CN111132844B - 用于医疗装置的增材制造的系统和方法 - Google Patents

用于医疗装置的增材制造的系统和方法 Download PDF

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Abstract

增材制造系统(101)能够挤出具有涂覆有聚合物的纤维芯的聚纤维股线(114)，该聚合物在使挤出的纤维定位并且定向方面具有高范围的柔韧性。挤出的纤维可在单个方向上铺设，或者可弯曲或转向以在多个方向上铺设。装置和部件的结构可使用互连的挤出股线(214，216)来形成，该互连的挤出股线在股线(214，216)之间和周围具有间隙空间(209)。该结构可使用基于压力或真空的注入系统来用树脂(222)或聚合物注入。这样，可在不需要昂贵模具的情况下形成耐用聚合物物体。其他技术也是可能的，包括改变用于物体的股线的类型以形成将优先以某些方式或方向扭曲或挠曲的物体的区域，以及生产包括具有不同类型的树脂或不具有树脂的区域的物体。

Description

用于医疗装置的增材制造的系统和方法
技术领域
本发明所公开的技术涉及用于装置、部件和其他物体的增材制造的系统。
背景技术
由于它们在其中使用的应用和环境，使用聚合物材料而不是金属制造一些医疗装置可能是有利的。聚合物材料的使用可允许降低获取材料的成本、降低加工原料的成本、或两者兼具。聚合物材料可具有附加的优点，包括减轻的重量(对于植入物、假体和手持工具而言可能是期望的)、就植入物和假体而言减少的过敏反应或相关反应的变化、以及对在用于生物应用时可能发生的生锈、腐蚀和其它磨损的改善的抗性。
限制其广泛使用的聚合物材料的一个限制是相对于金属材料的降低的机械强度。工具、植入物、假体和其他物体在使用期间所经历的强力会导致常规聚合物部件以可能是危险和不可预测的方式失效。即使在传统聚合物部件可满足机械强度要求的情况下，它们的成本优势也可能未实现，尤其是在仅需要有限量的它们的情况下。例如，批量生产的聚合物部件可将其制造期间使用的定制模具的成本分摊到许多生产的项目上，而需要独特模具的定制植入物或假体可能仅能够将这些成本分摊到少数生产的项目上。
增材制造技术可用于生产实现上述有益效果的医疗装置，同时还能够定制医疗装置，使得给定医疗装置可基于将使用医疗装置的特定患者的解剖结构和/或需要来在结构上被特别构造。因此，需要一种用于医疗装置的增材制造的改进的系统。
附图说明
以下附图和具体实施方式旨在仅为示例性的，而不旨在限制本发明人所设想的本发明的范围。
图1是示例性方法中的一组高级步骤的流程图，所述示例性方法可由系统执行或与系统一起执行以增材制造工件；
图2是可在图1的方法内执行的一组示例性子步骤的流程图，以形成该工件的子结构；
图3是用于将聚合物涂覆的纤维进料到增材制造系统的挤出头的示例性进料系统的示意图，所述增材制造系统可用于执行图1的方法；
图4是可用于执行图1的方法的示例性增材制造系统的示意图；
图5是图1的增材制造系统和示例性制造件的示意图；
图6是图4的增材制造系统的示例性聚合物模头的横截面；
图7是图5的制造件的前透视图；
图8是在增材制造工艺期间的若干挤出的聚纤维的前透视图；
图9是图8的挤出的聚纤维的侧正视图；
图10是在增材制造工艺期间的若干挤出的和成形的聚纤维的透视图；
图11是示出图1的增材制造系统可执行以使用增材制造子结构来形成工件的一组示例性步骤的流程图；
图12是在第一阶段的示例性模具树脂转移工艺的前透视图；
图13是在第二阶段的图12的模具树脂转移工艺的前透视图；
图14是使用图12和图13的工艺制造的示例性工件的侧剖视图；
图15是示例性树脂注入工艺的侧正视图；
图16是使用图15的工艺制造的示例性工件的侧正视图；
图17是使用图12或图15的工艺中的一者制造的示例性工件的前透视图，其中虚线示出内部结构；
图18是使用图12或图15的工艺中的一者制造的另一个示例性工件的侧剖视图，其中实线示出内部结构；
图19是沿图18的线19-19截取的图18的制造件的顶部剖视图，其中实线示出内部结构；
图20示出了可由增材制造系统执行以生产具有可变硬度的制造件的一组示例性步骤；
图21是示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的单个长丝的刚度而具有可变硬度的区域；
图22是示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的树脂的类型或不存在树脂而具有可变硬度的区域；
图23A是示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的树脂的类型或不存在树脂而具有可变硬度的区域；
图23B是另一个示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的树脂的类型或不存在树脂而具有可变硬度的区域的示例；
图23C是另一个示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的树脂的类型或不存在树脂而具有可变硬度的区域的示例；以及
图23D是另一个示例性制造件的剖视图，其示出了基于所使用的树脂的类型或不存在树脂而具有可变硬度的区域的示例。
具体实施方式
本发明人已设想了为了举例说明的目的而在用于增材制造的系统和技术的上下文中应用的新型技术。虽然本发明人的技术所公开的应用满足增材制造领域中的长期感觉但尚未满足的需要，但应当理解，本发明人的技术并不限于以本文所述的精确方式来实施，而是可以其他方式来实施，而不需要本领域的普通技术人员根据本公开进行过多的实验。因此，本文所阐述的示例应当理解为仅为示例性的，并且不应被视为限制性的。
