CN114364510A - 用于制造三维多孔结构的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于制造三维多孔结构的方法和系统。将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构。此外，通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理(干燥和/或煅烧)，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料、溶剂或有机材料含量。所施加的微波能量基于沉积丝状物的结构上互连的排列来选择，沉积丝状物的结构上互连的排列限定三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

Description

用于制造三维多孔结构的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于制造三维(3D)多孔结构的方法和系统。该方法进一步涉及干燥和/或煅烧单元。此外，本发明涉及一种干燥和/或煅烧3D制造的多孔结构的方法。此外，本发明涉及一种通过基于挤出的增材制造而获得的多孔结构。

背景技术

增材制造目前广泛使用，且存在各种技术。增材制造可帮助逐层构建结构，且所制造的结构可用于各种应用。

基于挤出的增材制造方法已用于制造多孔结构。材料(例如糊状物、聚合物、水凝胶等)通过喷嘴以丝状物的形式挤出。在沉积期间通过使喷嘴相对于打印床相对运动，可获得丝状物的某种排列。在材料挤出期间，丝状物从喷嘴挤出并根据预定图案相对于彼此定位，从而提供所制造的多孔结构的期望性质。铺设图案由打印路径决定且对打印结构的性质具有重大影响。通过这种方式，可获得具有完全互连的孔网络的复杂几何形状和多孔结构，这可能是某些应用所需要的。

通常在打印多孔结构之后执行干燥和/或煅烧过程。通常，干燥和/或煅烧涉及所形成的多孔结构的热处理干燥和/或煅烧。在该干燥和/或煅烧过程中，减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料、溶剂和/或有机材料含量。本领域采用主动式干燥工艺和被动式干燥工艺以及各种煅烧工艺。

包括热处理步骤的干燥和/或煅烧过程可显著影响被干燥的多孔结构的完整性，且这种影响可随着用于实现干燥和/或煅烧的技术或工艺而发生变化。结果，经热处理的干燥的多孔结构可发生变形或甚至损坏。例如，在干燥和/或煅烧过程中，在互连的多孔丝状物结构中可形成裂纹或断裂线。结果，使用传统干燥和/或煅烧过程生产具有高精度和再现性的多孔结构，可能具有挑战性。而且，可能难以预测多孔结构的机械和多孔特性。

RU2676989公开了一种热塑性介电丝状物的复杂几何形状的结构元件的制造方法，以及一种支撑主要物体的结构，热塑性介电丝状物使用该结构元件的FDM。热塑性材料在打印头中加热到半液态，并通过具有小直径孔的喷嘴作为丝状物挤出。在产品的形成完成之后，产品置于微波电磁场中并暴露于从与微波能量的输入相反的一侧供应的超声波振动能量，目的是增加材料的密度。施加到最终形成的产品的微波电磁场的频率基于所形成的3D产品的厚度。此外，还考虑所打印的构建材料的材料密度，以确定微波电磁场的频率(并因此确定所施加的微波能量)。优选地，使用具体功率为17W/cm³至18W/cm³的微波能量。作为这种处理的结果，各颗粒融合成团块，降低孔隙率并增加密度。因此，RU2676989寻求通过在选择性条件下使3D打印的热塑性材料经受加热时使材料的密度最大化，从而使最终产品的强度最大化。

需要改进通过基于挤出的打印过程制造的多孔结构的干燥和/或煅烧过程。此外，希望提高打印用于更广泛应用的多孔结构的适用性和打印质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除上述缺点中的至少一个的方法和系统。

此外或替代地，本发明的目的是改进用于基于挤出的增材制造的多孔结构的干燥和/或煅烧过程。

此外或替代地，本发明的目的是改进通过基于挤出的增材制造过程获得的多孔结构的可打印性和/或打印质量。

此外或替代地，本发明的目的是提高用于制造多孔结构的、基于挤出的增材制造过程的效率。

为此，本发明提供一种制造三维多孔结构的方法，该方法包括：

提供糊状物组合物，糊状物组合物包含至少一种无机材料的颗粒、至少一种聚合物粘合剂和至少一种溶剂，

将糊状物组合物的丝状物以预定的互连排列沉积在多个连续堆叠的层中，以形成在丝状物之间具有互连的孔的三维多孔结构，

随后通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，其中在热处理期间采用的所施加的微波能量基于丝状物的结构上互连的排列来选择，丝状物的结构上互连的排列限定三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

在优选实施例中，丝状物由糊状物组合物，特别是包含颗粒状材料、粘性粘合剂和/或一些有机材料的糊状物来生产，糊状物组合物为粘性糊状物，粘性粘合剂通常将含有一些水和/或溶剂。

采用微波干燥和/或煅烧来从所打印的多孔结构去除水分、溶剂和/或有机材料。干燥和/或煅烧过程可旨在对所打印的多孔结构进行干燥和/或煅烧，目的是将丝状物干燥和/或煅烧至期望程度，而不会对所打印的多孔结构的物理、化学、几何形状或相关性质造成不利影响。在替代实施例中，干燥和/或煅烧过程可旨在对所打印的多孔结构进行干燥和/或煅烧，目的是使丝状物在期望位置处断裂。

微波干燥和/或煅烧提供有利的结果，原因是所打印的结构通过将糊状物组合物的互连的丝状物以预定的排列沉积在多个连续堆叠的层中，使彼此相距一定距离来获得。所打印的结构是多孔的，在丝状物之间具有互连的孔(通道)。微波不仅可更深地穿透多孔结构，而且微波能够穿透制作丝状物所用的材料，从而使水分、溶剂和/或有机材料、溶剂和/或有机材料或其降解产物可通过丝状物中的孔和通向多孔结构的外表面的互连的孔逸出。

多孔结构的微波干燥和/或煅烧提供具有多种优势的高性能干燥和/或煅烧过程，这些优势包括快速的干燥和/或煅烧速率以及提高3D打印的多孔结构的产品质量。快速干燥很重要，原因是快速干燥有助于更好地保留3D打印结构的形状、减少收缩和裂纹的形成，且更好地保留机械强度和机械性质。快速干燥还可更好地保留3D打印结构的孔隙率。

将丝状物以互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构的方式与微波干燥和/或煅烧的条件相关。更具体地，施加在多孔结构上的微波能量与多孔结构的互连的丝状物的特定排列以及丝状物的性质，特别是丝状物的厚度、材料组分、孔隙率、溶剂亲和力等相关。通过这种方式，可根据所打印的多孔结构的特性来获得定制微波干燥和/或煅烧。有利地，通过这种方式，为了干燥和/或煅烧而施加的微波能量适合于多孔结构，且可实现改进的干燥和/或煅烧过程。结果，在干燥和/或煅烧过程的热处理期间造成不利影响的风险也会显著降低。

在微波干燥和/或煅烧过程中考虑与丝状物本身以及丝状物以互连排列的沉积相关的信息。所施加的微波能量基于所打印的多孔结构和制作丝状物所用的材料以及水分、溶剂和/或有机材料含量来确定。例如丝状物可含有水分排出剂、溶剂和/或有机材料排出剂。在一些示例中，丝状物由粘性糊状物制成。

构建材料(例如糊状物、悬浮液等)可通过喷嘴挤出，以进行三维丝状物沉积。所沉积的丝状物可形成分层网络。例如这些层可以在彼此的顶部上连续地打印，得到由连续层的堆叠形成的结构。丝状物相对于彼此间隔开，以在丝状物之间限定通道。因此通过这种方式可获得具有孔的多孔结构。所施加的微波能量可基于挤出构建材料所用的图案来选择。该图案可限定多孔结构的孔隙率和/或密度，这可能需要不同的微波干燥和/或煅烧参数。

可获得不同类型的多孔结构，针对所施加的微波能量，不同类型的多孔结构的举动可以不同。这种结构可表示网格、格子结构、丝状物网络、支架、丝状物框架、丝状物图案化排列等。可能存在许多类型的排列和结构。可基于应用来选择限定多孔结构的结构的丝状物的特定排列。在微波干燥和/或煅烧过程中。通过基于所述特定排列来调整所施加的微波能量，由此还考虑这种特定排列。

丝状物的逐层沉积可包括通过沉积喷嘴挤出材料以形成丝状物，同时使沉积喷嘴相对于打印床移动。喷嘴可相对于打印床移动，和/或打印床可相对于喷嘴移动。因此，还设想运动学反转。喷嘴沉积构建材料的丝状物以形成多孔结构的方式可建立用于微波干燥和/或煅烧的参数。

