CN110385851A - 液滴拉伸和挤压打印方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种液滴拉伸和挤压打印方法，其在沉积二维纤维结构的区域周围、内部、或周围和内部形成锚定点。在锚定点之间，喷嘴高速平移，以从喷嘴拉伸、挤压或拉伸和挤压细丝(取决于打印设置)，并构建由锚定部连接的细丝的二维网状物。使用本文描述的方法制造的网状结构显示出优异的结构性能。

Description

液滴拉伸和挤压打印方法
技术领域
本公开描述了新型增材制造方法和使用该方法制造的结构。
背景技术
增材制造(AM)是由此三维零件一次制成一层的一种工艺。在典型的示例中，AM机器将熔融形式的材料沉积到构建平台上。使材料在构建平台上固化以形成零件的层。一旦已完成零件的单层，AM机器或构建板以一层增量移开，并且AM机器继续沉积下一层材料。常见类型的AM工艺被称为熔融沉积成型(FDM)，一种基于挤压的工艺，其从喷嘴中供给实心线材形式的热塑性塑料，并且然后将线材熔化成然后再固化的形状。然而，FDM工艺具有若干限制，包括(1)制造时间较慢，因为喷嘴靠近基底并且热塑性塑料需要时间粘合，(2)挤压细丝的直径大于某些应用所需的直径，(3)不能以足够的精度控制细丝的物理性质，以及(4)需要使用平坦基底，因为喷嘴与基底的靠近可能导致与非平坦基底的碰撞。因此，传统的FDM不能制造具有特别定制性质的更复杂的AM结构。
因此，需要一种增材制造技术，其可以快速制造具有定制性质的更宽范围的结构(例如其中性质在两个维度上被局部定制)。本公开满足了这一需求。
发明内容
本公开描述了一种用于制造结构的方法，包括：(a)从打印头沉积材料，以在基底上的第一位置处形成第一锚定部(anchor)；(b)从打印头沉积材料，以在基底上并与第一位置横向地分离的第二位置处形成第二锚定部；(c)拉伸从第一锚定部延伸到第二锚定部的材料的细丝，包括在基底和打印头之间形成竖直空间、使打印头或基底或打印头和基底相对于彼此横向地移动以将打印头定位在第二位置上方、以及使基底和打印头朝向彼此移动以将细丝连接到第二锚定部；以及(d)重复步骤(a)-(c)，以构造连接多个锚定部的细丝的图案。
形成锚定部和/或拉伸细丝期间的打印条件的例子包括但不限于以下内容。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及控制喷嘴的温度、喷嘴相对于基底的速度、喷嘴在基底上方的高度以及来自喷嘴的材料的流速，以制造在基底上方的不同二维位置处具有不同性质包括不同拉伸强度的细丝。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及使喷嘴或基底或喷嘴和基底相对于彼此移动并控制材料的流速，以形成最小直径在0.25mm至2.0mm的范围内的锚定部。在一个或多个示例中，细丝直径在锚定部的最小直径的1.5-35％的范围内。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及使喷嘴或基底或喷嘴和基底二者相对于彼此移动，将材料的流速控制在0.045-0.5克/分钟(g/m)的范围内，将喷嘴相对于基底的速度控制在1至310mm/秒的范围内，将喷嘴在基底上方的高度控制在0.2-5毫米(mm)的范围内，以形成直径在30-450微米的范围内的细丝。在一个或多个其他示例中，细丝的细丝直径在80-200微米的范围内。
将喷嘴定位在基底上方在2-5mm的范围内的高度处，以形成细丝直径在锚定部的最小直径的1.5-62％的范围内的细丝。
使喷嘴相对于基底以在50至300mm/秒的范围内的速度移动。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及将喷嘴定位在基底上方在2-5mm的范围内的高度处，以拉伸细丝直径在喷嘴的直径的7-100％的范围内的细丝。在一个或多个示例中，喷嘴的直径在0.2-0.5mm的范围内。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及使喷嘴或基底或喷嘴和基底二者相对于彼此在基底上方在2至5mm的范围内的高度处横向地移动。在一个或多个示例中，形成锚定部期间的喷嘴的高度在0.1mm-0.4mm的范围内。在一个或多个其他示例中，横向地拉伸细丝时的高度在4至5mm的范围内，并且形成锚定部期间的喷嘴的高度在0.2mm-0.4mm的范围内。
