CN106716574B - 使用磁场的不连续纤维复合材料的增材制造 - Google Patents

使用磁场的不连续纤维复合材料的增材制造 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于生产复合部件的方法和设备，以使得能够在精确控制基体材料内的增强颗粒或其它颗粒的取向和空间分布的情况下来组装复合部件。该方法和设备在各种增材制造工艺期间施加磁场，以在部件的每个层内实现复杂的颗粒取向。所述复合部件可以实现增强的性能，包括机械性能、热性能、电性能和光学性能。

Description

使用磁场的不连续纤维复合材料的增材制造
相关申请的交叉引用
本申请依据35§119(e)要求于2014年6月6日提交的题为“用磁场在增材制造工艺中生产不连续纤维结构的方法”的美国临时申请号62/008,914的优先权，该申请的公开内容通过引用并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
N/A
背景技术
增材制造(有时称为3D打印)用于由各种材料例如聚合物、金属和陶瓷制造复杂的三维结构，其分辨率低至几十微米的水平。已经通过这些技术生产从齿轮到喷射发动机的功能燃油喷嘴的承重机械结构。
聚合物的打印主要通过用于热塑性塑料的基于挤出的直写方法和用于热塑性塑料和热固性塑料的基于立体光刻(SLA)的光聚合方法来实现。打印的聚合物重量轻但相对较弱。因此，3D打印现在正朝着制造纤维增强聚合物复合材料的方向发展。已开发工业自动化纤维铺放(AFP)打印机，可打印连续股碳纤维、Kevlar和玻璃纤维增强的聚合物。这些自动铺放打印机仅限于长度尺度大于毫米且几何尺寸大于厘米的并且取向控制限于X-Y平面的增强纤维。
发明内容
本发明提供了一种增材制造技术，其采用实时胶体组件以制造高度可编程的不连续增强结构，其中纤维的取向可以精确地控制。
本发明的一个方面是一种制造复合材料部件的方法，其包括：
(a)在与平台板相邻的第一层中引入前体材料，所述前体材料包括基体材料和磁响应颗粒，所述磁响应颗粒至少部分包含磁性材料；
(b)用第一磁场使所述磁性响应颗粒取向成第一排列(alignment)；
(c)用保持在第一排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固第一层中的第一部分基体材料；
(d)用另一磁场将另一部分磁响应颗粒取向到不同于所述第一排列的另一排列中；以及
(e)用保持在所述另一排列中的另一部分内的磁响应颗粒加固第一层中的另一部分基体材料。
在所述方法的另一方面，重复步骤(d)和(e)直至在第一层中确定部分的基体材料已经被加固。
在所述方法的另一方面，在步骤(c)和(e)中，基体材料为部分固化的、完全固化的、硬化的、聚合的或交联的。
在所述方法的另一方面，当第一层中基体材料的想要部分已经被加固，将第一层从平台板移除并且在邻近平台板的第二层，邻近第一层引入另外的前体材料。
在另一方面，所述方法还包括：
(g)在与第一层相邻的第二层中引入另外的前体材料，
(h)用磁场将第二层中的颗粒以第三排列取向；
(i)用保持在第三排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固第二层中的第一部分基体材料；
(j)用磁场将另一部分磁响应颗粒以不同于第三排列的第四排列取向；
(k)用保持在第四排列中的第二部分磁响应颗粒加固第二层中的第二部分基体材料以加固基体材料；
(l)重复步骤(j)和(k)，直至在第二层中想要部分的基体材料已经被加固。
在所述方法的又一方面，所述第一磁场和其它磁场通过平行于所述第一层的平面的一个或多个磁场源，和在第一层的平面外的一个或多个磁场源施加。
在所述方法的又一方面，基体材料的第一部分和基体材料的另一部分均包含离散体素。
在所述方法的其它方面，第一部分的体素与另一部分的体素间隔。
在所述方法的其它方面，每个体素具有至少约50x 50x 50微米的分辨率。
在所述方法的另一方面，每层具有至少约50微米的厚度。
在所述方法的另一方面，所述磁性材料包括铁磁材料、顺磁材料、超顺磁材料、氧化铁、铁、钴、镍、铁合金、钴合金或镍合金。
在所述方法的其它方面，所述磁性材料包括颗粒、微珠、纳米颗粒、锉屑、纤维、薄片、棒、晶须或晶板。
在所述方法的其它方面，所述磁响应颗粒包括与磁性材料偶合的非磁性材料。
在所述方法的其它方面，所述非磁性材料包括氧化铝、磷酸钙、铜、玻璃、硫酸钙、尼龙、聚苯乙烯或碳化硅。
在所述方法的其它方面，所述非磁性材料包括不连续纤维、棒、晶板、薄片或晶须。
在所述方法的其它方面，所述非磁性材料用所述磁性材料涂布。
在所述方法的其它方面，所述磁性响应颗粒在形状上在至少一个维度上是各向异性的。
在所述方法的其它方面，所述磁响应颗粒具有200nm-1000μm的最长尺寸。
在所述方法的其它方面，所述磁响应颗粒具有1μm-20μm的最长尺寸。
在所述方法的其它方面，所述磁响应颗粒具有2-200的长径比。
在所述方法的另一方面，所述基体材料包括光聚合物，并且在步骤(c)和步骤(e)中，用具有为实现光聚合物的固化而选择的波长的辐射照射基体材料的选定体素，由此固化基体材料。
在所述方法的其它方面，辐射源的波长是300nm-900nm。
在所述方法的其它方面，辐射源是从紫外到红外的范围。
在所述方法的其它方面，基体材料包括可光固化的丙烯酸材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、或聚氨酯材料。
在所述方法的其它方面，前体材料的基体材料在加固之前的粘度是0.7mPa·s-10Pa·s。
在所述方法的其它方面，前体材料包含丙烯酸基光聚合物和用氧化铁纳米颗粒标记的增强氧化铝微晶板颗粒。
本发明的另一方面是复合部件，其包含包埋在基体材料中的磁响应颗粒，大量的所述磁响应颗粒在基体材料中单层内具有不同取向，所述部件具有的机械性能、热性能、电性能和电磁性能和光学性能中的至少一种是各向异性的。
在所述复合部件的另一方面，所述性能包括拉伸强度、热导率、电导率、不透明度或颜色中的至少一种。
在所述复合部件的其它方面，所述部件包括微型飞行器、导管、生物相容性植入物、假体装置、矫形装置、航空部件、嵌入式电子部件、头盔、头戴受话器、用于身体部位的铸件、机械硬件或围绕开口的增强件。
本发明的又一方面是电脑可读的媒介储存指令，当通过增材制造设备的至少一个处理器单元执行时，其使得增材制造设备产生包含复合部件的三维物件，所述复合部件包含包埋在基体材料中的磁响应颗粒，大量的所述磁相应颗粒在基体材料中单层内具有不同取向，所述部件具有的机械性能、热性能、电性能和电磁性能和光学性能中的至少一种是各向异性的。
本发明的又一方面是制备复合部件的设备，其包括：
