CN112334297A - 用于使物体自修复的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使物体自修复的方法，其中，所述物体(O)包括呈连续固体形式的材料的基体，在基体中分散有光学共振颗粒，并且基体通过如下方式制成：通过从光学共振颗粒传递的热将呈非连续固体形式的材料的颗粒和/或粒料融合在一起，所述热是在通过光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的热。所述方法包括将物体(O)的受损区域(D)暴露于修复用电磁辐射(R)，修复用电磁辐射被分散在物体中的光学共振颗粒吸收，以进行光学共振从而产生热来将基体的与光学共振颗粒进行热接触的部分融合在一起。系统适于实施本发明的方法。

Description

用于使物体自修复的方法和系统
技术领域
在第一方面，本发明涉及一种通过以下方式使物体自修复的方法：通过散布在物体内并且已经用于制造物体的光学共振颗粒所产生的热而将受损区域的部分融合在一起。
本发明的第二方面涉及一种适于实现第一方面的方法的系统。
本发明尤其适用于使用逐层沉积工艺通过增材制造而制造的3D(三维)物体的自修复。
背景技术
关于用于对物体进行自修复的方法，在本领域中已知不同的提议。这些提议中的一些提议是基于聚合物基体内掺入有不同种类的颗粒，聚合物基体和不同种类的颗粒将固化以形成物体。
在Rule,J.D.,Brown,E.N.,Sottos,N.R.,White,S.R.,&Moore,J.S.(2005)中公开了这些提议之一：“Wax-protected catalyst microspheres for efficient self-healing materials”。Advanced Materials,17(2),205-208，其描述了分散在聚合物基体中的微囊化的愈合剂和催化剂的掺入的方法，从而通过裂缝内的聚合反应产生自愈作用。这种微囊愈合方法可以及时修复材料的受损位置，但是由于微囊的局部消耗，回收时间受到限制。此外，催化剂是昂贵的，并且基体中的催化剂的愈合效率和稳定性是有问题的。
J.Mater.Chem.在“Highly efficient thermogenesis from Fe3O4nanoparticles for thermoplastic material repair both in air and underwater”中公开了另一上述提议。A,2017,5,1221以及在专利文件CN105385144A中，均描述了通过将聚合物与Fe3O4颗粒的混合物倒入模具中并在模具中固化来制造物体，从而在损坏如此制造的物体时，可以由于Fe3O4颗粒的吸光性，通过照亮损坏的区域进行固定，从而实现了光热效应，光热效应可以对聚合物进行加热，从而通过生热作用使损坏的区域自修复。
所述提议中使用的颗粒即Fe3O4颗粒的光热效率明显提高。而且，这些颗粒不是用作制造过程中的热源的颗粒，而是专门为自修复过程添加的。
另一方面，尽管在本领域中已知在制造过程中使用光学共振颗粒作为热源以将聚合物材料的一部分融合在一起以形成物体，但是将这些光学共振颗粒再用于使如此制造的物体进行自修复是未知的。
因此，有必要通过提供一种不具有与现有建议相关的上述缺点的、用于物体的自修复的方法和系统，来提供覆盖物体中发现的间隙的现有技术的替代方案。
发明内容
为此，在第一方面，本发明涉及一种用于使物体自修复的方法，其中，所述物体包括呈连续固体形式的材料的基体，在所述基体内分散有光学共振颗粒，并且其中，所述基体是通过如下方式制成的：通过从所述光学共振颗粒传递的热而将呈非连续固体形式(例如呈粉末或颗粒形式)的所述材料的颗粒和/或粒料至少部分地融合(通常，通过烧结和/或熔融)在一起，所述热是在通过使所述光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的热。
该方法包括将所述物体的受损区域暴露于修复用电磁辐射，该修复用电磁辐射被分散在物体中的所述光学共振颗粒中的至少一些光学共振颗粒吸收，以使所述光学共振颗粒进行光学共振从而产生热来将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合(通常，通过烧结和/或熔融)在一起。
因此，可以将已经用于物体制造过程的光学共振颗粒作为热源进行再利用，而无需将特定于和专用于自修复过程的颗粒嵌入到基体中。
在本文件中已经使用术语“自修复”来指主要由于损坏的物体的性质或特性而产生的修复过程，在这种情况下，借助于上述暴露于修复用电磁辐射来进行修复过程。
通常，至少部分地融合的材料被冷却以固化，以用于制造物体以及根据本发明的第一方面的方法来用于修复受损区域。这种冷却可以通过例如使用某种制冷装置主动降低物体或受损区域的温度来实施，或者仅通过使物体例如在环境温度下静置冷却一段时间来实施。