本发明所公开的技术可用于由聚合物材料而不是金属材料来增材制造医疗装置或医疗装置的部件。所生产的装置的强度和结构特性可在整个结构中变化，以在装置的一些部分中提供升高的柔韧性水平并且在另一些部分中提供升高的刚度水平。装置的增材制造需要一种新型系统，其能够通过聚合物涂层的加热和冷却来执行挤拉工艺以挤出可与其他聚纤维结合的聚合物涂覆的纤维(聚纤维)。当放置每段挤出的聚纤维时，邻近挤出喷嘴放置的切割器切割挤出的聚纤维。这样，装置的多孔子结构可由一种或多种类型的聚纤维形成。挤出喷嘴能够进行广泛范围的运动和旋转，以允许制造各种尺寸和结构的装置，并且允许广泛范围的聚纤维方向性，这允许优化装置结构内的力矢量。然后，完成的子结构经历树脂浸渍工艺，该工艺用一种或多种可固化或硬化的聚合物材料填充子结构的多孔区域。
可通过这种方式由聚合物材料形成多种装置和部件，其中所形成的装置与模制聚合物装置相比具有增加的强度和耐久性，这是由于嵌入的子结构，其可为每个装置定制设计，以提供用于该装置的有利的纤维设置和方向性。由于所用纤维类型(例如，碳、玻璃、芳族聚酰胺)中可用的选择范围、所用聚合物的类型以及纤维设置和方向性的灵活性，以这种方式生产的装置或部件的类型几乎是无限的。
作为几个非限制性示例，这可包括定制设计或形状的用于疝外科手术的外科网片或结构，类似于以商品名
Figure BDA0002379334460000041
和
Figure BDA0002379334460000042
提供的那些；定制尺寸和形状的用于子宫及盆腔外科手术的外科网片，类似于以商品名
Figure BDA0002379334460000043
和Gynecare
Figure BDA0002379334460000044
提供的那些；定制尺寸和形状的盆腔植入物，诸如以商品名Gynecare TVT
Figure BDA0002379334460000045
Gynecare TVT
Figure BDA0002379334460000046
和Gynecare TVTTM提供的那些。这也可包括用于外科器械的定制尺寸和形状的夹持件、柄部或壳体，诸如以商品名Harmonic
Figure BDA0002379334460000047
Harmonic
Figure BDA0002379334460000048
Echelon FlexTM、
Figure BDA0002379334460000049
等出售的那些，其可允许这些装置配有定制部件以根据它们的偏好为特定使用者提供定制的或期望的夹持件、柄部、形状或尺寸。其他装置和部件可包括鼻窦导管系统的定制尺寸和形状的部件，诸如以商品名Relieva
Figure BDA00023793344600000410
出售的那些；定制尺寸和形状的髋关节植入物，诸如以商品名
Figure BDA00023793344600000411
Figure BDA00023793344600000412
和
Figure BDA00023793344600000413
出售的那些；以及其他定制尺寸和形状的植入物和固定系统，诸如以商品名
Figure BDA00023793344600000414
Femoral IntrafixTM、
Figure BDA00023793344600000415
和Healix AdvanceTM出售的那些。参考本文的公开内容，可有利地使用本文所述的系统和技术中的一者或多者来增材制造的其他装置和部件对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。还应当理解，当使用增材制造来生产特别医疗装置(或医疗装置的特别部件)时，可基于将使用医疗装置的特定患者来定制医疗装置(或其部件)；和/或基于将使用医疗装置的特定医师。
图1示出了可由增材制造系统(101)或与增材制造系统诸如图4和图5所示的系统一起执行以增材制造装置、部件、零件或其他物体的一组高级步骤。最初，零件定义将由增材制造系统(101)的控制器或处理器接收(框300)。零件定义将定义零件的子结构或框架的坐标。这将包括将构成子结构的聚纤维的放置、取向、长度和特性，并且将为可由增材制造系统(101)的控制器或处理器解释并由增材制造系统(101)使用的格式，以使挤出头(200)、挤出一种或多种类型的聚纤维、以及用靠近挤出头的切割器(110)切割最近挤出的聚纤维定位并且定向。一旦被接收，所述零件定义将被增材制造系统(101)用于通过一次将聚纤维挤出一根纤维和一层来制造(框302)子结构，其中挤出的聚纤维在加热的聚合物涂层冷却并固化时构建在先前放置的纤维上并粘附到先前放置的纤维上。
虽然本文的示例和描述是指子结构，但应当理解，本发明所公开的技术也可用于形成物体的上层结构或结合上层结构和子结构的结构。例如，所生产的上层结构可以是可经历树脂浸渍工艺的物体的“皮肤”或外部结构。以此方式，可产生包围内部中空的多孔上层结构。在树脂浸渍期间，多孔外层将形成包裹树脂填充的中空的聚纤维增强的皮肤。结合上层结构和子结构的元件的结构也是可能的。例如，所生产的结构可在内具有多孔上层结构皮肤和多孔子结构两者。在树脂浸渍期间，此类结构可具有围绕聚纤维增强的内部包裹的聚纤维增强的皮肤，并且还可包含树脂填充的中空区域。可以看出，这使得能够生产的结构的类型具有很大的灵活性和多样性，并且在可由这些结构的树脂浸渍生产的物体的特性方面具有极大的灵活性。