通过微波干燥和/或煅烧过程，可获得多孔材料的均匀加热，其中所施加的微波能量基于打印结构的性质来选择。因此，打印的多孔结构的性质与微波干燥和/或煅烧条件相关。通过对多孔结构提供均匀的微波照射，可均匀地执行微波干燥和/或煅烧。均匀的意思是指多孔结构所经受的微波能量在多孔结构的整个体积上是均匀的，或者微波能量随着时间保持恒定。通过在多孔结构上采用微波干燥和/或煅烧，可大大减少或避免多孔结构在干燥和/或煅烧期间的收缩。

当多孔结构暴露于微波能量时，打印材料中存在的、易受微波能量激励的分子(偶极子)开始以与电磁场相同的频率旋转或振动。这种旋转或振动不限于多孔结构的外部部分或外层以及构成结构的丝状物，而是扩展到结构内部和丝状物材料的内部。丝状物中分子(例如水、溶剂和/或有机材料)的微波频率搅动有助于在材料内产生热量并最终使水分、溶剂和/或有机材料蒸发和/或降解。

由微波引起的热量取决于微波能量的电场强度。当微波能量穿透多孔结构的材料时，由于微波能量被材料吸收并转化成热量，因此波强度会逐渐减弱。有利地，多孔结构可实现比固体结构更大的穿透深度，以及从3D打印结构的、位于3D打印结构的材料中的更大深度处的那部分释放溶剂或水分。穿透深度还取决于多孔结构的材料性质。

可选地，所施加的微波能量至少基于形成三维多孔结构的丝状物的相对空间定位和定向来选择。

可选地，所施加的微波能量基于由在打印过程中，即在丝状物的分配或沉积期间，在丝状物之间形成的孔产生的、多孔结构的宏观孔隙率来选择。

可选地，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：丝状物到丝状物的距离、丝状物铺设图案、丝状物放置相互关系、由丝状物形成的几何图案、或者丝状物在连续堆叠的层中的铺设角度。

可选地，在施加微波能量的过程中，使多孔结构稳定而不振动。

可选地，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：丝状物内孔隙率(即，三维多孔结构的(宏观)孔隙率)或者丝状物孔隙率。

可选地，选择微波能量，通过控制器单元来选择性地实现。控制器可接收与所制造的多孔结构的互连的丝状物的特定排列相关或指示所制造的多孔结构的互连的丝状物的特定排列的信息。例如控制器可连接到增材制造系统。基于所述打印信息，控制器可选择所施加的微波能量。

可选地，在加热室中执行热处理，以减少糊状物组合物中含有的、能通过微波去除的内容物的量，内容物特别是水分、溶剂和/或有机材料。

可选地，糊状物组合物包含一种或多种无机化合物、一种或多种聚合物或它们的混合物，优选地糊状物组合物是包含无机化合物的粘性糊状物。

可选地，所施加的微波能量基于多孔结构的密度来选择。

多孔结构包括互连的孔，这使得多孔结构非常适合于微波干燥和/或煅烧。多孔结构的密度可提供材料量相对于多孔结构中由互连的孔形成的空隙量的量度。还可考虑在基于挤出的制造中使用的构建材料的材料密度。

微波能量(频率、功率、脉动、曝光时间和/或曝光分布)可基于所制造的多孔结构的密度进行调整。可选地，对于具有更高密度的多孔结构(例如，更小的互连的孔)，增加所施加的微波能量。所施加的微波能量的增加可通过更高的能量幅度和/或更长的暴露时间来实现。密度可与互连的丝状物在多孔结构的多个堆叠层中的排列相关。这种丝状物排列对于增材制造设备来说是已知的，因此可用于确定要施加的最佳微波能量，从而在热处理期间提供充分的干燥和/或煅烧，同时降低使多孔结构在过程中发生变形或损坏的风险。

可选地，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：溶剂对糊状物组合物的一种或多种组分的亲和力、糊状物组合物、溶剂的性质、三维多孔结构中溶剂、水分和有机材料中的一种或多种的浓度。

可选地，多孔结构为网格、格子结构、丝状物网络、支架、丝状物框架、丝状物图案化排列中的一种或多种。

可选地，所施加的微波能量基于多孔结构的孔隙率来选择，多孔结构的孔隙率可进一步取决于丝状物内孔隙率和丝状物间孔隙率。

孔隙率可包括结构整体的孔隙率和各丝状物的孔隙率。与结构的孔体积相比，丝状物的孔体积通常较小。例如孔隙率可以以分数或百分比的形式测量，例如以空隙与多孔结构的总体积之比来测量。然而，多孔结构的孔隙率可发生变化，以例如局部影响多孔结构的机械强度和渗透性。例如可采用丝状物的设计、几何形状和/或排列，来影响在多孔结构的预定位置处多孔结构的孔隙率和机械性质。

丝状物的排列以及丝状物的位置和定向产生一定范围的孔形状，从而影响多孔结构的孔隙率。所施加的微波能量可基于所产生的多孔结构孔隙率来选择。

可选地，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：丝状物内孔隙率、丝状物到丝状物的距离、丝状物直径、丝状物厚度、丝状物铺设角度、丝状物铺设图案、丝状物放置相互关系、由沉积的丝状物形成的几何形状、堆叠层的数量、孔隙率或者多孔结构的一个或多个尺寸。

多孔结构具有明确定义的孔。相邻丝状物之间的丝状物到丝状物的距离基于所选择的填充密度而不同。随着填充密度增加，丝状物到丝状物的距离(例如相邻丝状物的中心到中心的间距)减小。打印填充密度可发生变化，因此孔隙率可(局部地)发生变化。填充密度限定填充到物体中的材料量，并随后与3D打印结构的孔隙率相关。填充密度的范围可以从0％到100％，其中0％产生完全中空的物体，且100％填充产生完全实心的物体。这些参数可影响使用微波的干燥和/或煅烧效率。通过基于多孔结构的这些参数来选择微波能量，可显著增强微波干燥和/或煅烧过程。当通过增材制造设备制造多孔结构时，该过程可相当自动地执行，原因是参数是已知的。

可采用不同的填充图案(三角形、正方形、六边形等)。应理解，术语丝状物到丝状物的距离可理解为同一层内两个相邻丝状物之间的间距。该间距可以是两个相邻丝状物之间的中心到中心的距离或边缘到边缘的距离。其它术语也可用于该特征，例如丝状物间距、间隔、丝状物间隙等。可使用各种丝状物直径。

丝状物的尺寸并因此孔隙率可受到喷嘴行进速度和挤出速度的强烈影响。例如在挤出期间通过调节挤出压力和/或挤出速度，可实现调节被挤出的材料的质量流量。

微波干燥和/或煅烧可提供有利的干燥和/或煅烧过程，在该过程中可以在材料的整个厚度上获得多孔结构的更均匀的加热。所施加的微波能量可基于影响多孔结构的孔的参数。

由于在微波辅助干燥和/或煅烧过程中发生体积加热，因此材料内部产生的气体可通过孔从多孔材料逸出。然而，多孔结构的排列或构造(例如沉积的丝状物架构的图案)可显著影响干燥和/或煅烧过程。通过考虑多孔结构的排列或构造，可更好地控制微波干燥和/或煅烧过程。因此，在干燥和/或煅烧过程中，可更好地防止多孔结构发生变形或损坏。此外，在微波干燥和/或煅烧过程之后，可获得丝状物排列的改进的整体质量和/或强度。

多孔结构的结构几何形状可由各丝状物的位置和定向确定。在交替层上，丝状物通常以0°和90°定向。这种排列还称为“0/90定向”。然而，可存在许多变型排列，例如0/60/120定向，其中在每个后续层上，丝状物的定向改变60°。对于具有0/90丝状物定向的多孔结构，孔隙率可被认为是一系列长的交叉的柱状孔。替代地，对于0/60/120丝状物定向，孔可能更接近于螺旋楼梯的几何形状。可存在许多其它丝状物定向，以使多孔结构具有不同孔。微波干燥和/或煅烧过程可考虑要干燥的多孔结构的结构几何形状。

还可使丝状物定位的其它方面发生变化。例如，丝状物可对齐或交错。在丝状物的对齐排列中，丝状物直接在下层上类似定向的丝状物上方对齐。在丝状物的交错排列中，丝状物通过偏移丝状物的水平位置来以交替方式交错。这些丝状物形成偏移层和/或斜孔。此外，还可以在改变丝状物定向之前打印数个相同的层。对于多孔结构的微波干燥和/或煅烧，还可考虑所制造的多孔结构的这些性质。

在优选实施例中，将糊状物组合物的互连的丝状物以预定排列沉积在多个连续堆叠的层中，其中连续层的丝状物至少在连续层的丝状物之间的接触点处彼此连接，以获得在丝状物之间具有互连的孔的多孔结构，其中在丝状物的排列中形成多个不太易脆区域，并且其中，在丝状物的排列中形成一个或多个预先选择的易脆区域。可选地，丝状物沉积成使得多孔结构的一个或多个易脆区域连接到多孔结构的一个或多个不太易脆区域，其中互连的丝状物的预定排列构造成使得一个或多个易脆区域形成多孔结构的结构薄弱区，使得多孔结构在不会使不太易脆区域断裂的弯折负载和/或弯折诱发的应力的影响下沿着所述一个或多个易脆区域断裂，以释放由不太易脆区域形成的部件。

