CN110312608A - 增材制造包含第二材料的3d物体 - Google Patents

Abstract

用于增材地制造3D物体的3D打印机包括涂覆器、分配器和能量源。涂覆器用于相对于打印床涂覆第一材料以形成可选数量的第一层。分配器用于将第一流体试剂分配到第一材料的第一层的第一选定位置上。能量源用于在第一选定位置处引起熔融。分配器还用于分配包括第二材料的第二流体试剂，以在可选数量的第一层的顶部上的第二选定位置处形成可选数量的第二材料的第二层。每个第二选定位置包括所熔融的第一选定位置中的至少一些。

Description

增材制造包含第二材料的3D物体

背景技术

增材制造可以彻底改变生产三维(3D)物体的设计和制造。某些形式的增材制造有时可称为3D打印。一些增材制造的3D物体可以具有诸如机械或电气效用的功能特性，而其他3D物体可以简单地制造用于美学目的。

附图说明

图1A是包括示意性地表示用于增材制造3D物体的示例设备的俯视图的图。

图1B是包括示意性地表示部分形成的示例3D物体的等距视图的图。

图1C是包括示意性地表示示例体素的组的俯视图的图。

图2A至图2B各自是示意性地表示使用第二材料形成部分形成的示例3D物体的示例结构的形成的放大的局部截面图。

图3A是示意性地表示第二材料的形成的示例结构的侧视图。

图3B是示意性地表示部分形成的示例3D物体的形成的示例结构的局部截面图。

图4是示意性地表示相对于部分形成的示例3D物体的第一材料层的示例性形成的截面图。

图5是示意性地表示示例3D物体的至少一部分的截面图。

图6是示意性地表示示例3D物体的至少一部分的截面图。

图7A是示意性地表示至少包括至少一种第二材料的嵌入结构的示例3D物体的至少一部分的截面图。

图7B是包括示意性地表示示例3D物体的体素的示例图案的俯视图的图。

图7C是示意性地表示包括至少一种第二材料的嵌入结构的示例3D物体的至少一部分的侧视图。

图7D是示意性地表示包括至少一种第二材料的嵌入结构的示例3D物体的至少一部分的侧视图。

图8A是示意性地表示示例控制部分的框图。

图8B是示意性地表示示例用户界面的框图。

图9是示意性地表示示例打印引擎的框图。

图10是示意性地表示增材制造的示例方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成详细描述的一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体示例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他示例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。应当理解，除非另外特别说明，否则本文描述的各种示例的特征可以部分地或全部地彼此组合。

本公开的至少一些示例涉及使用第一材料和不同于第一材料的第二材料来增材制造3D物体。

在一些示例中，用于增材制造3D物体的3D打印机包括涂覆器(coater)、分配器(dispenser)和能量源。涂覆器相对于打印床涂覆第一材料，以形成可选数量的第一层，而分配器将第一流体试剂分配到第一材料的第一层的第一选定位置上。能量源至少在第一选定位置引起熔融。分配器分配包括第二材料的第二流体试剂，以在可选数量的第一层的顶部上的第二选定位置处形成可选数量的第二材料的第二层，其中每个第二选定位置包括熔融的第一选定位置中的至少一些。

在一些示例中，形成第一材料的附加第一层，该附加第一层至少围绕在第二选定位置处由第二材料形成的结构。在一些示例中，附加第一层可以覆盖在该结构上，以便将第二材料的结构完全地嵌入3D物体内。

当通过这种布置形成3D物体的层时，在第二选定位置处分配第二材料以预先防止第一材料随后在第二选定位置处放置。因此，在一种意义上，在第二选定位置处，第二材料替换第一材料，否则第一材料将占据第二选定位置。以这种方式，可以在3D物体内的期望位置处策略地实现不同于第一材料的材料属性的第二材料的材料属性。第二材料的不同材料属性可以是电、机械、磁、光、热等。可以采用单一的第二材料或多种不同的第二材料。如上所述，第二材料可以作为第二流体试剂(例如流体墨水)的一部分沉积。

在一些示例中，这种布置使得能够制造3D物体，其中涂覆器施加单个第一材料的层以通常地形成3D物体的大部分，同时使用单个分配器来沉积用于单个第一材料的熔融剂以及在3D物体内或3D物体上的某些位置处沉积第二材料的层作为第一材料的替代物。换句话说，在不破坏经由涂覆器施加单个第一材料的情况下，分配器可以将第二材料沉积成层，使得3D物体可以由具有不同材料属性的不同材料形成。

在一些示例中，这样的布置可以消除对两种不同的第二增材制造技术(如在一些商业上可获得的3D打印机中发现的第二增材制造技术)的使用，以便将第二材料结合到3D物体中。

因此，通过这种布置，用于增材制造3D物体的设备可以选择性地改变3D物体的部分的材料属性，这可以增强3D物体的功能的范围、性能和/或外观。

可以结合至少图1A至图10来描述和例示这些示例和附加的示例。

图1A是示意性地表示用于增材制造示例3D物体的示例设备30的图。如图1A所示，在一些示例中，设备30包括材料涂覆器50、能量源55和流体分配器58。

材料涂覆器50被布置为将第一材料逐层涂覆到接收表面42上，以增材形成图1B中所示的3D物体70。应当理解，可以制造任何形状的3D物体，并且图1B中描绘的物体70仅提供部分形成的3D物体的一个示例形状。在某些情况下，设备30有时可以称为3D打印机。因此，接收表面42有时可以称为打印床。

应当理解，涂覆器50可以通过各种机械机构实现，例如刮片(doctor blade)、槽模(slot dies)和/或适于铺展和/或另外形成相对于接收表面42或者先前沉积的第一材料层的、以大体上均匀的层的方式的第一材料的涂覆的其他结构。

