CN110573321B - 压印的3d打印结构、打印方法、3d物品和具有3d物品的照明系统 - Google Patents

压印的3d打印结构、打印方法、3d物品和具有3d物品的照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于对3D物品(1)进行3D打印的方法，该方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料(201)，以提供包括3D打印材料(202)的3D物品(1)，其中打印阶段包括：对第一3D可打印材料(201a)进行3D打印以提供第一3D打印材料(202a)，第一3D可打印材料(201a)包括可交联材料；利用工具(630)在第一3D打印材料(202a)中创建浮雕结构(610)；以及对第二3D可打印材料(201b)进行3D打印以提供第二3D打印材料(202b)，以提供(i)3D打印材料(202)的堆叠(620)，3D打印材料(202)包括第一3D打印材料和(ii)第二3D打印材料(202b)，第一3D打印材料包括浮雕结构(610)，其中该方法还包括：在沉积第二3D可打印材料(202b)之前，使包括浮雕结构(610)的第一3D打印材料(202a)的至少一部分交联。

Description

压印的3D打印结构、打印方法、3D物品和具有3D物品的照明 系统
技术领域
本发明涉及一种用于通过熔融沉积成型来制造3D(打印)物品的方法。本发明还涉及利用这种方法可获得的3D(打印)物品。另外，本发明涉及一种包括这种3D(打印)物品的照明系统。
背景技术
在未来的10至20年内，数字制造将越来越多地改变全球制造业的本质。数字制造的其中一个方面是3D打印。当前，已经发展了许多不同的技术，以便使用诸如陶瓷、金属和聚合物等各种材料来生产各种3D打印物体。3D打印还可以被用于生产模具，该模具然后可以被用于复制物体。
最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。FDM是通常被用于成型、原型制作和生产应用的增材制造技术。 WO2016083181公开了一种通过FDM制造3D制品的方法。
FDM遵循的“增材”原理是通过分层放置材料；将塑料长丝或金属线从线圈上展开，并且供应材料以生产部件。可能的是，(例如，针对热塑性塑料)在被放置之前，长丝被熔融和挤压。FDM是快速原型技术。FDM的其他术语是“熔融长丝制造(FFF)”或“长丝3D打印”(FDP)，它们被认为等同于FDM。通常，FDM打印机使用热塑性长丝，将该热塑性长丝被加热到其熔点，然后被逐层(实际上是长丝接长丝地)挤出以创建三维物体。FDM打印机相对较快，并且可以被用于打印复杂的3D物体。
具有3D打印的微结构化是本领域已知的。例如，US20160096318 描述了一种3D打印机系统，该3D打印机系统允许打印3D物体，使得每个部分或物体元件被构造或被设计为具有用户定义的或用户选择的材料参数，诸如，变化的弹性变形。3D打印机系统存储微结构或单元的库，该微结构或单元分别被定义和设计为提供期望的材料参数，并且可以在3D打印期间组合以提供具有该材料参数的打印的3D 物体的一部分或元件。例如，在其臂部中使用不同于其主体的微结构来打印小玩意(toy)或小雕像，以允许臂部具有不同于主体的第一弹性(或柔软性)，利用提供第二弹性的微结构打印该主体。使用微结构允许3D打印机系统进行操作以更改使用单一材料所打印的3D物体的有效变形行为。
用于通过熔融沉积成型制造3D物品的已知方法不容易(或根本不允许)形成非常尖锐的结构，诸如，(亚)微米范围内的微结构，而对于特定应用来说可能需要这种结构。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于通过熔融沉积成型制造3D 物品的方法，该方法至少部分地消除了上述缺点。为了实现上述目的，可以使用压印技术。然而，由于FDM使用熔融来粘附后续层，所以在打印后续层期间压印的层会被破坏。为此，除其他外，建议采用可以示出良好粘附但是也能够被交联或保护的层，使得压印的层不被破坏。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种用于通过熔融沉积成型对3D物品(“物品”或“3D打印物品”)进行3D打印的方法，该方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料，以提供包括3D打印材料的3D物品，其中该打印阶段包括：对第一3D可打印材料进行3D 打印以提供第一3D打印材料，该第一3D可打印材料包括：可交联材料；在第一3D打印材料中创建浮雕结构(或“结构”)，特别是利用工具；以及对第二3D可打印材料进行3D打印以提供第二3D打印材料，以提供(i)3D打印材料的堆叠：，该3D打印材料包括第一3D 打印材料和(ii)第二3D打印材料，第一3D打印材料包括浮雕结构。该方法还包括：在沉积第二3D可打印材料之前，使包括浮雕结构的第一3D打印材料的至少一部分交联。
利用这种方法，可以在3D打印材料中引入微结构(和/或纳米结构)，微结构(和/或纳米结构)是永久的，并且这种微结构可能基本上不受3D可打印材料在具有(微)结构的3D打印材料上进一步沉积的影响。因此，3D可打印材料可以(也)使其形状符合该结构(或“浮雕结构”)。这允许生成用于防止或检测伪造、用于指示(不可见的)商标、用于引入技术结构(诸如，通道)等以及例如用于生成光学结构(比如，光栅、衍射元件等)等的结构。例如，该结构可以是折射结构(例如，微透镜)、微透镜阵列、金字塔结构、锯齿结构、衍射光栅、光子结构等。该结构可以包括同心透镜(特别是多个透镜)、双凸透镜(特别是多个双凸透镜)等。
如上面所指示的，本发明提供了一种用于对3D物品进行3D打印的方法。该方法包括：沉积3D可打印材料，该3D可打印材料在沉积时被指示为3D打印材料。因此，该方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料以提供3D物品。因此，3D物品实际上包括：3D 打印材料。
