CN108712960A - 3d打印零件中的连续和随机增强 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及组合的连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括在纤维增强复合丝的基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及在相同的基质材料内至少部分地随机延伸的多个短切纤维棒，连续/随机纤维增强复合丝是通过沉积头3D打印的，沉积头包括导管，该导管连续地过渡到在末端处具有熨烫唇的基本圆形的出口，熨烫唇被驱动以朝向零件的先前沉积部分平坦化纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝还包括基质材料，短切纤维棒的第一部分在由熨烫唇散布的轴向纤维线束之间以填充间隙的方式流动。朝向零件的先前沉积部分压迫短切纤维棒的第二部分。

Description

3D打印零件中的连续和随机增强
技术领域
本发明涉及三维打印技术。
背景技术
“三维打印”领域包括诸如立体光固化(Stereolithography，SLA)和熔丝制造(Fused Filament Fabrication，FFF)等各种方法。SLA用于制造通常不耐用或不耐紫外线的高精细度零件且用于概念验证工作；而FFF通过喷嘴挤出ABS或类似聚合物的连续丝珠(continous filament bead)。
在“复合铺叠(Composite Lay-up)”领域中，将浸渍有树脂粘结剂的预浸渍(“预浸(prepreg)”)复合织物片材叠层至模具中、加热并固化。在“复合丝缠绕(CompositeFilament Winding)”中，在定制的芯轴周围缠绕包括数千根独立碳线束(carbon strand)的粘性“丝束(tow)”，以形成旋转对称零件。
目前不存在任何用于在添加制造(additive manufacturing)期间定向纤维以各向异性地改善成品零件的特性的商业性或实验性技术。
发明内容
根据本发明实施例的一方面，一种用于制造零件的方法包括：提供连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。在切割器中接收连续/随机纤维增强复合丝，并且在切割器中进行切割。在喷嘴中接收切割后的连续/随机纤维增强复合丝。从零件经由轴向纤维线束而不是经由分散的纤维棒施加拖曳力。利用喷嘴施加压力，以将连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在零件中，并且朝向零件的先前沉积部分连续地嵌入短切纤维棒的一部分。
替代地或附加地，可以迫使零件的先前沉积层的表面处或附近的纤维棒与填充材料、基质材料、轴向纤维线束或邻近的纤维棒中的一者或多者相互作用。可选地，连续/随机纤维增强复合丝被提供有形成连续/随机纤维增强复合丝的1-20％体积比例的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有不同于纤维棒的材料的轴向纤维线束，并且/或者被提供有由玻璃形成的轴向纤维线束和由碳形成的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有在随机方向上定位的纤维棒，并且/或者被提供有至少部分地非随机定向的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有孔径比为20:1-200:1的纤维棒，并且/或者被提供有包括被短切至0.05-10mm长的纤维的纤维棒(优选长度为0.2至2mm，也可被控制为稍大一点，例如，0.25至2.5mm直径，喷嘴无堵塞)。
进一步可选地，可以驱动沉积头，以迫使纤维棒的第二部分桥接连续/随机纤维增强复合丝的连续层。
在本发明实施例的另一方面中，连续/随机纤维增强复合丝类似地被提供有基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒，分散的纤维棒中的至少一部分纤维棒定向为横向于轴向纤维线束。与连续/随机纤维增强复合丝分开地提供填充材料，填充该材料包括长度在0.2-10mm之间的第二分散纤维棒。将连续/随机纤维增强复合丝沉积在第一区域内，其中，第一区域形成在零件的向外部分中，向外部分离零件的外壁比离零件的形心更近，并且将填充材料沉积在第二区域内，第二区域形成在零件的相对于第一区域向内的部分中。施加加热压力，以连续地融化并散布芯增强丝，并且/或者朝向先前沉积的连续/随机纤维增强复合丝连续地嵌入第一分散纤维棒的一部分，并且/或者连续地嵌入第一分散纤维棒的一部分。
在本发明实施例的又一方面中，一种用于添加制造零件的三维打印机包括：连续/随机纤维增强复合丝的提供部，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。打印机还包括：沉积头，其包括过渡到熨烫唇的导管；沉积头驱动器，其用于驱动所述熨烫唇；和丝驱动器，其用于推动连续/随机纤维增强复合丝的上游部分以迫使丝的未附接末端在熨烫唇处离开导管。控制器可操作地连接到丝驱动器和沉积头驱动器，控制器驱动沉积头以朝向零件的先前沉积部分散布连续/随机纤维增强复合丝，使得(a)纤维棒的第一部分和基质材料在轴向纤维线束之间以填充间隙的方式流动，并且/或者(b)朝向零件的先前沉积部分压迫纤维棒的第二部分。
在本发明实施例的再一方面中，一种用于制造零件的方法包括以下步骤：提供连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。可以将连续/随机纤维增强复合丝沉积在连续层中。可以施加压力，以将连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融化至先前沉积层并且朝向先前沉积层连续地嵌入短切纤维棒的一部分。可以通过向连续/随机纤维增强复合丝的连续层施加压力来形成纤维增强预制体，并且将纤维增强预制体插入到模具中。可以将纤维增强预制体包覆成型成纤维增强成型体。
在本发明实施例的另一方面中，可以提供连续纤维增强复合丝，连续纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束。在切割器中接收连续纤维增强复合，并且在切割器中切割连续纤维增强复合。在喷嘴中接收切割后的连续纤维增强复合。可以施加压力，以使连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在零件中。可以在零件的连续层中形成负轮廓，并且通过负轮廓插入用于桥接零件的多个连续层的连续增强柱。
附图说明
图1A是连续芯增强丝沉积和填充材料丝挤出打印机的示意性图。
图1B是复合挤出和纤维打印头组件的横截面图示意性图。
图1C是纤维打印头组件的特写横截面和一组不同的可能压制/固结形状。
图1D是这里讨论的适用于所有实施例的三维打印机的框图和示意性表示。
图1E至图1G是可以通过本发明的方法和打印机沉积的3D打印结构的横截面，其中，图1E示出了通过3D打印机(例如，FDM、SLA或其它技术)连同聚合物、陶瓷或金属填充材料一起沉积的连续/随机芯纤维增强丝；图1F示出了利用聚合物、陶瓷包覆成型或注射或其它模型体或连续(基本非分层的或微分层的)添加制造包覆成型的连续/随机芯纤维增强丝；并且图1G示出了连同聚合物、陶瓷或金属填充材料(包括一定比例(例如，5-20％)的短切(例如，1/10至2mm长)纤维(例如，碳、玻璃或芳纶等))一起沉积且相互作用的连续/随机芯纤维增强丝。
图2A至图2C是使用连续芯增强丝的三维打印系统连同立体光固化或选择激光烧结的示意性表示，其中，图2A和图2B是连续芯增强丝-SLA/SLS打印机的示意性图，并且图2C是定位处理的示意性图。
图2D是用于在可嵌入在这里披露的增强成型体中的印刷电路板中形成多个层的三维打印系统的示意性表示。
图2E是包括跟随供给和压制辊的可旋转打印喷嘴的示意性表示。
图2F是多喷嘴三维打印机的示意性表示。
图2G是包括打印臂(例如，具有4个以上自由度的机械手)和可选择的打印头的三维打印系统的示意性表示。
图2H是打印系统中使用的多组分打印头的示意性表示。
图3是说明图3的3D打印机的整体操作的流程图。
图4A至图4C示出了对比方向上的示例性六轴壳铺叠(six-axis shell layup)。
图4D至图4G示出了根据本实施例的3D打印复合铺叠的示例性加权分布，例如用于形成夹心板结构，以便增大有效惯性力矩。
图4H至图4J示出了根据本实施例的3D打印复合铺叠的示例性加权分布，例如用于利用准各向同性壳或层集合以及同心增强壳或层形成夹心板壳和纤维蜂窝内部结构，以增大关于零件的整个表面的有效惯性力矩并增大抗碾性和抗扭性。
图5A至图5D示出了图4A至图4D的结构，其中，内部结构添加地沉积为可溶预制体而不是结构树脂(但在图5A至图5J中，内部树脂结构也可部分地或全部地沉积为结构树脂，或者实心的或部分填充，例如蜂窝)。
图5E至图5G示出了图4E至图4G的结构，其中，内部结构添加地沉积为可溶预制体而不是结构树脂。
图5H至图5J示出了图4H至图4J的结构，其中，一些内部结构添加地沉积为可溶预制体而不是结构树脂。
图5K至图5L示出了类似于图4A至图4J和图5A至图5J中结构的结构，其中，一些内部结构添加地沉积为夹心板。
图5M至图5N示出了类似于图5I和图5J结构的结构，其中，连续增强柱桥接层延伸通过多个层。
图5O至图5Q示出了图5B至图5D的结构，其中，内部结构添加地沉积为非可溶预制体。
图6A和图6B示出了用于构建示例性自行车框架的多构件复合铺叠的处理的连续步骤。
图6C和图6D示出了用于构建示例性自行车框架的添加可溶预制体和添加连续纤维增强预制体的处理的连续步骤。
图7A示出了两种形式的两个纤维带的交叉点或交叉转向(crossing turn)。
图7B至图7F示出了围绕孔(例如，边孔或通孔)制成的各种交叉转向在复合带或多带迹线的增强成型时靠近孔的中心并且在其入口旁边并以平行于入口的方式离开；靠近孔的切线，且从相对于并平行于其入口的孔离开；其中，使弯曲开放环或接触环远离增强孔，复合带或多带迹线的增强成型从增强孔朝向孔返回。
图8A至图8D示出了可用于填充这里披露的增强区域的修补填充和同心填充。
图9示出了用于配置3D打印机控制器和/或切割控制器操作以允许多层规则处理(例如，用于设定层或区域的组的规则和改变规则组的组成)的流程图。
图10A至图10C示出了图9的规则传播过程的示例性的屏幕上零件渲染和逻辑结构。
图11A至图11B示出了包括形成有增强孔的打印零件的示意性表示。
图11C示出了通过这里披露的复合带的3D打印的在对比方向上的示例性复合铺叠。
图12示出了如图11C的以管的形式连续沉积的多层层叠。
图13是利用三维打印方法形成的复合零件的示意性表示。
图14是增强碳纤维和垂直布置的碳纳米管的扫描电子显微图像。
图15示出了在以端到端的方式连续沉积的层LAn中的增强成型体的复合带2c，其中，相邻的增强成型体连续进入下一层LAn+1，即，在零件14引入到下一层时未切割复合带2c。
本专利申请通过引用包含以下公开内容的全部：美国专利申请61/804235、61/815531、61/831600、61/847113、61/878029、61/880129、61/881946、61/883440、61/902256、61/907431、62/080890、62/172021、14/222318、14/297437、14/333881和14/491439，本文将这些专利申请称为“复合丝制造专利申请”或者“CFF专利申请”。
具体实施方式
在本发明中，“3D打印机”包括分立打印机和/或在较大处理中执行添加制造子过程的制造机械的刀具头配件。参照图1至图5，3D打印机由运动控制器20控制，运动控制器20用于解译专用G代码1102并根据G代码1102驱动3D打印机的各种作动器。
如本文所使用，“挤出(extrusion)”应具有其常规含义，并例如是这样的处理，在该处理中，通过硬模(die)挤压原料材料以形成比原料材料具有更小截面面积的特定形状。熔丝制造(FFF)是一种挤出处理。类似地，“挤出喷嘴(extrusion nozzle)”应具有其常规含义，并例如是这样的设备，该设备被设计成用于在流体流离开(或进入)密闭室时控制挤出流体流的方向或特性，以特别地提高速度并/或限制截面面积。本发明还使用了新创词“导管喷嘴(conduit nozzle)”或“喷嘴管(nozzlet)”以用于描述终端打印头，其中，与FFF喷嘴不同，没有在打印材料中形成明显的反向压力或附加速度，并且包括基质(matrix)和嵌入纤维的打印材料的横截面面积在整个处理过程中仍基本上保持相同(甚至在以接合堆层(bonded ranks)的方式被沉积至零件时)。如这里所使用，“沉积头(deposition head)”应包括挤出喷嘴、导管喷嘴和/或混合喷嘴。并且，如这里所使用，在进行参照时，后面没有字母后缀的附图编号应当指同一附图编号的所有字母后缀，例如，“图1”是指图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图1F和图1G所有这些图(或者任何其它的字母后缀)。
最后，在三维打印领域，“丝(filament)”通常是指卷绕在线轴上的整个横截面积的构建材料，而在复合材料领域中，“丝”是指例如碳纤维的独立纤维(其中，例如，“1K丝束”将具有1000根独立线束)。为了本发明的目的，“丝”应保留三维打印中的含义，并且“线束(strand)”应意指例如嵌入基质中从而一起形成整个复合“丝”的独立纤维。
3D打印系统
图1A至图1D的具有至少两个打印头18、10和/或至少两种打印技术的打印机利用一个打印头来沉积纤维增强复合丝，并且利用另一个打印头来涂布纯的或纯净的基质树脂18a(热塑性或固化)。纤维增强复合丝2可以(这里也被称为连续芯增强丝)基本上无空隙，并包括覆盖、渗透或浸渍内部连续的单体芯或多股芯的聚合物或树脂。应当注意，尽管打印头18作为挤压打印头示出，但这里使用的“填充材料打印头”18包括用于沉积填充材料的光学或UV固化的，热熔或烧结的，或“聚合物喷射(polyjet)”、流体、胶体、悬浮液或粉末喷射设备(未图示)。
尽管图1A至图1D大体示出了使打印头在3个正交的平移方向上相对移动的笛卡尔排列，但也将其它排列视为处于通过驱动系统或驱动器或机动化驱动器以及构建板明确说明的范围内，驱动系统或驱动器或机动化驱动器使打印头和支撑3D打印零件的构建板在至少三个自由度上(即也可以在四个以上的自由度上)相对移动。例如，对于三个自由度，Delta型并联机器人结构可使用与底座上的万向节连接的三个平行四边形臂，以任意地保持打印头的取向(例如，打印头和构建台板之间的三个机动化自由度)或者改变打印头的取向(例如，打印头和构建台板之间的四个以上的自由度)。作为另一个示例，打印头可安装在具有三个、四个、五个、六个或更多的自由度的机械手上；并且/或则构建平台可在三个维度上旋转、平移，或者转向。
通过导管喷嘴10、199供给、拖曳和/或牵拉纤维增强复合丝2、2a，其中，可选地，导管喷嘴10、199被加热到针对基质材料选择的控制温度，以保持预定粘度、接合堆层的黏附力、熔化特性和/或表面光洁度。
在基质材料或聚合物4、4a基本熔化之后，将连续芯增强丝2涂布在构建台板16上，从而构建连续层14以形成三维结构。控制器20控制构建台板16和导管喷嘴10的相对位置和/或取向，以将连续芯增强丝2沉积在期望的位置和方向上。
由控制器20控制的切割器8可在沉积过程期间切割连续芯增强丝以便(i)在结构上形成分离的特征和构件，并且(ii)控制多个区段和层中的沉积材料和/或接合堆层的方向性或各向异性。至少一个第二打印头18可打印填充材料18a以形成壁、填充物、抗UV的和/或防刮擦的保护涂层和/或可去除的、可溶解的或可溶的支撑材料。