多孔结构可具有至少一个易脆区域和至少一个不太易脆区域，至少一个易脆区域和至少一个不太易脆区域以所沉积的丝状物的特定排列彼此连接。互连的丝状物的特定排列(例如定位、堆积、层间和层内排列等)引起多孔结构的局部机械性质发生变化，使得可形成多孔结构的易脆区域和不太易脆区域(参见例如在预定或正常的负载/应力条件下不易脆的区域)。为此目的，调整多孔结构的排列以在正形成的多孔结构内包括薄弱的易脆区。

易碎区域理解为对应于比不太易脆区域更易脆的区域。在预定负载/应力条件下，不太易脆区域可以是基本上不易脆的。例如应力可以是外部应力和/或内部材料应力(例如由温度变化或微波照射等触发)。可选地，所施加的微波能量选择成使得当暴露于微波照射时，诱发至少一部分易脆区域的断裂。

多孔结构可包括具有一个或多个不太易脆区域和一个或多个易脆区域的丝状物，且可通过所施加的微波能量将多孔结构从初始温度加热到升高的温度，以在期望位置处使丝状物的至少一部分易脆区域断裂。

替代地，多孔结构包括具有一个或多个不太易脆区域和一个或多个易脆区域的丝状物，且可通过所施加的微波能量将多孔结构从初始温度加热到升高的温度，在该升高的温度下，丝状物的机械结构不受影响，即易脆区域和不太易脆区域均不受影响。

可选地，所施加的微波能量通过调节以下至少一项来控制：微波能量的微波频率、微波功率、照射持续时间或功率分布(例如微波脉动)。

多孔结构经受微波能量以减少水分、溶剂和/或有机材料含量。微波能量可以以多种方式进行调整。通过考虑多孔结构的互连的丝状物的排列来选择要施加的微波能量，可显著增强干燥和/或煅烧过程。不同的多孔结构可能需要不同的干燥和/或煅烧条件。

例如微波能量可通过改变微波照射的总持续时间来调节。调整微波能量的功率分布，可以是有利的。这例如可以是微波功率随时间来施加。例如，在总时间间隔的仅部分时间期间，可引导微波穿过多孔结构。

在干燥和/或煅烧过程中微波施加器(例如磁控管)的输出功率是决定干燥的多孔结构的质量的主要因素之一。由于固有性质的变化大，使得多孔结构在微波照射的作用下可做出不同的反应。每个多孔结构可能需要特定的功率方案，功率方案受到制造多孔结构所用的材料的尺寸、数量、水分、溶剂和/或有机材料含量，和/或其它性质的影响。此外，丝状物的排列也起着重要作用。因此，为了确定功率方案，还可考虑材料密度、丝状物间孔隙率和丝状物内孔隙率、层图案、丝状物尺寸、丝状物定向、丝状物直径、丝状物到丝状物的距离等。

可选地，功率分布配置成向脉冲式微波提供间歇性微波操作，间歇性微波操作包括在预定时间间隔内的开启循环和关闭循环。可选地，连续的脉冲具有相同或不同的时间长度。

无论是间歇地还是连续地执行微波加热，都可影响在干燥和/或煅烧过程中多孔结构的内应力发展。对于一些多孔结构，间歇性干燥和/或煅烧可大大减轻由连续热空气干燥和/或煅烧引起的问题，例如裂纹、损坏、变形等。当使用间歇性微波加热时，干燥的多孔结构内的最大拉伸应力和压缩应力显著降低。还减少峰值应力出现的时间。

在一些示例中，采用具有一定功率分布的连续微波加热，可以在多孔结构中出现裂纹。然而，采用脉动，虽然样品可能无法达到更高的温度，但是可以在更低的水分、溶剂和/或有机材料含量下有效地避免或延迟裂纹的形成。

脉冲式微波干燥和/或煅烧可提供额外的能量效率和干燥的多孔结构的质量。采用更长的断电与通电时间比，可提高能量效率和产品质量。例如，当通电时间更短时，更多的微波能量可用于蒸发水分、溶剂和/或有机材料，而当通电时间更长时，产品温度可趋于升高，导致热敏多孔结构的质量损失。

在间歇性微波加热(例如脉冲式微波干燥和/或煅烧)的情况下，多孔结构的温度不会持续升高。与采用连续加热相比，多孔结构的温度通常更低，同时在多孔结构主体的不同点处的水分、溶剂和/或有机材料含量趋于更均匀。这种均匀意味着有利地可降低由干燥和/或煅烧引起的应力。

因此，通过间歇性微波干燥和/或煅烧，可降低多孔结构的收缩行为。间歇性微波干燥和/或煅烧可改善质量和温度分布。与连续微波输入以进行干燥和/或煅烧相比，通过间歇性微波输入进行的干燥和/或煅烧可提供质量更好的产品。

施加到容纳多孔结构的腔室的微波能量对于控制干燥和/或煅烧过程很重要。施加到一个或多个多孔结构的微波能量越大(例如功率密度更高)，所需的干燥和/或煅烧时间越短。然而，如果微波功率太高，持续时间太长，则温度可变得太高，从而无法在加热时使水分、溶剂和/或有机材料从结构中最佳地逸出，导致多孔结构发生变形或损坏。所施加的微波功率太低，则可导致实现一个或多个多孔结构的期望干燥和/或煅烧所需的时间不利地延长。

可选地，微波干燥和/或煅烧的功率分别脉冲式开启0.1秒至10分钟或至5分钟，优选地脉冲式开启0.1秒至2.5分钟，更优选地脉冲式开启0.1秒至60秒以及关闭0.1秒至5分钟，优选地关闭0.1秒至2.5分钟，更优选地关闭0.1秒至60秒即0.1至60秒。打印糊状物的快速干燥可以是优选的，原因是这样确保了材料保持在原位且可提供界定孔的结构网络。除此之外，可抵抗打印结构的卷曲。

可选地，微波能量在连续的循环中施加，并且其中，在第一循环中施加的微波能量不同于在与第一循环连续的第二循环中施加的微波能量。

可选地，热处理包括多个微波干燥和/或煅烧阶段，其中在第一阶段中，微波能量具有第一微波功率，第一微波功率具有第一能量密度，并且其中，在接连的第二阶段中，微波能量具有第二微波功率，第二微波功率具有第二能量密度，第一能量密度低于第二能量密度。

可选地，通过所施加的微波能量将多孔结构从初始温度加热到升高的温度，其中控制微波能量以使升高的温度保持低于多孔材料的特定形态变化温度或相变温度。在一些示例中，低于600℃，优选地低于300℃，更优选地低于100℃，最优选地低于60℃。

可监测多孔结构的温度，以例如控制或调节所施加的微波能量来获得多孔结构的升高的温度，升高的温度不超过600℃，优选地低于300℃，更优选地低于100℃，最优选地低于60℃。通过这种方式，可避免所形成的多孔结构的质量损失。还可防止多孔结构的某些部分达到比多孔结构的其它部分显著更高的温度。

可选地，微波室中的压力足够低，以确保多孔结构的温度不超过600℃，优选地不超过300℃，更优选地不超过100℃，最优选地不超过60℃。

可选地，使用温度传感器监测多孔结构的温度，温度传感器优选地是红外温度传感器，其中提供具有温度反馈的控制系统，控制系统配置成根据多孔结构的所确定的温度来动态调节微波能量(例如功率)。

可选地，在涉及照射微波能量的热处理之后，加热步骤使得对三维多孔结构进行烧结。

通过实时反馈温度测量，可获得智能功率控制。可选地，在每个时刻调节微波能量(例如实时控制)。红外传感器能够对多孔结构的温度进行无损测量。此外或替代地，可使用热电偶来测量多孔结构处的温度。

可选地，多孔结构使用微波功率密度在0.01kWh/kg至10000kWh/kg的范围内，优选地在0.1kWh/kg至1000kWh/kg的范围内，更优选地在0.1kWh/kg至100kWh/kg的范围内，最优选地在0.3kWh/kg至5kWh/kg的范围内的微波能量进行干燥。功率密度可以是固定的功率密度或时间平均的微波功率密度(例如间歇性的)。

