CN111148483A - 制造具有血管特性的物体的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种管状结构，由多种非生物建构材料配方积层制造，包括：一细长芯部；一壳体，封装所述芯部；以及一中间壳体，位于所述芯部和所述壳体之间。所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。积层制造所述管状结构可用于制造具有一血管的多种特性的一物体。

Description

制造具有血管特性的物体的方法和系统
相关申请
本申请主张于2017年6月28日提交的美国专利临时申请案申请号为62/538,015的优先权，所述临时申请案与下述美国专利临时申请案申请号为62/538,003、62/538,018、62/538,006以及62/538,026共同提出申请。
上述申请的内容均通过引用并入本文作为参考，如同在此完整地完整阐述一样。
技术领域及背景技术
本发明在其一些实施例中，是有关于一物体的积层制造，特别但不限于是有关于一种通过积层制造制造具有血管特性的物体的方法和系统。
积层制造通常是利用物体的计算器模型制造三维(3D)物体的过程。这种过程用于各种领域，例如用于可视化、演示和机械原型制作以及快速制造(RM)的设计相关领域。任何积层制造系统的基本操作包括将三维计算器模型切成薄的横截面，将结果转换成二维位置数据并将数据馈送到以分层方式制造三维结构的控制设备。
积层制造的一种类型是三维喷墨打印过程。在三维打印过程中，从具有一组喷嘴的分配头分配建构材料，以将层沉积在支撑结构上。然后，根据建构材料，可以使用合适的设备将各层固化或固体化。
各种三维打印技术存在并已公开，例如，所有同一申请人的美国专利号US6259962、US 6569373、US 6658314、US 6850334、US 7183335、US 7209797、US 7225045、US7300619、US 7479510、US 7500846、以及US 7962237。
几种积层制造工艺允许使用多于一种模型材料来积层形成物体。例如，同一申请人的美国专利公开号US 2010/0191360的美国专利申请公开了一种系统，所述系统包括具有多个分配头的固体自由成型形式制造设备，建构材料供应设备被配置为向多个分配头供应多种建构材料。制造装置和控制单元被配置用于控制制造和供应装置。系统有多种操作模式。在一种模式中，所有分配头在制造设备的单个建构物扫描周期期间操作。在另一种模式中，一个或多个分配头在单个建构物扫描周期或其一部分期间不起作用。
所述建构材料可以包括模型材料和支撑材料，其分别形成物体和在所述物体被建构时形成支撑物体的临时支撑结构。
沉积模型材料(其可包括一种或多种配方中所包括的一种或多种材料)以产生所需物体。
支撑材料在本领域中也称为“支承材料”(可以包括一种或多种材料)，可以使用或不使用多个模型材料组件，用于在建构过程中支撑物体的特定区域，以及确保后续物体的多个层的适当垂直设置。例如，在物体包含悬垂特征或形状的情况下，例如弯曲的几何形、内弯角度、空隙等，通常在打印过程中使用相邻支撑结构来构造物体。
在所有情况下，支撑材料都沉积在模型材料附近，从而能够形成复杂的物体几何形状并填充物体空隙。
在所有现有使用的技术中，通常在暴露于固化条件(例如固化能量)时，使沉积的支撑材料和模型材料硬化，以形成所需的层形状。打印完成后，将多个支撑结构移除，以露出制作的3D物体的最终形状。
当使用诸如喷墨打印头之类的当前市售的商业打印头时，支撑材料在工作温度即喷射温度下应具有相对较低的粘度(约10-20厘泊)，以便可以使其被喷射。此外，支撑材料应快速硬化以允许后续层的建构。另外，硬化的支撑材料应具有足够的机械强度以将模型材料固定在适当的位置，并且应具有低形变以避免几何缺陷。
去除支撑材料的已知方法包括机械冲击(通过工具或水刀施加)，以及化学方法，例如在加热或不加热的情况下溶解在溶剂中。机械方法是劳动密集型的，并且通常不适用于小的复杂组件。
为了溶解多种支撑材料，通常将制造的物体浸入能够溶解多种支撑材料的水中或溶剂中。用于溶解支撑材料的溶液在本文中也称为“多种清洁溶液”。然而，在很多情况下，去除支撑材料的过程可能涉及危险材料、手工及/或需要训练有素的人员的专用设备、防护服和昂贵的废物处理。再者，溶解过程通常受扩散动力学的限制，并且可能需要非常长的时间，特别是当支撑结构庞大且厚重时。另外，后期处理可能需要去除物体表面上的“混合层”的痕迹。本文所用术语“混合层”指的是混合的硬化模型材料和支撑材料的一残余层，其形成在物体的表面上的两种材料之间的交界处，通过在两种材料之间的交界处形成彼此混合的模型材料和支撑材料。
此外，在支撑材料去除期间需要高温的方法可能是有问题的，因为存在对温度敏感的模型材料，例如蜡和某些弹性材料。用于去除支撑材料的机械方法和溶解方法在主要考虑因素是易用性、清洁性和环境安全性的办公室环境中尤其会成为问题。
现有技术已经描述了用于3D建构物的水溶性材料。例如，美国专利第6,228,923号描述了一种水溶性热塑性聚合物-聚(2-乙基-2-恶唑啉)-作为三维建构过程中的支撑材料，其有关于在高压及高温下将选定材料的博带挤出到板上。
美国专利第7,255,825号描述了一种含有可熔性晶体水合物的含水支撑材料。
适用于在构造3D物体中形成硬化的支撑材料的配方也被先前公开，例如，为同一个申请人的美国专利第7,479,510号，第7,183,335号和第6,569,373号。一般而言，专利中公开的这些组合物包含至少一种UV可固化(反应性)组分，例如丙烯酸组分；至少一种非UV可固化组分，例如多元醇或二醇组分，和光引发剂。照射后，这些组合物提供了能够暴露于水、碱性或酸性溶液或水洗涤剂溶液时溶解或溶出的半固体或凝胶状材料。
除了溶出之外，这种支撑材料的另一个特征是暴露在水中、碱性或酸性溶液或水洗涤剂溶液时分解的能力，因为支撑材料是由亲水性组分制成的。在溶出过程中，内部力导致固化的支撑物的断裂和破裂。另外，支撑材料可以包含一种暴露于水时释放气泡的一物质，例如碳酸氢钠，其与酸性溶液接触时转化成二氧化碳。气泡有助于从模型中去除支撑物。
几种积层制造工艺允许使用多于一种模型材料来积层形成物体。例如，同一申请人的美国专利公开号US 2010/0191360的美国专利申请公开了一种系统，所述系统包括具有多个分配头的固体自由成型形式制造设备，建构材料供应设备被配置为向多个分配头供应多种建构材料。制造装置和控制单元被配置用于控制制造和供应装置。系统有多种操作模式。在一种模式中，所有分配头在制造设备的单个建构物扫描周期期间操作。在另一种模式中，一个或多个分配头在单个建构物扫描周期或其一部分期间不起作用。
在诸如Polyjet TM(Stratasys Ltd.，Israel)的3D喷墨打印工艺中，根据软件文件定义的预定配置，从一个或多个打印头选择性地喷射建构材料并将其沉积在连续层中的制造托盘上。
同一申请人的美国专利公开号US 9,227,365公开了带壳物体的固体自由形式制造的方法和系统，所述带壳物体由多个层、一构成多个核心区域的一分层核心以及，构成包封区域的一分层外壳构成。
积层制造工艺已用于形成类似橡胶的材料。例如如本文所述，在PolyjetTM系统中使用橡胶状材料。这些材料被配制为具有相对低的粘度，从而允许例如通过喷墨进行分配，并且产生低于室温例如-10℃或更低的Tg。后者是通过制备交联度相对较低的产物以及使用具有内在柔性分子结构的单体和低聚物(例如丙烯酸弹性体)获得的。
可在PolyjetTM系统中使用的示例性橡胶状材料系列(商品名为市售的“TangoTM”系列)提供了所得硬化材料的多种弹性体特性，包括肖氏A硬度、断裂伸长率、抗撕裂性和拉伸强度。所述系列中最软的材料具有27的肖氏A硬度。
由同一申请人在PCT国际申请第IL2017/050604号(公开号为WO2017/208238)中描述了可用于PolyjetTM系统的另一类橡胶状材料(商品名为市售的“AgilusTM”系列)，并利用了一种可固化的弹性体配方，其包含弹性体可固化材料和二氧化硅颗粒。
发明内容
根据本发明的一些实施例的一目的，公开一种管状结构，由多种非生物建构材料配方积层制造，包括：一细长芯部；一壳体，封装所述芯部；以及一中间壳体，位于所述芯部和所述壳体之间。所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
根据本发明的任何实施例中的一些，中间壳体由硬化的支撑材料(例如材料S)制成，并且芯部由液体或类似液体的材料(例如材料L)制成。
根据本发明的一些实施例，芯部由硬化的支撑材料(例如材料S)制成，并且中间壳体由液体或类似液体的材料(例如材料L)制成。
根据本发明的任何实施例中的一些，液体或类液体材料L的特征在于以下至少之一：一粘度不超过10000厘泊；一剪切损耗模量与一剪切储存模量的比值大于1；一剪切模量低于20千帕；当承受小于1巴的一正压时具有流动性；一剪切稀化行为及/或一触变行为；以及一热稀化行为。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述管状结构具有一血管的形状。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述壳体嵌入在一支撑结构中。
根据本发明的任何实施例中的一些，支撑结构是牺牲性的。
根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种通过多种非生物建构材料配方的积层制造制成的物体，所述物体具有一器官的形状，所述物体包括：至少一具有一血管的形状的结构；以及至少一具有血管以外的一身体结构的形状的结构，其中具有所述血管的形状的所述结构是上面描述的并且可选地并且优选地如本文进一步详细描述所述的管状结构。
根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种通过多种非生物建构材料配方的积层制造制成的物体，所述物体具有一器官的形状，所述物体包括：一互连网络，由多个细长结构组成，所述多个细长结构中的每一个结构都具有一血管的形状，并且是上面描述的并且可选地并且优选地如本文进一步详细描述所述的管状结构。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述管状结构还包括嵌入在所述壳体中的多个加强组件。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述多个加强组件被定向成影响所述壳体的多个非等向性机械性能。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述多个加强组件包括至少一个细长加强组件，所述至少一个细长加强组件平行于所述壳体的一纵轴嵌入所述壳体中。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述多个加强组件包括至少一个环形加强组件，所述至少一个环形加强组件沿定义所述壳体的一方位方向嵌入在所述壳体中。
根据本发明的任何实施例中的任一个，所述管状结构还包括在一衬里层，所述衬里层至少部分地覆盖所述壳体的一内表面，所述衬里层设置在所述中间壳体和所述内表面之间，其中在所述衬里层和所述壳体之间的一接合性比所述中间壳体和所述衬里层之间的一接合性更强。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述衬里层比所述壳体硬。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述衬里层具有一斑块组织的多种机械性能。
根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种积层制造具有一血管的多个特性的至少一个管状结构的方法，所述方法包括步骤：接收描述一血管的形状的一图像数据作为输入；将所述图像数据转换为一计算器物体数据；接收沿所述血管的多个硬度级别作为输入；查询存储有一查找表的一计算器可读介质，所述查找表具有多个条目，每个条目对应于多个硬度级别的一不同范围，并且与选自由一建构材料配方、多个建构材料配方的一组合和一壁厚所组成的群组中的至少一个积层制造参数相关联；基于输入的所述多个硬度级别，从所述查找表中提取多个积层制造参数；以及根据所述提取的多个积层制造参数来操作一积层制造系统，以形成与所述血管的形状相对应的一配置图案的多个层。
根据本发明的任何实施例中的一些实施例，操作所述操作制造系统的步骤包括：形成一细长的芯部、一壳体及一中间壳体，所述壳体封装所述芯部并具有所述血管的形状；以及所述中间壳体位于所述芯部和所述壳体之间，其中所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种积层制造具有一血管的多个特性的至少一个管状结构的方法，所述血管由一计算器物体数据描述，所述方法包括：分配多个不同的建构材料配方，形成一配置图案的多个层，以形成一细长的芯部、一壳体及一中间壳体，所述壳体封装所述芯部并具有所述血管的形状；以及所述中间壳体位于所述芯部和所述壳体之间，其中所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述方法还包括：在所述分配之后，将所述多个层暴露于一固化条件，从而至少获得形成所述壳体的一硬化材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述方法还包括：去除所述芯部和所述中间壳体。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在暴露于一固化条件后提供一液体材料或类液体的材料，所述液体材料或类液体材料具有至少一以下特性：一粘度不超过10000厘泊；一剪切损耗模量与一剪切储存模量的比值大于1；一剪切模量低于20千帕；当承受小于1巴的一正压时具有流动性；一剪切稀化行为及/或一触变行为；以及一热稀化行为。本文所述的液体或类液体材料在本文中也可互换地称为材料L。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配包含一不可固化材料的一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方提供一液体材料或一类液体材料(例如材料L)。这种建构配方在本文中也可互换地称为“配方L”或“液体配方”。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述不可固化材料包括分子量小于2000克/摩尔的聚(亚烷基二醇)。
根据本发明的任何实施例中的一些，包括所述不可固化材料的所述建构材料配方(例如配方L)还包括一可固化材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料包括一单官能可固化材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料是亲水性的。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料在硬化时提供一剪切稀化材料及/或一触变材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料在硬化时提供一热稀化材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料在硬化时提供一水溶性材料或一水不混溶性材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述可固化材料在所述建构材料配方(例如配方L)中的一含量为10％至25％。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在硬化时或暴露于一固化条件时提供一水溶性材料或一水混溶性材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在硬化时或暴露于一固化条件时提供选自一剪切稀化材料、一触变材料或一热稀化材料中的一种材料。
根据本发明的任何实施例中的一些，所述方法还包括：去除所述芯部和所述中间壳体。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：生成描述所述血管中的多个腔室的一计算机物体数据，生成以一缩小形式描述所述多个腔室的一计算机物体数据，并组合描述所述血管的所述计算机物体输入数据与以所述缩小形式描述所述多个腔室的所述计算机物体数据，以提供描述所述血管和一芯部的一组合的计算器物体数据，所述芯部被一中空结构以在所述血管的一内表面和所述芯部的一最外表面之间存在一间隙的方式加以封装。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然在本发明实施例的实施或测试中可以使用与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料，下面描述的方法及/或材料为例示性的。如果发生矛盾，专利说明书包括其定义，将受到限制。另外，这些材料、方法和实例仅是说明性的，并非用以限制。
本发明实施例的方法及/或系统的实现可以关于手动地、自动地或者其组合地执行或完成选择的任务。而且，根据本发明方法及/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件、通过软件、或通过韧体或其组合通过使用操作系统来实现几个选择的任务。
例如，根据本发明的实施例执行选定任务的硬件可以被实现为核心片或电路。作为软件，根据本发明实施例的选定任务可以被实现为由使用任何合适的操作系统的计算器执行的多个软件指令。在本发明例示性实施例中，根据本文描述的方法及/或系统的例示性实施例的一个或多个任务由诸如用于执行多个指令的计算平台的数据处理器执行。可选地，数据处理器包括用于存储指令及/或数据的挥发性内存及/或用于存储指令及/或数据的非挥发性内存，例如磁性硬盘及/或可移动介质。可选地，也提供网络连接。更可选地提供显示器及/或用户输入设备，例如键盘或鼠标。
附图说明
这里仅通过举例的方式参考附加的图式来描述本发明的一些实施例。现在具体参照附图详细说明，强调的是，所示出的细节是作为例示并且出于对本发明实施例的说明性讨论的目的。就这一点而言，对于本领域技术人员而言，利用附图进行的描述对于可以如何实践本发明的实施例是显而易见的。
在附图中：
图1A至图1D是根据本发明一些实施例的一积层制造系统的示意图。
图2A至图2C是根据本发明一些实施例的多个打印头的示意图。
图3A及图3B是根据本发明一些实施例的坐标变换的示意图。
图4是根据本发明的一些实施例的一管状结构的示意图。
图5是根据本发明的一些实施例定义参数的示意图，根据本发明的一些实施例，这些参数可用于表征芯部和中间壳体的尺寸。
图6是实施例中所述管状结构的示意图，其中所述管状结构的壳体被嵌入一支撑结构中。
图7A至图7C是本发明实施例中的所述管状结构的示意图，其中所述管状结构包括被嵌入在所述壳体中的多个加强组件。
图8是在本发明的实施例中，在剖视图中的管状结构的示意图，其中管状结构包括至少部分地涂覆壳体一内表面的一衬里层。
图9是用于使用基于距离场的GPU材料分配来打印3D组件的系统的示例。
图10是用于图9的计算机的示例性计算机架构的方块示意图。
图11是将3D模型转换为打印指令并打印3D组件的方法的流程示意图。
图12是在图11的方法中使用的组件的方块示意图。
图13是示出一组件的部分的纹理和凹凸的透视示意图。
图14是具有定向部分的一建构空间的透视图。
图15是确定距离场值的方法。
图16是建构空间中的切片的俯视示意图，示出了一距离场值的确定。
图17是一方法执行材料选择的初始步骤的流程示意图。
图18提供了显示不同支撑区域的一组件的侧视示意图。
图19提供了一种当仅有一个组件时针对一立体像素选择材料的方法示意图。
图20提供了当建构空间中有多个组件时，针对一立体像素选择材料的方法示意图。
图21提提供了通过各个实施例构造的一个组件的截面示意图，示出了建构空间中的单一个组件。
图22提供了提供了两个组件的侧视图，示出了通过选择单一个组件的材料选择规则来消除干扰。
图23示出了两个不同调制函数被合并在一起的一合并区域。
图24示出了两种不同材料被合并在一起的合并区域。
图25是根据本发明的一些实施例的由非生物建构材料配方进行积层制造的一物体的示意图。
图26是根据本发明的一些实施方式通过由非生物建构材料配方进行积层制造而制造的多个细长结构的一互连网络的图像示意图。
图27是根据本发明的一些实施例的积层制造至少一个具有血管特性的管状结构的方法的流程示意图。
图28A和图28B是描述根据本发明的一些实施例可用于获得计算器物体数据的示例性过程的流程示意图。
图29A至图29D是在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的管状阵列(图29A)、不同成分的打印的管体(图29B)、线性和弯曲的管几何结构(图29C)和特雷莎动脉瘤(图29D)的可视化的计算机物体数据(图29A和图像(图29B-29D)。
图30示出了根据本发明的一些实施方式进行的实验结果，以研究壁厚度对打印的管体的特性的影响。
图31是示出在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的应力-应变曲线的图。
图32A至图32C显示根据本发明的一些实施例进行的实验的结果，以研究增强对打印的管体的特性的影响。
图33是根据本发明的一些实施例进行的实验中使用的定向加强组件的示意图。
图34A和图34B是根据本发明的一些实施例进行的实验中使用的封装的容器样品的示意图。
图35示出在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的作为管内径的函数的顺应性试验的结果。
图36根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的作为壁厚度函数的顺应性试验的结果。
图37示出在根据本发明的一些实施例进行的实验中获得的各种打印的管体的顺应性和破裂时间(TTR)测量的结果。
图38示出根据本发明的一些实施例进行的实验的结果，以研究在打印过程中使用的数字材料对顺应性的影响。
图39A至图39K示出了适于产生描述一中空物体的计算器物体数据的示例性过程示意图。
具体实施方式
本发明在其一些实施例中，是有关于一物体的积层制造，特别但不限于是有关于一种通过积层制造制造具有血管特性的物体的方法和系统。
在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用中不一定限于以下描述中阐述的组件及/或方法及/或在附图及/或实施例中所示出的构造和设置细节。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实施或执行。
在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用中不一定限于以下描述中阐述的组件及/或方法及/或在附图及/或实施例中所示出的构造和设置细节。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实施或执行。
本实施例的方法和系统通过在与所述物体的形状相对应的配置模式中形成多个层，以分层方式基于计算机物体数据来制造三维物体。计算机物体数据可以是任何已知格式，包括但不限于标准镶嵌语言(STL)或立体光刻轮廓(SLC)格式、虚拟现实模型语言(VRML)、积层制造文件(AMF)格式、图形交换格式(DXF)、多边形文件格式(PLY)或任何其他适合计算机辅助设计(CAD)的格式。
本文所称物体，是指整个物体或者物体的一部分。
每一层都是由积层制造设备形成的，所述设备扫描二维表面并对其进行图形处理。扫描时，所述设备搜寻二维层或表面上的多个目标位置，并针对每个目标位置或多个目标位置的一群组，确定目标位置或多个目标位置的一群组是否被建构材料配方占用，以及哪种类型建构材料配方会被传送。这个决定是根据表面的一计算机图像作出的。
在本发明的优选实施例中，积层制造包括三维打印，更优选地三维喷墨打印。在这些实施例中，从具有一组喷嘴的分配头分配建构材料配方，以将建构材料配方分层地沉积在支撑结构上。因此，积层制造设备在将要占据的目标位置分配建构材料配方，并使其他目标位置保持空白。所述设备通常包括多个分配头，每个分配头可被配置为分配不同的建构材料配方。因此，不同的建构材料配方可以占据不同的目标位置。
在本文全文中所用术语“未固化建构材料”共同描述了在制造过程中分配的材料，以便依次形成多个层，如本文所述。所述短语包括被分配以形成打印物体的多种未固化材料(在本文中也称为建构材料配方)，即一种或多种未固化模型材料配方，以及被分配以形成支撑物的未固化材料，即未固化的支撑材料配方。
建构材料配方的类型可分为两大类：模型材料配方和支撑材料配方。支撑材料配方用作支撑基质或构造，用于在制造过程及/或其他目的期间例如提供中空或多孔物体来支撑物体或物体组件。多个支撑结构可以另外包括模型材料配方组件，例如以获得进一步的支撑力量。根据本发明的一些实施方案，在暴露于一固化条件时提供液体或类液体材料的一建构材料配方也可以归类为支撑材料配方。
在本文全文中所用术语“固化的模型材料”和“硬化的模型材料”或简称为“模型材料”可互换使用，它们描述了在将被分配的建构材料暴露于固化之后，形成本文定义的模型物体的建构材料部分，然后去除支撑材料。固化模型材料的或硬化的模型材料可以是一种硬化材料，也可以是两种或更多种硬化材料的混合物，具体取决于本文所述方法中使用的模型材料配方。根据本发明的一些实施方式，在暴露于固化条件时提供液体或类液体材料的建构材料配方也可以归类为模型材料配方。
在本文中，通篇使用的术语“模型材料配方”，在本文中也可互换地称为“模型配方”，描述了未固化的建构材料的一部分，其被分配以形成模型物体，如本文所述。模型配方是未固化的模型配方，其在暴露于固化条件下形成最终物体或其一部分。
一未固化的建构材料可以包括一种或多种模型配方，并且可以被分配为使得在固化不同的模型配方时制造模型物体的不同部分，因此由多种不同的固化模型材料或多种固化模型材料的多种不同混合物制成。
在本文中，通篇使用的术语“硬化的支撑材料”在本文中还可互换地称为“固化的支撑材料”或简称为“支撑材料”，并且描述了在制造过程期间旨在支撑所制造的最终物体的建构材料部分，并且在完成所述制造并且获得一硬化的模型材料后被移除。
在本文中，通篇使用的术语“支撑材料的配方”，在本文中也可互换地称为“支撑物配方”或简称为“配方”，描述分配以形成支撑材料的未固化建构材料的一部分，如本文中所述。支撑材料的配方是未固化的配方，其在暴露于固化能量下时形成硬化的支撑材料。
支撑材料，可以是液体或类液体材料，也可以是硬化的，通常是凝胶或类凝胶材料，在本文中也被称为牺牲材料，其在多个层被分配并暴露于固化能量后可移除，从而暴露最终物体的形状。
在本文中和本领域中，使用的术语“凝胶”描述了通常被称为半固体材料的材料，其包括三维固体网络，通常由化学或物理连接在其间的纤维结构制成，并包封有液相在这个网络中。凝胶的特征通常在于固体的稠度(例如非流体)，并且具有相对较低的拉伸强度，相对较低的剪切模量(例如低于100千帕)和剪切储存模量的剪切损耗模量(tanδ)，G”/G')比值小于1。凝胶在承受至少0.5巴、优选至少1巴或更高的正压力时可流动，或者在承受低于1巴或低于0.5巴或0.3巴或更低的压力时不可流动。
如本文所述，根据本发明实施方式的凝胶状材料通常是软材料，其可以是凝胶或固体，其特征在于凝胶的机械和流变性质。
现有所使用的支撑材料配方通常包含可固化和不可固化材料的混合物，并且在硬化时形成硬化的支撑材料，其在本文中也称为凝胶状支撑材料或凝胶支撑材料。
如本文所定义，现有所使用的硬化支撑材料通常是水可混溶的，或水可分散的或水溶性的。
在本文中所用术语“与水混溶”描述了至少部分可溶于水或可分散于水中的材料，即，至少50％的分子在混合时移入水中。所述术语包括术语“水溶性”和“水分散性”。
在本文中所用术语“水溶性”描述了当与水以相等的体积或重量混合时形成均匀溶液的材料。
在本文中所用术语“水分散性”描述了当与水以相等体积或重量混合时形成均匀分散体的材料。
在本文中所用术语“溶解速率”描述了物质溶解在液体介质中的速率。在本实施方案的上下文中，可以通过溶解一定量的支撑材料所需的时间来确定溶解速率。所测量的时间在本文中称为“溶解时间”。
在本文中，每当在配方(例如建构材料配方)的实施方案的上下文中指出术语“重量百分比”时，其是指本文所述的相应配方或配方系统的总重量的重量百分比。
本文所用术语“重量百分比”在本文中也被称为“重量百分比”或“wt％”。
在本文中，在积层制造为3D喷墨打印的情况下描述了本发明的一些实施例。但是，可以设想其他积层制造工艺，例如但不限于SLA和DLP。
未固化的建构材料可以包括一种或多种模型配方，并且可以被分配为使得物体的不同部分在固化时由不同的固化模型配方或其不同组合所制成，因此由不同的固化模型材料或固化模型材料的不同混合物制成。
形成建构材料的配方(任选的模型材料配方和支撑材料配方)包含一种或多种可固化材料，当它们暴露于固化条件(例如固化能量)时，其形成硬化(例如固化、固体化)的材料。
本文中所用术语“可固化材料”是化合物(通常为单体或低聚化合物，但可选地为聚合物材料)，当暴露于本文所述的固化条件(例如固化能量)时，其固化或硬化以形成固化材料。可固化材料通常是可聚合材料，当暴露于合适的条件下时通常会发生聚合及/或交联，通常是暴露于一种能量。
根据本实施方式的可固化材料，在暴露于可以是固化能量的固化条件下及/或暴露于另一固化条件(例如与化学试剂接触或暴露于环境)的同时可以硬化或固体化(固化)。
本文所用的术语“可固化”和“可固体化”是可互换的。
聚合可以是例如自由基聚合、阳离子聚合或阴离子聚合，并且如本文所述，当暴露于固化能如辐射、热等或固化能量以外的固化条件时，每种聚合都可以分别被引发。
在本文所述的任一实施例中，可固化材料是光聚合材料，如本文所述，其在暴露于辐射时聚合及/或经历交联，并且在一些实施例中，可固化材料是紫外固化材料，如本文所述，其在暴露于紫外或紫外-可见辐射时聚合及/或经历交联。
在一些实施例中，如本文所述的可固化材料是通过光诱导自由基聚合聚合聚合的光聚合材料。或者，可固化材料是通过光诱导阳离子聚合聚合的光聚合材料。
在本文所述的任何实施例中的一些中，可固化材料可以是单体、低聚物或短链聚合物，每一种都如本文所述可聚合及/或可交联。
在本文所描述的任何实施例中的一些实施例中，当可固化材料暴露于固化条件(例如，辐射)下时，其通过链延伸和交联中的任何一个或组合来硬化(固化、固体化)。
在本文所描述的任何实施例中的一些中，可固化材料是单体或单体混合物，当暴露于发生聚合反应的固化条件(例如固化能量)时，可在聚合反应时形成聚合材料。这种可固化材料在此也被称为单体可固化材料。
在本文所描述的任何实施例中的一些中，可固化材料是低聚物或低聚物的混合物，当暴露于发生聚合反应的固化条件(例如固化能量)时，其可在聚合反应时形成聚合材料。这种可固化材料在此也被称为低聚物固化材料。
在本文所述的任何实施方案的一些中，可固化材料，无论是单体的还是低聚物的，可以是单官能可固化材料或多官能可固化材料。
本文中，单官能可固化材料包含当暴露于固化能(例如辐射)时可发生聚合的一个官能团。
多官能可固化材料包含两个或多个，例如2、3、4或多个，当暴露于固化能时可发生聚合的官能团。多官能可固化材料可以是例如双官能，三官能或四官能可固化材料，其分别包含可进行聚合的2、3或4个基团。多官能可固化材料中的两个或更多个官能团通常通过如本文所定义的连接部分彼此连接。当连接部分是低聚物或聚合物部分时，多官能基团是低聚物或聚合物多官能可固化材料。多官能可固化材料在承受固化能量及/或充当交联剂时会发生聚合。
最终的三维物体由模型材料或模型材料的组合或模型材料及/或支撑材料的组合或它们的修改(例如固化之后)制成。所有这些操作对于固体自由形式制造领域的技术人员来说都是众所周知的。
在本发明的一些示例性实施方式中，通过分配两种或更多种不同的建构材料配方来制造物体，每种配方均来自积层制造的不同分配头。在打印头通过的相同期间，建构材料配方任选地并且优选地沉积在多个层中。所述层内的多个配方和多个配方的组合是根据物体的所需特性来选择的。
图1A中示出了根据本发明一些实施例的适用于物体112的积层制造的系统110的代表性且非限制性的实施例。系统110包括具有一分配单元16的积层制造设备114，所述分配单元16包括多个分配头。每个分配头优选地包括一个或多个喷嘴122的阵列，如以下所述的图2A至图2C所示。通过分配头分配一未固化的液体建构材料配方124。
优选地，但不是必须地，设备114是一三维打印设备，在这种情况下，分配头是打印头，并且建构材料配方通过喷墨技术分配。但不限于此，因为对于某些应用，积层制造设备可能不必采用三维打印技术。根据本发明的各种示例性实施例考虑的积层制造设备的代表性示例包括但不限于熔融沈积模型设备和熔融材料配方沉积设备。
每个分配头任选且优选地经由建构材料配方贮存器供给，所述建构材料配方贮存器可任选地包括温度控制单元(例如温度传感器及/或加热装置)和材料配方水平传感器。为了分发建构材料配方，向分发头施加电压信号，以通过分配头喷嘴选择性地沉积材料配方液滴，例如在压电喷墨打印技术中。每个喷头的分配速率取决于喷头的数量、喷头的类型和施加的电压信号速率(频率)。此类分配头为固体自由制造技术领域的技术人员所知。
优选地，但不是限制性地，选择分配喷嘴或喷嘴阵列的总数，以使得分配喷嘴的一半被指定为分配支撑材料配方，分配喷嘴的一半被指定为分配模型材料配方，即喷射模型材料配方的喷嘴数量与喷射支撑材料配方的喷嘴数量相同。在图1A的代表性示例中，在示出了四个分配头16a，16b，16c和16d。分配头16a，16b，16c和16d中的每一个均具有喷嘴阵列。在所述实例中，分配头16a和16b可以被指定用于(多个)模型材料配方，分配头16c和16d可以被指定用于支撑材料配方。因此，分配头16a可以分配第一模型材料配方，分配头16b可以分配第二模型材料配方，并且分配头16c和16d都可以分配支撑材料配方。可替代地，分配头16b可以分配支撑材料配方。在替代实施例中，例如分配头16c和16d可以组合在具有两个喷嘴阵列的单个喷头中，用于沉积支撑材料配方。