所提供的丝包括至少一条在丝的基质材料4、4a内延伸的轴向纤维线束6、6a，例如尼龙基质4a布满有数百或数千的连续的碳、芳族聚酰胺(aramid)、玻璃、玄武岩(basalt)或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的纤维线束6a。纤维线束材料具有高于300MPa的极限抗拉强度。
从动辊组42、40沿着用于防止丝2扭曲的间隙配合区推动未熔丝2。在穿线(threading)或绑结(stitching)处理中，丝2的熔融的基质材料4a以及轴向纤维线束6a(有时通过轴向压制)被挤压到零件14和/或下方的带2d中。在构建台板16和打印头彼此相对平移时，丝2的端部接触熨烫唇726，并随后在横向压力区3040被连续熨烫以在零件14中形成接合堆层或复合带。
图1B示出了复合(例如，至少双重的)打印头的横截面，其中，打印头具有用于FFF的挤压打印头1800(作为头18)和挤出喷嘴1802以及用于连续纤维增强热塑性沉积的光纤沉积打印头199(作为头10)和导管喷嘴708。相似编号的特征类似于针对图1A描述的特征。
可以监控或控制供给速率(驱动器42、40的切向速率或直线速率)和/或打印速率(例如，台板/零件和打印头的相对直线速率)，以维持未支撑区域内的压制、中性张力或者正性张力以及沿着丝2延伸的纤维线束6a内的轴向压制或拉伸力。
如图1B和图1C所示，横向压力区3040包括对丝2进行再成形的熨烫唇726。熨烫唇726将丝2压紧或挤压到零件中，并且也可以在横向压力区3040中对基质材料4a进行熔化、加热以使其经过至非玻璃态的玻璃过渡，并且/或者使基质材料4a液化。可选地，横向压力区3040中的熨烫唇726在“上”侧(即与零件14相对的侧)使熔化的丝2平坦化，从而在丝2沉积成接合堆层或复合带2c时向熔化的基质材料4a和轴向纤维线束6a施加熨烫力。例如，控制器20使熨烫唇726的底部到下方的层的顶部的高度保持小于丝的直径(例如，压制至丝高度的1/2，至少在丝高度的1/2处；压制至丝高度的1/3，至少在丝高度的1/3处等)。控制器20也可以使熨烫唇726的底部到下方的层的高度保持为零(例如，在固结/压制的量和纤维带2c的高度可以是系统刚度的函数的情况下)。施加作为来自台板16或零件14自身的作为法向反作用力的另一再成形力，该力在熔化的基质材料4a和轴向纤维线束6a被熨烫以侧向地且垂直地形成接合堆层(即该熨烫也将接合堆层2c挤压到相邻的堆层中)时使接合堆层或复合带2c至少在两侧平坦化。
如图1C所示，如果下方的层或带2d包括沟槽，则来自零件14的法向反作用力可创建T形。由熨烫施加的压力和热量改善了至相邻的堆层或带中的扩散及纤维渗透(侧向地且垂直地)。
如图1B所示，可在导管72(具有间隙配合)和导管喷嘴708之间的间隙62中切割未熔纤维增强丝，或者在导管喷嘴708内切割未熔纤维增强丝(例如非接触区3030的上游)，且/或在间隙配合区3010、3020或熨烫唇726处切割未熔纤维增强丝。
在基质材料6a被熨烫唇或末梢726熔化之后，可通过控制器20控制供给和/或打印速率，以在熨烫唇726和零件14之间的复合丝2中保持中性至正性张力，这主要最初经由沿着丝2延伸的纤维线束4a内的张力来实现。横截面积基本恒定的纤维增强复合丝在间隙配合区、未支撑区、横向压力区中保持，并且还作为接合堆层附接到工件或零件14。
参照图1B，打印头1800和199中的每一者可安装在同一直线引导件上或者不同的直线引导件或作动器上，使得打印机的X、Y机动化机构使打印头1800和199一致地移动。如图所示，FFF打印头1800包括具有熔融区或熔融储室1804的挤出喷嘴1802、加热器1806、由隔热器或隔热部1809(可选地为气隙)形成的高热梯度区1808以及Teflon或PTFE管1811。通过例如直接驱动器来驱动1.75-1.8mm、3mm或者更大或更小的热塑性丝，或者鲍登(Bowden)管在熔融储室1804中提供挤压反向压力。
如图所示，相伴的连续纤维嵌入丝打印头199包括导管喷嘴708、复合熨烫末端728和限制接触腔714，在该示例中它们均位于由加热器715加热的加热块内。供冷区712可形成在接收管64内，接收管64包括刚性材料的类毛细血管的接收管以及延伸到喷嘴708中的小直径(例如32毫英寸的内直径)Teflon/PTFE管。在此情况下，供冷区被绝缘块66a和散热片66b包围，但这些完全都是可选的。在操作中，纤维嵌入丝的未附接末端可例如在高度P1处保持在供冷区中。距离P1以及切割器到末端的距离R1保存在数据库中，以允许控制器20如这里所述地穿引和推进纤维嵌入丝。如果P1和R1非常接近(例如，如果切割器位置接近供冷区或在供冷区内)，则P1可设置为等于或接近于R1。进一步如图所示，控制器20可操作地连接到切割器8、8A和面对导辊40的供给辊42。
图1C示出了导管喷嘴708的示意性特写截面。如图1C所示，接收管64的内直径(在该情况下，在Teflon/PTFE内管形成内直径的位置处)是被示出在其内部的丝2(例如，在12-15或者13毫英寸)的直径的大约1又1/2到2又1/2倍(例如，在32毫英寸)。终端腔714的内直径或者内宽度(例如，在40毫英寸)是被示出在其内部的丝2的直径的两倍至六倍。上述范围是优选范围，也可考虑的是，接收管的直径可以是丝的直径的1又1/10到3倍，且终端腔的内直径是丝的直径的2到12倍。终端腔的直径优选大于接收管的直径。
图1C是纤维打印头组件的特写截面和一组不同的可能的压制(compression)/固结(consolidation)形状，这些形状包括连续/随机芯增强丝形状。即，在本发明中，涉及连续纤维丝2、2a或纤维增强复合丝2、2a的所有说明既可以指仅包括沿着丝和基质材料4、4a(例如，聚合物、陶瓷或金属)延伸的连续纤维6a的纤维增强复合丝2、2a，也可以指包括沿着丝延伸并嵌入有1-20％(例如，30％或40％等更高百分比也是可以的)体积比例的短切纤维6b(这里将其称为“短切纤维”、“纤维棒”或者“短纤维”)的连续纤维6a的纤维增强复合丝2、2a。短切纤维6b可以是与连续纤维6a相同或不同的材料。例如，根据本发明的丝可包括散布有玻璃丝短棒6b的碳纤维连续丝束增强体(carbon fiber continous towreinforcement)6a，或散布有碳纤维短棒6b的玻璃纤维连续丝束增强体(glass fibercontinous tow reinforcement)，或者它们的任意组合。短棒6b可以是在任意方向上随机分散并定向，但也可以在成形期间进行处理以非随机地定向至少一部分的棒。在任一情况下，至少一部分的短棒6b可以以横向于丝2的方式延伸，或者在沉积期间或压紧期间，一些短棒6b可以从丝伸出或被部分地挤出到相邻的丝带(swath of filament)2c或相邻的填充材料珠(bead of fill material)18a或18b。一些这样的棒6b可在具有Z分量(例如，垂直或以一定角度)的方向上或者另外地以部分垂直于沉积带2c的外表面的方式延伸，并且一些这样的棒6b可在Z方向上桥接各层或者在X和/或Y方向上桥接相邻的纤维带2c或珠18a、18b。
应当指出，此处附图中的连续纤维增强体6a和“棒”都不是按比例尺示出的。连续纤维增强体通常在丝2中包括500、1000、2000或更多的纤维线束6a。棒的长径比(例如，长度：直径可以是20:1至200:1，通常为40:1至60:1)。棒6c可以是被短切为0.05-2mm长(可选地，0.2mm直到10mm的长度)的纤维线束。
另外，如图1C所示，在零件上方的小于丝直径且根据复合带的期望比例按比例尺示出的高度处，加热的复合丝熨烫末端726相对于零件移动，以在沉积纤维增强复合丝2时熨烫纤维增强复合丝2，从而将纤维增强复合丝内的成基本椭圆或圆形捆的非弹性轴向纤维线束6a(包括任何嵌入的短纤维棒或短切纤维棒6b)在零件的接合堆层2c内再成形为非弹性纤维线束的基本平坦的块体。轴向压制和/或熔融基质丝2在接合堆层中的侧向压入可通过在线束5a和/或棒6b上的作用来提高最终的零件性能。例如，图1C示出了施加有压紧力、轴向压制或侧向压力62的复合纤维增强丝2。来自轴向压制的压紧力和来自熨烫唇的平坦化作用将基本上呈圆形截面的丝2a压制或再成形到下方的前一层中，并且压制或再成形在另一个基本呈矩形截面的压紧形状2c中，而且迫使压紧形状2c和/或下方的层2d或相邻的堆层的表面处或附近的棒6b与填充材料18、基质4a、相邻的线束6a或相邻的棒6b中的任一者相互作用，或延伸到其中。整个丝2a在成形时形成接合堆层2c(即，接合到下方的层2d和同一层上的先前堆层)。
丝2c和/或丝2c的内部线束6a和/或内部棒6b分散并侵入同一层上的相邻的接合堆层2c或2d中，并且基质材料4a和线束6a或棒6b被挤压到下方的材料的成形丝或接合堆层2d中。成形丝或接合堆层2c、2d的这种挤压、压实或者扩散减小了增强纤维之间的距离，并增大了最终零件的强度(并且取代了在使用通过压板或真空袋装的后处理的复合铺叠中实现的常规技术)。因此，在这里披露的一些实施例或者本发明的一些方面中，丝2的轴向压制和/或特别地由区域3040中的打印头70、导管喷嘴或者熨烫唇726进行的物理按压可用于直接向沉积材料或接合堆层或复合带2c施加压制/压实/固结压力以迫使它们伸入或压入或平坦化到旁边和/或下方的堆层中。另外，压力可迫使棒6b与旁边或下方的相邻堆层以及它们的任一构件(填充材料、基质、线束6a、棒6b)相互作用，或者延伸到其中。横截面面积基本保持或者相等地保持。
替代地或额外地，可通过在打印头后方的拖尾压板(trailing pressure plate)施加压力；跨越整个零件的全宽度压板和/或辊2138(例如，参见图2E)一次将压紧压力施加到整个层；且/或可以在打印期间施加热量、压力或真空，在各层之后施加热量、压力或真空，或者将热量、压力或真空施加至作为整体的零件，以使层中的树脂回流且在最终零件中获得期望的压实量(迫使壁在一起并减少和消除空隙)。
图1E至图1G是通过本发明的方法和打印机沉积的3D打印结构的横截面，其中，图1E示出了通过3D打印机(例如，FDM、SLA或其它技术)与聚合物、陶瓷或金属填充材料一起沉积的连续/随机芯纤维增强丝；图1F示出了利用聚合物、陶瓷、或注射或其它成型体OV10或连续(基本上非层叠的或微层叠)添加制造包覆成型的连续/随机芯纤维增强丝；且图1G示出了与包括一定比例(例如，5-20％)的短切(例如，1/10到2mm长，但可达到10mm)纤维(例如，碳、玻璃或芳族聚酰胺等)的聚合物、陶瓷或金属填充材料一起沉积且相互作用的连续/随机芯纤维增强丝。
在图1E所示的示例中，所示的最下方的层可以是在零件的底板处或附近，并且图1E的图案在零件的顶板处或附近基本相同。如图1E所示，最下方的层是一层3D打印的树脂、聚合物、陶瓷或金属填充材料18。如图所示，两个堆层2c沉积在最下方的层上，并彼此相邻。在每个堆层内，连续纤维线束6a沿着沉积的芯增强丝或带的长度延伸，并且短纤维棒6b基本上随机地布置在堆层内。如图所示，至少一定比例的短纤维棒在用于使丝平坦化的施加压力下延伸到相邻的(下方的或旁边的)带或层中。所示的第三层这样延伸，纤维带定向在相对于下方的层中的带基本上转向90度的方向上，该层中的纤维增强堆层还包括基本上沿着整个丝(例如，在沉积和切割丝时丝的整个区段的长度)延伸的连续线束6a以及分散在其中的棒6b。这种布置在连续纤维线束6a的每个方向上形成了强健的增强以及在纤维增强体2的带和填充材料18的珠之间形成强健的相互作用。如这里所述，纤维增强体的其它层可以以沉积成准各向同性、同心或其它图案。三层填充材料18(在图1E中，从底部起的第四到第六层)沉积在最后的纤维带2c之上。
在图1F所示的示例中，如这里针对注射成型(injection molding)和包覆成型(overmolding)所述，将图1E的填充材料18和/或基质4作为可溶性材料进行沉积，或者沉积在与注射成型材料相同的材料中，以利用外模(overmold)OV10对图1E进行包覆成型，从而在这种情况下将图1E作为可溶预制体和/或纤维增强预制体进行处理。图1F示出了利用外模OV10进行包覆成型并嵌入在包覆成型的增强成型体中的纤维材料(纤维线束6a和短纤维棒6b)。在此情况下，短纤维棒6c跨接在连续纤维6a和外模OV10的注射成型材料之间。
在图1G所示的示例中，对照图1E所示的示例，填充材料18现在包括基质材料18以及短纤维棒18b。因此，连续增强纤维丝与随机增强纤维丝一起被打印。另外，通过连续纤维6a增强的连续增强纤维丝额外地通过棒6b随机地或全方位地增强。如图1G所示，最下方的层是一层具有聚合物、陶瓷或金属基质18b和随机或全方位分散的短切纤维18c的3D打印填充材料18。并且，如图所示，两个堆层2c沉积在最下方的层上，并彼此相邻。在每个堆层内，连续纤维线束6a沿着沉积的芯增强丝或带的长度延伸，并且短纤维棒6b基本上随机地布置在堆层内。如图所示，至少一部分短纤维棒6b在用于使丝平坦化的施加压力下延伸到相邻的(下面的或旁边的)带或层中。与图1E不同的是，在此情况下，相邻的带或层还包括短纤维棒6b。所示的第三层这样延伸，纤维带6a定向在相对于下方的层中的带6a基本上转向90度的方向上，该层中的纤维增强堆层还包括基本上沿着整个丝2(例如，在沉积和切割时丝2的整个区段的长度)延伸的连续线束6a以及分散在其中的棒6b。这种布置在连续纤维线束6a的各方向上形成了强健的增强以及在纤维增强体2的带(及其基质4、线束6a、6b)与填充材料18(及其基质18b和棒18c)的珠之间形成强健的相互作用。如这里所述，纤维增强的其它层可以沉积成准各向同性、同心或其它图案。三层填充材料18(在图1E中，从底部起的第四到第六层)沉积在最后的纤维带2c之上。
在一个变形例中，如图1F所示，增强填充材料18的短切棒18c可与纯的聚合物、陶瓷或金属填充材料18一起使用(例如，如图所示，在最下方的层中)。在另一个变形例中，未图示，没有纤维棒6b而只有连续纤维6a的芯增强丝2可以与纯的聚合物、陶瓷或金属填充材料18、和/或短切纤维增强填充材料18(具有聚合物、陶瓷或金属基质18b和短切纤维棒18c)、和/或包括连续纤维6a和分散短切棒6b的芯增强丝2中的任一者一起沉积。如这里所述，在短切增强填充材料18的增强棒18c、芯增强丝的增强连续线束6a或者芯增强丝的增强短切纤维棒6b中，增强材料中的任一者都不需要相同，但是，基质材料4和/或填充材料基质18c和/或填充材料18应当是相同的聚合物；相关的聚合物；相关的共聚物；相容性聚合物或共聚物；或者强粘附聚合物。
如这里所述，用于零件的添加制造的三维打印机1000可包括一批组合的连续/随机纤维增强复合丝2，这些连续/随机纤维增强复合丝2包括在纤维增强复合丝的基质材料4内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束6a以及在相同的基质材料4内至少部分地随机延伸的多个短切纤维棒6c。沉积头(例如，10、199)包括连续过渡到在末端处具有熨烫唇726的大体圆形出口的导管，沉积头由沉积头驱动器驱动，沉积头驱动器逆着零件的先前沉积的部分驱动熨烫唇，以平坦化纤维增强复合丝2，此时基质材料4以及短切纤维棒6b的第一部分在被熨烫唇726分散的轴向纤维线束6a之间以填充间隙的方式流动(例如，在内部线束6a之中，位于丝内部的短棒6b可随着流动移动)，并且朝向零件的先前沉积的部分压迫短切纤维棒6b的第二部分(例如，在丝2的外表面附近、在丝2的外表面上或者延伸通过丝2的外表面的短切纤维棒6b)。丝驱动器可推动固化的纤维增强复合丝的上游部分(例如，相比于分散的棒6b，连续线束6a沿着丝传送更多的力)以使纤维丝2的未连接的末端通过导管并在熨烫唇726处离开导管。与丝驱动器和沉积头驱动器操作性地连接的控制器可管理这些动作。