优选地，与光学共振颗粒相比，基体材料被制成为吸收修复用电磁辐射的效率降低50％。
根据实施方式，以上标识为构建用电磁辐射和修复用电磁辐射的辐射是等同的或不同的辐射，但是在任何情况下，构建用电磁辐射和修复用电磁辐射中的每者都具有至少部分地与光学共振颗粒的吸收波长交叠的波长范围。
对于一实施方式，所述波长包括特定波长和/或至少包括在其吸收共振光谱中的波长，在该特定波长处，光学共振颗粒具有共振峰，无论共振峰是否是最强的共振峰。
在本发明中，对于一些实施方式，构建用电磁辐射和修复用电磁辐射可以是微波，可见光和以下光的宽带或窄带源的形式：紫外线(UV)光、NIR(近红外)或中红外或远红外电磁波，或其组合的形式。
用于此类辐射的源的非限制性列表可以是：激光器、LED、任何类型的照明灯、例如卤素灯和IR灯、加热棒、闪光灯、激光器(具有单个波长或具有多个波长)、紫外线(UV)、可见光或红外电磁辐射的其他宽带或窄带源。源的波长可以被调谐以匹配光学共振颗粒的共振。
在一实施方式中，构建用电磁辐射和/或修复用电磁辐射由发射辐射的灯产生，该灯根据其光谱特性可以被排他地视为构建用电磁辐射或修复用电磁辐射。在另一实施方式中，构建用电磁辐射和/或修复用电磁辐射可以由辐射源产生，该辐射源发射辐射，对于该辐射，仅辐射的一部分可以被认为是构建用电磁辐射和/或修复用电磁辐射。
由于构建用电磁辐射和修复用电磁辐射主要被所述光学共振颗粒吸收并导致使所述光学共振颗粒发热，因此所述电磁辐射优选与光学共振颗粒的共振部分地共振，最优选是完全地共振。这种共振可以是以下共振类型中的任何一种或以下共振类型的组合：米氏共振或/和等离子体激元共振、回音壁模式共振、电荷载流子共振的电子跃迁。在前述中，“部分地共振”是指其中构建用电磁辐射和修复用电磁辐射包含一些波长的光子的情况，所述光子的波长与光学共振颗粒表现出上述共振的任何一种的波长一致。另外，在前述中，“完全地共振”是指构建用电磁辐射和修复用电磁辐射仅包含波长与光学共振颗粒表现出前述类型的共振中的任何一种共振的波长一致的光子的情况。
理想地，构建用电磁辐射和修复用电磁辐射可以具有覆盖黑体辐射的整个光谱的波长范围，包括从100nm到3000nm，优选从250nm到2000nm，并且更优选从400nm到2000nm的波长范围，因为这种波长的辐射通常不会被用于制造物体基体的材料强烈地吸收。可以对光学共振颗粒进行调谐，以使光学共振颗粒的最强的共振峰和/或如果非共振或多重共振时，光学共振颗粒输出或吸收波谱的最大部分在所述波长范围内。
构建用电磁辐射和修复用电磁辐射中的每者都可以是多个波长的辐射，其中至少一些波长被光学共振颗粒吸收。
对于一实施方式，制造光学共振颗粒并将光学共振颗粒布置在所述基体内，以保持光学共振颗粒的光学共振性质，以产生足够的热，从而多次地将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的那些部分至少部分地融合在一起。
对于一实施方式，上述基体的材料是热塑性材料，而对于另一实施方式，所述材料是弹性体材料，无论材料是否是热塑性的。
有利地，所述弹性体材料具有弹性和热机械性质，从而能够在机械性质和/或空间连续性方面基本上恢复其原始一致性。
在一实施方式中，基体材料可以由直径为0.001μm-1000μm、优选直径为0.1μm-100μm、以及最优选直径为1μm-100μm的颗粒构成。
在另一实施方式中，基体材料由以下类型的材料中的任何一种或任意组合组成：苯乙烯嵌段共聚物、TPS(TPE-s)、热塑性聚烯烃弹性体、TPO(TPE-o)、热塑性硫化橡胶、TPV(TPE-v或TPV)、热塑性聚氨酯、TPU(TPU)、热塑性共聚酯、TPC(TPE-E)、热塑性聚酰胺、TPA(TPE-A)。
对于本发明的第一方面的方法的优选实施方式，在物体中，在执行上述自修复之前和之后，将光学共振颗粒以基本上非团聚和基本上非自烧结的形式分散在呈连续固体形式的包括自修复的受损区域的材料中，因此光学共振颗粒的加热性能和光学性能不会被不利地影响，并且光学共振颗粒可以多次被使用以用于自修复的目的。
在本文件中，术语“基本上非团聚”和“基本上非自烧结”用来限定没有出现“大量的团聚”和“大量的自烧结”，即没有以下情况：分散存在于粉末材料中的足够大比例的光学共振颗粒已经团聚并自烧结，从而其引起明显的波谱变化，这将不利于光学共振颗粒的加热性质和/或光学性质。
因此，可以使用光学共振颗粒的吸收波谱来限定所述基本上团聚和基本上自烧结，无论它们是在溶液中、在平面表面上还是在制造物体中，其中光学共振颗粒可以被用于使呈非连续固体形式的材料的颗粒和/或粒料或基体的部分的融合在一起，或者光学共振颗粒可以不被用于使呈非连续固体形式的材料的颗粒和/或粒料或基体的部分的融合在一起。