然而，应所述理解的是，其并不旨在限制本发明的范围，并且模型材料配方沉积喷头(模型喷头)的数量和支撑材料配方沉积喷头(支撑喷头)的数量可以不同。通常，每个相应喷头或喷头阵列中的模型喷头的数量、支撑喷头的数量和喷嘴的数量是可选择的，以便在支撑材料配方的最大分配率和模型材料配方的最大分配率之间提供预定的比率a。优选地选择预定比率a的值以确保在每个形成的层中，分配的模型材料配方的高度等于分配的支撑材料配方的高度。a的典型值为约0.6至约1.5。
例如，对于a＝1，当所有模型喷头和支撑喷头操作时，支撑材料配方的总分配速率通常与模型材料配方的总分配速率相同。
在一个优选实施例中，有M个模型喷头，每个模型喷头具有m个各包括P个喷嘴的阵列，以及S个支撑喷头，每个支撑喷头具有s个各包括q个喷嘴的阵列，使得M×m×p＝S×s×q。每个M×m模型阵列和S×s支撑阵列都可以作为单独的物理单元制造，可以从阵列组中组装和拆卸。在所述实施例中，每个这样的阵列可选地并且优选地包括温度控制单元和其自身的材料含量传感器，并且为其操作接收单独控制的电压。
装置114可以进一步包括硬化装置324，其可以包括配置成发射光、热等的任何装置，其可以使沉积的材料配方硬化。例如，硬化装置324可包括一个或多个辐射源，其可以是例如紫外或可见光或红外光，或其他电磁辐射源或电子束源，这取决于模型材料配方。在本发明的一些实施例中，硬化装置324用于固化或固化配方中的可固化材料。
在本发明的一些实施例中，设备114包括一冷却系统134，诸如一个或多个风扇等。
分配头和辐射源优选地安装在框架或块体128中，框架或块体128优选地可操作以在托盘360上往复移动，托盘360作为工作表面。在本发明的一些实施例中，辐射源被安装在块体中，使得它们在分配头的之后跟随，以至少部分地固化或固化刚刚由分配头分配的可固化材料。托盘360水平放置。根据共同的惯例，选择X-Y-Z笛卡尔坐标系，使得X-Y平面平行于托盘360。托盘360优选地配置成垂直(沿Z方向)移动，通常向下移动。在本发明的各种示例性实施例中，设备114还包括一个或多个整平装置132，例如，整平装置326用于在其上形成连续层之前拉直、整平及/或建立新形成的层的厚度。整平装置326优选地包括一废物收集装置136，用于收集在整平期间产生的过量材料配方。废物收集装置136可包括将材料配方输送到废物箱或废物筒的任何机构。
在使用中，单元16的多个分配头在扫描方向上移动，在此称为X方向，并且在它们通过托盘360的过程中以预定的配置选择性地分配建构材料配方。建构材料配方通常包含一种或多种类型的支撑材料配方和一种或多种类型的模型材料配方。在单元16的分配头之后，通过辐射源126固化分配的模型材料配方。在分配头的反向信道中，回到它们刚刚沉积的层的起始点，可以根据预定的配置进行另外的建构材料配方的分配。在分配头的前向及/或反向信道中，由此形成的层可以通过整平装置326整平，整平装置326优选地在分配头的前进及/或后退运动中遵循分配头的路径。一旦分配头沿X方向返回到它们的起始点，它们可以沿着分度方向移动到另一个位置，在此称为Y方向，并且通过沿X方向的往复运动继续建构相同的层。或者，分配头可以在向前和向后运动之间或在多于一个向前-向后运动之后沿Y方向移动。由分配头执行以完成单层的一系列扫描在本文中称为单个扫描循环。
一旦层完成，根据随后要打印的层的所需厚度，将托盘360沿Z方向降低到预定的Z水平。重复上述过程以分层方式形成三维物体112。
在另一个实施例中，托盘360可以在层内在Z方向上在单元16的分配头的正向和反向信道之间移位。进行这种Z位移是为了使整平装置与表面在一个方向上接触并防止在另一个方向上的接触。
系统110任选地且优选地包括建构材料供应系统330，其包括多个建构材料配方容器或筒并且将多种建构材料供应到制造设备114。
控制单元340控制制造设备114并且可选地并且优选地还控制供应系统330。控制单元340通常包括配置成执行控制操作的电子电路。控制单元340优选地与数据处理器154通信，数据处理器154基于计算器物体数据发送关于制造指令的数字数据，例如，以标准曲面细分语言(STL)格式等形式在计算器可读介质上表示的CAD配置等。通常，控制单元340控制施加到每个分配头或喷嘴阵列的电压和相应打印头中的建构材料配方的温度。
一旦将制造数据加载到控制单元340，它就可以在没有用户干预的情况下操作。在一些实施例中，控制单元340接收来自操作者的附加输入，例如，使用数据处理器154或使用与单元340通信的用户界面116。使用者界面116可以是本领域已知的任何类型，例如但不限于此。键盘、触摸屏等。例如，控制单元340可以接收一种或多种建构材料类型及/或属性作为附加输入，例如但不限于颜色、特征变形及/或转变温度、粘度、电特性、磁特性。还构想了其他属性和属性组合。
根据本发明的一些实施例的适合于积层制造物体的系统10的另一个代表性和非限制性示例在图1B至图1D和中示出。图1B至图1D示出了系统10的顶视图(图1B)和侧视图(图1C)和等距视图(图1D)。
在本实施例中，系统10包括托盘12和多个喷墨打印头16，每个喷墨打印头16具有多个分开的喷嘴。托盘12可以具有圆盘形状或者可以是环形的。也可以考虑非圆形，只要它们可以围绕垂直轴旋转。
托盘12和喷头16可选地且优选地安装成允许托盘12和喷头16之间的相对旋转运动。这可以通过以下方式实现：(i)将托盘12配置成相对于喷头16绕垂直轴线14旋转，(ii)配置喷头16以相对于托盘12绕垂直轴线14旋转，或(iii)将托盘12和喷头16配置成绕垂直轴线14旋转但是以不同的旋转速度(例如，沿相反方向旋转)。虽然下面的实施例特别强调构造(i)，其中托盘是配置成相对于喷头16绕垂直轴线14旋转的旋转托盘，但是应所述理解，本申请也考虑了配置(ii)和(iii)。可以调整本文描述的任何一个实施例以适用于配置(ii)和(iii)中的任何一个，并且具有本文描述的细节的本领域普通技术人员将知道如何进行这样的调整。
在下面的描述中，平行于托盘12并从轴14向外指向的方向称为径向方向r，平行于托盘12并垂直于径向方向r的方向在此称为方位角方向φ，并且垂直于托盘12的方向在此称为垂直方向z。
这里使用的术语“径向位置”是指在距离轴14的特定距离处托盘12上或上方的位置。当所述术语与打印头结合使用时，所述术语指的是喷头的位置。当所述术语用于连接托盘12上的点时，所述术语对应于属于点的轨迹的任何点，所述点是圆，其半径是距轴14的特定距离并且其中心位于轴14。
这里使用的术语“方位角位置”是指托盘12上或相对于预定参考点在特定方位角处的位置。因此，径向位置指的是属于点的轨迹的任何点，所述点是形成相对于参考点的特定方位角的直线。
这里使用的术语“垂直位置”是指在特定点处与垂直轴14相交的平面上的位置。
托盘12作为三维打印的支撑结构。其上打印一个或多个物体的工作区域通常但不是必须的需小于托盘12的总面积。在本发明的一些实施例中，工作区域是环形的。工作区域在组件26处示出。在本发明的一些实施例中，托盘12在整个物体形成过程中沿相同方向连续旋转，并且在本发明的一些实施例中，托盘在物体形成期间将旋转方向反转至少一次(例如，振荡方式)。托盘12任选且优选是可移除的。移除托盘12可用于维护系统10，或者，如果需要，用于在打印新物体之前更换托盘。在本发明的一些实施例中，系统10设置有一个或多个不同的替换托盘(例如，替换托盘的套件)，其中两个或更多个托盘被指定用于不同类型的物体(例如，不同的重量)、不同的操作模式(例如，不同的旋转速度)等。根据需要，托盘12的更换可以是手动的或自动的。当采用自动更换时，系统10包括托盘更换装置36，托盘更换装置36构造成用于从托盘12下方的位置移除托盘12并用替换托盘(未示出)替换托盘12。在图1B的代表性图示中，托盘更换装置36示出为驱动器38，其中可移动臂40被构造成拉动托盘12，但也可以考虑其他类型的托盘更换装置。
打印头16的示例性实施例在图2A至图2C中示出。这些实施例可以用于上述任何积层制造系统，包括但不限于系统110和系统10。
图2A至图2B示出了具有一个(图2A)和两个(图2B)喷嘴阵列22的打印头16。阵列中的喷嘴优选地沿直线线性排列。在特定打印头具有两个或更多个线性喷嘴阵列的实施例中，喷嘴阵列可选地并且优选地可以彼此平行。
当采用类似于系统110的系统时，所有打印头16可选地并且优选地沿着分度方向定向，其沿扫描方向的位置彼此偏移。
当采用类似于系统10的系统时，所有打印头16可选地并且优选地径向定向(平行于径向方向)，其方位角位置彼此偏移。因此，在这些实施例中，不同打印头的喷嘴阵列彼此不平行，而是彼此成一定角度，所述角度大概等于各个喷头之间的方位角偏移。例如，一个喷头可以径向定向并定位在方位角位置φ1，另一个喷头可以径向定向并定位在方位角位置φ2。在这个例子中，两个喷头之间的方位角偏移是φ1-φ2，两个喷头的线性喷嘴阵列之间的角度也是φ1-φ2。
在一些实施例中，两个或更多个打印头可以组装到一打印头块，在这种情况下，打印头块通常彼此平行。包括若干喷墨打印头16a，16b，16c的打印头块在图2C中示出。
在一些实施例中，系统10包括位于打印头16下方的支撑结构30，使得托盘12位于支撑结构30和打印头16之间。支撑结构30可用于防止或减少在喷墨打印头16操作时可能发生的托盘12的振动。在打印头16绕轴14旋转的构造中，支撑结构30优选地也旋转，使得支撑结构30总是直接在打印头16下方(在打印头16和托盘12之间)。
托盘12及/或打印头16可选地且优选地配置成沿垂直方向z移动，平行于垂直轴14，以便改变托盘12和打印头16之间的垂直距离。在垂直距离变化的配置中通过沿垂直方向移动托盘12，支撑结构30优选地也与托盘12一起垂直移动。在垂直方向上，打印头16沿垂直方向改变垂直距离，同时保持托盘12的垂直位置固定，支撑结构30也保持在固定的垂直位置。
垂直运动可以由垂直驱动器28建立。一旦完成一层，根据预定的垂直步骤，托盘12和打印头16之间的垂直距离可以增加(例如，托盘12相对于喷头16降低)。随后要打印的层的所需厚度。重复上述过程以分层方式形成三维物体。
喷墨打印头16以及可选地且优选地还有系统10的一个或多个其他部件的操作，例如托盘12的运动，由控制器20控制。控制器可具有电子电路和非易失性存储器。所述电路可读取介质，其中储存介质储存多个程序指令，当由电路读取时，所述程序指令使电路执行控制操作，如下面进一步详述的。
控制器20还可以与主计算器24通信，主计算器24基于计算器物体数据发送与制造指令有关的数字数据，例如以标准曲面细分语言(STL)或立体成像轮廓(SLC)格式、虚拟现实模型语言的形式(VRML)、积层制造文件(AMF)格式、图形交换格式(DXF)、多边形文件格式(PLY)或适用于计算器辅助设计(CAD)的任何其他格式。物体数据格式通常根据笛卡尔坐标系构造。在这些情况下，计算器24优选地执行用于将计算器物体数据中的每个切片的坐标从笛卡尔坐标系变换为极坐标系的过程。计算器24可选地并且优选地根据变换的坐标系传输制造指令。或者，计算器24可以根据计算器物体数据提供的原始坐标系传输制造指令，在这种情况下，坐标的变换由控制器20的电路执行。
坐标转换允许在旋转托盘上进行三维打印。在传统的三维打印中，打印头沿直线在固定托盘上方往复移动。在这种传统系统中，只要喷头的分配速率均匀，打印分辨率在托盘上的任何点都是相同的。与传统的三维打印不同，并非喷头点的所有喷嘴在同一时间覆盖托盘12上的相同距离。任选地并且优选地执行坐标的变换，以便确保在不同径向位置处的等量的多余材料。在图3A至图3B示出了根据本发明的一些实施例的坐标变换的代表性示例，提供了一物体的三个切片(每个切片对应于物体的不同层的制造指令)。其中图8A示出了笛卡尔坐标系中的切片，而图3B示出了在将坐标过程的变换应用于各个切片之后的相同切片。
通常，控制器20基于制造指令并基于如下所述的存储的程序指令来控制施加到系统10的相应组件的电压。
通常，控制器20控制打印头16在托盘12旋转期间分配层的建构材料液滴，例如在托盘12上打印三维物体。
系统10可选地且优选地包括一个或多个辐射源18，其可以是例如紫外或可见光或红外光，或其他电磁辐射源，或电子束源，这取决于所使用的模型材料。辐射源可包括任何类型的辐射发射装置，包括但不限于发光二极管(LED)、数字光处理(DLP)系统、电阻灯等。辐射源18用于固化或固体化或硬化分配的模型材料配方。在本发明的各种示例性实施例中，辐射源18的操作由控制器20控制，控制器20可以激活和停用辐射源18，并且可选地还可以控制由辐射源18产生的辐射量。
在本发明的一些实施例中，系统10还包括一个或多个整平装置32，其可以制造成辊或刀片。整平装置32用于在其上形成连续层之前拉直新形成的层。在一些实施例中，整平装置32具有圆锥形辊的形状，其定位使得其对称轴34相对于托盘12的表面倾斜，并且其表面平行于托盘的表面。在系统10(图1C)的侧视图中示出了上述实施例。
圆锥形辊可以具有锥形或圆锥形状。
优选地选择锥形辊的开口角度，使得在沿其轴线34的任何位置处的锥体半径与所述位置与轴线14之间的距离之间存在恒定的比率。所述实施例允许辊32有效地整平多个层，因为当辊旋转时，辊表面上的任何点p都具有线性速度，所述线性速度与在p点垂直下方的点处的托盘的线性速度成比例(例如相同)。在一些实施例中，辊具有锥形截头锥体的形状，其具有高度h，与轴线14最近距离处的一半径R1，以及距轴线14最远距离处的一半径R2，其中参数h、R1和R2满足关系R1/R2＝(R-h)/h，并且其中R是辊与轴线14的最远距离(例如，R可以是托盘12的半径)。
整平装置32的操作可选地且优选地由控制器20控制，控制器20可以启动和停用整平装置32并且还可选地还可以沿垂直方向(平行于轴线14)及/或径向方向(平行于托盘12并指向或远离轴14)控制其位置。
在本发明的一些实施例中，所述系统10包括诸如一个或多个风扇等的冷却系统(未示出，见图1A)。
在本发明的一些实施例中，打印头16构造成沿径向方向r相对于托盘往复移动。当打印头16的喷嘴阵列22的长度短于沿托盘12上的工作区域26的径向的宽度时，这些实施例是有用的。打印头16沿径向的运动可选地且优选地由控制器20控制。
一些实施例考虑通过从不同的分配头分配包括例如不同的建构材料配方来制造物体。这些实施例尤其提供了从给定数量的材料中选择材料配方的组合的能力，并且限定了所选择的建构材料配方及其性质的所需组合。根据本实施例，限定了每种建构材料配方与所述层的组合的沉积的空间位置，以实现通过不同材料配方占据不同的三维空间位置，或实现通过两种或更多种不同的材料配方的不同组合占据基本相同的三维位置或相邻的三维位置，以允许在层内材料后沉积的空间组合，从而在以下形成复合材料各自的位置或多个位置。
预期任何后沉积组合或建构材料配方的混合。例如，一旦分配某种模型材料配方，它可以保持其原始特性。然而，当其与另一种模型材料配方或在相同或附近位置分配的其他分配的多个材料同时分配时，形成具有与多种分配的材料配方不同的性质或多种性质的复合材料配方。
因此，根据为了表现物体的每个部分所需的特性，本实施例能够在物体的不同部分中沉积广泛范围的材料配方组合，以及可以由多种不同的材料配方的多种组合构成的物体的制造。
关于适用于本实施例的积层制造系统的原理和操作的进一步细节可在美国公开申请号US 20100191360中找到，其内容通过引用并入本文。
图4是根据本发明一些实施例的一管状结构200的示意图。管状结构200优选地由积层制造(例如，通过操作积层制造系统10和110之一)由非生物建构材料配方制成。在本发明的各种示例性实施例中，管状结构200具有血管的形状，并且可选地并且优选地还具有血管的机械特性。管状结构200可以包括细长的芯部202和封装所述芯部202的实心壳体204。
在一些实施例中，壳体204的最小尺寸(例如，其外径)为约0.1毫米至约5厘米，或约1毫米至约3厘米。在一些实施例中，壳体204的壁厚度为约0.1毫米至约5毫米，或约0.1毫米至约3毫米。
芯部202是可任选的并且优选是可被去除的。在一些可选的和优选的实施例中，管状结构200还包括在芯部202和壳体204之间的中间壳体206。中间壳体是可选的并且优选也是可被去除的。芯部202、壳体204和中间壳体206中的每一个可选地并且优选地由不同的材料或多种材料的不同组合制成。
在本发明的一些实施例中，芯部202由液体或类似液体的材料制成，如本文所定义(例如，材料L)。当芯部202由液体或类似液体的材料制成并且管状结构200还包括中间壳体206时，中间壳体206优选地由凝胶或类似凝胶的材料制成，如本文所述(例如，材料S)。发明人发现，这种中间壳体206显著降低了向内塌陷的可能性。中间壳体206作为芯部202和外壳体204之间的缓冲层，并且任选地并且优选地防止液体或类似液体的芯部与固体壳体之间的接触。可以通过例如在结构200内部施加压力来去除液体或类液体的芯部。压力优选不大于1巴，或不大于0.5巴，或不大于0.3巴，并且可以为，例如0.1巴，0.2巴或0.3巴。
在移除芯部202之后，如果存在中间壳体206，则通常将其保留在管状结构200中。然后，可以通过在管状结构200中循环能够溶解或分散中间壳体206的溶液来去除中间壳体206。中间壳体206可以由水溶性或水混溶性的硬化支撑材料(例如材料S)制成，其中中间壳体206可以通过与可溶解或分散在其中的水溶液(一种清洁溶液、一种包含碱性物质的水溶液，其含量为溶液重量的约1％至约3％)接触而除去。在一些实施例中，在施加诸如高于0.5巴或高于1巴的压力的物理手段例如空气或液体喷射时，移除中间壳体206。所述压力可选地并且优选地高于用于移除芯部202的压力。
芯部202和中间壳体206的尺寸是基于管状结构的壳体204的期望内径可选地和优选地而选择的。图5示出了根据本发明的一些实施例可用于表征芯部202和中间壳体206的尺寸的多个参数。显示一最大芯部直径参数LMAX，一最小中间层厚度参数CMIN以及两个阈值直径参数D1和D2。
LMAX通常但不一定小于10毫米，CMIN通常但不一定小于20毫米且大于0.4毫米，或小于2毫米且大于0.4毫米。阈值D1和D2可选地并且优选地基于LMAX和CMIN以及血管几何结构来计算。例如，D1可以计算为LMAX和CMIN的线性组合，例如D1＝LMAX+2xK1xCMIN，其中K1大于1，并且通常为从约2到约5。D2可以计算为Lmax的线性函数，例如D2＝LmaxxK2，其中K2通常在0.8到1.2之间。在本发明的一些实施例中，系数K2和K1之间的比率小于4CMIN或小于3CMIN或小于2CMIN。
在本发明的一些实施例中，在管状结构200的多个区域中，外壳体204的内径大于或等于第一阈值直径D1，芯部202的直径优选地具有大致恒定的直径，例如，与LMAX参数相同。在本发明的一些实施例中，在管状结构200的多个区域中，外壳体204的内径小于或等于第二阈值直径D2，中间壳体206的厚度(沿垂直于纵轴的径向方向)所述管的直径)通常优选地是恒定的直径，例如，与cMIN参数相同。在本发明的一些实施例中，在管状结构的多个区域中，外壳体204的内径介于第二阈值直径D2与第一阈值直径D1之间，芯部202的直径小于LMAX并且中间壳体206的厚度为大于CMIN。在这些区域中，芯部202的直径和中间壳体206的厚度不一定沿管状结构200恒定。例如，当管状结构包括外壳体204的内径变化的多个区域时，芯部202的直径和中间壳体206的厚度可以相互变化，使得芯部的直径的增加伴随着中间壳体的厚度的减小。芯部直径和中间壳体厚度的变化可选且优选地是单调的，例如线性变化。
本实施例还构想了这样一种配置，其中芯部202由如本文所定义的凝胶或类似凝胶的材料(例如，材料S)制成，并且中间壳体206由如本文所定义的液体或类似液体的材料制成(例如，材料L)。这些实施例的优点在于，非固体中间壳体206减小了芯部202和壳体204之间的摩擦，并且因此有利于容易地将芯部202从管状结构202移除，同时减少或消除了循环溶液以进行移除的需要。另一个优点是凝胶或类似凝胶的芯可以提供更好的支撑以防止向内塌陷。
形成芯部202(在芯部202是凝胶或凝胶状材料的实施例中)或中间壳体206(在中间壳体206是凝胶或凝胶状材料的实施例中)的凝胶或类凝胶材料中可以是任何建构材料。最好是适用于积层制造的支撑材料。例如，凝胶或类凝胶材料可以是建构材料，根据ASTMD-575，其弹性模量为约0.05兆帕至约0.5兆帕，或者根据ASTMD-575，其弹性模量为约0.1兆帕至约1兆帕，及/或具有此处所述的针对凝胶或类凝胶材料，例如材料S，的任何特性。
在本发明的一些实施方案中，可以通过分配可固化的支撑材料配方或两种或更多种可固化的支撑材料配方的组合(例如，形成本文所述的数字材料)来获得凝胶或类凝胶材料，或至少一种可固化支撑材料配方和至少一种可固化模型材料配方的组合(例如，以形成本文所述的数字材料)。
在本发明的一些实施方案中，可以使用任何已知的可固化配方获得凝胶或类凝胶材料，所述配方在暴露于本文所述的固化条件时提供本领域已知的可用于本领域的硬化支撑材料。在这些实施方案的上下文中，所述配方通常是在硬化时及/或通过物理手段(例如喷水)或化学手段(例如一种清洁溶液)提供可溶于水或与水混溶或易碎的材料。
根据一些实施例，可固化支撑材料配方可以提供凝胶或凝胶状的硬化支撑材料，其特征在于以下至少之一：
一剪切损耗模量G”与一剪切储存模量G’之比(tanδ)小于1；
承受高于0.5巴或高于1巴的液压时具有流动性及/或易分解性；及
如本文所定义的水溶性或水不混溶性。
这样的可固化支撑材料在本文中也称为配方S。
示例性的可固化的支撑材料配方S包括一种或多种可固化材料，优选地为亲水性或为两亲性的可固化材料，如实施例1中所描述，进一步优选地为单官能可固化材料；一种或多种不可固化的材料，优选为亲水性或两亲性聚合材料；以及一种或多种引发剂，用于促进可固化材料的硬化。
作为示例性的支撑材料配方包括但不限于市售的SUP705、SUP706和SUP707。可以将这些配方暴露于固化条件(通常是紫外线辐射)下获得的硬化的凝胶或类似凝胶的材料，可以使用针对这些配方推荐的清洁溶液及/或物理方法除去。
液体或类液体材料是建构材料，其特征在于基本相同或相似于表征液体的特性。
在本文的全部和现有技术中所用的术语“液体”描述了不会对应于压力而改变其体积的流体。液体材料的特征是流动性，即随着分子相互移动而流动的能力。粘度，即抗剪切应力；通过非常低或零的剪切模量(G)；且剪切损耗模量与剪切储存模量比(G”/G’或tanδ)大于1，通常大于10。
在此所用的术语“类液体材料”是指具有例如小于100千帕或小于50千帕或小于10千帕的低剪切模量，具有与液体类似的特性的材料及/或剪切损耗模量与剪切储存模量比(tanδ)高于1，如本文所述，任选地高于5或高于10，因此其流体特性、粘度和流动性类似于液体。
在本发明的一些实施例中，液体和类液体材料具有以下一种或多种特征：
一粘度不超过10000厘泊；及/或
一剪切损耗模量与一剪切储存模量的比值(tanδ)大于1；及/或
一剪切稀化行为及/或一触变行为；及/或
一热稀化行为；及/或
一剪切模量低于20千帕；及/或
当承受小于1巴或小于0.5巴的一正压时具有流动性。
剪切储存模量G’在本文中也可互换地称为“储存剪切模量”，并反映了材料的弹性行为。液体材料通常是非弹性的，因此具有低剪切储能模量。
剪切损耗模量G”在本文中也可互换地称为“损耗剪切模量”，反映了材料的粘性特性。
储存剪切模量和损耗剪切模量可任选地在指定的温度和频率下使用剪切流变仪，例如应变控制的旋转流变仪，来确定(例如使用本领域众所周知的方法)。
剪切损耗模量与剪切储存模量之比值G”/G’，也称为“tanδ”，反映了材料的粘弹性行为。液体材料通常更具粘性和非弹性，因此对于液体或类似液体的材料，所述比值高于1。凝胶通常具有弹性，因此对于凝胶或类似凝胶的材料的比值低于1。
在本文中所用术语“剪切稀化”描述了流体化合物或材料的特性，所述特性通过施加剪切力(在剪切应变下)时其粘度降低(其流动性增加)来反映。在本发明的一些实施方案中，剪切稀化材料是这样的材料，其在将剪切应变从约1％增加至大于50％，例如至少100％时，显示出其剪切模量的显着降低。
在本文中所用术语“触变”描述了时序变化下剪切稀化所反映的流体化合物或材料的性质，即其粘度与施加剪切力的时间相关地降低并返回停止施加剪切力时恢复到其原始值。在本发明的一些实施方案中，触变材料在50％应变下显示出其剪切模量的显着降低，例如至少100％。
在本文中所用术语“热稀化”描述了流体化合物或材料的性质，所述性质通过施加热能(温度升高)时其粘度降低(其流动性提高)来反映。在本发明的一些实施方案中，热稀化材料的特征在于，当加热至40℃至95℃的温度时，其粘度或剪切模量降低至少20％，或至少50％，甚至100％。包括任何中间值和它们之间的子范围。
之后的实施例部分中的实施例2描述了可用于提供本文所述的液体或类液体材料的示例性建构材料配方。这种配方在本文中也称为“液体配方”或“配方L”。
一种或多种模型材料配方包含一种或多种可固化材料，任选地与一种或多种不可固化材料组合，并且进一步任选地与引发剂、表面活性剂、抗冲改性剂、着色剂、增稠剂等组合。
优选地，一种或多种模型材料配方包含的可固化材料的量为模型材料配方的总重量的至少50重量百分比。
在一些实施方案中，可固化材料是UV可固化的材料，并且配方还包含一种或多种光引发剂。
在一些实施例中，UV可固化材料是丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，并且可以包括单体，低聚或聚合的丙烯酸酯及/或甲基丙烯酸酯。
模型材料配方使得在暴露于固化条件(例如，紫外线照射)时，可固化材料聚合，从而提供一硬化(固化、固体化)材料或多种硬化材料(例如，数字材料)。
模型材料配方的成分及其分配取决于最终物体的所需特性。
壳体204可以由本领域中已知的任何模型材料或模型材料的组合制成。在本发明的一些实施例中，可以通过分配可固化的模型材料配方或两种或更多种可固化的模型材料配方的组合(例如，以形成本文所述的数字材料)或至少一种可固化的支撑材料配方和至少一种可固化的模型材料配方(例如，以形成本文所述的数字材料)的组合来获得材料形成壳体204。在本发明的各种示例性实施例中，形成壳体204的材料中的至少一种具有零(0)或接近零(例如10以下或5以下)的肖氏A硬度，或肖氏00硬度低于30。适用于壳体204的这种材料的代表性实例在下面的实施例1中描述。
形成材料的壳体204可以是数字材料，其结合了材料配方C1和材料配方C2，其中根据ASTM D-412，C1可以具有约2兆帕至约4兆帕的拉伸强度和根据ASTM D-224D具有约25兆帕至约35兆帕的肖氏A硬度的拉伸强度，并且C2可具有根据ASTM D-638-03的约20兆帕至约40兆帕的拉伸强度和根据ASTM D-638-04约750兆帕至约1500兆帕的弹性模量。
图6是实施例中的管状结构200的示意图，其中壳体204被嵌入支撑结构208中。支撑结构208可以具有任何形状，并且优选地围绕其外围封装壳体204，任选地并且优选地使管状结构200的一个或两个杆204a和204b伸出支撑结构208外部。具有支撑结构208的优点是其便于搬运和运输。另一个优点是，封装在移除牺牲芯部202和(如果存在)牺牲中间壳体206的过程中会保护壳体204。当外壳体204是软的(例如，由下面的实施例1中描述的材料制成)时，这些实施例特别有用。当壳体204具有低壁厚度(例如，壁厚度小于0.5毫米)和低外径(例如，小于10毫米)时，这些实施例也有用。
在本发明的各种示例性实施例中，支撑结构208是可去除的。例如，支撑结构208可以由支撑材料制成。在这些实施例中，在移除芯部204以及中间壳体206(如果存在的话)之后，以及可选地在管状结构200的处理及/或运输之后，例如，使用任何已知技术移除支撑结构208用以去除积层制造的支撑材料。
图7A至图7C是本发明的实施例中的管状结构200的示意图，其中管状结构200包括嵌入在壳体204中的多个加强组件201。加强组件210任选且优选地定向以影响壳体204的各向异性机械性能。这有利于模拟已知具有不同机械特性的血管对径向作用力的以及对纵向作用力的响应差异。图7A示出了一个实施例，其中多个加强组件210包括平行于壳体的纵轴212嵌入在壳体204中的多个细长的加强组件。图7B示出了一个实施例，其中多个加强组件210包括沿着限定壳体204的方位角方向214嵌入壳体中的环形加强组件，并且图7B示出了实施例。图7C示出了一个实施例，其中加强组件210包括沿方位角方向214的多个环形加强组件和平行于纵轴212的多个细长的加强组件。
加强组件210可选地并且优选地由具有比壳体204的材料高的硬度水平的材料制成。根据ASTM D-412，合适的用于加强组件210的材料可以具有约2兆帕至约4兆帕的拉伸强度和根据ASTM D-224D具有约25兆帕至约35兆帕的肖氏A硬度的拉伸强度。例如，加强组件210可以由可在PolyjetTM系统中使用的类橡胶材料制成，例如，使用弹性体可固化材料的商品名为“AgilusTM”系列的材料，例如AgilusTM30，并且可选地，为二氧化硅颗粒。这种材料的示例在同一申请人的PCT国际申请号IL2017/050604(公开号为WO2017/208238)中有所描述，其内容通过引用并入本文。可在PolyJetTM系统中使用的其他类橡胶样材料示例包括以商品名“TangoTM”，“Tango+TM”市售的那些，它们提供了所获得的硬化材料的各种弹性体特性，包括肖氏A硬度、断裂、抗撕裂性和拉伸强度。可用于形成这种橡胶状材料的示例性可固化弹性体配方也描述在下面的实施例3中。
图8是在本发明的实施例中，在剖视图中的管状结构的示意图，其中管状结构200包括至少部分地涂覆壳体204一内表面218的一衬里层216。衬里层216优选地在中间壳体206和内表面208之间。然而，为了清楚起见，在图8中未示出中间壳体206。衬里层216可以由适合积层制造的任何建构材料制成。衬里层216可以由任何建构材料制成。在本发明的一些实施例中，衬里层216可以由具有零(0)或接近零(例如，10以下或5以下)或肖氏00硬度小于40的材料制成。在下面的实例1中提供了这种材料的代表性实例。替代地，衬里层216可以由支撑材料制成，例如，根据本发明的材料具有的弹性模量为约10千帕至约100千帕或约10千帕至约50千帕或约0.1兆帕至约1兆帕。符合ASTM D-575(本文所述的材料S为示例性支撑材料)，可选并优选涂覆有可弹性固化的材料，例如，根据ASTM D-412具有约2兆帕至约4兆帕的一拉伸强度和根据ASTM D-224D具有约25兆帕至约35兆帕的肖氏A硬度的拉伸强度。在下面的实施例3中提供了这种合适的弹性体可固化材料的代表性实例。仍可替代地，衬里层216可以是这些材料中的两种或更多种的组合，例如，如下文进一步详述的数字材料的组合。
在本发明的各种示例性实施例中，衬里层216和壳体204之间的接合性比中间壳体206和衬里层216之间的接合性更牢固。当需要去除中间壳体206而不需要去除衬里层216时，这些实施例是有用的。中间壳体206由凝胶或类似凝胶的材料(例如，材料S)制成，用于去除中间壳体206的管状结构200中的溶液的循环可选地且优选地以足够低的流速进行，以便不去除衬衬里层216。当中间壳体206由液体或类似液体的材料(例如，材料L)制成时，芯部202和中间壳体206的移除可选地且优选地在足够小的力下以达到不去除衬里层216。在本发明的一些实施例中，衬里层216比壳体204硬。可选地并且优选地，选择衬里层216的材料及/或质地，使得衬里层216具有斑块组织的机械性能。
图25是根据本发明的一些实施例的由非生物建构材料配方进行积层制造的一物体230的示意图。物体230具有一器官的形状，并且优选地包括具有一血管形状的一个或多个结构，例如管状结构200，以及具有除了血管以外的身体结构形状的一个或多个结构232。例如，结构232可以具有脑、头、肢、颈、心、肺、肝、胰腺、脾、胸腺、食道、胃、肠、肾、睾丸、卵巢、骨、乳腺、子宫、膀胱、脊髓、眼睛、耳朵等形状
图26是根据本发明的一些实施方式通过由非生物建构材料配方进行积层制造而制造的多个细长结构的一互连网络240的图像示意图。每个细长结构具有一血管的形状，并且可以是例如管状结构200。在本发明的一些实施例中，互连网络240包括一个或多个支撑夹具242，其被配置用于以三维设置方式维护互连网络240。
图27是根据本发明的一些实施例的积层制造至少一个具有血管特性的管状结构的方法的流程示意图。所述方法从270开始，并且可选地并且优选地进行到271，在所述271处获得以任何上述格式的计算机物体数据。下面参照图28A和图28B描述用于获取计算机物体数据的示例性技术。
所述方法可以进行到272，在272中，一层由分配一种或多种建构材料配方构成。如本文所述，建构材料配方可以是模型材料配方及/或支撑材料配方和/或当暴露于固化条件时提供液体或类液体材料的配方。在本发明的一些实施方案中，所述方法针对特定层选择性地分配模型材料配方的一个或多个区域和支撑材料配方的一个或多个区域及/或当暴露于如本文所述的固化条件时提供液体或类液体材料的配方。优选地以与物体的形状相对应并根据计算器物体数据的配置图案来分配模型材料配方。优选地，根据计算器物体数据分配其他建构材料配方，但是不一定根据物体的形状分配，因为这些建构材料配方通常是可被去除的。
任选地，在分配之前，将未固化的建构材料或其一部分(例如，一种或多种建构材料配方)在分配之前加热。这些实施例对于在3D喷墨打印系统的工作室的操作温度下具有相对高的粘度的未固化的建构材料配方特别有用。配方的加热优选地达到允许通过3D喷墨打印系统的打印头的喷嘴喷射相应配方的温度。在本发明的一些实施方案中，加热到相应配方表现出不大于X厘泊的粘度的温度，其中X为约30厘泊，优选约25厘泊，更优选约20厘泊，或18厘泊。，或16厘泊，或14厘泊，或12厘泊，或10厘泊，甚至更低。
可以在将各自的配方装载到AM(例如3D喷墨打印)系统的打印头中之前，或者在配方处于打印头中时，或者当组合物通过打印头的喷嘴时，执行加热。
任选地，在分配之前，将未固化的建构材料或其一部分(例如一种或多种建构材料配方)在分配之前加热。这些实施例对于在3D喷墨打印系统的工作室的操作温度下具有相对高的粘度的未固化的建构材料配方特别有用。配方的加热优选地达到允许通过3D喷墨打印系统的打印头的喷嘴喷射相应配方的温度。在本发明的一些实施例中，加热到相应配方表现出不大于X厘泊的粘度的温度，其中X为约30厘泊，优选约25厘泊，更优选约20厘泊，或18厘泊，或16厘泊，或14厘泊，或12厘泊，或10厘泊，甚至更低。
加热可以在将各个配方装入积层制造(例如3D喷墨打印)系统的打印头之前执行，或者当配方在打印头中时，或者当合成物通过打印头的喷嘴时执行。
在一些实施例中，在将各自的配方装载到分配头(例如喷墨打印)中之前执行加热，从而避免在其粘度太高的情况下配方堵塞分配头(例如喷墨打印)。
在一些实施例中，加热是通过至少在使模型材料配方通过分配(例如喷墨打印)头的喷嘴的同时加热分配(例如喷墨打印)头来执行的。