可替代地或附加地，用于制造零件的方法可包括供应具有固化的基质材料的芯增强丝，该固化的基质材料浸渍有沿着芯增强丝对齐的增强线束并且浸渍有部分地横向于芯增强线束的增强短切纤维棒。芯增强丝被接收在切割器中并再次被切割。切割后的芯增强丝被接收在喷嘴中，并且在离开喷嘴时被加热。从零件经由增强线束但没有经由增强短切纤维棒施加拖曳力(或者，经由增强线束比经由增强棒施加的拖曳力大)。在芯增强丝融入到零件中时，可通过喷嘴施加压力，以连续地压实芯增强丝，并且还朝向零件的先前沉积部分连续地嵌入一部分短切纤维棒(例如，在丝2的外表面附近、在丝2的外表面上或者延伸通过丝2的外表面的短切纤维棒)。压实的芯增强丝可融入到零件中。
可替代地或附加地，用于制造零件的方法可包括供应具有基质材料的芯增强丝，该基质材料浸渍有沿着芯增强丝的整个长度延伸的连续增强线束6a和一部分第一短切纤维棒6b，至少一些第一短切纤维棒6b定向为横向于连续增强线束6a。填充材料18可与芯增强丝2分开地提供，且包括第二短切纤维棒18c。如图1D至图1F和/或图5A至图5N和/或图4A至图4J所示，芯增强丝2可沉积在第一区域内，第一区域形成在零件的向外部分中，向外部分离零件的外壁比离零件的形心更近。可通过加热的喷嘴末端施加压力，以在使芯增强丝2、2c融入到零件的层中时连续熔化并压实芯增强丝2、2c，并且朝向先前沉积的包括第一短切纤维棒6b的芯增强丝连续地嵌入一部分第一短切纤维棒6b。也可通过加热的喷嘴末端施加压力，以在使芯增强丝2、2c融入到零件的层中时连续地熔化并压实芯增强丝2、2c，并且朝向先前沉积的包括第二短切纤维棒18c的填充材料18连续地嵌入一部分第一短切纤维棒6b。如图1D至图1F和/或图5A至图5N和/或图4A至图4J所示，填充材料18可沉积在第二区域内，第二区域形成在零件的相对于第一区域向内的部分中。
图2A至图2H说明应用纤维增强复合丝2以及DLP-SLA、SLA、SLS、“聚合物喷射”或其它技术来进行结构构建的三维打印机的实施例。相似编号特征类似于参照图1A描述的特征。
尽管本发明的一个实施例或方面使用热塑性基质，但也可以使用混合系统。增强丝可以采用通过(例如利用热量、光、激光和/或辐射的)固化周期完成的基质。例如，连续碳纤维被嵌入在部分固化的环氧树脂中，使得挤出的构件粘合在一起，但是需要后固化以完全硬化。同样，虽然本发明的一个实施例或方面使用预先成形的连续芯增强丝，但是在一些实施例中，可以通过在加热的挤出喷嘴中组合树脂基质和固态连续芯来形成连续芯增强丝。由于与多束芯中的多个界面相比，树脂容易浸湿固态芯的连续界面，所以树脂基体和固态连续芯能够沿着界面接合而不形成空隙。因此，这样的实施例在期望改变沉积材料的特性的情况下特别有用。
图2A和2B说明了混合系统，混合系统采用立体光固化(和/或选择性激光烧结)以在嵌入纤维周围设置基质，即这样的处理，在该处理中，通过在期望的层构造中扫描聚焦辐射固化或熔融光束(激光、UV)来逐层地固化液态或粉末态的连续树脂。为了提供提高的强度以及与包括固态的和多束的材料的不同类型的连续芯丝相关的功能，能够将与各层的沉积相关的立体光固化处理修改成两步处理，这使得能够在期望的位置和方向上构建包括连续芯丝的复合构件。连续芯或纤维可以沉积在待打印的层内的期望位置和方向上，完全或部分地浸没在树脂内。在连续纤维沉积在期望的位置和方向上之后，相邻的树脂被固化以硬化在纤维周围。该处理可以在连续纤维被沉积时完成，或者可以在连续纤维已经沉积之后完成。在一个实施例中，通过单根连续纤维打印整个层而不需要切割连续纤维。在其它实施例中，可以在打印层的具有不同取向的不同部分中提供增强纤维。为了便于将连续纤维沉积在多个位置和方向上，可以使用这里所述的切割器或通过用于硬化树脂的激光来终止连续纤维。
图2B示出了使用立体光固化或选择性层烧结在台板1602上正在构建的零件1600。零件1600浸没在托盘1606中包含的液态树脂(感光性树脂)材料或粉末层1604中。在零件1600形成期间，在每一层形成之后使台板1602移动一个层厚度以顺序地下降，从而保持零件1600被浸没。在各层形成期间，通过导管喷嘴1610供给连续芯丝1608且使其沉积在零件1600上。控制导管喷嘴1610以将连续芯丝1608沉积在正形成的层内的期望位置以及期望方向上。连续芯丝1608的供给速率可以等于导管喷嘴1610的速率以避免干扰已经沉积的连续芯丝。在沉积连续芯丝1608时，适当的电磁辐射(例如，激光1612)在导管喷嘴1610的行程路径后方的位置1614处使围绕连续芯丝1608的树脂固化。可以选择位置1614与导管喷嘴1610之间的距离，使得连续芯丝能够完全浸没在固化前的液态树脂内。激光由源1616产生且由可控反射镜1618引导。三维打印机也包括如上所述的能够终止连续芯丝的切割器1620。
可选地，通过一个或多个“定位钉(tack)”将沉积的丝保持在适当位置，该定位钉是当额外的芯材料被沉积的同时将连续芯丝保持在适当位置的足量硬化树脂材料。如图2C所示，当通过喷嘴(未图示)沉积连续芯丝时，激光1612将连续芯丝1608定位在多个离散点1622处的适当位置。在沉积连续芯丝1608的部分或全部后，沿着预定图案引导激光1612来固化液态树脂材料1604且形成当前层。类似于上述系统，适当的电磁辐射(例如，激光1612)由源1616产生且由可控反射镜1618引导。材料的平衡能够被固化以使相邻线束之间的交联最大化，例如，当已经将足量的线束沉积在层上且定位在适当位置时，可以将树脂固化成与沉积的连续芯丝线束的方向垂直的珠。在与沉积线束垂直的方向上固化树脂可以加强相邻线束之间的粘结，从而提高在与沉积的连续芯丝线束的方向垂直的方向上的零件强度。如果层的分离的各部分包括定向在不同方向上的连续芯丝线束，那么固化图案可以包括与该层的各部分内的连续纤维芯材料线束的方向垂直或平行的线。
图2D说明了构建台板16上的多层PCB 1800的打印。PCB 1800由使用包括加热的挤出喷嘴10和切割机构8的打印头沉积的导电芯材料1802和绝缘材料1804形成。类似于多组分打印头，导电芯材料1802和绝缘材料1804可选地或者独立或者共同地沉积。而且，在一些实施例中，导电芯材料1802是固态的，以使形成在沉积的复合材料中的空隙最小化。当在没有绝缘材料1804的情况下打印导电芯材料1802时，可形成空隙1806以使得随后能够形成用于连接PCB 1800内的多个层的通孔。根据期望应用，空隙1806可以与由导电芯材料1802制成的一个以上的迹线(trace)有关或无关。
根据需要，可使用精密辊组沿着从打印头2102输出的材料的相对宽的宽度保持恒定厚度。在处理诸如平面预浸丝束(towpreg)等较宽材料时，可以使用这样的实施例。图2E示出了在第一方向上平移的打印头2102。打印头的喷嘴2136附接至拖尾压辊2138。辊2138向沉积在打印床2140上的材料施加压制力。取决于实施例，拖尾辊2138能够利用任意数目的不同装置绕Z轴连接。例如，在一个实施例中，打印头2102在轴承上自由地转动(例如，增加第四自由度)，使得辊总是跟随打印头的行进方向。在另一个实施例中，整个打印头402被构建为旋转(例如，增加第四自由度)。可替代地或附加地，打印床2140可以旋转(例如，作为第四或第五自由度)以获得期望的跟随和位移。
图2F示出了能够使用上述材料的高速连续芯打印机的一个实施例。在所述实施例中，打印机包括具有多个喷嘴的打印臂2200。喷嘴包括适于打印纯树脂(例如，作为填充材料)2208的纯树脂喷嘴2202。打印臂2200还包括适于打印用于精细作业的连续芯丝2210的连续芯丝喷嘴2204。另外，打印臂2200包括能够打印一条以上的可打印带2212的带分配头2206。带分配头能够利用所述的可打印带快速地打印大的填充部。然而，不能由带填充的精细作业和空隙可通过纯树脂喷嘴2202或者连续芯丝喷嘴2204来填充。上述利用宽的带填充的方法和系统极大地提高了打印机的速度，使得产量更高，并且在相当程度上降低成本。
在图2G中，(例如，机械手)打印臂1400能够在万向连接1404处附接到打印头1402。连续芯增强丝1406可在打印头1402附接到打印机1400之前或之后被供给到打印头1402中。打印臂1400可使打印头1402返回到相关的支架或转塔，并然后启用用于打印丝和具有不同的尺寸、材料、颜色、涂层和/或喷涂物的其它消费品的打印头1408或1410；或者甚至是用于零件检验的视像系统1412(例如，相机、测距仪)。
可通过在加热的导管或挤出喷嘴中向固态的连续芯或预浸料添加树脂基质或涂层来形成连续芯增强丝。图2H说明了多组分打印头1500，打印头1500选择性地组合(以任意可行的组合)并挤出材料供给选择芯1502(例如，连续铜线、连续纤维、成束的预浸料线或纤维)、基质1504(例如，诸如尼龙等接合树脂)和支撑料1506(例如，可溶性支撑材料)。例如，芯1502在下表面上由基质粘合剂1504包围，且在上表面上由可溶性/可溶解的支撑料1506包围(例如，部分1508)。多组分打印头1500还分别沉积涂敷有基质粘合剂1504或者可溶解的支撑料1506的芯1502(例如，部分1510和1514)，或者例如独立地沉积这些材料中的任一者(例如，部分1512处的裸芯或铜线)。
如图2H所示，多组分打印头1500(或者这里披露的任何其它打印头实施例)可包括空气喷嘴1508，空气喷嘴1508能够实现打印区域的预加热和/或挤出材料的快速冷却以形成诸如跨线、间隙桥和其它类似特征结构等结构。例如，导电芯材料可通过多组分打印头1500沉积有共同挤出的绝缘塑料以在打印零件中形成迹线。之后，迹线的端部作为跨线被截断(多组分打印头抬起且沉积芯和护封)，可选地通过空气喷嘴1508冷却绝缘护封。之后，线的端部可被打印为“剥离线(stripped wire)”，其中，导电芯被挤压出而没有绝缘护封。接着，切割机构8可截断导电芯。以上述方式形成非绝缘的跨线可用来省去后期的剥离步骤。
图1D说明了三维打印机的框图和控制系统，三维打印机控制其中的机构、传感器和作动器，并且执行指令以实施这里所述的控制配置和处理。以示意的形式示出打印机，以展示例如三个受控电机116、118和120的可能结构。应当指出，该打印机可包括图1C所示的打印头199、1800的复合组件。
如图1D所示，三维打印机3001包括控制器20，控制器20可操作地连接到纤维头加热器715、纤维丝驱动器42和多个作动器116、118、120，其中，控制器20执行指令，以使丝驱动器将纤维沉积和/或挤压在零件中。指令被保持在闪存中，并在RAM(未图示，可嵌入在控制器20中)中被执行。如这里所述，用于应用喷涂的作动器114也可连接到控制器20。除了纤维驱动器42之外，丝供给部1830由控制器控制以供应挤出打印头1800。打印头板110可选地安装在复合打印头199、1800上且随之移动，并且通过带状电缆连接到主控制器20，打印头板110分接一定的输入和输出。控制器20可通过电热调节器或热电偶102来监控熨烫末端726的温度；并且可以通过热敏电阻器或热电偶1832来测量对任何相伴的挤出打印头1800的加热块保持喷嘴1802的温度。用于加热熨烫末端726的加热器715和用于加热挤出喷嘴1802的加热器1806由控制器20控制。可在打印头199、1800之间共用均用于冷却的散热风扇106和零件风扇108，并且这些风扇由控制器20控制。控制器20还监控测距仪15。还可操作地连接有切割器8作动器，例如伺服电机、螺线管或等同物。还可以控制用于提升打印头199、1800中的一者或两者以离开零件(例如，用于控制滴落)的升降电机。控制器20还监控用于检测作动器116、118、120何时到达其适当行程范围的端部的限位开关112。
如图1D所示，包括独立的微控制器的额外的分接板(breakout board)122将用户界面和连接提供给控制器20。802.11Wi-Fi收发器将控制器连接至局域无线网和广泛的因特网，并且发送和接收远程的输入、命令及控制参数。触摸屏显示面板(TOUCH)128提供用户反馈且接收用户的输入、命令及控制参数。闪存126和RAM 130存储用于用户界面微控制器和控制器20的程序和有效指令。
图3说明了表示图1和图2中的打印机1000的打印操作的流程图。图3示出了作为偶联功能的控制例程，执行该控制例程以交替地和组合地使用图1A至图1D的共同安装的FFF挤出头1800和纤维增强丝打印头199。
在图3中，在开始打印时，在步骤S10中，控制器20判断待打印的下一区段是否是纤维区段，在待打印区段是纤维丝区段的情况下行进到步骤S12，在待打印区段是包括例如基底、填充或涂层的其它区段的情况下行进到步骤S14。参照图2详细说明了步骤S12。在例程S12和S14中的每一者或者任一者完成段之后，图3的例程在步骤S16中检验切片完成，如果各区段在切片内保持，则在步骤S18中，递增至下一规划区段，并且继续纤维区段和/或非纤维区段的判断和打印。类似地，在步骤S16中切片完成之后，如果在步骤S20中切片保持，则在步骤S22中，例程递增至下一规划切片，并继续纤维区段和/或非纤维区段的判断和打印。这里所使用的“区段(segment)”对应于“刀具路径”和“轨迹”，表示具有起点和终点的线性的行、路径或堆层，可以是开放的或闭合的，可以是线、环、曲线、直线等。在打印头开始材料的连续沉积，区段开始，并且在打印头停止沉积时，区段结束。“切片(slice)”是在3D打印机中待打印的单层或薄层，且切片可包括一个区段、多个区段、格状填充单元、不同材料和/或纤维嵌入丝区段和纯聚合物区段的组合。“零件(part)”包括用于构建零件的多个切片。图3的控制例程允许通过两个不同的打印头(包括图1A至图1D的复合打印头199、1800)进行双模式打印。
如这里所述，先前所述的所有打印结构可以在成型处理期间嵌入在成型品内，其明显包括任意类型(稀疏的、密集的、同心的、准各向同性或其它形式)的增强纤维结构以及填充材料或普通树脂结构。另外，在针对注射成型体中的嵌入所讨论的所有情况下，通过填充材料头18利用热塑性挤出沉积打印的结构在各情况下可由可溶性材料(例如，可溶的热塑性塑料或盐)代替以形成可溶预制体(其可以形成用于纤维增强的打印基板)，且之后被去除，从而留下连续纤维增强预制体。这里披露的所有连续纤维结构(例如，夹心板、壳、壁、增强环绕孔或特征等)可以是连续纤维增强预制体的一部分。
即，本发明探讨了制造增强成型的方法，其中，“成型体(molding)”用作名词，且增强成型体包括具有由连续纤维结构形成的骨架的或密集的内部增强体的成型成品。利用这里参照图1至图3所述的可沉积填充材料、可溶材料或者连续纤维的3D打印机，增强纤维添加地沉积成增强体积(reinforcement volume)，以形成连续纤维增强预制体。预制体可以是基板，3D打印的其它层朝向基板沉积(填充材料、可溶材料或连续纤维)，或者/并且预制体可以是嵌入在成型品中的形状。例如，连续纤维增强预制体位于成型装置的模具(例如，注射模具的内腔，足够大且具有适于接收增强预制体的形状等)内。模具装载(例如，注射或其它方式的填充)有熔化的、可流动的和/或可选的基本上各向同性的成型材料(例如，热塑性塑料、可固化塑料、热固树脂或金属等，可选地包括短切纤维或分散颗粒)。在液化的热塑性塑料的热量和压力下，注射为“装载(loading)”。成型材料变硬(例如，冷却或固化)以利用成型材料来包覆成型连续纤维增强预制体，由此形成围绕(具有硬化的基本上各向同性的成型材料的)内部连续纤维增强预制体的增强成型体。增强体积小于整个增强成型体的体积。
