CN110678311A

CN110678311A - 借由积层制造技术制得的对象

Info

Publication number: CN110678311A
Application number: CN201880015427.5A
Authority: CN
Inventors: T·J·布鲁格曼; A·布鲁格曼; B·库伊珀; J·T·巴特勒斯; K·H·库伊特; K·格伦; M·J·沃贝斯; K·H·J·沃斯
Original assignee: Connecting High Performance 3d Technology Co Ltd
Current assignee: Dimken Connection 3d Co ltd
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2020-01-10
Also published as: US10960601B2; US20190381724A1; EP4302981A3; EP3589478A1; WO2018158426A1; EP4302981A2; CN110636934B; WO2018158439A1; JP7303125B2; EP3589478B1; JP7186729B2; JP2020508910A; EP3589479B1; TWI762595B; JP2020508909A; TW201836821A; TW201836860A; JP2023065485A; US20200070404A1; EP3589479A1

Abstract

本发明是关于一种借由熔融沉积成型法(FDM)，从一塑像材料且选择性装填无机或有机充填剂而创造的三维对象，其中该塑像材料是来自聚芳基醚酮(PAEK)、聚苯基硫醚类、聚酰胺‑酰亚胺、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚砜、聚苯基砜、聚碳酸酯(PC)、聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚甲醛、聚氨酯(PU)、聚乙烯醇与丁烯二醇乙烯基醇的共聚物及其混合物，其中该对象具有少于5体积％的多孔洞性，是根据多孔洞性测试程序“多孔洞性测试”决定。该对象是气密及显示出改良的机械性质。本发明亦关于一种产生具有高等向性的组件的PEEK的FDM打印。

Description

借由积层制造技术制得的对象

技术领域

本发明是关于一种借由积层制造技术从一塑像材料如例如热塑性聚合物组成物制得的三维对象。

背景技术

在积层制造时，借由经控制的方式将一塑像材料分层形成一对象而创造出想要的三维形状对象。对积层制造来说，非常经常使用积层制造打印机。该打印机具有一可以二维或三维移动来给料该塑像材料的打印头，同时该打印头是在先前沉积的塑像材料径迹上移动。该积层制造技术的较佳实施例有熔融沉积成型法(FDM)。

可将该欲打印的对象放置在一基座上。该打印头可相对于该欲模塑或打印的对象在三维空间中移动，或反之亦然。在某些情况中，该对象可相对于该打印头在一维或多维上移动。可以多种组合让该对象相对于该打印头移动来模塑该对象，及反之亦然。

该打印头及选择性基座的运动是由一控制系统控制，其中该控制系统控制一接附该打印头(及选择性基座)的可控式定位系统。可借由软件设计出一径迹图案，使用该图案来移动该打印头并沉积该径迹。

该对象是在相对于可移动的打印头的参考场所中于一基座结构上创造。该塑像材料可与先前形成的径迹熔融。该积层制造材料可以例如细丝、颗粒、棒、液体或悬浮液形式进料至打印头中。该打印头是经由喷嘴从该打印头给料该塑像材料，及该塑像材料是以形成径迹层的径迹形式沉积在基座上；或当已经沉积有欲创造的对象的先前层时，沉积在该物件的先前沉积的径迹上，于此允许其固化。该塑像材料可与先前沉积的径迹热或化学或其它方面熔融。该化学塑像材料可从该打印头给料及沉积在先前沉积的径迹上，并立即在沉积后硬化以固化。

该基座与对象相对于该打印头的径迹运动及同时从该打印头沉积塑像材料允许该熔融沉积的模塑对象随着每次沉积的径迹而生长及逐步获得其想要的形状。

在现在的材料挤出式打印机(包括粒化式挤出器(granulate extruders)、柱塞式挤出器(ram extruders)及注射式挤出器)中，该材料是以向前、流量控制方式的进料进行沉积。与欲沉积的径迹厚度及打印速度相依，该塑像材料的流量是保持固定。该材料流量的校正是作为该机器校正的一部分。

再者，造成该打印头在欲创造的对象的先前沉积的径迹上移动的X-Y-Z定位系统必需进行校正，以便维持该欲创造的对象的尺寸准确度及特别是维持该欲沉积的径迹厚度是经控制。

当该校正是正确时，可使用流量控制准确地打印出实体对象。当在该打印头喷嘴与先前沉积的层间的间距例如由于缺乏校正而增加时，该塑像材料的流量可变成太小而无法填满该间距，因此造成在打印径迹间发生间隔，于所打印的对象中产生空腔。此称为出料不顺(under-extrusion)。

另一方面，当在该打印头喷嘴与先前沉积的层间的间距由于缺乏校正而减少时，该塑像材料的流量对欲沉积的径迹来说可变成太高，如此将挤出太多材料。此称为过度挤出(over-extrusion)。当该径迹是搁放在二个先前沉积的径迹间且于此之间的空间缩小时，亦可发生过度挤出。此可在该对象与打印头间产生过多力量及由于溢出的塑像材料而产生粗糙的对象表面。该塑像材料的溢出可在打印头的喷嘴尖上导致碎物或残余物，其可脱离该喷嘴尖及随着欲打印的对象熔融而造成该对象的潜在损失。同样地，该打印头会抹过该欲打印的对象而造成该对象非常粗糙的顶端表面及过多的力量，此最终造成该对象摆脱底板(build plate)。

亦可由当打印时的热膨胀及随后在打印热熔融材料后的收缩造成校正损失。当该热膨胀与收缩无法充分补偿时，在喷嘴与先前沉积的层间的间距会不具有固定尺寸。同样地，该打印头或喷嘴在与沉积方向垂直的方向上的尺寸亦可由于热效应而变化。

出料不顺或过度挤出的另一个原因可在于塑像材料进料尺寸的变化。当例如使用塑像材料细丝时，其直径变化可造成当打印时所沉积的塑像材料量变化，此提供当使用固定流量来控制欲沉积的塑像材料时的出料不顺或过度挤出的原因。

当进行该X-Y-Z系统及该塑像材料的进料工具的校正时，最高优先权为防止过度挤出，因为此将使得该方法靠不住。因此，积层制造(如熔融沉积成型)挤出打印机通常具有某些程度的出料不顺而造成开放空间或空腔形成。其副作用为该组件将不具气密性或耐压性及该组件的强度将是次理想。

大体而言，借由塑像材料(如例如热塑性聚合物组成物)的熔融沉积成型(FDM)所制备的对象其机械性质比借由注塑成型所制造且具有相同尺寸的对象较不适宜。在热塑性聚合物组成物的注塑成型时，由于聚合物的流体状态，全部聚合物链具有强交互作用及将具有大量缠结及固化时间来形成强对象。该对象的机械性质主要由使用来制备该对象的聚合物组成物决定。在FDM中，将一呈流体状态的新层提供到现存已经固化的层上。该新层的聚合物链与现存层的固化材料的缠结具有受限的可能性，及与现存层的键结将亦受限制。此外，在新层与现存层间的黏附力是比在相同层内的聚合物链间的黏附力弱。此将产生一具有在Z方向上的机械性质比在X方向及Y方向上者低的对象。

US 2014/0141166描述出一种使用2种聚酰胺的掺合物的FDM方法，该掺合物包括至少一种半结晶聚酰胺及一种非晶相聚酰胺。打印该掺合物以产生一尺寸稳定的组件。在打印后，以水调理该组件。该调理会减低该组件的多孔洞性，因为聚酰胺将透过该调理步骤吸收水及膨润。该多孔洞性的减低是归因于非常特定的二种聚酰胺的掺合物。US 2014/0141166提到未显示出此效应的比较用的不同材料，如例如聚醚酰亚胺、ABS、原始PA12聚酰胺及填充碳的PA12。