与前体材料源相连的平台板，所述前体材料包含基体材料和磁响应颗粒，所述磁响应颗粒至少部分包含磁性材料；
辐射源，其设置为在离散体素中施加辐射到设置在平台板上的前体材料层上；
多个磁场源，其设置为向平台板上的前体材料层施加多个取向的磁场，且
处理器单元，其与平台板、辐射源和多个磁场源控制通信。
在所述设备的另一方面，设置多个磁场源以施加在平行于平台板的平面上具有磁力线分量以及在正交于平台板的平面上具有磁力线分量的磁场。
在所述设备的又一方面，所述多个磁场源包括至少两个磁场源设置为施加平行于平台板的平面的取向的磁场和至少一个磁场源设置为施加在平台板的平面外的取向的磁场。
在所述设备的又一方面，多个磁场源还包括至少两个其它磁场源设置为施加平行于平台板平面的取向的磁场。
在所述设备的又一方面，取向平行于平台板平面的所述至少两个磁场源相互垂直设置。
在所述设备的另一方面，多个磁场源的至少一部分被支撑以沿平台板的平面运动。
在所述设备的另一方面，多个磁场源的至少一部分被支撑以沿平行于平台板平面的平面运动。
在所述设备的另一方面，每个磁场源包括螺线管或电磁体。
在所述设备的另一方面，在平行于平台板平面的平面中的每个磁场源包括螺线管，所述螺线管包括围绕铁芯的线圈。
在所述设备的另一方面，在垂直于平台板平面的平面中的磁场源中的至少一个包括螺线管，所述螺线管包括围绕开放芯区域的线圈。
在所述设备的另一方面，辐射源被设置以直接辐射穿过开放芯区域至平台板。
在所述设备的另一方面，辐射源的波长是300nm-900nm。
在所述设备的另一方面，辐射源的范围是从紫外到红外。
在所述设备的另一方面，辐射源被操作以直接辐射到选定的离散体素。
在所述设备的另一方面，辐射源包括数字光投影仪。
在所述设备的另一方面，平台板被安装用于相对于前体材料源垂直移动。
在所述设备的另一方面，容器包括前体材料源，并且平台板被安装用于在上述容器内垂直移动并从上进入容器内。
在所述设备的另一方面，容器包括前体材料源，并且磁场源的至少一部分被设置为环绕容器周围。
在所述设备的另一方面，容器包括前体材料源，并且至少一个磁场源被垂直设置于容器下方。
在所述设备的另一方面，磁场源包括螺线管，所述螺线管包括围绕开放芯区域的线圈，并且辐射源被设置在螺线管下方，以辐射穿过开放芯区域到相邻于平台板的容器中的前体材料层。
在所述设备的另一方面，所述处理器包括以下指令：
(a)在邻近所述平台板的第一层中从所述前体材料源引入前体材料；
(b)驱动所述多个磁场源中的一个或多个，以向第一层施加第一磁场，用所述第一磁场使磁响应颗粒取向为第一排列；
(c)驱动所述辐射源，以用保持在第一排列中的第一部分内的磁响应材料加固第一层中的第一部分基体材料；
(d)驱动所述多个磁场源中的一个或多个，以施加另外的磁场，用另外的磁场将所述磁响应颗粒的另一部分取向为不同于第一排列的另一排列；以及
(e)驱动辐射源，以用保持在所述另一排列中的另一部分内的磁响应颗粒加固第一层中的另一部分基体材料。
附图说明
以下结合附图以详细的描述更加充分地理解本发明，其中：
图1是增材制造方法的一个实施方案的示意流程图；
图2是用于增材制造的设备的一个实施方案的等距视图；
图3是图2所示设备的等距视图，其中为了使图像更清晰而移除辐射源；
图4是图2的磁场系统和线性运动系统的等距视图；
图5是图2的磁场系统的等距视图；
图6是线性运动系统的等距视图；
图7是平台板、前体源和图2的线性运动系统的前视图；
图8是图2的辐射源的数字光处理器的实施方案的分解示意图；
图9是用于图2的设备的处理器单元的示意性框图；
图10是表示表面磁化晶板的超高磁响应的曲线图；
图11是表示表面磁化棒的超高磁响应的曲线图。
图12A是表示磁场中粒子的行为的示意图；
图12B是表示经受磁场的流体中粒子的粘性阻力的曲线图；
图13A是使用立体光刻法提供磁响应晶板的垂直排列的实验设备的照片；
图13B是使用立体光刻法提供磁响应晶板的水平排列的实验设备的照片。
图13C是表示图13A的晶板的垂直的平面外排列的示意图；
图13D是表示图13B的晶板的水平的平面内排列的示意图；
图13E是来自图13A所示实验设备的样品的显微照片；
图13F是来自图13B所示实验设备的样品的显微照片；
图14A是表示类似于图13A的实验设备的磁响应棒的垂直的平面外排列的示意图；
图14B是表示类似于图13B的实验设备的磁响应棒的水平的平面内排列的示意图；
图14C是来自图14A的实验样品的显微照片；
图14D是来自图14B的实验样品的显微照片；
图15A是使用微喷嘴打印法提供磁响应晶板的垂直排列的实验设备的照片；
图15B是来自图15A所示实验设备的样品的照片；
图15C是表示图15A的晶板的垂直的平面外排列的示意图；
图15D是表示晶板的水平的平面内排列的示意图；
图15E是来自图15C所示实验设备的样品的显微照片；
图15F是来自图15D所示实验设备的样品的显微照片；
图16A是展示根据本发明的方法的实施方案形成的两个离散的氧化铝晶板取向的棋盘图；
图16B和C是在平面外排列(B)和平面内排列(C)之间的界面处的棋盘格显微照片(10倍放大)；
图16D是描绘图16B所示的平面外排列的示意图；
图16E是描绘图16C所示的平面内排列的示意图；
图17A是根据本发明方法的实施方案形成的含有10体积％磁响应晶板的三维模块(block)的照片；
图17B是描绘图17A所示的部件中晶板的取向的示意图；
图17C是图17A所示的部件在界面处的扫描电子显微镜图像；
图17D是图17A所示的部件在界面处的扫描电子显微镜图像；
图17E是图17A所示的部件的一个取向的扫描电子显微镜图像；
图17F是图17A所示的块部件的一个取向的扫描电子显微镜图像；
图18是用于拉伸试验的根据的本发明方法的实施方案形成的具有10％氧化铝颗粒的犬骨状照片；
图19是具有标准偏差的条形图，其比较了通过本发明方法的实施方案和通过流延成型方法制备的犬骨状试样的杨氏模量；
图20是具有标准偏差的条形图，其比较了通过流延成型方法制造的具有不同的晶板取向的犬骨状试样的杨氏模量；
图21是棋盘、自由女神像图像和线性带的图像，其展示了根据本发明的实施方案制作的不同的颗粒取向提供的不同的光学性质；
图22A是单个体素的示意图；
图22B是由本发明方法的实施方案形成的单块复合材料的杨氏模量和断裂应变的图；
图22C是由本发明方法的实施方案形成的三维结构的表面的二维硬度绘图；
图22D是围绕圆形缺陷具有可编程增强结构的样品的图示；
图22E是沿图22D的样品的两个轴的拉伸强度图；
图23A示出在具有以不同角度取向增强的三维单块犬骨在不同拉伸载荷下的机械失效机制，其中，对于顶部行和底部行，比例尺分别为500μm和25μm；
图23B示出与取向增强的整块膜匹配和对比的岛相结构，其中比例尺为500μm；