从喷嘴供给热塑性塑料并使用喷嘴在热塑性塑料的熔点以上30至70℃的温度下拉伸细丝。在一个或多个示例中，温度在熔点以上30至50℃。
从喷嘴以在0.045-0.5克/分钟(g/m)的范围内的流速供给用于锚定部和细丝的材料。在一个或多个示例中，流速在0.045g/min至0.1g/min的范围内。
从喷嘴供给用于锚定部和细丝的材料；以及使喷嘴或基底或喷嘴和基底二者相对于彼此移动，控制喷嘴相对于基底的速度，控制喷嘴的温度，并且控制来自喷嘴的材料的流速，以制造包括设置成网的细丝的图案。
本公开还描述了一种结构，包括位于基底上的多个锚定部；以及由互连的细丝构成的二维网状物，该细丝包括在锚定部(116a，116c)之间拉伸的材料，其中锚的最小直径在0.25mm至2.0mm的范围内，细丝的直径在30-400微米的范围内，细丝的高度在基底上方2至5mm的范围内，并且二维网状物的最大长度在5cm至10米的范围内。
在一个或多个示例中，二维网状物是粘合剂或机械联锁装置、或用于增强复合材料的(例如热塑性)面纱。在一个或多个示例中，互连网状物包括网，该网包括设置成形成嵌套环的多个细丝和设置成径向地连接嵌套环的多个细丝。
附图说明
现在参考附图，其中相同的附图标记始终代表相应的部件：
图1A和1B示出了用于制造本文所述复合制品的示例性DD/E打印机。
图2A是示出使用DD/E技术制造结构的方法的流程图。
图2B示出了液滴拉伸/挤压(Drop&Draw/Extrude，DDE)3D打印过程，其中(I)锚定部被放置在基底上，(II)打印头和构建平台在竖直运动中分离，在喷嘴和基底之间形成间隙，(III)打印头高速平移，将细热塑性塑料条随之拖拉到下一个锚定点上方的位置，以及(IV)在另一个竖直运动中，喷嘴返回到基底，(V)且然后沉积下一个锚定部，在此该过程再次开始。
图2C示出了根据一个或多个示例的盒中的三维(3D)打印。
图2D示出了根据一个或多个示例的大规模3D打印。
图3示出了使用示例性DD/E方法在打印设置范围内打印的热塑性细丝的拉伸强度的变化。
图4示出了使用示例性DD/E方法在打印设置范围内打印的热塑性细丝的工程应变的变化。
图5示出了根据ASTM E1640使用动态机械分析标准测试方法作为喷嘴温度的函数的细丝的储能模量，其中绘制的结果基于作为温度的函数的储能模量和损耗模量之间的差异来计算。绘制的tanδ中的峰值被识别为测试材料系统的玻璃化温度的指示。
图6A示出了使用DD/E方法作为打印速度的函数的细丝直径。
图6B示出了作为使用DD/E方法作为喷嘴的实际平移速度的函数的细丝直径，作为以每分钟转数(RPM)表示的细丝进给速率的函数，显示了测量数据(实验)以及实验结果模型的结果(模型)。
图6C-6E示出了使用DD/E方法控制细丝直径，其中图6C和6D是根据一个或多个实施例制造的细丝的不同放大扫描电子显微镜图像，并且图6E是根据本文描述的一个或多个方法制造的细丝的光学图像。
图6F示出了DD/E方法如何控制作为x-y平面中的位置的函数的细丝的方向、细丝的间距、细丝直径和空中重量(aerial weight)。图6F显示了三种设计、3种纤维直径和9种面积重量(areal weight)变化的制造。
图7A-7C示出了使用DD/E方法打印的面纱层间架构，显示了受控的细丝直径、受控的细丝的方向和位置，其中图7B是显示边缘周围的锚定点的放大视图，并且图7C显示了当喷嘴和基底之间存在空间时从DD/E工艺产生的区域。
图8A-8D示出了使用DD/E方法制造的网状架构，其中图8B是图8A的放大视图，图8C是示出径向布置的细丝和呈环形布置的细丝之间的接合部的放大视图。
图9A-9D示出了与具有图9E所示结构的传统面纱相比，包括本文所述网状面纱的复合材料在270英寸-磅冲击下的性能，其中图9A和9B示出了根据本发明的实施例制造的增材制造的尼龙网状面纱对复合材料的冲击，图9B和9D示出了没有网状面纱但具有如图9E所示的非织造织物面纱对复合材料的冲击。
图10示出了使用本文描述的网状设计可实现的目标性质。