发明内容

因此，本发明的目标为克服上述问题及缺点。

根据一种态样，本发明提供一种具有少于5体积％的多孔洞性的三维物件，其是借由熔融沉积成型(FDM)选自于下列的材料且选择性填充无机或有机充填剂而创造：聚芳基醚酮(PAEK)、聚苯基硫醚类、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚砜、聚苯基砜、聚碳酸酯(PC)、聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚甲醛、聚氨酯(PU)、聚乙烯醇与丁烯二醇乙烯基醇的共聚物及其混合物，其中该多孔洞性是根据多孔洞性测试程序“多孔洞性测试”决定。

此外，进行根据本发明的积层制造技术能避免出料不顺而使得该对象具有较少空腔体积及低多孔洞性。

较佳的是，该多孔洞性是少于1体积％，或少于0.5体积％，少于0.2体积％，或甚至少于0.01体积％。

多孔洞性是一种存在于对象内的空腔的度量法。另一种空腔存在(或较佳为缺乏)的指示为泄漏测试。在泄漏测试时，测量通过对象样品的空气泄漏度。

当对象不具有空腔时，该对象将气密。较佳的是，根据本发明的对象具有低于10×10^-6毫巴·升/秒的空气气密性，较佳为低于4.3×10^-6毫巴·升/秒，更佳为在0至3×10^-6毫巴·升/秒之间，是借由泄漏测试程序(参见下列定义)决定。

图13显示出根据本发明的样品的典型结构(图式)。

图14显示出根据先述技艺的3D打印对象的典型结构(图式)。

较佳的是，根据本发明的三维对象具有高等向性强度，此意味着在全部方向(X，Y，Z)上的机械性质(应变及最终强度)皆类似。通常在FDM中，于Z方向上的机械性质比在X及Y方向上的机械性质低。于本文中，X及Y方向是与FDM设备的底板平行，及Z方向是与FDM设备的底板垂直。

此外，根据本发明的FDM方法较佳为以下列方式进行：当借由该FDM方法，从该塑像材料制得具有根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A的尺寸的测试样本时，该测试片在Z方向上的最终抗张强度是该测试片在X方向或Y方向上的最终抗张强度的至少70％，其中该最终抗张强度是根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A测量。

较佳的是，与该测试片的X或Y方向比较，在Z方向上的最终强度是至少80％，更佳为85％或90％。

该热塑性聚合物组成物可包括可使用于FDM的任何热塑性聚合物。较佳的塑像材料的实施例是选自于下列的群：聚芳基醚酮(PAEK)、聚苯基硫醚类、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚砜、聚苯基砜、聚碳酸酯(PC)、聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚甲醛、聚氨酯(PU)、聚乙烯醇与丁烯二醇乙烯基醇的共聚物及其混合物；选择性填充无机或有机充填剂。较佳的热塑性聚合物实施例有聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、聚酰胺及聚芳基醚酮(PAEK)，如例如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)及聚醚醚酮醚酮酮(PEKEKK)及其组合。最佳的是，该聚合物是PEEK。该聚合物组成物可进一步包括在技艺中常用的添加剂及充填剂。

在较佳的具体实例中，该热塑性聚合物组成物包括至少80重量％PAEK，较佳为至少90重量％PAEK。在特别佳的具体实例中，该热塑性聚合物组成物包括至少80重量％PEEK，较佳为至少90重量％PEEK，更佳为PEEK。

较佳的是，该热塑性聚合物组成物包括至少80重量％PAEK，较佳为PEEK；及借由该积层制造技术，从该聚合物组成物制得而具有根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A的尺寸的测试片，其根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A在X、Y、Z方向(如上述定义)的任何上所具有的最终抗张应力是至少50，较佳为至少60，或70，或80MPa。

PEEK由于其非常接近分解温度的高打印温度及PEEK的高热膨胀/收缩，其打印极困难。文献上，尚未报导出来自PEEK的FDM打印组件提供具有高机械性质的对象。

本发明亦关于一种借由FDM，从包括至少80重量％聚芳基醚酮(PAEK)的热塑性组成物创造的对象，其中借由该积层制造技术从该聚合物组成物制得而具有根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A的尺寸的对象的测试样本，其根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A所具有的最终抗张应力是至少70MPa，较佳为80MPa，更佳为90MPa。

该对象较佳为以下列方法获得，其中该FDM是借由下列进行：在具有X方向及Y方向的X-Y平面上提供一层，及相继地于Z方向上借由将塑像材料沉积到该层的顶端的预定位置上加入额外层，其中该X方向、Y方向及Z方向是彼此垂直，其中该沉积步骤包括：