图24示出不同颗粒取向的和没有颗粒的杨氏模量；
图25A和B显示了对具有不同颗粒取向的犬骨状试样进行的拉伸试验中的失效模式；
图26示出对在中心具有同心加强孔的犬骨状试样进行的拉伸试验中的失效模式；
图27示出样品的硬度分布图；并且
图28A-D示出在不同颗粒取向情况下控制断裂的能力。
具体实施方式
本申请通过引用并入在2014年6月6日申请的题为“用磁场在增材制造工艺中生产不连续纤维结构的方法”的美国临时申请号62/008,914的全部公开内容。
不连续纤维复合材料代表一类坚固、重量轻且具有优异断裂韧性的材料。使增材制造技术适应不连续纤维增强复合材料的挑战是在打印过程中控制纤维取向的能力。用施加的应力取向的纤维增强了周围的基体，而正交纤维作为缺陷，削弱了聚合物基体。随机分布的纤维(无控制的体系的标准)在这两个极端之间的区域中发挥作用，导致可忽略的对复合材料强度的影响，同时严重损害其延展性。
本发明提供了一种用于生产复合部件，例如增强复合部件的方法和设备，其能够在制造期间通过结合磁性组件和增材制造来控制部件的每层内的纤维或其它颗粒取向，以制造具有复杂微结构颗粒取向的复合材料。所述方法和设备在逐层制造工艺过程中采用定向胶体组装以提供对复合材料内的增强颗粒或其它颗粒取向进行完全的可编程的控制。例如，利用该方法和设备，可以生产增强结构使得复合材料能够呈现增强的机械性能，例如，但不限于，更大的刚度、增加的强度、在微米数量级上的硬相和软相、和更高的断裂能性能、以及多功能性能。除了增强的机械性能之外，可以生产具有其它增强性能，例如热、电和光学性能的复合部件。该方法坚固、低成本、可扩展、可持续，并且可以实现一类新的具有可编程属性的坚固、轻质的复合部件。
采用本文所述的方法和设备，复合部件由前体材料形成，所述前体材料包括分散在前体液体形式的基体材料内的磁响应颗粒。每个磁响应颗粒的至少一部分包括磁性材料。例如，所述颗粒可以由用磁性颗粒标记的非磁性材料形成或者可以完全由磁性材料形成。磁响应颗粒可以具有任何期望的形状或构造以赋予成品复合部件预期的性能。实例包括但不限于不连续纤维、棒、晶板、薄片、晶须和晶板。
基体材料能够例如通过暴露于紫外线辐射下的聚合而被加固。基体材料的加固足以在过程期间或通过设备在具有不同取向的后加磁场的存在下在基体材料的加固部分中将磁响应颗粒保持在期望的取向。加固可包括但不仅限于固化、部分固化、完全固化、聚合和交联。
将前体材料加入增材制造设备中。所述增材制造设备可以包括处理器单元，所述处理器单元包括用于逐层地生产复合部件的指令和数据文件。所述数据文件可以是指定要生产部件构造的计算机辅助设计文件(例如，.stl)。数据文件包括部件的每层内的磁响应颗粒的期望取向。在每层内，颗粒可以具有不同的取向。数据文件包括定义具有类似的粒子取向的每层的每部分的数据。例如，每层由体素(体积像素)阵列定义，并且每部分由来自体素阵列的体素子集定义。每部分可以是单个连续区域，或者可以是多个离散区域。体素分辨率可以为至少约50×50×50微米。
在一个实施方案中，如图1所示，在步骤1中，将前体材料10引入到增材制造设备中，例如，与平台板16相邻的第一层14中，所述前体材料10在基体材料20中具有磁响应颗粒12。在步骤2中，将第一磁场18施加到前体材料以使磁响应颗粒12取向为第一排列。施加磁场的持续时间可以取决于许多因素例如施加的磁场的强度、施加的磁场的旋转频率、前体材料的粘度、包括在磁响应颗粒中的磁性材料的量，以及磁响应颗粒的几何形状。在一些实施方案中，持续时间可以为1秒-5分钟。在一些实施方案中，磁场强度可以为50奥斯特-1000奥斯特。在步骤3中，随后加固第一层14内的基体材料的第一部分22即活性体素，同时保持磁场，使得在该第一部分内的磁响应颗粒12'的取向变得固定。加固可以通过例如用合适波长的辐射例如紫外线辐射24使基体材料中的活性体素聚合来实现。加固步骤的持续时间可以取决于许多因素例如所选择的特定基体材料以及材料是待部分固化还是全部固化。在一些实施方案中，持续时间可以为2秒-20秒。
然后，在步骤4中，将第二磁场26施加到第一层14中的前体材料10，以使剩余的、仍然可移动的颗粒12”取向为第二排列。第一部分中的增强颗粒12'在施加第二磁场时不会移动出排列，因为它们通过嵌有其的基体材料的加固而固定在适当位置。第步骤5中，在第一层14中第二部分28中的基体材料，现在形成活性体素，随后被加固，从而固定第二部分中的颗粒的取向。例如使用UV辐射32施加磁场以使任何剩余的增强颗粒取向，随后加固在所选部分中的基体材料中的活性体素的这些步骤可以重复任何合适次数以实现层内颗粒任何期望的取向。一旦第一层14中所选部分被全部加固，在步骤6中，将第一层例如，在剥离过程中垂直移动，使得额外的前体材料34可以流入平台板和第一层14之间的邻近平台板16的位置。(要认识到的是整个层可以不被加固，取决于要生产的部件的几何形状。)
施加磁场以使磁响应颗粒取向，然后加固选定部分中的基体材料的步骤可以重复任何合适次数以实现第二层内磁响应颗粒的任何期望的取向。一旦第二层中选定的部分已经被完全加固，第三层和任何后续层可以通过重复上述步骤以相同的方式构造。以这种方式，复合部件可以逐层地构建具有任何期望复杂取向的颗粒和几何形状。
用于根据该方法生产复合部件的设备100的一个实施方案示于图2-9中。该设备包括平台板110或可以移动至与前体材料源120连接的打印平台。设置辐射源130以在离散体素中施加辐射至邻近于平台板的前体材料层。提供具有一个或多个磁场源142的磁场系统140以能够施加多个取向的磁场到平台板上的前体材料层。
提供包括存储器162的处理器单元160与设备的一个或多个元件控制通信，所述元件包括平台板110、前体材料源120、辐射源130、和多个磁场源142，以根据用于以逐层的方式生成三维部件的指令来控制设备的操作。(见图9。)在许多或大多数实施方案中，提供计算机辅助设计文件以定义正在生产的部件结构。用于期望部件的计算机辅助设计文件(例如，.stl文件)可以通过如本领域已知的任意期望的方式生成。设计文件可以有其它格式，例如.jpeg或.tiff。处理器单元包括控制设备的指令，例如G-代码等，以根据设计文件实现期望部件的生产。
更具体地参考图6-7，该设备的一个实施方案包括被支撑用于相对于框架102垂直运动的平台板110。前体材料源，例如容器120，由平台板下方的框架支撑，使得平台板可下降到容器中。下面进一步描述的辐射源130，被放置以施加辐射到前体材料的平台层(buildlayer)，当其浸入到容器中时与平台板相邻。提供围绕平台板的磁场系统140以将任何期望的取向的磁场施加到平台层。