在一些实施例中，在分配将要以液体或液体状保留在最终物体中的建构材料配方期间(例如，配方L)，以下描述的冷却系统的操作暂时终止，以保持静止空气环境。
如本文中所使用术语“静止空气环境”是指其中没有空气流或者空气以小于3米/秒的速度流动的环境。
在步骤273，新分配的层例如使用以下所述的整平装置32或132整平，所述整平装置32或132可选地并且优选地是可旋转的。当新分配的层包含要在最终物体中保留为液体或液体状的配方时(本文所述的第二种建构配方，配方L)，优选地相对于其在整平其他层时的速度改变(通常为降低)整平装置的转速。可以通过控制器(例如控制器20或控制器340)来控制整平装置的转速。
所述方法可选地并且优选地进行到274，在274中，例如借助于硬化装置，例如本文所述的辐射源，使沉积的层暴露于一固化条件(例如，施加固化能量)。优选地，在所述层的沉积之后并且在之前的层的沉积之前，将固化施加至每个单独的层。任选地，将沉积的(分配的)层暴露于除固化能量之外的固化条件下，例如但不限于与化学试剂接触或暴露于环境中。
步骤272-274，并且在一些实施例中还优选为包括步骤271，优选地被顺序地执行多次，从而顺序地分配和固化多个层。这在图27中示出，其中的箭头是从步骤274指向步骤271和步骤272的循环箭头。分配这些层以形成由模型材料配方和牺牲结构制成的多个模型层的堆栈，其中多个模型层和牺牲结构的堆栈是可分离的彼此保持模型层堆栈的形状和尺寸不变的方式。在本发明的各种示例性实施例中，执行步骤272-274，以使各层形成细长芯部(例如，芯部202)，以及封装芯部并具有血管形状的壳体(例如，壳体204)，其中芯部是任选地和优选地是牺牲结构。在本发明的一些实施例中，还执行这些操作以在芯部和壳体之间形成中间壳体(例如，中间壳体206)。通过分配不同的建构材料配方或多个建构材料配方的不同组合来形成芯部、壳体和中间壳中体的每一个。如本文所述，芯部和中间壳体(当形成时)是任选地和优选地通过分配可在完成物体之后去除的建构材料而形成的，因此是可被去除的。
通常，液体或类似液体的材料(例如，材料L)用于填充沿其最小尺寸宽度小于4毫米的空腔，而凝胶或类似凝胶的配方(例如，材料S)或液体或类似液体材料和凝胶状或凝胶状材料的组合用于填充沿其最小尺寸宽度大于4毫米的空腔液体状。优选地，当分配或弄平液体或液体状或凝胶或凝胶状材料时，积层制造系统确保例如借助于控制器20或340，使得新分配的层处于静止空气环境中。
在本发明的一些实施例中，所述方法在至少一层上分配数字材料配方。
如本文和本领域中所使用的术语“数字材料配方”描述了微观尺度或立体像素水平的两种或更多种材料配方的组合，使得特定材料配方的打印区域处于少数立体像素水平或立体像素块水平。这样的数字材料配方可以表现出新的特性，所数特性受到材料配方类型的选择及/或两种或更多种材料配方的比率和相对空间分布的影响。
在示例性数字材料配方中，固化时获得的每个立体像素或立体像素块的模型或支持材料配方独立于固化时获得的相邻立体像素或立体像素块的模型或支持材料配方，这样，每个立体像素或立体像素块可导致不同的模型或支持材料配方，并且整个物体的新特性是在立体像素级别上多个不同模型材料配方的空间组合的结果。
贯穿本文，每当在不同的材料配方及/或特性的上下文中使用“在立体像素水平”的表述时，其意在包括立体像素块之间的差异以及立体像素或少数立体像素的组之间的差异。在优选的实施例中，整个物体的特性是几种不同模型材料配方在立体像素块级别上的空间组合的结果。
在本发明的各种示例性实施例中，执行步骤272-274以在交错位置处对于多个层中的至少一部分形成包含不同建构材料配方的立体像素组件。
在一些实施例中，通过在交错位置分配两种或多种建构材料配方的液滴来形成多个层的至少一个或几个(例如，至少10个、至少20个、至少30个、至少40个、至少50个、至少60个、至少80个或更多个)，每种建构材料配方均来自不同的分配(例如喷墨打印)头。这些建构材料配方可以包括：(i)两个或两个以上的模型材料配方，如在任何相应的实施例中所述，(ii)如在任何相应的实施例中所述，至少一个模型材料配方和至少一个支撑材料配方(液体、类液体或硬化)，或(iii)两种或两种以上的支撑材料配方(液体、类液体或硬化的)，如本文所述，在任何相应的实施例中。
可选地并且优选地选择多个隔行位置以形成横跨这些层的3D纹理区域。可选地并且优选地根据调制函数选择隔行位置。调制函数接收候选立体像素的位置并提供输出值，然后用于选择候选立体像素的材料配方。因此，当输出值在输出值的一个预定范围内时，为候选立体像素指定一种建构材料配方；当输出值在输出值的另一个预定范围内时，为候选立体像素指定另一种建构材料配方，依此类推。通常，至少有一个输出值或输出值的范围，没有为候选立体像素指定材料。候选立体像素的材料指定被输出给积层制造系统，积层制造系统将指定的配方分配到候选立体像素的位置。
在本发明的一些实施例中，多个距离场与调制函数结合使用。通常，从3D构建空间中选择立体像素，并为所选立体像素确定相对于构建空间中3D物体的距离场值。然后可以将距离场值用作调制函数的输入。因此，在这些实施例中，调制函数接收候选立体像素的位置和距离场值并提供输出值，然后将其用于选择候选立体像素的建构材料配方，如上所述。
本实施例预期许多类型的调制函数。例如，在本发明的一些实施例中，调制函数包括噪声函数。适用于包括在调制函数中的噪声函数的代表性示例包括但不限于单纯形噪声函数、开放式单纯形噪声函数、Worley噪声函数、Perlin噪声函数、小波噪声函数和数值噪声函数。在一些实施例中，调制函数包括周期函数。通常，但并非必须，周期调制函数的周期为2毫米或更小。在一些实施例中，调制函数包括非周期性函数。还预期这些或其他函数中的两个或更多个的组合。后面的“示例”部分提供了关于调制函数和多个距离场的概念的更详细描述(请参见示例4)。
在一些实施例中，所述方法继续到275，在所述275处从打印物体中移除液体或类似液体的材料(例如，材料L)，从而揭示最终物体。任选地且优选地通过施加压力将液体或类液体材料由液体或类液体材料填充的一个或多个空腔中去除。压力任选地并且优选地足以使液体或类液体材料流出空腔，而不会引起压力引起对包围空腔的一个或多个壳体的损坏。任选地，并且优选地，在液体或类液体材料具有热稀化行为的情况下，例如，在移除液体或类液体材料之前，将物体加热到约40℃到约95℃的温度。
当通过施加压力去除液体或类液体材料时，压力可以是例如空气压力或液体压力，例如水溶液(例如水)喷射的形式。
压力最好不超过1巴，或不超过0.5巴，或不超过0.3巴，并且可以是例如0.1巴、0.2巴或0.3巴。
或者，也可以选择性地除上述之外，尤其是在液体或类液体材料在环境条件下不能充分流动的情况下，通过施加使液体或类液体材料可流动的条件来实现去除液体或类液体材料。这些条件包括，例如，施加剪切力(例如，当要移除的材料是剪切稀化材料时)及/或施加热能(例如，当要移除的材料是热稀化材料时)。
任选且优选地，由可固化支撑材料配方或可固化支撑配方与多个其他可固化建构配方的组合形成的硬化支撑结构也在275处移除。当硬化支撑结构形成中间壳体时，其移除是任选且优选地通过在中间壳体所占据的空腔中循环能够移除硬化支撑结构的溶液。例如，凝胶或类凝胶的硬化支撑结构可以是水溶性或水溶性的，在这种情况下，通过接触其可溶解或可分散的水溶液(例如，清洁溶液、包含碱性物质的水溶液，以溶液重量的1％至3％计)。
在一些实施例中，在施加物理手段(例如在高于0.5巴或高于1巴的压力下的空气或液体喷射)时移除凝胶或类凝胶支撑材料。所述压力可选地且优选地高于用于移除液体或类液体材料的压力。
当固体支撑结构形成所述芯部时，可以通过壳体的开口端将其拉出，选择性地且优选地在不循环溶液的情况下对其进行移除。
方法在276结束。
图28A是可根据本发明的一些实施例用于执行上述操作271的示例性过程的流程图。所述过程对于获取用于系统10或系统110的计算机物体数据特别有用。应理解的是，除非另有定义，否则下面描述的操作可以同时或顺序地以许多执行组合或顺序执行。具体而言，流程图的排序不应被视为限制。例如，以特定顺序出现在以下描述或流程图中的两个或多个操作可以以不同的顺序(例如，相反的顺序)或基本上同时执行。另外，下面描述的几个操作是可选的，可能无法执行。
所述过程从700开始，并且可选地并且优选地继续到701，在所述701处接收适合于医学数字成像和通信的格式的数据(以下简称DICOM数据)。
DICOM数据可以从采集控制台接收，例如但不限于MRI系统、CT成像系统、螺旋CT系统、正电子发射断层成像(PET)系统、二维或三维透视成像系统、二维、三维或四维超声成像系统、内视镜系统、床边监测系统、x射线系统，以及能够进行CT、MRI、PET、超声波或其他成像技术的混合成像系统。在本发明的一些实施例中，DICOM数据优选地包括描述一个或多个血管的一个或多个数字图像数据，在本发明的一些实施例中，DICOM数据包括描述一个或多个身体结构的一个或多个数字图像数据，所述一个或多个身体结构包括除了血管以外的一个或多个组织组件，并且在本发明的一些实施例中，DICOM数据包括描述一个或多个血管的一个或多个数字图像数据，以及描述包括一个或多个组织组件而不是血管的一个或多个组织组件的一个或多个数字图像数据。
可选地并且优选地继续到702，在702处DICOM数据被转换为计算机物体数据。例如，计算机物体数据可以是任何已知格式，包括但不限于标准镶嵌语言(STL)或立体光刻轮廓(SLC)格式、虚拟现实模型语言(VRML)、附加制造文件(AMF)格式、图形交换格式(DXF)，多边形文件格式(PLY)或适用于计算机辅助设计(CAD)的任何其他格式，例如波前(OBJ)。从DICOM数据到计算机物体数据的转换可选且优选地包括一个或多个分割过程，所述分割过程选自由阈值化、区域生长、动态区域生长等组成的群组中。
阈值化程序利用不同组织密度的差异来选择具有高于或等于规定阈值的图像像素。例如，可以选择阈值化过程的规定阈值，使得关于硬组织的图像像素通过阈值化程序，并且过滤掉其他相关的图像像素。每次使用不同的阈值可以多次应用阈值化程序，以便获得不同组织类型的单独数据集。
区域生长程序通常在阈值化程序后应用，以分离具有相同密度范围的区域。区域生长过程可以检测初始种子点的相邻像素，并确定相邻像素是否属于所述区域。可选地并且优选地迭代执行所述程序以分割图像。例如，可以根据不同的组织类型来选择种子点，并且可以迭代地执行区域生长分割技术来分离属于这些组织类型之一的图像像素。在动态区域生长中，除了选择种子点外，还选择了一系列图像参数。选择这些参数以允许将图像像素识别为与种子点相同。
通常但不是必须的，应用初始背景分割程序从DICOM中删除不属于任何感兴趣的组织类型的数据元素。然后可以通过使用不同的分割技术，将随后的分割程序应用于物体解剖结构的一个或多个精制区域的更细化的分割。
在分割之后，从DICOM数据到计算器物体数据的转换还可以包括平滑，环绕及/或填充孔以补偿DICOM数据中的伪影。然后可以将格式转换过程应用于分段的DICOM数据，以便以上述任何格式提供计算器物体数据。
在本发明的一些实施例中，从计算器可读介质接收输入数据作为计算器物体数据，在这种情况下，不需要获取和转换DICOM数据。在这些实施例中，没有必要执行操作701和702。
无论如何，计算器物体数据优选地包括与具有组织组件的形状的一个或多个身体结构的形状有关的数据，如上所述。无论是通过DICOM数据转换获得还是直接接收，计算器物体数据都可以有选择地并优选地安排在多个文件中，每个文件都属于不同的身体结构。
当身体结构包括具有空腔的壳状的中空物体时，例如但不限于血管或血管结构，所述过程可选地优选地进行到752，在所述752处生成描述空腔而不是描述壳体的计算器物体数据。所述过程然后可以继续到753，在753处生成描述缩小形式的空腔的计算器物体数据。在753处由数据描述的空腔在某种意义上被缩小，即它们的最外表面所包围的体积与作为输入接收的空腔的体积相比减小了。换句话说，在753处由数据描述的空腔具有整体最外表面区域，所述整体最外表面区域小于由输入数据描述的中空物体的内表面区域。下面描述适合于在753处执行的技术的代表性示例。从753，所述过程可选地并且优选地继续至754，在所述754，将描述壳状的中空物体的计算器物体数据(例如，在702处获得的计算器物体数据或从计算器可读介质接收的计算器物体数据)与在753处获得的计算器物体数据进行组合。这种组合提供了组合的计算器物体数据，这些数据描述了以最外层外壳的内表面和内层外表面之间存在间隙的方式封装内核的最外层外壳。在下面的示例6中描述了步骤752、步骤753和步骤754的更详细描述。
可替代地，可以跳过步骤752、步骤753和步骤754。
在步骤703，每个数据文件确定将由积层制造的物体模仿的身体结构的类型(例如，软组织，骨骼，肌肉组织，平滑组织，骨肿瘤，软骨，磁盘，神经/脊髓，体液，例如血液，血管)。所述确定可以通过提取存在于相应的计算器物体数据文件或相应的DICOM数据文件中的信息，或者从与相应的数据文件相关联的信息中提取。
在704处，选择与各身体结构相关联的一组规则。多个积层制造规则的组合可选且优选地包括要分配的建构材料配方以及分配的参数和条件(例如，温度、交错比、交错纹理)。多个积层制造规则的组合可以从一个查找表中获得，所述查找表具有每种类型身体结构的条目，以及与每种条目相关联的一积层制造参数组。所述参数组可选且优选地包括建构材料配方和多个建构材料配方的一组合中的至少一个。对于作为血管的身体结构，以及任选且优选地对于其他类型的身体结构，参数组任选且优选地还包括血管的一壁厚度。
在本发明的一些实施例中，接收一受试者的基本数据。受试者基本数据通常包括体重、性别、年龄、种族、人种、临床病史等的一个或多个。在本发明的一些实施例中，受试者基本数据还包括遗传图谱，所述遗传图谱可以包含受试者的整个基因组中的基因，也可以包含特定的基因子集。遗传图谱可以包括基因组图谱、蛋白质组图谱、表观基因组图谱及/或转录组图谱。在接收到受试者的基本数据，查找表还包括用于不同简档参数的条目。具体地说，查找表可以为每种类型的主体结构包含多个条目，为每个配置文件参数包含一个条目。作为一个有代表性和非限制性的例子，一个查找表可以包括例如血管的多个条目，其中每个年龄组一个条目。
在本发明的一些实施例中，由用户例如经由用户界面(例如，用户界面116)来选择一组积层制造规则。还考虑了同时使用查找表和用户界面的实施例。例如，查找表可以用于缩小提供给操作员的选项的数量，并且用户界面可以用于选择积层制造规则的最终组合。
进一步考虑的是其中一组规则与计算器物体数据一起被接收的实施例。例如，每个计算器物体数据文件可以包括一个或多个积层制造规则，或者与包括一个或多个积层制造规则的积层制造规则文件相关联，其中积层制造规则对应于相应的计算器物体数据。
在705处，对每个计算器物体数据文件可选地且优选地分别应用切片操作。通常通过为计算器物体数据文件生成一组图像文件来执行切片，每个图像文件描述以不同的垂直坐标(例如，上述z坐标)为特征的平面的二维立体像素贴图，所述平面对应于模仿身体结构的各个物体的一层。图像文件可以是本领域已知的任何二维格式，例如但不限于位图文件(BMP)，便携式网络图(PNG)等。下面参考图28B提供一种优选的切片技术。
在706处，将两组或更多组图像文件组合成单一个图像文件。例如，可以将对应于相同垂直坐标但对应于模仿不同身体结构的物体的图像文件组合起来，以提供描述一个图层的图像文件，所述图层一旦被打印，就包括分别模仿两个或多个身体结构的两个或更多物体的切片部分。在707处，将图像文件上传到诸如但不限于系统10或系统110的积层制造系统，以制造类似于身体结构的非生物物体。
所述程序在708处结束。
图28B是根据本发明的一些实施例的示例性切片方法的流程图。所述方法对于执行图28A的切片操作705特别有用。所述方法从720开始，并且可选且优选地应用于计算机物体数据中的每个例立体像素。
在判定721处，针对各个立体像素确定相对于三维物体的距离场值。距离场值指示立体像素是在模仿要打印的身体结构的物体之内还是之外。例如，可以将负距离场值分配给仿真身体结构的物体之外的立体像素，将正距离场值分配给仿真身体结构的物体内的立体像素，并将零距离场值分配给仿真身体结构的物体表面的最外层的立体像素。下面的实施例4中提供了适合于确定距离场值的技术的代表性例示。
当立体像素在模仿身体结构的物体的内部或最外表面上时(例如，当距离场值为正时)，所述方法继续进行到722，在此处分配建构材料配方给每种立体像素。所述建构材料配方可以是本文所述的一模型材料配方、一支撑材料配方或一液体材料配方，并且可选地并且优选地基于在上述704处获得的3D物体中的立体像素的位置和积层制造规则来确定。所述方法从722继续到724，在724处，所述方法选择与所分配的建构材料配方相对应的像素值。像素值可以是唯一代表分配的建构材料配方的任何值。例如，像素值可以是灰阶级或色彩值(例如RGB值)。
当立体像素在模仿身体结构的物体之外时(例如，当距离场值为负时)，所述方法继续进行到判定723，在所述处，所述方法确定立体像素是要被占据还是保持空置。如果将立体像素保持空置，则所述方法继续进行到终端726，所述方法选择唯一表示空置像素的一像素值。例如，所述方法可以选择一空置值来表示一空置像素。可替代地，当立体像素在模仿身体结构的物体之外时，所述方法可以从723继续到终端728，在此结束，或者，当立体像素位于模仿身体结构的物体外部时，所述方法可以从723继续到其结束处的终端728，在这种情况下，未被分配任何值的像素将被关注，作为使立体像素保持空置的多个指令。
如果立体像素将被占用，则所述方法继续到将一建构材料配方分配给立体像素的725，然后继续至724，在所述方法中所述方法选择与上文进一步详述的分配的建构材料配方相对应的像素值。
从724、725或726(视情况而定)，所述方法继续到727，在所述727处，所选像素值被分配给二维图像中的一像素，其中二维图像中的像素的位置对应于二维图像表示的层内的立体像素的位置。
所述方法在728处结束。
在本文全文中所用术语“身体”当在例如结构、器官、组织或材料使用时，描述所指示的结构、器官、组织或材料，作为主体的一部分，优选是活体主体。这个术语包括生物系统、器官、组织、细胞和材料。
在本文中所用术语“受试者”包括任何年龄的动物，最好是哺乳动物，最好是人类。这个术语包括有可能发生病理危险的个体或患有发生病理危险的个体。
本文所述术语“身体结构”是指受试者身体的一部分，包括任何前述的系统、器官、组织、细胞和周围环境。身体结构例如可以包括在生物体内共同起作用的多个器官，例如胃肠道、心血管系统、呼吸道等。除了构成这些系统的一部分的器官和组织之外，所述身体结构还可以包括与病理相关的结构，例如肿瘤细胞或组织。身体结构可替代地包括例如心脏和与其相关的血管。身体结构可替代地包括器官，例如手臂或前臂或腿，并且可以在其内部包括相关的骨骼系统和肌肉组织、血管、肿瘤组织(如果存在)及/或其周围的皮肤组织。
本文所述术语“组织”一词是指生物体的一部分，由设计来执行一项或多项功能的细胞组成。例子包括但不限于脑组织、视网膜、皮肤组织、肝组织、胰腺组织、骨、软骨、结缔组织、血液组织、肌肉组织、心脏组织、血管组织、肾组织、肺组织、性腺组织、造血组织。
根据本文所描述的任何实施例中的一些，在本实施例的上下文中可用的建构材料配方是合成的、非生物的配方，并且基本上由合成材料组成。
如本文所使用的术语“合成材料”描述在活体中不固有存在的有机材料。本术语包括非生物有机材料、非天然有机材料及/或合成有机材料。
根据本文所描述的任何实施例中的一些，至少一些并且优选所有可在本实施例的上下文中使用的建构材料配方缺乏生物材料。
本文所述术语“生物材料”是指在本文所定义的活体中固有存在的有机材料。这些材料包括，例如细胞和细胞成分、蛋白质(包括酶、激素、受体配体等)、多肽、核酸、基因、氨基酸。
本文所用述术语“不具有”是指占配方总重量的小于1％，或小于0.5％，或小于0.1％，或小于0.05％，或小于0.01％，或小于0.005％，或小于0.001％，或更小，包括零重量。
应当理解的是，本发明的一些实施方案考虑了含有水的配方。根据本文所述的任何实施方案中的一些，在本实施方案的上下文中可用的至少一些，并且优选所有的建构材料配方是未细胞化的，即，没有生物细胞或细胞组分。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，本文所述的模型材料配方包含按重量计小于10％，或小于8％，或小于5％，或甚至更少的水，或不含水，如本文所定义的。
在本文所述的任何实施例中的一些实施例中，包括在本文所述的建构材料配方和配方及配方系统中的可固化材料尤其是不可固化材料是无毒的、无害环境的，因此是安全的，可供使用和处置。
预计在从本申请中成熟的专利的有效期内，将开发许多相关的材料配方，并且术语“材料配方”的范围旨在先验地包括所有此类新技术，只要这些材料配方具有本文所述的机械性能。
如本文所用的术语“约”是指±10％或±5％。
如本文所用的术语“示例性”是指“用作例示、实例或说明”。任何描述为“示例性”的实施例不一定被解释为优于或优于其他实施例及/或从其他实施例排除特征的并入。
如本文所用的术语“可选”一词是指“在一些实施例中提供，而在其他实施例中不提供”。本发明的任何特定实施例可以包括多个“可选”特征，除非这些特征冲突。
如本文所用的术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。
如本文所用的术语“由......组成”是指“包括但不限于”。
如本文所用的术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件，但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。
本文所使用的单数型式“一”、“一个”及“所述”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。
在整个本申请中，本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在。应当理解，以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制。因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及所述范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。
每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。术语，第一指示数字及第二指示数字"之间的范围”及第一指示数字"到”第二指示数字"的范围"在本文中可互换，并指包括第一及第二指示数字，及其间的所有分数及整数。
如本文所用的术语“方法”或“工艺”指的是用于完成一特定任务的方式(manner)，手段(means)，技术(technique)和程序(procedures)，包括但不限于，那些方式，手段，技术和程序，其是已知的，或是从已知的方式，手段，技术或程序很容易地被化学，药理，生物，生化及医学领域从业者所开发。
如本文所用的术语“(甲基)丙烯酸”涵盖丙烯酸和甲基丙烯酸化合物。
在本文中，如本文所用的术语“连接部分”或“连接基团”描述连接化合物中的两个或更多个部分或基团的基团。连接部分通常衍生自双官能或三官能化合物，并且可以被认为是二或三自由基的基团，其分别通过其两个或三个原子与两个或三个其它基团连接。
当定义为连接基团时，例示性的连接基团包括任选被一个或多个如本文所定义的杂原子插入的烃部分或链及/或以下列出的任何化学基团。
当化学基团在本文中被称为“尾端基团”时，它被解释为通过其一个原子与另一个基团连接的取代基。
在本文中，如本文所用的术语“烃”总体上描述了主要由碳和氢原子组成的化学基团。烃可以由烷基、烯烃、炔烃、芳基及/或环烷基组成，各自可以被取代或未被取代，并且可以被一个或多个杂原子间隔。碳原子的数量可以在2至20个的范围内，并且优选为较低的，例如1至10，或1至6，或1至4。烃可以是一连接基团或一尾端基团。
双酚A是由2个芳基和1个烷基组成的烃的一个例子。
如本文所用的术语“胺”描述-NR'R”基团和-NR'-基团，其中R'和R”各自独立地为氢、烷基、环烷基、芳基，如这些术语在下文中所定义。
因此，胺基可以是一级胺，其中R'和R”两者都是氢、二级胺，其中R'是氢，并且R”是烷基、环烷基或芳基，或者三级胺，其中R'和R”各自独立地是烷基、环烷基或芳基。
可任选地，R'和R”可以各自独立地为羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、羰基、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。
如本文所用的术语“胺”在本文中用于描述在胺是如下文所定义的端基的情况下的-NR'R”基团，并且在本文中用于描述在胺是连接基团或是连接部分的一部分的情况下的-NR'-基团。
如本文所用的术语“烷基”描述包括直炼和支链基团的饱和脂族烃。优选地，烷基具有1至20个或1至30个碳原子。每当一个数值范围-例如“1-20”-被陈述，这指的是所述基团(在这种情况下为烷基)可含有1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子…等，最多包括20个碳原子。烷基可以被取代或未被取代。取代的烷基可以具有一个或多个取代基，其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。
所述烷基可以是尾端基团，在上文中所定义的所述术语，其中它连接于单个相邻原子或连接基团，因为如上文所定义的所述术语，其链中通过至少两个碳原子连接两个或多个基团。当烷基是连接基团时，其在本文中也称为“亚烷基”或“亚烷基链”。
本文中，如本文所定义的被亲水基团取代的C(1-4)烷基包括在本文所用的术语“亲水基团”下。
如本文所用，烯烃和炔烃是如本文所定义的烷基，其分别含有一个或多个双键或三键。
如本文所用的术语“环烷基”描述了一个或多个环不具有完全共轭π电子系统的一全碳单环或多个稠环(即共享相邻碳原子对的环)基团。实例包括但不限于环己烷、金刚烷、降冰片烷、异冰片基等。环烷基可以被取代或未被取代。取代的环烷基可以具有一个或多个取代基，其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸酯、O-氨基甲酸酯、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。环烷基可以是尾端基团，因为如上文所定义的所述术语，其中它连接于单个相邻原子或连接基团，如本文所定义，其在两个或更多个位置连接两个或更多个基团。
本文定义的1-6个碳原子的环烷基，被两个或多个亲水基团取代，包括在本文所用的术语“亲水基团”下。
术语“杂脂环族”描述单环或稠环基团，其在环中具有一个或多个原子，例如氮，氧和硫。
如本文所用的术语“杂脂环族”描述在(多个)环中具有一个或多个原子，如氮、氧和硫的一单环或稠环基团。所述环也可以具有一个或多个双键。但是，环没有完全共轭π电子系统。代表性的例子是哌啶、哌嗪、四氢呋喃、四氢吡喃、吗啉代、草酰胺等。
杂脂环可以被取代或未被取代。例如，羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、O-氨基甲酸盐、N-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。杂脂环基团可以是如上文所定义的尾端基团，其中它连接于单个相邻原子或连接基团，如本文所定义的，在其两个或更多个位置连接两个或更多个部分。
包含一个或多个给电子原子如氮和氧，并且其中碳原子与杂原子的数量比为5：1或更低的杂脂环基团包括在本文所用的术语“亲水基团”之下。
如本文所用的术语“芳基”描述具有完全共轭π电子系统的全碳单环或稠环多环(即共享相邻碳原子对的环)基团。芳基可以被取代或未被取代。取代的芳基可以具有一个或多个取代基，其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。芳基基团可以是如上文所定义的尾端基团，其中它连接于单个相邻原子或连接基团，如本文所定义的，在其两个或更多个位置连接两个或更多个部分。
如本文所用的术语“杂芳基”描述在环中具有一个或多个原子(例如氮、氧和硫)的单环或稠合环(即共享相邻原子对的环)，另外，具有完全共轭的π电子系统。非限制性地，杂芳基的实例包括吡咯、呋喃、噻吩、咪唑、恶唑、噻唑、吡唑、吡啶、嘧啶、喹啉、异喹啉和嘌呤。杂芳基可以被取代或未被取代。例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、O-氨基甲酸盐、N-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。杂芳基可以是如上文所定义的尾端基团，其中它连接于单个相邻原子或连接基团，如本文所定义，其在其两个或更多个位置连接两个或更多个基团。代表性的例子是吡啶、吡咯、恶唑、吲哚、嘌呤等。
如本文所用术语“卤化物”和“卤素”描述氟、氯、溴或碘。
如本文所用术语“卤代烷基”描述如上定义的烷基，其进一步被一个或多个卤化物取代。
如本文所用术语“硫酸盐”描述-O-S(＝O)2-OR'端基，所用术语如上文所定义，或-OS(＝O)2-O-连接基团，因为这些所用如上文所定义。其中R'如上所定义。
如本文所用术语“硫代硫酸盐”描述-O-S(＝S)(＝O)-OR'端基或-O-S(＝S)(＝O)-O-连接基团，因为这些术语如上文所定义。其中R'如上所定义。
如本文所用术语“亚硫酸盐”描述-O-S(＝O)-O-R'端基或-O-S(＝O)-O-基团连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如上文所定义。
如本文所用术语“硫代亚硫酸盐”描述-O-S(＝S)-O-R'端基或-O-S(＝S)-O-基团连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如上文所定义。
如本文所用术语“亚磺酸盐”描述-S(＝O)-OR'端基或-S(＝O)-O-基团连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如上文所定义。
如本文所用术语“亚砜”或“亚磺酰基”描述-S(＝O)R'端基或-S(＝O)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如上文所定义。
如本文所用术语“磺酸盐”描述-S(＝O)2-R'端基或-S(＝O)2-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如本文所定义。
如本文所用术语“S-磺酰胺”描述-S(＝O)2-NR'R”端基或-S(＝O)2-NR'-连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“N-磺酰胺”描述R'S(＝O)2-NR”-端基或S(＝O)2-NR'-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'和R”是如本文所定义。
如本文所用术语“二硫化物”是指-S-SR'端基或-S-S-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如本文所定义。
如本文所用术语“膦酸盐”描述-P(＝O)(OR')(OR”)端基或P(＝O)(OR')(O)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“硫代膦酸盐”描述-P(＝S)(OR')(OR”)端基或P(＝S)(OR')(O)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“氧膦基”描述-PR'R”端基或-PR'-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'和R”如上文所定义。
如本文所用术语“氧化膦”描述-P(＝O)(R')(R”)端基或P(＝O)(R')连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“硫化膦”描述-P(＝S)(R')(R”)端基或P(＝S)(R')连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“亚磷酸酯”描述-O-PR'(＝O)(OR”)端基或-O-PH(＝O)(O)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“羰基”或“碳酸酯”描述-C(＝O)-R'端基或-C(＝O)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如本文所定义。
如本文所用的术语“硫代羰基”描述-C(＝S)-R'端基或-C(＝S)-连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如本文所定义。
本文所用的术语“氧代”描述(＝O)基团，其中氧原子通过双键与指定位置的原子(例如碳原子)连接。
本文所用的术语“硫代氧代”描述了(＝S)基团，其中硫原子通过双键与指定位置的原子(例如碳原子)连接。
本文所用的术语“肟”描述a＝N-OH端基或a＝N-O-连接基团，因为这些术语如上文所定义。
如本文所用术语“羟基”指的是-OH基团。
如本文所用术语“烷氧基”指的是如本文所定义的-O-烷基和-O-环烷基两者。
如本文所用术语“芳氧基”指的是如本文所定义的-O-芳基和-O-杂芳基。
如本文所用术语“硫代羟基”指的是-SH基团。
如本文所用术语“硫代烷氧基”指的是如本文所定义的-S-烷基基团和-S-环烷基基团。
如本文所用术语“硫代芳氧基”指的是如本文所定义的-S-芳基和-S-杂芳基。
如本文所用“羟烷基”在本文中也指的是“醇”，并且描述如本文所定义的被羟基取代的烷基。
如本文所用术语“氰基”指的是-C≡N基团。
如本文所用术语“异氰酸酯”指的是-N＝C＝O基团。
如本文所用术语“异硫氰酸酯”指的是-N＝C＝S基团。
如本文所用术语“硝基”指的是-NO2基团。
如本文所用术语“酰基卤”指的是-(C＝O)R””基团，其中R””是如上所定义的卤化物。
如本文所用术语“偶氮”或“双氮”指的是-N＝NR'尾端基团或-N＝N连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'如上文所定义。