在一些示例中，材料涂覆器50具有至少大致与接收表面42的整个长度(L1)匹配的长度(L1)，使得当材料涂覆器50行进接收表面42的宽度(W1)时能够在单次通过中使用第一材料层涂覆整个接收表面42。在一些示例中，材料涂覆器50可以以长度和图案小于材料涂覆器50的整个长度的方式选择性地沉积材料层。在一些示例中，材料涂覆器50可以使用多次通过而不是单次通过来利用第一材料的第一层涂覆接收表面42。

将进一步理解，经由设备30增材形成的3D物体可具有小于接收表面42的宽度(W1)和/或长度(L1)的宽度和/或长度。一旦形成，3D物体与接收表面42分离并且独立于接收表面42。

在一些示例中，材料涂覆器50以第一取向(由方向箭头F表示)移动，而流体分配器58以大致垂直于第一取向的第二取向(由方向箭头S表示)移动。在一些示例中，材料涂覆器50可以沿着第一取向在前后行进路径的每次通过中沉积材料，而流体分配器58可以沿着第二取向在前后行进路径的每次通过中沉积流体试剂。在至少一些示例中，材料涂覆器50完成一次通过随时是在材料涂覆器50的第二次通过之前的流体分配器58的通过，等等。

在一些示例中，材料涂覆器50和分配器58可以布置为以相同的取向移动，或者以第一取向(F)或第二取向(S)移动。在一些示例中，材料涂覆器50和分配器58经由单个滑架支撑和移动，而在一些示例中，材料涂覆器50和分配器58可以经由单独的独立的滑架支撑和移动。

在一些示例中，用于通常形成3D物体的第一材料包括聚合物材料。在一些示例中，第一材料可包括陶瓷材料。在一些示例中，第一材料可以采用粉末的形式，而在一些示例中，第一材料可以采用非粉末形式。无论具体形式如何，第一材料都适合于以可流动的形式铺展、沉积等，以相对于接收表面42和/或相对于先前涂覆的第一材料的第一层而产生涂层(通过涂覆器50)。在一些示例中，第一材料充当构造材料，其不显著地表现出电属性、光学属性、磁属性等。然而，如果需要，这些各种属性中的至少一些可以通过第一流体试剂至少在某种程度上注入第一材料中，如下面结合至少图1A和图9更详细地描述。此外，在一些示例中，第一种材料在用于形成3D物体的之前可以已经包含这些属性中的至少一些。在一些示例中，构造材料甚至可以包括电绝缘材料或半导体材料。

在一些示例中，图1A中所示的流体分配器58包括打印机构，该打印机构包括打印头阵列，每个打印头包括多个可单独寻址的喷嘴，用于选择性地将试剂喷射到第一材料的第一层上。因此，在一些示例中，流体分配器58有时可被称为可寻址流体喷射阵列。在一些示例中，流体分配器58可以喷射具有大约微微升的量级或大约纳升的量级的单个液滴。

在一些示例中，流体分配器58包括热喷墨(TIJ)阵列。在一些示例中，流体分配器58可包括压电喷墨(PIJ)阵列或诸如气溶胶喷射的其他技术，其中任何一种技术都可精确地、选择性地沉积少量流体。在一些示例中，流体分配器58可包括连续喷墨技术。

在一些示例中，流体分配器58在逐个体素的基础上选择性地分配液滴。在一些示例中，通过流体分配器58实现每英寸1200体素的分辨率。在一种意义上，体素可以被理解为三维空间中的体积单位。

在一些示例中，流体分配器58具有至少大致与接收表面42的整个宽度(W1)匹配的宽度(W1)，因此有时可以被称为提供页面宽度制造(例如页面宽度打印)。在这样的示例中，通过这种布置，当流体分配器58行进接收表面42的长度(L1)时，流体分配器58可以在单次通过中将流体试剂沉积到整个接收表面上。在一些示例中，流体分配器58可以使用多次通过而不是单次通过来将流体试剂沉积到给定的材料层上。

在形成第一材料的第一层中的一层之后，在一些示例中，分配器58可以选择性地在第一材料的最上层的第一选定位置处分配第一流体试剂的液滴。图1A中所示的特定示例3D物体涉及具有大致矩形形状(如虚线75所示)的第一选定位置73的组71。然而，为了清楚说明，在图1A中，在77处仅描绘了组71的第一选定位置73中的一些。同时，第一选定位置73的组71外部(即虚线75外部)的区域74最终将被丢弃并且不形成最终3D物体的一部分。

应当理解，第一位置73的组71或第一位置73的多个不同组71可以被选择为任何尺寸和/或形状，例如圆形、环形等。在一些示例中，第一选定位置的组可以形成甚至更复杂的形状，例如齿轮、链节、叶片，仅举几个不同类型的部件和/或物品。

类似地，虽然稍后描述结构80A-80B的形成，但是将进一步理解，如图1A至图1B中所示的结构80A-80B的尺寸、数量和/或形状仅仅是代表性的，并且可以实现其他尺寸、数量和/或形状的结构。

参考图1C，应当理解，在一些示例中，图1A至图1B中的每个第一选择位置73可以与单个体素92的组90对应，而在一些示例中，每个第一选择位置73可以对应于单个体素92。在后一示例中，图1C中的体素92的组90将与第一选定位置的组对应。例如，体素92的示例组90可以具有宽度W2和长度L2，而每个单独的示例体素92可以具有宽度W3和长度L3。

如后面将结合至少图2A至图3B更充分地描述的，形成相应结构80A、80B(图1A至图1B)的每个第二选定位置(在其上沉积有第二流体试剂)也可以与如图1C所示的单个体素92或体素92的组90对应。应当理解，包括体素的组的任何第一选定位置(或第二选定位置)不限于图1C中所示的矩形形状和/或尺寸，并且不限于图1C中所示的体素的数量。