a.在该塑像材料上施加一压力以将该塑像材料进料到预定位置上；

b.决定象征施加在该塑像材料上的压力参数；及

c.依该参数控制该进料；

及其中借由下列进行提供各该等层：

d.在标记出主要区域的X-Y平面中打印该对象的轮廓线；

e.装填在该X，Y平面中，于该对象的轮廓线内的主要区域的第一部分，在该主要区域中留下第二部分的开口；

f.藉由借由沉积步骤装填该第二部分。

测试程序

多孔洞性测试程序

光学装备

该光学装备由下列组成：

■Basler acA1920-50 gm数字单色照相机，其具有11.3毫米×7.1毫米传感器与1920×1200画素

■Edmund Optics 1X，40毫米WD CompactTL^TM远心镜头1x倍率及穿过该镜头的照明器埠

■Dolan-Jenner MI-150纤维光学照明器，其组装有150瓦具有3250K色温的灯以提供轴上照明

■Thorlabs GN2/M双轴手动测向(gonio)平台与样品支架。

样品制备

该样品应该包括至少15毫米×10毫米的打印面积与100％填料。

将该样品灌封在定位盘中以于抛光期间维持该表面平坦。

使用下列灌封材料：

7份Streuers Specifix-20与1份Streuers硬化剂，及让该样品在真空下进行浸渍。

截面平面是与打印方向垂直。

研磨该定位盘的二边以让该平面平行及让截面仅显示出填料区域。

使用Struers抛光器及Struers耗材的研磨及抛光程序是如下：

■80网栅：在150rpm及20牛顿力下150秒

■800网栅：在150rpm及20牛顿力下120秒

■1200网栅：在150rpm及20牛顿力下120秒

■2000网栅：在150rpm及20牛顿力下120秒

■4000网栅：在150rpm及20牛顿力下120秒

■3微米钻石膏：在150rpm及25牛顿下180秒

■5分钟超音波清洁

■1微米钻石膏：在150rpm及30牛顿下180秒

■10分钟超音波清洁

■小心地移除抛光步骤的残余物以获得干净表面。

当研磨时，以冷流水溢流该研磨盘及样品区域以防止样品受热损伤表面纹理结构。

研磨该样品直到表面平滑及在显微镜下几乎看不见任何抛光刮伤。

随后，使用抛光膏来移除残余刮伤。

此抛光程序是熟悉此技艺者的标准操作。

成像

当观看照相机影像时，调整手动转动平台的二者转动，以便该经抛光的表面与该光学系统的光学轴精确地垂直及照明光精确地反射进照相机中而获得最高的明亮度及对比。

调整照相机的快门时间，以便：

■曝光不足的画素少于1％，即，具有强度少于动态范围的1％；及

■过度曝光的画素少于1％，即，具有强度多于动态范围的99％。

该影像必需以没有影像压缩的全分辨率及单频灰色影像进行贮存。

应该可在视野内看见所打印的材料的实体片，且于影像中没有看见该组件的表面或边缘。

保证该影像传感器的宽度成像有至少10及不超过25条径迹。

保证该影像传感器的高度成像有至少14及不超过40层。

此外，若所打印的径迹的结构太大或太小而无法在视野内允许此打印径迹或层数目时，使用具有类似的光学性质但是不同倍率的镜头及按比例增减该样品的尺寸。

影像后处理

下列后程序假设该空腔呈暗色及在两者间的打印材料呈明亮色。输入影像及以有号的16位整数进行处理。

1.决定在画素中所测量的变量R，其中该画素是该影像的长短边的1/10。

2.创造该影像的复制品，及对该原始影像的复制品施加具有宽度及高度2*R的方形结构元素的中数滤镜(或最接近的奇数整数值，若此是该算法的实现所需要时)。

3.从该影像减掉来自步骤2的经过滤的影像，及在相同步骤中对每个画素加入1520的值。

4.检查所产生的影像是否未根据上述提及的1％准则裁剪。在发生裁剪的情况中，调整该照明及快门时间及重覆该程序。

5.将所产生的影像转换成二元影像，将具有正值的每个画素转换成1，及全部其它画素转换成0。

6.以具有半径31.5个画素的碟形结构元素进行区域侵蚀。

7.以具有半径5.53.0个画素的碟形结构元素进行区域膨胀。

8.以具有半径31.5个画素的碟形结构元素进行区域侵蚀。

9.修剪所产生的影像，从大如原始影像的高度的方形部分的每个留边(edgeleaving)修剪掉宽度R的带。

10.决定具有画素值0的黑色画素数目。

11.决定总画素数目。

12.以黑色画素数目与总画素数目的商来计算多孔洞性，以百分比表示。

用以计算多孔洞性的原始码是Python原始码及包括如下定义：

Version of Python used:3.6.4(v3.6.4:d48eceb,Dec 19 2017,06:54:40)[MSCv.1900 64bit(AMD64)]

Version of NumPy used:1.14.0

Version of openCV used:3.4.0

import numpy as np

import cv2

import os

import sys

def VisionAlgorithm(image,blurRadius＝10,threshold＝20,erodeRadius＝1.5,dilateRadius＝3.0):

#1)Determine blur radius

height,width,depth＝image.shape

R＝round(height/blurRadius)

#2)Perform median blur

blurred＝cv2.medianBlur(image,R*2+1)

#3)Convert to signed int to prevent overflow when subtracting

img16＝np.int16(image[:,:,1])

blurred16＝np.int16(blurred[:,:,1])

#4)Subtract images and add threshold

difference＝img16-blurred16+threshold

#5)Convert to binary

binary＝difference<0

binary＝np.uint8(binary)

#6)Erode

X,Y＝[np.arange(-2*(erodeRadius+1),2*(erodeRadius+1)+1)]*2

disk1＝np.uint8(X[:,None]**2+Y**2<＝erodeRadius*erodeRadius)

erosion＝cv2.erode(binary,disk1,iterations＝1)

#7)Dilate

X,Y＝[np.arange(-2*(dilateRadius+1),2*(dilateRadius+1)+1)]*2

disk2＝np.uint8(X[:,None]**2+Y**2<＝dilateRadius*dilateRadius)

dilation＝cv2.dilate(erosion,disk2,iterations＝1)

#8)Erode again

erosion2＝cv2.erode(dilation,disk1,iterations＝1)

#9)Only use center square portion of the image

leftMargin＝int((width-height)/2)

cropped＝erosion2[0:height,leftMargin:leftMargin+height]

#10)Count black pixels

blackPixels＝(cropped＝＝0)

black＝np.sum(blackPixels＝＝0)

H,V＝blackPixels.shape

porosity＝100*black/(H*V)

#11)Create blended image to display the result

center＝image[0:height,leftMargin:leftMargin+height]

islands＝np.zeros((H,V,3),np.uint8)

islands[:,:,2]＝255*(cropped>0)

blend＝cv2.addWeighted(center,0.7,islands,0.2,0)

header＝’porosity’

result＝’{porosity}％’.format(porosity＝porosity)

#Return the header,the results and the image back to the main program

return(header,result,blend)

#MAIN PROGRAM

#Determine a list of files to be processed

results＝[]

#Prepare a directory for storing result files

resultsDir＝os.path.join(os.getcwd(),‘results’)

if not os.path.isdir(resultsDir):

os.mkdir(resultsDir)

for de in os.scandir(os.path.join(os.getcwd(),’samples’)):

if de.name.lower().endswith(‘png’):

#Derive the file name

sample,extension＝os.path.splitext(de.name)

path＝de.path

#Open the image file

image＝cv2.imread(path,cv2.IMREAD_UNCHANGED)

#Have the image processed by the vision algorithm

header,result,blend＝VisionAlgorithm(image)

header＝’sample\t’+header

result＝sample+’\t’+result

#Store the blend of the image and the voids as a result image

sampleFile＝’％s.png’％sample

resultfile＝os.path.join(resultsDir,sampleFile)

cv2.imwrite(resultfile,blend)

#Append the header to the results list if required

if len(results)＝＝0:

print(header)

results.append(header)

#Append the results to the result list

print(result)

results.append(result)

results.append(“)

results.append(‘Version of Python used:％s’％sys.version)

results.append(‘Version of NumPy used:％s’％np.version.version)

results.append(‘Version of openCV used:％s’％cv2.__version__)

#Write the results to file

resultfile＝os.path.join(resultsDir,‘results.txt’)

open(resultfile,‘w’).writelines([‘％s\n’％s for s in results])

泄漏测试

为了测试气密性，定义出每个具有20毫米×20毫米×2毫米的立方体形状的测试样本A、B及C(参见图9)：

■测试样本型式“A”是在打印机的XY平面中打印

■测试样本型式“B”是垂直于打印机的XY平面打印

■测试样本型式“C”是借由锯开较大的打印对象所回收的样本。

以根据图10的测试装备进行测试。将测试样品水平放置在测试装备中。在测试样品上是水。在测试样品下是具有6巴的超压空气的压缩空气。借由内径14毫米及外径19毫米的O-环防止经由样品泄漏出空气或水。该装备的架构为若该O-环密封是不完美时，空气将流至周遭及将不会导致经由样品泄漏的错误侦测。

当将样品曝露至6巴的测试超压时，观察在水中发生的气泡。若超过10分钟时期无观察到大于

毫米的气泡时，该样品视为气密。气密性较佳为低于10×10^-6毫巴·升/秒，更佳为低于4.3×10^-6毫巴·升/秒，最佳为在0至3×10^-6毫巴·升/秒间。可借由估计气泡的总体积(假设球形)，将其乘以超压(6巴)及除以测试时期(10分钟)，以毫巴*升/秒数值计来计算气密性值。可以合适经校正的数字照相机来测量气泡直径。

对每个样品来说，根据如下列描述的测试方法测试3个随机样品。因此，总共进行9次实验。若9个样品全部通过测试，该样品视为气密。

用于机械测试的测试样本。

为了决定所打印的组件的机械性质，定义测试样本“D”、“E”及“F”。每个测试样本具有根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A的尺寸(亦参见图11a)。