该打印阶段包括：对第一3D可打印材料进行3D打印以提供第一3D打印材料并且对第二3D可打印材料进行3D打印以提供第二 3D打印材料。因此，实质上，该打印阶段包括：提供3D可打印材料。因此，在创建浮雕结构之前和创建浮雕结构之后的组成可以不同，尽管该组成也可以相同或者可以基本上相同。下面将对此进行更详细的说明。
该打印阶段还包括：在第一3D打印材料中创建浮雕结构，诸如，利用工具。可以利用工具在第一3D打印材料中创建该浮雕结构，诸如，通过利用工具压印第一3D打印材料。可以利用另一设备执行该 (微)结构的创建，诸如，可以包括这种工具的微结构提供设备或(微) 结构化设备。可以在已经3D打印的材料中打印3D可打印材料期间执行该结构的创建。因此，创建该浮雕结构可以包括中断沉积过程，但是也可以在沉积过程期间执行。
术语“微结构(micro structure)”和“微结构(micro-structure)”以及类似术语也可以指代多个(不同的)微结构。同样地，术语“纳米结构(nano structure)”和“纳米结构(nano-structure)”以及类似术语也可以指代多个(不同的)纳米结构。通常这些结构被指示为浮雕结构，并且可以利用压模或针等来生成。这种方法包括工具与3D打印材料的物理接触。然而，其他方法也是可能的。例如，该工具可以包括激光设备或压纹设备，诸如，光压纹设备。因此，经由激光蚀刻或压纹，也可以创建浮雕结构。因此，工具也可以被指示为浮雕结构生成设备。
特别是可以使用压印，因为可以获得相对小的特征。特别地，光压纹可以被用于高再现性。由于压纹的非接触性方面，再现性可以为高。
术语“第一3D可打印材料”也可以指代多种不同的第一3D可打印材料。因此，正在构造的3D物品可以包括不同的第一3D打印材料，诸如，不同的第一3D打印材料的层。在第一3D打印材料的至少一部分内，生成该结构。此后或其上，提供第二3D可打印材料(在沉积时进一步被指示为第二3D打印材料)。
因此，该方法提供了(i)3D打印材料的堆叠，该3D打印材料包括第一3D打印材料和(ii)第二3D打印材料，该第一3D打印材料包括浮雕结构。
为了结构的稳定性，可以在(第一3D打印材料的)特定层中提供该结构，诸如，具有特定属性的第一3D打印材料和/或特定层被施加在该结构上，诸如，具有特定属性的第二3D打印材料。
该方法包括：在沉积第二3D可打印材料之前，使包括浮雕结构的第一3D打印材料的至少一部分交联。例如，3D打印材料的顶层可以被交联。因此，第一3D可打印材料包括可交联材料，并且可选地是引发剂。所有第一3D可打印材料都可以包括这种可交联材料，或者仅在打印阶段的一部分期间，第一3D可打印材料可以包括这种交联的材料。在这种实施例中，例如，仅顶层可以包括交联材料。顶层可以具有例如至少50μm(诸如，至少100μm)的厚度。
该方法还可以包括：在沉积第二3D可打印材料之前，在包括浮雕结构的第一3D打印材料的至少一部分上提供层。这种层可以是保护层。在实施例中，这种层可以是相对较薄的层。这种层可以包括交联的材料或聚合的材料(具有不同于第一3D打印材料的组成)。因此，可以提供单独的层，这可以利用3D打印或利用另一技术(诸如，喷涂、浸渍等)获得。因此，在实施例中，可以提供中间层。特别地，该层可以被配置为保护浮雕结构。短语“保护结构”和类似术语可以特别地指示该结构是保守的。(中间)层可以具有选自10nm至1mm 范围的厚度，诸如100nm至500μm，比如1μm至500μm，诸如50 μm至500μm。特别地，然而，在实施例中，该层的厚度可以小于结构的高度差。这可以允许更好地符合浮雕结构，并且可以防止顶部之间的空腔的填充。(中间)层也可以被交联，而第一3D打印材料和第二3D打印材料可以(都)不被交联。当然，第一3D打印材料和第二3D打印材料中的一个或多个也可以被交联。因此，在实施例中，这种层可以包括交联的材料。在特定实施例中，这种层也可以具有反射属性。
该方法还可以包括：使相邻于浮雕结构的第二3D打印材料的至少一部分交联。因此，在这种实施例中，第二3D打印材料被沉积在 (微)结构上，并且第二3D可打印材料的至少一部分(即，与(微) 结构的接触的材料)被交联。
应注意的是，第一3D打印材料中的(微)结构可以在中间层和/ 或第二3D打印材料中以类似形状(或相反形状)平移。
因此，在实施例中，(第一3D打印材料(或第二3D打印材料) 的)或中间层的交联的部分的层厚可以例如在50μm至500μm的范围内。
可以将不同的材料用作第一3D打印材料和第二3D打印材料。例如，当第一3D打印材料具有比第二3D打印材料更高的玻璃温度时，和/或当第一3D打印材料具有比第二3D打印材料更高的熔融温度时，这也可以允许在第一3D打印材料中创建稳定的结构，当提供第二3D可打印材料时该稳定的结构可能基本上不会变形。玻璃温度 (和/)或熔融温度的差异可以特别是至少20℃，诸如，至少50℃。合适材料的示例可以是例如聚砜(Tg＝174℃)和PMMA(Tg＝100℃) 或例如聚醚砜(Tg＝207℃)或聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯(Tg＝90℃)。例如，作为第一3D打印材料，可以应用聚(醚)砜，以及作为第二 3D打印材料，可以应用PMMA或聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯。
如上面所指示的，可以以不同方式创建浮雕结构。例如，可以使用(例如，金属或陶瓷)针并且在第一3D打印材料中书写和/或绘制结构。也可以使用压模(在本文中也可以被指示为“模具”)。因此，在实施例中，该方法可以包括利用(例如，金属或陶瓷)压模在第一3D打印材料中创建浮雕结构。因此，在实施例中，可以使用例如压印来创建浮雕结构。
例如，在实施例中，使具有预定义的拓扑图案的模具与样品接触，并且在一定压力下将它们压在一起。当被加热到聚合物的玻璃转换温度以上时，模具上的图案被压入软化的聚合物中。冷却之后，可以将模具与样品分离，并且将图案抗蚀剂被保留在第一3D打印聚合物中。