如本文所用术语“过氧化物”描述-O-OR'端基或-O-O连接基团，因为这些术语如上文所定义，其中R'如上文所定义。
如本文所用术语“羧酸盐”包括C-羧酸盐和O-羧酸盐。
如本文所用术语“C-羧酸盐”指的是-C(＝O)-OR'尾端基团或-C(＝O)-O连接基团，如在上文中所定义的所述术语，其中R'如本文所定义。
如本文所用术语“O-羧酸盐”指的是-OC(＝O)R'尾端基团或-OC(＝O)连接基团，如在上文中所定义的所述术语，其中R'如本文所定义。
羧酸盐可以是直链或环状的。当形成环状时，R'和碳原子在C-羧酸酯中连接在一起形成环状，并且所述基团也被称为内酯。或者，R'和O连接在一起形成O-羧酸酯环。环状羧酸酯可以用作连接基团，例如，当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用的术语“硫代羧酸酯”包括C-硫代羧酸酯和O-硫代羧酸酯。
如本文所用术语“C-硫代羧酸酯”指的是-C(＝S)-OR'尾端基团或-C(＝S)-O连接基团，如在上文中所定义的所述术语，其中R'如本文所定义。
如本文所用术语“O-硫代羧酸酯”指的是-OC(＝S)R'尾端基团或-OC(＝S)连接基团，如在上文中所定义的所述术语，其中R'如本文所定义。
硫代羧酸酯可以是直链或环状的。当形成环状时，R'和碳原子在C-硫代羧酸酯中连接在一起形成环状，并且所述基团也被称为硫代内酯。或者，R'和O连接在一起形成O-硫代羧酸酯环。环状硫代羧酸酯可以用作连接基团，例如，当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“氨基甲酸酯”涵盖N-氨基甲酸酯和O-氨基甲酸酯。
如本文所用术语“N-氨基甲酸酯”指的是R”OC(＝O)-NR'-尾端基团或OC(＝O)-NR'-连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“O-氨基甲酸酯”指的是-OC(＝O)-NR'R”尾端基团或-OC(＝O)-NR'连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
氨基甲酸酯可以是直链或环状的。当为环状时，R'和碳原子在O-氨基甲酸酯中连接在一起形成一环。或者，R'和O连接在一起形成N-氨基甲酸酯环。环状氨基甲酸酯可以用作连接基团，例如，当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“氨基甲酸盐”涵盖N-氨基甲酸盐和O-氨基甲酸盐。
如本文所用术语“硫代氨基甲酸盐”包括N-硫代氨基甲酸盐和O-硫代氨基甲酸盐。
如本文所用术语“O-硫代氨基甲酸盐”指的是-OC(＝S)NR'R”尾端基团或OC(＝S)NR'连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“N-硫代氨基甲酸盐”指的是R”OC(＝S)NR'-尾端基团或OC(＝S)NR'-连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
硫代氨基甲酸盐可以是直炼或环状的，如本文对氨基甲酸盐所述。
如本文所用术语“二硫代氨基甲酸酯”包括S-二硫代氨基甲酸酯和N-二硫代氨基甲酸酯。
如本文所用术语“S-二硫代氨基甲酸酯”指的是-SC(＝S)NR'R”尾端基团或-SC(＝S)NR'连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“N-二硫代氨基甲酸酯”指的是R”SC(＝S)NR'-尾端基团或-SC(＝S)NR'-连接基团，如在上文中所定义的所述术语，R'和R”如本文所定义。
如本文所用术语“脲基”，也称为“脲素”指的是-NR’C(＝O)-NR”R”'尾端基团或NR’C(＝O)-NR”连接基团，如这些术语在上文中所定义，其中R’和R”如本文所定义，且R”'如本文对R’和R”所定义。
如本文所用术语“硫脲基”，也称为“硫脲”指的是-NR’-C(＝S)-NR”R”'尾端基团或-NR’-C(＝S)-NR”连接基团，其中R’、R”和R”'如本文所定义。
如本文所用术语“酰胺”包括C-酰胺和N-酰胺。
如本文所用术语“C-酰胺”指的是-C(＝O)-NR’R”尾端基团或-C(＝O)-NR’连接基团，如这些术语在上文中所定义，其中R’和R”如本文所定义。
如本文所用术语“N-酰胺”指的是R’C(＝O)-NR”-尾端基团或R’C(＝O)-N-连接基团，如这些术语在上文中所定义，其中R’和R”如本文所定义。
酰胺可以是直链或环状的。当为环状时，R’和碳原子在C-酰胺中连接在一起形成一环，并且所述基团也被称为内酰胺。环酰胺可以作为连接基团，例如，当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“脒基”指的是R’R”NC(＝N)-尾端基团或-R’NC(＝N)-连接基团，如这些术语在上文中所定义，其中R’和R”如本文所定义。
如本文所用术语“胍”描述-R’NC(＝N)-NR”R”'尾端基团或-R’NC(＝N)-NR”-连接基团，如这些术语在上文中所定义，其中R’、R”和R”'如本文所定义。
如本文所用术语“肼基”描述了-NR’-NR”R”'尾端基团或-NR’-NR”-连接基团，如这些术语在上文中所定义，R’、R”和R”'如本文所定义。
如本文所用术语“酰肼”描述-C(＝O)-NR'-NR”R”'端基或-C(＝O)-NR'-NR”连接基团，因为这些术语如上文所定义。其中R'、R”和R”'如本文所定义。
如本文所用术语“硫代酰肼”描述-C(＝S)-NR'-NR”R”'端基或-C(＝S)-NR'-NR“连接基团，因为这些短语如上文所定义。其中R'，R”和R”'如本文所定义。
如本文所用术语“亚烷基二醇”描述-O-[(CR'R”)zO]y-R”'端基或-O-[(CR'R”)zO]y-连接基团，其中R'，R”和R”'如本文所定义，并且z是1至10的整数，优选2至6，更优选2或3，y是一个或多个整数。优选地，R'和R”都是氢。当z为2且y为1时，所述基团为乙二醇。当z为3且y为1时，所述基团为丙二醇。当y为2-4时，亚烷基二醇在本文中称为低聚(亚烷基二醇)。
当y大于4时，亚烷基二醇在本文中称为聚(亚烷基二醇)。在本发明的一些实施例中，聚(亚烷基二醇)基团或部分可具有10至200个重复的亚烷基二醇单元，使得z为10至200，优选10至100，更优选10至50。
术语“硅烷醇”描述-Si(OH)R'R”基团，或-Si(OH)2R'基团或-Si(OH)3基团，其中R'和R”如本文所述。
如本文所用术语“甲硅烷基”描述-SiR'R”R”'基团，其中R'，R”和R”'如本文所述。
如本文所用术语“氨基甲酸酯”或“氨基甲酸酯部分”或“氨基甲酸酯基团”描述Rx-O-C(＝O)-NR'R”端基或-Rx-O-C(＝O)-NR'-连接基团，其中R'和R”如本文所定义，Rx是烷基，环烷基，芳基，亚烷基二醇或其任意组合。优选地，R'和R”都是氢。
如本文所用术语“聚氨酯”或“低聚氨酯”描述了在重复的骨架单元中包含至少一个如本文所述的氨基甲酸酯基团的部分，或在重复的骨架单元中包含至少一个氨基甲酸酯键-OC(＝O)-NR'-的部分。
应当理解的是，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述，也可以单独地或在任何合适的子组合中提供，或在本发明的任何其它描述的实施例中适当地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被视为那些实施例的基本特征，除非没有这些组件的实施例是无法实施的。
如上所述以及如下面的权利要求部分所要求保护的本发明的各种实施方式和目的将在以下实施例中寻求实验支持。
实施例
现在参考以下实施例，其连同以上描述以非限制的方式说明了本发明的一些实施方式。
实施例1
软材料配方
在一些实施例中，在各个实施例中的本文所述的积层制造过程中可用的建构材料配方包括，在一些实施例中，至少一种模型材料配方，其特征在于(所显示的特征在于)硬化时肖氏A硬度低于10或小于或等于10，或肖氏00硬度低于40。这种配方在本文中也称为“软材料配方”或“软材料模型配方”或“软模型配方”。
在本文和本领域中所用术语“硬度”描述了在指定条件下测量时材料对永久压痕的抵抗力。例如，肖氏A硬度，也称为硬度ShA或肖氏标度A硬度，是根据ASTM D2240标准使用数字肖氏A硬度计来确定的。例如，肖氏00硬度(也称为硬度Sh00或肖氏标度00硬度)是根据ASTM D2240标准使用数字肖氏00硬度计测定的。D、A和00是常见的硬度值刻度，并且每个刻度都是使用各自的硬度计测量的。
在本文所述的任何实施方案的一些中，本文所述的软材料配方的特征在于，当硬化时，肖氏A硬度在0至约10的范围内，包括其间的任何中间值和子范围。
在本文所述的任何实施方案的一些中，本文所述的软材料配方的特征在于，当硬化时，肖氏00硬度在0至约40，或0至约30，或0至约20，或例如，从大约10到大约20，或从大约10到大约30，包括它们之间的任何中间值和子范围。
证明可用于本文所述的硬化的软材料配方的软材料的低硬度的另一个参数是压缩模量。
“压缩模量”在本文中是指当材料被压缩时材料中的机械应力与应变之比。压缩模量也可以被认为是在压缩下施加到材料上的弹性模量。在一些实施方案中，根据ASTM D695确定压缩模量。在一些实施例中，确定使用Stratasys J750TM的3D打印机打印的，半径为20毫米，高度为15毫米的圆柱形未涂覆物体(本身由测试的软配方印刷)的压缩模量。使用Lloyd仪器系统，100N称重传感器进行测试，所述系统在以下参数下运行：方向＝压缩；预加载/应力＝0.5N；预加载/应力速度＝50毫米/分钟；速度＝50毫米/分钟；极限＝8毫米。从获得的数据中提取应力与应变数据，并计算出应变值0.001-0.01之间的斜率。在这些测试中获得的数据可以表示为40％应变时的压缩应力，也可以表示为在压缩模式下以0.001至0.01的应变值测得的应力与应变曲线的斜率。
可以在以下参数下使用相同的Lloyd系统进行附着力测试：方向＝张力；速度下降＝2毫米/分钟；速度上升＝5毫米/分钟；力下降＝5N；保持时间＝1秒。测量将测试软配方用作涂层的试样，并将结果报告为从涂层试样中拉出压板所需的最大载荷。
压缩模量可替代地确定，例如，对于由测试软配方制成的圆柱形、Agilus30涂层物体，其半径为20毫米，高度为15毫米，使用Stratasys J750TM的3D打印机打印。使用Lloyd仪器系统，100N称重传感器，在以下参数下进行试验：方向＝压缩；预加载/应力＝0.5N；预加载/应力速度＝50毫米/分钟；速度＝50毫米/分钟；极限＝90N。压缩模量的最大应力值为90N。可提取应力与应变数据根据获得的数据，计算出应变值之间的斜率为0.001-0.01。
在本文所述的任何实施例中的一些实施例中，如本文所述的软材料配方在硬化时具有至少0.01兆帕的压缩模量。
在一些实施例中，如本文所述的软材料配方特征在于，当硬化时，压缩模量(如本文所定义的)从约0.01兆帕到约0.2兆帕，或从约0.02兆帕到约0.2兆帕，从约0.1兆帕到约0.1兆帕，或从约0.02兆帕到约0.1兆帕，或从约0.03兆帕到约0.07兆帕，包括任何中间值以及介于两者之间的子范围。
在一些实施例中，如本文所述的软材料配方在硬化时，除了其低硬度外，还具有至少中等的抗撕裂强度。
撕裂强度(TR)描述撕裂材料所需的力，其中所述力基本上平行于样品的主轴线作用。当根据ASTM D 624测量时，抗撕裂强度可用于测量抗撕裂形成性(撕裂开始)和抗撕裂膨胀性(撕裂扩展)。通常，将样品固定在两个固定器之间，并施加均匀的拉力，直到发生变形。然后通过将施加的力除以材料的厚度来计算抗撕裂强度。抗撕裂强度低的材料往往具有较差的耐磨性。
在一些实施方案中，根据ASTM D624针对如本文所述的具有2毫米的厚度的样品确定抗撕裂强度。值报告为2毫米厚样本的最大负荷(N)。断裂时间也可以在所述测试中测量。除以0.002时，报告的值可以转换为N/m抗撕裂强度值。例如，数值0.3N等于150N/m。
可确定由测试配方制成的立方体Agilus涂层物体的断裂载荷，尺寸为50x50x 50毫米，使用Stratasys J750TM的3D打印机打印。使用Lloyd仪器系统，100N称重传感器，在以下参数下进行试验：方向＝压缩；预加载/应力＝0.5N；预加载/应力速度＝毫米/分钟；速度＝50毫米/分钟；断裂荷载确定为试样在最终失效前能承受的最大荷载。
在本文描述的任何实施例中的一些中，本文描述的软材料配方在硬化时具有至少100N/m的抗撕裂强度，如ASTM D 624对厚度为2毫米的试样所确定的。
在一些实施例中，本文描述的软材料配方在硬化时具有抗撕裂强度，如ASTM D624对厚度为2毫米、至少为150N的试样所确定，并且在一些实施例中，其具有从150N/m到500N/m、从150N/m到400N/m、或从200N/m到400N/m、或从200N/m到350N/m的抗撕裂强度，包括任何中间值和中间值之间的子范围。
在一些实施例中，抗撕裂强度测量还用于确定施加拉力下试样的断裂时间。
在一些实施例中，如本文所述的软材料配方特征在于，当硬化时，对于厚度为2毫米的试样、以ASTM D 624所测量的断裂时间为至少9秒，例如，从9秒到50秒、从9秒到40秒、从9秒到30秒或从15秒到30秒。
在本文所述的任何实施例中的一些实施例中，本文所述的软模型配方具有良好的反应性，即，当在小于1秒的时间段内暴露于固化条件时，包括配方的分配层被硬化，及/或由软模型配方制成的硬化层表现出良好的附着力(例如，如下文所示)。
在一些实施例中，如本文所述的软模型配方的特征在于暴露于固化条件后1秒内的液-固转变。在这些实施例中的一些实施例中，固化条件是紫外光照射，例如，1W/cm2的紫外光照射。在一些实施例中，紫外辐射是由紫外汞(Hg)弧光灯(中压，金属卤化物)进行的。在一些实施例中，如本文所述的软模型配方的特征在于在暴露于固化条件(例如，在波长约300nm到约450nm处的紫外辐射和功率密度约1W/cm2(例如使用250W汞弧光灯)后1秒内发生液-固转变。
如本领域所知，可以使用DSC测量来确定液-固转变所需的时间段。
在本文所描述的任何实施例中的一些实施例中，本文所描述的软模型材料配方具有与积层制造系统的良好兼容性，即，其满足系统操作要求(例如，在粘度和粘度稳定性、热稳定性等方面，如上文所述)。
在本文描述的任何实施例中的一些实施例中，本文描述的软模型材料配方的特征在于与3D喷墨打印的积层制造(即，它是喷墨打印头)具有良好的兼容性，并具有适合于如本文所述的喷墨打印头使用的粘度和在25℃至75℃下至少24小时、优选至少48小时的粘度稳定性。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，本文所述的软模型配方的特征在于至少一个月或至少2、3、4、5，甚至至少6个月的稳定性(保存期限稳定性)，也就是说，在指定的时间段内储存时，所述配方具有基本上相同的性质(例如，本文所述的任何性质)。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，本文描述的软模型配方的特征在于至少一个月或至少2、3、4、5，甚至至少6个月的稳定性(保存期限稳定性)，也就是说，所述配方在所指示的时间段内(例如在室温下)存储时具有基本上相同的外观(例如颜色)。
可以确定未涂布物体的稳定性(本身由经过测试的软配方所打印出的)或涂布物体(使用0.8毫米弹性可固化材料涂层(例如Agilus系列，例如Agilus30 TM)打印)的稳定性，均使用Stratasys J750TM的3D打印机，具有25毫米x25毫米x25毫米的立方体形状，打印后称量获得的物体，将物体在50℃下保存7天，然后使用分析秤重新称重以提供相对于打印后的初始重量的重量百分比变化。
也可以使用Stratasys J750TM的3D打印机测量由测试配方本身打印的Agilus涂层立方体物体的稳定性，具有50毫米x50毫米x50毫米的尺寸；打印后对获得的物体进行称重，将物体在50℃下保存3天，并使用分析天平重新称重。相对于印刷后的初始重量的重量变化以重量百分比表示。
在室温下观察4周后的颜色变化，也可以根据颜色随时间的变化来测量稳定性。
尺寸稳定性可以确定，例如，对于60毫米x24毫米x18毫米的涂层椭圆形物体，在60℃下储存时，所述物体涂覆有0.6毫米的弹性可固化材料层(例如，Agilus系列，例如Agilus30TM)。放置几天或在室温下放置一个月，并在存放时观察物体的形变。
打印后的粘性可以定性地确定，例如，对于一个立方体形状的打印物体，通过向所述打印物体应用一张薄纸，并提供如下0-3比例的速率：3是薄纸不能从所述打印物体上被移除的情况，如果在取出薄纸后没有纤维粘在物体上，则为0。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，所述软材料配方是可固化的配方，并且在一些实施方案中，所述配方可通过包含当暴露于本文所述的固化条件(例如，固化能量)时可聚合的材料而固化。应注意的是，如下文进一步详细描述的，不是可固化配方中的所有材料都应可被固化以使配方可固化。因此，在本文的全文中以及就本文所述的任何配方而言，当配方中的至少一种材料暴露于固化条件时是可固化的或可聚合的时，将所述配方定义为可固化的。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，配方是合成的非生物配方，并且基本上由本文定义的合成材料组成。
根据本文所描述的任何实施例中的一些，所述配方包括按重量计含水量小于10％、小于8％、小于5％、甚至小于5％的水，或者如本文所定义的，没有水。
根据本文所描述的任何实施例中的一些，所述配方在暴露于一固化条件时不形成水凝胶。
在本文中和本领域中，使用的术语“水凝胶”描述了一种材料，其包含作为固相的三维纤维网络和包裹在纤维网络内的水溶液。水凝胶通常包括至少80％，通常至少85％(按重量计)的水。
在本文所述的积层制造工艺中考虑具有所示的肖氏硬度的任何配方，优选地结合本文所述的一个或多个、优选地全部其它特性。
根据本文描述的任何实施例的一些实施例，软模型材料配方包括多个可固化材料和多个不可固化聚合物材料的组合。
在本文中，相对于软配方中的材料的术语“不可固化”是指所述材料在暴露于可固化材料固化的固化条件时不固化。不可固化的材料可以是没有可聚合及/或可交联基团的材料，或者可以包括可聚合及/或可交联基团，但是当暴露于固化条件时聚合及/或交联不会发生。
在一些实施方案中，所述不可固化的材料没有可聚合的及/或可交联的基团。
适用于本发明实施方案的示例性软材料配方，其满足在下文中给出的工艺要求、目的要求(例如，以本文所述的软组织的硬度为特征)，并且与弹性体可固化配方兼容。
通过操纵一种或多种不可固化材料的类型和数量以及可固化材料的类型和数量来获得这样的软模型配方，从而提供打印物体的打印性、与其他可固化配方的兼容性以及机械性能等特性。
根据本文所描述的任何实施例中的一些，软模型材料配方包括可固化材料和不可固化材料，并且不可固化材料的总量范围为软模型材料配方总重量的约10重量百分比到约49重量百分比，或约10重量百分比到约30重量百分比，包括中间值和中间值之间的子范围。
在一些实施方案中，不可固化聚合物材料的总量为软模型材料配方总重量的20重量百分比至40重量百分比，或25重量百分比至40重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，软模型材料配方包含可固化材料和不可固化材料，可固化材料的总量与不可固化的聚合物材料的量之比为4：1到1.1：1或从3：1到2：1，包括任何中间值和它们之间的子范围。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，可固化材料的总量为软模型材料配方的总重量的约55重量百分比至约70重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，可固化材料包括至少一种单官能可固化材料和至少一种多官能可固化材料。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，单官能可固化材料的量为软材料配方的总重量的约50重量百分比至约89重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，多官能固化性材料的量为软材料配方的总重量的约1重量百分比至约10重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，本文描述的软模型材料配方包含单官能可固化材料、多官能可固化材料和不可固化聚合物材料。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述配方包含按重量计大于50％的可固化材料，即，单官能和多官能可固化材料的总量按重量计占配方总重量至少为51％。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能和多官能可固化材料的总量占配方总重量的按重量计为51重量百分比至90重量百分比或至89重量百分比，并且在一些实施方案中，其范围为55重量百分比至70重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料的总量为配方总重量的50重量百分比至60重量百分比，或55重量百分比至60重量百分比，包括任何中间值和它们之间的子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，一个或多个多官能可固化材料的总量按重量计为配方总重量的3重量百分比至10重量百分比，或5重量百分比至10重量百分比，或例如为7重量百分比，包括任何中间值和其间的子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，不可固化材料的总量按重量计为配方总重量的10重量百分比至49重量百分比，或20重量百分比至45重量百分比，或25重量百分比至40重量百分比。包括任何中间值和它们之间的子范围。
在本文所述的任何实施例中的一些实施例中，所述配方包括：
一种单官能可固化材料，如本文中在任一相应实施例中所述，其量为配方总重量的50重量百分比至89重量百分比，包括任何中间值及其之间的子范围；
一种不可固化的聚合物材料，如本文中在任何相应实施例中所述，其量为配方总重量的10重量百分比到49重量百分比之间，包括任何中间值和中间值之间的子范围；以及
一种多官能可固化材料，如本文中在任一相应实施例中所述，其量范围为配方总重量的1重量百分比至10重量百分比，包括任何中间值及其之间的子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述单官能和所述多官能可固化材料的总量与所述不可固化聚合物材料的量之比为4：1至1.1：1，或为3：1至2：1，包括任何中间值和它们之间的子范围。
在本文描述的任何实施方案的一些中，选择配方中包含的可固化材料及/或不可固化材料，使得：
(i)所述不可固化聚合物材料的分子量至少为1000道尔顿，或者至少为1500道尔顿，或者至少为2000道尔顿；及/或
(ii)不可固化的聚合物材料的Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃；及/或
(iii)单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括可固化材料，其特征在于，当固化时，其Tg小于0℃或小于-10℃或小于-20℃。
在本文描述的任何实施方案的一些中，选择配方中包含的可固化材料及/或不可固化材料，使得：
不可固化的聚合物材料的分子量为至少1000道尔顿，或至少1500道尔顿或至少2000道尔顿；所述不可固化的聚合物材料的Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃；及/或
单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括可固化的材料，当固化时，其Tg低于0℃或低于-10℃，或低于-20℃。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，选择配方中包含的可固化材料及/或不可固化材料，使得单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括可固化的材料，其在硬化后的Tg低于0℃或低于-10℃或低于-20℃。在一些这样的实施方案中，单官能和多官能可固化材料的总重量的按重量计至少85％，或至少90％，或至少95％或100％包括具有以下特征的可固化材料：当固化时，Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃。
在本文描述的任何实施方案的一些中，包含在配方中的可固化材料及/或不可固化材料，使得单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括如本文所描述的可固化材料，其在硬化时具有低于-20℃的Tg。
在本文描述的任何实施方案的一些中，选择配方中包含的可可固化材料及/或不可固化材料，使得：
如本文所述，所述不可固化的聚合物材料的分子量为至少1000道尔顿或至少1500道尔顿或至少2000道尔顿。如本文所述，所述不可固化的聚合物材料的Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃。如本文所述，单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括当固化时具有低于-20℃的Tg的可固化材料。
在本文描述的任何实施方案的一些中，选择配方中包含的可固化材料及/或不可固化材料，使得：
如本文所述，所述不可固化的聚合物材料的分子量至少为2000道尔顿。如本文所述，所述不可固化的聚合物材料的Tg低于-20℃。如本文所述，单官能和多官能可固化材料的总量的至少80重量百分比包括当固化时具有低于0℃或低于-10℃或低于-20℃的Tg的可固化材料，如本文所述。
贯穿本文中所用术语“Tg”是指玻璃化转变温度，其定义为E”曲线的局部最大值的位置，其中E”是材料的损耗模量，作为温度函数。
广义地说，当温度在包含Tg温度的一个温度范围内升高时，材料的状态，特别是聚合材料的状态，从玻璃态逐渐变为橡胶态。
这里，“Tg范围”是指在如上所定义的Tg温度下，E“值至少是其值的一半(例如，可以达到其值)的温度范围。
在不希望受任何特定理论约束的情况下，假设聚合物材料的状态在上述Tg范围内从玻璃态逐渐转变为橡胶态。在此术语“Tg”是指在此定义的Tg范围内的任何温度。
在此，当提及聚合物材料时，所用术语“分子量”(缩写为MW)指的是本领域中已知的值分子量，其描述聚合物材料的重量平均分子量。
在此与全文中，每当在模型配方的实施例的上下文中所代表的术语“重量百分比”、“按重量计百分比”或“wt％”时，其意指各未固化模型配方的总重量的重量百分比。
不可固化聚合物材料：
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述不可固化材料的特征在于分子量为至少500道尔顿或至少1000道尔顿，或至少1500道尔顿或至少2000道尔顿，例如，分子量为500道尔顿至4000道尔顿，或900道尔顿至4000道尔顿，优选1000道尔顿至4000道尔顿，或1500道尔顿至4000道尔顿，或更优选2000道尔顿至4000道尔顿，或2500道尔顿至4000道尔顿，或1500道尔顿至3500道尔顿，包括它们之间的任何中间值和子范围。
在本文描述的任何实施方案的一些中，所述不可固化材料的特征在于Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃，例如，Tg为0℃至-40℃，或-20℃至-40℃，包括任何中间值及其之间的子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述不可固化材料的特征在于，分子量为至少1000道尔顿，或至少1500道尔顿或至少2000道尔顿。如本文所述，Tg低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃。
在一些实施方案中，不可固化材料在模型材料配方和固化后获得的硬化(软)材料中具有基本上相同的性质(例如，分子量及/或Tg)。
如本文所用，关于材料的术语“聚合物”涵盖聚合物和共聚物，包括嵌段共聚物。
在本文中所用术语“嵌段共聚物”描述了由规则或统计上交替的两种或更多种在组成或结构上不同的均聚物嵌段组成的共聚物。嵌段共聚物中的每个均聚物嵌段代表一种类型的聚合单体。
具有上述分子量及/或Tg的聚合物材料包括例如包含一种或多种本文所定义的聚(亚烷基二醇)的聚合物或嵌段共聚物，例如包括(乙二醇)，聚(丙二醇)及其嵌段共聚物(例如
Figure BDA0002428979380000751
嵌段共聚物)。
在本文描述的任何实施方案的一些中，不可固化的聚合物材料包括聚丙二醇。
在一些实施例中，不可固化的聚合物材料是聚丙二醇，并且在一些实施例中，它是具有约2000道尔顿或更高的分子量的聚丙二醇(例如2000道尔顿、2200道尔顿、2400道尔顿、2500道尔顿、2600道尔顿、2800道尔顿，或3000道尔顿，或这些值之间的任何中间值，或更高的分子量)。
在一些实施方案中，所述不可固化的聚合物材料是包含至少一种聚丙二醇嵌段的嵌段共聚物。
在一些实施方案中，所述不可固化的聚合物材料是包含一种或多种聚丙二醇嵌段和一种或多种聚乙二醇嵌段的嵌段共聚物。这种嵌段共聚物可以例如由PEG-PPG-PEG，或PEG-PPG，或PEG-PPG-PEG-PPG，或PPG-PEG-PPG或任何其他数目的嵌段组成。任何组合和任何顺序。
在这些实施方案的一些中，嵌段共聚物中聚(乙二醇)的总量不超过10重量百分比。
因此，例如，在上文所列的示例性嵌段共聚物中，PEG嵌段的长度使得PEG的总量不超过10重量百分比。作为代表性的非限制性实例，根据这些实施方案的PEG-PPG-PEG嵌段共聚物包含PEG(A％重量)-PPG(B％重量)-PEG(C％重量)，其中A+C≤10且B≥90，例如，A+C＝10和B＝90，或其中A+C＝7而B＝93，或其中A+C＝5而B＝95。类似地，PPG-PEG-PPG嵌段共聚物包含PPG(A重量％)-PEG(B重量％)-PPG(C重量％)，其中例如分别为A+C≥90和B≤10，A+C＝90且B＝10，或其中A+C＝93且B＝7，或其中A+C＝95且B＝5。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，嵌段共聚物的分子量为至少2000道尔顿。
在本文描述的用于PEG和PPG嵌段共聚物的任何实施方案的一些中，聚丙二醇嵌段的数目与聚乙二醇嵌段的数目的比率为至少1.2：1，或至少1.5：1或至少2：1。示例性的这种嵌段共聚物是PPG-PEG-PPG。另一示例性嵌段共聚物是PPG-PEG-PPG-PEG-PPG。
替代地，或另外地，在本文描述的用于PEG和PPG嵌段共聚物的任何实施方案的一些中，嵌段共聚物中聚丙二醇主链单元的总数与聚乙二醇主链单元的总数的比率至少为2：1，或至少3：1或至少4：1，或至少5：1，或至少6：1。示例性的这种嵌段共聚物是具有这种比例的PEG-PPG-PEG共聚物或PEG-PPG-PEG-PPG或PEG-PPG-PEG-PPG-PEG。
在本文所述的任何实施方案的一些中，所述不可固化的材料的特征在于在水中的低溶解度(例如，低于20％或低于10％，或更低)或不溶性。
在这些实施方案的上下文中所用术语“水溶性”描述了在溶液变得混浊(不透明)之前添加到100克水中的聚合物材料的重量百分比。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述不可固化材料的特征在于低混溶性(例如，低于20％或低于10％或更低)，或与水不混溶。
单官能聚合材料：
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料的特征在于，当硬化时，Tg低于-10℃或低于-20℃，例如Tg为0℃至-40℃，或-20℃至-40℃，包括任何中间值和两者之间的子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，可在本实施方案的上下文中使用的单官能可固化材料可由下式表示：
P-R
其中P为如本文所述的可聚合基团且R为烃，如本文所述，其任选地被一个或多个本文所述的取代基取代，并且进一步任选地被一个或多个杂原子中断。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，P是可光聚合的基团，并且在一些实施方案中，P是UV可固化的基团，使得可固化材料是可光聚合的或UV可固化的。在一些实施方案中，P是丙烯酸可聚合基团，例如丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，且此类可固化材料可以由式A共同表示：
Figure BDA0002428979380000771
其中R1和R2中的至少一个是烃类及/或包含烃类，如本文所述。
式I中的(＝CH2)基团表示可聚合基团，并且根据一些实施方式，其是UV可固化基团，使得单官能可固化材料是UV可固化材料。
在一些实施方案中，R1是羧酸根，R2是氢，并且所述化合物是单官能丙烯酸酯。在一些实施方案中，R1是羧酸根，R2是甲基，并且所述化合物是单官能甲基丙烯酸酯。其中R1是羧酸根并且R2是氢或甲基的可固化材料在本文中统称为“(甲基)丙烯酸酯”。
在任何这些实施方案中的一些中，羧酸根基团表示为-C(＝O)-ORa，并且Ra是本文所述的烃。
在一些实施方案中，R1为酰胺且R2为氢，且所述化合物为单官能丙烯酰胺。在一些实施方案中，R1是酰胺，R2是甲基，并且所述化合物是单官能甲基丙烯酰胺。其中R1是酰胺并且R2是氢或甲基的可固化材料在本文中统称为“(甲基)丙烯酰胺”。
在任何这些实施方案中的一些中，酰胺基团表示为-C(＝O)-NRbRa，并且Ra和Rb各自独立地选自氢和烃，至少一个是本文所述的烃。
(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺在本文中统称为(甲基)丙烯酸材料。