定义一坐标系统，其是相对于打印方向进行定向(参见图11b)。

测试样本型式“D”是平坦打印在打印床上，其打印径迹在拉力棒的方向上，以便测量在X方向上的抗张强度(图11c)。

测试样本型式“E”是平坦打印在打印床上，其打印径迹在拉力棒的方向上，以便测量在Y方向上的抗张强度(图11d)。

对测试样本“D”及“E”来说，所打印的径迹是打印在彼此顶端上(参见图11e左)。不允许“砌砖结构”(图11e(右))。

测试样本型式“F”是相关于打印床呈垂直打印，以便测量在X方向上的抗张强度(图11f)。

该样本是以固体填料进行打印。若想要获得最理想的机械性质时，施加热处理。样本是以小程度的超尺寸进行打印及铣小以获得正确尺寸及精细的表面粗糙度。

对每种样本打印三个样品。采用其机械性质的平均值。

可使用不同塑像材料来进行根据本发明的方法。最常见欲使用的塑像材料是热塑性聚合物。亦可使用其它塑像材料，如例如反应性液体、树脂、填充材料如例如混凝土、石膏、热固性材料、弹性体、液晶聚合物、2K聚合物、软陶黏土(polymer clay)或黏合陶瓷(binded ceramics)。

根据本发明的对象可借由熔融沉积成型(FDM)获得，其中根据施加在塑像材料上的压力来控制该塑像材料(如例如热塑性聚合物组成物)沉积到预定位置上。更特别是，将该塑像材料沉积到预定位置上包括：

-在该塑像材料上施加一压力，以将该塑像材料进料到预定位置上；

-决定象征施加在该塑像材料上的压力参数；及

-依该参数来控制该进料。

在某些具体实例中，借由下列进行提供各该等层：

-在标记出主要区域的X-Y平面中打印该对象的轮廓线；

-装填在该X，Y平面中，于该对象的轮廓线内的主要区域的第一部分，在该主要区域中留下第二部分的开口；

-借由沉积步骤装填该第二部分。

在某些具体实例中，借由流量控制方式将该塑像材料(如例如热塑性聚合物组成物)进料到预定位置上进行该第一部分的装填。

用以创造根据本发明的三维对象的积层制造系统的实施例包括：

一积层制造打印头，其中该打印头是接附至一定位工具，其能让该打印头与该欲打印的对象的至少一种相对于彼此进行空间移动。

该打印头包括一管状进料成员及一安排在该管状进料成员的一端处的喷嘴，该喷嘴具有一用以给料塑像材料的排出口及一面对塑像材料先前沉积在欲创造的对象上的径迹的喷嘴尖。该塑像材料可是热塑性聚合物组成物。

该管状进料成员包括一用以将该塑像材料进料至该喷嘴排出口的进料管道。

该系统进一步包括一塑像材料进料工具，其是安排在该管状进料成员中与该喷嘴相对的末端处，其中该塑像材料进料工具是安排用以朝向喷嘴施加一压力，其中该压力是施加在该进料管道内的塑像材料上。

该系统进一步包括一用以决定象征施加在该塑像材料上的压力参数的压力决定工具。

该系统进一步包括一控制系统，其是安排用以根据所决定的象征施加在该塑像材料上的压力参数来控制该塑像材料进料工具。

对控制压力来说，可由该控制系统使用该压力决定工具检测当例如压力降低至低于某一程度时会发生出料不顺。可借由增加施加在该管状进料成员内的塑像材料上的压力来补偿此出料不顺。当沉积当前的径迹时，例如，当先前沉积的毗连径迹间的空间加宽时，可发生此。

另一方面，可检测当象征施加在塑像材料上的压力的压力参数增加至大于某一程度时会发生过度挤出。可借由减少施加在该管状进料成员内的塑像材料上的压力来补偿此过度挤出。例如，当先前沉积的毗连径迹间的空间变窄时，可发生此。借由控制该塑像材料的压力，将充分地装填在所打印的对象中的剩余空间而与剩余空间的体积无关。此将造成所沉积的径迹与先前沉积的毗连径迹熔融，造成空腔全部填实及毗连的径迹间的黏接改良。因此，该组件将具有最理想的气密性及强度。

由喷嘴与先前沉积的层间的间距所决定的径迹厚度通常非常小。此意味着由于该塑像材料的黏度，在此间距上的压力降很大。从喷嘴尖中或处的压力程度压力降至到达周压仅需要毫米级数大小的距离。当至喷嘴的距离变大时，在该间距上的压力降会增加。当该压力降等于在喷嘴中的超压时，该流动将停止及径迹将不变宽。当该打印头于对象上移动时，此衡消将变成稳定的径迹宽度。

使用流量控制式打印的主要差异为所沉积的径迹宽度衡消成固定线宽，同时良好地填满全部间距，然而该流动基础的打印将很快造成系统性出料不顺或过度挤出。

可借由控制施加在塑像材料上的压力来补偿于喷嘴与先前沉积的径迹间的间距尺寸变化。

在具体实例中，该控制系统是安排来控制该塑像材料进料工具，以便将施加在该塑像材料上的压力维持在预定最小压力值与预定最大压力值间。此允许施加在该塑像材料上的压力是在保证不会发生过度挤出或出料不顺的范围内，不管排列缺陷或定位工具的校正。

在具体实例中，该控制系统是安排用以将象征施加在塑像材料上的压力参数维持在固定值。此进一步改良欲沉积在先前沉积的径迹间或与其毗连的径迹，其能被完全填满而没有留下开放空间或空腔，同时防止碎物及残余物形成。再者，固定压力减少在该打印头及塑像材料进料工具上的磨损。

在具体实例中，该塑像材料进料工具包括一可控式驱动器及一连接至该驱动器用以将由该驱动器产生的力量转移至塑像材料的传动工具。该可控式驱动器允许该控制系统产生一可控力量，其产生一施加在该管状进料工具，即，该进料管道内的塑像材料上的压力，及一于喷嘴尖处施加在该塑像材料上的压力。

在具体实例中，该用以决定象征施加在该塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一用以决定象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具。此允许由该可控式驱动器及传动工具施加在该塑像材料上的力量决定例如象征施加在该塑像材料上的压力参数。从而决定的参数构成一象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力的度量。

可依该塑像材料来选择适当的驱动器及力量传动工具。该可控式驱动器可由该控制系统控制。于喷嘴尖处的力量及于该驱动器与传动系统内的扭力可视为施加在该塑像材料上的压力象征。

在具体实例中，该可控式驱动器包括一转动式驱动器，及该用以决定象征施加在进料管道内的塑像材料上的压力的参数的压力决定工具包括一用以决定由该转动式驱动器及/或传动所施加的扭力的扭力决定工具。此允许由该转动式驱动器及传动器的至少一种所施加的扭力导出该象征施加在塑像材料上的压力参数。

在具体实例中，该可控式驱动器包括一电动马达，及其中该扭力决定工具包括一马达电流测量工具。此允许没有任何进一步扭力传感器来进行扭力决定。

在具体实例中，该塑像材料进料工具包括一用以将塑像材料进料进该塑像材料进料器中的活塞。该活塞允许该塑像材料以棒形式进料进该管状进料成员中。

该象征施加在进料管道内的塑像材料上的压力参数是由该活塞施加在该塑像材料上的压力决定，及其中该用以决定象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一力量传感器，其是安排在该活塞处来测量由该活塞施加在该塑像材料上的压力。

可从所施加的力量导出该象征施加在进料管道内的塑像材料上的压力参数。此是除了来自该驱动系统的马达电流或扭力外的另一种测量方法，以容易地决定该象征施加在管状进料成员的进料管道内的塑像材料上的压力参数。

在具体实例中，该用以决定象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一连接至该管状进料成员的进料管道的压力传感器。因此，可直接由该压力传感器决定该象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力参数。

在具体实例中，该用以决定象征施加在该进料管道内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一在喷嘴处连接至该进料管道的压力传感器。因此，可任择地直接由在该喷嘴内的压力传感器决定该象征施加在进料管道内的塑像材料上的压力参数。