图11是根据本公开的实施例的用于控制DD/E机器的示例性计算机硬件环境。
具体实施方式
在下面的描述中，参考了附图，这些附图形成描述的一部分，并且通过示例的方式示出了几个实施例。可以理解，可以使用其它实施例并且可以做出结构上的改变而不背离本公开的范围。
本公开描述了一种增材制造技术，其被称为液滴拉伸挤压(DD/E)，能够更好地控制从增材制造(AM)机器中拉伸和/或挤压的增材沉积细丝。
图1A和1B示出了示例性增材沉积机器100，其包括打印头102、挤压机104、进料机106和喷嘴108，以用于将材料(例如细丝110)供给至构建平台或打印床114上的基底112上。在一个或多个示例中，机器100为台式熔融沉积成型(FDM)3D打印机。图1A进一步示出了沉积在基底112上的锚定点或锚定部116a、116c，该锚定点或锚定部116a、116c位于待沉积二维纤维架构的区域周围、内部、或者周围和内部。
机器100可以拖动和拉伸从基底112上的第一位置116b处的第一锚定部116a延伸到基底112上的第二位置116d处的第二锚定部116c的材料124的细丝，其通过以下方式实现：在第一锚定部116a的第一位置116b上方的基板112和打印头102之间形成竖直空间118，使打印头102或基底112或打印头102和基底112二者相对于彼此横向地移动(在x-y平面120中)，以将打印头102定位在第二位置116d上方并在第一位置116b和第二位置116d之间拖动和拉伸细丝，以及使基板112和打印头102在竖直方向122上朝向彼此移动，以将细丝连接到第二锚定部116c。材料124可以从一个锚定点反复地拖动到另一个锚定点以形成材料124的图案，并且竖直空间和横向平移可以通过移动喷嘴108和/或打印床114来实现。
在一个或多个示例中，锚定部116a，116c被定义为细丝600，110的基底、基础和/或源，其为细丝600，110提供材料124和/或为细丝600，110提供一旦细丝600形成时所粘附的东西。
图2A是示出例如使用图1A和1B所示的AM机器在基底112上增材制造结构的工艺的流程图。锚定点可以在锚定点与细丝600连接之前或之后形成。示例性基底包括但不限于纤维基底，该纤维基底包括由选自玻璃纤维、凯夫拉尔纤维和碳中的至少一种材料124制成的纤维束。在一个或多个示例中，纤维束被编织，例如以形成纤维垫。在其它实施例中，基底包括具有规则狭缝的单向带(包括其间具有间隙的平行丝束)、编织物(例如缝合织物)或多轴向加强件。
框200表示在基底112的表面上形成(例如打印)锚定部(例如第一锚定部116a或锚定点)。在一个或多个示例中，锚定部116a，116c被定义为细丝600，110的基底、基础和/或源，其为细丝600，110提供材料124和/或为细丝600，110提供一旦细丝600形成时所粘附的东西。在一个或多个示例中，使用图1A和1B或图2B(I)所示的机器，材料124从出口(例如喷嘴108)沉积到基底上。材料124的示例包括选自聚合物(例如尼龙、聚醚酮酮(PEKK)、聚芳醚酮(PEK)、聚酰亚胺)、碳、碳纳米管、粘土改性剂、热塑性塑料(例如热塑性聚合物)、混合热塑性塑料和金属的至少一种材料124。
框202表示在基底和出口(例如喷嘴108)之间形成空间。在典型的示例中，喷嘴向上平移或者基底向下平移。例如，在喷嘴108将锚定部116a直接沉积到基底的表面上之后，构建平台从喷嘴108落下(或喷嘴108从基底向上或竖直平移)，在基底和喷嘴108之间形成大的空间，同时从喷嘴108挤压/拉伸细丝，如图2B(II)所示。在一个或多个示例中，喷嘴108拉动材料滴，同时还供应更多的材料124以将材料变细成细丝或线丝。
框204表示使出口(例如喷嘴108)或基底112或者出口和基底112二者相对于彼此横向和/或竖直地(例如水平和/或竖直或同时水平和竖直地)移动，以将出口定位在基底上的第二位置116d上方。在一个或多个示例中，该步骤包括移动基底112和/或打印头102，以在从出口拉伸/挤压细丝的同时，在半空中平移打印头102(即喷嘴108和基底112之间具有竖直空间)。例如，如图2B(III)所示，通过这种移动，在半空中(喷嘴108和基底112之间有竖直空间)形成一串薄沉积。在一个或多个示例中，平移期间的竖直移动在喷嘴和基底之间形成增大的空间。