因此，创建浮雕结构可以包括加热第一3D打印材料和/或工具。另外，当工具(被应用)时，诸如，当压模与沉积的材料接触时，可以开始交联。在交联之后，可以移除工具，诸如，压模。在备选实施例中，移除工具并且开始交联。
在又一实施例中，移除工具，将液体施加在因此形成的浮雕结构，并且例如可以开始交联。这种液体可以包括在结构上形成为层的材料，该层被交联。备选地或附加地，这种液体可以例如包括可聚合材料和/或引发剂，可选地归因于在第一3D打印材料中存在引发剂和/ 或可聚合材料，所以可聚合材料和/或引发剂可以部分地渗透到第一 3D打印材料中以交联第一3D打印材料的至少一部分。
因此，在特定实施例中，可以在沉积第一3D打印材料(的至少一部分)之后压模被直接地压入第一3D打印材料中。
如上面所指示的，用于创建浮雕结构的这些物理接触方法的备选方案，可以应用压纹或蚀刻。
创建浮雕结构可以特别地包括相对于尚未提供的未扰乱的3D打印材料表面来生成一个或多个凸起和/或一个或多个压痕。因此，该结构可以包括一个或多个顶部和/或一个或多个凹处。一般地，该结构将包括多个凹处以及凹处之间的多个顶部。
浮雕结构可以是规则结构或不规则结构。浮雕结构也可以是规则结构和不规则结构的组合。浮雕结构可以包括一个或多个域。当浮雕结构包括多个域时，一个或多个域可以包括规则结构和/或一个或多个域可以包括不规则结构。
如上面所指示的，浮雕结构可以包括空腔、棱柱形压痕和/或突起、立方或矩形压痕和/或突起、凹槽、立柱等中的一个或多个。空腔、棱柱形压痕和/或突起、立方或矩形压痕和/或突起也可以被指示为结构的元件。
利用浮雕结构，如上面所指示的，例如，可以创建光栅或防伪结构。浮雕结构限定出顶部(这也可以被指示为顶点)和其间的空腔(诸如，凹槽)。因此，包括顶部的(规则)结构可以自动地包括其间的一个或多个(特别是多个)凹处。同样地，包括空腔的(规则)结构可以自动地包括其间的一个或多个(特别是多个)顶部。顶部与凹处之间(或顶部与空腔之间)的高度差在整个结构上可以是相同的或者可以不同，例如，可以包括两个或多个不同的值。
因此，在特定实施例中，浮雕结构包括顶部的规则图案，该顶部具有宽度(w1)、具有高度(h1)、以及具有周期(p1)，其中宽度(w1)、高度(h1)和周期(p1)中的一者或多者选自10nm至1mm的范围，比如100nm至500μm，特别是100nm至100μm。例如，宽度和周期可以在光的波长范围内。
无论浮雕结构是否包括规则或不规则图案，顶部与凹处之间的高度差可以特别地在10nm至1mm的指示的范围内，比如100nm至500μm，特别是100nm至100μm。同样地，顶部之间的距离或凹处之间的距离也可以在这些范围内。同样地，诸如凹槽、立柱等元件之间的宽度可以在这些指示的范围内。
因此，浮雕结构可以例如包括纳米结构和微结构中的一个或多个。因此，空腔、棱柱形压痕和/或突起、立方或矩形压痕和/或突起、凹槽、立柱等中的一个或多个可以具有在10nm至1mm范围内的一个或多个尺寸，特别是100nm至500μm。术语尺寸可以指代长度、高度、宽度和直径中的一个或多个。在规则结构中，结构的元件的一个或多个尺寸在整个结构上可以是(基本上)相同的。例如，顶部与凹处之间(或顶部与空腔之间)的高度差(实际上可以被指示为“高度”)在整个结构上可以是相同的。
当第一3D打印材料和第二3D打印材料中的一个或两个是透光的，特别是透明的时，浮雕结构可以被用作光学结构。因此，在实施例中，浮雕结构是光学结构。
另外，在特定实施例中，第一3D打印材料和第二打印材料中的一个或多个针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D打印材料至少90％(诸如每厘米至少95％)的透射率。因此，通过1cm的 3D打印材料的透射率可以是至少90％，诸如至少95％。因此，这也可以特别地意味着使用透光的3D可打印材料。因此，在特定实施例中，第一3D可打印材料和第二可打印材料中的一个或多个针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D打印材料至少90％(诸如每厘米至少95％)的透射率。
特别是鉴于光学应用，3D可打印材料中的一种或多种可以具有不同的光学属性。另外，如上面所指示的，第一3D可打印材料和第二3D可打印材料可以例如在玻璃温度和/或熔融温度上不同。同样地，这将(因此)应用于(因此沉积的)第一3D打印材料和第二3D打印材料。
因此，在实施例中，第一3D可打印材料和第二3D可打印材料在以下中的一者或多者不同：(i)折射率、(ii)散射颗粒的类型、(iii) 散射颗粒的浓度、(iv)发光材料的类型、(v)发光材料的浓度、以及 (vi)玻璃温度和熔融温度中的一个或多个。
在实施例中，发光材料可以包括无机磷材料(例如，YAG、LuAG 等)。在实施例中，发光材料可以包括有机磷材料(例如，BASF Lumogen F305等)。在实施例中，发光材料可以包括量子点和量子棒中的一个或多个。可以应用一种或多种不同的发光材料。
在实施例中，散射材料可以例如选自包括Al2O3、BaSO4、MgO 和TiO2的组。可以应用一种或多种不同的散射材料。散射颗粒可以被用于产生(光的)反射。
可选地，中间层也可以被用作反射层。当使用不同的折射率时，在实施例中，该结构也可以被用作反射层或面。
第一3D可打印材料和/或第二3D可打印材料可以包括薄片，例如，反射薄片。因此，第一3D打印材料和/或第二3D打印材料也因此可以包括薄片，例如，反射薄片。备选地或附加地，可以应用具有高纵横比的颗粒，诸如至少2，比如至少5，诸如至少10。
如上面所指示的，该方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料。在本文中，术语“3D可打印材料”指代待被沉积或打印的材料，并且术语“3D打印材料”指代在沉积之后获得的材料。这些材料可以基本上是相同的，因为3D可打印材料可以特别地指代打印头或挤压机中处于高温的材料，并且3D打印材料指代相同的材料，但是在被沉积时处于后一阶段。3D可打印材料被打印为长丝并且被这样沉积。 3D可打印材料可以被提供为长丝或者可以被形成为长丝。因此，无论应用什么起始材料，通过打印头提供包括3D可打印材料的长丝并且对其进行3D打印。
