CN115023333A - 用于制造物体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于制造物体的设备，所述设备具有打印床、模板、被布置成用于加热所述模板的加热器，以及刮刀。所述模板包括一个或多个孔口并且可以定位在所述打印床上方。所述刮刀可以移动，以将打印材料铺展在所述模板上，从而迫使打印材料通过所述模板孔口。所述模板和所述打印床中的一者或两者可以移动，以调整所述模板和所述打印床之间的间距。

Description

用于制造物体的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造物体的方法和设备。具体而言，本发明涉及一种用于逐层制造模具之类的物体的三维打印机。本发明还特别涉及一种使用蜡模之类的模具来制造水凝胶之类的物体的方法。

背景技术

增材制造方法，通常称为三维打印方法，与传统制造方法相比具有多个优势。这些方法能够制造复杂零件和/或一次性零件，通常成本较低。它们通常还用于快速制造用于原型制作的物体。然而，通过增材制造生产的物体的适用性和准确性取决于材料和方法。通常，能够生产具有高分辨率特征的物体的方法是耗时的。

特别是，用于从软材料和/或生物相容性材料(诸如，水凝胶)创建三维结构的增材制造方法面临许多挑战。喷墨式打印一般不适合打印水凝胶零件。此外，高分辨率零件的喷墨式打印需要高分辨率打印头。带有小孔的打印头容易堵塞并且会导致打印时间增加。其他增材制造方法可能受限于它们适用的结构类型，可能在制造过程中对水凝胶造成细胞损伤，或者速度缓慢且不适合大规模生产。因此，目前缺乏合适的高速大规模制造方法来生产具有高分辨率特征的三维水凝胶结构。

此外，现有的增材制造方法通常会导致废料作为制造过程的副产品，特别是在制造过程中使用了支撑材料的情况下。废品的数量可能很大，特别是在大规模生产的情况下。移除支撑物也可能非常耗时且成本较高。出于成本和可持续性的原因，希望减少制造过程中产生的废物。

本发明的至少优选实施例的目的在于解决一个或多个上述缺点和/或至少向公众提供有用的替代方案。

在本说明书中，引用了专利说明书、其他外部文件或其他信息来源通常是为了提供讨论本发明特征的上下文。除非另有明确说明，否则对此类外部文件或信息源的引用不应被解释为承认此类文件或此类信息源在任何司法管辖区都是现有技术或构成本领域公知常识的一部分。

发明内容

在第一方面，本发明广泛地在于一种用于制造物体的设备，包括：打印床、模板(stencil)、被布置成加热所述模板的加热器；以及刮刀。所述模板包括一个或多个孔口并且可以定位在所述打印床上方。所述刮刀可以移动，以将打印材料铺展在所述模板上，从而迫使打印材料通过所述模板孔口。所述模板和所述打印床中的一者或两者可以移动，以调整所述模板和所述打印床之间的间距。

所述打印床可以垂直移动，以相对于所述模板升高和降低所述打印床。

所述加热器可以包括辐射加热器。例如，在一个实施例中，所述加热器包括一个或多个红外灯。所述灯可以是位于所述模板的侧面附近的细长灯。

所述模板可以包括框架和由所述框架预张紧的模板板片(stencil plate)，所述模板孔口设置在所述模板板片中。所述框架可以包括附接到所述板的第一和第二端部支撑件，以及在所述端部支撑件之间延伸的细长的第一和第二侧部构件。

所述侧部构件可以通过所述端部支撑件对所述模板板片施加预张力。在一个实施例中，所述侧部构件包括螺纹杆，每个杆设置有一个或多个螺母，所述螺母可调节，以调节施加到所述模板板片上的预张力。

每个侧部构件可以包括偏置构件，所述偏置构件作用在所述侧部构件和端部支撑件之间以施加所述预张力。

在一个实施例中，所述加热器被配置为将所述模板加热到预定温度。当所述打印材料与所述模板接触时，所述预定温度优选地足以使所述打印材料熔化，或使所述材料保持熔化。对于所述打印材料为粘性/液体形式的实施例，所述预定温度优选地足以降低所述打印材料的粘度以使所述刮刀能够铺展所述材料并迫使所述材料通过所述模板孔口。

优选地，当所述模板处于所述预定温度时，所述模板板片中的张力足以防止所述板在由所述刮刀施加的向下的力下偏转超过允许的偏转极限。

在一个实施例中，所述模板板片包括不锈钢。所述模板框架可以包括把手，所述框架和/或所述把手也可以包括不锈钢。或者，所述模板板片和/或所述框架可以包括其他合适的材料，诸如，钢或其他金属。所述板可以包括金属或织物网。

在一个实施例中，所述预定温度是在约81℃至约87℃之间的温度，例如，约83℃至约85℃之间，更优选地，约84℃。这可能适用于打印材料是蜡的实施例。

所述模板可以包括两个或更多个定位凹口或定位突起，用于将所述模板相对于所述打印床定位。在一个实施例中，所述模板包括两个定位凹口。所述凹口可以包括一个或多个弯曲边缘和/或一个或多个笔直边缘。在一个实施例中，所述凹口的边缘基本上呈弓形。在替代实施例中，所述凹口可以基本上呈V形。

所述设备还可以包括打印台，所述打印床安装到所述打印台上。所述打印台可以包括与所述模板的定位凹口或定位突起互补的两个或更多个定位凹口或定位突起，以相对于所述打印床定位所述模板。

所述模板优选地可以线性移动，与所述打印台上的定位凹口或突起接合或脱离接合。

所述刮刀可以包括成角度的刀片，其中所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。

在一个实施例中，所述刮刀包括一对成相反角度的刀片。所述一对刀片可以包括相对的前导表面，其中每个前导表面与所述模板的顶面成锐角。优选地，两个刀片都以基本相同的角度相对地定向。每个刮刀刀片可以独立地朝向和远离所述模板的顶面移动。或者，所述刮刀可以包括单个可调节角度的刀片，所述刀片可调节，以促进所述刮刀在所述模板板片上沿相反方向移动。