因此，基本上非团聚和基本上非自烧结的形式是指没有大量的团聚和大量的自烧结，大量的团聚和大量的自烧结是指导致光学共振颗粒的吸收波谱呈以下形式的变化的团聚和自烧结：一个或更多个光学共振峰的至少一个偏移大于或等于半峰全宽(FWHM)的五倍和/或一个或更多个光学共振峰的至少增宽大于或等于FWHM的五倍。在此，初始FWHM在分散在粉末材料中之前，例如在适当分散的溶液中涂覆在合适的抗团聚涂层中之前的光学共振颗粒的测量来限定。
对于与给定粉末材料中的光学共振颗粒的一给定形状和材料相关的实施方式，所述基本上非团聚和基本上非自烧结的形式是指没有大量的团聚和大量的自烧结，大量的团聚和大量的自烧结是指导致光学共振颗粒的吸收波谱呈以下形式的变化的团聚和自烧结：一个或更多个光学共振峰的至少一个偏移大于或等于半峰全宽(FWHM)的三倍和/或一个或更多个光学共振峰的至少增宽大于或等于FWHM的三倍。
对于与给定粉末材料中的光学共振颗粒的另一给定形状和材料相关的另一实施方式，所述基本上非团聚和基本上非自烧结的形式是指没有大量的团聚和大量的自烧结，大量的团聚和大量的自烧结是指导致光学共振颗粒的吸收波谱呈以下形式的变化的团聚和自烧结：一个或更多个光学共振峰的至少一个偏移大于或等于半峰全宽(FWHM)的两倍和/或一个或更多个光学共振峰的至少增宽大于或等于FWHM的两倍。
对于与给定粉末材料中的光学共振颗粒的其他给定形状和材料相关的另一实施方式，所述基本上非团聚和基本上非自烧结的形式是指没有大量的团聚和大量的自烧结，大量的团聚和大量的自烧结是指导致光学共振颗粒的吸收波谱呈以下形式的变化的团聚和自烧结：一个或更多个光学共振峰的至少一个偏移大于或等于半峰全宽(FWHM)的1.5倍和/或一个或更多个光学共振峰的至少增宽大于或等于FWHM的两倍。
关于光学共振颗粒，根据实施方式，光学共振颗粒包括通过以下机理的非限制性示例中的至少一种产生光共振的一种或更多种不同类型的颗粒：通过电子跃迁效应、等离子体激元效应、米氏效应和/或回音壁模式效果，或其组合。
关于光学共振颗粒的尺寸，光学共振颗粒具有1nm至500μm的平均横截面长度(例如，通过电子显微镜和/或光学显微镜确定)，优选1nm至5μm的平均横截面长度，根据实施方式，来适于所要求的应用，并且还提供光学共振颗粒的光学特性的期望的调谐。
根据实施方式，光学共振颗粒是金属纳米颗粒、有机纳米颗粒或无机纳米颗粒，和/或各种形状的粒料，例如球形颗粒、或棒状颗粒、或管状颗粒、或星形颗粒、或空心颗粒、或片晶或薄片或其他较复杂的形状。在一实施方式中，光学共振颗粒为准球形形状，并且直径为0.3nm-10000nm、更优选为1nm-1000nm、最优选为5nm-500nm。在另一实施方式中，光学共振颗粒是以下材料中的任一种或以下材料的组合的颗粒：Au(金)、Ag(银)、Al(铝)、Bi(铋)、Sn(锡)、Cu(铜)、CuO(氧化铜)、WO3、Sn:InO、Al:ZnO、Bi、或以上材料的任何混合物。
根据一实施方式，光学共振颗粒涂覆有抗团聚涂层，该抗团聚涂层构造成在避免光学共振颗粒的上述大量的团聚和大量的自烧结方面协作。
对于一些实施方式，所述抗团聚涂层被制成为使热形状稳定性最大化和/或使热化学稳定性最大化，其中，通常，所述抗团聚涂层是附接到光学共振颗粒的表面的无机层和/或有机层。
根据一些实施方式，除光学共振颗粒外，所述物体在上述基体内还包含具有多种功能的附加材料，所述多种功能可以与所述物体在暴露于修复用电磁辐射的情况下被修复/治愈的能力有关或无关。例如，在一实施方式中，所述附加材料是用于对所述物体进行着色的一种或更多种彩色颜料。在另一实施方式中，附加材料是良好的热导体，并且其目的是增强热从光学共振颗粒到基体材料的传递。这种附加材料的非限制性实例是石墨烯薄片。在另一实施方式中，附加材料是化学物质，所述化学物质充当用于基体材料合成的热活化的前体。在后一种情况下，当通过修复用电磁辐射来辐照光学共振颗粒并对光学共振颗粒进行加热时，光学共振颗粒的一部分热被传递至所述附加材料，所述附加材料在加热时发生反应以生成附加基体材料，该附加基体材料与预先存在的基体材料融合在一起以更好地修复受损区域，例如通过用所产生的附加基体材料更好地填充孔，而使物体不经历收缩或形态的变化。
对于一实施方式，上述受损区域包括以下损坏或缺陷中的至少一者：切口、裂缝、孔、粗糙表面或物体的形态的变化。受损区域还包括物体的围绕所述损坏部(一个或更多个损坏部)或缺陷部(一个或更多个缺陷部)的区域。基体材料自修复受损区域所遵循的动力学取决于与受损区域相关的损坏/缺陷的类型。例如，对于孔，基体材料熔融(至少部分地)、流动并填充该孔，使得固化后，该孔被覆盖，而对于粗糙表面，基体材料熔融(至少部分地)并在该表面上重新分布，从而使该表面光滑。