如图1A中进一步所示，流体分配器58可包括储液器阵列或与储液器阵列流体连通以容纳各种流体试剂，例如但不限于第一流体试剂62和第二流体试剂64。第二流体试剂62将在后面结合至少图2A至图2B进一步描述。在一些示例中，第一流体试剂62可包括熔融剂、细化剂等，以促进第一材料的每个第一层72的形成。特别地，在通过分配器58在第一选定位置施加到第一材料上时，相应的熔融剂和/或细化剂可以在第一选定位置处扩散、饱和和/或混合到第一材料的第一层中。

如图1进一步所示，设备30包括能量源55，用于照射所沉积的材料、第一流体试剂等，以引起材料的加热，这继而导致材料的颗粒相对彼此的熔融，其中通过熔化、烧结等发生这种熔融。在这种熔融之后，第一材料的第一层完全形成，并且可以以类似的方式形成第一材料的附加的第一层72。

在一些示例中，能量源55可包括气体放电光源，例如但不限于卤素灯。在一些示例中，能量源55可包括多个能量源。第一能量源可以引起第一材料的熔融，以在第一选定位置处形成第一层72。然而，第二能量源(例如图2B中的114)可选择性地固化或干燥第二流体试剂，而不会影响先前熔融的第一材料，如后面至少结合图2B所述的。

如上文所述，能量源55和/或能量源114(图2B)可以是固定的或移动的，并且可以以单闪光或多闪光模式操作。

如图1A至图1B进一步所示，部分形成的3D物体还包括在第一材料的最上面的第一层72的顶部上的结构80A、80B，其中结构80A、80B由第二材料形成。结构80A、80B及其形成将在下面结合至少图2A至图3B进一步描述。

在一些示例中，设备30可用于通过多喷射熔融(MJF)过程(可从HP Inc.获取)增材地形成3D物体。在一些示例中，经由设备30执行的增材制造工艺可以省略和/或包括以下的至少一些方面：选择性激光烧结(SLS)；选择性激光熔化(SLM)；3D粘合剂打印(例如3D粘合剂喷射)；熔融沉积成型(FDM)；立体光刻(SLA)；或可固化的液体感光树脂喷射(Polyjet)。

考虑到设备30的这些通常部件，描述部分形成的示例3D物体70的一个示例形成。

如图1A所示，设备30通过形成可选数量的第一材料(例如上述构造材料之一)的第一层72来制造3D物体。这种形成包括使用材料涂覆器50以用第一材料的层72涂覆接收表面42(或前一层72)，然后通过分配器58在当前层72的选定位置(即第一选定位置)处施加第一流体试剂62。通过能量源55对这些第一选定位置的照射导致第一材料、熔融剂、细化剂等的熔融。重复涂覆、分配和熔融的这种循环，直到第一材料的所选数量的第一层72被形成为止，如至少图1B所示。

在形成可选数量的第一层72之后，并且如图2A所示，流体分配器58在第一选定位置中的一些位置(有时可将其称为第二选定位置81A、81B)处分配第二流体试剂64。在图1A至图1B所示的示例中，这些第二选定位置81A、81B与最上面的第一层72上的结构80A、80B的位置对应。

在一些示例中，第二流体试剂64可包括至少一种第二材料，该第二材料具有与形成第一层72的第一材料的材料属性不同的至少一种材料属性。形成第二结构80A、80B的第二材料可以表现出通过分配器58(图1A)和/或打印引擎500可控的广泛的性能，例如稍后将结合图9详细描述。例如，这些不同属性中的至少一些涉及电、机械、磁、光学和热参数(例如552、554、556、562、564、566、572、574、576、578等)，如结合至少图9更详细地描述的那样。在一些示例中，第二材料包括多种不同的第二材料，每种第二材料表现出不同的属性。在一些示例中，单个第二材料可以表现出与形成第一层72的第一材料的材料属性不同的多个属性。

仅作为一个示例，第二材料可以包括导电材料，并且第一层中的第一材料包括通常不导电的材料。在一些示例中，这种导电的第二材料包括银纳米颗粒材料。

在一些示例中，第二流体试剂中的第二材料可包括与第一流体试剂中的第一材料相同的导电材料。因此，在这样的示例中，第一材料可包括导电材料。在一些这样的示例中，第一材料和第二材料包括金属材料，例如来自银纳米颗粒墨水的银纳米粒子。在一些示例中，第一材料和第二材料包括黑色材料或其他适于增强对通过能量源(例如55和/或114)施加的能量的吸收的颜色。在这样的示例中，当沉积时，第一材料在沉积有第一流体试剂(包括第一材料的第一流体试剂)的体素处扩散到构造材料中，这样第一材料的相对电导率与第二材料相比相对较小，其中第二材料当以层的形式施加时(如后面进一步描述的)不会扩散到构造材料中。在这样的示例中，当扩散到第一层(例如图1B中的72)的构造材料中并且用作第一材料时，该材料可以充当熔融剂，而相同的材料当用作第二材料时(通过第二流体试剂被沉积)，可以形成高导电率元件(例如图2A至图3B)。以这种方式，相同的材料可以用作第一材料(在第一流体试剂中)以及用作第二材料(在第二流体试剂中)以实现不同的目的。

如图2B所示，在一些示例中，能量源114用于干燥第二流体试剂64并且加速形成包括第二材料的固体层104的组102的结构。在一些示例中，能量源114包括用于引起第一流体试剂和第一材料熔融的相同能量源55。然而在一些示例中，能量源114包括与能量源55不同的第二能量源，其中能量源114能够优先地和/或专门地向第二选定位置81A、81B选择性地施加能量，以加速干燥第二材料而不需要不必要地加热除第二选定位置81A、81B之外的第一选定位置73。因此，在一些示例中，能量源114可以包括具有发射光谱的发光体，使得在第二选定位置(即形成结构80A、80B的位置)处的光学吸收特性导致在那些位置处的优先加热，而在第一种材料上其他位置处的光学吸收特性导致很少至没有加热。在一些示例中，能量源114可包括气体放电发光体、闪光灯、紫外(UV)灯或LED灯。在一些示例中，能量源114可包括激光。

