光和/或辐射。例如，连续碳纤维嵌入部分固化的环氧树脂，以使得挤出的组件粘连在一起，但是需要后固化以充分硬化。同样的，虽然本发明的一个形式使用连续芯增强丝，但是在一些实施方案中，可以通过将树脂基质和实心连续芯在加热的挤出喷嘴中组合来形成连续芯增强丝。树脂基质和实心连续芯能够组合而不沿着截面形成空隙，这是因为与多纤维丝芯中的多界面相比，利用实心连续芯时树脂易于润湿实芯的连续周长。因此，这样的实施方案特别可用于期望改变沉积材料的性质的地方。

图33描绘了混合多元件打印头1500，其能够选择性挤出材料进给选项纤维或线1502、第一基质1504和第二基质1506，以及任选切割器8。更具体地，多元件打印头1500作为单个元件或组合时能够选择性沉积任意材料进给选项1502、1504和1506。例如，材料1502是通过中央管进给的连续铜线；材料1504是结合性树脂如尼龙塑料；材料1506是不同的结合性树脂，例如可溶解或可溶载体支撑材料。打印头1500一次挤出所有元件，例如，铜线1502在底部表面由尼龙粘合剂1504包围，在顶部表面由可溶解支撑材料1506包围，参见部分1508。打印头1500还可以沉积单独涂覆有尼龙粘合剂1504或可溶支撑材料1506的铜线1502，见部分1510和1514。或者，多元件打印头1500可以沉积单独沉积上述材料选项以用于任意数量的目的，参见部分1512处的裸铜线。

打印头1500任选地包括空气喷管1508，其能够预加热打印区域和/或快速冷却挤出的材料，参见图33。空气喷管1508可允许形成结构如跨线(flying lead)、间隙桥接和无支撑特征。例如，可以通过多元件打印头1500挤出传导性芯材料以及共挤出的绝缘塑料，以形成打印零件的迹线(trace)。然后迹线的末端可以以跨线或猪尾线(pigtail)结线束。为了实现这一点，可以升高多元件打印头，同时相称地挤出传导性芯和绝缘夹套。多元件打印头还可以任选地利用空气喷管1508冷却绝缘夹套。然后能够将线的末端打印成“剥离线”，其中挤出传导性芯而无绝缘夹套。然后切割8可以中断传导性芯。以上述方式形成的跨线可用于消除组装期间的下游剥离步骤。

图34描绘了部分的混合***，其使用立体光刻(和/或选择性激光烧结)来提供嵌入的纤维周围的基质，即，通过聚焦辐射固化线束(激光、UV)在期望的层结构中扫描来时液体或粉末形式的连续树脂逐层固化的过程。为了提供与包括实心材料和多纤维丝材料二者的不同类型连续芯丝相关的强度和功能性的增加，可以将与沉积每一层相关的立体光刻过程修改成两步过程，其能够构建包括期望位置和方向的连续芯丝的复合材料组件。可以将连续芯或纤维沉积在待打印层内的期望位置和方向，所述层完全或部分沉浸在树脂中。在连续纤维沉积在期望的位置和方向后，使相邻的树脂固化以在纤维周围***。这可以随着连续纤维的沉积进行，或者可以在连续纤维沉积后进行。在一个实施方案中，用单个连续纤维打印整个层而不需要切割连续纤维。在另一些实施方案中，可以在打印层的不同部分以不同取向提供增强纤维。为了有利于使连续纤维沉积在多个位置和方向，可以使用本文所述切割器或者通过用于固化树脂的激光使连续纤维中断。

图34描绘了正在使用立体光刻法在压板1602上构建的零件1600。将零件1600沉浸在包含在托盘1606中的液态树脂(光聚合物)材料1604中。在形成零件1600的过程中，在每一层形成后，将压板1602移动依次更低的一个层厚度，以保持零件1600沉浸。在形成每一层的过程中，连续芯丝1608被进给通过喷管1610并且沉积在零件1600上。控制喷管1610以在正形成的层中的期望位置以及以期望方向沉积连续芯丝1608。连续芯丝1608的进给速率可以等于喷管1610的速度，以避免干扰已经沉积的连续芯丝。随着连续芯丝1608沉积，合适的电磁辐射(例如，激光1612)使喷管1610运行路径背后的位置1614中的连续芯丝1608周围的树脂固化。可以选择位置1614和喷管1610之间的距离以使得固化前连续芯丝完全沉浸在液态树脂内。激光由源1616产生并且由可控制的镜1618引导。三维打印机还包括切割器1620，以能够如上所述终止连续芯丝。