在本文中，术语“3D可打印材料”也可以被指示为“可打印材料”。在实施例中，术语“聚合材料”可以指代不同聚合物的混合物，但是在实施例中，也可以指代基本上具有不同的聚合物链长度的单一聚合物类型。因此，术语“聚合材料”或“聚合物”可以指代单一类型的聚合物，但是也可以指代多种不同聚合物。术语“可打印材料”可以指代单一类型的可打印材料，但是也可以指代多种不同的可打印材料。术语“打印材料”可以指代单一类型的打印材料，但是也可以指代多种不同的打印材料。
因此，术语“3D可打印材料”也可以指代两种或多种材料的组合。通常，这些(聚合)材料具有玻璃转换温度Tg和/或熔融温度Tm。3D 可打印材料在离开喷嘴之前，它会被3D打印机加热到至少玻璃转换温度的温度，通常至少是熔融温度。因此，在特定实施例中，3D可打印材料包括具有玻璃转换温度(Tg)和/或熔融点(Tm)的热塑性聚合物，并且打印头动作包括将3D可打印材料加热到玻璃转换温度以上，并且如果是半结晶聚合物，则被加热到熔融温度以上。在又一实施例中，3D可打印材料包括具有熔点(Tm)的(热塑性)聚合物，并且打印头动作包括待被沉积在接收器物品上的3D可打印材料加热到至少熔点的温度。玻璃转换温度通常与熔融温度不同。熔融是在结晶聚合物中发生的转换。当聚合物链脱离其晶体结构时，发生熔融，并且变为无序的液体。玻璃转换是无定形聚合物发生的转换；即，聚合物的链不是以有序的晶体排列的，而是以任何方式散布，即使它们是固态的。聚合物可以是无定形的，基本上具有玻璃转换温度而不是熔融温度，或者可以是(半)结晶的，通常具有玻璃转换温度和熔融温度，通常后者大于前者。
如上面所指示的，本发明因此提供了一种方法，该方法包括：提供3D可打印材料的长丝并且在打印阶段期间在衬底上打印所述3D 可打印材料，以提供所述3D物品。可以特别适合作为3D可打印材料的材料可以选自由以下组成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅树脂等。特别地，3D可打印材料包括(热塑性)聚合物，该(热塑性)聚合物选自由以下组成的组：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或聚酰胺)、乙酸盐(或纤维素)、PLA(聚乳酸)、对苯二甲酸酯(诸如，PET聚对苯二甲酸乙二醇酯)、丙烯酸(聚丙烯酸甲酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA)、聚丙烯(Polypropylene)(或聚丙烯(polypropene))、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如，膨化高抗冲聚乙烯(或聚乙烯)、低密度(LDPE)高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯(polyvinyl chloride))聚氯乙烯(Polychloroethene)等。可选地， 3D可打印材料包括选自由以下组成的组的3D可打印材料：尿素甲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯(PC)、热塑性弹性体等。可选地，3D可打印材料包括选自由以下组成的组的3D可打印材料：聚砜。
可打印材料被打印在接收器物品上。特别地，接收器物品可以是构建平台或者可以由构建平台组成。接收器物品也可以在3D打印期间被加热。然而，接收器物品也可以在3D打印期间被冷却。
短语“打印在接收器物品上”和类似短语包括(除其他外)直接打印在接收器物品上，或者打印在接收器物品上的涂层上，或者打印在先前被打印在接收器物品上的3D打印材料上。术语“接收器物品”可以指代打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板、或构建平台等。除了术语“接收器物品”，也可以使用术语“衬底”。短语“打印在接收器物品上”和类似短语包括(除其他外)还打印在打印平台、打印床、支撑件、构建板、或构建平台等上或者由打印平台、打印床、支撑件、构建板、或构建平台等组成的单独衬底上。因此，短语“打印在衬底上”和类似短语包括(除其他外)直接打印在衬底上，或者打印在衬底上的涂层上，或者打印在先前被打印在衬底上的3D打印材料上。在下文中，进一步使用术语衬底，衬底可以指代打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板、或构建平台等或者在打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板、或构建平台等上或由打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板、或构建平台等组成的单独衬底。
进一步地，本发明涉及一种可以被用于执行本文中所描述的方法的软件产品。
本文中所描述的方法提供了3D打印物品。因此，本发明在另一方面中还提供了一种利用本文中所描述的方法可获得的3D打印物品。特别地，本发明提供了一种包括3D打印材料的3D物品，该3D 物品包括以下项的堆叠：(i)包括浮雕结构的第一3D打印材料，(ii)第二3D打印材料，以及(iii)可选地，在第一3D打印材料与第二 3D打印材料之间的层；其中(a)第一3D打印材料和第二3D打印材料在化学组成上不同，或者(b)当可选层可用时，可选层以及第一3D打印材料和第二3D打印材料中的一个或多个在化学组成上不同。
在讨论该方法时，下面已经阐明了关于3D打印物品的一些特定实施例。在下文中，更详细地讨论了关于3D打印物品的一些特定实施例。
如上面所指示的，当第一3D可打印材料和第二3D可打印材料基本上相同，但是第一3D打印材料的一部分(因此在沉积第一3D 可打印材料之后)被交联时，第一3D打印材料和第二3D打印材料将在化学组成上不同。