一旦所制造的子结构被完全放置，并且完全冷却或固化，则子结构可被放置(框304)在树脂浸渍系统中。放置(框304)所涉及的具体操作将因树脂浸渍工艺的具体类型而变化。这可包括压力树脂浸渍工艺，由此可将子结构置于模具或浴槽中，并且将树脂在压力的作用下注入到所述结构中，以将空气从多孔子结构中挤出并用液体树脂或聚合物替换其。这也可包括真空树脂浸渍工艺，由此可将子结构置于具有液体树脂或聚合物输入部的袋或其它气密容器中，然后可将空气从多孔子结构中强力移除，这将导致液体聚合物被吸入多孔子结构中。因此，在一些情况下，放置(框304)并制备子结构可包括将子结构放置在树脂浸渍工艺可能使用的模具、树脂浴槽、真空袋或其它容器或系统中。一旦制备，可进行树脂浸渍工艺(框306)，这通常涉及从多孔次结构中移除空气并用液体树脂或聚合物替代其。一旦树脂浸渍工艺(框306)完成，并且液体已固化(cured)或固化(solidified)，结果将为具有嵌入的子结构的硬化聚合物零件，其中零件的总体形状通常与子结构的形状、用于该工艺的模具或真空袋的形状或这两者匹配。
图2示出了可由增材制造系统(101)执行以形成制造件的子结构或框架的一组高级步骤。最初，必须在被称为挤拉的技术中，通过进料纤维股线(框308)并将聚合物应用(框310)到纤维上来生产聚纤维股线。图3示出了挤拉进料系统(100)的一个示例，其包括纤维进料(102)，所述纤维进料为纤维线轴或从纤维线轴牵拉的辊(框308)。当纤维从纤维进料(102)供给时，纤维被拉过聚合物浴槽(104)，其中液体聚合物涂覆(框310)纤维股线。当聚纤维离开聚合物浴槽(104)时，聚纤维进料(106)在下游缠绕并进料或进料聚纤维。图4示出了挤拉系统的另选具体实施。该图显示了将纤维股线进料至聚合物模头(108)的纤维进料(102)，所述聚合物模头用聚合物涂覆拉过它的股线。
图6示出了聚合物模头(108)的横截面图，所述聚合物模头包括进料到主通道(117)中的聚合物输入部(116)、具有密封件(120)的纤维输入部(118)，所述密封件允许纤维进入主通道(117)同时防止聚合物回流到纤维输入部(118)中，以及在主通道(117)出口处的聚纤维输出部(122)。纤维可通过以下中的一种或多种进料到聚合物模头(108)中：由纤维进料(102)进料、通过聚合物模头(108)的输出部(122)端部上的卷轴或辊拉过聚合物模头、通过注入的聚合物的流动拉过聚合物模头(108)、或其它进料方法。当纤维被拉过聚合物模头(108)时，纤维在形成聚合物模头(108)的主通道(117)形状的聚合物中被涂覆。聚合物注入(116)可与热源组合以在注射点处加热聚合物以改善流动，并且当聚合物沿着主通道(117)行进时，主通道(117)的侧壁将通过从聚合物中抽出热量并将其转移到聚合物模头(108)的主体的其余部分来冷却聚合物。
图3的聚合物浴槽挤拉系统也可与图6所示的聚合物模头(108)组合。例如，可使用聚合物浴槽(104)将第一类型或应用的聚合物应用到纤维上，然后可将其进料到聚合物模头(108)中，然后其可接收第二类型或应用的聚合物并在主通道(117)中成形，或可在主通道(117)中加热和成形，或两者。这可允许以层的形式应用不同类型的聚合物，或者可允许聚合物浴槽(104)应用大量聚合物，其具有待注入到聚合物模头(108)中的第二应用，同时允许所生产的聚纤维被模具加热和成形，使得所得的聚纤维被一致地涂覆、设置尺寸和成形。
进料(框308)和涂覆(框310)聚纤维的工艺可在制造期间以与涂覆的聚纤维被挤出的相同速度来进行。这样，可使挤出头(200)定位、定向、并且用于沉积(框312)最近涂覆长度的聚纤维，同时用聚合物涂覆(框310)后续长度的纤维。使挤出头(200)定位并且定向可涉及拉紧系统(rastering system)、机械臂或制造空间平台中的一者或多者的移动或旋转，以允许挤出头(200)在制造空间内在挤出聚纤维之前和期间具有至多六个自由度。挤出的聚纤维可为足够热的，以使得聚合物涂层在其存在于聚合物模头(108)时粘附，或者其可在其离开聚合物模头(108)时由热源诸如加热表面或加热鼓风机重新加热。热源的类型以及制备聚合物涂层以粘附到其他聚纤维所需的热将根据所使用的具体类型的纤维和聚合物以及所期望的挤出速度而变化。可将聚纤维的初始股线或层挤出到制造空间的平坦或成形表面上，随后将后续层放置在顶部上，粘附，然后在它们冷却以形成永久性粘结时固化。
当每根股线的终点被沉积(框312)时，切割器(110)可被致动以从未放置长度的聚纤维切断(框314)所放置长度的聚纤维。切割器(110)位于挤出头(200)附近，并且可包括例如可被延伸以抵靠切割块按压聚纤维并切断其的切割刀片、可延伸并捕集它们之间的聚细丝以切断其的两个切割刀片、被布置以使得它们可延伸以捕集三角形、正方形或其他几何形布置中的聚纤维并切断其的三个或更多个刀片、可朝向彼此或朝向切割块延伸以捕集聚纤维并切断其的一个或多个弯曲刀片、或上述任何一种或多种的变型。切割刀片和切割表面的不同布置对于不同类型的纤维和聚合物将是有利的，并且根据本文的公开内容，此类变型对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
图5示出了增材制造系统(101)的图解视图，其中使挤出头(200)定位并且定向成将聚纤维(206)的沉积股线(114)放置在制造件(112)处。图5还示出了可用于将聚合物注射到聚合物模头(108)中的聚合物注射器(109)，被注射到聚合物模头(108)中或已经存在于聚合物模头(108)中(即，已经从浴槽(100)涂覆到纤维上)的热聚合物，或这两者。图7示出了可使用增材制造系统(101)形成的制造件(112)的示例。聚纤维的结构和可使挤出头(200)定位并且定向的高自由度允许沉积的聚纤维股线的可变放置和方向性。例如，制造件(112)由水平放置的聚纤维(126)的行和竖直放置的聚纤维(124)的列的组合形成，它们通过聚合物涂层彼此粘附，所述聚合物涂层在沉积时被加热，然后被允许冷却。这不同于常规的增材制造技术，其依赖于在水平层中重复放置单一纹理长丝，并且通过与常规长丝相比由聚纤维提供的结构和挤出头(200)的高自由度两者而成为可能。