可选地，使用温度在50℃至350℃的范围内，优选地在60℃至200℃的范围内的空气执行微波热处理。

可选地，在压力在1Pa至101325Pa的范围内的真空中，优选地在加热室中的压力在1000Pa至101325Pa范围内的减压条件下执行微波能量处理。

可选地，在加热室中的压力在1Pa至1000Pa的范围内的真空中执行热处理。

通过基于挤出的增材制造形成的多孔结构的真空微波辅助干燥和/或煅烧可提供各种优势。更高的真空压力(即更低的真空)可导致干燥和/或煅烧时间更长，以及干燥和/或煅烧所需的温度更高，原因是使得要干燥的多孔结构经受更高的温度来蒸发多孔结构中的水分、溶剂和/或有机材料(例如水)。在一些示例中，采用水分收集器来收集所蒸发的水分。

多孔结构经受的温度越高，多孔结构越有可能在干燥和/或煅烧过程中发生变形或损坏。在一些示例中，可优选使用更高可实现的真空并降低干燥多孔结构所需的时间和温度，从而降低使多孔结构发生变形或损坏的风险。

干燥和/或煅烧时间可通过真空量和施加到位于真空干燥和/或煅烧室中的多孔结构的微波功率来控制。在一些示例中，可优选使用最低真空压力(因此使用最低干燥和/或煅烧温度)和最高施加的微波功率来操作真空室，只要功率不施加到该功率对被处理的多孔结构造成损坏的程度，且该功率快速完成干燥和/或煅烧，同时使多孔结构经受最低需要的干燥和/或煅烧温度即可。可调整所施加的真空和功率，以获得所需的干燥和/或煅烧且不会对多孔结构造成损坏或发生变形。

可选地，加热室是真空微波干燥和/或煅烧室，其中可装载一个或多个多孔结构。

可选地，其中热处理包括多个微波干燥和/或煅烧阶段，其中在第一阶段中，微波能量具有第一微波功率，第一微波功率具有第一能量密度，并且其中，在接连的第二阶段中，微波能量具有第二微波功率，第二微波功率具有第二能量密度，第一能量密度低于第二能量密度。应理解，可执行更多阶段。

微波干燥和/或煅烧可引起水分、溶剂和/或有机材料从多孔结构迁移。多孔结构中的水分、溶剂和/或有机材料可随时间稳定地下降。然而，持续的干燥和/或煅烧最终可导致多孔结构内的平均水分、溶剂和/或有机材料含量降低，并导致吸收的微波能量减少，从而降低了温度和蒸发速率的增加。水分、溶剂和/或有机材料从丝状物/多孔结构的逸出率可受到扩散限制。

当多孔结构接近其质量百分比是1至3的水分、溶剂和/或有机材料含量时，可应用微波干燥和/或煅烧的第二阶段，在第二阶段中，微波功率的施加显著减少，例如减少至少10％，更优选地减少至少25％，甚至更优选地减少至少50％。

根据另一个优选实施例，在第一阶段中，可使用更低的微波能量，而在随后的第二阶段中，可使用更高的微波能量。这样，在第一阶段中打印结构的干燥可进行得稍微慢一些，然后可使用更高的微波能量去除任何剩余的不需要的材料。

可选地，在热处理期间使用微波能量均匀地照射多孔结构。

均匀的场分布可导致均匀的加热模式。场分布可取决于腔体尺寸、一个或多个多孔结构的产品几何形状、要处理的材料的介电性质、微波施加器的微波导向器等。通过改变场布局，例如通过改变腔体的几何形状(例如模式搅拌器)和/或通过使产品(在传送带或转盘上)移动，可防止不均匀的加热模式。还设想采用如下微波施加器，该微波施加器布置成提供基本上均匀的微波场，基本上均匀的微波场指向要进行微波热处理的一个或多个多孔结构。

均匀的微波场可被认为是微波能量在放置有多孔物体的体积上的均匀分布，其中在整个体积上微波能量的差异在预定的时间段内受到限制。例如，差异可小于30％，更优选地小于20％，甚至更优选地小于10％。

可选地，热处理期间的温度升高至在25℃至800℃之间的范围内，优选地在25℃至600℃之间的范围内，更优选地在50℃至500℃之间的范围内，甚至更优选地在50℃至300℃之间的范围内，最优选地在60℃至200℃之间的范围内的温度。通过这种方式，可实现更均匀的加热，同时可显著缩短干燥和/或煅烧时间。通过这种方式，可实现更均匀的加热，同时可显著缩短干燥和/或煅烧时间。

可选地，三维多孔结构经受具有均匀的能量密度的微波照射。

可选地，施加到多孔结构的微波能量能发生变化，优选地随着以下参数中的一个或多个而发生变化：一个或多个三维多孔结构的几何形状，或者糊状物组合物的介电性质。

可选地，三维多孔结构经受至少一种补充的干燥和/或煅烧处理。

可选地，至少一种补充的干燥和/或煅烧处理在微波处理之前、在微波处理之后和/或在连续的微波处理之间执行。

可选地，微波干燥和/或煅烧与一种或多种其它干燥和/或煅烧方法结合，与单独使用微波干燥和/或煅烧相比，这可提高干燥和/或煅烧效率和产品质量。将补充干燥和/或煅烧系统与微波干燥和/或煅烧系统结合，可获得混合微波系统，混合微波系统可显著提高干燥和/或煅烧速率以及最终产品质量。

可选地，干燥和/或煅烧步骤在一批次打印的多孔结构上执行，其中所施加的微波能量基于该批次中打印的多孔结构的互连的丝状物的排列来选择。

可选地，至少一个三维多孔结构连续地移动穿过微波场。

可选地，多孔结构放置在加热的底座上。通过这种方式，可进一步改进干燥过程。

根据一个方面，本发明提供一种用于制造三维多孔结构的增材制造系统，该系统包括：

挤出单元，挤出单元配置成接收糊状物组合物，糊状物组合物包含至少一种无机材料的颗粒、至少一种聚合物粘合剂和至少一种溶剂，其中挤出单元布置成将糊状物组合物的丝状物以预定的互连排列沉积在多个连续堆叠的层中，以形成在丝状物之间具有互连的孔的三维多孔结构，

热处理单元，热处理单元布置成随后通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，

以及控制单元，控制单元配置成基于丝状物的结构上互连的排列来选择在热处理期间采用的所施加的微波能量，丝状物的结构上互连的排列限定三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

微波干燥的多孔结构的温度变化可以是最终干燥的产品的质量的关键因素。可使用微波功率控制方法来优化要干燥的特定多孔结构的干燥和/或煅烧过程。本发明可以在微波干燥和/或煅烧过程中采用具有实时温度监测能力的快速开关反馈功率控制方案。

微波施加器可配置成产生微波能量并将微波能量引入要加热的多孔结构中。微波施加可包括微波功率发生器(通常是磁控管)、波导和微波室/腔体，在微波室/腔体中处理多孔结构。微波功率发生器产生期望的高频微波照射。这种转换可通过磁控管来实现，磁控管可被屏蔽以确保安全并防止谐波辐射的泄漏。波导配置成通过自由空间传输微波能量并将微波能量传送到要处理的多孔结构。波导可以是如下结构，该结构布置成引导电磁波形式的能量沿着预定路径传播。

微波功率可具有2.45GHz或915MHz的频率。这些频率在微波炉中商用。应理解，还可采用其它频率。

可选地，热处理单元布置成使支撑多孔结构的支撑表面的振动最小化。

根据一个方面，本发明提供一种微波干燥和/或煅烧系统，该系统用于干燥和/或煅烧通过基于挤出的增材制造而获得的三维打印多孔结构，其中干燥和/或煅烧系统包括热处理单元，热处理单元布置成通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使一个或多个多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，其中干燥和/或煅烧系统配置成：确定待干燥的一个或多个多孔结构，以及基于对丝状物的结构上互连的排列的识别来选择为了干燥和/或煅烧一个或多个多孔结构而施加的微波能量，丝状物的结构上互连的排列限定一个或多个三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

传统空气干燥和/或煅烧，或者烘箱干燥和/或煅烧通常导致多孔结构的不均匀加热。用于干燥和/或煅烧通过基于挤出的增材制造过程打印的多孔结构的微波脱水过程提供许多优势。微波干燥和/或煅烧可以在低的温度下提供快速干燥和/或煅烧，以及在多孔结构内提供最小温度分布(均匀加热)。

传统加热可能需要使多孔结构暴露于更高的温度一段延长的时间，该时间足够长以从多孔结构去除期望量的水分、溶剂和/或有机材料。该延长的时间通常比根据本发明的微波加热所需的时间长。更长的加热时间可导致不希望的材料分解或转化成不希望的副产物，这种分解或转化可通过本发明有利地防止。

可选地，热处理单元布置成使支撑多孔结构的支撑表面的振动最小化。

根据一个方面，本发明提供一种控制单元，该控制单元用于操作基于挤出的增材制造系统以制造三维多孔结构，其中控制器配置成：操作挤出单元来将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构；以及操作热处理单元以通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量，并且其中，控制单元配置成基于多孔结构的互连的丝状物的排列来选择所施加的微波能量。