所述或每个刮刀刀片可以相对于所述模板板片垂直移动。所述刀片或每个刀片优选地被配置为在所述刮刀刀片接触时沿所述刀片的长度向所述模板板片施加基本均匀的压力。

在一个实施例中，所述刀片包括聚四氟乙烯(PTFE/Teflon)。或者，所述刮刀刀片可以包括任何其他合适的材料，诸如，不锈钢。优选地，所述刮刀刀片材料具有低热膨胀和/或具有与模板板片材料的低摩擦系数，和/或在所述模板的预定温度下是耐温的。在一个实施例中，所述刮刀刀片耐温至少200℃。

所述设备还可以包括第二材料施用器，所述第二材料施用器被配置为将第二打印材料施用到由所述第一打印材料形成或部分形成的物体上。所述第二打印材料可以包括液体材料，诸如，纤维素溶液，或者，所述第二打印材料可以包括粉末状固体材料，诸如，金属粉末或聚合物。

在一些实施例中，所述打印床可以被配置为选择性地振动。例如，在施用所述第二打印材料过程中或之后。

所述设备还可以任选地包括第三施用器，例如，用于施用粘合剂以粘合金属粉末，从而形成生坯。

例如，第二和/或第三施用器可以包括喷墨头、喷枪或另外的模板。

所述设备可以包括清洁器，所述清洁器被配置为从所述模板的下侧去除打印材料。所述清洁器可以包括滚筒或擦拭器。在一些实施例中，所述清洁器包括吸收性材料，诸如，纸巾或可洗布。

在一些实施例中，所述清洁器包括从第一卷轴越过清洁头上方延伸到第二卷轴的清洁色带。所述清洁头能够定位成与模板的表面接触以帮助清洁所述表面。所述第一和/或第二卷轴设置有电机，以将清洁色带拉过所述模板的表面。所述清洁头可以前后移动，以沿着所述模板的表面擦拭所述清洁色带。

在第二方面，本发明广泛地在于一种用于制造物体的系统。所述系统包括打印站和可以相对于所述打印站横向移动的打印床。所述打印站包括具有一个或多个孔口的模板、被布置成加热所述模板的加热器，以及可以移动以将打印材料铺展在所述模板上并迫使打印材料通过所述模板孔口的刮刀。

所述模板和所述打印床中的一者或两者可以移动，以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

所述系统可以包括可移动的打印台。所述打印台可以包括多个打印床。或者，所述系统可以包括多个打印台，每个打印台包括至少一个打印床。在一个实施例中，所述打印台可以旋转，以使所述打印床相对于所述打印站横向移动。或者，所述打印台或每个打印台可以直线移动。

所述模板可以包括两个或更多个定位凹口或定位突起。所述打印台或每个打印台可以包括两个或多个定位凹口或定位突起，这些定位凹口或定位突起与所述模板的定位凹口或定位突起在每个打印床处互补，用于相对于相应的打印床定位所述模板。

所述模板优选地可以线性移动，与所述打印台上的定位凹口或突起接合或脱离接合。

所述凹口可以包括弯曲边缘和/或一个或多个笔直边缘。在一个实施例中，所述凹口的边缘基本上呈弓形。在替代实施例中，所述凹口可以基本上呈V形。

所述加热器可以包括辐射加热器。例如，在一个实施例中，所述加热器包括一个或多个红外灯。所述灯可以是位于所述模板的侧面附近的细长灯。

所述模板可以包括框架和由所述框架预张紧的模板板片，所述模板孔口设置在所述模板板片中。所述框架可以包括附接到所述板的第一和第二端部支撑件，以及在所述端部支撑件之间延伸的细长的第一和第二侧部构件。

所述模板和模板框架可以具有上文关于第一方面所述的任何一个或多个特征，例如，侧部构件可以包括螺纹杆和/或每个侧部构件包括作用在所述侧部构件和端部支撑件之间以施加所述预张力的偏置构件。

在一个实施例中，所述加热器被配置为将所述模板加热到预定温度。所述预定温度优选地在所述打印材料与所述模板接触时足以使所述打印材料熔化，以使所述材料保持熔化。对于所述打印材料为粘性/液体形式的实施例，所述预定温度优选地足以降低所述打印材料的粘度以使所述刮刀能够铺展所述材料并迫使所述材料通过所述模板孔口。

在一个实施例中，所述模板板片包括不锈钢。所述模板框架可以包括把手，所述框架和/或所述把手也可以包括不锈钢。或者，所述模板板片和/或所述框架可以包括其他合适的材料，诸如，替代的钢合金或其他金属。所述模板板片可以包括金属或织物网。

在一个实施例中，所述预定温度是在约81℃至约87℃之间的温度，例如，约83℃至约85℃之间，更优选地，约84℃。这可能适用于所述打印材料是蜡的实施例。

所述刮刀可以包括成角度的刀片，其中所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。

在一个实施例中，所述刮刀包括一对成相反角度的刀片。所述一对刀片可以包括相对的前导表面，其中每个前导表面与所述模板的顶面成锐角。优选地，两个刀片都以基本相同的角度相对地定向。每个刮刀刀片可以独立地朝向和远离所述模板的顶面移动。或者，所述刮刀可以包括单个可调节角度的刀片，所述刀片可调节，以促进所述刮刀在所述模板板片上沿相反方向移动。

所述或每个刮刀刀片可以相对于所述模板板片垂直移动。所述刀片或每个刀片优选地被配置为在所述刮刀刀片接触时沿所述刀片的长度向所述模板板片施加基本均匀的压力。

在一个实施例中，所述刀片包括聚四氟乙烯(PTFE/Teflon)。或者，所述刮刀刀片可以包括任何其他合适的材料，诸如，不锈钢。优选地，所述刮刀刀片材料具有低热膨胀和/或具有与所述模板板片材料的低摩擦系数，和/或在所述模板的预定温度下是耐温的。在一个实施例中，所述刮刀刀片耐温至少200℃。

所述系统还可以包括以下一者或多者：第二材料施用站、固化或加热站、真空施加站、刨平所述物体的顶面的整修站，以及物体移除站。一个实施例包括具有第二材料施用器的第二材料施用站，所述第二材料施用器被配置为将第二打印材料施用到由所述第一打印材料形成或部分形成的物体。所述第二打印材料可以包括液体材料，诸如，纤维素溶液，或者，所述第二打印材料可以包括粉末状固体材料，诸如，金属粉末。