框206表示使出口和/或基底112停止，以将出口定位在基底112上方的下一位置(例如第二位置116d)。
框208表示在下一锚定点(例如第二锚定部116c)的下一地点/位置处再次一起移动出口和/或基底，例如，如图2B(IV)所示。
框210表示重复至少框200，以在基底上在下一位置处形成第二锚定部116c，例如，如图2B(V)所示。
步骤200-210可以依次重复多次以形成多个锚定点，并且在出口拉伸或拉动从一个锚定部延伸到另一个锚定部的细丝时，将材料从一个锚定部铺设到另一个锚定部。以这种方式，构造包括连接锚定点的细丝600的二维结构或架构。
该工艺可以控制单个平面/曲面中架构的形状和尺寸，而不是形成厚的“3D”物体。在各种示例中，架构或图案700c可以沉积在移动的“辊”装置上，或者直接沉积在加强件上。
图2C示出了在盒250中的平坦打印床上的热塑性架构的形成。然而，这里描述的DD/E方法也可以在“打印盒”之外实现，例如，使用如图2D所示的连接到机器人末端执行器的挤压头。
此外，对工艺参数和输入(喷嘴速度、喷嘴位置、喷嘴温度和/或来自喷嘴的材料流速)的控制使得能够同时和/或独立控制细丝600的直径(可以通过根据如下所述的幂次定律沉积材料来在给定位置进行控制)。在各种实例中，细丝的直径由喷嘴相对于基底的速度和/或材料量/进给速率来控制。拖动材料的动作控制细丝直径的厚度(例如拖动材料使材料变薄)。薄细丝可以坚固但轻质。在一个或多个实施例中，通过减小直径，材料(例如热塑性塑料)含量被最小化，以减轻重量同时保持阈值强度。
细丝600的方向(由喷嘴在x-y平面内的移动控制)；
细丝600的位置；
细丝600的材料性质。在一个或多个示例中，细丝的表面形态由喷嘴相对于基底的速度、喷嘴的温度、水分含量(蒸汽在材料上产生气泡和粗糙度)和/或喷嘴的位置控制。
使用同一AM机器的同一制造步骤(同一步骤中的多个架构)中的纤维架构(例如贯穿同一层间区域)的变化。例如，细丝600的方向、细丝600的间距、细丝直径和空中重量可以作为x-y平面中的位置的函数而变化。
在一个或多个实施例中，在两个“锚定点”之间高速拉伸(例如热塑性)细丝600的直段减小了细丝直径，使用更少的材料，在局部基础上提供对热塑性材料性能的扩展控制，并提高了制造速度。
形成锚定部和/或拉伸细丝期间的打印条件的例子包括但不限于以下内容。
1.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及控制喷嘴108的温度、喷嘴108相对于基底112的速度、喷嘴在基底1120上方的高度、以及来自喷嘴108的材料124的流速，以制造在基底112上方的不同二维位置116b，116d处具有不同性质包括不同拉伸强度的细丝600。
2.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及使喷嘴108或基底112或喷嘴108和基底112相对于彼此/彼此移动并控制材料124的流速，以形成最小直径在0.25mm至2.0mm的范围内的锚定部116a，116c。在一个或多个示例中，细丝直径在锚定部116a，116c的最小直径的1.5-35％的范围内。
3.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及使喷嘴108或基底112或喷嘴108和基底112二者相对于彼此/彼此移动，将材料124的流速控制在0.045-0.5克/分钟(g/m)范围内，将喷嘴108相对于基底112的速度控制在1至310mm/秒的范围内，将喷嘴108在基底112上方的高度控制在0.2-5mm的范围内，以形成直径在30-450微米的范围内的细丝600。在一个或多个其他示例中，细丝600的细丝直径在80-200微米之间的范围内。
4.将喷嘴108定位在基底112上方在2-5mm的范围内的高度处，以形成细丝直径在锚定部116a，116c的最小直径的1.5-62％的范围内的细丝600。
5.使喷嘴108相对于基底112以在50至300mm/秒的范围内的速度移动。
6.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及将喷嘴108定位在基底112上方在2-5mm的范围内的高度处，以拉伸细丝直径在喷嘴108的直径的7-100％的范围内的细丝600。在一个或多个示例中，喷嘴的直径在0.2-0.5mm的范围内。