根据一个方面，本发明提供一种制造三维多孔结构的方法，该方法包括：将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构；以及通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。

在传统加热中，材料由外部加热源(来自要加热的材料的外部)加热，且热量由外向内传递。与传统加热相比，在微波加热中，使用微波照射材料，使得同时产生内部热量。微波加热基于当材料经受微波照射时，由变化的电场诱导的分子偶极子的振荡、振动和旋转(并因此引起分子动能的增加)。

可选地，执行热处理以均匀地照射微波能量。这可以以各种方式实现，例如在微波腔体中使用旋转板、使用将基本上均匀的微波引导至平面中的装置、使用移动带等。技术人员可采用各种方式来实现基本上均匀的微波照射。

根据一个方面，本发明提供一种用于制造三维多孔结构的增材制造系统，该系统包括：挤出单元，挤出单元布置成将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构；热处理单元，热处理单元布置成随后通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。可选地，该系统包括布置成提供均匀微波照射的微波施加器。

使用均匀微波施加器进行微波加热可提供更深的穿透并产生更均匀的加热模式。有利地，与传统干燥和/或煅烧系统或者已知的微波干燥和/或煅烧系统相比，干燥和/或煅烧过程得到改进。

由于更均匀的能量吸收、热分布以及水分、溶剂和/或有机材料去除，使得微波干燥和/或煅烧的多孔结构可具有更好的微结构排列。使用基于丝状物的排列的微波能量执行微波干燥和/或煅烧。此外，通过微波加热来干燥和/或煅烧多孔结构，可获得改进的机械性质。有利地，根据本发明的微波干燥和/或煅烧可提供具有更高强度和更少性能劣化的多孔结构。

可选地，在微波干燥和/或煅烧操作期间使多孔结构经受的温度不超过600摄氏度，更优选地不超过300摄氏度，甚至更优选地不超过100摄氏度，不持续任何显著的时间长度，从而避免损坏多孔结构，原因是使多孔结构经受高于800摄氏度的温度可导致多孔结构损坏和/或产生裂纹或发生变形。

根据一个方面，本发明提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品配置成当在控制器上运行时，执行根据本发明的方法的步骤。

根据一个方面，本发明提供一种数据载体，数据载体包括指令，指令配置成当在控制器的可编程装置上运行时执行根据本发明的方法的步骤。

微波是频率范围为从300MHz至300GHz(对应的波长范围为1毫米至1米)的电磁波。

可选地，使用微波功率密度在0.01kWh/kg至10000kWh/kg的范围内，更优选地在0.1kWh/kg至100kWh/kg的范围内，甚至更优选地在0.3kWh/kg至5kWh/kg的范围内的微波能量来干燥多孔结构。

使用低的微波功率，即低于1kW/kg的微波功率不是优选的，原因是过程可能太慢且多孔结构可发生变形或损坏。施加高的微波功率，即高于500kW/kg的微波功率也不是优选的，原因是它可使得在低水分、溶剂和/或有机材料含量(即低于5％水分、溶剂和/或有机材料)下控制干燥和/或煅烧过程的均匀性更困难。在一些示例中，施加约为5kW/kg至500kW/kg，例如约为10kW/kg至50kW/kg的微波功率是优选的。

根据一个方面，本发明提供一种制造三维多孔结构的方法，该方法包括以下连续步骤：打印具有互连的孔的丝状物多孔结构，该多孔结构具有特定的丝状物排列；将多孔结构放入微波干燥和/或煅烧室中；以及通过施加微波能量来干燥和/或煅烧多孔结构。所施加的微波能量可基于多孔结构的特定丝状物排列(例如图案、铺设角度、间隔等)。有利地，可实现定制微波干燥和/或煅烧，从而降低使多孔结构发生变形或损坏的风险。

应理解，在一些示例中，加热室可集成在用于制造多孔结构的增材制造系统中。通过这种方式，打印的多孔结构可容易地干燥，同时可选地考虑多孔结构的特定丝状物排列。

应理解，鉴于该方法而描述的任何方面、特征和选项同样适用于系统和所描述的多孔结构。还将明显的是，可将上述方面、特征和选项中的任何一个或多个进行组合。

附图说明

将基于在附图中表示的示例性实施例来进一步阐明本发明。示例性实施例以非限制性说明的方式给出。应注意，附图只是通过非限制性示例的方式给出的本发明实施例的示意性表示。

在附图中：

图1示出了挤出过程的示意图；

图2示出了多孔结构的实施例的示意图；

图3示出了多孔结构的微波干燥和/或煅烧的示意图；

图4示出了多孔结构的实施例的示意图；

图5示出了多孔结构的实施例的示意图；

图6a和图6b示出了微波干燥和/或煅烧多孔结构的示意图；

图7示出了方法的示意图；和

图8示出了方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于制造三维多孔结构1的挤出过程中的打印路径的示意图。打印路径说明了多孔结构的丝状物如何沉积在多个层上。方法包括将互连的丝状物以预定排列沉积在多个堆叠层中。连续层的丝状物彼此连接以获得具有互连的孔的多孔结构。此外，连续层的丝状物相对于彼此成一角度。

在挤出过程中，使喷嘴1沿着沉积丝状物的打印床3，遵循所示的打印路径5进行扫描。应理解，还设想使打印床3移动，而不是使喷嘴1移动(运动学反转)。还可存在组合。在替代示例中，在沉积过程的至少一部分期间，可使喷嘴1和印刷床3移动。

本发明的增材制造方法还可称为3D打印、3DFD、纤维沉积、丝状物沉积、机器人铸造、微挤出等，或这些项中的两项或更多项的组合。

在图1a中，示出了印刷床3上第一层的打印路径5。在图1b中，示出了两层的打印路径5。在图1c中，示出了其第四层正在沉积的打印路径5。应理解，为了获得多孔结构的互连的丝状物的排列，可存在多种打印路径布置方式。

通过改变沉积模式，可使多孔结构的局部机械性质局部改变，使得可能需要不同的热处理以用于干燥和/或煅烧。在该示例中，被打印的多孔结构具有不均匀的丝状物到丝状物的距离(间隔)。还可存在均匀的间隔。

在实施例中，在第一步骤中，首先将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的三维多孔结构。在第二步骤中，通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使所形成的多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。所施加的微波能量可基于多孔结构的互连的丝状物的排列。

应理解，第二步骤可以在第一步骤期间执行。然而，在一些示例中，第二步骤可与第一步骤至少部分地同时执行。还可形成多孔结构的一部分，然后进行微波干燥和/或煅烧，在此之后形成多孔结构的另一部分。

通过使用微波加热，使在热诱导的煅烧(降解)反应时形成的液体或挥发性化合物蒸发，而产生微波辅助干燥和/或煅烧。多孔结构的材料的温度最初可以是T1，然后升高到T2，其足以实现减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。微波干燥和/或煅烧过程具有以下优点：节能快速的干燥和/或煅烧速率、处理时间短、微波能量的深度穿透、瞬时且精确的电子控制和/或清洁加热过程。

在微波干燥和/或煅烧过程中，局部温度(和压力)可不断升高，从而加速了干燥和/或煅烧过程。然而，由于使用多孔结构的互连的丝状物的排列来确定要施加的微波能量，因此可防止或减少诸如降解、变形、物理损坏等副作用。微波施加器可布置成向多孔结构提供均匀的微波辐射，以在经处理的多孔结构中获得均匀的温度分布。

图2示出了多孔结构10的实施例的示意图，多孔结构10通过将丝状物2以预定的互连排列沉积在多个堆叠层11中来形成具有互连的孔的多孔结构10而获得。在图2A中，示出了多孔结构10的横截面侧视图。在图2B中，示出了多孔结构10的横截面俯视图。

孔隙率会影响刚度或弹性模量(参见杨氏模量)，弹性模量是应力随应变的变化率的量度，其限定了材料响应于给定力的变形程度。

丝状物2是否对齐或交错，也会影响多孔结构的机械性质。例如，丝状物2交错的多孔结构10可能比丝状物2对齐的多孔结构10具有更小的弹性模量。例如，对于对齐的丝状物排列(如本示例中所示)，从多孔结构的顶部到底部可存在实心柱状物，这是因为丝状物2在相似位置相交而存在。这种实心柱状物可强烈抵抗压缩。相比之下，对于交错的丝状物排列，丝状物2可稍微弯折，且应力可集中在铰接点。

此外，丝状物定向也会影响多孔结构的机械性质。例如，具有0/90、0/60/120和0/45/90/135丝状物定向的多孔结构可具有不同的弹性模量。应理解，还设想其它铺设图案，例如三角形、矩形、六边形、弯曲形、锯齿形图案。这些铺设模式也会影响孔尺寸。