在一些实施例中，所述打印床可以被配置为选择性地振动。例如，在施用所述第二打印材料过程中或之后。

所述系统还可以任选地包括第三材料施用站，例如，用于施用第三材料，诸如，用于粘合金属粉末以形成生坯的粘合剂。

例如，所述第二和/或第三施用站可以包括喷墨头或喷枪。

所述系统可以包括被配置为从所述模板的下侧去除打印材料的清洁器。所述清洁器可以包括滚筒或擦拭器。在一些实施例中，所述清洁器包括吸收性材料，诸如，纸巾或布。所述清洁器可以被设置为所述打印站的一部分。

所述系统可以包括多个打印站。每个打印站可以包括单个模板，或者可以包括多个可互换的模板。

在第三方面，本发明广泛地在于制造物体的方法。所述方法包括以下步骤：设置打印床；设置具有一个或多个孔口的模板，并将所述模板定位在所述打印床上方；加热所述模板；将打印材料施用到所述模板上；在所述模板上移动刮刀以迫使熔化的打印材料通过所述模板孔口以形成物体层或模具层；以及移动所述模板和所述打印床中的一者或两者以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

在一个实施例中，所述模板包括两个或更多个定位凹口或定位突起，并且其中将所述模板定位在所述打印床上方的步骤包括使所述凹口或突起与所述打印床上或邻近所述打印床的互补凹口或突起接合。

所述凹口可以包括弯曲边缘和/或一个或多个笔直边缘。在一个实施例中，所述凹口的边缘基本上呈弓形。在替代实施例中，所述凹口可以基本上呈V形。

所述模板可以包括模板板片和框架，并且所述方法可以包括通过所述框架向所述模板板片施加张力的步骤。所述模板框架可以具有上文关于第一或第二方面的模板框架所述的任何一个或多个特征。

在一个实施例中，加热所述模板的步骤包括将所述模板加热到在所述打印材料与所述模板接触时足以使所述打印材料熔化或使所述材料保持熔化的预定温度。对于所述打印材料为粘性/液体形式的实施例，加热所述模板的步骤包括将所述模板加热到足以降低所述打印材料的粘度以使所述刮刀能够铺开所述材料并迫使所述材料通过所述模板孔口的温度。

在一个实施例中，所述打印材料包括蜡，并且所述预定温度是在约81℃至87℃之间的温度。例如，在约83℃至约85℃之间，更优选地，约84℃。这可能适用于所述打印材料是蜡的实施例。

所述加热器可以包括辐射加热器。例如，在一个实施例中，所述加热器包括一个或多个红外灯。所述灯可以是位于所述模板的侧面附近的细长灯。

移动所述模板和所述打印床中的一者或两者以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距的步骤可以包括：在所述模板上移动所述刮刀以迫使熔化的打印材料通过所述模板孔口之后并且在所述刮刀与所述模板的顶面接触时，将所述打印床从所述模板移开，以增加所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

所述方法还可以包括以下步骤：将所述模板从所述打印床上方移除，并将第二模板放置在所述打印床上方，并且在将所述第二模板放置在所述打印床上方之后，将所述打印床移向所述模板，以减小所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

所述方法可以包括使所述打印床相对于以下任一者横向移动的步骤：第二打印站、第二材料施用站、固化或加热站、真空施加站，和/或物体移除站。

可以在打印台上设置所述打印床或每个打印床。所述方法可以包括移动所述打印台，以使所述打印床相对于所述打印站横向移动。在一个实施例中，在可旋转的打印台上设置多个打印床，并且所述方法包括旋转所述打印台，以使所述打印床相对于所述打印站横向移动。

所述方法可以包括将第二打印材料施用到由所述第一打印材料形成或部分形成的模具或物体上的步骤。所述第二打印材料可以包括液体材料，诸如，纤维素溶液，或者，所述第二打印材料可以包括粉末状固体材料，诸如，金属粉末。

所述方法可以包括使所述打印床振动的步骤，例如，在施用所述第二打印材料过程中或之后。

所述方法还可以包括将第三材料施用到所述第一材料或第二材料，例如，通过施用粘合剂以粘合金属粉末从而形成生坯。

所述方法可以包括清洁步骤，所述清洁步骤包括从所述模板的下侧去除打印材料。滚筒或擦拭器可以用作清洁器，以去除所述打印材料。在一些实施例中，所述清洁器包括吸收性材料，诸如，纸巾或布。

所述刮刀可以包括成角度的刀片，其中所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。所述刮刀可以具有上文关于第一或第二方面所述的任何一个或多个特征。

在一个实施例中，所述刮刀包括一对成相反角度的刀片，并且所述方法包括使第一刀片沿第一方向移动以打印第一层打印材料，然后升高所述第一刀片并降低第二刀片并且使所述第二刀片沿第二方向移动以打印第二层打印材料。所述第一层可以打印在第一打印床上(或在所述第一打印床上部分形成的物体上)。所述第二层可以打印在第二打印床上(或在所述第二打印床上部分形成的物体上)。

在一个替代实施例中，所述刮刀可以包括单个可调节角度的刀片，所述刀片可以在第一和第二位置之间调节，以促进所述刮刀在所述模板板片上沿相反方向移动，并且所述方法可以包括将所述刀片放置在第一位置并使所述刀片沿第一方向移动以打印第一层打印材料，然后将所述刀片置于第二位置并使所述刀片沿第二方向移动以打印第二层打印材料。

在一个实施例中，所述刀片包括聚四氟乙烯(PTFE/Teflon)。或者，所述刮刀刀片可以包括任何其他合适的材料，诸如，不锈钢。优选地，所述刮刀刀片材料具有低热膨胀和/或具有与所述模板板片材料的低摩擦系数，和/或在所述模板的预定温度下是耐温的。在一个实施例中，所述刮刀刀片耐温至少200℃。

在一个实施例中，所述方法包括打印模具，并且还包括使所述模具浸入液体中或向所述模具中注入液体以及使所述液体固化或凝结的步骤。所述液体优选为可凝胶化的液体，诸如，纤维素溶液。所述方法可以包括在使所述液体固化或凝结之前对含有液体的模具施加真空。