例如，图13说明了复合结构的示意性表示，其中，图13示出了夹心板复合零件。该夹心板复合零件可形成随后嵌入在成型品(增强成型体)中的连续纤维增强预制体的部分或者全部。利用连续芯增强丝来打印顶部1900和底部1902，以形成相对实体的部分。相比之下，可以将中间部1904打印成使得其具有与顶部1900和底部1902不同的性能。可以将中间部1904作为填充材料(被保留在增强成型体内)、可溶材料或可溶预制体(在模具内包覆成型夹心板结构之前或期间被溶解掉)打印，或者作为纤维蜂窝(再次，被保留在增强成型体内)打印。例如，中间部1904可包括利用连续芯增强丝、纯树脂或者甚至三维打印泡沫材料以蜂窝图案打印的多个层。这样能够利用三维打印机制造出包括较低密度芯的复合零件，并且该零件可以是用于增强成型体的骨架的或增强的结构。
除了使用连续芯增强丝形成利用纤维取向具有期望方向上的性能的各种复合结构(每个连续芯增强丝可形成增强预制体的一部分并嵌入在增强成型体中)之外，在一些实施例中，期望在纤维方向之外的方向上提供额外的强度。例如，连续芯增强丝可包括额外的复合材料以提高材料的整体强度或者材料在纤维芯方向之外的方向上的强度。例如，图14示出了包括基本上垂直地装载的碳纳米管2002的碳纤维芯材料2000的扫描电子显微镜图像。在芯上装载基本上垂直的小型纤维构件提高了复合材料的剪切强度，并且有利地提高了所得零件在基本垂直于纤维方向的方向上的强度。这样的实施例有助于减小零件沿着给定层分层的倾向。
图4A至图5P说明了利用图1A至图1D和/或图2A至图2G所示的打印头形成的各种零件。图4A、图5A和图5O示出了包括沉积为XY平面内的二维层的多个部分1322的零件。这些部分1322可作为填充材料18或者可溶材料沉积。如果它们作为可溶材料沉积，则它们形成可溶预制体。随后，部分1324和部分1326沉积在ZY平面内以增大零件在Z方向上的强度。如图4A和图5A所示，如果部分1322形成为可溶预制体或可溶性材料，并且在包覆成型和/或硬化成型材料以对连续纤维增强预制体进行包覆成型OV1之前、期间或之后溶解掉或被去除，则形成具有围绕内部连续纤维增强预制体的外模OV1的纤维增强成型体，其中，外模OV1是硬化的基本上各向同性的成型材料。在图4A和图5A中，盒状或罐状的增强成型体由沿着外壁集中的增强体形成。相对地，如图5O所示，如果支撑预制体不是可溶性的，并且支撑预制体和任意的连续纤维增强预制体均通过外模OV11包覆成型，则可形成具有内部/嵌入支撑预制体(如这里所述，其可以通过棒、短切、短的、长的或者颗粒的增强体来增强)和围绕支撑预制体的内部/嵌入纤维增强预制体的成型体。
图4B、图5B和图5P示出了壳打印的相关方法，其中，层1328和层1330形成在XY平面中，并且覆盖有在XY平面和ZY平面中延伸的壳1332和1334。如图所示，壳1332和1334可以完全覆盖下面的由层1328和层1330形成的芯(参见部分1336)，或者一个以上的壳只覆盖下面芯的一部分。例如，在部分1338中，壳1332覆盖层1328和层1330。然而，如图所示，壳1334不完全覆盖层1328，并且形成了台阶结构。如图4B和图5B所示，如果部分1328形成为可溶预制体或可溶性材料，并且在包覆成型和/或硬化模压材料以对连续纤维增强预制体进行包覆成型OV2之前、期间或之后溶解掉或被去除，则形成具有围绕内部连续纤维增强预制体的外模OV2的纤维增强成型体，其中，外模OV2是硬化的基本上各向同性的成型材料。在图4A和图5B中，形成壳状、杯状或者开放盒型增强成型体，其中，增强体跟随杯或开放盒的壳或壁的轮廓。并且，如图5P所示，如果支撑预制体不是可溶性的并且支撑预制体和任意的连续纤维增强预制体通过外模OV12包覆成型，则可形成具有内部/嵌入支撑预制体(如这里所述，其可以通过棒、短切、短的、长的或者颗粒增强体来增强)和托着支撑预制体的内部/嵌入纤维增强预制体的成型体。
图4C和图5C示出了替代实施例，其中，添加支撑材料1340，以相对构建台板或者其它支撑表面提升零件，使得三维打印机的旋转头在零件和支撑表面之间具有间隙，以能够在零件芯的下层1344上沉积壳1342。并且，如图4B、图4C和图5B、图5C所示，如果部分1344和/或1340作为可溶预制体或者可溶性材料形成，并且在包覆成型和/或硬化模压材料以对连续纤维增强预制体进行包覆成型OV3之前、期间或之后溶解掉或被去除，则形成具有围绕内部连续纤维增强预制体的外模OV3的纤维增强成型体，其中，外模OV3是硬化的基本上各向同性的成型材料。在图4C和图5C中，形成了多级增强成型体，多级增强成型体在多个取向上具有平坦和弯曲形状，并且增强体跟随壁。应当指出，图4A至图4C或图5A至图5C所示的纤维增强体的层或壳中的任一者可以是具有不同纤维取向的多层层叠(例如，准各向同性图案或者各向异性的方向性图案)。再次，如图5Q所示，如果支撑预制体不是可溶性的并且支撑预制体和任意的连续纤维增强预制体通过外模OV14包覆成型，则可形成具有内部/嵌入支撑预制体(如这里所述，其可以通过棒、短切、短的、长的或者颗粒增强体来增强)和托着支撑预制体的内部/嵌入纤维增强预制体的成型体。
上述打印头也可用于形成具有包括不同取向的连续芯增强丝的分离子部分的零件。一个子部分中的连续芯增强丝的取向可以基本上在XY方向上，而另一个子部分中的方向可以在XZ或YZ方向上。
参见以截面的形式示出了层堆叠的图4D至图4G以及图5E至图5G，路径规划和打印处理可采用如下填充图案，该填充图案在选定区域使用高强度复合材料且在其它位置使用填充材料(例如，诸如尼龙等低强度复合材料或者纯树脂)。如参照夹心板全局或区域规则所述，在一些情况下，通过识别简化梁或板的形状的内部体积来进行增强，例如，跨过并延伸超过弯曲负载和/或支撑点的内部棱柱或体积。另外，可在沉积规划期间定向零件，使得体积内的各层跨过预期的负荷和/或支撑点。纤维可以是被添加在远离体积的横截面形心的内部棱柱体积内的纤维，以增大有效惯性矩(特别是用于弯曲或压制负载)。纤维可沉积在多个相邻的接合的堆层和/或层中，以增加相邻的纤维堆层相互作用和增强(特别是对于压制和拉伸负载)。贯通孔或座架(期望负载组件通过贯通孔或座架而插入，或期望负载组件插入贯通孔或座架)均可以被纤维平滑地环绕，可选地直接在这样的座架的壁处(特别是用于拉伸和扭转负载，环绕可以允许较小应力集中和通过平滑路径的拉伸传输)被环绕。
尤其是对于梁和板弯曲，通过以尽可能远离截面形心的方式(即，在零件内并且在零件的边界处实际上未违反任何更高优先权规则的最远位置)布置纤维堆层来最优化梁的强度重量比性能，以增大有效惯性矩。考虑了完全由填充材料或可溶性材料1350和/或完全可溶的预制体形成的零件。
在图4E和图5E中，复合材料1352沉积在零件的在径向上最向外的部分处并且向内延伸期望的距离以期望增加硬度和强度。零件的剩余部分由填充材料1350形成。如一系列的图4D至图4G和图5E至图5G所示，使用者可从零件的不同角部或多或少地扩展复合材料相对于填充物的使用。例如，由控制器20控制的控制算法可将用于追踪零件的外角部和壁部的同心填充图案用于指定数量的同心填充轮次，之后可使用期望的填充材料填充零件的剩余部分。图5D示出了溶解的可溶预制体1340a(作为虚线)。如图4D至图4F和图5D至图5F所示，如果填充材料部分1350作为可溶预制体1340a或可溶性材料形成，并且在包覆成型和/或硬化模压材料以对连续纤维增强预制体进行包覆成型OV4-OV6之前、期间或之后溶解掉或被去除，则形成具有嵌入内部连续纤维增强预制体的外模OV4-OV6的纤维增强成型体，其中，外模OV4-OV6是硬化的基本上各向同性的成型材料。在图4E至图4G或图5E至图5G中，盒状、罐状或者管状的增强成型体由如所述的方式集中的增强体形成。
图4H至图4J和图5H至图5J说明了利用图1A至图1D和/或图2A至图2G所示的打印头形成的其它零件。
在图4E至图4G或者图5E至图5G未明确示出由填充材料1350形成的零件的外壁(例如，图4E至图4G中的零件可具有填充材料1350的外壁或者复合材料1352的外壁)的情况下，图4H至图4J示出了零件的横截面，其中，特别地示出了外壁1350-OW。
如图5H至图5J所示，在参照图4H至图4J的以下说明中，如果填充材料1350选择性地或完全地由可溶性材料代替或者被认为形成可溶预制体，则在如图4H至图4J和/或图5H至图5J所示的纤维增强结构中的任一者的包覆成型之前、期间或之后，可溶性材料可溶解掉。如图5H所示，在作为可溶预制体或作为其它可溶性材料的材料1350被去除之后，形成中空的芯式增强成型体，其中，硬化的各向同性材料的外模OV7围绕由准各向同性叠层1352-QI和同心叠层1352-CON形成的连续纤维增强预制体的外壁、底板和顶板。如图4I或图5I所示，在作为可溶预制体或作为其它可溶性材料的材料1350被去除之后，形成具有通孔但实体的芯增强成型体，其中，硬化的各向同性材料的外模OV8围绕通孔TH-H的内壁以及由准各向同性叠层1352-QI和同心叠层1352-CON形成的连续纤维增强预制体的外壁、底板和顶板。如图4J或图5J所示，在作为可溶预制体或作为其它可溶性材料的材料1350被去除之后，形成实体的芯增强成型体，其中，硬化的各向同性材料的外模OV9围绕通孔TH-H的内壁以及由多个准各向同性叠层1352-QI、同心叠层1352-CON和桥接叠层1352-CLW形成的连续纤维增强预制体的外壁、底板和顶板。
具体地，在图4H或图5H中，取决于打印类型或方法，从最下方的层向上或者从最上方的层向下构建零件。在图4H中，填充材料1350的外层通过填充材料1350的底层形成(外层可以是1至3个或者更多的连续底层)。如图4E至图4G所示，内部夹心板由复合材料1352构成，在此情况下，作为由填充材料1350-IF分离的两个准各向同性组1352-QI。在此情况下，准各向同性组1352-QI由各向异性填充物或复合纤维带的四个平行的壳或层构成，其中，纤维带的主导方向在各层之间(如这里所述，准各向同性组件的层或壳由3个以上的层组成，这些层作为叠层共同具有基本上各向同性的刚度特性)旋转45度(对于四层的准各向同性叠层以已知的方式)。如所述，准各向同性组1352-QI沉积成相邻或接近零件的顶部和底部，以提供更大的惯性矩和弯曲刚度。准各向同性组1352-QI还提供扭转刚度或扭动刚度。对比图4E至图4G，在图5H中，外壁1350-OW(包括1至3或更多的各向同性填充材料珠)可选地围绕准各向同性层的组1352-QI，使得零件的外表面为填充材料1352。
进一步地对比图4E至图4G，中间填充材料部1350-IF被外部同心地沉积的各向异性复合纤维带1352-CON围绕(例如，如图10A、图10B或图10C的单层形式所示)。每个同心纤维带填充部1352-CON可以是任意数目(例如，1至10个或更多)的同心环。再次，可选地，外壁1350-OW(包括1至3个或更多的各向同性填充材料珠)可选地围绕准各向同性层的组1352-CON和填充材料1352，使得零件的外表面是填充材料1352。另外，上部的准各向同性层组1352-QI额外地由填充材料的顶部填充1350-R覆盖(再次，1至3个或更多层的各向同性填充材料1350)。以此方式，零件的整个外表面可选地在被包裹在材料1352中，但紧邻填充材料1352外表面并且从零件的形心向外偏移，沉积复合材料1352，以在各向异性地沉积的准各向同性组1352-QI和/或同心地沉积的层1352-CON中增大有效惯性矩。因此，不论是否由3D打印处理的层或壳形成还是由3D打印处理的各层或壳内的壁、珠或带形成，3D几何形状的外轮廓、外周、顶部和底部都被复合材料1352的内部壳围绕。应当进一步指出，一种用于同心地沉积的外层1352-CON的示例性填充方法为同心环、螺旋或起始于外部区域周界或轮廓且向1352-O.CON内盘旋的位移(外部同心填充)。
作为图4H的零件的变形例，如图4I所示的具有通孔TH-H的零件可以遵从图4H的一般方法。相比之下，在图4I中，在具有各向异性地沉积并/或定向的纤维填充(准各向同性层组1350-R)的各层中以及在具有各向异性地沉积并/或定向的纤维填充(外部同心层1352-CON)的各层中发现的负轮廓或孔被由这些相应的填充物以及各向同性的树脂或填充材料填充物1350-F围绕。然而，紧邻着负轮廓，增强柱(reinforcing column)由各向同性的树脂或填充材料1350-IW的可选的内壁和各向异性地沉积并/或定向的纤维填充(内填充同心层1352-I.CON)的内壁形成(例如，围绕通孔TH-H的同心纤维和/或同心填充材料的管)。可类似地构建非贯通的终端孔(例如，孔的侧面类似地为同心内纤维填充1352-I.CON和/或内壁树脂或填充材料填充1350-IW，并且如允许的，孔的底部终止于准各向同性组1352-QI和/或顶层1350-R)。如图所示，增强柱可延伸穿过填充1350-IF、外部同心增强层1352-O.CON或1352-CON以及准各向同性组件层1352-QI，使得两个或三个或更多区域、填充图案或刀具路径生成方法用于这些层中，或者在专用区域中或者在生成规则间具有一套优先权的重叠区域中。作为示例，图10B所示的层包括围绕作为一层准各向同性组件的各向异性地沉积并定向填充IF的外部同心纤维填充，以及围绕负轮廓的内部同心纤维填充。由内壁树脂填充1350-IW和/或内壁同心纤维填充1352-I.CON形成的增强柱可围绕各层中一个以上的孔或负轮廓，例如，两个孔或三个孔等，或者可以是组件或叠层的不同层间分布的增强结构。这样，负轮廓、通孔和类似结构，不论是否由3D打印处理的层或壳形成还是形成为3D打印处理的层或壳内的壁，都由复合材料的内部壳围绕。
应当指出，增强柱可以是包括注射的、插入的、钻出的、抽出的、铺设的、绑结的、引导的或者其它方式沉积的一个以上的连续纤维柱CRC，以在Z轴方向上联结各层且抵抗Z轴分层，并且不必围绕通孔。
图5M至图5N示出了类似于图5I和图5J的结构的结构，其中，用于桥接各层的连续增强柱延伸穿过多个层。这些连续增强柱可以正交/竖直/垂直于一个以上的2D层LAn，相对于一个以上的层成一定角度或者弯曲穿过一个以上的层，或者采用结合有正交的、成一定角度的或弯曲的路径的路径。例如，标示的增强柱可包括同心纤维围绕体、与连续增强柱组合的同心纤维围绕体、或者仅以平行于通孔的方式延伸的连续增强柱。如图5M所示，用于桥接各层的连续增强柱CRC可沿着通孔的内表面延伸；可以如图5H至图5J所示嵌入在注射包覆成型体中，或者可以以一定角度延伸穿过多个层而没有穿过整个零件(例如，在多个层的连续沉积期间已布置)。如图5N所示，连续增强柱CRC可以以一定角度延伸穿过多个层或零件，可延伸穿过中间层中的增强柱；或者在形成准各向同性叠层并形成夹心板内部结构的夹心板叠层组之间、之中或之内延伸，或者可以布置成重叠，仅跨越2至10层，但每个层通过偏移或错开的连续增强柱CRC“连接”。
作为图4H的零件的另一个变形例，如图4J所示的具有内部密集纤维填充图案的零件也可遵从图4H的一般方法。相比之下，在图4J中，(各向异性地沉积并定向的纤维材料的)同心填充1352-CLW的各向异性材料壁的矩阵或蜂窝排列布置在零件内，以提供增大的纤维密度和/或刚度和/或抗碾性。单元壁1352-CLW的图案可以是通过增强成形形成的蜂窝。而且，各向异性地沉积并定向的纤维材料1352-CLW的单元壁的图案可形成为跨过或者非跨过外部同心填充1352-O.CON或内部同心填充1352-I.CON。各向异性地沉积并定向的纤维材料1352-CLW的单元壁的图案可以是镜像的、重复的、正交变化的或者互补的布置。单元以密集地或稀疏的布置填充有填充材料1350-IF。另外，相比之下，在图4J中，一个以上的插入的(各向异性地沉积并定向的纤维材料的)准各向同性填充组1352-QI可形成为在远离形心的顶部区域和底部区域之外的内部薄膜。如图4J所示，相比于图4H，一个以上插入的(各向异性地沉积并定向的纤维材料的)准各向同性填充组1352-QI还可被外部同心填充1352-O.CON围绕(以便提供连续的外壳)，或者将层填充至树脂材料1350-OW的外壁(如同上部的和下部的准各向同性填充组1352-QI)。