图8和图9示出了互连的聚纤维股线的示例。可在聚纤维的切割端部看到纤维材料(202)和聚合物层(204)。挤出的聚纤维(206)被示出为由挤出头(200)沉积，使得挤出的聚纤维(206)横跨多个基础聚纤维(205)，并且在挤出的聚纤维(206)接触基础聚纤维(205)的每个点处形成粘结点(208)。图7和图8也示出了方向变化(207)，其中挤出的聚纤维(206)可在沉积期间改变方向。这是可能的，因为当聚合物壳体第一次沉积时，聚合物壳体仍处于熔融状态，但随着聚合物壳体冷却，其将变硬并变得较不柔韧。冷却可自然发生，或者可由于来自外部鼓风机或邻近挤出头(200)安装的鼓风机的冷却空气的定向猛吹而发生。通过挤出一定长度的聚纤维(206)并使挤出的聚纤维(206)冷却至其变得不太柔性的点，可发生(207)方向性的变化，如图7和图8所示。
图10示出了包括单向股线(214)和多向股线(216)两者的一组互连的聚纤维股线(214，216)。在所示的示例中，单向股线(214)的网格形成第一层(210)和第二层(212)的一部分，其为待沉积的多向股线(216)提供稳定区域。多向股线(216)通过将聚纤维股线沉积到第一层(210)上并且在整个沉积中使挤出头(200)定位并且定向以包括一个或多个定向变化(207)而形成。除了单向股线的格栅之外还包括多向股线的优点在于，其在所得零件中提供间隙空间(209)的增大的体积和种类，当在聚合物或树脂浸渍工艺(框306)中用作子结构时可提供有益效果。能够改变股线(207)的方向性和所得间隙空间(209)的形状允许根据需要定制的树脂浸渍的子结构的刚度和柔韧性。
利用由增材制造系统(101)生产的定制的子结构，然后可进行树脂浸渍工艺。如前所述，存在多种树脂浸渍工艺。图11示出了可用于填充所生产的子结构的两种树脂浸渍工艺的示例。一旦制备(框316)了用于树脂浸渍的子结构，就可确定是否存在可用于(框318)树脂浸渍的模具。例如，如果所制造的零件具有共同的尺寸或形状，但已经生产了定制的子结构以便在零件的整个结构中提供定制水平的柔韧性或刚度，则可能是这种情况。为了进一步延伸该示例，模具也可用于具有结构的零件，所述结构具有组合的上层结构和子结构。在该示例中，上层结构或外层可具有匹配或配合在模具内的形状和几何形状，并且子结构可具有与上层结构内的配合匹配的形状和几何形状。当期望子结构的不同内部几何形状和特性时，这些类型的结构可为可用的。上层结构将装配在模具内并提供相对于模具静态定位的外层，而上层结构内的子结构可相对于上层结构静态定位。这样，可生产独特且变化的子结构并将其定位在上层结构内的任何位置，并且可在树脂浸渍工艺期间保持该位置。
如果模具可用(框318)，则可将子结构置于(框320)模具中，模具部分地密封，使得树脂可被强制(框322)进入模具中，使得其将填充子结构的间隙空间并移除其内的空气。在基本上所有的空气被迫离开子结构之后，可根据所用树脂或聚合物的类型和特性，通过时间、加热过程或另一固化方法使树脂固化。
图12示出了执行的基于模具的树脂浸渍工艺的示例，以剖面图示出了模具和零件的内部。在所示的示例中，已将具有单向股线的第一层(210)和第二层(212)并且提供间隙空间的网格的子结构置于模具基座(218)中，并且可放置模具顶部(220)以将模具密封为封闭的。一旦模具封闭，就迫使树脂在压力的作用下进入模具中，迫使空气离开间隙空间，在间隙空间中，树脂可通过防止回流的空气释放或输出来释放。图13示出了具有填充子结构的间隙空间的树脂的模具的横截面，并且图14示出了从模具移除的已完成零件的横截面。如图14所示，间隙空间现在填充有注入树脂(222)。
如果没有模具可用(框318)，这在所生产的零件具有独特的尺寸或形状时可能发生，则可改为将子结构放置(框324)到真空袋中并密封。将真空源和树脂源连接到真空袋，使得当启动真空源时，空气从该子结构的间隙空间中抽出，并且将树脂从树脂源中抽拉(框322)以替换排出的空气。与其它方法一样，一旦完全移除空气，就可根据需要固化(框326)树脂浸渍的零件以完成该零件。
图15和图16示出了基于真空的树脂浸渍工序的示例。图15示出了包含在真空膜(228)内的互连的聚纤维(230)的横截面。真空膜(228)具有连接到液体树脂或聚合物源的树脂端口(224)和连接到真空压力源的真空端口(226)。当通过真空端口施加真空压力时，空气从间隙空间(207)移除，并且从树脂端口(224)抽取液体树脂以填充间隙空间(207)。图16示出了在树脂浸渍工艺之后已从真空膜(228)移除的制造件(232)。聚纤维(230)周围的间隙空间(207)现在填充有注入树脂(222)。
图17示出了可使用增材制造的子结构和树脂注入或浸渍工艺形成的制造件(232)的另一个示例。若干排聚纤维(230)嵌入整个结构中，其中每个纤维(230)在整个结构中具有若干方向性变化。制造件(232)的其余部分由通过工艺诸如真空袋工艺或基于模具的工艺添加的注入树脂(222)构成。改变聚纤维(230)的方向性的能力允许形成具有复杂形状或不规则形状的子结构，这可能是形成某些医疗装置或医疗装置的部件所需的。