使所述液体固化或凝结的步骤可以包括加热所述液体以使其凝胶化。

所述方法还可以包括加热所述模具以使模具材料熔化的步骤。例如，所述步骤可以包括使所述模具浸入热水中。在一些实施例中，水为至少80℃。

对于第二材料包括金属粉末的实施例，所述金属粉末，例如，用粘合剂粘合，然后对所得生坯进行烧结。烧结步骤可能使支撑模具熔化。

在第四方面，本发明广泛地在于根据上文关于第三方面的实施例所述的方法制造的物体，其中所述物体是模具。

所述模具可以包括蜡模。

所述模具可以包括生物相容性材料。

在第五方面，本发明广泛地在于根据上文关于第三方面的实施例所述的方法制造的物体，其中所述物体是凝胶物体。

所述物体可以包括凝胶柱。

所述物体可以包括螺旋结构阵列。

在第六方面，本发明广泛地在于根据上文关于第三方面的实施例所述的方法制造的物体，其中所述物体包括金属或聚合物。

在第七方面，本发明广泛地在于一种制造凝胶物体的方法，包括以下步骤：通过逐层制造工艺形成蜡模，所述模具有至少一个腔室；用液体填充一个或多个模具腔室；使所述液体固化或凝结；以及使所述模具熔化以留下凝胶物体。

所述液体优选为可凝胶化的液体，诸如，纤维素溶液。所述方法可以包括在使所述液体固化或凝结之前对含有液体的模具施加真空。

使所述液体固化或凝结的步骤可以包括加热所述液体以使其凝胶化。

使所述模具熔化的步骤可以包括使所述模具浸入热水中。在一些实施例中，水为至少80℃。水可以包括表面活性剂，以促进蜡与凝胶物体的分离。

形成蜡模的步骤可以包括上文关于第三方面所述的方法。或者，所述蜡模可以使用喷墨式打印之类的其他增材制造方法来制造。

所述物体可以包括凝胶柱。

所述物体可以包括螺旋结构阵列。

所述方法还可以包括从所述蜡模回收/再利用熔化的蜡的步骤。

对于本发明所涉及的领域的技术人员来说，在不背离如所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，将提出本发明的构造和广泛不同的实施例和应用的许多变化。本文的公开内容和描述纯粹是说明性的，而不是在任何意义上加以限制。在本文中提及在本发明所涉及的领域中具有已知等效物的特定整数时，这些已知的等效物被视为并入本文，如同单独阐述一样。

本说明书和权利要求书中使用的“包括(comprising)”一词是指“至少部分地由...组成”。当解释本说明书和权利要求中包括“包括(comprising)”一词的陈述时，也可以存在除以此词开头的那些特征之外的其他特征。诸如“包括(comprise)”和“包括(comprised)”之类的相关词语将以类似的方式进行解释。

对本文中所公开的数字范围(例如，1到10)的引用旨在也包括引用此范围内的全部有理数，以及此范围内的任何有理数范围(例如，1到6、1.5到5.5，以及3.1到10)。因此，本文明确公开的所有范围的所有子范围均在此明确公开。

如本文所用，名词后的词语“(s)”是指这个名词的复数和/或单数形式。如本文所用，词语“和/或”意指“和”或“或”，或在上下文允许的情况下，两者均指。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中：

图1是示出用于制造蜡模和水凝胶结构的一种实施例方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的具有旋转打印台、打印站以及模板库的三维打印单元的侧视图；

图3是图2的打印单元的打印站的侧视图；

图4A是图2的打印站的立体图；

图4B是对应于图4B但附加地示出加热器的立体图；

图5是图1至图4B的打印站的旋转打印台和支撑框架的立体图；

图6是显示图5的旋转打印台的一部分的局部平面图，其中模板位于其中一个打印床上；

图7是对应于图6的视图的局部立体图，且显示了安装在打印台上的高度可调节的打印床；

图8是用于定位在图6和图7的打印台上的示例性模板和张紧框架的立体图；

图9是另一个实施例模板的平面图，没有张紧框架；

图10是将真空盖施加在使用图2至图9的打印单元打印的蜡质物体上方用于对物体施加真空的立体图；

图11是单个三维方向具结构型态重复性最小表面(TPMS)螺旋体单元格的立体图；

图12是图11的单元格的二维阵列的立体图；

图13示出了用于分层以创建图12的二维阵列的二十个模板图案；

图14示出了另一实施例模板装载机构；

图15是模板清洁机构的立体图，其中清洁色带被移除；以及

图16是图15的模板清洁机构的另一视图，显示了清洁色带。

具体实施方式

现在将参照图1至图10描述本发明，图1至图10示出了用于制造物体的示例性实施例设备和方法。图2中所示的设备1包括至少一个打印床7和至少一个具有一个或多个孔口13的模板9。模板9可以定位在打印床7上方。在所示的实施例中，设置了多个可移动的打印床7和多个可互换的模板9。

所述设备包括：加热器10，被布置成加热模板9；和刮刀11，可以移动，以将打印材料铺展在模板9上，从而迫使打印材料通过模板中的一个或多个孔口13。使打印材料通过模板孔口13在打印床7上形成一层打印材料，从而使物体逐层形成。模板9和打印床7中的一者或两者可以移动，以调整模板和打印床之间的间距，从而能够打印连续的层体。

在所示实施例中，加热器10、模板9以及刮刀11形成打印组件3，打印组件3支撑在框架5上并且可以相对于框架和打印床7水平移动。打印床7各自由被布置在可旋转打印台8的周边附近的相应的打印床调整组件15支撑。通过旋转打印台8，打印床调整组件15，以及打印床7也可以相对于框架5和打印组件3横向移动。

打印床调整组件15各自包括壳体，例如，圆柱形壳体，打印床7可以在其中上下移动，以及用于使打印床7垂直移动的机构。所述机构可以包括机械、机电或气动布置。在所示实施例中，可以使用由步进电机驱动的螺杆机构使每个打印床7垂直移动。也就是说，打印床7可以相对于模板13和相对于壳体升高或降低。打印床7可以按增量上下移动，其中每个增量等于打印层的厚度。步进电机、电磁体或其他装置可以被配置为或设置为选择性地将打印床7在所需高度处锁定到位。