应当进一步指出，图4I和图4J的结构可通过利用专门区域或在它们之中的具有优先权的区域进行组合，例如，通孔TH-H可以穿透或部分穿过与填充材料1350-IF组合的纤维填充1352-CLW和/或1352-QI的矩阵或蜂窝布置，但是例如，如图10B所示，被纤维和/或填充材料的壁增强管围绕。
如图4H至图4J中的各图所示，以ox行(ox-row)或其它包装形式实体填充或密集填充的树脂或各向同性材料或填充材料1350-R的至少一个(例如，1至3个或更多)顶层可打印在树脂或填充材料填充组1350-IF之上。在一些情况下，填充1350-IF可以是稀疏的蜂窝图案，并且实体填充或密集填充的顶层1350-R提供完整的壳或层表面，在壳或层表面上可以压制和熔融各向异性纤维带。
如图4A至图4J所示，图4A至图4J所示的零件的三维几何形状如这里所述地可切片成壳或层。对于用于限定一部分3D打印零件的一组壳或层中的各者，可产生诸如1322、1328、1330、1344、1350、1350-R、1350-OW和/或1350-IW等第一各向同性填充刀具路径，第一各向同性填充刀具路径用于控制各向同性固化头(例如，头18或1800或1616)，以沿着各向同性填充刀具路径固化基本上各向同性的填充材料(例如，材料18a或1604)。对于用于限定一部分3D打印零件的壳或层的组件的各向异性填充子组中的各者(例如，整个零件中的不同的纤维填充)，可产生第一各向异性填充刀具路径(例如，1352-QI或1352-O.CON或1352I.CON)，第一各向异性填充刀具路径用于控制各向异性固化头，以沿着各向异性刀具路径固化基本上各向异性的填充材料(具有相对各向异性填充刀具路径的轨线定向的各向异性特性)。参照图10A至图10C所示，从用于限定一部分3D打印零件的一组壳或层之中，可接收壳或层的编辑子组的选择，该编辑子组包括各向异性填充子组的至少一部分。对于该编辑子组的各壳或层，可再次产生不同于第一各向同性填充刀具路径的第二各向同性填充刀具路径和不同于第一各向异性填充刀具路径的第二各向异性填充刀具路径中的一者。
类似地，用于零件的添加制造的打印机可包括各向异性固化头(例如，头10或199)，各向异性固化头沿着各向异性填充刀具路径固化来自于包括在基质材料内连续延伸的多个纤维线束的各向异性纤维增强材料的供应部的纤维带，这些纤维带具有相对于各向异性填充刀具路径的轨线定向的各向异性特性。各向同性固化头(例如，头18或1800或1616)可沿着各向同性填充刀具路径固化来自可固化的各向同性材料的供应部的基本上各向同性的材料。如图1A至图1D和图2A至图2H所示的机动化驱动器可以至少使各向异性沉积头和支撑3D打印零件的构建台板在三个以上的自由度上相对移动。控制器20可以可操作地连接到并配置成控制机动化驱动器、各向异性固化头和各向同性固化头，并且控制器20可控制这些部件以通过如下方式构建3D打印零件：沿着各向同性填充刀具路径固化各向同性材料，并且/或者针对至少第一系列的平行壳，在追踪各向异性填充刀具路径的非同心组(例如，准各向同性组1352-QI，或者图12至图14中的包括所有后缀的任一非同心互补组)的纤维带中固化各向异性填充材料。而且，针对至少第二系列的平行壳，控制器可控制这些部件以在跟踪各向异性填充刀具路径的外部同心组(例如，1352-CON，或者这里所示的任一同心层类型)的纤维带中固化各向异性材料。如图4H至图4J所示，各向异性刀具路径的非同心组和外部同心组中的每者可定位成从3D打印零件的形心至少部分地径向向外。
对于所述的包括所有参照图4A至图4J和图5A至图5J所述的结构在内的结构，增强柱可包括增强纤维和添加地沉积有增强纤维的树脂基质的组合体积，并且增强柱小于整个增强成型体的百分之二十。参照这里所示的实施例，可通过多个沉积头同时添加地沉积(即，平行或基本平行)连续增强纤维。
如参照图4A至图4J和图5A至图5J所述，用于制造连续纤维增强注射成型体的方法可包括：例如利用图1A至图1D、图2A至图2H和图3的结构，在支撑材料中形成第一形状，以形成支撑预制体。如图6B所示，打印机可将连续增强纤维沉积成跟随支撑预制体的轮廓的第二形状，以形成连续纤维增强预制体。进一步如图6B所示，可将连续纤维增强预制体放置于成型装置的模具内。模具可装载有可流动的且基本上各向同性的成型材料，并且模具材料可以是硬化的成型材料以包覆成型连续纤维增强预制体。因此，形成了纤维增强成型体或成型品，其中，内部连续纤维增强预制体由硬化的基本上各向同性的成型材料围绕。
支撑预制体可由可溶性材料(例如，可溶于溶剂的聚合物和/或盐)形成，并且/或者支撑材料可包括可溶性材料(例如，可溶于溶剂的聚合物和/或盐)，并且所述方法还包括预制体的溶解。支撑预制体可在连续增强纤维壳被铺设在模具内之前溶解。支撑预制体也可通过模具装载来溶解，其中，支撑预制体材料通过模具装载而被取代、熔融或溶解。支撑预制体也可在模具材料变硬之后溶解(在该情况下，至少一部分预制体形状延伸成邻接纤维增强成型体的表面)。支撑预制体也可在这些步骤的组合中溶解(例如，在模具中的放置之前部分地或一部分溶解，并且在增强成型体硬化之后部分地或另一部分溶解)。
支撑预制体可以形成为旋转对称形状或者芯轴，以用于缠绕连续纤维增强预制体。可替代地，支撑预制体形成为非环形状，以允许将连续纤维增强预制体缠绕在支撑预制体上。在此情况下，支撑纤维沉积打印头的机械手可到达支撑预制体的凹区，以沉积或缠绕连续纤维增强预制体。
支撑预制体可以是注射成型的。支撑预制体可以被注射成型为蜂窝状结构，蜂窝状结构具有适于作为缠绕基板的邻接外表面壳(可替代地，没有邻接外表面壳)。支撑预制体和连续纤维增强预制体可以在连续的添加成型阶段和注射成型阶段中形成。例如，蜂窝状结构I-HW可以通过基本上各向同性的材料的添加沉积来添加地形成或者通过纤维沉积添加地形成，接着将蜂窝I-HW插入到注射模具中，以包覆成型支撑预制体的基本上各向同性材料的邻接外表面壳，接着缠绕或表面跟踪栅格/覆盖连续纤维沉积，以覆盖预制体的邻接外表面壳作为连续纤维增强预制体，接着添加地沉积或成型沉积增强成型体的基本上各向同性的硬化材料的最终外壳。缠绕可以使用连续增强纤维沉积头和支撑预制体之间的至少两个平移相对自由度和一个旋转相对自由度，并且/或者，表面跟踪覆盖添加沉积可以使用连续增强纤维沉积头和支撑预制体之间的至少三个平移相对自由度和一个旋转相对自由度。
第二形状和/或连续纤维增强预制体可嵌入至少一个夹心板结构E-SP1(例如，纤维增强体第一叠层L-CFL，填充材料或纤维增强的中间蜂窝I-HW或实体材料，以及基本平行于第一叠层但与其间隔开的纤维增强第二叠层U-CFL)。如图5K和图5L所示，夹心板结构E-SP1可以是可折叠结构，其中，例如，第二叠层U-CFL是连续的，并且第一叠层L-CFL和中间材料I-HW形成有与第二叠层中的折叠线相对的线性间隙以形成绞合线LH1(例如，如果纤维增体强易于弯曲，则绞合线是活动的，或者，如果纤维增强是更易碎的，则分隔/折断引导部)。可选地，预制体自身嵌入至少一个夹心板结构E-SP1。
支撑预制体可在关于沉积头的至少一个旋转自由度上相对地移动，其中，沉积头将连续增强纤维添加地沉积成跟随预制体的轮廓的第二形状，以形成连续纤维增强预制体。
包覆成型和/或成型可以在成型材料压力下进行，该压力去除纤维增强基质材料内的空隙。连续纤维增强预制体可从其成型形状弯曲或变形为模具内的变形形状。两个以上的连续纤维增强预制体可在放置在模具内之前彼此接合。支撑预制体可从其成型形状弯曲或变形为用于沉积纤维增强体的变形形状，以形成连续纤维增强预制体。
模具可以是注射模具，并且在成型期间，注射成型材料的包封压力将纤维增强预制体压制和/或固结成最终形状并且/或者去除纤维增强预制体内的空隙。至少在模具是注射模具的情况下，来自注射成型材料的热量再次熔化纤维增强预制体的基质材料。
连续纤维增强预制体的纤维沉积或缠绕可以添加地沉积具有至少三倍于其高度的宽度的热塑性连续纤维增强预浸带或预浸丝束。
所述技术还可以包括在添加地沉积连续纤维线束或带状热塑性预浸料之前在可溶预制体上或朝向可溶预制体布置宽的预浸片。
所述技术还可以包括在连续纤维增强预制体的成形和/或成型期间施加真空，以去除空隙。如果成型材料被注射或压入零件的中部中，可在零件周界处施加真空。连续纤维增强预制体可包括肋或空气通道，以有助于空气逸出。
在变形例中，在制造连续纤维增强注射成型体的方法中，通过图1A至图1D、图2A至图2H和图3的设备将连续增强纤维添加地沉积成跟随轮廓的第二形状，以将第一连续纤维增强预制体形成为平坦或弯曲的“A”板。可沿着第一模板将第一连续纤维增强预制体放置在成型装置的模具内，并且形成有蜂窝腔的第二模板可与第一连续纤维增强预制体相对而置。模具可装载有可流动的且基本上各向同性的成型材料。成型材料被硬化以朝向连续纤维增强预制体包覆成型基本上各向同性的成型材料的蜂窝，由此形成包括与连续纤维增强预制体一体化的硬化的基本上各向同性的成型材料蜂窝的纤维增强成型体(可选地，连续纤维增强预制体进一步被包封在成型材料内)。接着，可通过连续纤维沉积朝向蜂窝沉积互补“B”侧增强纤维板。可选地，“B”侧可形成为镜面处理(例如，首先连续纤维增强预制体，之后蜂窝外模)，之后逐蜂窝地进行接合或包覆成型(优选地，利用其它定位或标引或互锁特征)。进一步可代替地，蜂窝模具腔可形成为其上沉积有纤维增强预制体的可溶预制体，由此将第二模具板简化成蜂窝可溶预制体形状的匹配轮廓。在A侧和B侧接合之前去除可溶性材料。
管状框架示例
如图6A和图6B所示，在自行车框架的复合铺叠中，在步骤CL2中，可以制备芯轴SMAN-N，以用于管的一个以上(N)的接合(例如，接合上管和下管的头管；接合座管、下管和链拉条的底托架；或者接合上管、座管和座撑的座杆；或者接合座管和链拉条的后钩爪)。通常，如在步骤CL4中，铺设七个(N＝1…7)零件，并且如在步骤CL6和CL8中，在芯轴SMAN-N或其它限定形状周围将这些零件压制成型为成型构件COMP-C，且最后如在步骤CL10中，将它们接合成整体的框架FRM(左右钩爪、底托架组件、座杆组件、头管组件、V形链拉条框架和V形座撑框架)。
如图6C和图6D所示，在对比通过对纤维增强预制体1342a进行树脂包覆成型OV3a形成的增强成型体RM2的模内组件的示例中，在本发明的实施例中，如在步骤AP2中，可打印添加沉积的可溶预制体1340a，以取代用于限定形成为增强成型体RM2的框架构件的形状和表面的钢芯轴，这些步骤可以按不同的次序和不同的形式进行。
例如，如在步骤AP2中，每个构件(例如，头管接合构件)可具有通过打印机1000添加沉积(3D打印的)的可溶芯轴(可溶预制体1340a)。可施加压力的尼龙囊(nylon bladder)或者热激活泡沫插入物可以在这时集成在一起，或者可以已被打印(或者打印在适当的材料中)。在如步骤AP4中的第二阶段中，打印头1402在可溶预制体1340a(酌情包括囊或热激活泡沫插入物)上沉积和/或缠绕和/或卷绕连续纤维，这包括在连续纤维周围打印塑料的内防护层或外防护层。在包覆成型期间，囊或热激活泡沫可帮助可选地朝向模具壁向连续缠绕纤维加压，以消除内部空隙。
在该阶段中，如图6C和图6D所示，构件组件包括缠绕在可溶预制体周围的纤维增强预制体1342a，可选地集成有压力增加特征。在重量敏感的应用中，如在步骤AP6中，可溶预制体1340a可被溶解。在其它情况下，可溶预制体1340a的允许缠绕增强预制体1342a的作用由保持在最终组件中的蜂窝、泡沫或低密度预制体取代(除了任意的热激活模芯之外)。压力增加特征可适当保持。
如在步骤AP8中，至少包括纤维增强预制体1342a的构件可铺设在基本上呈最终增强成型体RM2的形状的模具MLD-2内(缺少诸如注浇口、流道等成型特征)。如在步骤AP8中，模具MLD-2闭合，并且任意的囊可连接到加压空气配件。如在步骤AP8中，模具MLD-2填充有成型材料并且适当地根据成型技术(例如，注射成型)被加压或加热。通过囊并且/或者使热激活泡沫芯反应来增加压力相互作用。必要时，对增强成型体RM2进行固化。
在替代示例中，在纤维增强预制体1342a的包覆成型之前或者代替纤维增强预制体1342a的包覆成型，可在纤维增强预制体1342a周围打印或缠绕热收缩带。在此情况下，可保留可溶预制体1340a以提供内部阻力对抗由加热和/或固化热收缩带所形成的压力。如果构件1342a未被包覆成型，则一旦固化，可去除带，并且可将硬化的零件磨砂处理成其最终的尺寸和形状(可在磨砂处理之前另外打印附加层并且/或者在磨砂处理之后另外喷射附加层)。如在步骤AP10中，可将这些构件接合成一个整体(例如，框架FRM)。
在该框架示例中，如同任何框架或桁架示例，无论连接构件是否具有从自身延伸的长臂或短臂，它们与整个框架的区别在于，在没有绑结操作(weaving operation)的情况下缠绕、外部跟踪或打印连接部件，即，外表面不与自身连成圈或环(尽管内表面可以是中空管或中空管的连接部)。
应当指出，通过该示例，如同任何框架或桁架示例，可对各连接构件进行包覆成型，并接着接合增强成型体RM2或1342a(例如，通过嵌套管或形状，较小尺寸在更大尺寸内的方式，以及粘合剂或紧固件粘合)。在替代示例中，纤维增强预制体RM2或1342a可首先彼此接合(再次通过嵌套管或形状，较小尺寸在更大尺寸内的方式或其它方式的互锁，粘合剂或紧固件粘合)，并接着，将接合的组件在整个组件模具中包覆成型(未图示)。
如这里参照连续纤维增强预制体所讨论，对于任意增强成型构件中的一个、两个或多个孔、气流孔、负轮廓、嵌入轮廓或包覆成型轮廓，在许多情况下，不同种类的增强体是可能的。例如：
(1)内壁和孔壁的增强体可紧密跟随壁，其中，具有遮挡最内侧壁以防止纤维透印的填充材料层，或者不具有。“孔”包括负轮廓和嵌入(例如，包覆成型)轮廓。
(2)外壁的增强体可紧密跟随壁，其中，具有遮挡最内侧壁以防止纤维透印的填充材料层，或者不具有，例如，“外部”增强成形体。
(3)增强体可沿着负载线或应力线延伸，例如，外部增强成形。
(4)用于拉伸负荷目的的增强体可以在拉伸负荷的支撑位置之间包括多个直的复合带。
(5)用于扭转、扭力或压力负荷目的的增强体可沿着环向应力方向包括多个圆形复合带。
(6)用于压制负荷目的的增强体可包括多个相邻的复合带，以提供低开口率横截面和/或低且宽的结构和/或1/2、1/3比例的锚状物，例如对防护-弯曲来说合适的长度；和/或例如，比用于拉伸支柱的复合带更多的用于压制支柱的复合带。
(7)用于扭曲的增强体可包括三角形或X形的角形交叉支撑。
(8)用于弯曲或组合负载目的的增强体可包括嵌入的高惯性矩(横截面)结构，例如，由嵌入的复合带形成的夹心板、管、盒、工字梁和/或桁架。取决于打印期间增强成型体的负荷和取向，它们可形成为与构件横截面的形心间隔开的层中，或者形成在与构件横截面的形心间隔开的外部刀具路径中。
通常，优选地采用以下策略：可以设置重叠或交叉层的压制和/或层高度干扰(例如，其可以部分地对应于层高度)，以沉积复合带2c-2、2c-1的两个高度压制的层，并且在接近高度压制的复合带高度的两倍的高度处摆正相应的填充材料18a。并且，优选地，允许或产生复合带2c-1、2c-2的刀具路径的交叉，并且在接近高度压制复合带高度的两倍的高度处摆正相应的填充材料18a。可使用高度压制复合带的彼此交叉和/或高度压制复合带与轻度压制复合带的交叉。如在CFF专利申请中所述，可在轮廓和子轮廓内生成用于芯增强纤维的沉积的刀具路径，并且为了保持平行路径，刀具路径通常跟随轮廓和子轮廓的偏移。
应当指出，在连续地沉积在添加制造处理的单层中时，仅一些刀具路径、复合带2c和/或多带纤维迹线形成“环”、闭合“环”或“交叉转向”。图7A示出了两种形式的两个纤维带的交叉点或交叉转向。如这里所述，这些环、交叉点、闭合环或交叉转向中的任一者可形成一部分连续纤维增强预制体，并且可与填充材料共同打印并且/或者打印在可溶性材料或可溶预制体上。