在干燥每批沉积的第二流体试剂时，第二材料的固体在第二选定位置81A、81B处形成层104。

重复第二流体试剂64的这种分配，直到形成可选数量的第二材料的第二层104。如图2A、图3A至图3B所示，这些第二层104中的每一个具有基本上小于第一层72的高度H1的高度H2。在一些示例中，第二层104的高度H2可以比第一层72的高度H1小至少一个数量级。在一些示例中，高度H1可以是大约80微米到大约100微米，而在一些示例中，高度H2可以是大约3微米，尽管高度H2可以在1微米到10微米之间。

然而，在形成足够(可选)数量的这种第二层104时，形成具有高度H3的第二材料的结构80A、80B，如图3和图4所示。在一些示例中，结构80A的高度H3通常与第一层72的高度H1相同。在一些示例中，该高度H3是体素的高度。在一些示例中，高度H3大于第一材料的第一层72的高度H1。在高度H1包括约80微米至约100微米的示例中，高度H3可以是约至少80微米至约100微米。

以与先前关联至少图1C记录的特征和属性一致的方式，将理解的是，每个结构80A、80B在一些示例中可以与单个体素92对应，并且在其他示例中可以与在xy平面中的体素92的组90对应。

在一些示例中，第二材料可包括导电材料。在一些示例中，结构80A、80B相对于第一材料(例如通常不导电的构造材料)呈现出至少50％的导电材料组成。换句话说，形成结构80A、80B的材料的总体积的50％包括纯导电材料，例如银。在一些示例中，结构80A、80B相对于第一材料呈现出至少75％的导电材料组成。在一些示例中，结构80A、80B相对于第一材料呈现出至少90％的导电材料组成。在一些示例中，相对于墨水载体(即墨水载具)第二流体试剂包含8：1比例的银纳米颗粒墨水。将理解，墨水助溶剂的各种类型和混合物可用作墨水载体。

在一些示例中，第一层72的第一材料可以表现出微小或可忽略的导电性，并且结构80A、80B的电导率可以比第一层72中的第一材料的导电率大至少一个数量级。在一些这样的示例中，结构80A、80B的电导率可以比第一层72的第一材料的电导率大至少两个数量级。

在一些示例中，第一层72中的第一材料和第一流体试剂的复合物包括块体银(bulk silver)的电导率的约1/6000(即0.000167)的电导率。同时，在一些示例中，由第二材料形成的结构80A、80B表现出块体银的导电率的约1/17(0.059)的导电率。在一些示例中，由第二材料形成的结构80A、80B表现出块体银的导电率的约1/10(0.10)10％的导电率。

在一些示例中，设备30包括受控温度环境，在该受控温度环境第一材料、流体试剂、第二材料和/或接收表面42的温度可在第一材料的第一层72、形成第二材料的第二层104等的形成之前、之后、期间保持可选择的范围。在一些示例中，在第一层72的形成期间，分配器58在形成3D物体的熔融或者其他能量施加期间不移入和移出该温度受控环境。在一些示例中，在3D物体的形成期间，接收表面42和其上的任何至少部分地形成的3D物体不移入/移出该温度受控环境。

在一些示例中，受控温度环境包括防止第二材料的打印层104超过干燥的第二材料(例如银纳米颗粒)的熔点(例如约180℃)和低于形成层72的第一构造材料的再结晶点(例如约140℃)。保持这个温度范围，同时进行诸如干燥所分配的第二流体试剂(在下面的熔融层72上的第二流体试剂)以产生第二材料的剩余层104的活动。当然，各种第二材料可以表现出不同的熔点，并且不同的构造材料可以表现出不同的再结晶点。

在一些示例中，设备30可包括惰性大气环境或其他受控大气环境或是其一部分。例如，在其中非金属导电材料用作第一材料或第二材料的一些示例中，大气环境可包括氮大气环境。

在形成结构80A、80B之后，并且如至少图4所示，材料涂覆器50在先前的第一层72的顶部上沉积第一材料涂层作为层134，其中第一材料绕着结构80A、80B流动以围绕结构80A、80B。以这种方式，结构80A、80B有时可以被称为第一材料绕其流动的岛或半岛。如果结构80A、80B的高度(图3A至图3B中的H3)等于或大于层134的高度(H1)，则在结构80A、80B的顶部上将存在很少或没有第一材料。

以这种方式，结构80A、80B在层134中充当替换体素，意思是结构80A、80B的第二材料用于替换否则将由形成层72和层134的其余部分的第一材料形成的体素。

如图5所示，在第二选定位置81A、81B(形成结构80A、80B之处)处重复形成另一第二结构148A、148B时，形成另一第一层144以围绕结构148A、148B使得第二材料的结构148A、148B充当层144中的第一材料的替换体素。

如图5中进一步所示，第二结构80A和148A组合以形成第二材料的单个整体结构150A，并且第二结构80B和148B组合以形成第二材料的单个整体结构150B。在一些示例中，结构150A、150B具有与两个体素高度对应的高度H4。

在一些示例中，由第二材料的第二层104形成的第二结构80A、80B与由第一材料的第一层72、134和144形成的第一结构分离并且独立于该第一结构。然而，将理解，在一些示例中，第二结构80A、80B和层72、134、144的第一结构可以在它们各自形成之后变得至少机械连接。

虽然在以上示例中，每个结构80A、80B、148A、148B被描述为替换相应层134、144的单个体素，但是应当理解，在一些示例中，每个结构80A、80B、148A、148B替换一组相邻的体素。这样，每个结构80A、80B、148A、148B有时可以被称为实现组体素替换。