打印床7可以包括可移除的打印表面，以帮助在制造之后移除物体并且使清洁更容易。打印材料通过模板9直接沉积在打印表面的顶面上。然后，可以在制造过程结束时将打印表面与物体一起移除。打印表面可以包括嵌入的磁体或机械紧固件，使得打印表面能够被固持到打印床7的其余部分，例如，在打印过程中使用电磁体。在移除物体时，可以使电磁体失活，以从打印床组件15释放打印表面和制成的物体。

图8示出了用于图2的设备的示例性模板9。模板9包括框架17和由框架17预张紧的模板板片19。模板板片包括金属板，例如，其可以包括不锈钢实心板、替代的钢合金，或金属网或织物，其中一些孔隙被填充以形成模板。

模板孔口13设置在模板板片中并且可以使用任何合适的方法形成，诸如，通过化学蚀刻、激光切割、CNC微铣削或混合制造而形成。通常，使用激光切割机进行制造可以生产具有更高分辨率特征(诸如，更小的特征、尖角以及直切口)的模板，因此在需要高打印分辨率(但不是纳米级分辨率)的情况下是优选的。

框架17包括附接到模板板片19的相对端的第一和第二端部支撑件21。用于第二实施例模板的模板板片19'在图9中示出，其中框架被移除(此第二实施例模板板片19'具有不同的孔口13'布置，但与相同的框架17一起使用)。在图8和图9的实施例中，每个框架端部支撑件21是两部分的构件，其接收并夹持模板板片19、19'的相应端部。如图9所示，模板板片19可以在板的每一端具有一排孔口23'，以便于将每个端部支撑件21的两个部分拧在一起以夹持模板板片19、19'。板19'中的孔口23'接收与相应的端部构件21的两个部分接合的螺钉。

框架17还包括在端部支撑件21之间延伸的细长的第一和第二侧部构件25。侧部构件25保持端部支撑件21间隔开，并通过端部支撑件21向模板板片19施加预张力。在所示实施例中，侧部构件25包括螺纹杆。每个杆上设置有两个螺母(未示出)，其中每个螺母被布置成接触相应的端部支撑件21的内表面，从而促使端部支撑件21彼此远离。这将张紧力施加到模板板片19，以使板19预张紧。每个螺纹杆25上的至少一个螺母是可调节的，以增加或减小施加到端部支撑件21的力，从而调节施加到模板板片19的预张力。

这种预张力有利地使模板板片19在打印过程中的偏转最小化。板19的偏转是不希望的，因为它会导致打印缺陷。当模板9处于操作温度时，优选地选择预张力，以防止在由刮刀施加的向下的力下，板的偏转超过允许的量。

在替代实施例中，偏置构件可以设置在每个框架侧部构件25上，在侧部构件(例如，抵靠设置在侧部构件上的螺母)和端部支撑件21之间作用，以将预张力施加到模板板片19。

每个模板框架17还包括一对把手31。在所示实施例中，每个把手31从相应的端部支撑件21延伸并且与相应的端部支撑件21成一体。把手31便于对模板9的提升和定位。

在所示实施例中，设置了多个模板9，其中每个模板9对应于物体层。模板以相反的构建顺序堆叠33a，对应于最低层的模板堆叠在顶部，并且用于最顶层的模板在底部。打印组件3包括模板提升器35。模板提升器35包括电磁体，并且可操作以通过激活电磁体以接合把手31而从第一堆叠33a提升模板9，并且通过使电磁体失活将用过的模板9释放到第二堆叠33b上。升降器34a将第一堆叠中的模板9向上馈送，使得最顶部的模板9处于与模板提升器35接合的高度。类似地，升降器34b将第二堆叠33b中的模板9向下移动，因为用过的模板会被收集起来。返回到第二堆叠的模板可以移动到第一堆叠的底部，以打印具有重复层组的物体。在替代实施例中，可以使用机器人布置和模板库来互换模板。图14显示了另一种用于存放和接收用于打印床上的模板的模板装载设备130。模板堆叠存放在提升转架(carousel)133中。模板109a、109b以相反的构建顺序堆叠，其中对应于最低层的模板堆叠在顶部，并且用于最顶层的模板在底部。每个模板由对应的一对支撑臂134支撑。在所示实施例中，提升转架133中固持二十个模板，然而，可以预期用于支撑更多或更少模板的系统。

提升转架133以增量方式旋转，使支撑臂134移动通过多个预定位置，包括可以从支撑臂134移除模板的顶部水平位置。提升转架133继续旋转，使得支撑臂134上升，翻转，然后再次下降，直到重复此过程为止。关于图14的视图，提升转架133以箭头R所示的顺时针方式旋转。

一旦模板到达顶部水平位置，气动推杆(ram)141或其他线性致动器就向前推动模板109，使其滑离相应的一对支撑臂134。模板109被推到顶部传送带143上，传送带143旋转，以将模板传送离开转架133。多个接近传感器145被布置成检测模板109b何时到达预定的“提升”位置。当模板109处于此提升位置时，系统控制器使顶部传送器143停止。从这个提升位置，可以用电磁模板提升器35提升模板，并将其定位在打印组件3中，如上所述。

当模板提升器35移除模板时，信号被发送到系统控制器，以传达系统处于“打印模式”的信息。为了存放模板，模板被模板提升器放回提升位置。接近传感器145检测到模板已被放置在传送带上，当模板109处于此位置时，系统控制器再次启动顶部传送带143。用过的模板被传送到第二提升器上的一对模板支撑件147，由此通过第二提升器以与提升转架133类似的方式旋转而使模板降低，从而将模板降低到提升器151的基部。

当模板109a接近提升器151的基部时，与其接触并被转移，以与承载在下传送带153上的下托架157接触。接近开关或传感器155感测下托架157上的转移何时发生并触发下传送带153的移动。然后，下传送带153将用过的模板109a和托架157移向提升转架133的基部。模板由下传送带153从下托架157移动到一对支撑臂134上，以重复此过程。

在所示实施例中，上传送带和下传送带被示为链，但是可以设想其他形式的传送带。在一些实施例中，模板装载设备130至少部分地被封闭，并且包括用于加热模板装载设备的热源。在一个实施例中，设备被加热到大约80摄氏度，从而对模板进行预热，以便更快地打印。优选地，传送带材料适合于模板装载设备的选定操作温度。