图7A至图7F示出了交叉转向的三个示例，即，在内部几何形状周围制成的环或交叉环，例如层内的孔等(被表示为负轮廓的孔)；并且图7B至图7C示出了可以是交叉转向但也可以分布在两个层之间的两个示例。每个表示的交叉转向可说明单复合带或平行复合带的多带迹线。这里的“迹线(track)”表示紧密布置(通常接触)且同心地、螺旋地或平行地打印的通常平行的带。迹线的所有带不必在其整个长度上平行。在各情况下，随后的孔H0是圆形的，但也可以是具有能被刀具路径跟随的周界的任意形状(例如，六边形或方形)。在图7A至图7F中，单层或双层重叠(即，在同一打印层内带或多带迹线直接处于下方的带或多带迹线上方的位置)被表示为较深的阴影，且单带或多带迹线被表示为相对较浅的阴影/透明。在一些情况下，平行或相邻的进入和退出的带或多带迹线被表示为整齐地分离，并且整齐地处于中心线的任一侧，但也可以重叠和/或跨过中心线。
在同一层(其可以是一条连续复合带或者不同的复合带)中形成的交叉点可被称为“层内”交叉点。在两个层(在大多数情况下它们可以是不同的连续复合带)之间形成的交叉点被称为“层间”交叉点。应当指出，与另一层上的栅格图案交叉的栅格图案形成层间交叉点的密集阵列，但是这些交叉点不特别增强任何相邻的特征或轮廓。据此，单个层间交叉点(例如，诸如在图7E或图7F中的交叉点等)或者一小组的层间交叉点在这里被称为“孤立交叉点”。如这里所述，在复合带的情况下，层内交叉点易于在交叉点层上形成突起，而在独立的挤出填充材料的情况下较少产生这种突起；而除非另外说明，层间交叉点不形成这样的突起。
图7B示出了在孔H0周围形成的交叉转向—诸如上部、内底、鞋底或鞋垫中的边孔、气流孔、网格间隙、通孔等—，其中，(i)带或多带迹线以大致平行于穿过其中心、轴线或形心的(虚构的)线的方式接近孔H0，(ii)跨过该线直至孔的相对侧，(iii)紧密跟随孔H0的周界，(iv)跨过自身和该线，并且(v)以大致平行于自身和该线的方式远离孔H0。形成菱形重叠PR13，重叠PR13在单带2c的高度上方延伸。在重叠周围形成有或标记有缓冲区BF15。这种交叉转向以大于300度的弧度的方式紧密跟随且增强孔壁，并且可以是更大图案的端环。应当指出，进入和退出带2c或多带迹线被表示为整齐地分离且整齐地处于在中心线的任一侧，但也可以重叠和/或跨过中心线。
图7C示出了在孔H0周围形成的交叉转向—诸如气流孔、网格间隙或通孔等—，其中，(i)带2c或多带迹线以大致平行于与孔H0的周界的切线平行的(虚构的)线的方式接近孔H0，(ii)跨过该线以跟随孔H0的周界，(iii)紧密跟随孔H0的周界，(iv)跨过自身，并且(v)大致沿着其接近的同一线远离孔H0，继续进入刀具路径。形成C形的重叠BF16，重叠BF16在单带2c的高度上方延伸。在重叠附近周围有或标记有缓冲区BF16。这种交叉转向以大于360度弧度的方式紧密跟随且增强孔壁，并且可以是更大图案的中间环。应当指出，进入和退出带2c或多带迹线被表示为沿着同一线，但也可以是以一定的角度偏离或退出接近的带2c或迹线。图7D示出了类似于图7C的交叉转向，但(i)接近的带2c或多带迹线更加偏离孔的(虚构的)切线，并因而以S形稍微转向从而以一定角度接近切线，并且，类似地，(v)以镜像进入的方式远离孔H0。C形重叠PR15和缓冲区BF17可以是不同的或者更凹的形状。
图7E和图7F示出了靠近孔的重叠或交叉点，—诸如气流孔、网格间隙或通孔等—，其中，可以使弯曲的开放环或相碰环远离增强孔H0，带2c或多带迹线从上述环朝向孔H0返回。同一层内不同的带2c或多带迹线也可形成返回路径。在图7E的情况下，(i)带2c或多带迹线以大致平行于穿过其中心、轴线或形心的(虚构的)线的方式接近孔H0，且大约隔开迹线宽度，(ii)跟随孔H0的周界，之后(iii)跨过该线直至孔H0的相对侧，以及(iv)大致平行于自身和该线的方式远离孔H0。一从以远离孔H0的方式从图案返回，带2c或多带迹线(v)跨过自身和该线直至孔H0的相对侧，(vi)紧密跟随孔H0的周界，并且(vii)以大致平行于自身和该线的方式远离孔H0，且再次隔开带或迹线宽度。形成菱形重叠PR16、PR17，重叠PR16、PR17在单个带的高度上方延伸。在重叠PR16、PR17附近形成有或标记有缓冲区BF18、BF19。这种交叉点以240度弧度的方式紧密跟随且增强孔壁，并且可以是更大图案的端环。这种交叉点可在互补层中通过自身的垂直镜像版本来补充，而不堆叠重叠或缓冲区。相比之下，交叉点可接近更靠近中心线的孔并且在孔的两侧跨过自身。
至少下面的策略可用于在增强成型体14中容纳突起PR，其中，连续层名义上具有恒定高度，例如，0.1mm高。在一些情况下，在切片以及刀具路径或增强成型体14的增强成形规划期间将采用这些策略，部分地使得可以形成层间容纳部。在突起PR尺寸(例如高度和/或宽度)被模型化/预测/凭经验知道并且存储为绝对值或相对值或系统变量的函数的情况下，可在当前层LAn中标记或规划重叠PR或比重叠PR大的缓冲区BF。一个或多个突起可以是注射的、插入的、钻出的、拖出的、铺设的、绑结的、引导的或其它方式沉积的一个或多个连续横向纤维柱，以在Z轴方向上接合层，且抵抗Z轴分层。这些横向柱可正交于/竖直于/垂直于一个或多个2D层LAn，与一个或多个层成一定角度，或者弯曲穿过一个或多个层，或者具有接合有正交的、成角度的或弯曲路径的路径。
(1)同一层(层LAn)中的随后的路径规划可以：
(a)避免交叉同一层内的重叠(例如，通过规划不会交叉重叠的刀具路径的层LAn，尽管新的刀具路径可形成交叉点、跳变、交叉环或形成新重叠的交叉转向)。
(b)在不止由缓冲区分离的同一层(层LAn)内规划新的刀具路径。
用于与形成有突起的层(层LAn)邻近的新的相邻层(层LAn+1)的随后或整体的路径规划可以：
(c)在整个切片方法中增大先前层(层LAn的)的高度，并且/或减小当前层(层LAn+1的)的高度。在没有复合带时，或者在当前层中形成不交叉和形成突起的复合带时，这种方式是最适合的。
(d)路径规划复合带以避免下方的层(层LAn)中的重叠和/或缓冲区；
(e)路径规划当前层(层LAn+1)中的互补的或配合的图案，这向相邻或先前层(层LAn)中的图案提供互补功能。
图8A至图8D示出了如这里所述的可用于填充增强区域的修补填充和同心填充。如这里所述，修补填充或同心填充中的任一者可形成连续纤维增强预制体的一部分，并且可以与填充材料一起打印并且/或者可以打印在可溶性材料或可溶预制体上。
图8A示出了图8B的变形例，其中，刀具路径、复合带图案或增强成形99E为偏移方式，其中，相对于图8B的螺旋策略路径的螺旋起点和终点，转线部OF02处于增强成型体的相对侧。除了图8B示出了成对的方孔H2和圆孔H5之外，图8B还示出了刀具路径、复合带策略或增强成形99F，作为螺旋策略。
图8C示出了四长边构件的密集填充方形板的单个层，其中，开口、用于可拉伸基板的空间、孔或负轮廓处于中部。在图8C中，如图所示，纵向栅格填充增强成形99X围绕中间的轮廓或区域。在栅格图案中存在许多转向，且形成有两个间隙GAP1和GAP2(也可以是应力集中、起点或终点)。GAP1形成在图案改变区域组的位置，并且GAP2形成在复合带2c的端部。如果未理想地预测或测量复合带2c的长度，则也会出现这些间隙。在该层内，间隙可填充有(i)填充材料18a，(ii)复合带2c的未接续栅格填充的长度(例如，间隙填充图案，其可以是同心的，随后的壁或区域)，(iii)和/或具有重叠的复合带2c或突起PR。例如，为了利用重叠的复合带2c填充GAP1或GAP2，每个栅格图案将被增宽以重叠(例如，其中，间隙通过突起PR封闭，如这里所述，突起PR在各层之间发生位置变化)。在图6D中，示出了两个叠加的增强成形99X、99X层，其中，可选地在后续的层中，增强成形99X旋转90度。增强成形99X可旋转90度，之后再次，在另外的两个层继续改变间隙、应力集中、起点或终点的位置。可选地，在一些中介层中，图案旋转45度。
图9示出了用于配置3D打印机控制器和/或切片控制器的操作以允许多层规则处理的流程图，即，设置层或区域的组的规则并且改变规则组的成员。该例程可用于制备连续纤维增强预制体。在步骤S7602中，执行根据任何刀具路径、区域或层设置变化的刀具路径的更新或切片重组(re-slicing)。在步骤S7604中，根据需要，处理并显示由更新的刀具路径导致的当前显示的图形表示的任何变化(例如，层、层组或体积的变化)。在步骤S7606中，如图10A至图10C所示，将规则组和规则组的端点的图形表示表示为平行于显示边缘的正交条。在步骤S7610中，监控正交条的显示区域，以用于指针PO1动作选择、整个组、组的端点或者现存组内的和/或与现存组相邻的新范围，并且根据特定情况处理输入。
在步骤S7613中，当选择整个组并保持焦点时，监控一个或多个界面部件(例如，下拉菜单、滑块、文本框或数字框、单选框、复选框)，以用于反映所选的整个组采用的规则的变化的输入，并且从输入获取规则变化。当每个步骤S7614选择组的端点(例如，组具有至少两个端点，但针对非邻近组可具有任意数目的端点)并保持焦点时，在步骤S7618中，监控一个或多个界面部件(例如，下拉菜单、滑块、文本框或数字框、单选框、复选框)，以用于反映端点位置变化以及由此反应组的层或区域的集合中的成员的变化的输入，并且从输入获取规则变化。当每个步骤S7612形成或选择新范围并保持焦点时，在步骤S7616中，监控一个或多个界面部件(例如，下拉菜单、滑块、文本框或数字框、单选框、复选框)，以用于反映所选的整个组采用的规则的变化的输入，并且在步骤S7620中，从输入和生成的新组中获取规则变化。如果新组在先前存在的组内，则可形成三个新组(例如，所选择的新组以及一个或两个反映先前存在的组的未曾变化的部分的部分剩余组)。在各情况下，在步骤S7622中，应用规则变化，并且该处理回到步骤S7602以根据规则变化或范围变化更新刀具路径以及图形表示(7604)和正交条上的表示(S7606)。
图10A和图10B示出了正交层构形条(orthogonal layer topography bar)OB1.2a-OB 1.2c的实施例。该界面可用于制备连续纤维增强预制体。如所示和所述，所有附图中的相同部件通常具有相同的附图标记，但在这些图中会省略一些附图标记。其它附图中的具有基本相同外观的部件的说明一般适用于图10A和图10B，包括显示、处理和数据库之间的所述关联。在专用规则部分RS1-RS4的背景下说明了正交层构形条OB1.1(尽管其可与非专用规则部分一起使用)，并且在可以重叠的规则部分RS7-RS9的背景下说明了图10A和图10B。如图10A和图10B所示，正交层构形条OB1.2形成为一组独立的正交子条OB1.2a/RS7至OB1.2c/RS9，其中，每个子条OB1.2a至1.2c或者规则部分RS7至RS9与每个部分的每个端部处的调整手柄相关。
如图10A所示，在显示1002的下部延伸的体积填充图形部分VFG-B显示部件是大约150个层的构形表示。如指示标TH1的位置所示，当前显示层是规则部分RS9内的层6，如体积填充图形部分VFG4、VFG5所示，在规则部分RS9内，层4至44和107至147包括大约25％的纤维填充。如图所示，规则部分RS9在两个零件中是非连续的，即，显示、界面和数据库对刀具路径、区域或层的非连续的但相关的范围记录并应用自定义的或默认的规则(刀具路径、区域或层)。通过指针PO1选择规则部分RS9，并且在规则调整手柄HA9和HA10之间以及在手柄HA11和HA12之间突出显示，其中，注释AN2表示所选的规则部分的规则的公共范围是层4至44和107至147，并且注释AN3表示针对相关的“体积1”(例如，由层4至44和107至147的高度以及整个层或者层内的区域形成的体积)可选择的规则是“同心填充”规则(来自纤维填充类型，其中，例如，通过选择板1004改变可选择的规则自身)。反映当前的索引层的所示的模型示出了规则范围内的层6中的大约百分之二十五的纤维含量的同心填充。
图10B示出了显示状态的相对于图10A的状态的一组变化以及相应的处理和数据库。特别地，图10B示出了显示、处理和数据库中的两个另外规则部分RS8和RS7的增加。例如，规则组RS8是适用于层3至150的规则，在此情况下，例如是规定了同心的、内部负轮廓的规则，其中，该负轮廓跟随孔壁增强图案HR、围绕在各层中穿过零件的通孔W04。例如，规则组RS7是适用于层35至70和100至125的规则，其中，针对特别限定的区域或体积或者例如针对不遵从更高优先权规则的任意区域(而非例如，通过再次堆叠(重排)规则层RS7、RS8、RS9来调整规则的优先权，使得优先权顺序是堆叠的顺序)来规定各向同性填充。如图10B所示，指示标TH1的位置转移到层61。当前显示层是跨越规则部分RS7、RS8和RS9的层50，其中，显示层包括跟随规则RS9的同心填充的25％体积外周界、跟随规则RS8的同心填充的10％体积圆形负轮廓周界以及规则RS7的75％+体积各向同性填充IF(在该水平下，45度牛耕式填充)。如所述，各向同性填充IF根据水平具有不同的角度(例如，在0度、+45度、-45度和90度之间旋转以形成重复的准各向同性晶片)。如体积填充图形部分VFG6所示，10％、25％和75％体积填充在规则重叠(表示规则的同时操作)的层上是添加的。界面部件IE1通过指针PO1选择，并且被示出在由注释AN2表示的层(即，层35至70和100至125)可具有为它们选择的公共规则(在此情况下，各向同性填充)的构造中。类似于图10B，注释AN2表示针对相关的“体积3”(例如，由层35至70和100至125的高度以及整个层或者层内的区域形成的体积)可选择的规则是“各向同性填充”规则(来自纤维填充类型，其中，可选择规则自身例如通过选择板1004变化)。
在规则每层“重叠”的情况下，可以出现至少两种形式。第一，在层内，不同的区域具有独立的规则(例如，如图10B所示，三个区域(三个纤维环的外周界、三个纤维环的孔增强以及剩余部分的牛耕式填充)的每者可由区域限定)。第二，对于任何路径、区域、层或体积，规则按预定的优选权占先。规则类别优先的一种可能优先权是最高优先权的刀具路径规则，随后是区域规则、层规则、体积或全局规则。在各类别内，除了安全或最少功能默认，用户自定义比默认规则具有更高的优先权。
图10C示出了图10A至图10B的方法的替代显示方法。该显示可用于制备连续纤维增强预制体。显示1002的底部类似于图10A，其中，体积填充图形部分VFG-B显示部件作为大约150层的构形表示，这与图10A至图10B的体积填充图形相同或相似。如指示标TH1的位置所示，当前显示层是规则部分RS9内的层38，其中，层4至44和107至147包括如体积填充图形部分VFG4、VFG5所示的大约25％的纤维填充。示出了零件的累积层的3D渲染，而不是2D层平面图。可选地，3D渲染对于填充材料、壁更透明；并且对于纤维材料透明度相对低；可选地，针对纤维材料的高亮部分具有额外的亮度。如图所示，部分RS9通过指针PO1选择，并且与规则部分RS9的纤维迹线对应的纤维高亮FHL布置和/或高亮在零件的3D呈现内。