3D物品可以包括仅一部分的(特别是包括浮雕结构的一部分) 被交联的第一3D打印材料。因此，如上面所指示的，术语“第一3D 打印材料”也可以指代多个不同的第一3D打印材料。在实施例中，浮雕结构上的第二3D打印材料可以与不被交联的第一3D打印材料相同。
在实施例中，第一3D打印材料、第二3D打印材料和可选层中的一个或多个包括：交联的材料。
如上面所指示的，在实施例中，浮雕结构可以包括顶部的规则图案，该顶部具有宽度(w1)、具有高度(h1)、以及具有周期(p1)，其中在实施例中，宽度(w1)、高度(h1)和周期(p1)中的一者或多者可以特别地选自100nm至100μm的范围，尽管其他尺寸也是可能的，诸如达到500μm，比如达到200μm。
如上面还指示的，第一3D打印材料和第二打印材料中的一个或多个针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D打印材料至少90％(甚至更特别地每厘米至少95％)的透射率。
另外，如还相对于用于打印3D可打印材料的方法所限定的，第一3D打印材料和第二3D打印材料在以下中的一者或多者不同：(i) 折射率、(ii)散射颗粒的类型、(iii)散射颗粒的浓度、(iv)发光材料的类型、(v)发光材料的浓度、以及(vi)玻璃温度和熔融温度中的一个或多个。
特别地，鉴于可能具有本文中所描述的3D物品的一些实施例的光学应用，本发明在另一方面中提供了一种照明系统，该照明系统包括：(a)光源，该光源被配置为提供光源光，特别是可见光源光，以及(b)本文中所定义的3D物品的光学元件(特别是这种3D物品)，其中3D打印材料和/或第二3D打印材料中的一个或多个是透光的，其中光学元件被配置为接收光源光的至少一部分。3D物品可以例如被配置为反射光源光和/或折射光源光，和/或对光源光进行光学滤波，和/或转换光源光，和/或吸收光源光等。出于这种目的中的一个或多个，可以应用浮雕结构，并且可选地应用由3D打印材料组成的一种或多种功能材料，诸如，具有不同的折射率或存在发光材料的材料等 (也参见上文)。
(利用本文中所描述的方法)所获得的3D打印物品本身可以是功能性的。例如，3D打印物品可以是透镜、准直仪、反射器等。因此所获得的3D物品可以(备选地)被用于装饰或艺术目的。3D打印物品可以包括或被设置有功能组件。功能组件可以特别地选自由以下组成的组：光学组件、电气组件和磁性组件。术语“光学组件”特别地指代具有光学功能性的组件，诸如，透镜、镜子、光源(比如LED) 等。术语“电气组件”可以例如指代集成电路、PCB、电池、驱动器，但是也指代光源(因为光源可以被认为是光学组件和电气组件)等。术语磁性组件可以例如指代磁性连接器、线圈等。备选地或附加地，功能组件可以包括热组件(例如，被配置为冷却或加热电气组件)。因此，功能组件可以被配置为生成热量或清除热量等。
返回到3D打印过程，特定的3D打印机可以被用于提供本文中所描述的3D打印物品。因此，在又一方面中，本发明还提供了一种熔融沉积成型3D打印机，该3D打印机包括：(a)包括打印机喷嘴的打印头，以及(b)3D可打印材料提供设备，该3D可打印材料提供设备被配置为向打印头提供3D可打印材料，其中熔融沉积成型3D 打印机被配置为提供所述3D可打印材料，以提供包括3D打印材料的物品。
3D可打印材料提供设备可以向打印头提供包括3D可打印材料的长丝，或者可以如此提供3D可打印材料，其中打印头创建包括3D 可打印材料的长丝。因此，在实施例中，本发明提供了一种熔融沉积成型3D打印机，该3D打印机包括：(a)包括打印机喷嘴的打印头，以及(b)长丝提供设备，该长丝提供设备被配置为向打印头提供包括3D可打印材料的长丝，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为向衬底提供所述3D可打印材料，以提供包括3D打印材料的物品。
特别地，熔融沉积成型3D打印机还可以包括：(c)结构化设备 (诸如，微结构化设备)该设备被配置用于在沉积3D可打印材料之后在3D打印材料中创建浮雕结构。在特定实施例中，(微)结构化设备包括工具(诸如，压模)。
除了术语“熔融沉积成型(FDM)3D打印机”，还可以简短地使用术语“3D打印机”、“FDM打印机”、或“打印机”。打印机喷嘴也可以被指示为“喷嘴”或有时被指示为“挤出机喷嘴”。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参照所附示意图来描述本发明的实施例，其中对应的附图标记指示对应的部件，并且其中：
图1A 至图1B 示意性地描绘了3D打印机的一些普通方面；
图1C 至图1E 示意性地描绘了打印头的一些可能变型以及供应的 3D可打印材料和添加物(诸如，可交联材料和/或引发剂分子)以开始或辅助交联；然而，这也可以应用于其他添加物(诸如，散射颗粒、发光材料等，参见本文其他章节)；
图2A 至图2F 示意性地描绘了3D打印方法的一个实施例；
图3至图6示意性地描绘了一些变型；
图7至图15示意性地描绘了一些另外的变型；
图16示意性地描绘了照明系统的一个实施例。
示意图不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1A 示意性地描绘了3D打印机的一些方面。附图标记500指示 3D打印机。附图标记530指示被配置为3D打印(特别是FDM 3D 打印)的功能单元；该附图标记还可以指示3D打印阶段单元。此处，仅示意性地描绘了用于提供3D打印材料的打印头，诸如，FDM 3D 打印头。附图标记501指示打印头。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印头，尽管其他实施例也是可能的。附图标记502指示打印机喷嘴。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印机喷嘴，尽管其他实施例也是可能的。附图标记320指示可打印3D可打印材料的长丝(诸如上面所指示的)。为了清楚起见，未描绘3D打印机的所有特征，仅描绘了与本发明特别相关的那些特征(也进一步参见下文)。