如稍后在图6中的181处所示，在一些示例中，形成第二结构180A、180B，其具有小于第一层72中的一个的高度H1的高度H5。当第一层72具有与体素的高度相同的高度H1时，则具有高度H5的第二结构180A、180B有时可被称为部分高度体素。在一些示例中，可以以期望的图案采用一系列这样的部分高度体素，以构造沿垂直于电通孔的轴或平面而延伸的导电迹线(trace)，例如稍后在图7B中所示。

图7A是示意性地表示示例3D物体的至少一部分的截面图，该示例3D物体至少包括至少一种第二材料的嵌入结构。在一些示例中，图7A中的至少部分地形成的3D物体200除了包括导电元件202之外，还包括与图5中的3D物体140基本相同的特征中的至少一些。例如，3D物体200包括基本上类似于图5中的结构150A、150B的一对间隔开的单个导电元件210A、210B。在一些示例中，元件210A、210B可以用作电通孔。因此，当导电元件202嵌入第一层204或以其他方式形成在第一层204内时，单个电通孔210A、210B提供到外表面205或另一导电元件202的电子通路。在一些示例中，导电元件202可包括电路或电路部件。例如，在一些示例中，导电元件202可以包括2D印刷电子电路、3D印刷电路板、嵌入式天线、RFID、微机电(MEM)系统、低功率电子设备等。

在一些示例中，相应结构210A、210B的顶表面214可以在3D物体(或3D物体的一部分)的外表面205处暴露或作为3D物体(或3D物体的一部分)的外表面205，以能够作为用于到外部导电部件、电路、器件等的低电阻连接的导电垫使用。

在一些示例中，如图7A中的202所示的导电迹线和/或2D印刷电子电路可采用图7B中所示的形式。

图7B是包括示意性地表示示例3D物体的体素的示例图案的俯视图的图。如图7B所示，至少部分地形成的3D物体232包括第一选定部分234的组233。第一选定部分234与已接收第一流体试剂并通过施加能量而熔融的第一材料层对应。第一选定部分234中的一些包括第二选定部分236(通过交叉影线表示)，其中结构240以本文所述的方式由第二材料形成，例如与至少图1A至图7B以及图8至图10相关。通过附图标记238识别的区域与未接收第一流体试剂且未熔融的第一材料层对应。围绕3D物体232的形状和尺寸的区域238随后与预期的3D物体232分离。

因此，在一些示例中，由第二选定位置236限定的图7B中的结构240与图7A中的至少部分形成的3D物体200中的结构202对应。

图7C是示意性地表示至少部分地形成的示例3D物体300的截面图。在一些示例中，3D物体300包括与结合至少图1A至图7B和图8A至图10描述的3D物体基本相同的特征和属性中的至少一些。如图7C所示，3D物体300包括第一材料(例如构造材料)的第一层72、340。3D物体300还包括以类似于结构150A、150B(图2A至图7A)的方式形成的结构310A、310B。另外，3D物体包括在结构310A的相对端处的结构320A、320B和在结构310B的相对端处的结构320C、320D。

在一些示例中，结构310A、310B可以包括一列电绝缘的第二材料，并且结构320A、320B和320C、320B可以包括导电材料，使得相应的整体结构325A、325B中的每一个包括电容。在这样的示例中，在形成电绝缘结构310A、310B之前，在第一材料的层72的最上层上(通过分配器58经由第二流体试剂)形成第一导电垫320B或320D。以类似于至少图1至图5中所示的方式，电绝缘结构310A、310B然后逐层地(图2A至图3B)形成在第一导电垫320B或320D的顶部上，并伴随第一层340(图4)逐层进行。接下来，在相应的电绝缘结构310A、310B的第二端的顶部上形成相对的第二导电垫320A和320C。暴露的导电垫320A、320C可以电连接到另外的电活性部件，并且第一材料的附加层和/或其他电路部件可以形成为3D物体300的一部分。

图7D是示意性地表示至少部分地形成的示例3D物体330的截面图。在一些示例中，3D物体330包括与结合至少图1A至图7C和图8A至图10描述的3D物体基本相同的特征和属性中的至少一些。然而，在图7D的示例中，结构334大致沿x-y平面延伸，而不是如图7C中的结构310A、310B那样在z轴上延伸。在一些示例中，结构334包括第二材料，该第二材料可以具有与周围的第一材料的第一层72、340的第一材料不同的属性(例如电、机械、磁、光、热和/或其他等)。

类似地，在一些示例中，结构336形成在结构334的相对端，并且结构336也由第二材料制成，该第二材料可具有与用于形成结构334的第二材料相似或不同的属性。例如，继续电活性第二材料的示例，结构334可以包括电绝缘材料，并且结构336可以包括导电材料，使得整个结构350表现电容功能。

已经提供了一些具体示例，其中第二材料包括电活性材料，例如导电材料或电绝缘材料。然而，如上文和其他处所述，3D物体中的第一材料的体素替换有时可以通过表现出至少一种其他属性(例如磁、热，光学等)的第二材料(经由第二流体试剂)来实现，无论第二材料是否表现电活性，如后面结合至少图9进一步描述的那样。

将理解，在一些示例中，替换第一材料的第二材料的各种结构可以在各种角度、构造等在3D物体内延伸，并且不严格限制如图1至图7D所示的取向、尺寸、形状。此外，如本文所述的使用第二材料经由体素替换形成的多个独立结构可以合并到3D物体中，在该3D物体中多个独立结构在3D物体内彼此间隔开并且可以在功能上各自不相关，而所有这些多个独立结构形成同一3D物体的一部分。

在至少一些示例中，增材制造制造过程与设备30(图1A)相关联地执行，而没有减法制造工艺(subtractive manufacturing processes)，例如机械加工、蚀刻等。

在至少一些示例中，增材制造制造过程与设备30(图1A)相关联地执行，而不挤出第一材料以形成第一层72。

在至少一些示例中，增材制造制造过程与设备30(图1A)相关联地执行而没有UV固化。

在至少一些示例中，增材制造制造过程与设备30(图1A)相关联地执行而没有掩模或模板(stencil)。

在至少一些示例中，增材制造制造过程与设备30(图1A)相关联地执行，同时单个分配器用以分配用于形成第一材料层的第一流体试剂并且用以分配包含第二材料的第二流体试剂。