图18和图19示出了可使用嵌入的子结构和树脂注入或浸渍工艺形成的制造件(234)的另一个示例。示出了制造件(234)的横截面，其具有若干层嵌入的聚纤维(230)，以及填充在聚纤维(230)周围的间隙空间中的注入树脂(222)。整个主体(233)中的聚纤维(230)的相对低密度允许一定的柔韧性，而颈部(231)具有相对高密度的聚纤维(230)以用于耐久性，使得颈部(231)可承受通过颈部(231)传递的应力，同时仍保持足够窄以便使用。
图19示出了沿图18的制造件(234)的线19-19的顶部剖视图。从该视图可以看出，许多竖直聚纤维(236)沿着制造件(234)的竖直长度延伸，并且多个水平聚纤维(238)围绕制造件(234)的圆周延伸，其中注入树脂(222)填充间隙空间和周围空间。与先前示例一样，图18和图19所示的聚纤维(230)中方向性的变化允许在由增材制造系统(101)生产的子结构的类型方面具有很大的灵活性，所述增材制造系统在注入树脂时，将具有与具有相同尺寸和形状的纯聚合物物体或装置相比增加的强度。
如已经讨论的，上文所公开的增材制造系统(101)和技术允许沉积具有不同方向性的聚细丝，以及可能的子结构设计的广泛变型。其他优点也存在，并且能够利用所公开的系统和技术来实现。例如，图20示出了可使用增材制造系统(101)和树脂浸渍技术来执行以生产在整个工件中可具有多个区的制造件的一组步骤，其中每个区具有其独特的刚度分布。这可包括(例如)响应于来自所有方向的力而非常刚性的区、响应于来自所有方向的力而非常柔性的区、根据力的施加方向可变地柔性或刚性的区、或允许在某些方向上进行某种水平的扭转或旋转的区，但不包括其他区。这可通过经由增材制造生产由不同类型的聚纤维或由聚纤维和无纤维的长丝股线的组合构成的子结构、或通过生产可在注入期间接收不同类型的树脂或聚合物的间隙空间的单独节段、或两者都不或两者来实现。
刚度分布可以是来自零件定义的单独的一组数据，或者可以是零件定义的子集，或这两者。图20的步骤可在接收零件定义(框300)之后，作为制造子结构的一部分(框302)执行，并且接收刚度分布(框328)。在子结构制造过程中(框302)，对于所沉积的每根股线，将基于刚度分布、零件定义或这两者来确定是沉积默认股线类型(例如，聚纤维)，还是以某种方式改变所沉积的股线(框330)。
如果需要改变股线类型(框330)，则可基于刚度分布、零件定义或这两者来选择适当的股线类(框334型)并准备好以供使用。可根据以下各项中的一者或多者通过这样的方式选择股线：股线类型、可用性、柔韧性或刚度要求、或其他因素。也可通过例如使用不同直径的纤维、使用具有各种构造(例如单丝、双绞线)的纤维、包含不同材料(例如，具有半刚性芯材料、具有耐热外材料)的纤维、或通过使用相同或不同的聚合物涂覆纤维(例如，选择聚合物涂层以增加或减少放置时与彼此的粘附性，不管聚合物涂覆的材料)来改变股线。可使用不同的挤出头(200)来施加该股线，或者标准挤出头(200)可被自动地或手动地清除掉默认股线，并且准备好以沉积不同的股线类型。在选择适当的股线之后(框334)，可将其沉积(框336)于子结构上或制造区域上，重复这些步骤直至子结构完成。增材制造系统(101)可基于所选择的类型(框334)不同地沉积(框336)股线，例如，可根据特定股线类型使用不同的加热水平、不同的沉积速度或不同的切割方法，以便改善该特定股线类型的粘附性、切割质量或其它特性。
树脂的类型和渗透也可在整个制造件中变化，以便在不同节段中提供不同水平的刚度。树脂浸渍可能需要基于刚度分布、零件定义或这两者来改变(框332)。对于具有可变树脂浸渍的制造件的每个节段，将针对该节段相对于周围节段选择(框338)渗透性。这可包括例如确定将用相同类型的树脂注入的两个节段之间的子结构壁应当是可渗透的，或确定在浸渍期间子结构的一节段将不会接收任何树脂，并且围绕该节段的子结构壁应当是不可渗透的。这样，可将子结构的不同节段从其他节段壁隔开，这将允许多级树脂浸渍工艺用不同类型的树脂或聚合物来浸渍不同节段，或者可允许子结构的一些节段通过一种或多种树脂浸渍工艺保持中空。
一旦已选择(框338)节段的渗透性，则可沉积(框339)用于该节段的股线，其可包括布置股线使得节段与邻近节段共享间隙空间(即，为可渗透的)，布置股线使得节段不与邻近节段共享间隙空间(即，为不可渗透的)，并且还可包括沉积股线以使某些节段移除顶盖，使得它们为初始不可渗透的，但当在多级树脂浸渍工艺期间移除该顶盖时可变为可渗透的。对某些节段进行封盖或封闭以使其暂时不可渗透也可通过使用顶盖材料来实现，所述顶盖材料可在所述工艺期间被溶解或破坏，而不是由个人手动移除。例如，这可包括可溶解于某种溶液中的顶盖材料，使得多步树脂浸渍工艺可包括用树脂浸渍第一节段，通过将结构置于溶液内或用将第二节段变为可渗透的溶液填充或注射结构来溶解一个或多个顶盖，然后用树脂浸渍现在可渗透的节段。虽然在具有两个节段的结构的上下文中进行了解释，但此类技术可支持可在树脂浸渍工艺中的不同时间被制成可渗透的任何所需数目的节段，从而在所述工艺期间提供极大的灵活性。除了通过在溶液中沐浴或填充该溶液而可完全或部分溶解或破坏的材料之外，预期也可使用与温度(例如，因为顶盖材料收缩或膨胀，节段当暴露于热或冷时，可变为可渗透的)、强制空气(例如，加压空气可打破顶盖材料而不损坏邻近材料)变化类似反应的材料，或根据本文公开内容对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的其他材料。