3D打印机500被配置为通过在接收器物品550上沉积多个长丝 320来生成3D物品10，该接收器物品550在实施例中可以至少被暂时地冷却，其中每个长丝20包括3D可打印材料，诸如，具有熔点 Tm。3D打印机500被配置为在打印机喷嘴502的上游加热长丝材料。这可以例如利用包括挤出和/或加热功能中的一个或多个的设备来完成。这种设备利用附图标记573来指示，并且被布置成来自打印机喷嘴502的上游(即，在长丝材料离开打印机喷嘴502之前)。打印头 501可以(因此)包括液化器或加热器。附图标记201指示可打印材料。在被沉积时，该材料被指示为(3D)打印材料，这利用附图标记 202来指示。
附图标记572指示具有材料(特别是线的形式)的线轴或滚轴。 3D打印机500在接收器物品或者已经沉积的打印材料上以长丝或纤维320的形式对其进行转换。通常，喷嘴下游的长丝的直径相对于打印头上游的长丝的直径减小。因此，打印机喷嘴有时(也)被指示为挤出机喷嘴。将长丝接长丝地并且长丝叠长丝地布置，可以形成3D 物品10。附图标记575指示长丝提供设备，该长丝提供设备在此处(除其他外)包括利用附图标记576指示的线轴或滚轴和驱动轮。
附图标记A指示纵轴或长丝轴。
附图标记C示意性地描绘了控制系统(诸如特别是温度控制系统)，该系统被配置为控制接收器物品550的温度。控制系统C可以包括加热器，该加热器能够将接收器物品550加热到50℃的温度，但是特别地达到大约350℃(诸如至少200℃)的范围。
图1A 也示意性地描绘了结构化设备600，该结构化设备600被配置成用于在沉积3D可打印材料201之后在3D打印材料202(特别是第一3D可打印材料(进一步参见下文))中创建浮雕结构。附图标记 630指示工具，可以利用该工具创建浮雕结构，诸如，压模635。
图1B 示意性地描绘了在3D中更详细地打印正在构造的3D物品 10。此处，在该示意图中，长丝320在单个平面中的端部不被互连，尽管实际上在实施例中可以是这种情况。
因此，图1A 至图1B 示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500 的一些方面，该打印机包括：(a)包括打印机喷嘴502的第一打印头 501，(b)长丝提供设备575，该长丝提供设备575被配置为向第一打印头501提供包括3D可打印材料201的长丝320，以及可选地(c)接收器物品550。在图1A 至图1B 中，第一可打印材料或第二可打印材料或者第一打印材料或第二打印材料利用普通指示可打印材料201 和打印材料202来指示。
在本发明的过程中，也进一步参见下文，可能期望提供第一3D 可打印材料和第二3D可打印材料。这些材料可以在组成上不同。然而，在实施例中，这些材料也可以基本上是相同的，并且不同之处仅在于第一3D可打印材料(还)包括可交联材料。因此，3D打印机特别适合于提供不同类型的可打印材料，包括其中3D可打印材料的组成可以在打印期间被改变的实施例。
这可以例如通过(暂时地)向打印头提供不同长丝和/或通过(暂时地)向打印头添加与(其他)3D可打印材料混合的添加物(诸如，在图1C 中示意性地描绘)来完成。利用附图标记615指示添加物，诸如，开始或辅助交联的可交联材料和/或引发剂分子。
在实施例中，该方法可以包括使用熔融沉积成型3D打印机，其中该方法包括：经由第一供应源585a向打印头501提供第一3D可打印材料201a，并且经由第二供应源585b向打印头501提供包括添加物615的第二3D可打印材料201(诸如，开始或辅助交联的可交联材料和/或引发剂分子)，并且控制3D可打印材料201a、201b的供应，参见图1D 。为此，可以应用上述控制系统。
在另外的实施例中，该方法可以包括使用包括至少两个喷嘴501 的熔融沉积成型3D打印机，其中该方法包括：通过第一喷嘴501a 提供第一3D可打印材料201，并且通过第二喷嘴501b提供包括功能材料615的第二3D可打印材料201(诸如，开始或辅助交联的可交联材料和/或引发剂分子)，并且控制3D可打印材料201a、201b的供应，参见图1E 。为此，可以应用上述控制系统。
如上面所指示的，希望能够产生浮雕结构，诸如，用于打印光学器件。为此，可以使用压印技术。然而，由于FDM使用熔融来粘附后续层，所以在打印后续层期间压印的层会被破坏。
因此，本文中建议，采用(可以示出良好粘附但是)也可以被交联或被保护的层，使得压印的层不被破坏。通常，示出良好粘附的层在它们经过温度冲击时(至少部分地)分离，诸如特别是降低(或升高)至少50℃(诸如至少100℃)的温度。例如，可以被粘附的材料在被降低到-50℃(诸如-100℃，比如处于液氮温度时)的温度时可以至少部分地分离。
将初级(primary)3D打印结构被施加在衬底1550的顶部(图 2A和图2B)。在施加热量和压力的情况下，通过压模/模具来压印初级3D打印结构(图2C)。压模/模具被去除，从而产生压印的3D打印结构(图2D)。压印的3D打印结构随后利用薄的附加层(例如，被喷涂在压印的3D打印结构的顶部)进行交联或保护，从而产生交联的或保护的压印的3D打印结构(图2E)。接着，将次级(secondary) 3D打印结构被施加在交联的或保护的压印的3D打印结构的顶部(图 2F)。下面将进一步描述各种方法和材料组合。
图1A 至图1D 和图2示意性地示出了用于对3D物品1进行3D 打印的方法的实施例，该方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料201，以提供包括3D打印材料202的3D物品1，其中打印阶段包括：对第一3D可打印材料201a进行3D打印以提供第一3D打印材料202a；利用工具630在第一3D打印材料202a中创建浮雕结构 610；以及对第二3D可打印材料201b进行3D打印以提供第二3D打印材料202b，以提供以下项的堆栈620：(i)包括第一3D打印材料的3D打印材料202，该第一3D打印材料包括浮雕结构610，以及(ii) 第二3D打印材料202b。