在一些示例中，整个增材地形成的3D物体是实心的，而在一些示例中，仅3D物体的部分是实心的。在一些示例中，整个3D物体或3D物体的部分是中空的，即被形成为一起限定中空内部空间的壁。

图8A是示意性地表示根据本公开的一个示例的控制部分400的框图。在一些示例中，控制部分400提供控制部分的一个示例实现，该控制部分实现和/或管理设备、材料涂覆器、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、参数和/或方法中的任何一个，和/或形成其的一部分、如结合图1A至图7以及图9至图10在整个本公开中所示的那样。

在一些示例中，控制部分400包括控制器402和存储器410。一般而言，控制部分400的控制器402包括至少一个处理器404和相关的存储器。控制器402电耦合到存储器410并与存储器410通信以产生控制信号以指导如贯穿本公开所示的至少一些设备、材料涂覆器、试剂供应、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、参数和/或方法的操作。在一些示例中，这些生成的控制信号包括但不限于采用存储在存储器410中的指令411，以至少以本公开的至少一些示例中描述的方式指导和管理3D物体的增材制造。

响应于或基于经由用户界面(例如图8B中的用户界面420)和/或经由机器可读指令接收的命令，控制器402生成控制信号以实现与本公开的至少一些示例相关的3D物体的增材制造。在一些示例中，控制器402体现在通用计算设备中，而在一些示例中，控制器402被并入或关联于贯穿本公开描述的相关联的设备、材料涂覆器、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、参数和或方法等中的至少一些。

出于本申请的目的，参考控制器402，术语“处理器”应表示当前开发的或未来开发的处理器(或处理资源)，该处理器执行包含在存储器中的机器可读指令的序列。在一些示例中，机器可读指令序列(诸如由控制部分400的存储器410提供的那些指令)的执行，使得处理器执行动作，诸如操作控制器402以实现如本公开的至少一些示例描述的(或与之一致的)3D物体的增材制造。机器可读指令可以从它们在只读存储器(ROM)、大容量存储设备或一些其他持久存储器(例如非暂时有形介质或非易失性有形介质)(由存储器410表示)中存储的位置被加载到随机存取存储器(RAM)中，以由处理器执行。在一些示例中，存储器410包括计算机可读有形介质，该计算机可读有形介质提供可由控制器402的进程执行的机器可读指令的非易失性存储。在其他示例中，可以使用硬连线电路代替机器可读指令或与机器可读指令组合以实现所描述的功能。例如，控制器402可以体现为至少一个专用集成电路(ASIC)的一部分。在至少一些示例中，控制器402不限于硬件电路和机器可读指令的任何特定组合，也不限于由控制器402执行的机器可读指令的任何特定源。

在一些示例中，控制部分400完全在独立设备内实现或由独立设备实现，该独立设备具有与先前结合至少图1A至图9描述的设备30的基本相同的特征和属性中的至少一些。在一些示例中，控制部分400部分地在设备30中实现，并且部分地在与设备30分离且独立于设备30但与设备30通信的计算资源中实现。

在一些示例中，如图8B所示的，控制部分400包括用户界面420和/或与用户界面420通信。在一些示例中，用户界面420包括用户界面或其他显示器，该其他显示器提供如结合图1A至图9描述的设备、材料涂覆器、试剂供应、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、参数和/或方法中的至少一些的同时显示、激活和/或操作。在一些示例中，用户界面420的至少一些部分或方面经由图形用户界面(GUI)提供，并且可以包括显示424和输入422。

图9是示意性地表示根据本公开的一个示例的打印引擎500的框图。在一些示例中，打印引擎500提供适合于设备30的操作的图8A中的控制部分400中的指令411的一个示例实现。在一些示例中，打印引擎500包括与和图8A相关的指令411和/或控制部分400的基本相同的特征和属性中的至少一些。

如图9所示，在一些示例中，打印引擎500包括涂覆器引擎510、分配器引擎520、合成引擎580和/或能量源引擎590。在一些示例中，打印引擎500指导和管理3D物体的增材制造，包括相对于接收表面的涂覆材料和/或分配材料和流体，以增材地形成三维(3D)物体。

一般而言，涂覆器引擎510使得能够选择待沉积的材料，例如将第一材料涂覆到接收表面上和/或部分形成的3D物体的先前形成的层上。

在一些示例中，涂覆器引擎510包括材料参数512。经由材料参数512，打印引擎500指定哪些材料和可用于增材地形成3D物体的主体的这些材料的数量。在一些示例中，这些材料有时可以称为构造材料。在一些示例中，这些材料可以称为第一材料。在一些示例中，这些材料经由设备30的材料涂覆器50沉积(图1A)。

经由涂覆器引擎510的材料参数512控制的材料可以包括具有足够强度、可成形性、韧性等的聚合物、陶瓷等，用于3D物体的预期用途，其中至少一些示例材料结合至少图1A在前文描述。

在一些示例中，分配器引擎520可以指定将哪些试剂被选择性地沉积到先前沉积的材料层上和/或与其他试剂相关联。在一些示例中，这些试剂经由流体分配器58沉积(图1A)。在一些示例中，分配器引擎520包括第一流体试剂功能522和第二流体试剂功能530。

在一些示例中，第一流体试剂功能522控制经由分配器58的第一流体试剂(图1A中的62)的分配，用作在增材制造3D物体中形成构造材料的第一层72(图1A至图7D)的一部分。在一些示例中，第一流体试剂功能522包括熔融参数524、细化参数526和其他参数528。

在一些示例中，熔融参数524控制熔融剂的分配，该熔融剂可以促进所涂覆的第一材料(例如构造材料)熔融成整体结构，而细化参数526控制细化剂的分配以补充所涂覆的构造材料的熔融。在一些示例中，如通过其他参数528控制的，选择性地分配其他试剂或附加试剂。