任选地，在沉积额外的芯材料时，通过一个或多个“轨道”将沉积的丝保持在适当位置，所述“轨道”是使连续芯丝保持在适当位置的足够量的硬化树脂材料。如图35中描绘的，随着连续芯丝通过喷嘴(未示出)沉积，在多个离散点1622通过激光1612使连续丝1608固定在适当位置。在连续芯丝1608的一部分或全部沉积后，通过预定方式引导激光1612以使液态树脂材料1604固化并且形成当前层。与上面的***类似，合适的电磁辐射(例如，激光1612)由源1616产生并且由可控制的镜1618引导。可以将材料的平衡处固化以使相邻线束之间的最大交联尽可能大，例如当足够数目的线束已经沉积到层上并且固定在适当位置后，可以在与连续丝的沉积线束的方向垂直的珠中使树脂固化。与沉积线束垂直的方向中树脂的固化可以提供相邻线束之间增加的结合，以改善零件在与连续丝的沉积线束方向垂直的方向的强度。如果层的独立部分包括朝向不同方向的连续丝的线束，固化图案可以包括在层的每一部分中与连续纤维芯材料的线束方垂直或平行的线。

为了避免在立体光刻过程中在沿着连续芯丝和数值基质之间的界面形成空隙，可能期望的是有利于润湿或渗入。可以通过将液态树脂材料保持在升高的温度下一定量的时间，在连续丝上使用润湿剂，向***施加真空和，或者任意其他合适的方法来促进连续纤维的润湿和树脂渗入连续丝横截面中。

除了使用连续芯增强丝通过纤维取向来形成在期望方向具有性能的多种复合材料结构以外，在一些实施方案中，期望在纤维方向以外的方向提供额外强度。例如，连续芯增强丝可以包含额外的复合材料以增强材料的整体强度或者材料在除纤维芯方向以外的方向的强度。例如，碳纤维芯材料可以包含基本垂直负载的碳纳米管。在芯上基本垂直地负载小纤维元件增加了复合材料的剪切强度，并且有利地增加了所得零件在与纤维方向基本垂直的方向上的强度。这样的实施方案可以有助于降低零件沿着给定层脱层的倾向。

Claims

1.一种用于添加制造零件的方法，所述方法包括：

进给未熔纤维增强复合丝，其包括在基质材料内延伸的多个线束；

在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度，以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料；

随着所述纤维增强复合丝以结合排沉积到所述零件上，向所述纤维增强复合丝施加压扁力；以及

在所述压扁力和所述零件之间的所述纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，所述中性至正性张力是小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述进给未熔纤维增强复合丝包括沿着阻止所述纤维增强复合丝屈曲的间隙配合区进给所述未熔纤维增强复合丝。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基质材料包含未熔极限抗拉强度为大约10至100MPa并且熔化极限抗拉强度小于10MPa的热塑性树脂，并且所述多个线束中的至少一个包括极限抗拉强度为大约200-100000MPa的线束材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其还包括在非接触区加热所述纤维增强复合丝，以及维持中性至正性张力主要通过所述多个线束内的张力实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述横向压力区中随着结合排附着到所述零件上时维持所述纤维增强复合丝基本恒定的横截面积。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述纤维增强复合丝具有大于1×10^-5平方英寸并且小于2×10^-3平方英寸的横截面积。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个线束中的至少一个在任何横截面积中包括100至6000个平行的连续轴向线束。

8.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述压扁力处或者与所述压扁力相邻切割所述纤维增强复合丝。

9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

拖曳所述横向压力区中与所述零件的第一部分连接的所述纤维增强复合丝；

将所述横向压力区平移通过自由空间；以及

压扁以将所述纤维增强复合丝再连接到所述零件的第二部分。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的玻璃化转变温度的温度，以使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔点温度的温度，以使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。

12.一种用于添加制造零件的方法，所述方法包括：

供应未熔纤维增强复合丝，其包括在所述纤维增强复合丝的基质材料内延伸的多个线束；

将所述纤维增强复合丝向前穿线以接触横向压力区中的所述零件；

相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区，以将所述纤维增强复合丝的末端带到熔化位置；以及

在所述熔化位置熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料。

13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：

随着所述纤维增强复合丝被以结合排挤压到所述零件上，利用压扁力来压扁所述纤维增强复合丝；以及

在所述压扁力和所述结合排之间的所述纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，所述中性至正性张力为小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力。