选择(框338)和沉积(框339)可以这种方式重复，直到子结构完成(框337)。一旦该子结构完成，就可使用如前所述的树脂浸渍工艺将第一树脂施加(框340)到第一组节段上。对于具有不同节段的子结构，可通过在树脂浸渍工艺期间使那些节段移除顶盖或打开那些节段来施加(框342)后续树脂，在该树脂浸渍工艺期间将填充那些节段。
使用用于改变股线类型和特性以及树脂浸渍类型和特性的所述技术，允许在形成零件时具有甚至更大的灵活性。例如，图21示出了由具有刚性结构(242)的多根聚纤维股线和具有柔性结构(244)的多根聚合物股线组成的示例性制造件(240)的横截面。在工件(240)的四个拐角处的硬化节段(246)中的相对坚硬的聚纤维股线(242)的浓度，以及在工件(240)的中心的柔性节段(248)中的相对柔性的聚合物股线(244)的浓度导致零件在中间为柔性的并且在任一端部处为坚硬的，使得该零件在中心处将优先弯曲，而在任一端部处保持其形状。这允许形成例如在某些柔性节段(248)中具有一定柔韧性的医疗装置或部件，所述柔性节段在使用期间经受高力，使得它们可略微挠曲而不是断裂或失效，同时该医疗装置或部件具有硬化节段(246)以允许装置或部件作为整体来具有足够的强度和耐久性以用于其预期目的。这些技术可用于经历可能导致刚性部件失效的高应力的部件，并且可包括例如用于髋部、肩部、膝盖和其他关节的骨和结构植入物。
图22示出了可使用本发明所公开的用于改变所形成的子结构的渗透性的技术而形成的制造件(250)的另一个示例的剖视图。在该示例中，子结构(250)的四个外部节段被股线围绕，所述股线已被沉积以形成具有间隙空间的可渗透壁(252)，所述间隙空间将允许树脂浸渍内部。用所示的子结构(250)进行树脂浸渍工艺的结果是，四个可渗透节段将在浸渍工艺中吸收树脂并形成硬化节段(246)。子结构的中心具有由细丝形成的环，所述细丝已被沉积以形成不可渗透的壁(254)，所述不可渗透的壁将防止树脂在树脂浸渍工艺期间进入不可渗透的壁(254)的内部区域。结果是，在树脂浸渍之后，不可渗透壁的内部将形成柔性节段(248)。所得的制造件(250)将具有中空芯，其具有一些柔韧性(254)，由将提供强度和耐久性的四个硬化节段(246)围绕。另选地，与放任不管柔性节段中空(248)相反，可进行多聚合物浸渍工艺以用更柔性类型的聚合物或树脂来填充柔性节段中空(248)，所述聚合物或树脂在固化时将提供某种强度，但仍将具有比周围节段相对更高的柔韧性。作为另一种选择，可颠倒用于中心节段中的聚合物和用于外部节段中的聚合物，使得一组柔性节段围绕更刚性的中心节段。
图23A-23D示出了可使用可渗透壁和不可渗透壁两者结合到制造件中的结构的另一个示例，如上文结合图22所述。例如，图23A示出了具有中心节段的制造件(256)，该中心节段的直径小于图22中所示的，而图23B示出了具有中心节段的制造件(258)，该中心节段的直径大于图22中所示的。图23C示出了具有四边形中心节段的制造件(260)，所述四边形中心节段具有由四个外部节段围绕的小周边，而图23D示出了具有四边形中心节段的制造件(262)，所述四边形中心节段具有更大的周边，使得四边形的直角接触制造件(262)的外壁。如同图22所示，制造件(256，258，260，262)的任何所示节段可填充有特定类型的树脂，或根据需要保持中空，以形成在某些节段和适于其预期用途的某些方向上具有优先柔韧性的制造件。根据所公开的用于形成和树脂浸渍子结构的技术，除了图21、图22和图23A-23D中明确示出的结构之外，还可以形成多种类型的结构。并且根据本文的公开内容，那些工件及其特性和优点对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
以下实施例涉及本文的教导内容可被组合或应用的各种非穷尽性方式。应当理解，以下实施例并非旨在限制可在本专利申请或本专利申请的后续提交文件中的任何时间提供的任何权利要求的覆盖范围。不旨在进行免责声明。提供以下实施例仅仅是出于例示性目的。预期本文的各种教导内容可按多种其他方式进行布置和应用。还设想到，一些变型可省略在以下实施例中所提及的某些特征。因此，下文提及的方面或特征中的任一者均不应被视为决定性的，除非另外例如由发明人或关注发明人的继承者在稍后日期明确指明如此。如果本专利申请或与本专利申请相关的后续提交文件中提出的任何权利要求包括下文提及的那些特征之外的附加特征，则这些附加特征不应被假定为因与专利性相关的任何原因而被添加。
实施例1
一种增材制造系统，包括：(a)聚合物模具，包括：(i)纤维输入部，(ii)加热的聚合物输入部，和(iii)聚纤维输出部，其中所述聚合物模具能够操作以从所述纤维输入部接收纤维股线，用来自所述加热的聚合物输入部的聚合物涂覆所述纤维股线，以及从所述聚纤维输出部挤出聚纤维股线；(b)聚纤维切割器，所述聚纤维切割器定位在所述聚纤维输出部处并且能够操作以切割所述聚纤维股线；(c)定位系统，所述定位系统能够操作以使所述聚纤维输出部定位并且定向；(d)控制系统，包括：(i)处理器，和(ii)存储器，其中所述控制系统被配置成能够控制所述聚合物模具、所述聚纤维切割器和所述定位系统的操作；和(e)树脂注入系统，所述树脂注入系统能够操作以用液体树脂填充物体的间隙空间；其中所述控制系统被进一步配置成能够接收物体定义，其中所述物体定义由限定制造件的结构的一组坐标构成，并且基于所述物体定义来操作所述聚合物模具、所述聚纤维切割器和所述定位系统以挤出、切割并沉积多根聚纤维股线以形成所述结构，并且其中所述结构限定一组间隙空间，所述间隙空间当由所述树脂注入系统注入液体树脂并且固化时被构造成能够生产所述制造件。
实施例2
根据实施例1所述的增材制造系统，其中所述定位系统能够操作以在所述结构上沉积具有一个或多个方向性变化的不间断的聚纤维股线。