在一些示例中，第二流体试剂功能530控制第二流体试剂(图1A中的64)的分配。在一些示例中，并且如下面更全面地描述的，第二流体试剂64包括与经由涂覆器引擎510的第一材料参数512控制的第一材料不同的第二材料。

在一些示例中，第二流体试剂功能530包括流体成分参数540，流体成分参数540控制第二流体试剂64的成分。在一些示例中，流体成分参数540包括控制第二流体试剂64中的第二材料的类型的第二材料参数542。例如，第二流体试剂可以包括单个第二材料，或者可以包括每多个参数548的多个不同的第二材料，其中每个不同的第二材料具有不同的特性(例如电、机械)等，如下面进一步描述的。在一些示例中，第二材料可包括与第一材料相同的材料。在一些示例中，第二材料可以包括与先前结合至少图1A至图3B描述的方式的第一材料相同的材料，其中第一材料可以用作熔融剂(并且主要不用作导电材料)并且当作为第二材料分配时主要用作导电元件。

在一些示例中，材料参数542可以相对于所分配的第二流体试剂的总体积而控制固体(544)的组成(546)。因此，这种控制可以间接地确定在所分配的第二流体试剂的总体积中的墨通量(例如流体成分)的体积。

在一些示例中，可以通过电活性属性参数550来控制第二流体试剂的属性。例如，通过参数550，第二流体试剂中的第二材料可以包括导电属性(552)、电绝缘属性(554)或半导电属性(556)。这种材料属性可用于在3D物体内形成各种电路元件。

在一些示例中，可通过机械属性参数560控制第二流体试剂的属性。例如，通过参数560，第二流体试剂中的第二材料可包括强度属性562、硬度属性564和/或触感属性566。将理解，也可以通过机械属性参数560选择和/或控制其他不同的机械属性。因此，参数562、564、566并不专门定义通过机械属性参数560选择和/或控制的机械属性的全部范围。

在一些示例中，第二流体试剂的属性可以通过附加的属性参数来控制，例如磁性参数572、光学参数574、热参数576和其他属性参数578。通过这样的参数，第二流体试剂功能530可以选择和/或控制第二材料表现出各种磁性、光学、热和/或属性的程度。

在一些示例中，第二流体试剂功能530选择或实现所分配的第二材料的单一属性。然而，在一些示例中，通过多属性参数579，第二流体试剂功能530可以为所沉积的第二材料选择或实现多个不同的属性。在一些示例中，可以在任何特定选择的体素处实现多个不同的属性。在一些示例中，仅针对单个体素(或体素组)实现一个可选属性，其他可选属性在其他单个体素(或体素组)处实现。

因此，在一些实例中，经由第二流体试剂分配的第二材料包括至少一种材料，该材料具有除了如前面与至少图1A相关联所述的第一材料的属性之外的属性(例如结构、强度、光学、磁性、硬度、热、电等)的材料。

在一些示例中，经由第二流体试剂功能530可选择的任何一个属性(例如图9中的552、554、556、562、564、566、572、574、576、578)也可以经由第一流体试剂与第一流体功能522的另一参数528相关联来实现和/或也可以已经与通过涂覆器50(图1A)作为第一层(例如72)中之一而沉积的第一材料结合。这种实施方式可以补充在经由分配器58(图1A)的第二流体试剂功能530(图9)沉积的第二材料内实施的各种属性(例如图9中的552、554、556、562、564、566、572、574、576、578)。

将理解，在一些示例中，涂覆器引擎510和分配器引擎520不限于指定与如图9所示的参数(例如552、554、556、562、564、566)相关联的材料类型、试剂等，而是可以指定任何有助于增材地制造3D物体的材料类型、试剂等，其中这种材料类型、试剂等取决于3D物体的尺寸、类型、形状、用途等，并且取决于用于执行3D物体的增材制造的方法的特定类型。

关于通过分配器引擎520可控制的各种流体试剂和/或各种属性，应理解的是，设备30的分配器58(图1A)可配置有相应的单独的储液器、输送通道等，以在3D物体的增材制造期间，能够根据需要选择性地分配这种单独的流体试剂和/或添加剂。类似地，要是第一材料被用于每个涂覆器引擎510的参数512的话，那么每种不同的材料可以包含在单独的储液器中，直到通过涂覆器50(图1A)被沉积。

一般而言，打印引擎500的合成引擎540使够属性的选择，通过该属性所选择的流体试剂经由分配器引擎520被沉积。例如，在一些示例中，合成引擎540包括位置参数542、尺寸参数544、形状参数546、数量参数548和间距参数550。位置参数542可以指定3D物体的各种试剂和/或结构特征所在的位置。例如，位置参数542可以指定着色剂将被沉积以引起材料层的熔融(例如通过熔化、通过烧结等)的位置。同时，尺寸参数544可以指定沉积特定试剂(例如颜色试剂，细化剂等)的区域的尺寸。尺寸可以指定为绝对量或相对量，即相对于未接收特定试剂的周围材料的尺寸或体积的尺寸。

在一些示例中，形状参数546使得能够指定沉积特定试剂的形状，该形状可以是绝对的或相对于3D物体的一般形状。在一些示例中，数量参数548使得能够指定特定试剂沉积在材料层上的位置的数量。在一些示例中，间距参数550使得能够指定沉积特定试剂的多个位置之间的间距。

一般而言，打印引擎500的能量引擎590使得能够指定所沉积的材料和试剂上的各种处理步骤，例如施加能量以引起沉积的材料的熔融等。

在一些示例中，能量引擎590可以控制来自能量源(例如图1A中的55)的能量朝向接收表面42上的材料、试剂等发射(即照射)的时间量。在一些示例中，能量源55可以在单次闪光或多次闪光中照射材料层。在一些示例中，能量源55可以保持静止(即静态)或可以是移动的。在任一种情况下，在这种照射期间，能量引擎590控制照射的强度、辐照量和/或速率。在一些示例中，能量引擎590还以先前结合至少图1A至图2B描述的方式控制第二能量源114(图2B)的操作。