在具体实例中，该安排于喷嘴处的压力传感器包括一喷嘴变形传感器。此具有该传感器不需要与在喷嘴的进料管道内的塑像材料流直接接触的优点。

在具体实例中，该用以决定象征施加在塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一用以决定该象征施加在欲沉积的径迹内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具。此允许直接测量及控制在欲沉积的径迹内的塑像材料，因此保证该塑像材料平顺沉积及与横向先前沉积的径迹有最理想的熔融。

在具体实例中，该用以决定象征施加在欲沉积的径迹内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一在喷嘴尖处具有流体管道的压力传感器，以测量在所沉积的塑像材料中于喷嘴尖处的压力。该在喷嘴尖处的流体管道允许测量于喷嘴外在所沉积的径迹中靠近喷嘴排出口的压力。此允许直接测量在欲沉积的塑像材料内于喷嘴尖处的压力，保证快速及准确的压力测量。

在具体实例中，该用以决定象征施加在欲沉积的径迹内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一安排在该打印头与定位工具间的力量传感器。可借由下列测量该由打印头，即，喷嘴尖，施加在欲沉积的径迹的塑像材料上的力量：其是测量在经由支架及定位系统、基座，从打印头至欲创造的对象的机械路径中，于不同场所处的反作用力，其中该路径传动由该打印头施加于欲沉积的径迹上的力量。可从所决定的力量导出在尖端处施加于该塑像材料上的压力。

在具体实例中，该力量传感器是安排在该打印头与定位工具的互相连接处。于此情况中，可测量在该打印头与定位工具，更特别是，对着其装配打印头的支架间的力量。

在具体实例中，该用以决定象征施加在欲沉积的径迹内的塑像材料上的压力参数的压力决定工具包括一安排在该定位工具的基座上的力量传感器，其中该基座是安排用以接收欲创造的对象。让该欲创造的对象座落于参考场所处。其可安装在基座上。可测量在底板上的力量，或任择地，可测量在底板与定位工具间的力量，可从其导出象征压力的参数。

可借由欲打印的对象的重量来补偿所决定的压力。当该打印头未启动或移开时，此重量可例如由该力量传感器决定。此可在进行径迹沉积的打印方法期间，于数个时距中进行。

在具体实例中，该系统进一步包括一塑像材料流量决定工具。此允许决定在沉积径迹中所使用的塑像材料量。可从该塑像材料流量及打印速度决定所沉积的径迹的厚度。

在具体实例中，该流量决定工具包括一用以决定该塑像材料进料工具的位移的位移传感器，及其中该控制系统是安排以借由决定每单位时间的位移来决定该流量。该塑像材料进料工具将该塑像材料推进该管状进料成员中。可借由测量该进料工具每单位时间的位移，从在时间内的位移及该管状进料成员的截面积来决定该塑像材料流量。

在具体实例中，该控制系统是安排以任择地使用所决定的塑像材料流量来控制该塑像材料流量及控制施加在该塑像材料上的压力。

在任择的具体实例中，该流量决定工具包括一用以决定该塑像材料进料工具的流量的流量传感器。

在具体实例中，该流量决定工具包括一用以决定转动式驱动器的转动速度的传感器。该转动式驱动器驱动该塑像材料进料工具。因此，该塑像材料在该管状进料成员内的位移是与该转动式驱动器的旋转速度相联结。因此，可从该转动式驱动器的旋转速度导出在该管状进料成员中的塑像材料流量。此具有当使用电动马达作为该转动式驱动器时，该旋转速度可容易地从与驱动该马达相关的电参数来决定的优点。因此，不需要分别的位移传感器。

在具体实例中，该控制系统是安排用以使用流量控制来控制该定位工具及打印头以沉积二个第一径迹，其中该第一组二个径迹是间隔开，及其中该控制系统是安排用以控制该定位工具及打印头以在该二个第一径迹间沉积一中间径迹，同时控制施加在该塑像材料上的压力。在此方法中，该第一径迹是与先前沉积的径迹各自独立地沉积。此等径迹不需要高装填等级来防止间隔及空腔，因此可使用流量控制。但是，该欲沉积在该第一组二个径迹间的中间第二径迹需要不留下空腔的高装填等级。因此，此第三径迹可使用压力控制沉积。

在具体实例中，该管状进料成员可由绕着与喷嘴毗连的管状进料成员的至少下部分而安排的加热组件来进行加热。此允许由该熔融沉积成型系统加工可加热的塑像材料。该塑像材料是经加热同时将其推入该管状进料成员中。当该塑像材料到达喷嘴时，该塑像材料被加热至其熔融温度。该加热组件可按规格尺寸切割及控制以到达所需要的熔化温度。

在具体实例中，该喷嘴可由绕着喷嘴安排或安排在其内的加热组件进行加热。此允许将该管状进料成员的加热组件调整至较低温度而防止该塑像材料热降解，因为某些材料仅可保持在高温，即，熔化温度下一段有限的时间。仅在该进料管道靠近喷嘴的最后部分中，将该塑像材料加热至其熔化温度，因此提供适当的打印同时将该塑像材料维持在好的状态，即，防止降解。

根据本发明的用以创造三维对象的积层制造方法的实施例包括使用如上所述用于积层制造的系统来进行积层制造。

该方法进一步包括：

沉积第一塑像材料径迹，其包括：

●使用该塑像材料进料工具进料该塑像材料；

●决定象征施加在该塑像材料上的压力参数；

●依该象征施加在塑像材料上的压力参数来控制该塑像材料进料工具。

在具体实例中，依该象征施加在塑像材料上的压力参数来控制该塑像材料进料工具包括比较该象征施加在塑像材料上的压力参数与参考值，及其中以在所施加的压力与参考值间的差异为基准来控制该塑像材料进料工具。

在具体实例中，依施加在该塑像材料上的压力来控制该塑像材料进料工具包括将象征施加在塑像材料上的压力参数维持在先前决定的最小压力值与先前决定的最大压力值间。

在具体实例中，依该象征施加在塑像材料上的压力参数来控制该塑像材料进料工具包括将该象征施加在塑像材料上的压力参数维持在先前决定的固定值上。

在具体实例中，其中该沉积第一塑像材料径迹的步骤包括在先前沉积的第二塑像材料径迹与先前沉积的第三塑像材料径迹间的空间中沉积该第一径迹，其中该第三径迹是与该第二径迹间隔开。