图2还示出了浮雕结构610可以包括在其之间具有压痕(或空腔) (诸如，沟槽)的顶部612。作为示例，示意性地描绘了(顶部具有) 周期p1的规则结构。顶部612相对于压痕的高度利用附图标记h1指示。因此，图2(和其他附图)也示意性地描绘了规则图案611。如所示，在规则结构610中，顶部与凹处之间(或顶部与空腔之间)的高度差或高度h1在整个结构上是相同的。
初级压印材料(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS、聚乳酸PLA、聚碳酸酯PC、聚酰胺PA、聚苯乙烯PS、本质素、橡胶等)可以包括引发剂，以使材料交联(例如，在施加诸如UV光等照射时)。压印材料特别是具有官能团的热塑性聚合物，可以使用引发剂并且施加辐射来进行交联(图3)。附图标记615a和615b分别指示(多种)引发剂和(多种)单体。
可以利用本领域已知的技术来完成交联。
在另一示例中，可以在3D打印之后将单体(诸如，丙烯酸酯) 和引发剂被施加于初级3D打印结构(例如，通过喷涂、旋涂、浸涂)。单体和引发剂可以渗透初级3D打印结构。随后，初级3D打印结构被交联(图4)。
在又一示例中，可以在3D打印之后保护层被施加于初级3D打印结构。例如，可以在3D打印之后溶液中的溶解聚合物(诸如，丙烯酸酯)被施加于初级3D打印结构(例如，通过喷涂、旋涂、浸涂)。溶剂被蒸发。单体和引发剂可以渗透初级3D打印结构。随后，初级 3D打印结构被交联(图5)。以这种方式，可以提供层650，特别是保护层。
初级压印材料可以包括引发剂以使材料交联(例如，在施加诸如 UV光等照射时)，而次级压印材料不包括引发剂(图6)。在这种实施例中，第一可打印材料和第二可打印材料可以基本上是相同的。在沉积和交联之后，第一打印材料202a和第二打印材料202b是不同的 (因为前者包括交联的材料，并且第二打印材料不包括或不一定包括 (相同类型的)交联的材料)。
初级和次级压印材料可以是不同的。例如，它们可以由不同的热塑性材料组成(图7)。在这种实施例中，第一可打印材料和第二可打印材料可以基本上是不同的。例如，玻璃温度和熔融温度中的一个或多个可以针对可打印材料不同，并且因此也可以针对3D打印材料不同。
初级和次级压印材料可以在反射率方面不同。通过使用折射率的差异，获得衍射光学组件(图8)。不言而喻，代替折射结构，可以压印衍射结构，从而产生衍射组件(图9)。因此，图8和图9(但是其他附图也)示出了浮雕结构610的实施例，该浮雕结构610包括顶部612的规则图案611，该顶部612具有宽度w1、具有高度h1、以及具有周期p1。例如，宽度w1、高度h1和周期p1中的一者或多者选自 100nm至100μm的范围，这可以特别地用于具有可见光的光学应用。因此，特别地，第一3D可打印材料和第二可打印材料中的一个或多个针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D可打印材料至少 90％的透射率。这可以导致第一3D打印材料202a和第二打印材料 202b中的一个或多个针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米 3D打印材料202(分别是202a和/或202b)至少90％的透射率。附图标记11指示光源10的光源光；附图标记601指示从3D物品发出的光。
初级和次级压印材料可以在反射率方面不同。通过使用折射材料的差异，获得反射光学组件(图10)。
初级和次级压印材料可以在散射方面不同。通过使用散射材料的差异，获得散射光学组件(图11)。
初级和次级压印材料可以在发光材料的浓度方面不同。通过使用发光材料的浓度的差异(浓度)，获得转换组件(图12)。
初级和次级压印材料可以在发光材料的类型方面不同。通过使用发光材料的类型的差异(浓度)，获得转换组件(图13)。
不言而喻，多于两层可以被施加于彼此之上，诸如，3层，即，具有第三级(tertiary)压印材料(图14)。此处，被分别指示为第二 3D打印材料202b’和202b”的两个不同的类型。当然，也可以施加两种(或多种)不同类型的第一3D打印材料202a(未描绘)。
不言而喻，两个不同的次级层可以被施加于初级层的顶部(图 15)。
除其他外，我们提出使用压印的3D打印结构的灯、使用压印的 3D打印结构的光引擎、使用压印的3D打印结构的灯具等等。
图16示意性地描绘了照明系统1000的实施例，该照明系统1000 包括：a)被配置为提供光源光11的光源10以及b)包括3D物品1 的光学元件1100，其中光学元件1100被配置为接收光源光11的至少一部分。光学元件发出的光利用附图标记601指示。
本领域技术人员将理解本文中的术语“基本上”，诸如，“基本上由......组成”。术语“基本上”还可以包括具有“完全(entirely)”、“完全(completely)”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可以被移除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90 ％或更高，诸如95％或更高，特别地99％或更高，甚至更特别地99.5 ％或更高，包括100％。术语“包括”还包括其中术语“包括”意指“由...... 组成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及在“和/或”之前和在“和/或”之后所提到的一个或多个项目。例如，短语“项目1和/或项目2”和类似短语可以涉及项目1和项目2中的一个或多个。术语“包括”在实施例中可以指代“由...组成”，但是在另一实施例中也可以指代“至少包含所定义的物种和可选的一种或多种其他物种”。
此外，本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等被用于区分类似的元件，而不一定用于描述相继次序或时间次序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以除了本文所描述或所图示的顺序之外的其他顺序操作。