当R1和R2之一或两者包含聚合物或低聚部分时，式A的单官能可固化化合物分别是示例性聚合物或低聚单官能可固化材料。另外，它是示例性的单体单官能可固化材料。
通常，烃的化学组成(R为P-R式或Ra/Rb，如果在式A中存在)确定可固化材料及其形成的硬化材料是亲水性、疏水性还是两亲性的。
如本文通篇所使用的术语“亲水性”描述了材料或材料的一部分(例如化合物中的化学基团)的物理性质，其解释了通常通过氢键与水分子瞬间形成键的过程。
亲水性材料比油或其他疏水性溶剂更易溶于水。当在辛醇和水相中确定LogP时，可以通过例如使LogP低于0.5来确定亲水性材料。
根据Davies方法，亲水性材料可替代地或另外地被确定为具有亲脂性/亲水性平衡(HLB)为至少10或至少12。
如本文通篇所使用的，术语“两亲的”描述了兼具如本文针对亲水性材料所描述的亲水性和如本文针对疏水性材料所定义的疏水性或亲脂性的材料的性质。
两亲性材料通常既包含本文定义的亲水基团，也包含本文定义的疏水基团，并且基本上可溶于水和与水不混溶的溶剂(油)中。
当在辛醇和水相中确定LogP时，两亲材料可以通过例如具有0.8至1.2或大约1的LogP来确定。
根据Davies方法，两亲性材料可替代地或另外地被确定为具有3至12或3至9的亲脂性/亲水性平衡(HLB)。
亲水材料或材料的一部分(例如，化合物中的化学基团)是通常被电荷极化并且能够氢键键合的材料。
两亲性材料除疏水性基团外，通常还包含一个或多个亲水性基团(例如，电荷极化的基团)。
亲水性材料或基团以及两亲性材料通常包括一个或多个与水分子形成强氢键的供电子杂原子。这样的杂原子包括但不限于氧和氮。优选地，亲水性材料或基团中的碳原子数与杂原子数的比为10∶1或更低，并且可以为例如8∶1，更优选为7∶1、6∶1、5：1或4：1或更低。要注意的是，材料和基团的亲水性和两亲性也可以由材料或化学基团中的疏水性部分和亲水性部分之间的比率产生，并且不仅仅取决于上述比率。
亲水或两亲材料可具有一个或多个亲水基团或部分。亲水基团通常是极性基团，其包含一个或多个供电子杂原子，例如氧和氮。
示例性的亲水基团包括但不限于给电子杂原子、羧酸根、硫代羧酸根、氧代(＝O)、直链酰胺、羟基、(C1-4)烷氧基，(C1-4)醇、杂脂环族(例如，具有本文定义的碳原子与杂原子的比率)、环状羧酸盐(例如内酯)、环酰胺(例如内酰胺)、氨基甲酸酯、硫代氨基甲酸酯、氰尿酸盐、异氰脲酸酯、硫代氰尿酸盐、尿素、硫脲、烷基乙二醇(如乙二醇或丙二醇)和亲水性聚合物或低聚物部分(如下文所定义)及其任何组合(例如包含两个或多个所示亲水基团的亲水基团)。
在一些实施方案中，亲水性基团是或包括供电子杂原子、羧酸根、杂脂环族、亚烷基二醇及/或亲水性低聚物部分。
两亲性部分或基团通常包括本文所述的一个或多个亲水性基团和一个或多个疏水性基团，或者，可以是含杂原子的基团或部分，其中碳原子数与杂原子数之比证明两亲性。
根据本发明的一些实施方式的亲水性或两亲性单官能可固化材料可以是由式A1表示的亲水性丙烯酸酯：
Figure BDA0002428979380000791
Figure BDA0002428979380000801
其中R1和R2如本文所定义，且R1和R2中的至少一个是包含如本文所定义的亲水或两亲性部分或基团及/或包含如本文所定义的亲水或两亲性部分或基团。
在任何这些实施方案中的一些中，羧酸根基团-C(＝O)-ORa包含Ra，其为如本文所定义的亲水或两亲性部分或基团。在这些实施方案的上下文中，示例性的Ra基团包括但不限于杂脂环族基团(碳原子与供电子杂原子的比例为10：1或8：1或6：1或5：1或更低，如本文所述，例如吗啉、四氢呋喃，乙二醛等)、羟基，C(1-4)烷氧基、硫醇、亚烷基二醇或亲水或两亲的聚合物或低聚物部分。示例性的亲水性单体单官能丙烯酸酯是丙烯酰基吗啉(ACMO)。
示例性的亲水性或两亲性低聚单官能可固化材料包括但不限于聚乙二醇的单-(甲基)丙烯酸酯化的氨基甲酸酯低聚物衍生物、单-(甲基)丙烯酸酯化的多元醇低聚物、单-(甲基)丙烯酸酯化的低聚物具有亲水性取代基的单(甲基)丙烯酸酯化的聚乙二醇(例如，甲氧基聚乙二醇)和单氨基甲酸酯丙烯酸酯。
在一些实施方案中，式A1中的Ra是或包含如本文定义的聚(亚烷基二醇)。
在一些实施方案中，式A1中的Ra同时包含两亲基团或部分和疏水基团或部分，如本文所述。此类材料在本文中被称为包含疏水部分或基团的两亲可固化材料。
如本文通篇所使用的术语“疏水性”描述了材料或材料的一部分(例如化合物中的化学基团或部分)的物理性质，其解释了与水分子之间没有瞬间形成键，从而导致水不混溶，并且可混溶或溶解于碳氢化合物中。
疏水性材料或材料的一部分(例如，化合物中的化学基团或部分)是通常不带电荷或不带电荷极化且不倾向于形成氢键的材料。
疏水性材料或基团通常包括烷基，环烷基、芳基、烷芳基、烯烃、炔基等中的一种或多种，它们是未取代的，或者在被取代时被烷基，环烷基中的一种或多种取代基、芳基、烷芳基、烯基、炔基等，或通过其他取代基，例如含给电子原子的取代基，疏水材料或基团中碳原子数与杂原子数的比至少为10：1，例如可以为12：1，更优选为15：1、16：1、18：1或20：1或更高。
疏水性材料比油或其他亲水性溶剂更易溶于油。当在辛醇和水相中确定LogP时，可以通过例如确定LogP大于1来确定疏水性材料。
根据Davies方法，疏水性材料可以可替代地或另外地被确定为具有亲脂性/亲水性平衡(HLB)，低于9，优选低于6。
疏水材料可以具有使所述材料疏水的一个或多个疏水基团或部分。如上所述，这些基团或部分通常是非极性基团。
在一些实施方案中，疏水基团或部分是或包含本文所定义的烃，优选至少6个原子，例如长度为例如至少6个碳原子的亚烷基链。当烃被杂原子或含杂原子的基团取代或中断时，上述碳原子数与杂原子数之间的比率适用。
根据本发明一些实施方案的疏水性单官能可固化材料可以是由式A2表示的疏水性丙烯酸酯：
Figure BDA0002428979380000811
其中R1和R2如本文所定义，且R1和R2中的至少一个是疏水基团或部分及/或包含如本文所定义的疏水基团或部分。
在任何这些实施方案中的一些中，羧酸根基团-C(＝O)-ORa包含Ra，其为如本文所定义的疏水基团。疏水性单体单官能丙烯酸酯的例子包括丙烯酸异癸酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸硬脂基酯、丙烯酸亚麻基酯、丙烯酸双苯基酯等。
在一些实施方案中，式A2中的Ra为或包含长度为至少6个碳原子的亚烷基链，优选为未取代的。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括疏水性单官能可固化材料。
在这些实施方案的一些中，疏水性单官能可固化材料是疏水性单官能丙烯酸酯，其在本文中也称为“II型单官能丙烯酸酯”。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括亲水性或两亲性单官能可固化材料。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括两亲性单官能可固化材料。
在这些实施方案的一些中，两亲单官能可固化材料是不包含如本文所述的疏水基团的两亲单官能丙烯酸酯，其在本文中也称为“I型单官能丙烯酸酯”。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括两亲性单官能可固化材料，所述两亲性单官能可固化材料包含如本文所述的疏水部分或基团，其在本文中也称为“II型单官能丙烯酸酯”。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括两亲性单官能可固化材料和疏水性单官能可固化材料的组合(例如，I型单官能丙烯酸酯和II型单官能丙烯酸酯)。
在这些实施方案的一些中，两亲性单官能可固化材料和疏水性单官能可固化材料的重量比可以为2：1至1：2，并且优选为2：1至1：1或1.5：1到1：1，或1.5：1到1.1：1，包括任何上述中间值和子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括疏水性单官能丙烯酸酯和包含本文所述的疏水基团的两亲性单官能丙烯酸酯的组合(例如，两种II型单官能丙烯酸酯的组合)。
在这些实施方案的一些中，两亲性单官能可固化材料和疏水性单官能可固化材料的重量比可以为2：1至1：2，并且优选为2：1至1：1或1.5：1到1：1，或1.5：1到1.1：1，包括任何上述中间值和子范围。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料包括两亲性单官能丙烯酸酯，其包含本文所述的疏水基团(例如，II型的单官能丙烯酸酯)。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，单官能可固化材料的特征在于，当硬化时，其Tg低于0℃，优选低于-10℃，或低于-20℃，或更低。例如，从-20℃到-70℃。在单官能可固化材料包括两种或更多种材料的组合的情况下，这些材料中的至少一种在硬化时具有如本文所述的低Tg，并且任选地并且优选地，所有材料均具有这种Tg。
下文描述了单官能可固化材料的其他实施方案。
多官能固化材料：
如本文所述，多官能可固化材料是具有两个或更多个可聚合基团的单体，低聚物或聚合物可固化材料。这种材料在本文中也称为交联剂。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，多官能可固化材料是双功能可固化材料。这种材料提供低程度的交联，从而提供较低的硬化材料硬度。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，所述多官能可固化材料的特征在于，当硬化时，其Tg低于-10℃或低于-20℃，并且可以例如在-10℃至-70℃的范围内。
根据本发明一些实施方式的示例性多官能可固化材料可以由式B表示：
Figure BDA0002428979380000841
其中：
R3、R4和R5中各自独立地为氢或C(1-4)烷基；
L1是连接部分、分支单元或部分(在n大于1的情况下)或不存在；
L2是连接部分、分支单元或部分(在k不是0的情况下)或不存在；
L3是连接部分、分支单元或部分(在m大于1的情况下)或不存在；
P1和P2中的每一个独立地是烃，或低聚或聚合基团或部分，如本文所定义的术语，或不存在；
X1、X2和X3各自独立地为羧酸盐、酰胺或不存在；和
n，m和k都是0，1，2，3或4，
前提是n+m+k至少为2。
式II的多官能可固化材料，其中X1、X2和X3中的一个、两个或全部为羧酸盐时，是多官能丙烯酸酯。当R3、R4和R5中的一个或多个，当存在时是甲基，可固化材料是多官能甲基丙烯酸酯。
其中X1、X2和X3中的一个、两个或全部为羧酸根的多官能可固化材料，可包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯官能团的组合。
在一些实施方案中，丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯多官能可固化材料是单体的，使得P1和P2都不是聚合物或低聚部分。在这些实施方案的一些中，P1和P2中的一个或两个是本文所述的亲水或两亲性基团，例如亚烷基二醇或任何其他亲水或两亲性连接基团，或者是短链(例如1-6个碳原子)，取代或未取代的烃部分，如本文所定义。
在一些实施方案中，P1和P2中的一个或两个是如本文定义的聚合物或低聚部分，并且可固化化合物是低聚多官能可固化材料，例如，如本文所述的低聚多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，如本文针对X1、X2及/或X3所述。如果P1和P2都存在，则L2可以是例如连接部分，例如烃，其包含烷基、环烷基、芳基及其任何组合。这种可固化材料的实例包括乙氧基化或甲氧基化的聚乙二醇二丙烯酸酯和乙氧基化的双酚A二丙烯酸酯。
其他非限制性实例包括聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇-聚乙二醇氨基甲酸酯二丙烯酸酯、，丙烯酸化的低聚乙烷和部分丙烯酸化的多元醇低聚物。
在一些实施方案中，P1和P2中的一个或多个是如本文所定义的或包含聚(亚烷基二醇)部分。
在下面的实施例部分中描述了示例性的多官能丙烯酸酯。
在本文描述的任何实施方案的一些中，当暴露于相同固化条件时，单官能可固化材料和多官能可固化材料是可固化的。
在一些实施方案中，一种或多种单官能可固化材料和一种或多种多官能可固化材料都是可光聚合的，并且在一些实施方案中，两者都是UV可固化的。
在一些实施方案中，单官能可固化材料和多官能可固化材料均为丙烯酸化合物，并且在一些实施方案中均为(甲基)丙烯酸酯或两者均为丙烯酸酯。
引发剂：
在本文所述的任何实施方案中的一些中，软模型材料配方还包含一种或多种促进可固化材料聚合的试剂，并且在本文中称为引发剂。
在本文描述的任何实施方案的一些中，本文描述的可固化材料和引发剂一起形成可固化体系。这种系统可以进一步包含抑制剂，如下文所述。
要注意的是，形成可固化体系的一部分的化合物/试剂即使本身不能固化，在本文中也不被认为是不可固化的材料，更不用说本文所述的不可固化的聚合物材料了。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，“可固化体系”包括一种或多种可固化材料和任选地一种或多种用于引发可固化材料的固化的引发剂及/或催化剂，以及进一步任选地一种或多种条件(也如本文所述，在本文中称为“固化条件”)。
根据选择的可固化材料选择一种或多种引发剂。通常，根据可固化材料的聚合类型进一步选择引发剂。例如，选择自由基引发剂以引发自由基聚合(例如，如丙烯酸可固化材料的情况)；选择阳离子引发剂以引发阳离子聚合，等等。此外，在一种或多种可固化材料是可光聚合的情况下使用光引发剂。
在本文描述的任何实施方案的一些中，可固化体系是光固化体系，并且引发剂是光引发剂。
在一些实施方案中，可固化体系包含丙烯酸类化合物，并且光引发剂是自由基光引发剂。
自由基光引发剂可以是在暴露于诸如紫外线或可见光的辐射时产生自由基并由此引发聚合反应的任何化合物。合适的光引发剂的非限制性实例包括二苯甲酮(芳族酮)，例如如二苯甲酮、甲基二苯甲酮、米氏酮和黄原酮；酰基膦氧化物类光引发剂，如2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧膦(TMPO)、2,4,6-三甲基苯甲酰氧苯基氧膦氧化物(TEPO)和双酰基膦氧化物(BAPO)；苯并类和苯并环烷醚，如苯并、安息香甲醚、安息香异丙醚等。光引发剂的例子是α-氨基酮和氧化双环膦(BAPO)。进一步的例子包括
Figure BDA0002428979380000861
系列的光引发剂。
自由基光引发剂可以单独使用或与共引发剂组合使用。共引发剂与需要第二个分子以产生在光固化自由基体系中具有活性的自由基的引发剂一起使用。二苯甲酮是光引发剂的一个例子，它需要第二个分子(例如胺)来产生自由基。吸收辐射后，二苯甲酮与三元胺通过夺氢反应生成α-氨基自由基，从而引发丙烯酸酯的聚合反应。一类共引发剂的非限制性实例是链烷醇胺，例如三乙胺、甲基二乙醇胺和三乙醇胺。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，模型材料配方包含自由基可固化体系，并且还包含自由基抑制剂，用于在暴露于固化条件之前防止或减慢聚合及/或固化。
在本文描述的任何实施方案的一些中，可固化体系可通过阳离子聚合而聚合或固化，并且在本文中也称为阳离子可聚合或阳离子可固化体系。
在一些实施例中，阳离子可聚合材料可通过暴露于辐射而聚合或固化。包含这种材料的体系可称为光聚合阳离子体系或光活化阳离子体系。
在一些实施例中，阳离子固化系统还包括阳离子引发剂，其产生用于引发聚合及/或固化的阳离子。
在一些实施例中，引发剂是阳离子光引发剂，其在暴露于辐射时产生阳离子。
适当的阳离子光引发剂包括例如在暴露于足以引发聚合反应的紫外线及/或可见光下形成非质子酸或布朗斯台德酸的化合物。所使用的光引发剂可以是单一化合物、两个或多个活性化合物的混合物或两个或多个不同化合物的组合，即共引发剂。合适的阳离子光引发剂的非限制性实例包括芳基二氮杂盐、二芳基碘酸盐、三芳基磺酸盐、三芳基硒酸盐等。一种典型的阳离子光引发剂是六氟锑酸三芳砜盐的混合物
合适阳离子光引发剂的非限制性示例包括来自Cytec公司(美国)的对-(辛氧基苯基)苯基碘代六氟锑酸盐UVACURE 1600、来自Ciba Speciality化学(瑞士)的碘代四(4-甲基苯基)(4-(2-甲基丙基)苯基)六氟磷酸盐Irgacure 250或Irgacure 270、混合芳基六氟锑酸盐，称为UVI 6976和6992，可从Lambson Fine化学(英国)购买、二芳基六氟锑酸碘，称为PC 2506，可从Polyset公司(美国)购买、(甲苯基异丙基)四碘酸(五氟苯基)硼酸盐，称为
Figure BDA0002428979380000881
光引发剂2074，可从Bluestar Silicone(美国)获得、碘酸双(4-十二烷基苯基)-(OC-6-11)-六氟锑酸盐，称为Tego PC 1466，可从Evonik工业公司(德国)获得。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，引发剂(例如，自由基光引发剂)的量为1至5重量百分比或1至3重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围。在示例性实施方案中，使用两种或更多种引发剂(例如，光引发剂)的组合，并且每种的含量为1至3重量百分比。
附加组分：
根据本文描述的任何实施方案中的一些，软模型材料配方还包含另外的不可固化的组分，例如抑制剂、表面活性剂、分散剂、着色剂(着色试剂)、稳定剂等。考虑了常用的表面活性剂、分散剂、着色剂和稳定剂。如果存在的话，每种组分的示例性浓度为包含所述组分的配方总重量的约0.01重量百分比至约1重量百分比，或约0.01重量百分比至约0.5重量百分比，或约0.01重量百分比至约0.1重量百分比。在下文中描述示例性组分。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述配方包含固化抑制剂，即在不存在固化条件的情况下抑制或减少固化量的试剂。在一些实施方案中，抑制剂是自由基聚合抑制剂。在一些实施方案中，抑制剂(例如自由基抑制剂)的量为0.01重量百分比至2重量百分比，或1重量百分比至2重量百分比，或0.05重量百分比至0.15重量百分比，或为0.1重量百分比，包括其间的任何中间值和子范围，取决于所用抑制剂的类型。考虑了常用的抑制剂，例如自由基抑制剂。
在示例性实施方案中，自由基抑制剂例如NPAL或其等同物以0.01重量百分比至1重量百分比，或0.05重量百分比至0.2重量百分比，或0.05重量百分比至0.15重量百分比，或0.1重量百分比的量使用。
在替代实施方案中，使用不含硝基或亚硝基的自由基抑制剂。这类抑制剂的例子是GenoradTM系列的那些(例如Genorad 18)。
在示例性的实施方案中，这样的自由基抑制剂以0.1重量百分比至3重量百分比，或0.1重量百分比至2重量百分比，或0.5重量百分比至2重量百分比，或1重量百分比至1.5重量百分比的量使用，包括其间的任何中间值和子范围。
在示例性实施方案中，软模型材料配方包含表面活性剂。示例性表面活性剂是市售的作为BYK表面添加剂的那些。在一些实施方案中，表面活性剂是可固化的材料，优选在暴露于与配方中的可固化的材料相同的固化条件后可固化。在一些实施方案中，表面活性剂是UV可固化的表面活性剂，并且在一些实施方案中，表面活性剂是UV可固化的BYK表面活性剂(例如，BYK UV-3150或BYK UV-3500)。
在一些实施方案中，如本文所述，配方中表面活性剂的量为0.1重量百分比至1重量百分比。
示例性的软模型配方：
在本文所述的任何实施方案中的一些中，软模型材料配方包括本文所述的不可固化聚合物材料，以及包含单官能丙烯酸酯(例如，两亲性和疏水性单官能丙烯酸酯的组合)的丙烯酸固化系统，自由基光引发剂和自由基抑制剂。
在一些实施方案中，配方还包含一种或多种本文所述的另外的组分。
在一些实施方案中，所述配方还包含如本文所述的着色剂，例如，如本文所述，所述着色剂向所述配方提供红色、肉色，或向所述配方和所述物体或其部分提供皮肤或皮肤色素。适合与丙烯酸材料一起使用的示范性类肉色包括但不限于假肢研究专家公司制造的“肉色系统”、以及金斯利制造公司销售的色素。
在一些实施方案中，着色的浓度取决于配方的预期用途和物体的期望视觉特性，并且可以在0.01至5，或0.01至1，或0.1至1的范围内，包括任何中间值。并在其间进行细分。
在本文描述的任何实施例中的一些中，软模型材料配方包括：
如在本文各个实施方案中所述的单官能两亲丙烯酸酯，其量为25重量百分比至35重量百分比；
如本文在各个实施方案中任一个所述的单官能疏水性丙烯酸酯，其量为25重量百分比至30重量百分比；
如本文在各个实施方案中任一个所述的多官能丙烯酸酯，其含量为5重量百分比至10重量百分比；和
一种不可固化的聚合物材料，其分子量至少为1000道尔顿，或至少为1500道尔顿或至少为2000道尔顿；如本文在各个实施方案中所述，Tg小于0℃，或小于-10℃，或小于-20℃，其量为30重量百分比至35重量百分比。
在这些实施方案的一些中，不可固化的聚合物材料包括聚丙二醇及/或包含至少一种聚丙二醇嵌段的嵌段共聚物，其各自具有至少2000道尔顿的分子量，如本文各个实施例中任何一个所述。
在这些实施方案的一些中，多官能丙烯酸酯是二官能丙烯酸酯，并且在一些实施方案中，它是氨基甲酸酯二丙烯酸酯。
在这些实施方案的一些中，单官能两亲丙烯酸酯包含至少6个碳原子和至少2个亚烷基二醇基团的烃链。
在这些实施方案的一些中，单官能疏水性丙烯酸酯包含至少8个碳原子的烃链。
示例性配方如下。
根据本文所述的任何实施方案中的某些，未固化的建构材料包括两种或更多种本文所述的软模型材料配方，每种配方包含根据本发明实施方案的可固化和不可固化材料的不同组合，以及任选地当硬化后，每种特征具有不同的肖氏硬度值在1至10范围内及/或不同的肖氏00硬度值在0至40范围内。
在一些实施例中，这种两种或更多种建构材料配方代表软模型配方的配方系统。
下表1.1给出了根据本发明实施方案的示例性配方，如本文所述，其肖氏硬度A的硬度为0或肖氏00硬度为0至约40。
表1.1中使用的术语“I型单官能丙烯酸酯”涵盖单官能亲水性或亲水性两亲丙烯酸酯，更具体地讲，以丙烯酸酯基团为可聚合基团和一个或多个杂原子为特征的一种或多种单体、低聚物或聚合物可固化材料。(例如，O、N或两者)或赋予亲水或两亲性质的含杂原子的基团(例如，羧酸根、酰胺、亚烷基二醇及其组合)。另见式A1，其中R1为C(＝O)-O-Ra，且Ra为不包括本文所述的疏水基团或部分的亲水或两亲性部分。示例性的材料包括烷氧基端的聚(乙二醇)丙烯酸酯(例如，诸如市售的AM130)；氨基甲酸酯丙烯酸酯(例如，例如市售的
Figure BDA0002428979380000911
例如Genomer 1122)；丙烯酰基吗啉以及本文所述的任何其他相应的可固化材料。
术语“II型单官能丙烯酸酯”包含一个或多个单体、低聚物或聚合物，优选单体、疏水性或疏水性两亲性、可固化材料，其特征在于将丙烯酸酯基团作为可聚合基团和至少一个疏水性部分或基团，例如长度至少为6个碳原子的碳氢化合物，如本文所定义。另见式A2，其中R1为C(＝O)-O-Ra，Ra为疏水部分或基团或包含疏水部分或基团。
示例性此类材料包括如本文所述的式A1化合物，其特征为Ra基团，例如壬基苯、异癸基及/或月桂基，任选地与亚烷基乙二醇基团结合，例如，市售的Sartomer SR395、SR504D、SR335、SR7095及更多。
本文的实施例部分中使用的术语“不可固化的聚合物材料”涵盖一种或多种聚合物材料，优选两亲的，其在暴露于引发丙烯酸酯多聚的条件下，不含可聚合的丙烯酸酯基团或参与聚合反应的任何其他可聚合基团(例如，没有光聚合性基团或在暴露于诱导丙烯酸酯聚合的波长的辐射下多聚化的基团)优选地，一种或多种不可固化的聚合物材料包括一种或多种PEG和PPG的嵌段共聚物，其也以商品名
Figure BDA0002428979380000921
所熟知，以嵌段物的任意顺序和数量、任何分子量为特征并在硬化时具有多种Tg值。优选地，一种或多种不可固化的聚合物材料包括一种或多种PEG和PPG的嵌段共聚物，例如PEG-PPG-PEG和PPG-PEG-PPG，其特征在于不超过10重量百分比的PEG，及/或如本文所述的PEG/PPG比率，特征在于分子量为至少500道尔顿，优选为至少900道尔顿，更优选为至少2,000道尔顿，及/或特征为，当硬化时，Tg低于20℃，优选低于0℃，更优选低于-20℃。优选地，这些材料的特征在于低溶解度(例如，低于20％或低于10％，或更低)，或在水中的不溶性。
如本文的实施例部分中所使用的术语“多官能丙烯酸酯”涵盖具有两个或多个可聚合丙烯酸酯基团的一种或多种单体、低聚物或聚合物可固化材料。这种材料在本文中也称为交联剂。这种材料的例子包括但不限于氨基甲酸酯二丙烯酸酯，例如市售的Ebecryl230；脂族二丙烯酸、三丙烯酸或四丙烯酸酯，例如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，任选地被乙氧基化(例如，市售的Photomer 4072、Photomer 4158、Photomer 4149、Photomer 4006、Miramer M360、SR499的材料)；三丙烯酸甘油酯；季戊四醇四丙烯酸酯，可选地被乙氧基化(例如市售的Photomer 4172)；己二醇二丙烯酸酯、PEGDA等；环氧二丙烯酸酯，例如市售的Photomer 3005、Photomer 3015、Photomer 3016、Pgotomer 3316市售。优选地，多官能丙烯酸酯在硬化时具有Tg低于20℃或低于0℃或更低的特征。
所用术语“聚硅氧烷”包括不可固化的有机和无机材料，包括聚硅氧烷主链，作为非限制性示例，包括PDMS及其衍生物和含有所述主链的嵌段共聚物。
所用术语“光引发剂”和“抑制剂”如本文所定义。
表1.1中所示的所有配方均包含一个或多个光引发剂，其量为重量的1％至5％(例如，3％重量)。
示例性光引发剂包括
Figure BDA0002428979380000932
系列的光引发剂，例如I819、I184及其组合。
除非另有说明，否则表1.1中列出的所有配方包含一种或多种抑制剂(自由基聚合抑制剂)，其量的范围为0.01重量百分比至1重量百分比(例如0.1重量百分比)。示例性的抑制剂包括三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐(NPAL)和GenoradTM系列的抑配方，例如G18。
表1中所示的一些配方还包含本文所述的附加的非反应性组分(添加剂)。
在示例性配方(BM219)中，使用了UV可固化的表面活性剂-BYK UV-3500-聚醚改性的丙烯酸官能的聚二甲基硅氧烷。
表1.1
Figure BDA0002428979380000931
Figure BDA0002428979380000941
Figure BDA0002428979380000942
Figure BDA0002428979380000951
(表1.1；续)
a＝PPG；分子量900
b＝PEG-PPG-PEG嵌段共聚物分子量2750
c＝PPG；分子量2000
h＝PPG-PEG-PPG嵌段共聚物分子量3500
g＝PPG-PEG-PPG嵌段共聚物分子量3250
k＝PEG-PPG-PEG嵌段共聚物分子量2000
d＝乙氧基化丙烯酸壬基苯酯
e＝丙烯酸异癸酯
f＝丙烯酸月桂酯或乙氧基化丙烯酸月桂酯
*＝聚氨酯二丙烯酸酯(例如Ebecryl 230)，除非另有说明
**＝脂肪族三丙烯酸酯(例如，三甲基三甲氧基丙烷)
***＝环氧二丙烯酸酯(例如Photomer 3005F)
#＝使用的G18型抑制剂，浓度为1.5重量百分比+可紫外线固化的表面活性剂(例如BYK3500)
##＝使用的G18型抑制剂，浓度为1％重量百分比。
已经制备了另外的示例性配方，其包含除氨基甲酸酯二丙烯酸酯以外的多官能丙烯酸酯，及/或1重量百分比至3重量百分比，及/或包含5重量百分比至10重量百分比的聚硅氧烷化合物，且所有配方特征在于肖氏硬度为0。
实施例2
液体材料配方
在暴露于固化条件后提供液体或类液体材料的建构材料配方在本文中也称为液体建构材料配方或液体材料配方，或液体配方或配方L。因此，这种配方用于在分配并暴露于固化条件下保持液体或形成液体状材料。
根据本发明的实施方案，配方L是提供如本文所定义的液体或类液体材料的配方。
液体建构材料配方可包含一种或多种配方，每个配方包含一个或多个不可固化材料，其含量为第二建构材料配方总重量的至少50重量百分比、优选至少60重量百分比、或至少70重量百分比、或至少80重量百分比、或至少90重量百分比、或100重量百分比。
因为液体材料配方主要由不可固化的材料组成，所以当其暴露于固化条件下时，它会承受极少或基本为零的硬化(例如，材料硬化不超过20重量百分比，或不超过10重量百分比，例如聚合)，从而保持与所分配的配方的流动性或粘度基本相同，使得在暴露于固化条件下获得的材料是液体或液体状材料，如本文所定义。
在本文所述的任何实施例中，液体材料制造配方中的一种或多种配方在暴露于固化条件时提供的液体或类液体材料的一粘度不超过10000厘泊、不超过1000厘泊或不超过100厘泊，例如，10厘泊-50厘泊。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，液体建构材料配方(配方L)的粘度与液体或类液体材料(材料L)的粘度相差不超过20％，优选不超过10％。因此，在暴露于固化条件时，液体建构材料配方的粘度或流动性的变化最小(例如，不超过10％)或甚至为零。
在本文描述的用于液体建构材料配方的任何实施方案中的一些中，不可固化材料是或包含聚合物材料，并且在一些实施方案中，聚合物材料是或包含一种或多种两亲性及/或亲水性聚合物。
在本文描述的用于液体建构材料配方的任何实施方案的一些中，不可固化材料是或包含本文定义的聚(亚烷基二醇)。不可固化材料本身可以是聚(亚烷基二醇)，或者可以包含一个或多个聚(亚烷基二醇)链或嵌段。
在本文描述的任何实施方案的一些中，所述不可固化材料包括分子量小于2000克/摩尔的聚(亚烷基二醇)，并且在一些实施方案中，所述聚(亚烷基二醇)是具有一分子量为200克/摩尔至2000克/摩尔或200克/摩尔至1000克/摩尔或200克/摩尔至800克/摩尔或200克/摩尔至600克/摩尔或400克/摩尔。
在本文描述的任何实施例中的一些中，聚(亚烷基二醇)是聚(乙二醇)。或者，它是聚丙二醇。
其他适于包含在液体建筑材料配方中的不可固化材料，代替或添加如本文所述的聚(烷基乙二醇)，包括但不限于包含一种或多种聚(亚烷基)二醇嵌段的嵌段共聚物，例如聚(乙二醇)和聚(乙二醇)的嵌段共聚物，如商标名为
Figure BDA0002428979380000971
的产品，多元醇，如二醇(如丙二醇)、甘油和高级多元醇。
适用于包含在液体配方(配方L)中的其他非固化材料包括一种或多种油，例如但不限于植物油、合成油、烃油、硅油、脂肪酸、矿物油和石蜡油。在一些实施例中，油具有此处描述为表征材料L的粘度或任何特性。
在本文描述的任何实施方案的一些中，液体建构配方还包含水。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，液体建构配方包含可固化材料，任选地与不可固化材料组合，但是不含促使可固化材料固化(例如聚合)的催化剂或引发剂。在这样的实施方案中，使暴露于固化条件下的所述液体建构配方的硬化最小化或消除，并且所形成的液体或类液体材料的流动性性质与本文所述的液体建构配方的相似。
在本文所述的任何实施例中的一些中，液体材料(材料L)的特征在于一剪切模量小于20千帕，或小于15千帕，或小于10千帕，或小于5千帕，因此具有非常柔软且可流动的凝胶的稠度。提供这种材料的配方在本文中也称为提供液体状材料的配方。
在这些实施方案中的一些中，液体建构材料配方包含可固化材料，任选地并且优选地与不可固化材料组合，如本文在相应实施方案中的任一个中所述。
根据这些实施方案中的一些，可固化材料是或包括本文定义的单官能可固化材料。
优选地，可固化材料的量不超过液体材料配方的总重量的50重量百分比、优选不超过40重量百分比、或不超过30重量百分比、或不超过20重量百分比，甚至不超过15重量百分比、10重量百分比或更小。在一些实施例中，液体建构材料配方中可固化材料的量在10重量百分比到25重量百分比范围内。根据本文描述的任何实施方案中的一些，可固化材料是两亲性的或亲水性的(例如，如本文的实施例1中所述)。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，所述可固化材料使得其在硬化时提供如本文所定义的水溶性或与水混溶的材料。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，所述可固化材料使得其在硬化时提供如本文所定义的剪切稀化及/或触变性及/或热稀化材料。
示例性液体建构材料配方包括按重量计含有至少50％至100％的聚(亚烷基乙二醇)的多个配方，任选地与本文所述的一种或多种可固化材料组合，总重量为10％至25％，并任选地进一步与本文所述的附加组分组合。
示例性液体配方L包括如下所述的含有至少50重量百分比至100重量百分比的一种或多种油的多个配方，任选地与如本文所述的一种或多种可固化材料组合，总重量百分比为10％至25％，并进一步可选地与本文所述的附加组分组合。
通常，在一些实施方案中，选择液体建构材料配方，使得液体或类似液体的材料是水溶性的或与水混溶的，如本文所定义。
在一些实施例中，液体材料是可与水混溶的，而液体状的材料是水溶性的。
通常，在一些实施方案中，选择液体建构材料配方，使得液体或类液体材料(材料L)是一剪切稀化材料，如本文所定义。
通常，在一些实施方案中，选择液体建构材料配方，使得液体或类液体材料(材料L)是一触变材料，如本文所定义。
通常，在一些实施例中，选择液体建构材料配方，使得液体或类液体材料(材料L)是如本文所定义的一热稀化材料。
在本文所述的任何实施例中的一些中，未固化建构材料包括两种或两种以上的液体建构材料配方，如本文所述，例如，一种或多种提供液体材料的配方，其粘度与本文所述未固化配方的粘度基本相同，并且包括不可固化材料和一种或多种提供液体状材料的配方，其一剪切应力不超过20千帕，如本文所述，并包括可固化材料和不可固化材料，如本文所述。