包括模板9和模板提升器35的打印组件可以沿框架5水平横向移动，例如，使用气动推杆，以将模板基本定位在打印床7或打印堆叠33a、33b之一的上方。当打印组件3就位时，模板提升器35可操作以通过使电磁体失活将模板9释放到打印台上，并且稍后通过激活电磁体与把手31接合将模板从打印台8提升。

打印组件3还包括机构36，用于在模板提升器35已将模板9释放到打印台8上时使模板9水平移动以使模板相对于打印床7定位。在所示实施例中，设置了气动推杆36。

每个模板9包括两个或多个定位凹口27、27'或定位突起，用于使模板9相对于打印床7定位。在所示实施例中，模板框架17和板19各自包括设置在模板板片19一端的两个对应的凹口。在模板孔口13、13'的制造过程中，定位凹口27、27'从模板板片19上切下，从而确保凹口27、27'相对于模板板片19中的孔口13、13'的准确定位。凹口27、27'基本上呈弓形，例如，由半圆形或半椭圆形切口形成。然而，在替代实施例中，凹口可以包括一个或多个笔直边缘，例如，呈“V”形。

互补的定位凹口或突起29(图6)设置在打印台8上，邻近打印床7。设置在框架17上的凹口总体比模板板片19上的凹口27、27'更大，例如，具有更大的半径。这确保了模板板片凹口27、27'的边缘周围有框架凹口的间隙，从而确保定位突起29仅接触模板板片中的凹口。这确保了相对于模板板片19而非框架17的对准。

在所示实施例中，两个定位销29设置在打印台8上，邻近打印床7。销29以对应于凹口中心的间距的间距隔开，并且销29具有轴，轴的直径对应于位于或靠近凹口的中部的凹口27的边缘的曲率半径。在所示实施例中，销29基本上呈圆柱形，但也可以是半圆柱形、矩形或其他形状，其表面成形为与凹口的边缘的互补成形部分接合。

水平推杆36可操作，以将模板9推向销29并使其与销29接合。销29对模板9定位并且基本上防止模板相对于打印床7的任何移动。模板提升器35也可操作，以向模板9施加向下的力，从而将模板锁定在适当位置。

连续模板之间的模板孔口13的任何失准，或模板定位相对于打印床的移动或偏离都可能导致打印层失准，从而降低打印物体的准确性和质量。定位凹口和突起确保连续模板的模板孔口精确对准，从而提高准确性和可重复性。

替代实施例可以包括替代对准装置。例如，模板9可以与打印床7光学对准，例如，使用基准物，或者可以使用传感器对准。此类方法可以有利地减少对模板的磨损，但通常会更慢。

加热器10被设置成加热与打印组件3接合的模板9的顶面。加热器10被配置为将模板加热到高于打印材料熔点的预定温度，使得打印材料在被放置到模板9上时将熔化或保持熔化状态。传感器可以被设置成测量模板的表面温度，和/或加热器10可以被配置为将模板9加热预定量的时间。

加热器10可以包括辐射加热器，诸如，红外灯。在本实施例中，两个细长的红外灯12a、12b位于模板9的侧面附近。加热器/灯的数量和每个加热器/灯的额定功率将取决于待加热的模板的尺寸和所需的加热时间。在一些实施例中，附加地或替代地，模板堆叠33a、33b可以设置有加热器，以对模板进行预热。例如，模板堆叠可以定位在烘箱内。在一些实施例中，每个模板可以在烘箱中预先装载蜡，使得模板和蜡在每次模板更换后立即准备好进行打印。

图4A和图4B显示了用于将打印材料铺展在模板9上的刮刀组件11。刮刀组件11包括一对成角度的刮刀刀片37a、37b，但是替代实施例可以仅包括单个刀片。

每个刮刀刀片37a、37b附接到固持件39，使用气动推杆41，固持件39可以独立地上下移动。刮刀刀片37a、37b相对于模板板片的顶面成角度倾斜。在具有两个刮刀刀片37a、37b的实施例中，一个刀片37a被配置为用于在第一方向上使用，而另一个刀片37b是相反角度的，被配置为用于在相反的第二方向上使用。

每个刮刀刀片的前导表面与模板9的顶面形成锐角θ。在所示实施例中，刮刀刀片都以基本相同的角度θ成角度倾斜，前导表面总体彼此面对。然而，在替代实施例中，前导表面可以大体上彼此背离。

在所示实施例中，每个刀片固持件39具有倾斜表面38，相应的刀片37a、37b抵靠在倾斜表面38上。刮刀刀片37a/37b在刮刀刀片的顶部边缘处或附近附接到相应的倾斜表面38。垫圈板45通过两个弹簧加载销43可移动地附接到每个刀片固持件39。每个垫圈板45的下边缘接触相应的刮刀刀片37a、37b。两个弹簧加载销43将垫圈板45推向刀片固持件39，从而向相应的刮刀刀片37a/37b施加向下的压力，并阻止刀片37a/37b围绕其顶部边缘并相对于固持件39旋转。垫圈板45将来自弹簧加载销43的力作为向下的力均匀地分布到刮刀刀片37a/37b，以帮助使向下的压力均匀地分布在模板上。

当刮刀刀片在模板板片上移动时，弹簧加载销43和垫圈板45推动刮刀刀片37a、37b与模板板片19接触并提供足够的向下压力以确保相应的刮刀刀片37a、37b在整个移动过程中与模板板片的顶面保持接触，从而实现熔化的打印材料的基本均匀的分布。可以在弹簧加载销上设置螺母，以允许调整施加到模板上的弹簧力。

刮刀刀片37a、37b是有弹性的，并且能够在与模板接触时折曲。也就是说，它们应该足够柔韧以避免在接触时损坏模板板片，有弹性，从而可以从任何折曲中恢复，但足够硬，以在操作温度下将打印材料擦过模板板片。

刀片37a、37b包括与模板板片的表面(通常是不锈钢)和在模板的操作温度下表现出低摩擦系数的材料。刀片37a、37b还优选地包括一种材料和表面光洁度，显示出对打印材料的低粘附性，以便于清洁。在所示实施例中，刀片37a、37b包括聚四氟乙烯(PTFE/Teflon)。PTFE有利地具有与不锈钢的低摩擦系数、良好的耐磨性、对不锈钢模板的磨损低，并且耐热高达200℃。在替代实施例中，刀片37a、37b可以包括替代的聚合物或金属，例如，不锈钢、铜或铝。