7.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及使喷嘴108或基底112或喷嘴108和基底112二者相对于彼此/彼此在基底112上方在从2至5mm的范围内的高度处横向地移动。在一个或多个示例中，形成锚定部116a，116c期间的喷嘴108的高度在0.1mm-0.4mm的范围内。在一个或多个其他示例中，横向拉伸细丝600时的高度在4-5mm的范围内，并且形成锚定部116a，116c期间的喷嘴108的高度在0.2mm-0.4mm的范围内。
8.从喷嘴108供给包含热塑性塑料的材料124，并使用喷嘴108在热塑性塑料的熔点以上30至70℃的温度下拉伸细丝600。在一个或多个示例中，温度在熔点以上30至50℃。
9.从喷嘴108以在0.045-0.5克/分钟(g/m)的范围内的流速供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124。在一个或多个示例中，流速在0.045g/min-0.1g/min的范围内。
10.从喷嘴108供给用于锚定部116a，116c和细丝600的材料124；以及使喷嘴108或基底112或喷嘴108和基底112二者相对于彼此/彼此移动，控制喷嘴108相对于基底112的速度，控制喷嘴108的温度，并控制来自喷嘴108的材料124的流速，以制造包括设置成网的细丝600的图案。
图3、4和5示出了增材制造沉积条件(喷嘴温度)如何改变和/或控制细丝的材料性质。拉伸强度和工程应变的变化已作为示例包括在内，然而，通过控制有影响的打印机输入(例如进给速率、热塑性塑料流速和喷嘴温度)，其他材料性质也可以通过增材制造工艺来控制。
图6A描绘了作为打印速度和喷嘴温度的函数的纤维直径。已发现，细丝600的直径D是材料124进出喷嘴108的流速(Frate)、材料在重力作用下从挤压机104流入喷嘴中的渗出速率或流速(mseep)以及使喷嘴从基板上方的一点(例如第一位置116b)移动到另一点(例如第二位置116d)所花费的时间(tdelay)的函数。幂次定律方程是使用经验数据和基于物理的关系生成的，并涉及如何控制细丝直径作为挤压温度、打印头平移速度(mm/sec)和热塑性塑料流速(g/min)的函数。
图6B-6D是通过使打印头更远离和/或通过改变打印头速度来确认如何制造更细的细丝线的结果。在一个或多个实施例中，打印头速度与连接到打印头的喷嘴108的速度相同。
打印参数的控制有助于生产高性能夹层技术，其包括具有用于特定系统应用的定制性质的层压复合材料。传统的组装技术只能在关于整个架构的单一设置下进行处理，因此不能如本文所述的示例性实施例所提供的那样在逐个位置的基础上改变材料性质。图6E示出了DD/E方法如何控制作为x-y平面中的位置的函数的细丝的方向、细丝的间距、细丝直径和空中重量(在区域A中，细丝直径为0.04mm，在区域B中，细丝直径为0.03mm)。
图7A示出了使用图2A所示的方法制造的结构700。结构700包括位于基底112上的多个锚定部116a，116c；以及由互连的细丝600构成的二维网状物702，其包括在锚定部116a，116c之间拉伸的热塑性塑料。锚定部的示例尺寸包括在0.25mm至2.0mm范围内的最小直径D2。关于细丝600的示例尺寸包括在30-400微米的范围内的直径D。细丝的示例长度L包括在5cm至10米的范围内的长度(例如，使得二维网状物具有在5cm至10米的范围内的直径、宽度W或长度L)。
图7A-7C所示的结构700是用于在层压复合材料系统(面纱增韧复合材料)中实施的面纱700b层间架构。在典型实例中，增韧复合材料包括在碳纤维垫和二维结构之间交替的多个交替层。如本文所述，DD/E方法的实施例在用于层间增韧技术的架构的设计中提供了更大的灵活性，包括但不限于对细丝的方向、细丝的直径和细丝的位置的控制。