本文中的设备是在操作期间描述的其他设备。如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应注意的是，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，被放置在括号之间的任何附图标记都不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机来实施。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由同一硬件项目体现。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这一纯粹事实并不指示这些措施的组合不能被用于获得有利效果。
本发明进一步适用于包括在本说明书中所描述和/或在附图中所示出的一个或多个表征特征的设备。本发明进一步涉及包括在本说明书中所描述和/或在附图中所示出的一个或多个表征特征的方法或过程。
可以组合本专利中所讨论的各个方面以提供附加优点。进一步地，本领域技术人员将理解，可以组合实施例，并且还可以组合多于两个的实施例。此外，一些特征可以形成用于一个或多个分案申请的基础。
不言而喻，第一(可打印或打印)材料和第二(可打印或打印) 材料中的一个或多个可以包含诸如玻璃和纤维等填充剂，这些填充剂对(多种)材料的Tg或Tm没有影响。

Claims (12)

1.一种用于通过熔融沉积成型对3D物品(1)进行3D打印的方法，所述方法包括：在打印阶段期间沉积3D可打印材料(201)，以提供包括3D打印材料(202)的所述3D物品(1)，其中所述打印阶段包括：
-对第一3D可打印材料(201a)进行3D打印以提供第一3D打印材料(202a)，所述第一3D可打印材料(201a)包括可交联材料；
-利用工具(630)在所述第一3D打印材料(202a)中创建浮雕结构(610)；以及
-对第二3D可打印材料(201b)进行3D打印以提供第二3D打印材料(202b)，以提供：(i)3D打印材料(202)和(ii)所述第二3D打印材料(202b)的堆叠(620)，所述3D打印材料(202)包括所述第一3D打印材料，所述第一3D打印材料包括所述浮雕结构(610)，
其中所述方法还包括：
-在沉积所述第二3D可打印材料(201b )之前，使包括所述浮雕结构(610)的所述第一3D打印材料(202a)的至少一部分交联。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在沉积所述第二3D可打印材料(201b )之前，在包括所述浮雕结构(610)的所述第一3D打印材料(202a)的至少一部分上提供层(650)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：使相邻于所述浮雕结构(610)的所述第二3D打印材料(202b)的至少一部分交联。
4.根据权利要求1或2所述的方法，包括：利用压模(631)在所述第一3D打印材料(202a)中创建所述浮雕结构(610)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述浮雕结构(610)包括顶部(612)的规则图案(611)，所述顶部(612)具有宽度(w1)、具有高度(h1)、以及具有周期(p1)，其中所述宽度(w1)、所述高度(h1)和所述周期(p1)中的一者或多者选自100nm至100μm的范围。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一3D可打印材料(201a)和所述第二3 D可打印材料(201b)中的一者或多者针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D可打印材料至少90％的透射率。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一3D可打印材料(201a)和所述第二3D可打印材料(201b)在以下中的一者或多者不同：(i)折射率、(ii)散射颗粒的类型、(iii)散射颗粒的浓度、(iv)发光材料的类型、(v)发光材料的浓度、以及(vi)玻璃温度和熔融温度中的一个或多个温度。
8.一种能够通过根据权利要求1至7中任一项的所述方法获得的3D物品(1)，其中所述3D物品(1)包括以下项的堆叠(620)：(i)第一3D打印材料(202a)和(ii)第二3D打印材料(202b)，所述第一3D打印材料(202a)包括浮雕结构(610)，其中所述第一3D打印材料(202a)和所述第二3D打印材料(202b)在化学组成上不同，所述第一3D打印材料(202a)包括交联的材料。
9.根据权利要求8所述的3D物品(1)，其中所述浮雕结构(610)包括顶部(612)的规则图案(611)，所述顶部(612)具有宽度(w1)、具有高度(h1)、以及具有周期(p1)，其中所述宽度(w1)、所述高度(h1)和所述周期(p1)中的一者或多者选自100nm至100μm的范围。
10.根据前述权利要求8至9中任一项所述的3D物品(1)，其中所述第一3D打印材料(202a)和所述第二3D 打印材料(202b)中的一者或多者针对可见波长中的一个或多个波长具有每厘米3D打印材料至少90％的透射率。
11.根据权利要求10所述的3D物品(1)，其中所述第一3D打印材料(202a)和所述第二3D打印材料(202b)在以下中的一者或多者不同：(i)折射率、(ii)散射颗粒的类型、(iii)散射颗粒的浓度、(iv)发光材料的类型、(v)发光材料的浓度、以及(vi)玻璃温度和熔融温度中的一个或多个温度。
12.一种照明系统(1000)，包括：(a)光源(10)，所述光源(10)被配置为提供光源光(11)；以及(b)光学元件(1100)，所述光学元件(1100)包括根据前述权利要求10至11中任一项的所述3D物品(1)，其中所述光学元件(1100)被配置为接收所述光源光(11)的至少一部分。
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