14.根据权利要求13所述的方法，其还包括在压扁期间控制所述压扁力距离所述零件的顶部的高度小于所述纤维增强复合丝的直径。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述基质材料包含未熔弹性模量为大约0.1至5GPa并且熔化弹性模量小于0.1GPa的热塑性树脂，并且所述多个线束中的至少一个包括弹性模量为大约5-1000GPa的线束材料。

16.根据权利要求12所述的方法，其还包括：

在压扁的立即上游加热所述纤维增强复合丝；以及

沿着所述纤维增强复合丝的压缩通过沿着所述纤维增强复合丝延伸的所述多个线束内的轴向压缩力实现。

17.根据权利要求16所述的方法，其还包括平移所述纤维增强复合丝的末端以侧向地紧靠所述横向压力区下面的待通过施加热和压力压扁的所述零件。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括在整个至少一个通道中，所述纤维增强复合丝维持在低于所述基质材料的玻璃化转变温度的温度。

19.根据权利要求12所述的方法，其还包括在未熔状态下切割所述纤维增强复合丝。

20.根据权利要求12所述的方法，其还包括阻止所述纤维增强复合丝接触与所述横向压力区相邻的腔的至少一个加热壁。

21.根据权利要求12所述的方法，其还包括使所述纤维增强复合丝接触所述横向压力区中的加热元件以熔化所述纤维增强复合丝的基质材料。

22.根据权利要求12所述的方法，其还包括：

形成由压扁的纤维增强复合丝结合到所述零件上形成的排，以及

利用所述压扁力结合来自先前形成的所述排的反作用力，横向和垂直地再成形所述排。

23.根据权利要求12所述的方法，其中相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区以将所述纤维增强复合丝的末端带到熔化位置包括：相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区，以将所述纤维增强复合丝的末端带到玻璃化转变位置；以及

其中在所述熔化位置熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述玻璃化转变位置使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。

24.根据权利要求12所述的方法，其中相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区以将所述纤维增强复合丝的末端带到熔化位置包括：相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区，以将所述纤维增强复合丝的末端带到熔点位置；以及

其中在所述熔化位置熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述熔点位置使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。

25.一种用于添加制造零件的三维打印机，包括：

纤维增强复合丝的纤维复合丝供应器，所述纤维增强复合丝包括在所述所述纤维增强复合丝的基质材料内延伸的一个或多个轴向纤维线束；

构建压板；

打印头，其包括再成形唇；以及

横向压力和结合机构，包括：

多个制动器，所述制动器使所述再成形唇和所述构建压板相对于彼此相对移动，以将所述轴向纤维线束的一侧铺到所述零件上，并将所述轴向纤维线束的该侧压入到所述零件中；以及

再成形唇加热器，所述再成形唇加热器在所述再成形唇处使所述基质材料流体化并将所述基质材料结合到所述零件上。

26.根据权利要求25所述的三维打印机，其还包括：

间隙配合通道，所述间隙配合通道沿着路径将所述纤维增强复合丝引导到所述再成形唇处并阻止所述纤维增强复合丝的屈曲；以及

进给区，其温度低于所述再成形唇并且位于所述间隙配合通道和所述再成形唇之间。

27.根据权利要求25所述的三维打印机，其中所述多个制动器还使所述再成形唇和所述构建压板相对于彼此相对移动，以施加来自被打印零件的反作用力而挤压所述纤维增强复合丝，从而形成粘附在下面基本平坦的表面的基本矩形的排。

28.根据权利要求25所述的三维打印机，其中所述多个制动器还使所述再成形唇和所述构建压板相对于彼此相对移动，以向所述纤维增强复合丝的一侧施加熨烫力而熨烫所述纤维增强复合丝，从而形成结合排。

29.根据权利要求25所述的三维打印机，其还包括用于使所述纤维增强复合丝前进的进给机构，所述进给机构和所述多个制动器还使所述纤维增强复合丝、所述再成形唇和所述构建压板相对于彼此相对移动，以施加小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力，所述张力通过在之前沉积的结合排和所述打印头之间的所述轴向纤维线束。

30.根据权利要求25所述的三维打印机，其中所述进给机构和所述多个制动器还使所述纤维增强复合丝、所述再成形唇和所述构建压板相对于彼此相对移动，以在纤维增强复合丝的连续打印阶段通过横向挤压和轴向张力来施加结合排，并且在纤维增强复合丝的穿线阶段通过横向挤压和轴向压缩来施加结合排。