平台板110可以任何合适的方式被支撑以相对于前体材料的容器垂直移动。在一个实施方案中，平台板悬挂于移动组件111上，移动组件111具有安装到导螺杆机构114上的X形支架112。更具体地，所述X形支架的一个臂由螺母113或其它连接元件安装在两端，用于沿着两个对角布置的导螺杆116线性移动。每个导螺杆可通过电机117例如步进电机旋转，电机117，与其上端连接。X形支架的另一个臂被安装用于跟随沿两个对角布置的对准杆118或导杆的线性移动。例如用线性轴承支撑件将所述导螺杆和对准杆合适地支撑并在它们的下端固定到框架的支撑板上。每个导螺杆的上端通过适当的板构件115固定到其中一个对准杆的上端。当需要升高或降低平台板时，步进电机启动，转动导螺杆，使得支架通过螺母113线性运动。在剥离操作期间，平台板的一端被略微垂直地提升以使平台板倾斜。然后提升平台板的另一端直到平台板再次水平。倾斜平台板的动作使得刚加固的平台层与平台板分离。自动对准轴承119可用于将支架的臂与对准杆连接以确保平滑且可重复的剥离功能。平台板可以包括非粘性涂层以在需要时帮助平台层的分离。
一旦邻近平台板110的平台层已经适当地加固，这个过程可能需要一些步骤，取决于平台层内需要实现的颗粒取向的数量，如上述描述，将平台板在剥离操作中倾斜，以将刚刚加固的平台层与平台板分离。调平平台板使得其在刚刚加固的平台层上方间隔开，并且容器中另外的液体前体材料流入以填充该空间。
要认识到的是，用于平台板的任何形式的支撑或可移动平台以及垂直移动平台板的任何类型的线性驱动都是可用的。例如，可提供液压或气压缸以升高或降低支架。支架也可以具有其它构造。另外，当平台板保持静止时前体材料源可以是移动的。
磁场系统140包括多个磁场源142a、142b、142c、142d、142e，其每个都可以提供可变强度和梯度的磁场。每个磁场源可以是独立可控的，并且多个源是可以同时控制的，从而使得可以施加任何取向的磁场至邻近容器中的平台板的平台层。
在一个实施方案中，每个磁场源142是由围绕芯区域146的线圈144形成的螺线管电磁体。在围绕容器周边的水平平面上布置若干螺线管(在所示的实施方案中使用四个螺线管-142a、142b、142c、142d)，使得每个线圈的轴线平行于平台板的平面。如图所示，水平螺线管可以等间隔围绕容器。每个水平螺线管可以包括铁芯以增加其磁场的强度。容器下方设置垂直螺线管142e，其线圈的轴线垂直或正交于平台板。因为垂直螺线管与平台层的间隔距离比水平螺线管更近，因此其芯区域146e可以保持开放并且没有铁芯，仍然提供足够强度的磁场。以这种方式，来自辐射源的辐射可以穿过垂直螺线管的芯区域到达邻近平台板的平台层。螺线管以任何合适的方式固定到设备的框架。
螺线管142在处理器单元160的控制下是可控制的，其可以控制由每个螺线管施加的磁场的强度和持续时间，以施加任何三维取向的磁场穿过平台层。以这种方式，可以根据要生产的部件的指令，给予磁性颗粒任何期望的取向。此外，磁场可以是时间可控的，以例如使用旋转的磁场使例如晶板颗粒的第二轴取向。磁场可以保持直到平台层被辐射源充分固化，下面进一步描述。
要认识到的是可以使用任何其它合适的磁场系统。例如，磁场可以由永久磁体、磁带、手持磁体、或载流导线施加。磁场源在制造过程中可以附在邻近系统平台板的其它位置或材料周围的空间中。在上述实施方案中，如果需要还可以在容器和平台板上方设置另外的垂直螺线管。这种另外的垂直螺线管也需要随着平台板的每次剥离操作和提升而移动。由于螺线管趋于重型，如果需要，可以使用更大的电机。
如上所述，辐射源130能够将辐射聚集在邻近平台板的前体材料的平台层内的选定体素上。(见图1。)辐射源通过处理器单元给出的指令而驱动。
在一个实施方案中，辐射源130包括数字光投影仪132，所述数字光投影仪包括在芯片上以像素阵列布置的多个微镜134或显微镜。微镜阵列对应于前体材料平台层中体素的XY分辨率。放置光源136以照射微镜，所述微镜将辐射反射向平台层。提供透镜或透镜系统138以将辐射聚集在邻近平台板110的构造层上。特别地，镜可以单独地重新放置或在开和关位置之间切换，以使得开位置将来自辐射源的辐射引导并聚焦到平台层内的相应体素上。使用描述待生产部件的数据文件通过提供的处理器单元控制照明，例如，通过指定要照射的哪些体素。通过这种方式，在任何一个步骤期间仅照射选定的体素以固化或加固基体材料。微镜可以是任何合适的单个像素尺寸，并且可以根据应用提供任何尺寸的像素阵列。
光源136可以提供任何期望波长的辐射以固化用于制造部件的特定基体材料。在一些实施方案中，波长范围可以从紫外到可见到红外辐射。在一些实施方案中，波长可以为300nm-900nm。光源可以是，例如，氙弧灯、LED、或激光。
辐射的时间间隔可以通过处理器单元160控制。时间间隔取决于参数例如特定基体材料和平台层的厚度，以使得每个体素被照射足够的时间以确保基体材料被加固至期望的程度。
可以使用其它类型的光投射器或光处理装置。例如，扫描微镜或激光装置。
在一些实施方案中，处理器单元160是计算机系统的一部分，例如个人计算机、工作站、或服务器。计算机系统可以用计算机可执行指令例如程序模块来实现，其包括执行特定任务或对数据进行操作的例程、子例程、程序、对象、组件、数据结构等。可以使用其它计算机系统配置，包括手持设备、无线设备、智能手机、平板和便携式电脑、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、小型计算机、大型计算机等。计算环境可以包括网络，诸如内联网、局域网、广域网、因特网等。计算机系统可以是分布式计算机系统，其中一些程序模块和存储器位于远程，并且一些任务可以由通过通信网络链接的远程设备执行。计算机系统可以包括各种硬件元件，包括一个或多个处理单元、存储器和系统总线，其可操作地耦合包括存储器的各种系统组件至处理单元。可以有一个或多个处理器，使得处理器单元包括单个中央处理单元(CPU)或多个处理单元，例如多处理器或并行处理器。文中所使用的术语“处理器单元”包括任一或全部的这些选择和结构。
除了上述实施方案之外，使用磁响应颗粒形成复合部件可以与各种增材制造工艺和设备一起使用，例如其它立体光刻系统、3D打印系统、直接写入系统、选择性激光烧结和熔融沉积建模。
本文所述的方法可以应用于与所选择的增材制造工艺和设备相容的任何材料系统(基体材料和磁响应颗粒)。合适的基体材料包括但不限于可光固化丙烯酸材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料、或聚氨酯材料。在一些实施方案中，加固之前基体材料的粘度可以是0.7mPa·s-10Pa·s。磁响应颗粒可以良好地分散在基体材料中，例如，通过超声波或机械搅拌。
在一个实例中，材料系统使用包含丙烯酸基光聚合物与用氧化铁(Fe3O4)纳米颗粒标记的增强氧化铝(Al2O3)微晶板颗粒的树脂以对磁场敏感。更具体地，在一个实例中，通过首先以1:3的重量比混合脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸酯(