在这些实施例的一些中，分配是这样的：以提供液体材料的配方填充如本文所定义的在毫米尺度上的至少一个维度的小中空结构填充有提供液体材料的配方，而较大的中空结构填充有提供类似液体材料的配方。
当分配和拉直本实施例中描述的液体建构材料配方时，例如，借助于控制器，积层制造系统可选地并且优选地确保新分配的层处于静止空气环境中。
如本文中所使用术语“静止空气环境”是指其中没有空气流或者空气以小于3米/秒的速度流动的环境。
实施例3
弹性可固化材料
全文中所用术语“弹性可固化配方”在本文中也称为“弹性模型材料配方”、“弹性模型配方”或简称为“弹性配方”，并且描述了在硬化时具有橡胶特性或类似橡胶的材料的配方，在本文和本领域中也称为弹性体。
弹性体或橡胶是具有低Tg(例如，低于室温，优选低于10℃，低于0℃并且甚至低于-10℃)的特征的柔性材料。
这样的配方的例子是市售的TangoTM、Tango+TM和AgilusTM系列的那些(例如，AgilusTM30)。
示例性的此类配方描述于WO2017/208238中，其通过引用并入本文，如同在本文中进行了充分阐述。
每当指出“Agilus”或“Agilus配方”时，是指AgilusTM系列的配方(例如，如WO2017/208238中所述的配方)，任选地并且优选地是AgilusTM30。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性可固化的模型配方包括至少一种弹性可固化材料。
本文所用术语“弹性可固化材料”描述瞭如本文所定义的可固化材料，其在暴露于固化能量时提供了具有弹性体的特性的固化材料(橡胶或类橡胶材料)。
弹性可固化材料通常包含一个或多个可聚合的(可固化的)基团，其在暴露于合适的固化条件(例如，固化能)的条件下进行聚合，所述基团连接到赋予已聚合及/或交联的材料弹性的部分上。此类部分通常包含烷基、亚烷基链、烃基、亚烷基二醇基团或链(例如，如本文所定义的低聚或聚(亚烷基二醇)，如本文所定义的氨基甲酸酯、低聚乙烷或聚氨酯基团等)，包括其任何组合。在本文中也称为“弹性部分”。
弹性可固化材料可以是单官能或多官能材料，或它们的组合。
根据本发明一些实施方案的弹性单官能可固化材料可以是由式I表示的含乙烯基的化合物：
Figure BDA0002428979380001011
其中式I中的R1和R2中的至少一个是一弹性部分及/或包含弹性部分，如本文所述。
式I中的(＝CH2)基团表示可聚合基团，并且根据一些实施方案，其是UV可固化基团，使得弹性可固化材料是UV可固化材料。
例如，式I中的R1为弹性部分或包含本文所定义的弹性部分，并且R2为例如氢，C(1-4)烷基、C(1-4)烷氧基或任何其他取代基，只要它不会干扰固化材料的弹性。
在一些实施方案中，式I中的R1为羧酸根，如本文所述，R2为氢，且所述化合物为单官能丙烯酸酯单体。在一些实施方案中，式I中的R1为羧酸根，如本文所述，且R2为甲基，并且所述化合物为单官能甲基丙烯酸酯单体。其中R1是羧酸根并且R2是氢或甲基的可固化材料在本文中统称为“(甲基)丙烯酸酯”。
在任何这些实施方案中的一些中，羧酸根基团由-C(＝O)-ORc表示，并且Rc是如本文所述的弹性部分。
在一些实施方案中，式I中的R1为酰胺，如本文所述，R2为氢，且所述化合物为单官能丙烯酰胺单体。在一些实施方案中，式I中的R1为酰胺，如本文所述，R2为甲基，并且所述化合物为单官能甲基丙烯酰胺单体。其中R1是酰胺并且R2是氢或甲基的可固化材料在本文中统称为“(甲基)丙烯酰胺”。
(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺在本文中统称为(甲基)丙烯酸材料。
在一些实施方案中，酰胺由-C(＝O)-NRdRe表示，并且Rd和Re选自氢和弹性部分，至少一个是如本文所定义的弹性部分。当式I中的R1和R2中的一个或两个包含聚合物或低聚部分时，式I的单官能可固化化合物是示例性的聚合物或低聚单官能可固化材料。另外，它是示例性的单体单官能可固化材料。
如本文所述，在多官能弹性材料中，两个或更多个可聚合基团通过弹性部分彼此连接。
在一些实施方案中，多官能弹性材料可由如本文所述的式I表示，其中R1包含由如本文所述的可聚合基团终端的弹性材料。
例如，双官能弹性可固化材料可以由式I*表示：
Figure BDA0002428979380001021
其中E是如本文所述的弹性连接部分，且R’2如本文对式I中的R2所定义。
在另一个实例中，三官能弹性可固化材料可以由式II表示：
Figure BDA0002428979380001022
其中E是本文所述的弹性连接部分，且R’2和R”2各自独立地如本文中对于式I中的R2所定义。
在一些实施方案中，多官能(例如，双官能、三官能或更多)弹性可固化材料可以共同由式III表示：
Figure BDA0002428979380001031
其中：
R 2和R’2如本文所定义；
B是如本文所定义的双官能或三官能分支单元(取决于X1的性质)；
X2和X3各自独立地是本文所述的弹性部分，或选自烷基、烃、亚烷基链、环烷基、芳基、亚烷基二醇、氨基甲酸酯部分及其任何组合；以及
X1不存在或选自烷基、烃、亚烷基链、环烷基、芳基、亚烷基乙二醇、氨基甲酸乙酯部分和弹性体部分，每一部分各自任选地被甲基(丙烯酸酯)部分(O-C(＝O)CR”2＝CH2)及其任何组合取代，或者X1为：
Figure BDA0002428979380001032
其中：
曲线表示连接点；
B’是分支单元，与B相同或不同；
X’2和X’3各自独立地如本文中针对X2和X3所定义；以及
R”2和R”'2如本文中R2和R'2的定义。
前提条件是X1、X2和X3中的至少一个是本文所述的弹性部分或包含本文所述的弹性部分。
如本文全文使用的术语“分支单元”描述了多自由基的，优选脂族或脂环族的连接部分。术语“多自由基”是指连接部分具有两个或更多个连接点，使得其在两个或更多个原子及/或基团或部分之间连接。
也就是说，分支单元是化学部分，当连接到物质的单个位置、基团或原子上时，会产生两个或多个与所述单个位置、基团或原子相连的官能团，从而“分支”将单个功能分为两个或多个功能。
在一些实施方案中，分支单元衍生自具有两个、三个或更多个官能团的化学部分。在一些实施方案中，分支单元是本文所述的支链烷基或支链连接部分。
还考虑了具有4个或更多可聚合基团的多官能弹性可固化材料，其官能结构类似于式III中所示的结构，同时包括例如具有更高分支度的分支单元B，或者包括具有本文所定义的两个(甲基)丙烯酸酯部分的X1部分，或者类似于在式II中所示的那些，同时包括例如附加到弹性部分的另一(甲基)丙烯酸酯部分。
在一些实施例中，弹性部分，例如，式I中的Rc或式I、式II和式III中表示为E的部分，是烷基或包含烷基，其可以是直链的或支链的，且优选为3个或更多或4个或更多碳原子；包含亚烷基链，优选为3个或更多或4个或更多碳原子的长度；包含如本文所定义的亚烷基乙二醇，如本文所定义的低聚物(亚烷基二醇)或聚(亚烷基二醇)，优选4个或长度更长的原子，如本文所定义的聚氨酯、亚氨基甲酸乙酯或聚氨酯，优选4个或更多长度碳原子，以及上述任何组合。
在本文所述的任何实施方案的一些中，弹性可固化材料是本文所述的(甲基)丙烯酸可固化的材料，并且在一些实施方案中，其是丙烯酸酯。
在本文描述的任何实施方案的一些中，弹性可固化材料是单官能弹性可固化材料或包含单官能弹性可固化材料，并且在一些实施方案中，单官能弹性可固化材料由式I表示，其中R1为-C(＝O)-ORa，且Ra是如本文所定义的亚烷基链(例如，长度为4个或更多个，优选为6个或更多个，优选为8个或更多个)，或聚(亚烷基二醇)链。
在一些实施方案中，弹性可固化材料是多官能弹性可固化材料或包括多官能弹性可固化材料，并且在一些实施方案中，多官能弹性可固化材料由式I*表示，其中E为亚烷基链(例如，长度为4个或更多，或6个或更多碳原子)，和/或聚(亚烷基乙二醇)链，如本文所定义。
在一些实施例中，弹性可固化材料是多官能弹性可固化材料或包含多官能弹性可固化材料，并且在一些实施例中，多官能弹性可固化材料由式II表示，其中E是支链烷基(例如，长度为3个或更多，或4个或更多，或5个或更多碳原子)。
在本文所描述的任一实施例中，弹性可固化材料是弹性丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯(也称为丙烯酸或甲基丙烯酸酯弹性体)，例如，式I、式I*、式II或式III，并且在一些实施例中，选择丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，使得当硬化时，聚合材料具有低于0℃或低于-10℃的Tg。
示范性弹性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯可固化材料包括但不限于2-丙烯酸、2-[[(丁胺基)羰基]氧基]乙酯(示范性聚氨酯丙烯酸酯)和商品名为SR335(丙烯酸十二酯)和SR395(丙烯酸异癸酯)(由Sartomer提供)的化合物。其他示例包括以商品名SR350D(三官能团三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TMPTMA)、SR256(2-(2-乙氧基乙氧基)丙烯酸乙酯、SR252(聚乙二醇(600)二甲基丙烯酸酯)、SR561(烷氧基化己烷二醇二丙烯酸酯)(由Sartomer提供)的市售化合物。
应当注意的是，还考虑了其他丙烯酸材料，其特征在于例如具有一个或多个丙烯酰胺基团而不是一个或多个丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，弹性可固化材料包括一种或多种单官能弹性可固化材料(例如，单官能弹性丙烯酸酯，例如，式I所示)及一种或多种多官能(例如，双官能)弹性可固化材料(例如，例如，在式I*，式II或式III中表示的双官能弹性丙烯酸酯)以及在任何相应的实施方案中为本文所述。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，一种或多种弹性可固化材料的总量为如本文所述的一弹性模型材料配方的总重量的至少40％，或至多50％，或至少60％，并且可以高达70％或甚至到80％。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，所述弹性可固化模型配方还包含二氧化硅颗粒。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，二氧化硅颗粒的一平均粒径小于1微米，即，二氧化硅颗粒是亚微米颗粒。在一些实施方案中，二氧化硅颗粒是纳米尺寸的颗粒或纳米颗粒，其一平均粒径为0.1纳米至900纳米，或0.1纳米至700纳米，或1纳米至700纳米，或1纳米至500纳米或1纳米至200纳米，包括任何中间值和它们之间的子范围。
在一些实施方案中，在被加入配方中时，至少一部分这种颗粒可以聚集。在这些实施方案的一些中，聚集体的一平均尺寸不超过3微米，或不超过1.5微米。
在本实施方案的上下文中，可以使用任何市售的亚微米二氧化硅颗粒的配方，包括热解法二氧化硅、胶体二氧化硅、沉淀二氧化硅、层状二氧化硅(例如蒙脱土)和气溶胶辅助的自组装二氧化硅颗粒。
二氧化硅颗粒可以具有疏水性或亲水性表面的特征。颗粒表面的疏水性质或亲水性质取决于颗粒上表面基团的性质。
当二氧化硅未经处理，即基本上由硅和氧原子组成时，所述颗粒通常具有硅烷醇(Si-OH)表面基团，因此是亲水的。未经处理(或未涂覆)的胶态二氧化硅、气相二氧化硅、沉淀二氧化硅和层状二氧化硅均具有亲水性表面，被认为是亲水性二氧化硅。
可以对层状二氧化硅进行处理，以具有以季铵及/或铵作为表面基团终止的长链烃为特征，并且其表面的性质由烃链的长度决定。疏水性二氧化硅是其中疏水基团键合到颗粒表面的一种二氧化硅形式，也称为处理过的二氧化硅或官能化二氧化硅(与疏水基团反应的二氧化硅)。
具有疏水性表面基团的二氧化硅颗粒，例如但不限于烷基，优选长度为2个或更多碳原子，优选长度为4个或更多，或6个或更多碳原子的中级至高级烷基、环烷基、芳基，本文所定义的其它烃或疏水性聚合物(例如聚二甲基硅氧烷)是疏水性二氧化硅的颗粒。
因此，本文所述的二氧化硅颗粒可以未经处理(未官能化)，因此是亲水性颗粒。
或者，可以通过反应来处理或官能化本文所述的二氧化硅颗粒，以使其表面上的部分形成键。
当所述部分为亲水性部分时，所述官能化的二氧化硅颗粒为亲水性的。
具有亲水性表面基团(例如但不限于羟基、胺、铵、羧基、硅烷醇、氧代等)的二氧化硅颗粒是亲水性二氧化硅的颗粒。
当部分为疏水性部分时，如本文所述，官能化的二氧化硅颗粒为疏水性的。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，至少一部分或全部二氧化硅颗粒具有亲水性表面(即，是亲水性二氧化硅颗粒，例如未处理的二氧化硅例如胶体二氧化硅)。
在本文描述的任何实施方案的一些中，至少一部分或全部二氧化硅颗粒具有疏水性表面(即，疏水性二氧化硅颗粒)。
在一些实施方案中，疏水性二氧化硅颗粒是官能化的二氧化硅颗粒，即用一种或多种疏水性部分处理的二氧化硅颗粒。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，至少一部分或全部二氧化硅颗粒是疏水性二氧化硅颗粒，其被可固化官能团(在其表面上具有可固化基团的颗粒)官能化。
可固化的官能团可以是本文所述的任何可聚合基团。在一些实施方案中，可固化的官能团可通过与配方中的可固化单体相同的聚合反应及/或当暴露于与可固化单体相同的固化条件时可聚合。在一些实施方案中，可固化基团是如本文所定义的(甲基)丙烯酸(丙烯酸或甲基丙烯酸)基团。
如本文所述的亲水性和疏水性，官能化的和未处理的二氧化硅颗粒可以是市售的材料或可以使用本领域众所周知的方法来制备。
在这些实施例的上下文中使用的“至少一部分”是指至少10％，或至少20％，或至少30％，或至少40％，或至少50％，或至少60％，或至少70％，或至少80％，或至少90％，或至少95％，或至少98％的颗粒。
二氧化硅颗粒也可以是两种或更多种类型的二氧化硅颗粒的混合物，例如，两种或更多种本文所述的任何二氧化硅颗粒。
在本文描述的任何实施例中的一些实施例中，模型材料配方中的二氧化硅颗粒量占模型材料配方的总重量的约1重量百分比到约20重量百分比，或约1重量百分比到约15重量百分比，或约1重量百分比到约10重量百分比。
在本文所述的任何实施例中的一些中，如本文所述的配方系统中的二氧化硅颗粒量的范围为配方系统总重量的约1重量百分比到约20重量百分比，或约1重量百分比到约15重量百分比，或约1重量百分比到约10重量百分比。
在一些实施例中，配方系统包括一种配方。在一些实施例中，配方系统包含两种或多种配方，并且二氧化硅颗粒包含在配方1、配方2或所有配方中。
二氧化硅颗粒的量可以根据需要进行控制，以控制固化的模型材料及/或包含其的物体或物体的一部分的机械性能。例如，较高量的二氧化硅颗粒可导致固化的模型材料及/或包含其的物体或物体的一部分具有较高的弹性模量。
在本文描述的任何实施方案的一些中，二氧化硅颗粒的量使得一种或多种模型材料配方中的(多个)弹性可固化材料和二氧化硅颗粒的重量比为约50：1至约4：1或约30：1至约4：1或约20：1至约2：1，包括它们之间的任何中间值和子范围。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，弹性模型材料配方还包含一种或多种附加的(多个)可固化材料。
附加的可固化材料可以是单官能可固化材料、多官能可固化材料或它们的混合物，并且每种材料可以是单体、低聚物或聚合物或它们的组合。
优选地，但不是限制性的，附加的可固化材料在暴露于与可固化的弹性材料可聚合的相同固化能量时，例如在暴露于辐射(例如，UV-可见光照射)时是可聚合的。
在一些实施例中，附加的可固化材料是这样的，使得当硬化时，聚合材料的Tg高于一弹性材料的Tg，例如，Tg高于0℃，或高于5℃或高于10℃。
在一些实施例中，附加的可固化材料是非弹性的可固化材料，例如，当硬化时，其Tg及/或弹性模量不同于代表弹性材料的那些。
在一些实施方案中，附加的可固化材料是单官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯((甲基)丙烯酸酯)。非限制性实例包括由Sartomer Company(美国)以商品名SR-339市售的丙烯酸异冰片酯(IBOA)、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酰基吗啉(ACMO)、丙烯酸苯氧乙酯，诸如以商品名CN 131B市售的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物和积层制造方法中可用的任何其他丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
在一些实施例中，附加的可固化材料是多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯((甲基)丙烯酸酯)。多官能(甲基)丙烯酸酯的非限制性实例包括丙氧基化的(2)新戊二醇二丙烯酸酯，由Sartomer Company(美国)市售商品名为SR-9003、二三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(DiTMPTTA)、季戊四醇四丙烯酸酯(TETTA)、双季戊四醇五丙烯酸酯(DiPEP)和脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯，例如市售的Ebecryl 230的形式。多官能(甲基)丙烯酸酯低聚物的非限制性实例包括乙氧基化或甲氧基化的聚乙二醇二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸酯、乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、聚乙二醇-聚乙二醇氨基甲酸酯二丙烯酸酯、部分丙烯酸化的多元醇低聚物、基于聚酯的氨基甲酸酯二丙烯酸酯，例如CNN91。
任何其他可固化材料，优选具有本文定义的Tg的可固化材料，均被认为是附加的可固化材料。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，弹性模型材料配方还包含引发剂，用于引发可固化材料的聚合。
当所有的可固化材料(弹性的材料和附加的材料，如果存在的话)都是可光聚合的，则在这些实施方案中可以使用光引发剂。
当所有的可固化材料(弹性的材料和附加的材料，如果存在的话)是丙烯酸类化合物或通过自由基聚合可光聚合的话，如本文所述的自由基光引发剂可用于这些实施方案中。
在包含光引发剂的一可固化弹性配方中，光引发剂的浓度可以为约0.1重量百分比至约5重量百分比，或约1重量百分比至约5重量百分比，包括任何中间值和它们之间的子范围。
根据本文所述的任何实施例中的一些，弹性模型材料配方还包括一种或多种附加的不可固化材料，例如，如本文所述的用于软模型材料配方的着色剂、分散剂、表面活性剂、稳定剂和抑制剂中的一种或多种。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，弹性可固化材料是UV可固化材料，并且在一些实施例中，其是弹性(甲基)丙烯酸酯，例如弹性丙烯酸酯。
在本文所述的任何实施方案中的一些中，附加的可固化组分包括在弹性模型材料配方中，并且在一些实施方案中，所述组分是UV可固化的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，二氧化硅颗粒是(甲基)丙烯酸酯官能化的二氧化硅颗粒。
在本文描述的任何实施方案中的一些中，弹性模型材料配方包含一种或多种单官能弹性丙烯酸酯、一种或多种多官能弹性丙烯酸酯、一种或多种单官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯以及一种或多种多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。
在这些实施例中的一些中，弹性模型材料配方还包括一个或多个光引发剂，例如
Figure BDA0002428979380001111
系列的光引发剂。
在本文描述的任何实施例中的一些中，所有可固化材料和弹性模型配方中的二氧化硅颗粒都包含在单个材料配方中。
在本文所述的任何实施例中的一些中，弹性体模型配方包含两个或更多模型材料配方，并形成包含如本文所述的弹性可固化配方的弹性配方系统。
在其中一些实施例中，一种模型材料配方(例如，第一配方或A部分)包含弹性固化材料(例如，弹性丙烯酸酯)和另一种模型材料配方(例如，第二配方或B部分)包含附加固化材料。
或者，两种模型材料配方中的每一种都包含弹性可固化材料，其中一种配方还包含附加可固化材料。
进一步可替代的，弹性配方系统中的两种模型材料配方中的每一种都包含一弹性可固化材料，然而，弹性材料在每种配方中是不同的。例如，一种配方包含单官能弹性可固化材料，另一种配方包含多官能弹性材料。或者，一种配方包括单官能和多官能弹性可固化材料的一混合物，其比例为W，另一种配方包括单官能和多官能弹性可固化材料的一混合物，其比例为Q，其中W和Q不同。
每当每种模型材料配方包括本文所述的弹性材料时，弹性配方系统中的一种或多种模型材料配方可进一步包括附加的可固化材料。在示例性实施方案中，配方之一包含单官能附加材料，而另一种包含多官能附加材料。在进一步的示例性实施方案中，一种配方包含低聚可固化材料，而另一种配方包含单体可固化材料。
考虑将本文所述的弹性材料和附加的可固化材料的任何组合包括在形成弹性配方系统的两种或更多种模型材料配方中。选择模型材料配方的组成和打印模式可以以可控制的方式制造具有多种特性的物体，这将在下文中进一步详细描述。
在一些实施例中，选择弹性配方系统中的一种或多种模型材料配方，使得弹性可固化材料与附加的可固化材料的比例提供如本文所述的橡胶状材料。
在一些实施方案中，在一种或两种模型材料配方中包括二氧化硅颗粒、一种或多种光引发剂和任选地其他组分。
在根据本文描述的任何实施方案中的一些的示例性模型材料配方中，所有可固化材料是(甲基)丙烯酸酯。
在本文所述的任何示例性模型材料配方中，光引发剂的浓度范围为所述配方或包含所述配方的配方系统的总重量的约1重量百分比到约5重量百分比，或约2重量百分比到约5重量百分比，或约3重量百分比到约5重量百分比，或约3重量百分比到约4重量百分比(例如，3重量百分比、3.1重量百分比、3.2重量百分比、3.25重量百分比、3.3重量百分比、3.4重量百分比、3.5重量百分比、3.6重量百分比、3.7重量百分比、3.8重量百分比、3.85重量百分比、3.9重量百分比，包括任何中间值其中)。
在本文所述的任何示范性模型材料配方中，抑制剂的浓度范围为所述配方或包含所述配方的配方系统的总重量的0重量百分比至约2重量百分比，或0重量百分比至约1重量百分比，并且例如为0重量百分比、0.1重量百分比、0.2重量百分比、0.3重量百分比、0.4重量百分比、0.5重量百分比、0.6重量百分比、0.7重量百分比、0.8重量百分比、0.9重量百分比或约1重量百分比，包括其之间的任何中间值。
在本文所述的任何示例性模型材料配方中，表面活性剂的浓度范围为所述配方或包含所述配方的配方系统的总重量的0重量百分比至约1重量百分比，并且是例如0重量百分比、0.01重量百分比、0.05重量百分比、0.1重量百分比、0.5重量百分比或约1重量百分比，包括两者之间的任何中间值。
在本文所述的任何示例性模型材料配方中，分散剂的浓度范围为所述配方或包含所述配方的配方系统的总重量的0重量百分比至约2重量百分比，并且是例如0重量百分比、0.1重量百分比、0.5重量百分比、0.7重量百分比、1重量百分比、1.2重量百分比、1.3重量百分比、1.35重量百分比、1.4重量百分比、1.5重量百分比、1.7重量百分比、1.8重量百分比或约重量百分比，包括其中的任何中间值。
在根据本文描述的一些实施例的示例性模型材料配方中，一弹性可固化材料的总浓度的范围为按重量从约30％到约90％，或按重量从约40％到约90％，或按重量从约40％到约85％。
本文所用术语“总浓度”在本文中是指在所有的(一种或多种)弹性模型材料配方中或在本文所述的弹性配方系统中的总重量。
在一些实施例中，弹性可固化材料包括单官能弹性可固化材料和多官能弹性可固化材料。
在一些实施例中，单官能弹性可固化材料的总浓度按重量从约20％到约70％、或从约30％到约50％不等，包括任何中间值和中间值之间的子范围。在示例性实施例中，单官能弹性可固化材料的总浓度的范围为按重量从约50％到约70％，或从约55％到约65％，或从约55％到约60％(例如58％)，包括任何中间值和中间值之间的子范围。在示例性实施例中，单官能弹性可固化材料的总浓度按重量从约30％到约50％，或从约35％到约50％，或从约40％到约45％(例如，42％)，包括任何中间值和中间值之间的子范围。
在一些实施例中，多官能弹性可固化材料的总浓度按重量从约10％到约30％不等。在示例性实施例中，按重量计，单官能弹性可固化材料的浓度范围为约10％至约20％，或约10％至约15％(例如12％)。在示例性实施例中，单官能弹性可固化材料的浓度按重量从约10％到约30％，或从约10％到约20％，或从约15％到约20％(例如，16％)。
在根据本文所描述的任何实施例中的一些的示例性模型材料配方中，附加的可固化材料的总浓度按重量从约10％到约40％或从约15％到约35％不等，包括任何中间值和其中的子范围。
在一些实施例中，附加的可固化材料包括单官能可固化材料。
在一些实施例中，单官能附加可固化材料的总浓度按重量从约15％到约25％或从约20％到约25％(例如，21％)的范围，包括任何中间值和中间值之间的亚范围。在示例性实施例中，单官能弹性可固化材料的浓度按重量从约20％到约30％或从约25％到约30％(例如28％)的范围，包括任何中间值和中间值之间的子范围。
在根据本文所述的任何实施方案中的一些实施方案的示例性弹性模型材料配方或包含所述弹性模型材料配方的配方系统中，所述弹性可固化材料包括单官能弹性可固化材料和多官能弹性可固化材料。单官能弹性体可固化材料的总浓度范围按重量计为约30％至约50％(例如，约40％至约45％)或约50％至约70％(例如，约55％至约60％)；多功能弹性体可固化材料的总浓度范围按重量计为约10％至约20％。所述一种或多种配方还包含附加的单官能可固化材料，其总浓度范围按重量计为约20％至约30％。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，一种或多种模型配方包括至少一种弹性单官能可固化材料、至少一种弹性多官能可固化材料和至少附加的单官能可固化材料。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，可固化的单官能材料的总浓度以一种或多种模型配方的总重量的重量计为10％至30％。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性单官能可固化材料的一总浓度范围按重量计占一种或多种模型配方的总重量的50％至70％。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性多官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至20％的范围内。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，可固化的单官能材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至30％的范围内；弹性单官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的50％至70％的范围内；弹性多官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至20％的范围内。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，可固化的单官能材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的20％至30％的范围内。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性单官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的30％至50％的范围内。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，弹性多官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至30％的范围内。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，可固化的单官能材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至30％的范围内；弹性单官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的30％至50％的范围内；弹性多官能可固化材料的总浓度按重量计在一种或多种模型配方的总重量的10％至30％的范围内。
在本文所述的示例性模型材料配方中，提供每种组分的浓度作为使用一种模型材料配方时的浓度或作为其在两种或更多种模型材料配方中的总浓度。
在一些实施例中，如本文所述的弹性模型材料配方(或两种或两种以上的模型材料配方)在硬化时具有至少4000N/m、或至少4500N/m或至少5000N/m的抗撕裂性，由此根据ASTM D 624确定抗撕裂性。
在一些实施例中，如本文所述的弹性模型材料配方(或两种或两种以上的模型材料配方)在硬化时，其特征在于比没有所述二氧化硅颗粒的相同的模型材料配方在硬化时的抗撕裂性提高至少500N/m，或至少700N/m，或至少800N/m。
在一些实施例中，如本文所述的弹性模型材料配方(或两种或两种以上模型材料配方)在硬化时具有至少2兆帕的拉伸强度。
在一些实施例中，如本文所述的弹性模型材料配方(或两种或两种以上的模型材料配方)使得由固化的模型材料组成并具有两个O形环和连接所述环的一管的物体在至少一小时或至少一天的恒定伸长下具有抗撕裂性。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，弹性可固化材料选自单官能弹性可固化单体、单官能弹性可固化低聚物、多官能弹性可固化单体、多官能弹性可固化低聚物及其任何组合，如本文针对各个实施方案中的任一个中的弹性可固化材料及其任何组合所描述的。
在一些实施例中，弹性可固化材料包括一种或多种材料，选自由式I、式I*、式II和式III表示的材料，如在相应实施例中的任何一个及其任何组合中所述。
根据本文所述的任何实施方案中的一些，弹性可固化材料和二氧化硅颗粒包括于相同的配方中。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性可固化配方系统还包含至少一种附加的可固化材料。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，附加的可固化材料选自单官能可固化单体、单官能可固化低聚物、多官能可固化单体、多官能可固化低聚物及其任何组合，如本文所述，用于各个实施方案及其任何组合中的另外的可固化材料。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性可固化材料、二氧化硅颗粒和附加的可固化材料包含于相同配方中。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性可固化材料是UV可固化的弹性材料。
根据本文描述的任何实施方案中的一些，弹性可固化材料是丙烯酸类弹性体。
实施例4
距离场和调制函数
本示例描述了一种方法，所述方法包括从三维构建空间中选择立体像素，并为所选立体像素确定相对于三维构建空间中三维部分的距离场值。根据本发明的一些实施例，所述方法可以用于准备在系统110和10中使用的计算器物体数据。在2017年2月24日提交的国际专利申请号为PCT/US2017/019340xxx中也揭露了以下至少一些描述，其内容通过引用并入本文。
距离场值可以用于选择至少一个材料选择规则，并且将立体像素的特征应用于至少一个材料选择规则以识别用于所述立体像素的材料名称。当材料选择规则识别没有用于立体像素的材料时，材料名称指定不将任何材料放置在立体像素上，并且当至少一种材料选择规则识别了用于立体像素的至少一种材料时，材料名称指定将至少一种材料放置在所述立体像素上。然后，输出用于立体像素的材料名称，以使用积层制造系统来构建三维组件。
在本发明的一些实施例中，所述方法包括选择三维构建空间中的立体像素，确定相对于位于三维构建空间中的一第一三维组件的边界的用于立体像素的一第一距离场值，以及确定相对于位于三维构建空间中的一第二三维组件的边界的用于立体像素的一第二距离场值。然后，第一个距离场值和第二个距离场值用于设置用于立体像素的材料名称。
要使用积层制造来制造组件，必须向打印机提供指令以指示应在每种打印层的每个可用位置放置什么材料(如果有)。过去，这些指令是通过使用边界表示法识别每个切片上每个组件的外部边界来产生的。然后沿组件边界放置每个位置指定的组件材料。如果组件是实心的，则还会为组件边界内的每个位置指定组件的材料组。在这样的系统中，所有材料从一种材料到另一种材料的转换，或者从一种材料到开放空间的转换都必须用边界表示法来描述。
本案发明人发现依靠这种边界表示来控制材料之间的转换会产生一些问题。首先，由于舍入的边界表示之间存在干扰，因此执行向内或向外移动边界表示以产生打印指令的舍入，放样和偏移建构操作可能会产生错误或意外结果。这通常发生在组件的拓扑结构很复杂的情况下。其次，如果组件的边界表示未定义封闭对象，则在生成打印指令时在两个不同组件之间执行的布尔运算(例如减法或联合)可能会失败。组件中的任何开口都会导致布尔运算仅限于边界表示本身而不是组件的完整体积。第三，使用边界表示法定义网格非常困难，因为网格需要大量网格，从而导致大量数据。第四，不可能形成材料梯度，其中材料的混合物在组件的某个尺寸上会发生变化。