在具体实例中，该决定象征施加在塑像材料上的压力参数包括决定象征施加在该管状进料成员及/或喷嘴的进料管道内的塑像材料上的压力参数。

在任择的具体实例中，该决定象征施加在塑像材料上的压力参数包括决定象征施加在欲沉积的径迹内的塑像材料上的压力参数。

附图说明

图1a显示出根据技艺状态的积层制造系统的图式。

图1b显示出根据技艺状态的用以控制积层制造系统的控制系统的方块图。

图2a-2c显示出根据技艺状态的积层制造系统的态样。

图3a-3b显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的态样。

图4a显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的图式。

图4b显示出根据本发明的具体实例的用以控制积层制造系统的控制系统的方块图。

图5显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的图式。

图6a-6d显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的态样。

图7a-7c显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的态样。

图8a-8b显示出根据本发明的具体实例的积层制造系统的态样。

图9显示出用于泄漏测试的测试样本A、B及C。

图10显示出用于泄漏测试的测试装备。

图11a显示出ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A。

图11b显示出相对于打印方向的坐标系统。

图11c显示出测试样本D的定向。

图11d显示出测试样本E的定向。

图11e显示出在Z方向上的层的排序。

图11f显示出测试样本F的定向。

图12显示出多孔洞性测试资料。

图13显示出根据本发明的方法所制备的样品的图式影像。

图14显示出在先述技艺FDM方法中所制造的样品影像。

图15显示出根据本发明的样品的典型影像(在该图像处理程序的步骤5处)。

图16显示出根据先述技艺的样品的影像细部(在图像处理程序的步骤5处)。

附图标记说明

100 积层制造系统 101 管状进料成员

102 喷嘴 102a 喷嘴排出口

102b 喷嘴尖 103 活塞

104 驱动器 105a、105b 齿轮

106 支架 107 连接棒

108 塑像材料 109 先前沉积的径迹

110 沉积的FDM径迹 110a 新的塑像材料径迹

110b 不完全给料的塑像材料径迹 110c 过度挤出的塑像材料径迹

110d 密合沉积的塑像材料径迹

110e 比先前沉积的径迹宽的塑像材料径迹

111 位移传感器 112 位移控制系统

113 驱动器系统补偿 114 流量调节模块

115 减法单元 120a、120b 进料管道

121 打印头 201 间距

202 顶脊 402 压力控制模块

400 在打印头内有压力控制的积层制造系统

401 用于象征在进料管道内的压力参数的传感器

403 减法器 412 用于压力控制的控制系统

500 在喷嘴尖处有压力控制的积层制造系统

501 位移传感器 502 弹性成员

503 XYZ定位系统 504 基座

601-604 压力传感器 605 第一径迹

606 第三径迹 607 第二径迹

701 使用流量控制的第一径迹 702 使用流量控制的第二径迹

703 使用压力控制的第三径迹 801 第一径迹堆栈

802a-802b 毗连的径迹 S 流量设定点

X 每单位时间的位移 PR 压力设定点

PM 象征压力的测量参数 H1 流量控制转移函数

H2 压力控制转移函数

具体实施方式

图1a以简化形式显示出用于积层制造的系统100。该系统100包括一经由连接107接附至支架106的图景步进位置(view step position)模塑打印头121，该支架106是包括在图1a未显示出的X-Y-Z定位系统中，其允许当沉积塑像材料层110时，让该打印头121与欲打印的对象彼此相对地移动。该打印头121包括一作用为挤出器管的管状进料成员101，及其是安排用以从该管状进料成员101的一端朝向连接在该管状进料成员101的相反端处的喷嘴102进料该塑像材料108。该管状进料成员101可例如从金属制得，诸如不锈钢。

该管状进料成员101及喷嘴102各别包括进料管道120a、120b。该喷嘴102的进料管道120b导致喷嘴排出口102a是在喷嘴尖102b处。在打印期间，该喷嘴尖102b是与欲沉积的塑像材料110接触。

该塑像材料108可包括热塑性聚合物，诸如例如聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)及聚醚醚酮(PEEK)。这些材料可于该管状进料成员101内熔化及从打印头喷嘴102给料在随后的径迹109，110中以形成欲创造的对象。

可对该管状进料成员101及亦该喷嘴提供一个或多个可绕着该管状进料成员101安排的加热组件，以便加热及熔化该塑像材料进料以允许该打印头沉积及熔融呈熔融状态的塑像材料。

可在薄径迹109、110中沉积其它塑像材料及选择性例如借由曝露至紫外光、空气、热或其它硬化剂来硬化。

该塑像材料108是以第一径迹沉积在基座上，及借由X-Y-Z定位是统在先前沉积的径迹109上进行相继的沉积操作。该基座可是合适于开始该径迹沉积、建造及携带该欲打印的对象的基座板、地面或任何其它结构。该基座可是固定或移动式。在某些情况中，该基座可于水平的X_Y方向上移动，然而该打印头可在垂直的Z方向上移动。在其它情况中，该基座可相对于打印头在X-Y-Z水平及垂直方向上移动。在再次其它情况中，该打印头可相对于基座在X-Y-Z水平及垂直方向上移动。在此描述中，借由实施例提供后者情况。

当该打印头121是在先前沉积的径迹109上移动时，该驱动系统包括一驱动器104、一用以将驱动器104的旋转运动传动至活塞103的纵向运动的传动器105a,105b，其中该活塞将塑像材料朝向喷嘴102推入该管状进料成员101的进料管道120a内。该转动至平移传动器105a、105b、103可是一转轴传动，其中螺帽105b是由转动式驱动器104驱动。由该转动至平移传动器施加在塑像材料108上的压力可来自扭力，其是使用马达轴的角位移与接附至该转动至平移传动器105a、105b、103的转轴的活塞103的纵向位移的转移比率决定。该转动式驱动器104可是一步进马达，其可经数字控制而在所选择的方向上以离散式数目进行步进。该转动式驱动器104亦可是电动马达，DC或AC；或可是一借由供应至马达的电压及/或电流控制的伺服马达。在后者情况中，连接至马达轴的编码器可提供马达的位置讯息。

可对该活塞103提供一位移传感器111，其是安排以测量该活塞103相对于该管状进料成员101的位移X。如在图1a中描出的技艺状态，其显示出如例如在管状进料成员101中将塑像材料棒进料至喷嘴102的实施例。在该技艺中可获得另一个将塑像材料进料至喷嘴的实施例，诸如例如使用可借由电动马达驱动的细丝冲压辊(filament punch rollers)将塑像材料细丝进料进管状进料成员101中。以类似方法，使用X-Y-Z定位系统在先前沉积的径迹109的顶端上进行沉积径迹110，同时将该塑像材料细丝进料进该管状进料成员101中。

根据图1a，该系统100可借由一控制系统控制，其是安排以对所需要的径迹厚度及打印速度呈一比率比例来给料该积层制造材料。为了达成此，要达成预定的塑像材料108流量。该控制系统控制该驱动器104，及位移传感器111测量该活塞103的位移X。该活塞103每单位时间的位移提供该塑像材料108的流量，因此允许该控制系统调节在径迹110中所需要的塑像材料108给料量。

图1b显示出一控制系统的实施例，其中将所需要的流量设定值S提供至减法单元115，其经安排以减去经计算的每单位时间的位移X，因此提供一可供应至该控制系统的调节模块114的误差信号。

该调节模块114可提供一具有比例、比例与积分、或比例积分与微分控制函数的适当的转移函数H1。该控制系统控制该驱动器104及传动单元105、105a及该转轴传动器从齿轮105b至活塞103的传动。该驱动器104、传动器105a、105b及这些组件的相关的传动比率象征性以该实施例在图1b中的区块113描出。如所叙述，该活塞103的位移可从传感器111的位移获得，但是熟练人士可找到建立活塞103的位移的代用品。

图2a阐明根据技艺状态的积层制造技术100。在先前沉积的径迹109上沉积新的塑像材料108径迹110a。在理想状况下，该沉积径迹是连续式沉积。在先前沉积的径迹与径迹间，于水平方向或垂直方向上皆无间距。当相对于所需要的径迹厚度及打印头121的沉积速度有准确地控制该塑像材料的流量时，可达成此。该塑像材料108的沉积程度及紧密性高度依赖该系统或打印机的校正。

图2b显示出于流量控制式积层制造中常见称为出料不顺的缺点。该出料不顺会于塑像材料的沉积期间发生空腔或间距201。径迹110b显示出当在打印时，于先前沉积的径迹上的打印是不完全给料。当该积层制造系统未经合适地校正时，可发生此间距201。当进行校正时，其目标正常为防止过度挤出，因为此将使得该方法靠不住。但是，由于随机误差而不可能有完美的校正，因此积层制造系统或打印机通常具有某些程度的出料不顺。至于副作用，该组件将无气密性或耐压性及该组件的强度将是次理想。

图2c表示出过度挤出。该过度挤出是进入该沉积层110c中的塑像材料108流量太高。因此，可发生塑像材料108的顶脊202，此是因为该喷嘴尖102b累积塑像材料108及将该过量的塑像材料推至该沉积或打印方向的横轴边而造成。