实施例3
根据实施例1至2中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述树脂注入系统的类型选自由真空树脂注入系统和加压树脂注入系统组成的组。
实施例4
根据实施例1至3中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述纤维股线的类型选自由碳、玻璃和芳族聚酰胺组成的组。
实施例5
根据实施例1至4中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述制造件为医疗装置部件。
实施例6
根据实施例5所述的增材制造系统，其中所述医疗装置的类型选自由植入物、柄部、外科材料和夹持件组成的组。
实施例7
根据实施例1至6中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述结构的所述多根聚纤维股线被布置用于改善所述制造件的强度。
实施例8
根据实施例1至7中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述结构还包括一组竖直设置的聚纤维股线层和一组水平设置的聚纤维股线层。
实施例9
根据实施例1至8中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述控制系统被进一步配置成能够：(i)接收刚度分布，并且基于所述刚度分布，确定在所述结构的形成期间要沉积的两种或更多种股线类型，以及(ii)在所述结构上挤出、切割并沉积所述两种或更多种股线类型，其中由于所述两种或更多种股线类型的放置，所述制造件能够在一个或多个位置处优先弯曲。
实施例10
根据实施例9所述的增材制造系统，其中所述两种或更多种股线类型包括刚性股线和柔性股线。
实施例11
根据实施例10所述的增材制造系统，其中一组刚性股线定位在所述制造件的外部拐角处，其中一组柔性聚合物股线定位在所述制造件的中心处，并且其中所述制造件被构造成能够在力的作用下优先在所述中心弯曲。
实施例12
根据实施例9至11中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述两种或更多种股线类型包括基本上刚性的聚纤维股线和柔性聚合物股线。
实施例13
根据实施例1至13中任一项或多项所述的增材制造系统，其中所述控制系统被进一步配置成能够：(i)接收刚度分布，并且基于所述刚度分布来确定所述结构的应当由树脂不可渗透的壁隔开的两个或更多个节段，以及(ii)挤出、切割并沉积所述多根聚纤维股线以形成所述树脂不可渗透的壁，并且其中，当所述结构被注入液体树脂时，所述结构的第一节段被注入第一液体树脂，并且所述结构的第二节段不被注入所述第一液体树脂，其中所述第一节段和所述第二节段被所述树脂不可渗透的壁隔开。
实施例14
根据实施例13所述的增材制造系统，其中当所述制造件被生产时，所述结构的所述第二节段被构造成能够被注入第二液体树脂。
实施例15
根据实施例13至14中任一项或多项所述的增材制造系统，其中当所述制造件被生产时，所述结构的所述第二节段被构造成能够保持中空。
实施例16
一种用于生产增材制造件的方法，包括以下步骤：(a)使用增材制造系统生产制造件的结构，所述结构包括一组间隙空间；(b)经由所述增材制造系统将多根聚纤维股线放置在所述结构上，其中放置多根聚纤维股线的动作包括：(i)挤出聚纤维股线，(ii)切割所述聚纤维股线，以及(iii)将所述聚纤维股线沉积在所述结构上；(c)通过将所述结构放置在树脂注入系统中并执行树脂注入工艺来生产所述制造件，其中所述树脂注入系统用液体树脂来填充所述一组间隙空间；以及(d)固化所述制造件。
实施例17
根据实施例16所述的用于生产增材制造件的方法，其中所述树脂注入工艺为真空树脂注入工艺，并且其中所述制造件的生产不需要浇铸模具。
实施例18
根据实施例16至17中任一项或多项所述的用于生产增材制造件的方法，其中所述增材制造系统挤出、切割并沉积多根聚合物股线，其中所述制造件包括所述多根聚纤维股线和所述多根聚合物股线，并且其中所述制造件基于所述多根聚合物股线的放置来优先地在一个或多个方向上弯曲。
实施例19
根据实施例16至18中任一项或多项所述的用于生产增材制造件的方法，其中所述结构包括可渗透节段和不可渗透节段，其中执行所述树脂注入工艺使得所述可渗透节段填充有所述液体树脂，但不使得所述不可渗透节段填充有所述液体树脂，并且其中所述制造件基于所述不可渗透节段的位置来优先地在一个或多个方向上弯曲。
实施例20
一种增材制造系统，包括：(a)聚合物模具，包括：(i)纤维输入部，(ii)加热的聚合物输入部，和(iii)聚纤维输出部，其中所述聚合物模具能够操作以从所述纤维输入部接收纤维股线，用来自所述加热的聚合物输入部的聚合物涂覆所述纤维股线，以及从所述聚纤维输出部挤出聚纤维股线；(b)聚纤维切割器，所述聚纤维切割器定位在所述聚纤维输出部处并且能够操作以切割所述聚纤维股线；(c)定位系统，所述定位系统能够操作以使所述聚纤维输出部定位并且定向；(d)控制系统，包括：(i)处理器，和(ii)存储器，其中所述控制系统被配置成能够控制所述聚合物模具、所述聚纤维切割器和所述定位系统的操作；和(e)树脂注入系统，所述树脂注入系统能够操作以用液体树脂填充物体的间隙空间；其中所述控制系统被配置成能够接收物体定义，其中所述物体定义由限定医疗装置的结构的一组坐标构成，并且基于所述物体定义来操作所述聚合物模具、所述聚纤维切割器和所述定位系统以挤出、切割并沉积多根聚纤维股线和多根聚合物股线以形成所述结构，其中所述多根聚纤维股线包括具有一个或多个方向性变化的不间断的聚纤维股线，其中所述结构包括一组间隙空间，所述间隙空间当由所述树脂注入系统注入液体树脂并且固化时被构造成能够生产所述医疗装置，并且其中所述医疗装置被构造成能够基于所述多根聚合物股线的位置来优先地在一个或多个方向上弯曲。