Figure BDA0001172917540000151
230)和丙烯酸异冰片酯(IBOA-Sigma)来制备UV敏感的树脂。分别以2重量％和3重量％加入光引发剂，并搅拌过夜。使用Ubbelohde粘度计(SimpleVIS，尺寸2C)测量聚合物共混物的粘度，发现为140cps。将磁化增强颗粒(Al2O3)以所需体积份数加入至树脂中，并使用微尖超声波器(Branson 250，20％占空比，40W输出10分钟)超声处理30mL体积，以确保单分散性。最后，将所得混合物脱气以除去所有溶解的气体，以防止气泡在打印过程中造成缺陷。
在一些实施方案中，磁响应颗粒具有的最长尺寸是200nm-1000μm。在一些实施方案中，磁响应颗粒具有的最长尺寸是1μm-20μm。在一些实施方案中，磁响应颗粒具有的长径比是2-200。
磁响应颗粒可以是因为颗粒本身是磁性的或颗粒用本身是磁性的材料涂覆而磁响应。可以用磁性材料涂覆的非磁性颗粒可以包括但不限于陶瓷、金属、和聚合物，例如，但不限于磷酸钙、玻璃(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硼、铜、镁铝、金、银、聚苯乙烯等。颗粒可具有各种各样的几何形状，包括不连续纤维、棒、晶板、薄片或晶须。颗粒通常在至少一个维度上在形状上是各向异性的，不过在一些实施方案中取决于应用也可以使用球状颗粒。
磁性填料或颗粒可以包括，例如，氧化铁纳米颗粒、铁屑、超顺磁性微珠、钴薄片和镍棒。磁性颗粒可具有各种各样的几何形状，包括微珠、纳米颗粒、锉屑、纤维、棒、晶板、薄片或晶须。非磁性颗粒的表面涂层可以通过化学吸附、物理吸附或蒸发过程提供。
非磁性微粒可以通过已知技术用磁性纳米颗粒例如氧化铁纳米颗粒进行磁性标记。这种标记可以应用于具有不同种类的材料和几何形状的颗粒。在一个实例中，为了磁化Al2O3(氧化铝)颗粒，用含有10克Al2O3的200mL去离子水滴定375μL超顺磁性氧化铁纳米颗粒(EMG 705,3.9％体积Fe3O，Ferrotec)，以确保均匀涂覆微粒。使用磁力搅拌棒将混合物搅拌过夜。氧化铁上的带负电荷的配体涂层使得纳米颗粒静电吸附到氧化铝颗粒的表面。随后，过滤和干燥颗粒。一旦干燥完成，磁化的氧化铝颗粒可以以任何所需的体积份数加入到光聚合物或其它基体材料中。
在本发明的方法中长度尺度为200nm-1000μm的颗粒可以被磁性标记以提供最佳强度的磁响应。磁力与质量力(重力和粘性阻力)以及原子和分子力(布朗运动)竞争。更大的颗粒由于体积现象例如重力、剪切等，经历可以支配胶体磁性组件的质量力。类似地，显著小的颗粒可以由布朗运动支配，其破坏组件。导致最佳磁响应的粒度范围取决于几个因素，例如颗粒尺寸、密度、磁化系数、流体粘度、和所施加磁场的强度。例如，图10和11的相图表明对于表面涂层少至0.5体积％的颗粒，其粒径作为校正场的函数。特别地，图10和11是表面磁化晶板颗粒和棒状颗粒的磁响应图。在图10中描绘出对于长径比s＝37的晶板，理论的最小校正场Hmin，在图11中描绘出对于长径比s＝30的棒的Hmin。所述颗粒具有0.5体积％的磁性纳米颗粒的表面涂层。在计算中使用3.98和2.5g/cm3的比重值，分别与实验研究的氧化铝晶板和硫酸钙棒一致。见Erb，R.M.，Libanori R.，Rothfuchs，N.，Studart，A.R.Composites Reinforced in Three Dimensions by Using low MagneticFields.Science 2012，335(6065)：199-204.
参考图12A和B的进一步解释。通过将氧化铝晶板解释为扁椭球，可以使用分析表达式来描述悬浮在流体中的磁化晶板的运动。当施加磁场时，晶板经历磁扭矩，该磁扭矩用于使晶板的长轴与磁场对齐。该扭矩通过类似尺寸的椭圆形壳施加到晶板上，并且可以描述为：
Figure BDA0001172917540000161
这里μo是自由空间的磁导率(μo＝4π·10-7，单位是[N/A2])，χps是颗粒的体积磁化率(无量纲)，Ho是外部磁场(单位[A/m])，以及ψ是颗粒的长轴相对于垂直轴的角度。这种磁扭矩通过当晶板在流体中旋转时经历的粘滞阻力来平衡，其对抗晶板运动，并且可以表示为：
Figure BDA0001172917540000162
其中f/f0是Perrin摩擦系数，可以解析求解。平衡施加在悬浮晶板上的磁力和剪切力矩可以计算晶板角加速度：
Figure BDA0001172917540000163
在此m是颗粒的质量，I是未固定椭圆体的惯性矩。将扭矩代入公式1得出可以使用例如Matlab求解的非线性二阶微分方程。使用数值解以估计在制造过程期间取向所需的时间。
根据本文所述方法的实施方案进行多个实验，制备复合材料的样品。
实施例1
使用磁性组装聚合物基体对微观颗粒取向的可行性采用UV可固化树脂进行评价，因为UV可固化树脂的低粘度和可控的聚合。在用365nm光源改进的N-Scrypt 3Dn台面顶级系列上进行测试。使用永磁体在不同方向上施加磁场。研究两种不同的填料：磷酸钙棒和氧化铝(Al2O3)晶板。所用的树脂体系是具有1重量％Irgacure 184(Ciba，透明光引发剂)，～1体积％的Al2O3晶板或磷酸钙棒的烷氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(Sartomer)。使用立体光刻(SLA)技术通过在填充有树脂的容器中对颗粒取向以及在使用微型喷嘴打印的同时对颗粒取向的技术来制备样品。
在聚合之前，在本体树脂容器中取向的颗粒被允许在磁场中取向5分钟。对于打印对齐实验，仅给颗粒30秒以取向。所有图像用具有透射照明的光学显微镜在5x下拍摄。
使用本体树脂聚合的立体光刻技术，采用两种不同取向的氧化铝晶板和磷酸钙棒实现了成功的对齐。图13A和13B显示了用垂直场(图13A)和水平场(图13B)对晶板的本体对齐实验的实验设置。图13C示意了晶板的垂直排列(对应于图13A)，图13D示意了颗粒的水平排列(对应于图13B)。图13E是说明垂直排列的晶板的俯视图的显微照片，图13F是说明水平排列的晶板的俯视图的显微照片。图14A示意了棒的垂直排列，图14B示意了棒的水平排列。图14C是说明垂直排列的棒(在平面外或垂直于平台)的俯视图的显微照片，图14D是说明水平排列的棒(平面内或平行于平台)的俯视图的显微照片。
此外，证明了使用微喷嘴打印方法对氧化铝晶板成功实现了两个不同取向的颗粒排列。见图15A-F。图15A说明了实验设置。图15B说明了所得部件。图15C示意性地说明了晶板的垂直排列，图15D示意性地说明了晶板的水平排列。图15E是说明垂直排列晶板(平面外或垂直于平台)的俯视图的显微照片，图15F是说明水平排列晶板(平面内或平行于载物台)的俯视图的显微照片。