打印组件3还包括材料施用器(未示出)，以在模板与打印组件接合时或在模板与打印组件接合之前将打印材料放置到模板9上。打印材料被放置在模板孔口13的一端，在模板孔口13和相应的端部支撑件21之间，邻近刮刀的起始位置。

在一些实施例中，附加地或替代地，材料施用器可以包括施用器加热器，以在将打印材料分配到模板上之前对打印材料进行预热或使打印材料熔化。

图1示出了使用上述设备1制造物体的方法。打印过程从使用模板提升器35拾取第一模板119开始。提升器35中的电磁体和气缸与模板119接合并将模板119从模板堆叠133提升。

然后，将模板9加热到足以使打印材料熔化、使预熔化材料保持熔化的温度，或对于粘性打印材料，将打印材料的粘度降低到铺展所需的水平。在提升之前，模板9可能已经被预热。

在本实施例中，打印材料102包括蜡，且模板119被加热至约81℃至87℃之间的温度。将温度控制在此范围内有助于最大限度地降低由于打印材料过热和底层熔化或过冷而无法完全打印并粘合到底层而导致的打印缺陷的可能性。

加热模板9的时间长度是加热器10的额定功率、模板的初始温度、模板的尺寸以及模板板片19和框架17的相对热特性的函数。模板板片19可以比框架17更快地达到所需温度。希望模板板片19和模板框架17在打印之前达到基本相同的温度，以避免由于模板板片19与框架17相比更高水平的膨胀而导致板19中的张力降低。这可以通过使用具有相似材料特性的模板板片19和框架17的材料来实现。

打印组件3沿框架5横向移动，以将模板大体定位在打印床7上方。提升器35中的气缸将加热的模板119降低，与打印台8接触，然后，电磁体脱开，以释放模板9。然后，水平推杆36通过推压其中一个模板把手31将模板9推入打印位置，在此打印位置，模板框架17上的凹口27与打印台8上的定位销29接合。然后，提升器35进一步下降，以按压并锁定模板119，使其与打印台8接触。

在这个阶段或在定位模板9之前，打印床7升高(或降低)到打印台8的顶面下方的打印位置，其中模板板片19的下表面与打印表面之间的距离足以适应由于刮刀11施加的力而使模板板片19产生的任何预期偏转，模板板片19不会接触打印表面(用于打印第一层)或部分打印对象的上表面(用于后续层)。

一定量的打印材料被分配到模板孔口13和第一个端部支撑件21之间的加热模板上。打印材料可以是固体形式，例如，粒料，并且可以熔化。或者，可以对打印材料进行预熔化或预热并注入或以其他方式分配到加热的模板上。

两个刮刀刀片中的第一个刀片37a被定位并降低以与模板板片19接触，邻近模板板片的第一端，刀片37a的尾随表面面向并邻近相应的框架端部构件21a(如图4A所示)，使得打印材料位于刮刀刀片的前导侧。

刮刀组件11以及第一刀片37a朝向模板的相对的第二端水平移动。这种移动可以使用任何合适的直线运动机构来实现，本实施例包括两个步进电机和滑轨，例如，直线滚珠轴承轨道。

当刮刀刀片37a在模板板片19上移动时，会迫使熔化的打印材料通过模板孔口13到打印表面上，以形成物体的第一层104。当熔化的材料接触较冷的打印表面时，会硬化。

在层体打印过程中，刮刀11向下推动模板板片19，使板发生一定的偏转。如果模板偏转过大，则可能会打印过多的材料，从而导致两个打印特征与不需要的材料连接起来的不需要的特征“桥接”。

为了避免这种不希望的偏转，希望确保模板板片的预张紧足以将这种偏转限制在打印材料和打印分辨率可接受的范围内。可以调谐模板板片中的张力，例如，使用两个螺纹轴框架侧部构件24。在本实施例中，中心模板在200g(2N)销质量下的偏转被设置为200微米。然而，在具有替代打印材料或具有不同孔口尺寸或打印层厚度的其他实施例中，其他偏转可能是合适的。对本领域技术人员显而易见的是，可以通过简单的试错过程确定允许的偏转，从而检查不同张力水平下的打印缺陷。

一旦刮刀刀片37邻近模板的第二端，层体的打印就完成了。当刮刀仍与模板板片的顶面接触时，降低打印床7，将其从模板移开，以增加模板9和打印床7之间的垂直间距。打印床至少降低打印层的深度，但更优选地降低打印层深度的两倍或更多倍的距离。

在打印床7已经下降之后，刮刀刀片37被提起，以与模板脱离接触。在提升模板之前降低打印床7能够控制模板和打印层的分离速度，因为在来自刮刀的向下的力被释放之后模板将略微上升。

为了将模板9从打印台8上的位置解锁，提升器35将模板提起，且电磁体失活。使用激活的电磁体与模板接合的水平推杆36将模板9拉出，与凹口27脱离接合。模板的这种移动约为或略大于凹口的深度，例如，约5mm。然后，使用模板提升器35将模板119从打印台上提起。提升器35中的电磁体和气缸接合并提升模板119。

打印组件3沿框架5横向向后移动，以将模板9大体定位在第二模板堆叠33b上方。提升器35中的气缸将加热的模板119降低到第二打印堆叠33b上，然后电磁体脱开，以释放模板。

由于模板表面的表面粗糙，一些打印材料可能会在打印一层后与模板板片的下表面保持接触。如果不去除多余的材料，则可能会降低使用此模板打印的后续层体的打印精度，特别是对于非常小的物体而言。在将模板放置在第二打印堆叠33b中之前，可以从模板上清除任何残留的打印材料，例如，通过用滚筒、擦拭器和/或纸巾等吸收性材料擦拭模板9的下侧或顶面和底面。