在丝状物的排列中，可形成一个或多个易脆区域和一个或多个不太易脆区域。一个或多个易脆区域可连接到不太易脆区域。一个或多个易脆区域形成多孔结构的结构薄弱区，使得在不会使不太易脆区域断裂的负载和/或应力(例如由使结构暴露于微波照射而触发的材料应力)的影响下，多孔结构沿着所述一个或多个易脆区域断裂。多孔结构的不太易脆区域具有使得该不太易脆区域能够在更易脆区域断裂期间承受力的机械性质。易碎区域理解为对应于比不太易脆区域更易脆的区域。可选地，一个或多个易脆区域形成易脆连接，易脆连接构造成使得多孔结构的至少第一不太易脆部分能够沿着一个或多个易脆区域从多孔结构的第二不太易脆部分折断。可选地，多孔结构内的易脆区域的机械强度可发生变化，以在施加增加的负载和/或增加的应力时使得多孔结构的各个部分能够逐步折断。在易脆区域断裂之后，可单独地获取不太易脆区域。

例如易脆区域和不太易脆区域的存在可允许同时构建大量不太易脆单元，然后可通过使打印结构暴露于微波照射以使易碎区域断裂，来使不太易脆单元分离。在包括由易脆区域连接的多个不太易脆区域的这种三维结构中，丝状物可以以更长的长度形成，每次都涉及丝状物沉积设备的加速和减速的拐弯和启停点的数量减少。因此，丝状物沉积设备可继续在较长时间段内以一定沉积速率沉积构建材料，而无需加速或减速。

多孔结构包含多个三维部件，至少两个，优选地至少四个，更优选地至少八个，或者甚至更多个。排列方式可以不同：沿着长度方向相邻地定位或在三个维度上分开。这些部件可根据规则的几何排列或不规则的几何排列布置在多孔结构中。单元可具有相同或不同的尺寸和形状。

当已使用基于挤出的增材制造来打印多孔结构时，干燥和/或煅烧过程可以是重要的后处理步骤。通过照射微波能量穿过所述多孔结构10，使多孔结构10在加热室中经受热处理，以减少多孔结构10的水分、溶剂和/或有机材料含量。所施加的微波能量基于多孔结构10的互连的丝状物2的排列来选择。互连的丝状物2的不同排列(例如不同的铺设角度、不同的丝状物到丝状物的距离等)可使在热处理期间施加在多孔结构上的微波能量不同。例如，多孔结构10的孔隙率降低可使施加在多孔结构10上的微波能量的量减少。可以在执行加热的同时防止沿着干燥产品的拐角或边缘形成过高的温度，这种过高的温度可导致燃烧和/或副产品的产生。

图3示出了多孔结构10的微波干燥和/或煅烧的示意图，多孔结构10使用微波施加器13来进行微波干燥和/或煅烧。微波施加器13配置成提供指向多孔结构10的微波能量30。振荡的微波能量可被多孔结构10的材料吸收，从而可产生内部发热。

多孔结构10包括在多个堆叠层11中彼此间隔开的多个丝状物2。由于丝状物2的特定排列，使得多孔结构10形成多个空隙(即空的空间)，这些空隙形成多孔结构10的互连的孔。

当用于干燥和/或煅烧具有互连的孔的多孔结构10时，微波干燥和/或煅烧提供特别好的结果。在多个堆叠层中丝状物2的特定排列可影响干燥和/或煅烧过程。通过基于多孔结构的互连的丝状物的排列来选择所施加的微波能量，可进一步降低干燥和/或煅烧引起的应力。可使内部水分、溶剂和/或有机材料有时间通过多孔结构10的互连的孔来分布。与多孔结构10的互连的丝状物的排列相关的信息从基于挤出的制造过程中已知。有利地，该信息可馈送到干燥和/或煅烧单元，以调整微波干燥和/或煅烧参数。通过这种方式，可获得考虑了多孔结构10的丝状物的特定排列的定制微波干燥和/或煅烧。

可使用不同的微波控制方法，例如间歇法和连续法。每种方法可提供所施加的微波能量的独特供应功率分布。

微波干燥和/或煅烧可产生具有更少收缩的干燥和/或煅烧的多孔结构10。有利地，可有效地降低在热处理干燥和/或煅烧过程中多孔结构10发生变形或损坏的风险。

在各种示例中，微波干燥和/或煅烧过程可提供更高的干燥和/或煅烧速率、更短的干燥和/或煅烧时间、更低的功耗和/或所打印的多孔结构的更好的质量。

图4示出了具有多个丝状物的多孔结构10的实施例的示意图。在图4A和图4B中分别示出了俯视图和侧视图。多孔结构10具有丝状物2的特定排列。特定丝状物排列参数，例如丝状物到丝状物的距离、丝状物直径、铺设角度、堆叠层数以及丝状物和多孔结构的尺寸，产生多孔结构10的互连的丝状物的特定排列。所施加的微波能量基于由丝状物排列参数确定的、多孔结构10的互连的丝状物的特定排列来选择。还可考虑构建材料的材料性质来选择所施加的微波能量。

微波干燥和/或煅烧具有许多优点，包括加热速率快和处理时间短，从而节能。此外，可获得独特且精细的内部结构发展，这可改善干燥和/或煅烧的材料的许多性质。

多孔结构10允许微波能量的更深穿透。无需直接接触要干燥的材料即可更有效地产生热量。

在一些实施例中，执行多个微波干燥和/或煅烧阶段，以对多孔结构进行微波干燥和/或煅烧。例如，在第一阶段，可对多孔结构施加在1kW/kg至1000kW/kg之间，优选地在5kW/kg至500kW/kg之间，优选地在10kW/kg至100kW/kg之间的微波功率，持续以下所需时间：将水分、溶剂和/或有机材料含量减少至基于多孔结构的湿重，在25％至1％之间的水分、溶剂和/或有机材料，然后以更低的微波功率水平进行第二阶段。作为多阶段微波干燥和/或煅烧的结果，在一些示例中，干燥的多孔结构可具有显著改善的结构质量。应理解，还设想应用多于两个阶段。所施加的微波能量可基于所打印的多孔结构10的特性(例如孔、图案、尺寸、形状等)。

图5示出了多孔结构10的实施例的示意图的横截面侧视图，多孔结构10具有彼此堆叠的沉积丝状物2形成的多个层11。使多孔结构10经受微波能量30。微波干燥和/或煅烧与材料的介电损耗相关。当材料放置在高频电场中时，材料可吸收能量。因此，在由具有正极和负极的极性分子组成的介电材料中，将产生电偶极子极化和传导。有序分散的极性分子响应于微波的交变高频电场而瞬间剧烈振动。必须克服对分子吸引力和运动的抵抗力。随着摩擦产生热量，材料的温度升高。微波加热可提高加热的均匀性。此外，通过微波热处理，可获得瞬时且精确的电子控制。

丝状物2具有丝状物直径D和丝状物到丝状物的距离A。层可具有高度H。该高度可基本上对应于丝状物直径D。然而，还可发生变化。

构建材料可以以第一层的形式挤出，第一层包括多个丝状物2。例如丝状物2可以是所沉积的构建材料的细长线的一部分。在示例中，使细长线连续地沉积。然而，还可进行不连续的沉积。此外，可挤出一个或多个附加层，每个附加层竖直地堆叠在先前挤出的层上，且还包括相对于前一层的多个丝状物2成角度的多个丝状物2。提供预定图案以限定正制造的三维物体。

作为实心结构的替代，多孔打印结构经微波干燥和/或煅烧，产生更均匀的加热，同时避免多孔结构10的外层过热。有利地，可减少干燥和/或煅烧瑕疵的发生，提供更好的生产量和可打印性。

诸如丝状物间隙、丝状物直径和铺设角度的设计参数在控制多孔特性和机械特性方面起着重要作用。例如，增加铺设角度还会增加孔隙率，这样会影响多孔结构的机械性质。在微波干燥和/或煅烧期间施加的微波能量基于多孔结构的多孔特性和机械特性来选择。

丝状物到丝状物的距离在多孔结构内产生空隙。在一些示例中，所施加的微波能量可基于丝状物排列中相邻丝状物之间的间隔。

图6a和图6b示出了微波干燥和/或煅烧多孔结构10的示意图，多孔结构10经受微波能量。多个多孔结构在传送带上运送并引导多孔结构穿过微波辐射，以实现微波干燥和/或煅烧。可实现沿着多孔结构的表面基本上均匀的功率分布，从而产生高质量的成品。可采用连续微波带式干燥器来对一个或多个多孔结构进行微波处理。