实施例2-4
磁响应增强颗粒如下制备：用约5％的表面覆盖超顺磁性氧化铁(Fe3O4)纳米颗粒(EMG 705，从Ferrotec取得)静电涂覆氧化铝(Al2O3)晶板(从Allusion取得)。将10克氧化铝粉末加入到200mL去离子水中并剧烈搅拌。然后将375μL的EMG 705分散在60mL去离子水中，并缓慢加入到搅拌的颗粒混合物中。在混合过夜后，过滤颗粒混合物，然后干燥。
树脂是由丙烯酸异冰片酯(IBOA，来自Sigma)和脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸酯(Ebecryl 230，来自Allnex)组成的聚合物共混物。树脂溶液包含两种光引发剂：3重量％的1-羟基环己基苯基酮(99％，Sigma)和1.5重量％的苯基双(2,4,6-三甲基-苯甲酰基)氧化膦(97％，Sigma)。一旦树脂充分混合后，加入选定量的磁性氧化铝晶板。
使用购自mUVe和nScrypt 3dn分配系统的立体光刻打印机工具包收集初步结果。mUVe工具包配有定制平台和激光系统，以适应非商业树脂和磁场。
制造在单层内具有多个离散结构的部件。图16A-E说明了在一个层内用两个不同取向生产的微型棋盘，证明了光学性质的变化。更不透明的区域具有在平面中取向的晶板，其吸收的光比在平面外取向的更透明区域更多。颜色的差异来自于晶板的取向；膜具有均匀的浓度。图16B说明了在平面外排列的10倍放大率下的光学显微镜图像；图16C说明了平面内排列的10倍放大率的光学显微镜图像。相应的晶板取向在图16D和图16E中示意性说明。
具有包含可编程取向的多层的复合部件也得到证实。例如，使用面内颗粒排列和面外颗粒排列来制造1×1×0.25cm模块。见图17A-F。图17A是具有10体积％磁响应晶板的模块的照片。图17B是用于编程和制造模块的取向图的示意图。扫描电子显微镜图像验证了在界面处的面内取向和面外取向(图17C和D)，而图17E和图17F提供对每个取向的更细致的分析。
还研究了增强取向对机械性能的影响。用各种排列的10体积％氧化铝晶板制造用于拉伸试验的犬骨状试样(见图18)。具有氧化铝晶板(未取向)的试样证实了其杨氏模量比没有增强晶板的打印犬骨试样的杨氏模量大了约100％，如图19所示。
纤维结构对机械性能如刚度的重要性如图20所示。具有沿施加的应力方向排列的纤维的样品的杨氏模量比具有垂直于施加的应力排列的纤维的样品的杨氏模量大了约40％。
在下面的实施例中，提供了大体上如上述图2-9所述的设备，使用开源软件(Creation Workshop)控制数字光投影仪(ViewSonic PJD7820hd)以及两个用于垂直或z轴运动的NEMA-17步进电机。该软件将.stl文件转换为一系列用于聚合每个横截面的高分辨率矢量文件。将框架(来自mUVe3D)修改为允许通过旋转稀土磁体或计算机控制的螺线管来施加磁场。
在该方法中，施加400G的旋转磁场(3Hz)，以实现树脂中增强颗粒的期望的排列。适合的排列需要15秒。然后将该层曝露并使用UV光选择性聚合。通过重复取向过程和聚合过程在单层中实现多重取向。一旦层完成，将平台板在剥离功能中提起，且新的树脂流入前一层和树脂容器之间。该过程逐层重复，直到部件完成。将完成的部件在异丙醇中漂洗并在UV室(UVL-56，6W，365nm)中后固化30分钟，然后进行热处理(90℃，1小时)以释放任何残余应力。
实施例5
图21显示了控制光学性质的实例。在用氧化铝微晶板定向增强的氨基甲酸酯/丙烯酸酯共聚物的固体复合膜块内制造简单的棋盘格图案和自由女神像的图像。在棋盘格图案中，每个正方形中的增强角度在0°和90°之间交替。氧化铝微粒的取向导致复合材料表面的光学变化。平面内增强散射更多的光且看起来更白；平面外增强吸收更多的光并且看起来更暗。生产棋盘格图案的过程需要净时2分钟以产生2”乘3”的复合层。增强微结构的SEM分析显示出最终复合材料中高水平的微粒排列。
实施例6
研究了调整增强结构以提供对复合材料的刚度、强度、韧性和多功能的广泛可编程性的能力。制备其中所有体素具有相同取向的复合材料的单块，并进行拉伸测试以测量沿每个轴的材料强度(图22A、B)。沿着与增强件对齐的轴的拉伸试验表现出增强的刚度和延展性，符合复合理论的预期。制造微结构并进行硬度制图以测量局部材料性质并验证在复杂结构的每个体素中的材料性质的保持。(图22C)。具有平面外取向的增强的体素相对于仅具有平面内增强的材料，显示出平面外硬度的显著增加。
为了研究微结构设计对断裂韧性的影响，使用各种增强几何形状(图22D)制造具有开口或圆形或圆柱形缺陷的结构，一种几何形状是“骨刺(osteon-inspired)”，其中增强件周向环绕开口，以及两个具有整体式排列的增强件。这些结构用有限元分析来建模，以观察围绕圆柱形缺陷的预期应变。具有增强晶板的方位取向的“骨刺”结构显示出与施加应力的轴线无关的最小应变集中(图22E)。使用本发明的方法，可以与FEA分析一起快速评估微结构增强结构以优化微结构增强结构。
骨单位结构揭示了每种结构中的断裂发生的不同。排列的单块结构的副轴显示与裂开有关的直接、快速的裂纹扩展，而周向结构显示出裂纹传播路径中的偏差。本发明的方法使得能够生产微结构以加强裂纹路径偏差。为了研究这些效应，制备具有取向垂直于(θ＝90°)、锐角(θ＝45°)和平行于(θ＝0°)施加应力的增强颗粒的单块样品。图23A说明了每个样品的不同失效模式：脆性，具有最小塑性变形和高裂纹尖端强度的裂纹断裂；具有倾斜平面的应力支配断裂；和剪切支配断裂。因此，复合部件可以一个体素一个体素得设计以在给定预期载荷以在实际上调整裂纹传播路径下呈现特定的失效模式。图23B显示出包括不同增强取向的岛相(500μm×500μm)的结构。当岛相取向匹配本体取向时，产生单块结构，并且失效机制是可预测的。当岛相取向和本体取向不同时，裂纹可以通过材料转向。裂纹转向提供了复合微结构中断裂韧化机制的控制切换。可以将失效机制编程到材料中以偏转部件的选定区域的裂纹。在这方面，注意的是在存在多个取向的情况下，在较弱的相中而不是在界面处发生裂纹增长。
实施例7：拉伸测试
参照图24所示，在试样上测试固化的复合树脂的机械性能，所述试样是由ASTM-D638IV模具制备的片中冲压出的样品。在通用试验机(Instron)上测试试样。测试三个主要的增强取向：与施加的拉伸载荷平行、垂直、以及成一定角度，以及纯聚合物。相对于纯聚合物，具有15体积％与负载平行排列的增强颗粒的复合材料显示出超过300％的刚度增加。具有垂直于所施加载荷取向的颗粒的复合材料表现出200％的刚度增加。