这里描述的方法还允许在相同的制造步骤中多个架构存在于相同的层间区域中(例如架构可以在逐个位置的基础上改变)。图8A、8B、8C和8D示出了一个示例，其中结构700包括网800，网800包括设置成嵌套环802以及在径向上以连接环802的细丝600。根据需要，径向布置的细丝804的位置、网格宽度806(见图8D)、细丝直径D(例如在7-150微米的范围内)、网半径808、面积重量(例如在1.5-2.5gsm的范围内)、细丝的表面形态都可以在二维平面中局部变化。在一个或多个实施例中，网被设计成模仿蜘蛛网的性能。
图9A-9D示出了增韧复合材料的性能，其中面纱层包括本文所示的网架构。数据显示，冲击损伤区域900的长度和面积的减小大于30％，球形裂纹得到抑制，270英寸磅冲击下的凹痕深度在0.014至0.016英寸的范围内，以及270英寸磅冲击下撞击CAI后的压缩为30ksi(相比于如图9E所示的面纱层包括随机布置的纤维的控制装置，为25ksi)。
图10显示本文所述的基于蜘蛛的网结构表现得至少与纳米纤维夹层一样好。
二维纤维架构的应用不限于面纱或增韧架构。在其它示例中，二维结构用作粘合剂或机械联锁装置。在一个示例中，粘合剂包括一个包括细丝的二维网状物的表面和另一个包括钩子的表面，其中当钩子钩住细丝时，这些表面粘附。
传统FDM通过将一层热塑性塑料沉积在另一层上(逐层)来制造3D零件。然而，与本文所描述的示例性液滴拉伸挤压方法相比，该方法具有以下缺点：
(1)FDM慢——因为喷嘴靠近前一层，且热塑性塑料需要时间粘合到前一层，所以进给速率(喷嘴平移的速度)比使用示例性DD/E方法可实现的慢。
(2)使用FDM生产的细丝的直径大于使用示例性DD/E方法可实现的直径。此外，与常规FDM相比，本文描述的DD/E方法能够产生更大范围的可重复热塑性细丝直径。
(3)传统FDM在平坦的基底上进行，以避免喷嘴与基底的碰撞，这种碰撞可能发生在弯曲的或非平坦的基底上(导致打印失败)。另一方面，说明性的DD/E方法能够沉积在非平坦的(例如弯曲的)基底上，因为DD/E工艺不会将材料直接沉积在前一层的顶部上；而是，只有锚定点形成在基底上，并且当从喷嘴拉伸/挤压细丝时，基底和喷嘴之间有大的空间。结果，喷嘴可以以更高的速度平移，而没有与基底碰撞的风险。喷嘴和基底之间的更大空间也降低了在基底和二维打印架构之间打印头碰撞的可能性，提高了工艺的可靠性和成功率。
(4)成批运行的大型传统工业设备只能产生单一的不变的大面积架构。它们的主要缺点是，不能在逐个位置的基础上改变架构的方向、直径、形状和物理性质，这可以通过使用本文描述的示例性DD/E方法来实现。
图11示出了用于实现控制本文描述的AM机器所需的处理元件的示例性系统1100。
计算机1102包括处理器1104(通用处理器1104A和专用处理器1104B)和存储器(例如随机存取存储器(RAM)1106)。通常，计算机1102在存储在存储器1106中的操作系统1108的控制下操作，并与用户/其他计算机相连接以接受输入和命令(例如模拟或数字信号)，并通过输入/输出(I/O)模块1110呈现结果。计算机程序应用1112访问和操作存储在计算机1102的存储器1106中的数据。操作系统1108和计算机程序1112由指令组成，当由计算机1102读取和执行时，这些指令使得计算机1102执行本文描述的操作。在一个实施例中，实现操作系统1108和计算机程序1112的指令有形地体现在存储器1106中，从而使得一个或多个计算机程序产品或制品能够根据正在制造的结构的设计来控制AM工艺参数，所述AM工艺参数包括但不限于细丝进给速率和喷嘴温度、速度和位置。因此，这里使用的术语“制品”、“程序储存装置”和“计算机程序产品”旨在包括可从任何计算机可读设备或介质访问的计算机程序。在一个或多个示例中，计算机程序以数控编程语言实现。
条款1.一种用于制造结构的方法，包括：
(a)从打印头(102)沉积材料(124)，以在基底(112)上的第一位置(116b)处形成第一锚定部(116a)；
(b)从打印头(102)沉积材料(124)，以在基底上并与第一位置(116b)横向地分离的第二位置(116d)处形成第二锚定部(116c)；以及
(c)拉伸从第一锚定部(116a)延伸到第二锚定部(116c)的材料(124)的细丝(600)，包括在基底(112)和打印头(102)之间形成竖直空间、使打印头(102)或基底(112)或打印头(102)和基底(112)二者相对于彼此横向地移动以将打印头(102)定位在第二位置(116d)上方、以及使基底(112)和打印头(102)朝向彼此移动以将细丝(600)连接到第二锚定部(116c)；以及