因此，用于在显示1002上显示3D可打印模型壳的机器实施方法包括在显示上显示切片模型的多维壳(诸如图10A至图10C的2D添加制造层表示，或者图10C的3D渲染的添加制造模型、网眼或层表示累积)。正交条OB1.1、OB1.2连同所显示的平行于显示的边缘的壳一起显示。第一比例分组条RS1～RS9相对于第一范围显示，(类似地/分别地，正交条OB1.1、OB1.2的RS1～RS9)，第一比例分组条RS1～RS9代表第一刀具路径规则(例如，无纤维、同心的、各向同性的)，第一刀具路径规则对于范围内的索引位置处的第一范围的壳是共有的。检测指针PO1在相对于显示和/或指针的作动的方向上的移动(例如，鼠标点击、触摸屏点击、与指针相关的按钮按压)。响应于检测到指针PO1的移动和/或作动，改变刀具路径规则或范围中的一者或两者。例如，作为响应，可以将打印机或其切片器处理配置为将第一范围的壳共有的第一路径规则改变为第一范围的壳共有的不同的第二路径规则。可替代地或额外地，可以将打印机或其切片器处理配置为将第一范围的壳改变为与其共有第一路径规则的不同的第二范围的壳。随后或同时地，可以将打印机或其切片器处理配置为改变切片模型的所显示的多维壳，使得路径规则的改变和/或壳范围的改变被高亮或被显示。
(在一些情况下可组合地使用的且可具有子策略的)纤维增强策略包括同心向内(Concentric Inward)、牛耕(Boustrophedon)(在箭头的方向在相邻层中旋转或改变时，ox行(ox row)，也被称为栅格或各向同性或准各向同性)、同心向外或夹心板(SandwichPanel)。
通过首先获得相对于层的区域的外周界的80-105％(优选为85-99％)的纤维宽度偏移在层内执行同心填充。即，偏移形成了所布置的纤维宽度的80-105％(优选为85-99％)的同心路径。一个有利的全局设置区域为临近壳或壁厚度区域(例如，1至3个接合堆层厚)的非壁区域。通过控制沉积头以划过同心纤维填充偏移的中心来沉积纤维。当偏移成环时，S形、L形或U形跨越或弯曲使纤维布置在相邻的偏移中。同心填充特别地适于弯曲负荷和拉伸负荷，并且是有效的(更少转向)且内在强健的(无纤维分离允许更多的力沿着纤维长度传输和分布)。作为全局设置，同心纤维填充可以设置为邻近底部和/或顶部，并且/或者设置为从零件的顶部和/或底部起的设定数目的层。在替代例中，螺旋或同心填充可不具有特定的取向，这是因为其方向取决于零件的周界。可选地，同心填充算法可用于其它策略(例如，围绕增强用的孔或孔花键)。如所指出的，例如，可组合使用其它设置，例如迁移层之间的跨越或弯曲，使跨越处于特定位置，或者重复或改变同心填充图案。
在来回的行中进行ox行填充或栅格填充。在这里全文引用的美国专利6,934,600公开了用于纳米管浸渍三维打印的栅格填充的各种实施。通过指定行的取向(例如，长度方向、宽度方向或以特定角度)和区域进行ox行填充。再次，一个有利的全局设置区域为临近壳或壁的厚度区域的非壁区域。计算以所布置的纤维宽度的80-105％(优选为85-99％)偏移的平行的直线行，这些线并排地横穿该区域。如果切割器能够足够靠近沉积头的末端，则可根据期望的纤维长度等在各转向处、在交替转向处、以每3个转向的方式切割纤维。然而，牛耕式路径是可选的。牛耕式路径可通过与偏移相同尺寸的180度弯曲纤维路径并/或通过两个直角的折叠路径(这些可交替)在末端行处进行连接。通过控制沉积头以划过同心纤维填充偏移的中心再次沉积纤维。当偏移成环时，S形跨越使纤维布置在相邻的偏移中。作为全局设置，ox行纤维填充设置为邻近底板和/或顶板，并/或设置为从零件的顶部和/或底部起的设定数目的层。ox行填充设置为基本重复填充方向，(以用于那个方向上的增大的累积强度，或者提供两个、三个、四个或多个变化方向的任意或预定的图案以增大多方向强度，(例如，90-90表示两个相邻的90度垂直层；60-60-60表示三个相邻的各旋转60度的层；45-45-45-45或90-45-90-45表示跟随增强纵横交错层的重复图案的四个层)。
在这方面，类似于传统的铺层，复合材料连续层可以以0°、45°、90°和其它期望的角度铺设，以在多个方向上提供零件强度并且增大强度重量比。控制器20可被控制以在一个或多个特定方向和位置上轴向对齐地沉积增强纤维。可针对层内的一个或多个独立部分来选择增强纤维的轴向对齐，并且也可以针对独立层进行选择。例如，如图11C和图12所示，第一层1200可具有第一增强纤维取向，并且第二层1202可具有第二增强纤维取向(另外的层1204、1206同样)。另外，在第一层1200内的第一部分1204或者任意其它期望的层可具有与同一层内的第二部分1206或任意数目的其它部分不同的纤维取向。
同心纤维向外填充与同心填充的区别在于：(i)纤维环从由关于待被跨过的特征件或零件的包络形成的内周界偏移而不是由外向内地偏移。否则，关于同心填充的说明如本领域普通技术人员将理解地那样适用。通过首先确定将被围绕的内部区域，例如首先获得在待被环绕的两个特征件周围的包络来在层内进行填充。从包络的外周界以80至105％(优选85至99％)的纤维宽度产生偏移。通过控制沉积头以划过同心纤维填充偏移的中心来沉积纤维。任何S形、L形或U形交叉可以集中在环路的纵向端，即曲线处。可替代地，如同“同心”，线性地增加偏移距离的“螺旋”偏移可以用于避免交叉，但是螺旋偏移通常不完全包裹诸如孔等特征。可选地，包络产生和内周界起点可以用于其它策略。贯通孔填充(作为示例)可以将各孔作为包络处理，且使填充从零件的顶部延伸至底部，由此沿着零件的顶部-底部长度的80％以上的长度排列孔。如所示，能够组合地使用其它设置以例如迁移层之间的交叉，将交叉定位在特定位置或重复或改变同心填充图案。
作为示例，渲染和处理的零件的实施例包括但不限于以下规则的操作：
(i)最外壁区域R06与相邻区域R10之间的区域R08中的同心纤维填充；
(ii)区域R10中的纯聚合物、填充材料或三角形填入，区域R10是在纤维填充区域R08的界线与勾勒出闭区域R02、R04的负轮廓W02、W04的界线之间延伸的剩余区域(在其它区域被定义后设置)；
(iii)如下所述的夹层板、外壳、内壳、外/内壳或蜂窝规则，和
(iv)其它规则之中的如下所述的勾勒或增强孔的规则。
在一些实施例中，参见图11A和图11B，芯增强丝1854用于直接在零件、可溶预制体或连续纤维增强预制体中形成孔(或者围绕突起，包括正交于层、与层成一定角度或弯曲穿过层的Z轴方向连续纤维柱)。更具体地，芯增强丝1854上升到孔(或突起或连续纤维列)，环绕孔行进，之后从来的方向离开，然而也可以设想丝在另一个方向退出的实施例。与该成形方法有关的益处在于，通过芯增强丝中的芯在环方向上增强孔。如图11A所示，芯增强丝1854切线地进入圆形图案。切线进入有益于将要扭转进入的螺钉。在图11B所示的另一个版本中，芯增强丝1854在圆形的中心处进入圆形图案。当然，应当理解，从其它点进入图案也是可行的。在一个实施例中，进入角度在各连续层中可错开。例如，如果有两层，则第一层的进入角度是0度，而第二层的进入角度是180度。这能防止在零件中形成接缝。如果有10层，则进入角度为每隔36度(例如，通过360度/10层错开进入角度)或者任何其它期望的图案或排列。
进一步可替代地或额外地，参照图15，打印机1000的控制器20控制作动器和加热器，使得沉积第一固结复合带2c和第二固结复合2c，以作为跨过(例如，通过层间连续横越SP30-A、SP30-B)添加制造处理的两个壳LAn、LAn+1的连续复合带2c。即，在两个添加填充材料层之间，纤维不被切割，而是连续的。该技术可用于制备连续纤维增强预制体。
进一步可替代地或额外地，打印机1000的控制器20可以控制作动器和加热器，使得第一固结复合带2c沉积在第一增强成形99A-99Z中，第一增强成形99A-99Z在第一负轮廓(或孔Ha)和第二负轮廓(或孔Hb)之间的张力强度比第二增强成形99A-99Z的高。
第二打印头18打印填充材料或可溶性材料以在各层上形成壁、填充、保护涂层和/或支撑材料，并且如这里所述，以使进入进入相邻的层中的突起平滑化并/或形成可溶预制体。
复合带的固结、压制和/或平坦化
用于将芯增强丝沉积成熔融复合带的优选技术包括对离开导管喷嘴的芯增强丝进行压制以形成平坦形状(如在CFF专利申请中所述)。
平坦形状是例如在横截面中以1:2至大约1:12的比例高宽比可变的形状。优选地，压制复合带2c的高度基本对应于同一层LA1中的填充材料层的高度，使得垂直方向上的相邻复合带2c能够被紧紧包封，且仍构建成与围绕的、互补的和/或填充空隙的填充材料18a相同或相邻的层的一部分。
复合带2c和填充材料18a之间的层间作用可以比填充材料18a的层之间的各层间作用更密切。在大多数情况下，填充材料18a的相邻层的可选要求在于，它们在垂直方向上可靠地熔融以避免分层，并且在许多情况下，填充材料18a在环境压力或室内压力下熔融(熔化或固化)。
可供应芯增强多束复合丝2，芯增强多束复合丝2例如具有圆形到椭圆形的横截面和/或大约1/3mm的直径和/或“13毫英寸”的直径。
如下面的表1所示，在沉积期间压制的圆形横截面丝2成为逐步变宽的复合带2c。该表使用3个“约整数(round number)”单位的示例无量纲直径。
如表中所示，对于任意尺寸的基本圆形横截面的芯增强丝2，至其直径的大约1/3的平坦化结果为其最初直径的大约2.2–2.5倍宽，并且如果被平坦化成其直径的大约1/2，则平坦化结果为其最初直径的大约1.4–1.7倍宽。
表1
示例直径(圆形)：3个单位
矩形压制
H W
2/3D高度 ～2 ～3又1/2
1/2D高度 ～1 1/2 ～4又1/2
1/3D高度 ～1 ～7
1/4D高度 ～3/4 ～9又1/2
例如，为了补充0.1mm的添加制造层高度，将1/3mm直径的芯增强丝2平坦化成1:6至1:12比例的(这里“高度压制”)大体矩形形状的复合带2c，例如，大约0.7-1.1mm宽，大约0.07-0.12mm高。一个优选的比例为大约1:9。甚至更大的压制也是可行的，例如，1:12至1:20，但这要求打印机100具有极大的系统硬度。
相比之下，为了补充0.2mm的添加制造层高度，将1/3mm直径的芯增强丝2平坦化成1:1.5至1:4比例的(这里“轻度压制”)大体矩形形状的复合带2c，例如，大约0.4-0.6mm宽、大约0.2mm高的大体矩形形状。
然而，1:1.5至1:3的纤维嵌入矩形横截面并不如同1:6至1:12比例中的一者那样被压制或固结，并且在一些情况下，相对更大量的固结是优选的，以减少空隙并改善相邻层2c-2c或2c-2d中的纤维的混合。
应当指出，供应的纤维增强丝2可在供应和沉积时具有恒定的横截面面积(除非复合挤出或增补)；而供应的FFF丝18a可在供应和沉积时具有非常不同的横截面面积(对于供应时，具有更大的直径)以及在沉积时具有可变的横截面面积(具有取决于挤出速率的珠尺寸)。假定高度压制的复合带优选于轻度压制的复合带，将更大的FFF挤出速率层高(例如，0.3mm)与高度压制的复合带(例如，1:9比例)组合将具有挑战性。因此，当填充材料高度使得压制量不可接受地减小时，每个填充材料层可布置多于一层的纤维(例如，每个0.2或0.3mm的填充材料118a层，0.1mm复合带2c的2或3个1:9子层)。在此情况下，在复合带2c之后沉积大部分或所有的填充材料18a，但在替代模式中，可使用自碰撞检测来避免喷嘴与零件接触，并且因此改变沉积顺序。另外，在该处理的变形例中，可选择填充材料高度和压制量以匹配1:6-1:12“高度压制的”复合带2的堆叠(例如，对于1/3mm直径的纤维，匹配的填充材料18a层高度限制在大约0.24mm，因为最高可接受的“高度压制的”两层纤维堆叠是1:6比例x 2或者0.12mm x 2)。
应当指出，丝2a和沉积带2c内的增强线束4a的横截面表示只是示意性的。在大多数情况下，增强线束是丝2a或带2c内的成百上千的平行线束。
挤出刀具路径和/或挤出物
通常，在添加制造的“FFF”或“FDM”挤出方法中，相邻层LAn、LAn+1中的挤出珠可布置成彼此平行或者彼此横向地延伸，而在层内不交叉。可以在丝供给路径中进行“退刀(rectract)”以停止喷嘴流，并且从一个独立区域移动到另一个独立区域以重新开始挤出，但有效打印珠趋于保持不交叉。这是合理的，因为继续挤出并同时与先前打印的珠交叉会导致在喷嘴部分地受阻时挤出物水平地且不可预测地喷出。另外，利用阻塞喷嘴挤出的任何时间花费都会降低挤出物的有效沉积的量。切片软件通常避免形成彼此交叉的挤出刀具路径。
然而，在这里披露的FFF打印机中，挤出刀具路径可以以与关于芯增强纤维刀具路径所述的相同方式彼此交叉，通过挤出头18的丝供应中的快速响应抓取而部分地成为可能，例如，通过低电机电流或其它的可滑动驱动器。当填充材料或纤维将形成部分的连续纤维增强预制体时，同样是这种情况。在这种情况下，交叉挤出刀具路径应当以大角度交叉(例如，45至90度)并/或限制为短时间段或使现有的珠变窄(例如，对于1/10至1/100秒，例如，对于300mm/s的打印挤出速度，交叉不超过1mm的先前固结的挤出物，并且优选为1/4至1/2mm的固结挤出物)。这在图案化线的蜂窝填充的情况下是特别有利的(例如，三角镶嵌，例如，交叉直线路径的60-60-60度，或者通过交叉的所有路径，例如，三角蜂窝或与一个路径偏移交叉的两个路径，例如，大卫之星网络或蜂窝)。
通常，即使交叉先前打印的挤出珠或刀具路径的填充材料18a的新挤出的珠或通路的快速响应缓冲交叉可以不改变在交叉的固结珠的顶部或者在当前沉积的行中的当前层LAn的层高，即，在珠交叉时，纯的塑料通常不会垂直地累积。而且，当挤出喷嘴18被先前沉积的珠阻塞时，液化的填充材料18a趋于寻找抵抗力小的方向以水平或向下离开。
如这里所述，金属和陶瓷基质也是可能的，例如作为以碳纤维线束的大约0.1-25％(优选大约为5-15％)体积比例具有短切纤维棒、短纤维、长纤维或者连续增强纤维的基质，每个纤维线束覆盖有在例如烧结温度以下不与碳反应的金属(例如，镍、硼化钛)。在打印时或打印之后烧结的3D打印沉积的情况下，基质的陶瓷或金属材料保持纤维填充物。碳纤维不是唯一的增强材料，例如，具有金属或陶瓷基质材料的大约2-10倍弹性模量的短切纤维棒、短纤维、长纤维或连续增强纤维是有利的。对于短切纤维棒、短纤维、长纤维或连续增强纤维，另外地或者可选地，其它具有金属或陶瓷基质材料的大约2-10倍弹性模量的材料的增强颗粒(例如，粒子、晶须、纳米结构、球体或不规则的分散材料)也是有利的。
在下表中发现基质相对增强体的弹性模量的比较：
可通过3D打印机沉积的一些候选基质-填充物组合包括：钴或青铜基质与具有覆盖碳化钨的石墨(碳)纤维；铝基质与石墨(碳)纤维；钢基质与氮化硼纤维；铝基质与碳化硼纤维；铝基质与覆盖镍的碳纤维；铝基质与碳纤维；钛基质与碳化硅纤维；铜基质与氧化铝颗粒(和碳纤维)；铜银合金基质与金刚石颗粒。通过本申请和CFF专利申请的技术打印的这些纤维也可作为连续纤维嵌入。用于颗粒或纤维的碳的形式包括碳纳米管、碳黑、短/中/长碳纤维、石墨片、石墨板、石墨烯、碳洋葱、阿斯特雷涤纶弹力丝(astralene)等。
如这里所述，3D打印机在增强柱中可添加地沉积连续增强纤维、可溶预制体或非可溶性支撑预制体中的一个或多个，以形成连续纤维增强预制体。可溶预制体可以在任何包覆成型之前溶解。作为添加制造的主体，预制体比简单的片、板或弯曲板复杂得多，预制体可以是“复杂实体”，即，通过组合和/或去除部分三维形状(至少包括立方体、圆柱、棱柱、锥体、球体和圆锥体中的一些)制成的预制体。连续纤维增强预制体(可选地，具有非可溶性支撑预制体)可放置在成型装置的模具内，并且模具装载有熔融的成型材料。成型材料硬化，以包覆成型连续纤维增强预制体(可选地，具有非可溶性支撑预制体)，由此形成围绕具有硬化成型材料的内部连续纤维增强预制体(可选地，具有非可溶性支撑预制体)的增强成型体，其中，增强体积小于整个增强成型体的体积。连续纤维增强体积可包括连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括(a)在纤维增强复合丝的基质材料内基本上连续延伸的多个同心纤维线束，以及(b)分散在整个基质材料中的多个短切纤维、纤维棒、短纤维和/或颗粒。非可溶性支撑预制体可包括基质材料和分散在整个基质材料中的多个短切纤维、纤维棒、短纤维和/或颗粒。基质可以是塑料、树脂或聚合物(例如，1-5GPa弹性模量)、金属或陶瓷。