实施例8：界面分析
参照图25A-B，对具有10体积％分数的Al2O3晶板和取向平行于、垂直于所施加载荷、以及与所施加载荷轴成45°的犬骨状试样进行拉伸试验。对于具有与45°排列的试样的剪切支配断裂平行增强的试样，具有与垂直增强的试样的开裂平行增强的试样，每组的断裂面与正常应力支配的断裂不同。每个取向的断裂表面的SEM图像说明了增强取向对裂纹增长的影响。沿着所施加载荷的轴线(平行排列)增强的样品显示出提高的机械性能和更大屈服的可见迹象。裂纹相对于增强取向传播，没有真实的易轴，并且是粗糙但随机的。以角度增强的样品显示与增强颗粒的角度一致的裂纹增长。垂直于施加载荷而增强的样品表明由于裂纹增长平行于晶板而开裂。为了证明边界和界面不是缺陷，除了小区域之外，用平行排列制造拉伸试样。当测试时，失效位于较弱区域的中心，而不是在界面处。
参照图26，制造在其中心具有同心增强的(“骨刺(osteon-inspired)”)孔的犬骨状试样。拉伸测试结果显示出机械性能与施加的负载无关的各向同性机械响应。还测试了具有平行于施加载荷(强轴)和垂直于施加载荷(弱轴)的加强件的犬骨状试样。制备具有围绕中心孔的八个离散区域的试样，以消除每组试样之间的界面区域的差异源。在缺陷周围的区域中的增强取向导致机械性能以及失效行为的显著变化。特别地，具有垂直于负载的增强的试样中的裂纹路径失效且具有裂开的界面，而在具有平行或周向增强的试样中出现较少的直接裂纹路径。
图27说明了具有直线图案的样品的硬度制图，其中内部区域和外部区域具有平面内取向，并且中心带具有平面外取向。该样品包括22×22×3mm(20层)的15体积％分数的氧化铝颗粒。使用Vickers微压痕以0.98N的施加力，15秒停留时间和大于平均对角线长度(约200μm)的5倍的1.5mm压痕间隔进行硬度制图。样品厚度和测试位置间距防止压痕影响后续测试。可以在轮廓图上查看样品上收集的数据点(总共77个)。使用具有1.5mm网格和最近邻插值的MatLab生成表面图，以便精确地反映样本。
图28A-D说明了使用具有图案化取向的简单、均匀样品来操纵断裂行为的能力。在每个样品中，初始是小裂纹，随后样品受到2mm/分钟的应变。通过改变有序区域的尺寸和规模，可以改变裂纹路径。在图28A中，试样具有增强抗裂纹增长的小岛相(深色方块)，而其余区域(基体相)在没有优先方向或易轴的情况下平面内取向，用于裂纹增长。裂纹保持在基体相中并且不进入任何增强区域。在岛相取向平行于裂纹方向(易轴)的样品中，裂纹移动到较暗区域以使断裂能最小(图28B)。在图28C的样品中，岛相被胶印并略大于图28A中的样品。在这种情况下，通过增强岛相的裂纹增长比围绕岛相的增长需要更大的能量，提供明显的裂纹偏转。然而，在增强区域间隔得太近的情况下，如图28D中的砖和砂浆图案，裂纹路径不受图案化取向的影响。
该方法和由该方法制备的复合材料和部件在各种工业中有应用。具有包括高强度重量比的增强的机械性能的复合材料和部件，相对于几何形状和剪切确定纤维排列的用注塑复合材料制造的类似材料，可以提供增强的强度。复合材料和部件能够生产用于军事应用的强的、轻的装置，例如微型飞行器。可以生产定制化生物医学装置、植入物、矫形器和修复体，其可以是患者特异性的并且其设计可使得材料性质最大化。
可以提供具有增强导热性能，包括各向异性和可程序控制的导热性的复合材料和部件，例如导电或非导电填料。应用包括航空航天部件，嵌入式电子器件等。
可以提供具有增强光学性质的复合材料和部件，例如用光学上不同的填料构造的复合材料或可编程滤光器。
本文公开的方法和设备使得不连续纤维复合材料能够在各种增材制造工艺期间使用磁场来精确控制增强颗粒的取向和空间分布的情况下进行组装。该技术结合了使用磁场的非浸入性、低能量组装技术以针对大量不同的增强填料，无论它们是否是固有磁性的，并且在制造期间将它们构造成几乎任何复杂的几何形状。该方法和设备可以用于产生具有均匀、各向异性(特定于一个方向)、或高度异质(整个材料特定的)的机械、热、电和光学性质(例如拉伸强度、导热性、电导率和不透明度/颜色)。本发明的方法是高度可编程和可再现的。相比之下，目前的增材制造技术不允许打印聚合物-陶瓷复合材料，更不用说对增强结构有控制的复合材料。三维增强的复合材料的其它制备方法，例如纤维编织或z-pinning，不能在增强取向上实现高的空间分辨率，这用本发明的方法和设备是可以实现的。
可以理解为本文所描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合。例如，一个实施方案中描述的特征可以包括在另一个实施方案中，即使在这个实施方案中没有明确描述，。
本发明已经通过结合一些优选实施方案进行了描述。应当理解的是，本发明不限于所示和所描述的构造、操作、精确材料或实施方案的确切细节，并且本文公开的各种修饰、等同物的替换、组合物的改变以及实施方案的其它改变对于本领域技术人员会是显而易见的。

Claims (44)

1.一种制造复合部件的方法，其包括以下连续步骤：(a) 在与平台板相邻的第一层中引入前体材料，所述前体材料包括基体材料和磁响应颗粒，所述磁响应颗粒至少部分包含磁性材料；(b) 用第一磁场使所述磁响应颗粒取向为第一排列；(c) 通过使用辐射源在第一离散体素子集中施加辐射而同时加固第一离散体素子集，从而用保持在所述第一排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固所述第一层中的第一部分基体材料；(d) 用另一磁场将第一层中另一部分所述磁响应颗粒取向为不同于所述第一排列的另一排列；以及(e) 通过使用辐射源在另一离散体素子集中施加辐射而同时加固另一离散体素子集，从而用保持在所述另一排列中的另一部分的磁响应颗粒加固所述第一层中的另一部分基体材料，其中所述辐射源包括数字光投影仪，所述数字光投影仪包括以像素阵列布置的多个微镜，微镜阵列对应于前体材料的层中体素的XY 分辨率，其中每个体素具有至少50 × 50 × 50 微米的分辨率，所述层由体素阵列定义。
2.权利要求1所述的方法，其还包括：(f) 重复步骤(d)和(e)直至在所述第一层中确定部分的基体材料已经被加固。
3.权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)和(e)中，所述基体材料为部分固化的、完全固化的、硬化的、聚合的或交联的。
4.权利要求1所述的方法，其还包括，当所述第一层中预期部分的基体材料已经被加固时，将所述第一层从所述平台板移除并且在邻近平台板在第二层中邻近所述第一层引入另外的前体材料。