该方法包括使所述物体的受损区域暴露于修复用电磁辐射，该修复用电磁辐射被分散在物体中的所述光学共振颗粒中的一些光学共振颗粒吸收，以进行光学共振从而产生热来将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合(通常，通过烧结和/或熔融)在一起。
尽管对于某些实施方式，损坏或缺陷不会将物体分成不同的部分，但是对于一些实施方式损坏或缺陷将物体分成不同的部分，使得受损区域包括物体的由于损坏或缺陷而物理分离的部分。
为了该实施方式的实施，本发明的第一方面的方法包括在所述物理分离的部分暴露于修复用电磁辐射之前和/或暴露于修复用电磁辐射期间使所述物理分离的部分进行物理接触。
本发明的第一方面的方法对于修复任何类型的损坏或缺陷是有效的，无论该损坏或缺陷是位于物体的表面还是位于物体的内部位置。
对于上述情况，即对于位于物体的内部位置中的受损区域，该方法包括在修复用电磁辐射的作用下渗透到物体中直到所述内部位置，使得受损区域被暴露于修复用电磁辐射，并且位于其中的光学共振颗粒被激发以进行光学共振。
对于放置在水中的物体或物体的至少受损区域，本发明的第一方面的方法包括为修复用电磁辐射选择波长或波长组，其中，受损区域暴露于修复用电磁辐射，所述波长或波长组落入水的光学透明波长窗中的一个光学透明波长窗中。
当必须通过修复用电磁辐射来穿过一种或更多种不同的介质而不是水以到达受损区域时，则选择适合该目的的用于修复用电磁辐射的波长或波长组。
还针对特定应用选择修复用电磁辐射的其他属性(例如强度)，以使受损区域暴露于修复用电磁辐射。
对于一实施方式，本发明的第一方面的方法还包括预加热步骤，以用于将至少受损区域预加热到尚未引起融合(烧结和/或熔融)的预加热温度，然后将受损区域(一个或更多个)暴露在修复用电磁辐射中。
尽管对于一实施方式，物体仅包括一层，但对于优选实施方式，要自修复的物体是3D物体。
根据所述优选实施方式的优选实现方式，通过以下方式使用逐层沉积工艺来制造3D物体：在包括具有分散有光学共振颗粒的上述基体的已经形成的层上施加至少另一层材料，至少另一层材料呈非连续固体形式、具有已经分散在另一层材料处的光学共振颗粒或者具有随后设置在另一层材料上并且分散在另一层材料内的光学共振颗粒(例如，通过液滴沉积而在呈非连续固体形式的所述另一层材料的至少一区域上沉积包括光学共振颗粒的组合物)，以及使设置在另一层上的光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射，以使光学共振颗粒发生光学共振，以产生热，从而将另一层的呈非连续固体形式的材料的与所述光学共振颗粒进行热接触的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起。
在一实施方式中，所述层中的每个层的厚度优选为0.001μm-10000μm、更优选为0.01μm-1000μm、最优选为10μm-1000μm。
在第二方面，本发明还涉及一种用于使物体自修复的系统，其中，所述物体包括在其中分散有光学共振颗粒的呈连续固体形式的材料的基体，其中，所述基体通过以下方式制成：通过从所述光学共振颗粒传递的热将呈非连续固体形式(例如呈粉末或颗粒形式)的所述材料的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起，所述热是在通过使所述光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的热。
本发明的第二方面的系统包括可控电磁辐射源，可控电磁辐射源被配置和布置成使所述物体的受损区域暴露于修复用电磁辐射，所述修复用电磁辐射被分散在受损区域中的一些所述光学共振颗粒吸收，光学共振颗粒进行光学共振以产生热从而将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合在一起。
本发明第二方面的系统适于实现第一方面的方法。
上面列出的辐射源中的任何一者都可以用于实现本发明第二方面的系统的可控电磁辐射源。
对于一实施方式，本发明第二方面的系统还包括：
-监测装置，所述监测装置被配置和布置为至少在物体暴露于修复用电磁辐射期间监测物体的至少受损区域的一个或更多个参数，并产生对应的监测信号；以及
-控制器，所述控制器操作性地连接到监测装置以接收所述监测信号，并且所述控制器操作性地连接到可控电磁辐射源，所述控制器被制成为基于接收到的监测信号来控制可控电磁辐射源的操作(并且优选地还控制功率)。
控制器还被配置为：当没有接收到监测信号时，即独立于监测信号，例如在修复过程开始时，控制可控电磁辐射源的操作(并且优选地还控制功率)。
对于一些实施方式，在本发明的第二方面的系统中包括附加部件，例如在物体暴露于修复用电磁辐射之前和/或在物体暴露于修复用电磁辐射期间和/或在物体暴露于修复用电磁辐射之后控制物体的位置和机械状态的部件，或在物体暴露于修复用电磁辐射之前或/和在物体暴露于修复用电磁辐射期间或/和在物体暴露于修复用电磁辐射之后控制环境条件的其他附加部件，或在物体暴露于修复用电磁辐射之前和/或在物体暴露于修复用电磁辐射期间和/或在物体暴露于修复用电磁辐射之后实现上述监测装置，以监测上述参数，尤其是物体的图像和/或结构和/或温度的其他附加部件。