图10是示意性地表示根据本公开的一个示例的制造3D物体的方法的流程图。在一些示例中，方法600经由如先前结合至少图1A至图9所描述设备、材料涂覆器、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、方法等中的至少一些来执行。在一些示例中，方法600通过设备、材料涂覆器、流体分配器、能量源、指令、引擎、功能、方法等中的至少一些来执行，而不是先前结合至少图1A至图9描述的那些。特别是在一些示例中，方法600经由至少一个打印引擎(例如图9中的打印引擎500和/或图8A中的指令411)实现。

如图10所示，在604处，方法600包括通过以下方式形成可选数量的第一层：相对于接收表面涂覆第一材料(在610处)；通过第一分配器，将第一流体试剂分配到所涂覆的第一材料的第一选定位置上(在620处)；并且在至少第一选定位置处引起熔融(在622处)。在630处，方法600包括通过经由第一分配器分配第二流体试剂以形成可选数量的第二材料的第二层而在可选数量的第一选定位置中的每一处形成结构。

尽管本文已说明和描述了特定示例，但在不脱离本公开的范围的情况下，所展示和描述的特定实例可由各种替代和/或等效实施方案来替代。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体示例的任何改变或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (15)

1.一种3D打印机，包括：

涂覆器，用于相对于打印床涂覆第一材料，以形成可选数量的第一层；

分配器，用于将第一流体试剂分配到所述第一材料的所述第一层的第一选定位置上；和

第一能量源，至少在所述第一选定位置处引起熔融，

其中所述分配器用于分配包括第二材料的第二流体试剂，以在所述可选数量的第一层的顶部上的第二选定位置处形成所述第二材料的可选数量的第二层，其中每个第二选定位置包括被熔融的所述第一选定位置中的至少一些。

2.根据权利要求1所述的3D打印机，其中所述可选数量的第二层具有基本上等于一个第一层的高度的第一高度和小于一个第一层的高度的第二高度中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的3D打印机，其中在所述第二选定位置处形成所述第二材料的所述可选数量的第二层之后，所述涂覆器用于在排除所述第二选定位置的所述被熔融的所述第一选定位置处形成所述第一材料的一个层。

4.根据权利要求3所述的3D打印机，重复以下循环：

所述分配器用于分配所述第二流体试剂，以在所述第二选定位置处在先前形成的所述第二材料的顶部上形成所述第二材料的所述可选数量的第二层；并且

涂覆器用于在排除所述第二选定位置的所述被熔融的所述第一选定位置处形成所述第一材料的一个层。

5.根据权利要求1所述的3D打印机，所述分配器用于将所述第二材料分配为第二电活性材料，以在所述第二选定位置处形成第二电活性结构。

6.根据权利要求5所述的3D打印机，所述涂覆器用于涂覆所述第一材料，并且所述分配器用于在所述可选数量的第一层内的可选数量的所述第一选定位置处，分配所述第一流体试剂作为第一电活性材料以形成第一电活性结构，所述第一电活性结构电连接到所述第二电活性结构。

7.根据权利要求1所述的3D打印机，其中所述第二材料的至少一种材料属性不同于所述第一材料的至少一种材料属性，并且其中所述至少一种材料属性包括电属性、机械属性、磁属性、热属性以及光学属性中的至少一个。

8.如权利要求1所述的3D打印机，包括：

第二能量源，用于相对于其他第一选定位置优先将能量施加到所述第二选定位置，以加速干燥所述第二材料而不使所述其他第一选定位置过热。

9.根据权利要求8所述的3D打印机，其中所述分配器用于分配包括光学吸收剂的所述第二流体试剂，以促进由所述第二能量源在所述第二选定位置处施加的能量的优先吸收。

10.一种增材制造设备，包括：

涂覆器；

分配器；

第一能量源；和

包括处理资源的控制器，所述处理资源用于执行存储在非暂时性介质中的机器可读指令以：

通过用以执行以下操作的指令来形成第一材料的可选数量的第一层：通过所述涂覆器相对于接收表面涂覆所述第一材料；通过所述分配器将第一流体试剂分配到所涂覆的第一材料的第一选定体素上；并且施加所述第一能量源以使所涂覆的第一材料在所述第一选定体素处熔融；并且

通过所述分配器分配包括至少一种第二材料的第二流体试剂，以在第二选定体素处形成所述至少一种第二材料的可选数量的第二层，所述第二选定体素包括所述第一选定体素中的一些。

11.根据权利要求10所述的设备，其中每个第二层的高度比每个第一层的高度小至少一个数量级。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述至少一种第二材料包括多种第二材料，其中每种相应的第二材料包括不同于所述第一材料的材料属性的至少一种材料属性，并且其中所述至少一种材料属性包括电属性、机械属性、磁属性、热属性以及光学属性中的至少一个。

13.一种增材制造3D物体的方法，包括：

通过以下方式形成可选数量的第一层：相对于接收表面涂覆第一材料；通过第一分配器将第一流体试剂分配到所涂覆的第一材料的第一选定体素位置上；并且至少在所述第一选定体素位置处引起熔融；

通过经由所述第一分配器分配包括电活性第二材料的第二流体试剂以形成所述电活性第二材料的可选数量的第二层，而在可选数量的所述第一选定体素位置中的每处形成结构。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电活性第二材料包括导电材料、电绝缘材料和半导电材料中的至少一个。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二流体试剂的分配包括：分配所述第二流体试剂以形成每个相应的第二层，所述每个相应的第二层的高度基本上小于每个相应的第一层的高度，并且

其中，所形成的结构具有等于或大于每个相应的第一层的高度的高度。