实施例21
根据实施例20所述的增材制造系统，其中所述结构包括上层结构、所述上层结构内的子结构、以及所述上层结构内的至少一个中空。
实施例22
根据实施例20-21中任一项所述的增材制造系统，其中所述多根聚纤维股线包括具有不同直径的一组聚纤维股线、具有不同材料的一组聚纤维股线、以及具有不同聚合物涂层的一组聚纤维股线。
实施例23
根据实施例20-22中任一项所述的增材制造系统，其中所述结构包括可渗透的第一节段和由于顶盖而不可渗透的第二节段，其中所述顶盖包括可完全或部分溶解于溶液中以使得第二节段变成可渗透的材料。
应当理解，本文所述的教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者可与本文所述的其他教导内容、表达、实施方案、示例等中的任何一者或多者进行组合。因此，下述教导内容、表达方式、实施方案、实施例等不应视为彼此孤立。参考本文的教导内容，本文的教导内容可进行组合的各种合适方式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。此类修改和变型旨在包括在权利要求书的范围内。
已经示出和描述了本发明的各种实施方案，可在不脱离本发明的范围的情况下由本领域的普通技术人员进行适当修改来实现本文所述的方法和系统的进一步改进。已经提及了若干此类可能的修改，并且其他修改对于本领域的技术人员而言将显而易见。例如，上文所讨论的示例、实施方案、几何形状、材料、尺寸、比率、步骤等均是例示性的而非必需的。因此，本发明的范围应根据以下权利要求书来考虑，并且应理解为不限于说明书和附图中示出和描述的结构和操作的细节。

Claims (10)

1.一种增材制造系统，包括：
(a) 聚纤维挤出部，所述聚纤维挤出部包括聚纤维输出部，其中所述聚纤维挤出部能够操作以从所述聚纤维输出部产生聚纤维股线；
(b) 定位系统，所述定位系统能够操作以使所述聚纤维输出部定位并且定向；
(c) 控制系统，包括：
(i) 处理器，和
(ii) 存储器，
其中所述控制系统被配置成能够控制所述聚纤维挤出部和所述定位系统的操作；和
(d) 树脂注入系统，所述树脂注入系统能够操作以用液体树脂填充物体的间隙空间；
其中所述控制系统被进一步配置成能够：
(i)接收物体定义，其中所述物体定义由限定制造件的结构和所述制造件的刚度分布的一组坐标构成；
(ii)基于所述物体定义来操作所述聚纤维挤出部和所述定位系统，其中制造出的结构包括多孔聚纤维子结构，所述多孔聚纤维子结构包括多个间隙空间，以及
(iii)当制造该结构时，基于所述刚度分布，使得树脂注入后该结构的和第一组间隙空间相关的第一部分被构造成第一刚度，并且树脂注入后该结构的和第二组间隙空间相关的结构的第二部分被构造成第二刚度。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述定位系统能够操作以在所述结构上沉积具有一个或多个方向性变化的不间断的聚纤维股线。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述树脂注入系统的类型选自由真空树脂注入系统和加压树脂注入系统组成的组。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述纤维股线的类型选自由碳、玻璃和芳族聚酰胺组成的组。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述制造件为医疗装置部件。
6.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中所述医疗装置的类型选自由植入物、柄部、外科材料和夹持件组成的组。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述结构的所述多根聚纤维股线被布置用于改善所述制造件的强度。
8.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述结构还包括一组竖直设置的聚纤维股线层和一组水平设置的聚纤维股线层。
9.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述控制系统被进一步配置成能够：
(i)基于所述刚度分布，确定在所述结构的形成期间要沉积的两种或更多种股线类型，
(ii)沉积所述两种或更多种股线类型中的第一类型的聚纤维股线，使得所述结构的第一部分被构造成第一刚度，以及
(iii)沉积所述两种或更多种股线类型中的第二类型的聚纤维股线，使得所述结构的第二部分被构造成第二刚度。
10.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述控制系统被进一步配置成能够：
(i)基于所述刚度分布来确定所述结构的两个或多个部分，所述两个或多个部分包括具有不同的树脂注入轮廓的第一部分和第二部分，以及
(ii)沉积多根聚纤维股线以制造所述第一部分、制造所述第二部分、以及制造树脂不可渗透的壁，所述树脂不可渗透的壁阻止注入所述第一组间隙空间的树脂注入所述第二组间隙空间。
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