对于一实施方式，本发明的第二方面的系统的实现用于在物体损坏之后诱导并完成该物体的自修复的技术的操作如下：该物体，并且更具体地，包含损坏部(即受损区域)的物体位于可以通过可控电磁辐射源生成的修复用电磁辐射的通道中，而在物体的上述定位过程中，没有或几乎没有修复用电磁辐射对物体进行加热。然后，打开可控电磁辐射源，这意味着可控电磁辐射源被配置为允许修复用电磁辐射从可控电磁辐射源射出并对所述物体进行加热，特别是对受损区域进行加热。结果，受损区域的温度升高，并且进一步导致损坏部得以修复。
这种修复可以通过多种物理效应来实现，这些物理效应可以单独或以它们之间的任意组合形式实现该修复过程，这些效应的非限制性列表包括：基体材料的烧结、基体材料的熔融和空间重组(重新定位)、基体材料的化学结构的变化、根据物体中存在的任何非基体材料的反应而产生新的基体材料。
如先前参考本发明的第一方面的方法所讨论的，通过控制修复用电磁辐射的强度和光谱特性，该修复用电磁辐射最终控制物体的吸收电磁辐射的区域的温度，可以控制任何上述效应的扩展和速度。当修复过程完成时，或在部分完成时(取决于所需结果)，可控电磁辐射源配置为不再具有从可控电磁辐射源射出并且对物体进行加热的修复用电磁辐射。然后，可以选择将物体放置一段时间以冷却下来。
对于一实施方式，本发明第二方面的系统包括光学控制系统，该光学控制系统与可控电磁辐射源和控制器相关联，以形成辐照系统，从而用于控制物体的暴露于修复用电磁辐射的一个区域或部分或者多个区域或部分。
根据实施方式，光学控制系统包括任何单独的光学部件或光学部件的任何组合，例如透镜、反射镜、光学机械部件(例如，扫描仪、破碎机、光学滤光器、壳体等)，如先前关于光学系统的现有技术所公知的那样，所述光学部件被布置为用于以下目的中的至少一者或更多者：a)控制修复用电磁辐射在其撞击物体的区域的强度和/或使修复用电磁辐射在其撞击物体的区域的强度最大化，b)控制所照射的物体的形状和/或大小和/或体积，c)控制和/或改变区域在通过修复用电磁辐射来照射的物体上的位置。
对于一些实施方式，光学控制系统或光学控制系统的任何部分被附接到可控电磁辐射源，或者不被附接到电磁辐射但位于电磁辐射源附近，和/或被布置成靠近物体和/或附接到物体。
在一实施方式中，可控电磁辐射源包括激光器和波导，该激光器发射修复用电磁辐射，该波导附接到用作光学控制系统的源。
在另一实施方式中，可控电磁辐射源包括发射修复辐射的LED阵列，以及附接到该阵列的每个LED的透镜，其中组合的这些透镜用作光学控制系统。
在另一实施方式中，可控电磁辐射源部分地由LED阵列组成，该LED阵列发射修复性的电磁辐射并位于手持式电筒的头部处，其中，LED阵列的顶部是一组透镜，所述一组透镜用作光学控制系统。
如上所述，本发明第二方面的系统可以最佳地包含附加部件。例如，附加部件可以是提供和控制驱动可控电磁辐射源的电力的附加部件，例如连接到电网的电力供给单元或便携式电力供给单元，例如包含电池的便携式电力供给单元。此类部件可以可选地包含附加子部件，例如电气开关、电子元件和/或电流和/或电压调节器。
如所提及的，另一可选的附加部件或部件组可以是在物体暴露于修复用电磁辐射之前和/或在物体暴露于修复用电磁辐射期间和/或在物体暴露于修复用电磁辐射之后控制物体的位置和机械状态的部件。例如，如果物体包含切口、裂缝或孔或任何其他类型的缺陷，而这些缺陷最终导致围绕该缺陷的物体的某些部分发生了物理分离，则可能有必要将这些部分通过修复用电磁辐射在其照射之前和/或照射期间从外部强迫它们之间进行物理接触，这将导致它们永久地粘附和/或烧结在一起。在最简单的情况下，可以用人的手使这些部分在这些部分之间进行物理接触。在其他情况下，对于某些实施方式，可以使用包括在本发明的第二方面的系统中的任何类型的工具和人造设备使这些部分进行物理接触，任何类型的工具和人造设备的非限制性列表是：涂覆器、粘贴物、夹子、机械臂、机器人臂。所有这些工具必须满足的条件是，在用修复用电磁辐射对所有这些工具进行照射期间将所有这些工具应用到物体上时，所有这些工具必须允许所有或部分辐射到达物体的包含损坏部即受损区域(一个或更多个)的部分。
如所提及的，另一可选的附加部件或部件组可以是在将物体暴露于修复用电磁辐射之前或/和在将物体暴露于修复用电磁辐射期间或/和在将物体暴露于修复用电磁辐射之后控制环境条件的部件。这样的部件可以具有以下功能中的任何一者或组合：在修复过程中将物体与用户的环境隔离开；如果此类辐射很危险，则保护用户免受暴露于修复用电磁辐射中；控制环境条件，例如修复过程中物体所处环境、温度、压力。在一实施方式中，这样的可选部件可以由如下任何种类的一组加热器组成：该组加热器在物体暴露于修复用电磁辐射之前或/和在物体暴露于修复用电磁辐射期间和/或在物体暴露于修复用电磁辐射之后控制物体的基线温度，因为基线温度可能进一步影响修复过程的速度和有效性。可以利用所述加热器至少在受损区域处对物体进行预加热，直至达到尚未引起烧结/熔融的预加热温度。