用于干燥和/或煅烧多孔结构的方法可包括：将一个或多个多孔结构装载到传送带上；连续地传送多孔结构穿过波导微波加热空间；通过使微波能量传播穿过多孔结构，使多孔结构在加热空间中经受均匀的微波热处理，以从多孔结构去除水分、溶剂和/或有机材料。在一些示例中，通过控制传送带速度和微波功率分布来调节所施加的微波能量。可选地，在加热空间中多孔结构的温度低于300℃。根据又一实施例，可以在30℃至300℃之间的温度下执行第一干燥步骤，然后在200℃至600℃之间的温度下执行第二煅烧步骤。

微波环境下的干燥和/或煅烧现象取决于特别是照射时间和微波功率水平对整个干燥和/或煅烧动力学和机械性质的影响。有利地，使用由至少一个微波施加器13引起的微波干燥和/或煅烧过程，相对于用于干燥和/或煅烧通过基于挤出的增材制造方法获得的多孔结构的传统干燥和/或煅烧方法，实现许多重要优势。例如，可获得更短的处理时间。此外或替代地，可改善整个产品中能量的体积耗散。此外或替代地，可获得高能量效率的干燥和/或煅烧过程。此外，还可提高所得产品的质量。由于干燥和/或煅烧过程，使得所干燥的一个或多个多孔结构可具有更少的损坏(例如裂纹)和/或产品变形。

在一些实施例中，可使微波能量传播穿过多孔结构以减少其水分、溶剂和/或有机材料含量，其中控制微波干燥和/或煅烧的过程参数，以使加热室中多孔结构的温度保持低于约600摄氏度。

图7示出了用于制造三维多孔结构的方法的方法100的示意图。在第一步骤101中，将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构。在第二步骤102中，通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。可选地，所施加的微波能量基于多孔结构的互连的丝状物的排列来选择。

本发明提供一种用于对打印的多孔结构进行干燥和/或煅烧或脱水的新方法，从而可实现改进的(例如更强的)干燥的多孔结构。这涉及一种独特的微波脱水或干燥和/或煅烧过程，该过程设计成对多孔结构进行脱水，其中多孔结构的特定丝状物排列决定要施加的微波能量。

在一些实施例中，间歇性地施加微波能量，以干燥和/或煅烧一个或多个多孔结构。这可提高产品质量。还可提高处理效率。例如，可使用脉冲式微波来减少热损失和多孔结构暴露于微波能量的实际时间。脉冲式微波的脉冲周期可影响干燥和/或煅烧速率以及产品质量。例如，可基于一个或多个多孔结构的特性来选择在间歇性微波操作的预定时间间隔内开启循环次数和关闭循环次数之比。通过这种方式，通过改进的干燥和/或煅烧过程，可实现目标水分、溶剂和/或有机材料含量范围。

在一些实施例中，对输入到微波施加器的电功率进行循环控制或相位控制。

可选择微波能量，以充分降低多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量，使得干燥的多孔结构的降低的水分、溶剂和/或有机材料含量在目标水分、溶剂和/或有机材料含量范围内。

在一些实施例中，在1Pa至101325Pa的范围内的压力和在30摄氏度至300摄氏度的范围内的温度下，以10kW/kg至500kW/kg的功率使多孔结构干燥持续1分钟至120分钟的时间段。

图8示出了用于制造三维多孔结构的方法的方法200的示意图。在第一步骤201中，将丝状物以预定的互连排列沉积在多个堆叠层中，以形成具有互连的孔的多孔结构。在步骤202中，基于多孔结构的互连的丝状物的排列来选择所施加的微波能量。在步骤203中，通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使多孔结构在加热室中经受热处理，以减少多孔结构的水分、溶剂和/或有机材料含量。

微波干燥和/或煅烧能够实现更快、可再现和更均匀的加热(即高产品质量)。此外，由于多孔性，使得微波可更深地穿透到多孔结构中。考虑影响孔隙率的丝状物排列，以确定或选择在热处理期间施加在多孔结构上的微波能量。

微波能量可加速挤出打印的3D多孔结构的水化，使得多孔结构在早期快速发展强度。此外，微波干燥和/或煅烧立即准备好运行和控制，而没有延迟。此外，可能不存在热量储存损失，且比能耗可很低。

在一些实施例中，在真空中执行微波干燥和/或煅烧。例如，微波室中的压力可保持在10000Pa(100mbar)至90000Pa(900mbar)的范围内。

在一些示例中，对多孔结构施加的微波功率(参见功率密度)在10kW/kg至100kW/kg的范围内。

在一些示例中，在使多孔结构经受不高于800摄氏度，优选地不高于300摄氏度，更优选地不高于100摄氏度的温度的情况下执行微波干燥和/或煅烧。

应理解，方法可包括计算机实现的步骤。上述所有步骤可以是计算机实现的步骤。实施例可包括计算机装置，其中在计算机装置中执行过程。本发明还扩展到适于将本发明付诸实践的计算机程序，特别是载体上或载体中的计算机程序。该程序可以是源代码或目标代码的形式，或适用于实施根据本发明的过程的任何其它形式。载体可以是能够携带程序的任何实体或设备。例如，载体可包括存储介质，例如ROM，例如半导体ROM或硬盘。此外，载体可以是可通过电缆或光缆或者通过无线方式或其它方式(例如通过互联网或云)传送的可传输载体，例如电或光信号。

例如一些实施例可使用机器或有形计算机可读介质或物品来实现，机器或有形计算机可读介质或物品可存储指令或指令集，如果指令或指令集由机器执行，则指令或指令集可使机器执行根据实施例的方法和/或操作。

可使用硬件元件、软件元件或两者的组合来实现各种实施例。硬件元件的示例可包括处理器、微处理器、电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、微芯片、芯片组等。软件的示例可包括软件组件、程序、应用、计算机程序、应用程序、系统程序、机器程序、操作系统软件、移动应用、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、功能、计算机实现方法、程序、软件接口、应用程序接口(API)、方法、指令集、计算代码、计算机代码等。

在此，参考本发明实施例的具体示例对本发明进行描述。然而，显而易见，在不脱离本发明的本质的情况下，可以在其中进行各种修改、变化、替代和改变。为了清楚和简明描述的目的，在本文中将特征描述成相同或不同的实施例的一部分，然而，还设想具有这些不同实施例中描述的全部或一些特征的组合的替代实施例，且替代实施例应理解为落入由权利要求所概述的本发明的框架内。因此，说明书、附图和示例应被视为说明性的意思而非限制性的意思。本发明旨在包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有替代、修改和变化。此外，所描述的许多元件是功能实体，它们可以以任何合适的组合和在任何合适的位置实现为离散或分布式组件或者与其它组件结合地实现。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词语‘包括’不排除除了权利要求中列出的特征或步骤之外的其它特征或步骤的存在。此外，词语‘一’和‘一个’不应被解释为限于‘只有一个’，而是用于表示‘至少一个’，并不排除复数。某些措施记载在相互不同的权利要求中的单纯事实并不表示这些措施的组合不能用于优势。

在以下示例中对本发明进行进一步说明。

示例1至3

制备糊状物组合物，糊状物组合物含有按重量计占60％的水，剩余的按重量计占40％的物质由沸石和粘合剂组成，沸石和粘合剂的比例为按重量计沸石占65％/粘合剂占35％。作为沸石，使用由Süd-Chemie提供的、Si/Al之比为25的ZSM-5粉末(粒度分布为0.5微米至22微米，d₅₀为8微米)来制作。沸石粉末按原样使用。使用膨润土(VWR)作为粘合剂。在使用之前，膨润土与水一起研磨。

将粘合剂与水混合，从而形成悬浮液。将沸石加入悬浮液中并使用行星式离心混合器以1900rpm混合持续2分钟。按重量计占60％的水含量确保糊状物具有良好的流动行为。由于强力混合使得糊状物温度升高，在挤出之前使粘性糊状物冷却至室温，以防止糊状物组合物的水分蒸发和发生变化。

打印数个多孔结构，每个多孔结构的重量为2g。使用微波能量，使用下表1中描述的条件来干燥如此打印的多孔结构。干燥的多孔结构的性质在下表2中概述。

这些结构使用自制的机器来生产，如文献中所述(J.卢伊滕，S.马伦斯，I.ThijsKONA粉末和颗粒杂志，28(2010)，第131页)。

表1

表2

STDV＝标准方差

从表1和表2中概述的结果可得出结论：需要一定量的能量来实现丝状物和多孔结构的干燥，且结构的孔隙率随着所施加的微波能量的增加而增加。这很可能必须归因于水的去除。

只要微波能量保持低于一定水平，就可防止裂纹的形成。不希望受到该理论的束缚，发明人假设可发生或多或少受控的水蒸发和水蒸气从丝状物逸出，只要微波能量保持有限即可。因此，水从丝状物的材料中逸出和蒸发可同时在丝状物内部和丝状物的外层发生。