5.权利要求1的方法，其还包括：(g) 在与所述第一层相邻的第二层中引入另外的前体材料，(h) 用磁场将所述第二层中的颗粒取向为第三排列；(i) 用保持在所述第三排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固所述第二层中的第一部分基体材料； (j) 用磁场将第二层中另一部分磁响应颗粒取向为不同于所述第三排列的第四排列；(k) 用保持在所述第四排列中的第二部分内的磁响应颗粒加固所述第二层中第二部分基体材料，以加固所述基体材料；(l) 重复步骤(j)和(k)直至在第二层中预期部分的基体材料已经被加固。
6.权利要求1所述的方法，其中所述第一磁场和另一磁场通过一个或多个平行于第一层的平面的磁场源，和一个或多个在第一层的平面外的磁场源来施加。
7.权利要求1所述的方法，其中所述第一部分的体素与所述另一部分的体素有间隔。
8.权利要求1所述的方法，其中所述磁性材料包括铁磁材料、顺磁材料、或超顺磁材料。
9.权利要求1所述的方法，其中所述磁性材料包括颗粒、微珠、锉屑、纤维、薄片、棒、晶须或晶板。
10.权利要求1所述的方法，其中所述磁响应颗粒包括与所述磁性材料结合的非磁性材料。
11.权利要求10所述的方法，其中所述非磁性材料包括氧化铝、磷酸钙、铜、玻璃、硫酸钙、尼龙、聚苯乙烯或碳化硅。
12.权利要求10所述的方法，其中所述非磁性材料包括不连续纤维、棒、晶板、薄片或晶须。
13.权利要求10所述的方法，其中所述非磁性材料涂覆有所述磁性材料。
14.权利要求1所述的方法，其中所述磁响应颗粒在至少一个维度的形状上是各向异性的。
15. 权利要求1所述的方法，其中所述磁响应颗粒的最长尺寸为200 nm-1000 µm。
16. 权利要求15所述的方法，其中所述磁响应颗粒的最长尺寸为1 µm -20 µm。
17.权利要求1所述的方法，其中所述磁响应颗粒具有2-200的长径比。
18.权利要求1所述的方法，其中所述基体材料包括光聚合物，并且在步骤(c)和步骤(e)中，用具有为实现所述光聚合物的固化而选择的波长的辐射照射所述基体材料的选定体素，由此固化基体材料。
19. 权利要求18所述的方法，其中所述辐射源的波长是300 nm-900 nm。
20.权利要求18所述的方法，其中所述辐射源的范围是从紫外到红外。
21.权利要求1所述的方法，其中所述基体材料包括可光固化的丙烯酸材料、聚甲基丙烯酸甲酯材料、或聚氨酯材料。
22. 权利要求1所述的方法，其中所述前体材料的基体材料在加固之前的粘度是0.7mPa·s -10 Pa·s。
23.权利要求1所述的方法，其中所述前体材料包含丙烯酸基光聚合物和用氧化铁纳米颗粒标记的增强氧化铝微晶板颗粒。
24.权利要求8所述的方法，其中所述超顺磁材料包括氧化铁，所述铁磁材料包括铁、钴、镍、铁合金、钴合金或镍合金。
25.权利要求9所述的方法，其中所述颗粒包括纳米颗粒。
26. 一种制备复合部件的设备，所述设备包括：与前体材料源相连的平台板，所述前体材料包含基体材料和磁响应颗粒，所述磁响应颗粒至少部分包含磁性材料；辐射源，其设置为在离散体素中施加辐射到设置在所述平台板上的前体材料层；多个磁场源，其设置为施加多个取向的磁场至所述平台板上的前体材料层；以及处理器单元，其与所述平台板、所述辐射源和所述多个磁场源控制通信，其中所述处理器单元包括以下连续步骤的指令：(a)在邻近所述平台板的第一层中从所述前体材料源引入前体材料；(b) 驱动所述多个磁场源中的一个或多个，以将第一磁场施加到第一层，以用所述第一磁场使所述磁响应颗粒取向为第一排列；(c) 驱动所述辐射源，以通过同时加固第一离散体素子集，用保持在所述第一排列中的第一部分内的所述磁响应颗粒加固所述第一层中的第一部分基体材料；(d) 驱动所述多个磁场源中的一个或多个，以施加另外的磁场，以用所述另外的磁场将第一层中的所述磁响应颗粒的另一部分取向为不同于所述第一排列的另一排列；以及(e) 驱动所述辐射源，以通过同时加固另一离散体素子集，用保持在所述另一排列中的另一部分内的所述磁响应颗粒加固所述第一层中的另一部分基体材料，其中所述辐射源包括数字光投影仪，所述数字光投影仪包括以像素阵列布置的多个微镜，微镜阵列对应于前体材料的层中体素的XY 分辨率，每个体素具有至少50 × 50 × 50 微米的分辨率，所述层由体素阵列定义。
27.权利要求26所述的设备，其中所述多个磁场源被设置为向所述平台板施加在平行于所述平台板的平面上具有磁力线分量以及在正交于所述平台板的平面上具有磁力线分量的磁场。
28.权利要求26所述的设备，其中所述多个磁场源包括设置为施加平行于所述平台板的平面的取向的磁场的至少两个磁场源，以及设置为施加在所述平台板的平面外的取向的磁场的至少一个磁场源。
29.权利要求28所述的设备，其中所述多个磁场源还包括设置为施加平行于所述平台板的平面的取向的磁场的至少两个其它磁场源。
30.权利要求28所述的设备，其中平行于所述平台板的平面的取向的所述至少两个磁场源相互垂直设置。
31.权利要求26所述的设备，其中所述多个磁场源的至少一部分被支撑用于沿所述平台板的平面运动。
32.权利要求26所述的设备，其中所述多个磁场源的至少一部分被支撑用于沿平行于所述平台板的平面的平面运动。
33.权利要求26所述的设备，其中每个所述磁场源均包括螺线管或电磁体。
34.权利要求26所述的设备，其中在平行于所述平台板的平面的平面中的每个所述磁场源包括螺线管，所述螺线管包括围绕铁芯的线圈。
35.权利要求26所述的设备，其中在垂直于所述平台板的平面的平面中的所述磁场源中的至少一个包括螺线管，所述螺线管包括围绕开放芯区域的线圈。
36.权利要求35所述的设备，其中所述辐射源设置为直接辐射穿过所述开放芯区域至所述平台板。
37.权利要求26所述的设备，其中所述辐射源的波长是300nm-900nm。
38.权利要求26所述的设备，其中所述辐射源的范围是从紫外到红外。
39.权利要求26所述的设备，其中所述辐射源被操作以直接辐射到选定的所述离散体素。
40.权利要求26所述的设备，其中所述平台板被安装用于相对于所述前体材料源垂直移动。
41.权利要求26所述的设备，其还包括容器，所述容器包括所述前体材料源，并且所述平台板被安装用于在所述容器中垂直运动并从上进入所述容器内。
42.权利要求26所述的设备，其还包括容器，所述容器包括所述前体材料源，并且所述磁场源的至少一部分围绕所述容器周围设置。
43.权利要求26所述的设备，其还包括容器，所述容器包括所述前体材料源，并且至少一个所述磁场源垂直设置于所述容器下方。
44.权利要求26所述的设备，其中所述磁场源包括螺线管，所述螺线管包括围绕开放芯区域的线圈，并且所述辐射源设置在所述螺线管下方，以辐射通过所述开放芯区域到相邻于所述平台板的容器中的所述前体材料层。
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