在下面描述的实施例中，通过使用距离场克服了与边界表示有关的问题。在一个实施例中，通过将包含要制造的组件的三维构建空间划分为三维立体像素矩阵来创建距离场。然后确定从每个立体像素到组件边界的最近距离，以便如果立体像素在组件内，则将所述距离设置为正值，如果立体像素在组件外部，则将所述距离设置为负值，并且如果立体像素在组件边界上，则所述距离为零。这将产生了距离场值的三维矩阵。每个部分都有自己的关联距离场值。结果，当构建空间中有多个组件时，每个立体像素素都具有多个不同的距离场值，每个距离场值都与一个单独的组件相关联。
一旦确定了多个距离场，它们将用于为每个立体像素选择至少一个材料选择规则。每个材料选择规则都使用立体像素的至少一个特征来标识立体像素的材料名称，例如，立体像素的距离场值和立体像素在构建空间中的位置。在一些实施例中，材料选择规则包括周期函数，所述周期函数是距离场值及/或构造空间中的位置的函数，使得由周期函数与没有指定用于立体像素的材料相关联，而由周期函数产生的输出值的另一范围与与指定用于立体像素的材料相关联。这种周期函数允许在构建空间中定义晶格。
图9示出了用于将材料分配给立体像素并使用分配的材料制造组件的简化的系统的示例。如图9所示，一计算器9066用作积层制造系统9068的主机，并通过一条或多条通信线路9070与系统9068通信。在一些实施例中，计算器9066在系统9068内部，例如用于内部控制器组件的一部分。在其他实施例中，计算器9066在积层制造系统9068的外部。
图10示出了用于计算器9066的示例架构的方块图。如图所示，计算器9066包括合适的基于计算器的硬件，例如用户界面9082、内存控制器9084、处理器9086、图形处理单元9087、储存介质9088、输入/输出(I/O)控制器9090和通信适配器9092。计算器9066还可包括常规计算器、服务器、媒体设备、信号处理设备及/或打印机控制器中包含的各种附加组件。
用户界面9082是被配置为操作计算器9066的一个或多个用户操作界面(例如，键盘、触摸板、触摸屏显示器、显示监视器以及其他眼睛、声音、运动或手动控制)。内存控制器9084是一个或多个电路组件，将计算器9066的组件与储存介质9088的一个或多个易失性随机存取存储器(RAM)模块接口连接。处理器9086是一个或多个计算器处理单元，配置为操作计算器9066，并可选地与内存控制器一起运行9084，并且最好具有相关的处理电路(例如，可编程门阵列、数字和仿真组件等)。例如，处理器9086可以包括一个或多个基于微处理器及/或基于微控制器的单元、一个或多个中央处理单元及/或一个或多个前端处理单元。
图形处理单元9087包含大量的晶体管，这些晶体管被布置为以快速有效的方式执行与3D计算器图形有关的计算。此类计算包括纹理映射和渲染表示3D物体的多边形。
储存介质9088是计算器9066的一个或多个内部即/或外部数据储存设备或计算器储存介质，例如易失性RAM模块、只读储存模块、光学介质、磁性介质(例如，硬盘驱动器)、固态硬盘状态介质(例如，闪存和固态驱动器)、仿真介质等。储存介质9088可以保留一个或多个下面进一步讨论的预处理及/或后处理程序(未示出)。
I/O控制器9090是一个或多个电路组件，可将内存控制器9084、处理器9086和储存介质9088与计算器9066的各种输入和输出组件进行接口，包括用户界面9082和通信适配器9092。通信适配器9092是一个或多个有线及/或无线发送器/接收器适配器，配置为通过通信线路9070进行通信。
从计算器9066到系统9068的组件的命令可以用以下一项或多项来执行：用户界面9082、内存控制器9084、处理器9086、储存介质9088，输入/输出(I/O)控制器9090、通信适配器9092及/或其他合适的硬件和软件实现，如本领域技术人员所理解的。
图11提供了使用距离场从组件模型生成打印指令的方法的流程图。图12提供了用于实现图11的方法的系统9200的方块图。根据一个实施例，系统9200在计算器9066中执行。
在步骤9100中，接收组件数据，包括储存在储存介质9088中的网格9202、纹理图9204，凹凸图9206，光泽图9208，点特征9209和组件分辨率。网格9202描述组件的平面边界可以定义为互连的三角形或互连的四边形。纹理图9204描述了要在网格9202所描述的每个表面的外侧上施加的表面纹理的位置和几何形状。凹凸图9206提供了对存在于网格9202的特定表面上的较大表面特征的描述。图13提供了一组件的一部分的示例，其示出了两个表面9300和表面9302，其具有由凸起的正方形9304标记的纹理和由大的凸起的正方形代表的表面凸起9306。小方块9304将在纹理贴图9204中进行描述，而表面凹凸9306将在凹凸贴图9206中进行描述。光泽图9208表示组件不同表面所需的光泽度。
点特征9209描述了材料选择规则组合，材料选择规则将用于组件的具有特定特征的部分。可以用作分配材料选择规则组合的基础的组件特征示例包括实体或网格的标识符、表面纹理坐标和表面法线范围。因此，在一些实施例中，组件的不同部分具有不同的材料选择规则组合，使得在相同的距离场值下，不同的材料将用于组件周围的不同区域。下面提供了这种点特征的使用的进一步描述。
网格9202、纹理图9204和凹凸图9206被提供给由图形处理单元9087执行的切片计算过程9210，图形处理单元9087执行图11的步骤9101-9116、9120、9122和9124，下面将进一步描述。
在步骤9101，切片计算过程9210定义三维构建空间，并在三维构建空间中定向由网格9202、纹理图9204和凹凸图9206描述的部分，以形成定向数字模型9091。根据一个实施例，通过首先使数字组件定向，然后在定向的组件周围限定包围盒，以在组件周围提供支撑结构包围，来限定构建空间。
图14提供了定向在三维构建空间400中的三维组件模型402的三维视图。在图14中，存在-Z方向406、+Z方向408、X方向410和Y方向412。构建空间400的切片400被示出为包括立体像素的集合，诸如立体像素414。在图14中示出了单个切片，在构建空间400中有多个切片，以使得立体像素填充整个构建空间400。立体像素尺寸基于为组件设置的分辨率。
在步骤9102，切片计算过程9210为构建空间400中的每个切片设置Z缓冲区9095的值。切片的Z缓冲区包含切片中每个立体像素的值，其中，其中Z缓冲区值的大小表示立体像素与组件最近的STL边界之间的垂直距离的大小。组件的STL边界由一个或多个网格9202、应用于这些网格的纹理贴图9204和应用于这些网格的凹凸贴图9206的组合构成。在步骤9102中，通过从立体像素在-Z方向406看来确定所述距离，因此Z缓冲区被称为-Z缓冲区。Z缓冲区值的符号表示立体像素在组件内部还是外部，负值表示立体像素在组件外部，正值表示立体像素在组件内部。最初，一个切片的所有-Z缓冲区值都设置为最大负值，这表示所述组件的任何部分都无法在-Z方向406上从任何立体像素中看到。
然后，GPU 9087使用网格9202、纹理图9204和凹凸图9206执行渲染操作，以在三维构建空间400中构建组件的STL边界的描述，并将所述描述投影到切片上。特别地，一次渲染一个网格9202中的每个表面，然后将纹理图9204和凹凸图9206应用于渲染的表面，以生成所述表面的STL边界，并通过识别三维构建空间中STL边界正上方的立体像素将所述表面的所得STL边界投影到切片上。对于在表面的STL边界正上方的每个立体像素，将STL边界和立体像素之间的距离与所述立体像素的–Z缓冲区中储存的当前距离进行比较。如果到当前投影表面的距离的大小小于储存在–Z缓冲区中的值，则认为当前表面比组件的任何先前渲染表面更接近立体像素，并且–Z缓冲区将更新为到当前STL边界的距离。设置储存在–Z缓冲区中的距离值的符号以指示立体像素在组件内部还是外部。可以基于当前表面的向外法线和+Z方向408之间的角度来确定。根据一个实施例，当前表面的标识也储存在切片的附加缓冲区中。如果当前STL边界和立体像素之间的距离大于所述立体像素的Z缓冲区值的大小，则Z缓冲区值保持不变。当目前表面被组件的另一个靠近立体像素的表面从立体像素遮挡时，会发生这种情况。因此，在当前切片下面的组件的每个表面都已渲染并投影到切片上之后，Z缓冲区包含的值指示在立体像素和组件的STL边界之间沿Z方向的最短距离，而另一个缓冲区指示这些最接近的表面的标识。对构建空间400中的每个切片重复此操作。
使用图形处理单元加载Z缓冲区在将物体的3D计算器模型渲染到2D平面上很常见。然而，作为构造三维部分的一部分，使用这样的图形处理单元来加载与立体像素相关联的Z缓冲区是未知的。
在为构建空间400中的所有切片形成–Z缓冲区之后，在步骤9104中选择构建空间400中的最低切片。在步骤9106，在+Z方向执行渲染操作以加载所选切片的+Z缓冲区。此渲染与在-Z方向执行的渲染相同，但视图更改为+Z方向408除外。在步骤9106之后，所选切片对于每个立体像素具有+Z缓冲值，对于每个立体像素具有-Z缓冲值，其中，+Z缓冲值在+Z方向408中提供立体像素和组件之间的最短垂直距离，-Z缓冲值在-Z方向406中提供立体像素和组件之间的最短距离。
尽管以上参照构建空间400中的一部分来描述步骤9102和9106，但在其他实施例中，构建空间400中存在多个组件。当构建空间400中存在多个组件时，为构建空间400中的每个组件创建单独的–Z缓冲区和单独的+Z缓冲区。
在步骤9108，从+Z缓冲区确定所选切片的轮廓边界。特别是，检查成对立体像素的+Z缓冲区值，以确定从负值到可能的最大幅度负值的转换。这样的转换表示组件的一部分位于立体像素上方与所述组件的任何部分都不位于相邻立体像素之间的边界。在图14中可以看到这样的边界的示例，其中立体像素420和422沿着这样的边界定位。立体像素420位于组件402的下方并且具有-4的+Z缓冲值。与立体像素420相邻的立体像素422不低于组件的任何部分，因此在+Z缓冲区中具有最大可能的负值，例如-10000。对每一对重复此成对比较可产生轮廓边界，例如轮廓边界424，其中边界内的立体像素被视为位于组件的一部分之下，轮廓外的立体像素不位于组件的任何部分之下。注意，当构建空间400中存在多个组件时，对于在步骤9104中选择的切片，对每个+Z缓冲区重复步骤9108。
在步骤9110，切片计算过程9210确定STL边界与当前切片的交点。在在图14中，STL边界和切片400的交点被示为边界430，以虚线表示。STL边界与切片的交集可以通过检查+Z缓冲区和–Z缓冲区来确定相邻像素，其中Z缓冲区值从负值变为0或从负值变为正值。Z缓冲区值的这种变化表示从组件外部到组件内部的转换。对每个组件的Z缓冲器执行步骤9110。
在步骤9112，选择当前切片中的单个立体像素。在步骤9114，为立体像素确定到组件的STL边界的距离场值。所述距离场值是立体像素与组件的STL边界的任何部分之间的最短距离。在步骤9116，如果当前立体像素在组件的外部，则确定当前立体像素到轮廓边界的距离。
根据一个实施例，使用采样算法一起执行步骤9114和9116。图15的流程图中示出了这样的采样算法的一个示例，参考图16对其进行了说明。在图16中，用包括当前立体像素600的立体像素矩阵示出切片620的俯视图。与切片600相交的STL边界612被显示为实线，轮廓边界610被显示为虚线。
在图15的步骤500，检查当前立体像素，即图16的立体像素600，以确定其是否在当前切片中的STL边界处。例如，在图16中，由于STL边界612与立体像素650相交，立体像素650将被视为位于STL边界612。如果在步骤500当前立体像素位于STL边界，则在步骤502将当前立体像素的距离场值设置为0。
如果在步骤500中当前立体像素不在STL边界，如图16的当前立体像素600所示，则执行图15的步骤504，其中当前立体像素600的距离场值被设置为当前立体像素的两个Z缓冲区值中的较小者。特别地，比较+Z-buffer和-Z-buffer中Z距离值的大小，并将较小的大小设置为当前立体像素的距离场值。此外，距离场值的符号是基于立体像素是在组件内部还是外部设置的。如果立体像素在组件内部，则距离场值设置为正值；如果立体像素在组件外部，则距离场值设置为负值。
步骤506，识别当前切片中当前立体像素周围的立体像素的环。例如，在图16中，由虚线阴影指示的第一环602包围当前立体像素600。在步骤508，被识别的环中的立体像素被选择。如果在步骤510，所述被选择的环形立体像素位于STL边界，则将所述被选择的环形立体像素与当前立体像素600之间的距离作为测试距离。如果环形立体像素不在STL边界处，则在步骤514，使用环形立体像素的两个Z缓冲区值中的较小值和环形立体像素与当前立体像素之间的距离的组合来确定测试距离。尤其是，将环形立体像素的+/-Z缓冲区中的Z缓冲区值相互比较，并选择两个Z缓冲区值的较小值作为到组件距离的垂直分量。组件距离的水平分量计算为环形立体像素和当前立体像素600之间的距离。对距离的垂直分量和距离的水平分量求平方，求平方和，然后求和之和的平方根提供当前立体像素600与环形立体像素上方或下方的部分之间的距离。须注意的是，如果组件的任何部分都不在环形立体像素的上方或下方，则Z缓冲区将各自包含较大的幅度值。
然后，将在步骤512或514中计算的测试距离值与在步骤516中当前立体像素600的当前存储距离场值进行比较。如果测试距离小于当前距离场值，则将测试距离设置为新的当前距离场值。如果测试距离的大小不小于当前距离场值的大小，则当前距离场值保持不变。
在步骤518，所述方法确定环形立体像素是否在如图16的轮廓边界610的轮廓边界处。如果环形立体像素在轮廓边界处，则在步骤520，将当前立体像素600到轮廓边界的最短距离设置为先前储存到当前立体像素600到轮廓边界的距离与环形立体像素和当前立体像素之间的距离中的较小者。因此，如果环形立体像素位于轮廓边界且环形立体像素与当前立体像素之间的距离小于先前确定的当前立体像素与轮廓边界之间的距离，更新当前立体像素600和轮廓边界之间的最短距离，以反映环形立体像素和当前立体像素600之间的距离。
如果环形立体像素不在轮廓边界处或者在到轮廓边界的距离被更新之后，图15的处理确定在当前选择的环中是否有更多的环形立体像素。如果有更多的环形立体像素，则处理返回到步骤508，并且选择当前环形中的下一个立体像素。然后重复步骤510-522。当在步骤522处理了当前环中的所有立体像素时，所述方法在步骤524确定当前环周围是否存在更多立体像素。如果在步骤524中当前环周围有更多的立体像素，则处理返回到步骤506并且选择围绕当前立体像素环的下一个环。例如，在处理环602之后，处理环604，然后处理环606，然后处理环608。在处理连续环时，STL边界不相交。因此，一旦到达STL边界，边界另一侧的立体像素就不会被处理。例如，由于STL边界612将立体像素652与当前立体像素600分离，所以立体像素652不作为环608的一部分进行处理。在组件内处理的立体像素环也是如此。具体来说，当当前立体像素位于组件内时，组件外的立体像素不用于确定立体像素的距离场。
在步骤524，当当前环周围不再有立体像素时，处理结束并且为当前立体像素储存的距离场值被输出为最终距离场9212(图10和图12)。此距离场值将具有一个表示当前立体像素与组件的任何STL边界之间最短距离的大小，以及一个指示当前立体像素是在组件内还是在组件外的符号。另外，当为当前立体像素更新距离场值时，还将储存与距离场值关联的一个或多个特征，例如，，STL边界上最近点的位置、最近点所在的实体或网格的标识符、表面纹理坐标以及最近点处的表面法线。根据一个实施例，组件的不同特征具有与其相关联的不同的材料选择规则组合。因此，组件的不同部分可以具有与其关联的不同材料选择规则。类似地，输出到轮廓边界9216的最短距离以及最近轮廓边界点9218的位置。
当构建空间400中有多个组件时，对每个组件重复图15的步骤，以生成距离场值9212、最近的STL边界点9214、最近的轮廓9216和最近的轮廓边界点9218，用于每个组件的立体像素。单个立体像素可以位于所有组件之外，可以位于单个组件中，也可以位于其他组件之外，或者可以位于多个组件中。
回到图11，在步骤9114和9116分别确定了所选立体像素的距离场值和到轮廓边界的距离之后，在步骤9118由材料选择单元9226确定了用于立体像素的材料。图17提供了示出执行材料选择的初始步骤的流程图。
在步骤9700，检查距离场以确定立体像素是否在至少一个组件中。可以通过确定是否至少存在一个储存用于立体像素的非负距离场值来进行所述确定。如果立体像素至少位于一个部分中，则在步骤9702中忽略立体像素的所有负距离场值。因此，如果立体像素位于至少一个组件内，则与在组件内的立体像素相关联的材料选择规则9220控制材料选择，并且与在其他组件外的立体像素相关联的材料选择规则9220被忽略。注意，如果构建空间中只有一个组件，则在步骤9702中将没有要忽略的负距离场。
在步骤9704，材料选择单元9226确定构建空间中是否存在多个组件。如果构建空间中只有一个组件，则在步骤9706执行单个组件的材料选择过程。下面将进一步讨论这样的单个组件材料识别过程的示例。如果在步骤9704有多个组件，则在步骤9708执行多组件材料选择过程。下面讨论这种多组件材料选择过程的一个例子。
回到步骤9700，如果立体像素不在构建空间中的任何组件中，则在步骤9710检查立体像素相对于轮廓边界的位置，以确定立体像素是否在组件的直接支撑区域中。直接支撑区域是位于组件的轮廓内的构建空间中的区域。这样的直接支撑区域需要足够的支撑材料来支撑组件。要确定立体像素是否位于直接支撑区域，需要查看立体像素的+Z缓冲区值。如果+Z缓冲区值中的任何一个为负并且其大小小于最大大小，则立体像素位于直接支撑区域中。如果立体像素位于直接支撑区域中，则在步骤9712为立体像素设置直接支撑指定。
如果在步骤9710中立体像素不在直接支撑区域中，则在步骤9714中检查立体像素的位置以确定其是否在组件的倾斜支撑区域中。对于某些组件，除了在直接支撑区域提供附加支撑外，还在组件轮廓外提供附加支撑，以使附加支撑具有倾斜表面且不完全垂直。要确定立体像素是否位于组件的倾斜支撑区域中，组件到最近轮廓边界的距离与从轮廓边界上的最近点到组件的垂直距离相结合，以确定立体像素和轮廓边界上组件部分相对于切片的xy平面的角度。如果所述角度大于为倾斜支撑区域设置的某个最大角度，则在步骤9714中，立体像素被视为在倾斜支撑区域内。如果计算的角度小于倾斜支撑区域的最大角度，则立体像素将被视为超出组件的倾斜支撑区域。如果在步骤9714中立体像素在倾斜支撑区域内，则在步骤9716中设置立体像素在倾斜支撑区域内的指定。在步骤9714或步骤9716之后，过程移动到步骤9704以确定构建空间中是否存在多个组件。
图18提供了示出一组件806的完全支撑区域800、倾斜支撑区域802和填充支撑区域804的图。完全支撑区域800包括在组件的轮廓边界810内的组件外部区域。倾斜支持区域802包括在轮廓边界810处的组件的点814的一角度812内的区域。完全支撑区域800、倾斜支撑区域802和填充支撑区域804各自可以包括彼此不同的材料及/或不同的调制函数。一般来说，完全支撑区域800将包括提供比填充支撑区域804更多支撑的材料和调制函数。倾斜支撑区域802可以包括与完全支撑区域800相同的材料和调制函数，或者可以包括不同的材料或调制函数。
图19提供了用于执行图17的步骤9706的流程图，其中针对构建空间中的单个组件执行材料标识。在图19的步骤900，由材料选择单元9226从点特征9209检索组件最接近立体像素的组件的点特征。这些点特征用于识别在确定组件部分附近的立体像素的材料时要使用的一组材料选择规则9220。根据一个实施例，所述一材料选择规则组合包含用于距离场值的一组范围9222中的每一个的单独材料选择规则9224。根据一些实施例，每个材料选择规则都是以下一种规则：一种静态规则，用于在整个距离场值范围内以相同的密度分配相同的材质；以及一种配方规则，用于在整个距离场值范围内改变立体像素的成分。
在步骤902，材料选择单元9226检索在点特征中标识的多个材料选择规则的多个组合，并且在步骤904，使用距离场和区域指定(即直接支撑区域，填充区域)(如果有)供立体像素来识别要使用的材料选择规则。
根据一个实施例，范围9222描述相对于STL边界的多个材料的多个带，其中每个带具有关联的材料选择规则9224。在范围9222内，材料选择规则9224可以简单地指定要在所述范围内使用的单个材料。对于其他范围，材料选择规则9224由一个或多个函数组成，这些函数被计算以产生多个输出值。多个输出值的群组被指定给不同的多个材料名称。例如，可以将函数的某些输出值指定给第一材质，而将其他输出值指定给第二材质。其他时候，多个输出值的一群组被指定给一材料，而其余的多个输出值被指定为不包括材质，这意味着没有材料被放置在立体像素中。例如，根据一个实施例，定义了以下多个带和函数：
对于a＞D＞b
Figure BDA0002428979380001291
Figure BDA0002428979380001301
Figure BDA0002428979380001302
对于b＞D＞0
Figure BDA0002428979380001303
Figure BDA0002428979380001304
Figure BDA0002428979380001305
对于D＝0
Figure BDA0002428979380001306
Figure BDA0002428979380001307
Figure BDA0002428979380001308
or 0＞D＞-c以及直接支撑物
Figure BDA0002428979380001309
Figure BDA00024289793800013010
Figure BDA00024289793800013011
对于0＞D＞-c以及倾斜支撑物
Figure BDA0002428979380001311
Figure BDA0002428979380001312
Figure BDA0002428979380001313
对于0＞D＞-c以及不具光澤物
Figure BDA0002428979380001314
Figure BDA0002428979380001315
Figure BDA0002428979380001316
对于0＞D＞-c以及具光澤物
Figure BDA0002428979380001317
Figure BDA0002428979380001318
Figure BDA0002428979380001319
对于-c＞D＞-d以及直接支撑物
Figure BDA00024289793800013110
Figure BDA00024289793800013111
Figure BDA00024289793800013112
对于-c＞D＞-d以及傾斜支撑物
Figure BDA0002428979380001321
Figure BDA0002428979380001322
Figure BDA0002428979380001323
对于-c＞D＞-d以及其他
Figure BDA0002428979380001324
Figure BDA0002428979380001325
Figure BDA0002428979380001326
其中D是距离场值，a、b、-c及-d是距离场值的范围值，
Figure BDA0002428979380001327
是立体像素在构建空间中的三维位置，
Figure BDA0002428979380001328
Figure BDA0002428979380001329
以及
Figure BDA00024289793800013210
是调制函数，材料名称1-29是可能的材料，没有用于立体像素的材料。尽管被列为单独的材料1-29，本领域技术人员将认识到一个或多个材料名称可以相同。
调制函数可以是立体像素的一个或多个特征的周期或非周期函数，例如立体像素在构建空间中的位置，或立体像素的距离场D。对于周期函数，可以使用构建空间或距离场中的位置或这两个值的组合来控制周期函数的频率、周期函数的时间偏移及/或周期函数的大小。调制函数也可以是基于立体像素在构建空间中的位置或基于距离场的噪声函数。在进一步的实施例中，调制函数是周期函数和噪声函数的组合。例如，在一个实施例中，周期函数基于构建空间中的位置和距离场，并且周期函数的输出由基于立体像素在构建空间中的位置的噪声滤波器滤波。在更进一步的实施例中，调制函数是构建空间中的距离场值和立体像素位置的基周期函数之和。
在上述示例中，用三个相关的材料名称描述了函数的三个值范围。当调制函数提供一个恒定值时，只有一种材料将被识别，在距离场设置的范围内产生一个固体材料带。在其他实施例中，使用用于输出调制函数的多个数值的其他范围，允许在为调制函数设置的距离场值的范围内使用任意数量的材料。在进一步的实施例中，用于调制函数的值的一个或多个范围可以与空白空间相关联，从而导致没有材料被分配给立体像素。例如，可以在调制函数的输出大于或等于0时指定材料，也可以在调制函数的输出小于0时为立体像素指定空白。这使得多孔材料带能够被构造，材料的孔隙率随着距离场及/或构建空间中的位置的变化而变化。
调制函数的频率可以作为距离场的连续函数改变，或者可以固定在与调制函数相关联的距离场范围的开始或结束处的距离场值。类似地，调制函数的振幅可以类似地作为距离场值的函数连续变化，或者可以设置为与调制函数相关联的距离场值的开始或结束范围处的距离场值。
如上面的材料选择规则的示例集所示，材料选择规则的选择还可以基于立体像素是位于直接支撑区域中还是位于上面的步骤9712和9716中为立体像素指定的倾斜支撑区域中。另外，可以针对最接近立体像素的部分的部分查询光泽图9208，以确定所述组件的所述部分是否具有特定的发光程度。然后可以将此光泽程度与距离场一起使用，以选择要应用于立体像素的材料选择规则。
回到图19，在步骤906，将立体像素的距离场值及/或立体像素的构建空间位置应用于所选材料选择规则，以选择用于立体像素的材料或不用于立体像素的材料。在一些实施例中，如上所示，材料选择规则9224是立体像素的特征的函数，例如距离场值或立体像素的构建空间位置，然后将距离场值和/或立体像素的构建空间位置应用于所述函数，以生成输出值，所述输出值随后用于选择立体像素的材料或立体像素缺少的材质。
如果构建空间中有超过一个的组件，则在图17的步骤9708执行多组件材料选择。图20提供了一种用于执行多组件材料选择的方法的流程图。
在步骤1000，材料选择单元9226查询点特征9209以检索多个组件的最近STL边界点9214的特征。然后使用这些特征来确定为STL边界点指定的材料选择规则是否要与其他组件的STL边界点的材料选择规则混合，或者是否要在各个组件的材料选择规则之间进行选择，以便仅选择单个组件的材料使用选择规则。
如果只使用单个组件的材料选择规则，则在步骤1002继续处理，其中使用各个组件的最近STL边界点来选择一个组件。尤其是，最近STL边界点的特征9209将指示在选择一组材料选择规则时优先考虑哪些组件。在步骤1002中选择了具有优先权的组件之后，在步骤1004中使用上述用于图19的处理来执行单个组件的材料选择。
图21提供了使用图19的单个组件构造过程中构造的组件的顶部横截面图的示例。在图21中，组件由STL边界1100定义，STL边界1100被划分为两个区域1102和区域1104，每个区域具有各自的特征。对于区域1102，在组件外部定义三个材料选择规则带，在组件内部定义四个材料选择规则带。特别地，在STL边界之外存在由调制函数构造的带1106，所述调制函数在产生两种不同材料之间进行调制，从而产生具有结构的支撑区域。带1108包括提供恒定量的单个支撑材料的非周期调制函数。波段1110由一个非周期调制函数组成，所述函数为波段中的立体像素指定一个气体间隙。在STL边界内，带1112由提供恒定密度涂层材料的非周期调制函数表示。带1114由调制函数来描述，所述调制函数在带1112的涂层和在皮质带1116中发现的皮质材料之间进行调制。皮质带1116具有不同的厚度，如宽厚度1118和窄厚度1120所示。因此，皮质带1116的大小取决于什么是最近的STL边界点。皮质带1116由提供恒定强度皮质材料的非周期调制函数来描述。带1122由在带1116的皮质材料和骨髓材料之间调制的噪声调制函数描述。噪声函数随着距离场的增大而增加骨髓物质的数量。
区域1104包含来自区域1102外部的带1106和带1108，但仅包括来自区域1102的内部带1122。
回到图20，当点特征9209用于最近的组件点指示将在步骤1000混合两个不同组件的材料选择规则时，处理在步骤1006继续。在步骤1006中，选择构建空间中的至少两个组件。
选择的组件数量基于储存在点特征9209中的构建空间中所有组件的名称。这些特征可以包括阈值距离场，其要求立体像素位于STL边界的特定距离内，以便在混合过程中使用组件的材料选择规则。在其它实施例中，某些点特征9209将指示仅当在构建空间中存在一定数量的其它组件时才混合部分的材料选择规则。在步骤1008，检索与在步骤1006中选择并在点特征9209中标识的组件相关联的材料选择规则9220。在步骤1010，使用与在步骤1006中选择的每个组件相关的立体像素的各个距离场和立体像素的区域指定(如果有的话)来确定要选择哪些材料选择规则进行混合。在步骤1012，混合或合并所选材料选择规则的一个或两个材料和调制函数。根据一个实施例，混合或合并调制函数涉及使用距离场对调制函数进行加权，并对加权的调制函数求和或乘以形成合并函数。加权是这样的，如果立体像素在两个组件内，则其中一个组件的调制函数的加权随着所述组件的距离场值的增加而增加。当立体像素位于两个组件之外时，则相反，并且随着部分距离场的大小增加，相对于组件的调制函数的加权减小。在其他实施例中，通过使用随机函数并基于随机函数的输出是否高于或低于阈值来选择要应用的材料来执行混合或合并。阈值被设置为其中一个组件的距离场的函数，这样当所述部分的距离场增加时，更有可能为立体像素选择特定组件的材料。这将在两个组件的重叠部分生成一个合并区域，其中立体像素的材料内容在合并区域中逐渐更改。
在步骤1012混合了材料/调制函数之后，在步骤1014，将一个或多个组件的距离场与立体像素的构建空间区域一起应用于混合函数，以产生计算值，然后在步骤1016，使用所述计算值来选择立体像素的材料。
图22提供了在步骤1002选择单个组件以消除组件之间的干扰的多组件材料选择的示例。有时，用于不同组件的网格9202会被描述，使得当设计者打算分离组件时，组件会重叠。消除这种干扰可能很费时。在步骤1002中，当由网格9202将立体像素描述为在两个不同组件中时，通过仅选择其中一个组件来自动消除这种干扰。
在图22的示例中，有两个组件1200和组件1202。虚线1204表示网格202所描述的组件1202的STL边界，实线1205表示组件1200的STL边界。如图22所示，STL边界1204在组件1200内，因此，STL边界的描述示出组件1200和组件1202之间的干扰。通过在步骤1002选择单个组件，在这种情况下，组件1200可以移除网格202中描述的干扰，以便为组件1202提供新的组件边界1206(以粗体显示)。因此，在组件1200和组件1202重叠的干扰区域1208中，在步骤1002选择组件1200有效地将组件1202的边界1204移动到边界1206，从而消除两组件之间的干扰。
图23提供了使用距离场混合两个调制函数的示例。参照图23，如在部位1302中所示，显示在一部位1300中的一回旋调制场与施瓦茨晶格混合，穿过混合区域1304。在图23的混合中，对这两个调制函数加权，使得随着距定义了回旋的STL边界的距离场增加，对回旋调制函数的加权较小，而对施瓦茨晶格的加权更大。这会产生从回旋晶格到施瓦茨晶格的平滑转换。
图24示出了跨越两个组件1400和组件1402的重叠部分的组件材料的混合。在混合区域1404中，与组件1400相关联的材料量逐渐减少，并且与组件1402相关联的材料量沿着从组件1400到组件1402的范围逐渐增加。因此，随着组件1400的距离场的大小减小，组件1400的组件材料量在混合区域中减小。类似地，随着组件1402的距离场沿混合区域1404减小，与组件1402相关联的材料量在混合区域中减小。
回到图11，在步骤9118确定了用于立体像素的材料之后，处理确定在步骤9120是否需要处理更多的立体像素。如果当前切片中有更多的立体像素，则通过返回步骤9112来选择新立体像素，并为新立体像素重复步骤9114、9116和9118。当在步骤9120处理了当前切片的所有立体像素时，切片的材料位图完成，并作为材料位图9228输出。在步骤9122，所述过程确定是否有更多切片。如果有更多的切片，则切片计算过程9210在步骤9124向上移动一个切片，然后返回到步骤9106以在+Z方向上对新切片执行渲染操作。然后对新切片重复步骤9108、9110、9112、9114、9116、9118和9120。须注意的是，尽管在为每个切片加载+Z缓冲区之前，已经指示为切片中的每个立体像素选择材料，以及其他实施例，但是在确定任何切片中的立体像素的材料之前，在每个切片的+Z方向上执行渲染操作。在为每个切片加载了+Z缓冲区之后，材料选择单元9226依次处理每个切片，以识别切片中每个立体像素的材料。
在为每个切片形成材料位图9228之后，打印转换单元9230执行打印转换步骤9126以形成打印指令9237。此打印转换步骤可以与传输材料位图9228和位图9232一样简单。在其它实施例中，材料位图9228被转换为描述打印头应如何沿着切片移动以沉积材料的工具路径9234。在一个实施例中，使用行进平方算法从位图9228识别工具路径9234。在另一实施例中，将每个切片的材料位图9228转换为提供组件边界的三维描述的网格9236。这些网格可以作为其他打印机的输入，也可以作为CAD系统的输入。在一个实施例中，使用行进立方体算法从位图9228识别网格9236。在将材料位图9228转换为打印指令9237之后，通过通信适配器9092来传送打印指令，以便可以在步骤9128中制造组件。
因此，以上实施例可以将CAD模型加载到GPU上，使用GPU为每个立体像素计算带符号的距离场，基于带符号的距离场将材料分配给每个立体像素，并输出适合打印的图像。
各种实施例为切片中的每个立体像素计算多个不同的距离场，包括到CAD模型的最近点的3D欧几里德距离、到切片中模型横截面上的最近点的2D距离以及到模型轮廓的2D距离。
每个距离场可以包括立体像素的特征变换信息，其中特征是用于在距离场中记录所述立体像素所报告的距离的模型上的源点。特征变换可以包括实体或网格的标识符、表面纹理坐标、表面法线和源点的位置。
根据一个实施例，对每个立体像素的材料分配成为距离信息和用户控制参数的函数。