如上所述，对于某些实施方式，本发明第二方面的系统包括由附加部件或部件组实现的监测装置，以用于在物体暴露于固化用电磁辐射之前和/或在物体暴露于固化用电磁辐射期间和/或在物体暴露于固化用电磁辐射之后监测物体的图像和/或结构和/或温度。此类部件或部件组可以执行修复过程可能需要或不需要的几个目的，此类目的的非限制性列表如下：监测物体的部件是否在紧邻缺陷部/损坏部处进行物理接触；以监测修复过程并在修复过程完成时发出信号；监测物体的温度，尤其是物体的被修复用电磁辐射照射的部分的温度，并向控制器提供反馈，以控制通过可控电磁辐射源发出的修复用电磁辐射的强度；在修复过程中对物体的形态何时发生任何不希望的副作用进行监测并发出信号。
在一实施方式中，监测装置包括照相相机和/或摄像机。在另一实施方式中，监测装置包括热像仪和/或一个或更多个温度传感器。
在另一个实施方式中，为了执行本发明的第一方面的方法的上述实施方式，对于该方法，将物体或物体的至少受损区域放置在水中，可控电磁辐射源被配置为部分或全部发射落在水的光学透明窗中的一个光学透明窗内的一个或一组波长的修复用电磁辐射。
为了实现所述实施方式，本发明第二方面的系统包括至少容纳有可控电磁辐射源的水密封壳体。
本发明的另一方面涉及一种方法和系统，该方法和系统除了由本发明的第一方面和第二方面的方法和系统所限定的特征之外，还包括用于制造如上所述的将进行自修复的物体的步骤或装置。
关于其中公开的用于生产3D物体的不同方面和实施方式，通过引用将国际申请PCT/EP2018/059185的内容并入本文，其中所述3D物体是通过本发明如上所述通过重复使用已经用于制造过程的光学共振颗粒而将自修复的物体。所述国际申请中公开的限定也通过引用并入本文。
本发明的其他方面涉及的方法和系统与第一方面和第二方面的方法和系统的不同之处在于，代替光学共振颗粒，包括使用不一定共振的另一种光热吸收剂，但是其用于制造物体，也可用于自修复过程，即用于修复物体的受损区域(一个或更多个)。
附图说明
在下文中，将参照附图描述本发明的一些优选实施方式。仅出于说明目的提供本发明的这些优选实施方式，但这些优选实施方式不限制本发明的范围。
图1是对于一实施方式的本发明第二方面的系统的示意图。
图2示出了通过本发明的第一方面的方法修复的物体，对于一实施方式，该物体具有三个受损区域，分别标记为“损坏部1”、“损坏部2”和“损坏部3”。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了本发明第二方面的系统，并且如上所述，本发明第二方面的系统被应用于物体O的自修复，该物体O包括在其中分散有光学共振颗粒的呈连续固体形式的材料基体，其中该基体是通过如下方式制成的：通过从所述光学共振颗粒传递的热将呈非连续固体形式的所述材料的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起，所述热是在通过使光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的热。
本发明第二方面的系统包括可控电磁辐射源S，该电磁辐射源S被配置和布置成使物体O的受损区域D暴露于修复用电磁辐射R，该修复用电磁辐射R被分散在受损区域D中的一些光学共振颗粒吸收，以使光学共振颗粒进行光学共振，以产生热从而将基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合在一起。
对于所示的实施方式，该系统还包括：
-监测装置M，所述监测装置M被配置和布置成：至少在物体O的受损区域D暴露于所述修复用电磁辐射R期间，对所述物体O的至少受损区域D的一个或更多个参数进行监测，并产生对应的监测信号；以及
-控制器C，该控制器C操作性地连接至监测装置M以接收所述监测信号并且操作性地连接至可控电磁辐射源S，所述控制器C被制成为基于接收到的监测信号来控制可控电磁辐射源S的操作。
在下文中，对于一些工作实施方式，描述了由本发明人执行的一些实验，以支持本发明不同方面的优点和效率。
合成了呈现出等离子体激元共振峰的金纳米棒，该金纳米棒的半峰全宽约为100nm并且中心位于约850nm处，并将该金纳米棒分散在浓度为0.2mg/ml的乙醇中。然后将1L的这种溶液与1kg从
Figure BDA0002831252800000161
GmbH购买的TPU(热塑性聚氨酯)粉末(产品名称：ADSint TPU80)混合。将混合物干燥24小时。当描述本发明的方法和系统时，得到的混合材料中金纳米棒是光学共振颗粒，而TPU粉末是基体材料。