在图3a中，该塑像材料的径迹110d密合地沉积在先前沉积的径迹109间而与在这些径迹间的剩余空间的体积无关。类似地在图3a中，于先前沉积的径迹109间的空间比该径迹其本身窄。

在图3b中，所沉积的径迹110e是比先前沉积的径迹宽。此将造成完全填充该空腔及改良与毗连及下方的打印径迹的黏接。因此，以此方式所打印的组件将具有可在如下列描述的沉积模塑系统中达成的最理想的气密性及强度。

在图4a中，显示出类似于图1a的熔融沉积成型系统400。可提供扭力传感器401来测量由驱动器104及传动器105a、105b施加至活塞103及因此至塑像材料108的扭力。可从所测量的扭力导出施加在该管状进料成员101内的塑像材料108上的压力。

任择地，可将一压力传感器接附至该活塞103。该压力传感器是安排用以测量由该活塞103施加至该塑像材料108的压力。可将该活塞压力传感器接附至该活塞103的尖端以直接测量施加在该塑像材料上的压力。该活塞压力传感器亦可是一力量传感器，其是接附至该活塞103与驱动器104及/或传动系统105a、105b的啮合点。再者，该压力传感器可是一接附该活塞杆的应变片。当将一压力或力量施加至活塞103时，此压力或力量会被转移至该塑像材料108。该活塞杆将由于所施加的压力或力量而变形，此可由该应变片测量。于该管状进料成员101的较高端中，由该活塞103施加在塑像材料108上的压力最终会于喷嘴102内产生该塑像材料的压力。

图4b显示出一用于系统400来进行压力控制式积层制造的控制系统。作为实施例，该扭力传感器401可提供驱动该塑像材料进料工具的马达扭力的量测，其可使用作为象征施加在管状进料成员102的进料管道120a、120b内的塑像材料108上的压力的测量参数PM。任择地，可使用马达电流作为象征施加在进料管道120a、120b内的塑像材料108上的压力参数PM。该马达电流是与由该马达传送至传动器105a、105b至活塞103的扭力呈比例。再者，可使用该活塞压力作为象征施加在塑像材料108上的压力参数PM。

该控制系统412可经安排以借由减法器403比较所测量的参数PM与参考参数值PR。在减法器403中，从参考参数值PR减去所测量的参数PM，将其差供应至具有转移函数H2的调节函数模块402。该转移函数H2可是呈比例(P)、比例与积分(PI)、或比例、积分与微分(PID)。该提供调节模块402的控制器控制该驱动系统113。

可借由控制马达电流达成在管状进料成员101内的塑像材料108上的压力控制。

该参考参数值或设定点PR可依打印头旅行速度、间距尺寸、温度、塑像材料性质而变化。

图5显示出与图4a的系统相应的系统，其具有另一种用以建立象征施加在塑像材料108上的压力参数的方法。在图4a的系统中，该参数是象征施加在打印头121，即，管状进料成员101内的塑像材料上的压力。在图5的系统中，该象征施加在塑像材料上的压力参数是借由施加在欲沉积于径迹110中的塑像材料上，于喷嘴102的尖端102b处的压力决定。当借由施加在打印头121内的塑像材料108上的压力挤出时，在沉积层110内造成于喷嘴尖102b处的压力，此产生一将喷嘴尖102b推离先前沉积的径迹109的力量。

此力量是从该打印头121经由连接至在上面放置欲模塑的对象的基座504的支架106及X-Y-Z定位系统503进行传播。任择地，该X-Y-Z-系统及支架可连接至地面。因此，该欲打印的对象可在地面上，其是提供作为该欲打印的对象的基座。然后，可测量在该对象与地面间施加于该塑像材料上的力量。

因此，该力量亦在支架106与打印头121间传播及可例如在该连接107处测量。图4a的打印头121至支架106的连接107可由至少一个弹性连接成员502形成。位移传感器501可测量该弹性连接成员502的变形作为经由X-Y-Z系统及基座传播路径从打印头传动通过至欲创造的对象的力量，因此施加在该沉积的径迹110中的进料上的压力的度量。任择地，亦可在根据图4a的系统中达成该力量的测量，其中在该打印头121与支架106间的连接107提供一负载单元或应变片来测量由该打印头121及欲沉积的径迹110所施加的压力。

再者，可借由例如使用重量标尺或压力垫来测量于该物件与基座504间，施加在欲沉积的层110中的塑像材料上的力量。从而测量的力量象征施加在欲沉积的层内的塑像材料上的压力。

如显示在图6a-6d中，任择地为了测量施加在打印头121内的塑像材料上的压力，如在相关的图4a中所描述，即，驱动器及传动系统的扭力或在活塞103处的力量，可直接测量施加在该管状进料成员101，即，进料管道120a内的塑像材料108上的压力，如显示于图6a中。可使用由该压力传感器601测量的压力来控制该驱动器104以获得合适于将该塑像材料打印成欲沉积的径迹110的压力。图6b显示出另一种压力传感器602的放置，其中该压力传感器602是放置在喷嘴102内及其是检测在喷嘴102内的进料管道120b的压力。另一种测量进料管道120b内的压力的方法是测量绕着该进料管道120b的喷嘴变形。

另一种测量在进料管道120a、120b内的压力的方法为具有如显示在图6d中的压力传感器604，其是安排在喷嘴102内及流体连接至喷嘴尖102。于喷嘴尖102b处测量到的压力代表施加在塑像材料径迹110上的压力。因此，提供此方法，建立与图5相关的另一种建立施加在径迹110中的塑像材料上的压力的方法。

合适于使用在如上所述的积层制造系统来测量在打印头121内的压力的压力传感器包括具有可变形的膜的膜传感器。诸如汞的液体可将在欲测量压力的塑像材料管道，即，进料管道120a、120b内，或在喷嘴尖102b处的压力转移至该膜。该传感器其自身可是下列型式，包括薄膜金属传感器、导体/应变片相关型传感器、压电传感器、磁抗传感器、雷射干涉仪传感器及以机械位移为基准的传感器。

如显示在图6a-6d中，可使用压力控制让该径迹110紧邻着先前沉积的径迹109沉积而形成沉积的塑像材料的连续径迹。该径迹110将借由施加在其上的压力经由喷嘴口或喷嘴尖流至先前沉积的径迹及与先前沉积的材料熔融。图7a-7c显示出另一种使用压力控制来沉积塑像材料径迹的对策。

如显示在图7a中，使用流量或压力控制来沉积第一径迹701。图7b显示出第二径迹702是与该第一径迹701间隔开沉积。图7c显示出第三径迹703是使用压力控制打印在径迹701与702间。该塑像材料108是填充在该第一径迹701与第二径迹702间的开放空间及与这些先前沉积的径迹熔融，以便径迹701,702-703形成一没有间距或空腔的连续层。

图8a,8b显示出打印对策的改良方法，其中使用流量控制来沉积径迹801的第一堆栈。可使用压力控制来沉积具有更粗糙的沉积轮廓的毗连的径迹802a、802b作为填料。

该控制系统可包括可程序逻辑控制器(PLC)、具有内存(RAM、ROM、EPROM等等)且包括程序指令的微控器或处理器，其中该指令将在操作时造成该处理器进行如所描述的控制。

该程序指令可包括用以从如所描述的这些象征性力量及扭力来计算施加在塑像材料108上的压力的模块。再者，可计算由于在该驱动器、传动器、塑像材料管状进料成员101及喷嘴内的摩擦力及其它原因的损失，及使用其来补偿或修正如所描述的控制回路412。