(d)重复步骤(a)-(c)，以构造连接多个锚定部(116a，116c)的细丝(600)的图案(700c)。
条款2.根据条款1的方法，其中细丝(600)具有的细丝直径在80-200微米的范围内。
条款3.根据条款1的方法，其中细丝直径在锚定部(116a，116c)的最小直径的1.5-35％的范围内。
条款4.根据条款1的方法，其中拉伸包括使喷嘴(108)相对于基底(112)以50至300mm/秒的速度移动。
条款5.根据条款1的方法，其中喷嘴的直径在0.2-0.5mm的范围内。
条款6.根据条款1的方法，其中温度在熔点以上30至50℃。
条款7.根据条款1的方法，其中流速在0.045g/min-0.1g/min的范围内。
本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对该配置进行许多修改。例如，本领域技术人员将认识到，可以使用上述组件的任何组合，或者任何数量的不同组件、外围设备和其他设备。
这总结了对本公开的优选实施例的描述。出于说明和描述的目的，已给出了优选实施例的上述描述。这并非旨在穷举或将公开内容限制为公开的精确形式。根据上述教导可以做出许多修改和变型。应当指出，权利范围不是由上述详细描述限定，而是由权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种用于制造结构的方法，包括：
步骤(a)：从打印头(102)沉积材料(124)，以在基底(112)上的第一位置(116b)处形成第一锚定部(116a)；
步骤(b)：从所述打印头(102)沉积所述材料(124)，以在所述基底上并与所述第一位置(116b)横向地分离的第二位置(116d)处形成第二锚定部(116c)；以及
步骤(c)：拉伸从所述第一锚定部(116a)延伸到所述第二锚定部(116c)的所述材料(124)的细丝(600)，包括在所述基底(112)和所述打印头(102)之间形成竖直空间、使所述打印头(102)或所述基底(112)或所述打印头(102)和所述基底(112)二者相对于彼此横向地移动以将所述打印头(102)定位在所述第二位置(116d)上方、以及使所述基底(112)和所述打印头(102)朝向彼此移动以将所述细丝(600)连接到所述第二锚定部(116c)；以及
步骤(d)：重复步骤(a)-(c)，以构造连接多个锚定部(116a，116c)的所述细丝(600)的图案(700c)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成和/或拉伸包括：
从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；以及
控制所述喷嘴(108)的温度、所述喷嘴(108)相对于所述基底(112)的速度、所述喷嘴的高度(H)以及来自所述喷嘴(108)的所述材料(124)的流速，以制造在所述基底(112)上方的不同二维位置(116b，116d)处具有不同性质包括不同拉伸强度的细丝(600)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成和/或拉伸包括：
从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；以及
使所述喷嘴(108)或所述基底(112)或所述喷嘴(108)和所述基底(112)二者相对于彼此移动并控制所述材料(124)的流速，以形成具有的最小直径在0.25mm至2.0mm的范围内的所述锚定部(116a，116c)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成和/或拉伸包括：
从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；以及