然后，将混合后的材料转移到配备有用作本发明的修复用电磁辐射(808nm)的源的1W 850nm激光器的SLS型3D打印机。然后，通过3D打印制造物体，该物体的形状如图2所示，并具有图中所示的尺寸。应当指出，该物体看起来是高度挠性的并且表现出良好的弹性。对于打印过程，使用以下参数：0.015毫米的层厚度，基线温度80摄氏度，激光写入速度为50毫米/秒。
在制造/打印并清洁了物体之后，如图2所示，通过在物体的三个区域进行切割而将物体损坏。
为了修复“损坏部1”，将物体定位在第二808nm激光源的前面，该激光源用作本发明的第一方面和第二方面的可控电磁辐射源。对于一实施方式，具有波导的光纤附接到激光器，波导位于光纤的梢部处，该激光器用作本发明的第二方面的光学控制系统的示例，并且对于一实施方式，激光器与光学控制系统的组合形成本发明第二方面的系统的辐照系统。
物体被特别地定位成能够使离开波导的激光束直接照射包含“损坏部1”的物体的区域。另外，用手将物体定位成使该物体的围绕“损坏部1”(参见图2)的部分彼此直接接触。为了确保这些部分保持良好的物理接触，将两块重质的金属放置在物体的两个相反侧部上，以防止该物体移动，这些金属块用作本发明第二方面的系统的辐照系统的可选子系统的示例。带有激光器的物体和其余的辐照系统被封闭在黑室中，以防止用户暴露于激光束。该塑料室是本发明第二方面的系统的辐照系统的可选子系统的另一示例。
在黑室内，还有摄像机和热像仪，以用于监测物体的结构、位置、形态和温度，这些相机充当本发明第二方面的可选子部件的示例。激光器由控制动力单元驱动，该控制动力单元也作为可选子部件的示例。对于一实施方式，控制单元和相机由个人计算机控制，该个人计算机也构成本发明第二方面的系统的监测装置的一部分。
在物体被定位的情况下，打开激光器，将激光器的强度调整到大约3W/cm2，以将物体的被照亮的区域加热到大约130℃-150℃，该温度由热像仪监测。激光器保持开启状态约60s，然后关闭激光器并使物体冷却60s。然后，移除该物体，并且该物体看上去已修复，这意味着以前包含“损坏部1”的区域周围的部分已经相互烧结，并且不再存在“损坏部1”。另外，物体的先前包含“损坏部1”的部分表现出良好的机械强度，这意味着该部分可以维持而不会分解手工施加的机械力。
然后，将物体定位在由多个850nm LED制成的LED阵列的前面，所述LED中的每个LED被封装在其自己的单独塑料透明盖中，这些LED和塑料盖用作可控电磁辐射源和光学控制系统的示例，可控电磁辐射源和光学控制系统结合形成本发明第二方面的辐照系统。更具体地，将物体定位成允许照亮物体的包含“损坏部2”和“损坏部3”的区域。然后将LED阵列打开60s，然后将LED阵列调整到良好工作状态。此过程之后，“损坏部2”和“损坏部3”已修复并消失。
将该物体还定位在由电池供电的手持式电筒的前面。电筒的光由产生850nm波长的光的小的LED阵列产生。电筒在LED阵列的前面装有一组塑料透镜。注意到当物体位于电筒的前面时，物体会发热。因此，电筒还充当本发明第二方面的系统的辐照系统的示例。
本领域技术人员可以在不脱离本发明的如所附权利要求所限定的范围的情况下在所描述的实施方式中进行改变和修改。

Claims (15)

1.一种用于使物体自修复的方法，其中，所述物体(O)包括呈连续固体形式的材料的基体，在所述基体中分散有光学共振颗粒，并且其中，所述基体是通过如下方式制成的：通过从所述光学共振颗粒传递的热而将所述材料的呈非连续固体形式的的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起，所述热是在通过使所述光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的，
并且其中，所述方法包括将所述物体(O)的受损区域(D)暴露于修复用电磁辐射(R)，所述修复用电磁辐射被分散在所述物体中的所述光学共振颗粒中的至少一些光学共振颗粒吸收，以使光学共振颗粒进行光学共振从而产生热来将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学共振颗粒在所述基体内制成为并且布置成保持所述光学共振颗粒的光学共振性质以产生足够多次地将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的那些部分至少部分地融合在一起的热。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述材料是热塑性材料。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述材料是弹性体材料。