上述具体实例仅叙述出作为实施例。可对这些具体实例制得补充及修改而没有离开如在下列申请专利范围中所罗列定义的范围。

实验

已经根据本发明的方法制备组件，其中该方法包括下列步骤：

a.在塑像材料上施加一压力以将塑像材料进料到预定位置上；

b.决定象征施加在塑像材料上的压力参数；及

c.依该参数控制该进料；及

其中借由下列进行提供各该等层：

d.在标记出主要区域的X-Y平面中打印该对象的轮廓线；

e.装填在该X,Y平面中，于该对象的轮廓线内的主要区域的第一部分，在该主要区域中留下第二部分的开口；

f.借由沉积步骤装填该第二部分。

于此的后，此方法称为BOND方法。

多孔洞性

对多孔洞性测试来说，根据BOND方法打印由PEEK材料打印的测试样本，将其与从Ultem 9085与100％填料在Stratasys Fortus 450mc打印机上打印的测试样本比较。根据“多孔洞性测试”程序来检验微观样品及处理影像。结果显示在下列图12及表1中：

表1

泄漏测试

根据上述泄漏测试实验进行泄漏测试。

已经在最先进的Stratasys Fortus 450mc机器上制备、从Ultem制备出具有不同厚度从1变化至2.5毫米的不同组件。亦已经从聚碳酸酯(在Stratasys机器上制备)及ABS(在Ultimaker机器上制备)制备出组件。从该组件的底板(XY方向)取得组件。

已经根据BOND方法，使用如上所述的压力控制式列印制备、从PEEK制备具有不同厚度的4个组件。从底板(XY)及垂直于底板(Z方向)制备组件。

结果总整理在表2中。

表2

在从Stratasys组件及Ultimaker组件所制备的全部样品中皆发现如此多的气泡，使得无法在泄漏测试中测量流量。对根据BOND方法制造的全部组件来说，没有观察到气泡，此意味着全部组件是气密。

机械性质

根据BOND方法制备10个PEEK样品及已经根据ISO 527-2：2012决定在Z方向(与底板垂直)上的临界强度。结果显示在表3中。

表3

已经从Ultem在Stratasys机器上制备3个样品。已经根据先述技艺决定断裂点强度及显示在表4中。

表4

	ΣX(MPa)	ΣY(MPa)	ΣZ(MPa)
				样品1	74.73	61.24	42.03
样品2	62.65	60.88	43.55
				样品3	68.36	53.43	41.78

				平均	68.6	58.5	42.5
最好	74.7	61.2	43.6

使用FDM方法，在Ultimaker，Stratasys设备上及根据BOND方法制备测试棒。从不同热塑性材料制备组件及已经决定的性质显示在表5中。

表5

该数据显示出BOND组件显示出无多孔洞性及是气密。在习知机器中制造出的组件由于出料不顺未气密及显示出许多空腔。

该BOND方法能打印比在先述技艺机器上制造的组件要求更高的热塑性材料的组件。PEEK因为其聚合物特征而非常难以使用在FDM方法中，且无法在Ultimaker或Stratasys机器上打印。

Claims

1.一种借由熔融沉积成型法(FDM)从一塑像材料并选择性装填无机或有机充填剂而创造的三维对象，其中该塑像材料是来自聚芳基醚酮(PAEK)、聚苯基硫醚类、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚砜、聚苯基砜、聚碳酸酯(PC)、聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚甲醛、聚氨酯(PU)、聚乙烯醇与丁烯二醇乙烯基醇的共聚物及其混合物，其中该对象具有少于5体积％的多孔洞性，是根据如在第6页第23行至第11页第17行中所定义的多孔洞性测试程序“多孔洞性测试”决定。

2.如权利要求1所述的对象，其中该多孔洞性是少于1体积％，或甚至少于0.1体积％。

3.如权利要求1或2所述的对象，其中该对象具有低于10×10^-6毫巴·升/秒的气密性，较佳为低于4.3×10^-6毫巴·升/秒，更佳为在0至3×10^-6毫巴·升/秒之间，是由如在第11页第19行至第12页第10行中所定义的泄漏测试程序决定。

4.如权利要求1至3中任一项所述的对象，其中该测试片在Z方向上测量的最终抗张强度是该测试片在X方向或Y方向上测量的最终抗张强度的至少70％，其中该最终抗张强度是根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A测量。

5.如权利要求1至4中任一项所述的对象，其中该对象是使用FDM从一热塑性组成物制备，及其中该热塑性聚合物是选自于聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、聚酰胺及聚芳基醚酮类(PAEK)，如例如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)及聚醚醚酮醚酮酮(PEKEKK)及其组合。

6.如权利要求1至5中任一项所述的对象，其中该热塑性聚合物组成物包括至少80重量％PAEK，较佳为至少90重量％PAEK。

7.如权利要求1至6中任一项所述的对象，其中该热塑性聚合物组成物包括至少80重量％PEEK，较佳为至少90重量％PEEK，更佳为PEEK。

8.如权利要求6或7的对象，其中具有根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A的尺寸且从该聚合物组成物借由积层制造技术所制造的对象的测试样本具有根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A的最终抗张应力是至少70MPa，较佳为80MPa，更佳为90MPa。

9.如权利要求1至8中任一项所述的对象，其中该FDM是借由下列进行：在具有X方向及Y方向的X-Y平面中提供一层，及相继地借由将一塑像材料沉积到该层的顶端的预定位置上在Z方向上加入额外层，其中该X方向、Y方向及Z方向是彼此垂直，其中该沉积步骤包括：

b.决定用于指示施加在该塑像材料上的压力的参数；及

c.依该参数控制该进料。

10.如权利要求1至9中任一项所述的对象，其中借由下列进行提供各该等层：

a.在标记出主要区域的X-Y平面中打印出该对象的轮廓线；

b.装填在该X，Y平面中于该对象的轮廓线内的主要区域的第一部分，在该主要区域中留下第二部分的开口；

c.借由沉积步骤装填该第二部分。

11.如权利要求1至10中任一项所述的对象，其中借由流量控制方法将该塑像材料进料到预定位置上进行装填该第一部分。

12.一种借由熔融沉积成型法(FDM)从包括至少80重量％聚芳基醚酮(PAEK)的热塑性组成物创造的对象，其中具有根据ISO 527-2：2012SPECIMEN 5A的尺寸且从该聚合物组成物借由积层制造技术所制造的对象的测试样本具有根据ISO 527-2：2012 SPECIMEN 5A的最终抗张应力是至少70MPa，较佳为80MPa，更佳为90MPa。

13.如权利要求12所述的对象，其中该FDM是借由下列进行：在具有X方向及Y方向的X-Y平面中提供一层，及相继地借由在Z方向上将一塑像材料沉积到该层的顶端的预定位置上加入额外层，其中该X方向、Y方向及Z方向是彼此垂直，其中该沉积步骤包括：

b.决定用于指示施加在该塑像材料上的压力的参数；及

c.依该参数控制该进料；

及其中借由下列进行提供各该等层：

d.在标记出主要区域的X-Y平面中打印出该对象的轮廓线；

e.装填在该X，Y平面中于该对象的轮廓线内的主要区域的第一部分，在该主要区域中留下第二部分的开口；

f.借由沉积步骤装填该第二部分。

14.如权利要求12或13所述的对象，其中该热塑性组成物包括至少90重量％PEEK。

15.一种用以制造如权利要求1至14中任一项的对象的方法，其中该方法包括下列步骤：

b.决定用于指示施加在该塑像材料上的压力的参数；及

c.依该参数控制该进料；

及其中借由下列进行提供各该等层：

d.在标记出主要区域的X-Y平面中打印出该对象的轮廓线；

f.借由沉积步骤装填该第二部分。