一旦微波能量达到一定水平，就会在干燥过程中形成裂纹。不希望受到该理论的束缚，发明人再次假设裂纹的形成可由丝状物的外部部分或层的快速干燥和从丝状物的外部部分或层去除水而引起。假设干燥的外层阻碍蒸发的水从丝状物的更加位于内部的部分逸出。水的蒸发可导致丝状物内部的压力积聚，水试图通过具有更弱机械强度的丝状物部分逸出，从而导致裂纹形成。

比较实验A至B

使用示例1至3的糊状物组合物打印两个多孔结构。在已在沉积平台上打印之后，在空气中使用传统加热在下表3中描述的条件下干燥多孔结构。结果，特别是材料性质在下表4中概述。

假设多孔结构的空气干燥首先引起丝状物外层的干燥，这阻碍蒸发的水从丝状物的更加位于内部的部分逸出。当水试图通过具有更弱机械强度的部分从丝状物逸出时，丝状物的内部部分中积聚的水压导致裂纹形成。

表3

表4

示例4至6

使用含有按重量计占57％的水和按重量计占43％的氧化铝(来自Sasol的勃姆石(DISPERAL)，粒度＝d₅₀＝26μm)的糊状物打印数个多孔结构，每个多孔结构的重量为5.3g。在已在沉积平台上打印之后，使用微波能量，使用下表5中描述的条件来干燥多孔结构。结果，特别是材料性质在下表6中概述。

表5

表6

从示例3和示例4的比较可理解，不同的材料可具有不同的微波敏感性，并在不同的微波能量下导致裂纹形成。

比较实验C

根据示例4至6中描述的过程打印多孔结构。在已在沉积平台上打印之后，在空气中使用传统加热在下表7中描述的条件下干燥多孔结构。结果，特别是材料性质在下表8中概述。

表7

表8

Claims (29)

1.一种制造三维多孔结构的方法，所述方法包括：

提供糊状物组合物，所述糊状物组合物包含至少一种无机材料的颗粒、至少一种聚合物粘合剂和至少一种溶剂，

将所述糊状物组合物的丝状物以预定的互连排列沉积在多个连续堆叠的层中，以形成在所述丝状物之间具有互连的孔的三维多孔结构，

随后通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使所述多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，其中，在所述热处理期间采用的所施加的微波能量基于所述丝状物的结构上互连的排列来选择，所述丝状物的结构上互连的排列限定所述三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所施加的微波能量至少基于形成所述三维多孔结构的所述丝状物的相对空间定位和定向来选择。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所施加的微波能量基于由所述丝状物之间的孔产生的、所述多孔结构的宏观孔隙率来选择。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：丝状物到丝状物的距离、丝状物铺设图案、丝状物放置相互关系、由所述丝状物形成的几何图案、或者所述丝状物在所述连续堆叠的层中的铺设角度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在施加所述微波能量的过程中，使所述多孔结构稳定而不振动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在加热室中执行所述热处理，以减少所述糊状物组合物中含有的、能通过微波去除的内容物的量，所述内容物特别是水分、溶剂和/或有机材料。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所施加的微波能量基于以下至少一项来选择：所述溶剂对所述糊状物组合物的一种或多种组分的亲和力、所述糊状物组合物、所述溶剂的性质、所述三维多孔结构中所述溶剂、水分和有机材料中的一种或多种的浓度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多孔结构为网格、格子结构、丝状物网络、支架、丝状物框架、丝状物图案化排列中的一种或多种。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所施加的微波能量通过调节以下至少一项来控制：所述微波能量的微波频率、微波功率、照射持续时间或功率分布。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述功率分布配置成向脉冲式微波提供间歇性微波操作，所述间歇性微波操作包括在预定时间间隔内的开启循环和关闭循环。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，连续的微波脉冲具有相同或不同的时间长度。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述微波能量的功率分别脉冲式开启0.1秒至10分钟或至5分钟，优选地脉冲式开启0.1秒至2.5分钟，更优选地脉冲式开启0.1秒至60秒以及关闭0.1秒至5分钟，优选地关闭0.1秒至2.5分钟，更优选地关闭0.1秒至60秒即0.1至60秒。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述微波能量在连续的循环中施加，并且其中，在第一循环中施加的微波能量不同于在与所述第一循环连续的第二循环中施加的微波能量。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热处理包括多个微波干燥和/或煅烧阶段，其中，在第一阶段中，所述微波能量具有第一微波功率，所述第一微波功率具有第一能量密度，并且其中，在接连的第二阶段中，所述微波能量具有第二微波功率，所述第二微波功率具有第二能量密度，所述第一能量密度低于所述第二能量密度。

在描述中，烧结分离步骤是传统烘箱，快速干燥保持形状不收缩，由于快速干燥而避免了裂纹影响强度，快速干燥以保持更多孔隙率，然后在干燥期间使结构发泡。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过所施加的微波能量将所述多孔结构从初始温度加热到升高的温度，其中，控制所述微波能量以使所述升高的温度保持低于所述多孔材料的特定形态变化温度或相变温度。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用温度传感器监测所述多孔结构的温度，所述温度传感器优选地是红外温度传感器，其中，提供具有温度反馈的控制系统，所述控制系统配置成根据所述多孔结构的所确定的温度来动态调节所述微波能量。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多孔结构使用微波功率密度在0.01kWh/kg至10000kWh/kg的范围内，优选地在0.1kWh/kg至100kWh/kg的范围内，甚至更优选地在0.3kWh/kg至5kWh/kg的范围内的微波能量进行干燥。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在压力在1Pa至101325Pa的范围内的真空中，优选地在所述加热室中的压力在1000Pa至101325Pa范围内的减压条件下执行微波能量处理。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，热处理期间的温度升高至在25℃至800℃之间的范围内，优选地在25℃至600℃之间的范围内，更优选地在50℃至500℃之间的范围内，甚至更优选地在50℃至300℃之间的范围内，最优选地在60℃至200℃之间的范围内的温度。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述三维多孔结构经受具有均匀的能量密度的微波照射。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，施加到所述多孔结构的所述微波能量能发生变化，优选地随着以下参数中的一个或多个而发生变化：一个或多个三维多孔结构的几何形状，或者所述糊状物组合物的介电性质。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述三维多孔结构经受至少一种补充的干燥和/或煅烧和/或烧结处理。

23.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述至少一种补充的干燥和/或煅烧处理在微波处理之前、在微波处理之后和/或在连续的微波处理之间执行。

24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述丝状物的排列中形成多个不太易脆的区域，并且其中，在所述丝状物的排列中形成一个或多个预先选择的易脆区域，其中，所述一个或多个易脆区域形成所述多孔结构的结构薄弱区，使得在所施加的微波能量的影响下，所述多孔结构沿着所述一个或多个易脆区域断裂。

25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在涉及照射微波能量的所述热处理之后，加热步骤使得对所述三维多孔结构进行烧结。

26.一种用于制造三维多孔结构的增材制造系统，所述系统包括：

挤出单元，所述挤出单元配置成接收糊状物组合物，所述糊状物组合物包含至少一种无机材料的颗粒、至少一种聚合物粘合剂和至少一种溶剂，其中，所述挤出单元布置成将所述糊状物组合物的丝状物以预定的互连排列沉积在多个连续堆叠的层中，以形成在所述丝状物之间具有互连的孔的三维多孔结构，

热处理单元，所述热处理单元布置成随后通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使所述多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，

以及控制单元，所述控制单元配置成基于所述丝状物的结构上互连的排列来选择在所述热处理期间采用的所施加的微波能量，所述丝状物的结构上互连的排列限定所述三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述热处理单元布置成使支撑所述多孔结构的支撑表面的振动最小化。

28.一种微波干燥和/或煅烧系统，所述系统用于干燥和/或煅烧通过糊状物组合物的基于挤出的增材制造而获得的三维打印多孔结构，所述糊状物组合物包含至少一种无机材料的颗粒、至少一种聚合物粘合剂和至少一种溶剂；其中，所述干燥和/或煅烧系统包括热处理单元，所述热处理单元布置成通过照射微波能量穿过所述多孔结构，使一个或多个多孔结构经受热处理来干燥所沉积的三维多孔结构，其中，所述干燥和/或煅烧系统配置成：

确定待干燥的一个或多个多孔结构，以及

基于对所述丝状物的结构上互连的排列的识别来选择为了干燥和/或煅烧所述一个或多个多孔结构而施加的微波能量，所述丝状物的结构上互连的排列限定所述一个或多个三维多孔结构的孔的形状和尺寸。

29.根据权利要求28所述的微波干燥和/或煅烧系统，其中，所述热处理单元布置成使支撑所述三维多孔结构的支撑表面的振动最小化。

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