连续纤维增强体积可包括连续/随机纤维增强复合丝和可被加热至液态的基质(例如，具有融化温度的结晶材料、具有玻璃态转变温度的非结晶材料或者具有融化温度和玻璃态转变温度的半晶状材料)，连续/随机纤维增强复合丝添加地沉积在基质内，并且增强体积小于整个增强成型体的体积的百分之二十。
替代地或额外地，在能去除纤维增强基质材料内的空气隙的成型材料压力下进行成型。而且，包括连续/随机纤维增强复合丝的连续纤维增强预制体可在模具内从其成形形状弯曲或变形为变形形状。进一步可选地，两个以上的连续纤维增强预制体可在模具内的放置之前彼此接合。
在一些实施例中，模具是注射模具，并且注射成型材料在成型期间的包封压力将纤维增强预制体固结成最终形状并去除纤维增强预制体内的空隙。如果模具是注射模具，则来自注射成型材料的热量可以再次融化纤维增强预制体的基质材料。在一些示例中，纤维沉积是被添加地沉积的具有至少三倍于其高度的宽度的热塑性连续纤维增强预浸带，也可包括分散在整个基质材料中的多个短切纤维、纤维棒、短纤维和/或颗粒。可选地，可在连续纤维增强预制体和成型体中至少一者的成形期间采用真空去除空隙。
在一种可选方法中，支撑材料以第一形状形成为支撑预制体，并且连续增强纤维以跟随可去除的支撑预制体的轮廓的第二形状添加地沉积在增强体积中，以形成连续纤维增强预制体。可选地，支撑预制体的至少一部分延伸成邻接增强成型体的表面。在另一个示例中，支撑预制体形成为非环形状，以允许通过支撑预制体周围的缠绕来添加地沉积连续纤维增强预制体。支撑预制体自身可以是注射成型的，并且可注射成型为适于作为缠绕基板的具有邻接外表面的蜂窝状结构。支撑预制体和连续纤维增强预制体可以在交替的连续添加阶段和注射成型阶段中形成。支撑预制体可由添加地沉积或注射成型的基质材料形成，诸如塑料、树脂或聚合物(例如，1-5GPa弹性模量)、金属或陶瓷等，包括分散在整个基质材料中的多个短切纤维、纤维棒、短纤维和/或颗粒。
可选地，支撑预制体形成为基本上旋转对称的形状或芯轴，以允许通过支撑预制体周围的缠绕添加地沉积连续纤维增强预制体。在一个实施例中，支撑预制体以关于沉积头(其将连续和/或连续/随机增强纤维添加地沉积成跟随预制体的轮廓的第二形状)的至少一个旋转自由度相对移动，以形成连续纤维增强预制体。
连续纤维增强预制体可嵌入至少一个夹心板结构。夹心板结构可选地为可折叠结构，在可折叠结构中形成有与折线相对的线性间隙以形成绞合线(hinge)。
进一步可选地，支撑预制体形成为包括可溶性材料，并还包括溶解预制体。支撑预制体可在模具内放置连续增强纤维预制体(可选地包括连续/随机增强纤维材料)之前溶解，并且/或者支撑预制体可通过模具加载而被移除、融化或溶解。替代地或额外地，支撑预制体可在模具材料硬化之后溶解。支撑预制体可在模具内的放置之前至少部分地溶解，并且在增强成型体硬化之后至少部分地溶解。支撑预制体从其成形形状弯曲或变形为用于沉积纤维增强体的变形形状，以形成连续纤维增强预制体。在一个实施例中，在添加地沉积连续纤维带预浸物之前朝向支撑预制体布置宽的预浸片。
可选地，连续增强预制体放置在跟随轮廓的增强体积中，以形成作为第一增强板的连续纤维增强预制体。在此情况下，进一步的步骤或操作为沿着第一增强板放置成型材料的蜂窝板，其中，成型材料硬化，以朝向第一增强板包覆成型蜂窝板，由此形成包括成型材料蜂窝和连续纤维增强体的纤维增强成型体。可选地，第二增强板是添加地沉积在蜂窝板上的连续纤维。第二增强板可形成为具有镜像第一增强板的表面的接合表面。蜂窝状结构可形成为其上沉积有第二纤维增强预制体的支撑预制体。
在各情况下，成型材料在抗拉强度上基本上各向同性(例如，树脂、金属或陶瓷，包括一些具有添加物的增强体)，并且连续增强纤维以及连续/随机增强纤维在抗拉强度上基本上各向异性(例如，碳、玻璃、芳族聚酰胺、玄武岩、UHMWPE或其它连续和/或长纤维)。
这里使用的章节标题基于下面的它们说明的内容，并且只能扩展所述的内容。
术语
“复合带(composite swath)”可以是指沉积的纤维增强复合丝，在沉积期间已通过熨烫被压制、固结和增宽。基质材料内的多条(50-5000，优选为100-2000)独立纤维在复合带内延伸。
“多带迹线(multi-swath track)”可以是指大体上跟随平行路径的一组平行带，但各个带可偏离以避免障碍或实现增强目标。
“折叠(fold)”可以是指沿着复合带的弯曲部分(诸如拐角等)在自身上折叠、扭转或聚束的复合带。“折叠”不限于片状或带状折叠，但包括如下的路径变化，在这些路径变化中，复合带内的不同纤维可以整齐地切换带的侧，但也可以沿着弯曲或成角度的部分(诸如拐角等)交叉、扭转或聚束。
“连续纤维柱(continous fiber column)”通常意指在两个以上的3d打印层(正交、成任意角度、横向或弯曲)之间延伸的连续纤维构件(丝束、带、预浸物或线束)，其中，连续纤维线束的至少一部分具有桥接两个或多个层的Z向分量。
“填充材料(fill material)”包括可以以基本同质的形式沉积为挤出物、流体或粉末材料的材料，并且例如通过硬化、晶体化、至玻璃的转变或固化来固结，与这里披露的沉积为嵌入的或熔融的复合带的芯增强丝相对地，填充材料以高度各向异性、连续的形式沉积。“基本同质(substantially homogenous)”包括粉末、流体、混杂物、分散物、胶体、悬浮物和混合物，以及短切纤维增强材料。在这里的“填充材料”可用一些可溶性材料替换或者形成可溶预制体的任何情况下，本发明也适用。在该情况下，如这里所述，一旦去除可溶性材料，连续纤维增强预制体保持由连续纤维沉积图案形成。应当指出，即使在所述的填充材料部分地或大量地被可溶性材料代替时，非可溶性材料的涂层、壁、壳、顶部、顶板或其它缓冲物也保持或沉积。
“蜂窝(honeycomb)”包括用于区域的稀疏填充(并由此在层堆叠时，用于体积的稀疏填充)的任何规则的或可重复的棋盘式布置，包括三边形、六边形、四边形、互补形状(例如，组合有三角形的六边形)互锁形状或蜂窝状。
在这里，“负轮廓(negative contour)”和“孔(hold)”可交换使用。然而，这两个词中的任一个也意指嵌入轮廓(例如，嵌入材料或对象)或者注射成型轮廓(例如，具有侵入到层中的表面的第二对象)。
“向外螺旋(outwardly spiraling)”或“向外偏移(outwardly offsetting)”的意思包括参照最内的、大致负的或基准的轮廓来确定渐进跟踪、轮廓勾勒或环绕，并非必要是，复合带必须从该轮廓旁边开始且朝着外周界构建。一旦确定刀具路径，可在任一方向上铺设。类似地，“向内螺旋(inwardly ospiraling)”或“向内偏移(inwardly offsetting)”意指参照外部的、大致正的轮廓来确定渐进跟踪。
“3D打印机(3D printer)”的意思包括分立打印机和/或在更大的处理中执行添加制造子处理的制造机器的刀具头配件。3D打印机由运动控制器20控制，运动控制器20解译专用G代码(刀具路径指令)并根据G代码驱动3D打印机的各个作动器。
“挤出(extrusion)”可以意指这样的处理，在该处理中，通过硬模挤压原料材料，以获得比原料材料具有更小横截面面积的特定形状。有时被称为熔融沉积制造(“FDM，Fused Deposition Manufacturing”)的熔丝制造(“FFF，Fused Filament Fabrication”)是一种挤出处理。类似地，“挤出喷嘴(extrusion nozzle)”应当意指这样的设备，该设备用于控制挤出流体流的方向或特征，特别是在流体流离开(或进入)密闭室时增大速度和/或限制横截面面积。
“导管喷嘴(conduit nozzle)”可以意指终端打印头，其中，不同于FFF喷嘴，在打印材料中没有形成明显的后向压力或者附加速度，包括基质和嵌入纤维的打印材料的横截面面积在整个处理中基本保持相同(甚至以接合堆层沉积至零件时)。
“沉积头(deposition head)”可以包括挤出喷嘴、导管喷嘴和/或混合喷嘴。“固化头(solidifying head)”包括相同的零件，以及激光熔融和固态化、激光固化、能量固化。不需要液化的材料被固态化，可被固化、烧结等。
“丝(filament)”通常可以指整个横截面面积(例如，缠绕的)的构建材料，并且“线束”应意指例如嵌入在基质中且共同形成整个复合“丝”的独立纤维。
关于增强区域的“交替(alternating)”通常意指以任何规则的、随机的或半随机策略在层内或层之间分布不同的成形，除非图案被环境说明、指定或要求。例如，简单交替(ABABAB)、重复交替(AABBAABB)、图案交替(ABCD–ABCD)、随机重复组(ABCD-CBDA-CDAB)、真随机选择(ACBADBCABDCD)等。
“壳(shell)”和“层(layer)”在许多情况下可交换使用，“层”是“壳”的子集(例如，层是壳的2.5D限制版本，在3D体积的任意方向上延伸的薄层)和/或“壳”的超集(例如，壳是缠绕3D表面的层)。壳或层可以是嵌套的(在彼此内)和/或平行(彼此偏移)或者二者兼具。壳或层沉积为具有3个自由度(可以是笛卡尔、极线或表示为“变量”)的2.5D连续表面以及具有4-6个或更多自由度的3D连续表面。层邻接可利用说明性注释“LA1”、“LA2”或“LAn、LAn+1”等来表示，而不必指明唯一或非唯一的层。“LA1”可以表示示出单层的图，“LA2”表示第二层，并且“LA1、LA2”表示叠加的或者各层内容可见的两层。例如，在上下视图中，“LA1、LA2、LA3”或“LAn、LAn+1、LAn+2”中的任一者可以表示三个层或壳叠加地示出。“LA1、LA2…LAm”可以表示任意数量的相邻层(例如，m可以是2、10、100、1000或10000个层)。
增强纤维、芯增强纤维基质材料、填充材料和对比材料的一些代表性的极限/抗拉强度和拉伸/杨氏模量如下：

Claims (14)

1.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：
提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒；
在切割器中接收所述连续/随机纤维增强复合丝；
切割所述连续/随机纤维增强复合丝；
在喷嘴中接收切割后的所述连续/随机纤维增强复合丝；
经由所述轴向纤维线束但不经由分散的所述纤维棒从所述零件施加拖曳力；
利用所述喷嘴施加压力，以将所述连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在所述零件中；以及
利用所述喷嘴施加压力，以朝向所述零件的先前沉积部分连续地嵌入一部分短切的所述纤维棒。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：迫使所述零件的先前沉积层的表面处或附近的所述纤维棒与填充材料、基质材料、轴向纤维线束或邻近的纤维棒中的一者或多者相互作用。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有形成所述连续/随机纤维增强复合丝的1-20％体积比例的纤维棒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有不同于所述纤维棒的材料的轴向纤维线束。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有由玻璃形成的所述轴向纤维线束和由碳形成的所述纤维棒。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有在随机方向上定向的所述纤维棒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有至少部分地非随机定向的所述纤维棒。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：驱动所述沉积头，以迫使所述纤维棒的第二部分桥接所述连续/随机纤维增强复合丝的连续层。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有具有20:1-200:1的孔径比的纤维棒。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有包括被短切至0.05-10mm长的纤维的所述纤维棒。
11.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：
提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒，分散的所述纤维棒中的至少一部分定向成横向于所述轴向纤维线束；
与所述连续/随机纤维增强复合丝分开地提供填充材料，所述填充材料包括长度在0.2-10mm之间的第二分散纤维棒；
将所述连续/随机纤维增强复合丝沉积在第一区域内，所述第一区域形成在零件的向外部分中，所述向外部分离所述零件的外壁比离所述零件的形心更近；
将所述填充材料沉积在第二区域内，所述第二区域形成在所述零件的相对于所述第一区域向内的部分中；
施加加热压力，以连续地融化并散布所述芯增强丝；
施加加热压力，以朝向先前沉积的连续/随机纤维增强复合丝连续地嵌入所述第一分散纤维棒的一部分；以及
施加加热压力，以连续地嵌入所述第一分散纤维棒的一部分。
12.一种用于添加制造零件的三维打印机，其包括：
连续/随机纤维增强复合丝的供应部，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒；
沉积头，其包括过渡到熨烫唇的导管；
沉积头驱动器，其用于驱动所述熨烫唇；
丝驱动器，其用于推动所述连续/随机纤维增强复合丝的上游部分，以迫使所述丝的未附接末端在所述熨烫唇处离开所述导管；以及
控制器，其可操作地连接到所述丝驱动器和所述沉积头驱动器，所述控制器驱动所述沉积头以朝向所述零件的先前沉积部分散布所述连续/随机纤维增强复合丝，以便(a)使所述纤维棒的第一部分和所述基质材料在所述轴向纤维线束之间以填充间隙的方式流动，并且(b)朝向所述零件的先前沉积部分压迫所述纤维棒的第二部分。
13.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：
提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒；
将所述连续/随机纤维增强复合丝沉积成连续层；
施加压力，以将所述连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合至先前沉积层，并且朝向先前沉积层连续地嵌入短切的所述纤维棒的一部分；
通过向连续/随机纤维增强复合丝的连续层施加压力来形成纤维增强预制体；
将所述纤维增强预制体插入在模具中；以及
将所述纤维增强预制体包覆成型成纤维增强成型体。
14.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：
提供连续纤维增强复合丝，所述连续纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束；
在切割器中接收所述连续纤维增强复合；
切割所述连续纤维增强复合；
在喷嘴中接收切割后的所述连续纤维增强复合；
施加压力，以将所述连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在所述零件中；
在所述零件的连续层中形成负轮廓；以及
通过所述负轮廓插入用于桥接所述零件的多个连续层的连续增强柱。
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