距离度量可以是欧几里德范数或不同的范数，例如Lp或倒角范数。
在GPU上的计算使用Z缓冲区来产生平面投影中距离的深度分量。
GPU上的计算使用距离变换来计算3D距离、2D截面距离或自支撑区域的距离。
距离场可以用来调制载体函数，如隐式晶格和噪声函数，从而产生具有不同柔度和孔隙率的结构。
距离场可用于执行偏移和布尔操作。
距离场可用于从一个CAD模型平滑地插值到另一个CAD模型。
距离场可用于调整组件之间的干涉和间隙。
距离场可用于创建可变厚度偏移。
距离场可以与表面和体积纹理结合使用，以创建分层纹理和波纹状纹理。
距离场可以与立体像素数据(如CAT扫描和MRI数据)相结合，生成具有体积变化材料特性的模型。
结果可以保存为位图图像，供使用图像的打印机使用。
对于使用刀轨的三维打印机，可以将结果追踪到矢量轮廓中。
结果可以重建为三维实体模型。
GPU上的计算采用卷积或采样的方法计算二维截面距离、轮廓距离和三维距离的平面分量。根据一个实施例，迭代地执行这些计算以有效地递归地计算距离。
距离信息可用于调节显式和隐式函数(如描述晶格的函数)，以生成具有不同体材料特性(如柔度和孔隙率)的结构。这些函数可以描述形状、形状中的空隙、纹理、不同的材料特性以及梁状、蜂窝和混合拓扑晶格。
在下面描述的实施例中，包括CPU和GPU组件。所述CPU组件：
1.读取网格数据、纹理和切片参数数据。
2.将网格数据和相关信息发送到GPU。
3.提供用户界面以查看切片数据并与之交互。
4.将在GPU上创建的图像保存到磁盘。
所述GPU组件：
1.使用Z缓冲区生成有关模型的深度信息。
2.将深度信息组合成具有不同距离信息的结构。
3.使用距离信息计算每个立体像素的成分。
4.包括用于计算晶格，执行实体建模操作，校准颜色等的数据库。
在一个实施例中，对CPU使用Javascript、Node.js和Electron，对GPU代码使用OpenGL ES来实现各种实施例。其他实施例使用C#on.NET或Mono和OpenGL 3.3实现。
其他应用：
1.在计算距离场时，记录纹理、法线和其他几何信息(统称为“表面信息”)以及距离信息。
2.使用表面信息和位图选择要指定给模型的颜色。
3.使用表面信息和位图在几种可能的材质中选择材质，可能使用抖动方示。
4.使用表面信息和位图偏移模型以创建物理置换图。
5.使用表面信息和位图更改打印结果的光泽度。
6.使用表面信息和位图更改打印结果的表面光洁度。
7.使用表面信息和位图更改最接近表面纹理值的材质硬度。
8.使用表面信息和位图更改最接近表面纹理值的材质的透明度。
9.使用表面信息和位图更改最接近表面纹理值的材料的机械性能，例如刚度。
10.使用表面信息和位图更改组件表面上支撑材料的存在。
11.使用表面信息和位图来调制组件体积或围绕其的支撑结构中使用的隐式函数。
12.使用表面信息和几个位图来生成多个位移图，可以通过布尔运算来组合这些位移图，以创建包含悬垂的表面纹理。
13.使用“表面信息和带有透明材质的多个位图来产生双凸透镜(动画或3D)表面效果。
14.将2-9组合使用。
15.结合距离场信息使用3D体积纹理更改材料位置组成(可能与2-9结合使用)。
在图9中，计算机9066被示为单个独立积层制造系统的主机。或者，计算机9066可以用作多个积层制造系统9068的本地服务器。例如，系统9068可以是制造消费者或工业OEM产品的整个生产系统的一部分。因此，计算机9066并且可以执行图11的步骤，并且还可以执行一个或多个附加处理步骤，例如运行时估计、打印机队列、后处理队列等。如图所示，计算机9066可以可选地包括一个或多个服务器9072和一个或多个与每个系统9068相关联的专用主机9074，其中服务器9072可以通过一个或多个通信线9076(例如，网络线)与主机9074通信。
在又一实施例中，计算机9066和系统9068可以是按需服务中心的一部分。在本实施例中，计算机9066可以用作基于云端的服务器，例如，客户可以经由一个或多个网络或通信线路9080经由因特网从其个人计算机9078向计算机9066(例如，向服务器9072)提交数字模型(例如，STL数据文件)。
在这个应用中，计算机9066可以执行图11的步骤以及一个或多个附加处理步骤，例如支持材料量计算、报价、运行时估计、打印机队列、后处理队列、装运估计等。例如，在一些实施例中，计算机9066可以生成支持材料体积计算、构建时间和价格报价，如Nehme等人所述，美国专利号US 8818544。服务中心还可以包括一个或多个打印后处理站(例如，未示出的支撑物移除站、表面处理站、装运站等)，其中计算机9066还可以可选地与印后站通信。
根据本发明的一些实施例，提供了一种方法，包括：在一三维构建空间中选择立体像素；对于所选择的立体像素，确定相对于三维构建空间中的三维组件的一距离场值；使用所述距离场值选择至少一个材质选择规则；将立体像素的特征应用于至少一个材质选择规则以标识立体像素的一材料名称，其中，材料名称指示当材质选择规则标识不具有材料时，将不在立体像素处放置材料，其中材料名称指示当至少一个材料选择规则标识用于立体像素的至少一种材料时，将在立体像素处放置至少一种材料；并且输出用于使用积层制造系统构建三维组件的立体像素的材料名称。
根据本发明的一些实施例，所述方法使用最短距离来确定距离场值。
根据本发明的一些实施例，如果立体像素在部件外部，则距离场值在第一值范围内；如果立体像素在部件内部，则距离场值在第二值范围内；如果立体像素在部件边界上，则距离场值是特异值。
根据本发明的一些实施例，立体像素形成晶格结构的一部分。
根据本发明的一些实施例，使用第一距离场值和第二距离场值来设置材料名称，包括：使用第一距离场值来识别第一函数，使用第二距离场值来识别第二函数，将第一个函数与第二个功函数合并以形成合并的函数，然后使用合并的函数设置材料名称。
根据本发明的一些实施例，第一函数描述第一晶格图案，第二函数描述第二晶格图案，合并的函数描述在合并区域上从第一晶格图案转换到第二晶格图案的过渡晶格。
根据本发明的一些实施例，使用第一距离场值和第二距离场值设置材料名称，包括使用第一距离场值确定立体像素在第一三维组件内，使用第二距离场值确定立体像素在第二三维组件内，并将立体像素的材料名称设置为第一三维组件的材料组合，而不是第二三维组件的第二材料组合。
根据本发明的一些实施例，将立体像素的材料名称设置为针对第一三维组件的材料组合而不是针对第二三维组件的第二材料组合，包括识别第一三维组件与立体像素的最近部分，检索相关联的特征使用最近的部分，并使用特征来决定将立体像素的材料指定设置为第一个三维组件材料组合。
实施例5
实验测试
以下3D喷墨打印机打印了一些合成几何图形：J750和Connex3(以色列Stratasys有限公司)。其中包括内径(I.D.)约为1毫米至20毫米、壁厚度约为0.5毫米至2毫米的直管、曲管、夹具、心脏冠状动脉和主动脉、威利斯中风模式和特雷莎动脉瘤。图29A至图29D是可视化的计算机物体数据(图29A)和管体阵列(图29A)的图像(图29B-图29D)，包括不同组成的打印的管体(图29B)、线性和弯曲管体几何结构(图29C)和特雷莎动脉瘤(图29D)。
在第一阶段，所有组件最初使用建构材料“AgilusTM30”(作为弹性固化配方)和“SUP706”(作为可固化支撑材料配方)(Stratasys有限公司，以色列)来打印。一般来说，所有简单的几何形状都可以通过水流喷射轻松清洗，而不会损坏管道。管体在水压下膨胀，支撑物分离并被推出。
以3毫米壁厚度和16毫米外径(O.D.)的AgiluTM30的管体作为基准，并将其与由建构材料“TangoTM+”制成的管体(以色列Stratasys Ltd.)进行比较。在所述测试中，使用插入物将管体膨胀至110％，120％，130％，140％和150％。下表5.1列出了3组试样的破坏时间。
表5.1
Figure BDA0002428979380001431
试验表明，AgilusTM30具有较好的抗应激性能。
管形效应
试样是在X-Y和X-Z平面上有四个90度弯曲的管子。使用相同长度和直径的直管作为参考。直的管能承受爆破压力在1.5巴至1.7巴之间。弯曲的管子能承受1.2巴至1.3巴的压力。
壁厚度效应
所述试验在AgilusTM30的管上进行，管长60毫米，壁厚度不同，以检查每个壁厚度的最大瞬时压力是否可持续。结果如图30和表5.2所示。
表5.2
Figure BDA0002428979380001432
Figure BDA0002428979380001441
较厚的壁厚度最初以线性方式提高了管体的抗压性，但超过1.5毫米达到了平稳状态。在所述实验中，未记录顺应性。
管形几何拉伸试验
所述试验包括由AgilusTM30 Clear(Stratasys有限公司，以色列)材料制成的试样，以及一个Vero White(Stratasys有限公司，以色列)夹持表面，用Lloyd仪器进行拉伸试验。试样结构为外径约为8毫米、壁厚度为1毫米的管体，其横截面为21.98毫米平方，长度为100毫米。图31是下面表示应力-应变曲线的图。所述管体的强度约为1兆帕，约为使用标准狗骨样本时强度的三分之一。
这项实验表明，所述管体比以XY方向打印的光滑橡胶状狗骨头要弱。假定这是由于垂直的粗糙表面特性引起的。
使用RGD515+进行加固
在此实验中，测试了建构材料RGD515+(以色列Stratasys Ltd.)的加固效果。
使用内径＝8毫米、外径＝10毫米和长＝60毫米的试样。所有试验均在1巴的恒定调节压力下进行。以XY方向打印在一起的模型样本，包括参考模型。采用AgilusTM30的二甲基亚砜(DMs)和2％-10％的RGD515+，随机交错。图32A至图32C和表5.3A和表5.3B列出了这些管体的测量值和计算值。
表5.3A
Figure BDA0002428979380001442
Figure BDA0002428979380001451
表5.3B
Figure BDA0002428979380001452
结果表明，少量的RGD515会降低管体的强度和耐用性，但在8％以上时，耐用性会提高。结果还表明，顺应性显著降低，并在6％的RGD515+后达到平稳。结果还表明，膨胀是各向异性的，其中轴向膨胀大于径向膨胀，而它们之间的间隙随着RGD515百分比的增加而减小。
软化
当添加实施例1中所述的软模型配方时，观察到明显的软化和顺应性的增加。将其作为内层添加并封装在AgilusTM30中。这样的管体可以承受高达0.4巴的压力。
定向加固
图33示出了本试验中使用的定向加强组件。加强组件由RGD515+制成，并嵌入AgilusTM30外壳体中。试验旨在测量恒定应变和恒定压力下的破裂时间。结果见表5.4A和表5.4B。
表5.4A
Figure BDA0002428979380001461
表5.4B
Figure BDA0002428979380001462
结果表明，线圈式加固对恒定应变耐久性有较好的影响，其它类型的加固对恒定应力耐久性有积极的影响。数据还验证了肋条的高度各向异性行为。
湿润度
这项测试的目的是检查打印的管体在被引入水中很长一段时间后，其承受压力的能力是否有显着变化。
将3根不同大小AgilusTM30管体浸泡在水中48小时，后使管体干燥。浸泡在水中使材料的颜色变为几乎不透明的白色。检查每套管体在1巴压力下的持续时间。结果见表5.5。
表5.5
Figure BDA0002428979380001471
结果表明，湿的管体在这方面没有变化。
封装
在本试验中，进行了有关压力保持能力的性能评估。检查三个壁厚度：0.3毫米、0.4毫米和0.5毫米，外径为8毫米。封装的容器试样如图34A和图34B所示。没有封装的试样也被打印作为参考。所有试样均采用液体支撑物印刷。结果表明，壁厚度分别为0.3毫米和0.4毫米的封装管体能承受0.4巴及以下的压力。0.5毫米壁厚度的模型承受0.7巴的压力。参考模型在处理/打印过程中破裂，非常脆弱。
硬化支撑物和液体支撑物
如表5.6所示，支撑配方SUP707(示例性的凝胶或类凝胶支撑配方)(以色列Stratasys有限公司)对管体的耐久性具有负面影响。
表5.6
Figure BDA0002428979380001472
Figure BDA0002428979380001481
在1巴的恒定气压下，对外径为6毫米、壁厚为1毫米的试样进行试验。测试了3种类型的支架：常规SUP706、1毫米SUP706外层和全液体支撑物(一种在暴露于固化条件下提供液体或类液体材料的配方，如实施例2所述)。结果汇总在表5.7中。
表5.7
在1巴下失效时间[分钟]
液体支撐物 3:53
1毫米SUP706层 5:27
SUP 706 6:30
结果表明，虽然液体支撑物对管体的性能有负面影响，但负面影响的程度是中等的，并且用1毫米SUP706涂布的试样显着降低负面影响。
顺应性
在这项研究中，顺应性是根据以下测量方案进行测量的：
1.将管体连接到压力端。在这种情况下，水在37℃下循环(容器未浸入)。
2.施加0.1巴，等待稳定并光学测量管体直径(相机+图像分析)
3.将压力增加到0.15bar，等待稳定并测量管体直径
4.使用这两点来计算顺应性
顺应性系数定义为：C＝[(As-Ad)/Ad]/[(Ps-Pd)/Pd],，其中As和Ad分别是收缩管腔和舒张管腔的横截面积，Ps和Pd分别是收缩压和舒张压。由积层制造制备的三维试样的顺应性系数定义为：C＝[(AM-Am)/Am]/[(PM-Pm)/Pm]，其中AM和Am分别为最小和最大压力下的横截面积，Ps和Pd分别为最小和最大压力。
表5.8提供了壁厚度为1.2毫米的AgilusTM30管体的顺应性试验结果。
Figure BDA0002428979380001491
图35和表5.9总结了壁厚度为1.2毫米的AgilusTM30管体的顺应性试验，作为内径的函数。
表5.9
Figure BDA0002428979380001492
图36和表5.10A-B总结了AgilusTM30管体(内径6毫米)的顺应性试验，作为壁厚度的函数，其中图36和表5.10A对应于PM为0.1巴、PM为0.15巴的试验，表5.10B对应于PM为0巴、PM为0.2巴的试验。
表5.10A
壁厚度(毫米) 順應性
0.8 0.24
1 0.19
1.2 0.12
表5.10B
管體 順應性
Agilus30 0.5毫米 0.73
Agilus30 0.6毫米 0.53
Agilus30 0.7毫米 0.36
Agilus30 0.9毫米 0.22
Agilus30 1毫米 0.2
Tango 1毫米 0.2
破裂时间(TTR)
在这项研究中，通过施加恒定压力并测量管体破裂时间和压降来测量TTR。图37示出了各种打印管体的顺应性和TTR测量的结果。
数字材料
图38和表5.11总结了打印中使用的数字材料对顺应性的影响(另见上表1.1)。
表5.11
Figure BDA0002428979380001501
Figure BDA0002428979380001511
脉动
表5.12总结了脉动对TTR的影响。在表5.12中，WT是壁厚度的缩写。
表5.12
Figure BDA0002428979380001512
与生理数据比较
表5.13汇总了制成的管体和生理数据之间的比较。
表5.13
Figure BDA0002428979380001513
Figure BDA0002428979380001521
实施例6
获取计算器物体数据的示例性过程
本发明人设计了一种用于准备计算器物体数据的技术，所述技术对于制造诸如但不限于壳状的中空物体的物体特别有用。所述过程对于获得与系统10或系统110一起使用的计算器物体数据特别有用。在所述示例中描述的示例性过程对于制造壳状的物体是有用的，所述壳状的物体例如但不限于具有一壳体、一中间壳体和一芯部的管状结构。尤其是壳状的物体，其中芯部和中间壳体两者都是可被去除的。在本发明的一些实施例中，在所述示例中描述的过程被用于由非生物材料制造具有身体结构的特性的物体，所述身体结构例如但不限于包括软组织的结构。在这些实施例中，所述示例中描述的过程可选地并且优选地与下面实例2中描述的过程相结合。
图39A是可根据本发明的一些实施例用于执行上述操作201的示例性过程的流程图。所述过程可以由数据处理器(例如但不限于数据处理器154或24)执行。
所述过程从750开始，继续到751，在所述处，描述一个中空外壳物体的计算机物体数据被接收作为输入至所述过程。下面的实例2中描述了适合于获取这种计算机物体数据的技术。751处的数据可选地并且优选地描述了一中空物体仅包括封装有一个或多个空腔的壳体，所述空腔在下文中称为所述物体的一个或多个腔室。因此，751处的数据不包括与壳体内的芯部或任何中间壳体有关的数据。
这个过程继续到752年，在这个过程中，计算机物体数据描述的是空腔，而不是壳体。所述过程继续到753，在753中，计算机物体数据以缩小形式描述空腔。753处的数据所描述的空腔在其最外表面包含体积的意义上被缩小，所述体积比作为输入接收的空腔的体积减小。换言之，由753处的数据描述的空腔具有小于由输入数据描述的空心物体的内表面积的整体最外表面积。下面描述适于在753执行的技术的代表性示例。
所述过程继续到754，在751处获得的计算机物体数据与在753处获得的计算机物体数据相结合。这种组合提供了组合的计算机物体数据，这些数据描述了以最外层壳体的内表面和芯部的最外层表面之间存在间隙的方式封装了芯部的最外层壳体。
过程在755结束。
使用此过程进行壳状和中空物体的积层制造的优势在于，它为积层系统提供了足够的信息，可用于在壳体的内表面和芯部的最外表面之间的间隙内分配芯部、壳体和中间壳体。
在本发明的一些实施例中，例如但不限于包括一用户界面116。用户界面被用于经由一组操作组件从操作者接收指令，以及用于在上述过程的执行期间显示各种类型的信息和图形描述。数据处理器可选地并且优选地显示进度消息及/或将进度消息发送到日志文件。
图39B是根据本发明的一些实施例可以使用的图形用户界面(GUI)的屏幕截图。在图39B中，GUI示出输入的计算机物体数据是STL文件，并且当对所输入进行切片时，其预期大小为0.29974GB。GUI包括多个控制键。例如，GUI包含一个控制键，所述控制键在激活时会导致数据处理器加载输入的计算机物体数据(在本例中是STL文件)。所述控制键在图39B中被表示为“STL”。GUI还可以包括一个控件，所述控制键在激活时使数据处理器计算并在GUI上显示计算机物体数据的可旋转和可缩放预览。所述控制键在图39B中被表示为“显示”。图39C示出在计算机物体数据中描述中空迷宫结构的情况下激活“显示”控制的结果。
GUI还可以包括一组控制键，这些控制键使数据处理器执行操作752和753。例如，一个控制键可以使数据处理器计算最外层外壳体的切片，而另一个控制键可以使数据处理器生成多个空腔的计算器物体数据。这些控制键在图39B中表示为“切片”和“填充”。
图39D示出了激活“STL”、“切片”和“填充”控制键之后的GUI。在此示例中，描述多个空腔的计算器物体数据包括48248个面。“填充”控制键使数据处理器对切面进行三遍单独的过程，对于X、Y和Z三个维度中的每一个进行一次过程。
切片操作可以通过积层领域中已知的任何技术来进行。通常，对于每个面部，处理器找到面部上的所有唯一点，可选地并且优选地将其舍入为整数，从所有面部收集所有点位置，并且可选地将点位置转换为三维立体栅格表示。适用于本实施例的另一种技术包括使用距离场值，如下面的示例2中进一步详述。
操作752可以通过本领域中已知的收缩三维网格的任何技术。例如，在本发明的一些实施例中，任选地并且优选地使用
Figure BDA0002428979380001541
软件的“填充”功能和所述功能的“孔洞”选项。可以选择使用GUI预览分割的光栅。这可以通过激活“显示”控制键来完成。图39E示出了计算机物体数据中的描述了中空结构在激活“填充”控制键之后激活“显示”控制键的结果，在这种情况下，所述激活可以选择性地并且优选地接收输入参数，例如但不限于要在点云中显示的点的数量。
GUI还可以包括使数据处理器执行操作753的一组控制键。所述组控制键可以由一进入控制键进入(例如，在图39B中由“侵蚀”表示的选项卷标页选择控制键)。图39F示出了在激活图39B中的“侵蚀”选项标签页之后的GUI。在所述示例中，所述组控制键包括三个控制键，这些控制键允许用户选择数据处理器用来执行操作753的参数。可替代地或附加地，这些参数可以具有储存在数据处理可访问的计算器可读介质中的默认值。这些参数包括侵蚀连接性，指示侵蚀操作中要包括的相邻物的数目、侵蚀方法和要用于终端的轴。侵蚀连接性可以是从大约20到大约30个相邻物。侵蚀方法可以选自欧几里德群、城市群、棋盘、准欧几里德群中选择，并且可以从由X、Y和Z组成的组中选择要用于终端的轴。在图39F中，不应被视为限制的是所选侵蚀连接性是相邻物，所选侵蚀方法是欧几里德法，所选轴是Y。
进入控制键中的控制键组还可以包含一个控制键，所述控制键使数据处理器在三维体积光栅表示中查找最内部的点。这种控制在图39F中表示为“侵蚀”。通常，约15兆立体像素的三维体积栅格表示会产生约2,000个侵蚀点。所述操作可以通过本领域已知的任何技术来完成，例如但不限于
Figure BDA0002428979380001551
软件的“最终侵蚀”功能。进入控制键下的控制键组还可以包括一个控制键，当激活所述控制键时，所述控制键使数据处理器显示侵蚀点。所述控制键在图39F中表示为“显示”。图39G示出在计算机物体数据描述中空迷宫的情况下，在“侵蚀”中的“侵蚀”控制键被激活之后，在“侵蚀”选项标签页中的“显示”控制被激活的结果。所述激活可以选择性地并且优选地接收输入参数，例如但不限于要在点云中显示的点的数量。
进入控制键中的一组控制键还可以包括一个控制键，所述控制键使数据处理器对侵蚀点进行排序，以便形成线条。所述控制键在图39F中被表示为“排序”。在所述操作中，数据处理器通常生成一个连接列表，将点对连接在一起，其中每个点对中的点是最近的相邻点，并且存在一条连接线，例如穿过点对之间的填充光栅的直线，并同时保证没有一点与另外两个以上的点相连接，从而形成连接线。
进入控制键中的一组控制键还可以包括一个控制键，所述控制键使数据处理器识别哪些连接点是物体的端点。所述控制键在图39F中被表示为“终端”。或者，数据处理器可以自动识别终端，例如，通过它们是终点的并且沿着预定方向被分离。
进入控制键中的一组控制键还可以包括一个控制键，所述控制键使数据处理器连接在排序操作期间获得的行。在图39F中，所述控制键被表示为“连接。当输入计算机物体数据描述迷宫结构时，可选择且优选地执行所述操作以形成相对于输入迷宫结构的缩小的迷宫结构。在本发明的各种示例性实施例中，终端点被排除在所述操作之外。用L表示线的数目，用T表示终端点的数目，在此操作中，数据处理器试图连接2L-T点。通常，每行大约有100个点，所以如果排序操作后总共有N个点，这些点形成大约L＝N/100行和大约T＝N/200个终端点。对于排序后2000点的示例情况，大约有30点需要连接。
根据一些实施例，数据处理器针对这些点中的每个点p，找到属于点p附近的另一条线的另一点q，所述点以与在排序操作之后被连接的相似方式连接。当数据处理器找到两个这样的点p和q时，数据处理器优选找到连接这些点，从而形成连接的迷宫结构。
当一条线仍然与其他线不连接时，数据处理器可选地并且优选地尝试将所述线的任何非终端点连接到属于其他线路的点，并且可选地还尝试最小化连接点之间的距离。
如图39H所示，数据处理器可以选择性地并且优选地生成显示连接到不同但连接的线的点的可旋转显示器，并且还显示终端点。数据处理器还可以生成的一表文件列出排序到线的点，如图39K所示。
GUI还可以包括一组控制键，这些控制键使数据处理器生成与操作754的结果相关的输出。可以通过进入控制控制键来进入所述组，例如图39B中由“输出”表示的选项卷标页控制键。
图39I示出了在激活了图39B中的“输出”选项标签页之后的GUI。在所述示例中，控制键组包括使数据处理器对每条线中的各个点进行插值以形成连续线的控制键。在图39I中，所述控制键被表示为“继续”。插值可以是在点位置上的线性插值，同时四舍五入为整数。例如，当线性插值导致离群线或点时，也可以考虑使用非线性插值。在所述示例中，所述控制键组包括使数据处理器生成具有包含腔室的体积的距离图示的控制键。所述控制键在图39I中表示为“剥离”。所述步骤可选地并且优选地通过并行处理来执行。距离图中的距离是描述腔室的计算器物体数据中的点与其在计算线中的最接近点之间的距离，并且是可选的并且最好是距栅格边缘的距离，所述距离等于描述腔室的计算器物体数据。在所述示例中，所述控制键组还包括控制键组，控制键组包括允许用户选择数据处理器用来执行操作753的几何参数的控制键组。这些参数可以包括，例如液体(第二)材料的最大半径(是上述确定的LMAX参数的一半)和中间层的最小厚度CMIN。所述控制键组可选地且优选地包括使数据处理器按几何参数指定的量来扩展线的一控制键。所述控制键在图39I中被表示为“最终确定”。在本领域已知的任何技术中，例如但不限于Marching Cubes算法等，可以将扩张线转换为网格。生成的网格随后可以输出到计算机可读介质，例如，作为STL文件。
由此产生的组合计算机物体数据可以由任何商业实用程序查看。或者，数据处理器可以使用将其与一些先前计算的数据一起显示。图39J示出了在计算机物体数据描述中空迷宫结构的情况下激活“最终确定”控制键的结果。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但是很显然的，对于本领域技术人员而言，许多替换、修改及变化将是显而易见的。因此，本发明意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。
在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用并入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用并入本文中。此外，所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解，而不应被解释为必要的限制。

Claims (35)

1.一种管状结构，通过多种非生物建构材料配方的积层制造制成，其特征在于：所述管状结构包括：
一细长芯部；
一壳体，所述壳体封装所述芯部，以及
一中间壳体，位于所述芯部和所述壳体之间，
其中所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
2.如权利要求1所述的管状结构，其特征在于：所述中间壳体由一硬化支撑材料制成，并且所述芯部由一液体材料或一类液体的材料制成。
3.如权利要求1所述的管状结构，其特征在于：所述芯部由一硬化支撑材料制成，并且所述中间壳体由一液体材料或一类液体的材料制成。
4.如权利要求2及3任一项所述的管状结构，其特征在于：所述液体或类液体材料具有至少一以下特性：
一粘度不超过10000厘泊；
一剪切损耗模量与一剪切储存模量的比值大于1；
一剪切模量低于20千帕；
当承受小于1巴的一正压时具有流动性；
一剪切稀化行为及/或一触变行为；以及
一热稀化行为。
5.如权利要求1至4任一项所述的管状结构，其特征在于：所述管状结构具有一血管的形状。
6.如权利要求1至5任一项所述的管状结构，其特征在于：所述壳体嵌入在一支撑结构中。
7.如权利要求6所述的管状结构，其特征在于：所述支撑结构是可被去除的。
8.一种通过多种非生物建构材料配方的积层制造制成的物体，所述物体具有一器官的形状，其特征在于：所述物体包括：
至少一具有一血管的形状的结构；以及
至少一具有血管以外的一身体结构的形状的结构，
其中具有所述血管的形状的所述结构是根据权利要求1至4中任一项所述的管状结构。
9.一种通过多种非生物建构材料配方的积层制造制成的物体，所述物体具有一器官的形状，其特征在于：所述物体包括：
一互连网络，由多个细长结构组成，所述多个细长结构中的每一个结构都具有一血管的形状，并且是根据权利要求1至4中任一项所述。
10.如权利要求1至9任一项所述的管状结构或物体，其特征在于：所述管状结构或物体还包括嵌入在所述壳体中的多个加强组件。
11.如权利要求10所述的管状结构或物体，其特征在于：所述多个加强组件被定向成影响所述壳体的多个非等向性机械性能。
12.如权利要求10及11任一项所述的管状结构或物体，其特征在于：所述多个加强组件包括至少一个细长加强组件，所述至少一个细长加强组件平行于所述壳体的一纵轴嵌入所述壳体中。
13.如权利要求10至12任一项所述的管状结构或物体，其特征在于：所述多个加强组件包括至少一个环形加强组件，所述至少一个环形加强组件沿定义所述壳体的一方位方向嵌入在所述壳体中。
14.如权利要求1至13任一项所述的管状结构或物体，其特征在于：所述管状结构或物体还包括在一衬里层，所述衬里层至少部分地覆盖所述壳体的一内表面，所述衬里层设置在所述中间壳体和所述内表面之间，其中在所述衬里层和所述壳体之间的一接合性比所述中间壳体和所述衬里层之间的一接合性更强。
15.如权利要求14所述的管状结构或物体，其特征在于：所述衬里层比所述壳体硬。
16.如权利要求14至15任一项所述的管状结构或物体，其特征在于：所述衬里层具有一斑块组织的多种机械性能。
17.一种积层制造具有一血管的多个特性的至少一个管状结构的方法，其特征在于：所述方法包括步骤：
接收描述一血管的形状的一图像数据作为输入；
将所述图像数据转换为一计算器物体数据；
接收沿所述血管的多个硬度级别作为输入；
查询存储有一查找表的一计算器可读介质，所述查找表具有多个条目，每个条目对应于多个硬度级别的一不同范围，并且与选自由一建构材料配方、多个建构材料配方的一组合和一壁厚所组成的群组中的至少一个积层制造参数相关联；
基于输入的所述多个硬度级别，从所述查找表中提取多个积层制造参数；以及
根据所述提取的多个积层制造参数来操作一积层制造系统，以形成与所述血管的形状相对应的一配置图案的多个层。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：操作所述操作制造系统的步骤包括：形成一细长的芯部、一壳体及一中间壳体，所述壳体封装所述芯部并具有所述血管的形状；以及所述中间壳体位于所述芯部和所述壳体之间，其中所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
19.一种积层制造具有一血管的多个特性的至少一个管状结构的方法，所述血管由一计算器物体数据描述，其特征在于：所述方法包括：
分配多个不同的建构材料配方，形成一配置图案的多个层，以形成一细长的芯部、一壳体及一中间壳体，所述壳体封装所述芯部并具有所述血管的形状；以及所述中间壳体位于所述芯部和所述壳体之间，其中所述芯部、所述壳体和所述中间壳体中的每一个均由不同材料制成或由多种材料的不同组合制成，并且所述芯部和所述中间壳体两者都是可被去除的。
20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述分配之后，将所述多个层暴露于一固化条件，从而至少获得形成所述壳体的一硬化材料。
21.如权利要求18至20任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：去除所述芯部和所述中间壳体。
22.如权利要求18至21任一项所述的方法，其特征在于：所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在暴露于一固化条件后提供一液体材料或类液体的材料，所述液体材料或类液体材料具有至少一以下特性：
一粘度不超过10000厘泊；
一剪切损耗模量与一剪切储存模量的比值大于1；
一剪切模量低于20千帕；
当承受小于1巴的一正压时具有流动性；
一剪切稀化行为及/或一触变行为；以及
一热稀化行为。
23.如权利要求18至22任一项所述的方法，其特征在于：所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配包含一不可固化材料的一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方提供一液体材料或一类液体材料。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：所述不可固化材料包括分子量小于2000克/摩尔的聚(亚烷基二醇)。
25.如权利要求23及24任一项所述的方法，其特征在于：包括所述不可固化材料的所述建构材料配方还包括一可固化材料。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述可固化材料包括一单官能可固化材料。
27.如权利要求25及26任一项所述的方法，其特征在于：所述可固化材料是亲水性的。
28.如权利要求25至27任一项所述的方法，其特征在于：所述可固化材料在硬化时提供一剪切稀化材料及/或一触变材料。
29.如权利要求25至28任一项所述的方法，其特征在于：所述可固化材料在硬化时提供一热稀化材料。
30.如权利要求25至29任一项所述的方法，其特征在于：所述可固化材料在硬化时提供一水溶性材料或一水不混溶性材料。
31.如权利要求25至30任一项所述的方法，其特征在于：所述可固化材料在所述建构材料配方中的一含量为10％至25％。
32.如权利要求18至31任一项所述的方法，其特征在于：所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在硬化时或暴露于一固化条件时提供一水溶性材料或一水混溶性材料。
33.如权利要求18至32任一项所述的方法，其特征在于：所述芯部和所述中间壳体的其中一个是通过分配一建构材料配方而形成的，所述建构材料配方在硬化时或暴露于一固化条件时提供选自一剪切稀化材料、一触变材料或一热稀化材料中的一种材料。
34.如权利要求18至33任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：去除所述芯部和所述中间壳体。
35.如权利要求17至33任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：生成描述所述血管中的多个腔室的一计算机物体数据，生成以一缩小形式描述所述多个腔室的一计算机物体数据，并组合描述所述血管的所述计算机物体输入数据与以所述缩小形式描述所述多个腔室的所述计算机物体数据，以提供描述所述血管和一芯部的一组合的计算器物体数据，所述芯部被一中空结构以在所述血管的一内表面和所述芯部的一最外表面之间存在一间隙的方式加以封装。
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