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述物体(O)中，在执行所述自修复之前以及执行所述自修复之后，所述光学共振颗粒以基本上非团聚和基本上非自烧结的形式分散在呈连续固体形式的包括自修复的所述受损区域(D)的所述材料中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述基本上非团聚和基本上非自烧结的形式是指没有大量的团聚和大量的自烧结，所述大量的团聚和大量的自烧结是指导致所述光学共振颗粒(P)的吸收波谱呈以下形式的变化的团聚和自烧结：一个或更多个光学共振峰的至少一个偏移大于或等于半峰全宽(FWHM)的五倍和/或一个或更多个光学共振峰的至少增宽大于或等于半峰全宽的五倍。
7.根据前述权利要求中的任一项的方法，其中，所述光学共振颗粒涂覆有抗团聚涂层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述抗团聚涂层被制成为使热形状稳定性最大化以及/或者使热化学稳定性最大化。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述受损区域(D)包括以下损坏或缺陷中的至少一者：切口、裂缝、孔、粗糙表面或形态的变化。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述受损区域(D)包括所述物体(O)顶部的已经由于损坏部或缺陷部而物理分离的部分，所述方法包括在所述物理分离的部分暴露于所述修复用电磁辐射(R)之前和/或在所述物理分离的部分暴露于所述修复用电磁辐射(R)期间使所述物理分离的部分进行物理接触。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，对于布置在所述物体(O)的内部位置中的受损区域(D)，所述方法包括利用所述修复用电磁辐射(R)渗透到所述物体中直至所述内部位置，从而使所述受损区域(D)暴露于所述修复用电磁辐射。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，对于布置在水中的物体(O)或者对于物体(O)的放置在水中的至少受损区域(D)，所述方法包括为所述修复用电磁辐射选择波长或波长组，其中，所述受损区域(D)暴露于所述修复用电磁辐射，所述波长或波长组落入水的光学透明波长窗中的一个光学透明波长窗中。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述物体(O)是使用逐层沉积工艺通过以下方式制造的三维物体：在包括分散有光学共振颗粒的所述基体的已经形成的层上施加至少另一层所述材料，其中，另一层所述材料呈非连续固体形式、具有已经分散在另一层所述材料处的光学共振颗粒或者具有随后设置有另一层所述材料上并且分散在另一层所述材料内的光学共振颗粒；以及使设置在所述另一层上的所述光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射，以使所述光学共振颗粒发生光学共振，而产生热，从而将所述另一层的呈非连续固体形式的所述材料的与所述光学共振颗粒进行热接触的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起。
14.一种用于使物体自修复的系统，其中，所述物体(O)包括分散有光学共振颗粒的呈连续固体形式的材料的基体，其中，所述基体通过以下方式制成：通过从所述光学共振颗粒传递的热将呈非连续固体形式的所述材料的颗粒和/或粒料至少部分地融合在一起，所述热是通过在所述光学共振颗粒暴露于构建用电磁辐射而引起光学共振时就已经产生的，
并且其中，所述系统包括可控电磁辐射源(S)，所述可控电磁辐射源被配置和布置成使所述物体(O)的受损区域(D)暴露于修复用电磁辐射(R)，所述修复用电磁辐射被分散在所述受损区域(D)中的所述光学共振颗粒中的一些光学共振颗粒吸收，以使所述光学共振颗粒进行光学共振以产生热，从而将所述基体的与所述光学共振颗粒进行热接触的部分至少部分地融合在一起。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括：
-监测装置(M)，所述监测装置被配置和布置成用于至少在所述物体(O)暴露于所述修复用电磁辐射(R)期间监测所述物体(O)的至少所述受损区域(D)的一个或更多个参数，并产生对应的监测信号；以及
-控制器(C)，所述控制器操作性地连接到所述监测装置(M)以接收所述监测信号，并且所述控制器操作性地连接到所述可控电磁辐射源(S)，所述控制器(C)被形成为基于接收到的所述监测信号来控制所述可控电磁辐射源(S)的操作。
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