使所述喷嘴(108)或所述基底(112)或所述喷嘴(108)和所述基底(112)相对于彼此移动，将所述材料(124)的流速控制在0.045g/m-0.5g/m的范围内，将所述喷嘴(108)相对于所述基底(112)的速度控制在1mm/秒至310mm/秒的范围内，将所述喷嘴(108)在所述基底(112)上方的高度控制在0.2mm-5mm的范围内，以形成具有的直径在30微米-450微米的范围内的细丝(600)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括将喷嘴(108)定位在所述基底(112)上方在2mm-5mm的范围内的高度处，以形成具有的细丝直径在所述锚定部(116a，116c)的最小直径的1.5％-62％的范围内的细丝(600)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；以及
将所述喷嘴(108)定位在所述基底(112)上方在2mm-5mm的范围内的高度处，以拉伸具有的细丝直径在所述喷嘴(108)的直径的7％-100％的范围内的细丝(600)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
形成包括从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；并且
拉伸包括使所述喷嘴(108)或所述基底(112)或所述喷嘴(108)和所述基底(112)二者相对于彼此在所述基底(112)上方在2mm至5mm的范围内的高度处横向地移动，并且
形成所述锚定部(116a，116c)期间的所述喷嘴(108)的高度在0.1mm-0.4mm的范围内。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，横向地拉伸所述细丝(600)时的高度在4mm至5mm的范围内，并且形成所述锚定部(116a，116c)期间的所述喷嘴(108)的高度在0.2mm-0.4mm的范围内。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成包括从喷嘴(108)供给包含热塑性塑料的所述材料(124)并使用所述喷嘴(108)在所述热塑性塑料的熔点以上30℃至70℃的温度下拉伸所述细丝(600)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成包括从喷嘴(108)以0.045g/m-0.5g/m的流速供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成包括：
从喷嘴(108)供给用于所述锚定部(116a，116c)和所述细丝(600)的材料(124)；以及
使所述喷嘴(108)或所述基底(112)或所述喷嘴(108)和所述基底(112)二者相对于彼此移动，控制所述喷嘴(108)相对于所述基底(112)的速度，控制所述喷嘴(108)的温度，并且控制来自所述喷嘴(108)的所述材料(124)的流速，以制造包括设置成网的所述细丝(600)的所述图案。
12.一种结构(700)，包括：
位于基底(112)上的多个锚定部(116a，116c)；以及
由互连的细丝(600)构成的二维网状物(702)，包括在所述锚定部(116a，116c)之间拉伸的材料(124)，其中：
所述锚定部(116a，116c)具有的最小直径在0.25mm至2.0mm的范围内，
所述细丝(600)具有的直径在30微米-400微米的范围内，
所述细丝(600)具有的高度在所述基底(112)上方2mm至5mm的范围内，并且
所述二维网状物(702)具有的最大长度在5cm至10米的范围内。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，所述二维网状物(702)为粘合剂或机械联锁装置。
14.根据权利要求12或13所述的结构，其中，所述二维网状物包括热塑性面纱(700b)，所述热塑性面纱包括包含用于增强复合材料的热塑性材料的细丝(600)。
15.根据权利要求12或13所述的结构，其中，所述二维网状物(702)包括网(800)，所述网包括设置为形成嵌套环(802)的多个细丝(600)和设置成径向地连接所述嵌套环(802)的多个细丝(600)。
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