图15和图16显示了用于从用过的一个或多个模板上清除蜡以及其他碎屑的模板清洁设备71的一个实施例。模板清洁器71包括两个色带卷轴73，每个色带卷轴73具有用于选择性地驱动卷轴73的相关联的电机75。如图16所示，色带77从第一个卷轴73延伸，越过清洁头79，到达第二卷轴73。导杆81定位在卷轴73和清洁头79之间，以帮助使色带77正确定位和张紧。导杆81包括端部止动件83，以防止色带横向移离清洁头79。第一个卷轴73装载有清洁和干燥的色带77的卷轴，色带通过清洁头79，到达第二个卷轴73。第二卷轴电机运行，以将色带从第一卷轴拉出并将其缠绕到第二卷轴上。当这种情况发生时，第一卷轴电机被电气禁用，以允许第一卷轴自由旋转。这个过程可以选择性地反转，即第一卷轴电机运行，以将色带从第二卷轴拉出并将其缠绕到第一卷轴上。

清洁头79包括用于接触模板下侧的基本平坦的顶面79a。清洁头的边缘79b优选地是弯曲的，以使色带77能够平滑地滑过清洁头，并使对色带77的磨损最小化。清洁头79安装在可移动的盒85上。清洁头79在可移动的盒85上上下移动，使其可以移动成与模板的下侧接触和不接触。盒85被安装成通过导杆87前后移动。盒85定位清洁头，且色带定位在清洁头上，在用过的模板下方。

为了清洁模板，通过可移动的盒85将模板清洁设备71定位在用过的模板下方。清洁头79以及由此在清洁头79上方延伸的色带77向上移动，以与模板接触。用于收集用过的色带的卷轴73沿一个方向转动，以从另一个卷轴73拉出清洁色带并将其缠绕到用过的色带卷轴上，同时色带与模板接触，从而将色带拉到模板的表面上方。随着色带77被拉过清洁头79，清洁头也前后移动，以从模板上擦去不需要的或多余的蜡或其他碎屑。色带77用于吸收不需要的或过量的蜡或其他碎屑。

色带77通常包括机织织物，例如，缎子。优选地，色带材料是光滑的低绒毛织物，能够吸收不需要的或过量的蜡或其他碎屑。使用第一个卷轴的色带后，更换卷轴。用过的色带织物可以被处理掉，或者可以通过将其装载到另一个卷轴上而在过程中进行清洁、干燥以及再利用。模板清洁设备71优选地布置成邻近上述模板装载设备或形成上述模板装载设备的一部分，并且被配置为在模板返回到提升转架之前从模板清除不需要的或多余的蜡或其他碎屑。在所示实施例中，模板清洁设备71与旋转打印台一起使用。旋转打印台的每个打印站包括一个或多个凸片或其他特征，以识别打印台上的点。开关89设置在模板清洁设备71上。此开关89在与打印站上的一个或多个凸片或其他特征接触时被激活，以检测模板清洁设备71何时与打印站正确对准并传达模板清洁器何时应该被激活。

然后，使用第二模板，然后是后续的模板，重复上述与图1相关的过程，如图1中的循环120所示，以逐层构建物体106。

在用第二模板打印过程中，使用第二刮刀刀片37b。第二刮刀刀片37b被定位并降低，以与模板板片19的第二端附近的模板接触，刀片37b的尾随表面面对并邻近相应的框架端部构件21b(如图4A所示)。在模板孔口13和第二个端部支撑件21之间将一定量的打印材料分配到加热的模板上，使得打印材料在刀片的前导侧与刮刀刀片相邻。刮刀组件11以及第二刀片37b以与上述相同但相反的方式朝向模板的第一端水平移动。

图2中所示的设备包括单个打印组件或打印站3，以及围绕可旋转的打印台8的周边布置的多个打印床7。与使用上述方法打印单个物体不同，这种布置能够同时打印多个物体。一旦在第一个打印床7上完成了一层，就降低打印床并且提升模板，旋转打印台8，以将第二个打印床7定位在模板9下方。可以清洁模板的下侧。然后，将相同的模板降低到打印台8上第二打印床上方的位置并且第二打印床升高。在不改变模板的情况下，对多个打印床7重复层体打印的过程。一旦给定的层体被打印到每个打印床上，就会按照上述过程更换模板。

双刮刀刀片布置在连续多次使用同一模板的系统中特别有利，因为它使打印材料能够向前或向后擦拭，而无需在打印每一层后使刮刀向后移动，从而加快打印时间。双刮刀刀片布置还允许从一个方向擦拭的多余打印材料被擦回以打印下一层，从而无需在一个方向打印后从顶面清除多余的蜡。相比之下，一些实施例可以仅包括单个刮刀刀片，但这些实施例需要将刮刀移回起始位置。或者，为了实现类似的功能，设备可以包括具有可调节倾斜度的单个刮刀刀片，使得刀片的角度可以针对每次打印操作而改变。

在替代实施例中，可以设置多个打印站，其中每个打印站仅具有单个模板并且对应于物体的一层。打印站按打印顺序布置，且给定的打印床移动到第一个打印站下方以打印第一层，然后移动到第二打印站下方以打印第二层，并且继续移动到后续的打印站以进行后续层体的打印。在这样的实施例中，打印床7可以设置在诸如图1所示的旋转台上，其中打印床的数量等于或大于打印物体106中独特层的数量。或者，可以以其他方式设置打印床并使其在站点之间横向移动。例如，打印床可以设置在传动带上或作为链状生产线的一部分，并在站点之间移动。对于长链系统，为了减小打印床和打印物体上的惯性力，以免在打印床在站点之间移动时间歇性地停止打印台或链条的移动，打印站可以被配置为在打印时与打印台或链条一起行进。

在具有多个打印站的替代实施例中，每个打印站可以包括多个可互换的模板，使得每个打印站打印物体的多个独特层。这种布置仍然需要更换模板，但会减少与打印站数量相对应的因素所需的更换次数。

可选地，系统或设备可以包括除打印站3之外的一个或多个其他站点。例如，系统或设备可以包括第二材料施用站、固化或加热站、真空施加站、用于整修物体层的顶面的站点，或物体移除站。

上述打印方法被设想成用于打印用于制造物品的模具或支撑件，特别是蜡模。在这些实施例中，最终制品的材料不通过模板施用，而是通过第二材料施用器施用到打印或部分打印的模具上。第二施用器可以被配置为在打印过程中或在模具从机器上取下之后将粉末状固体材料(诸如，金属粉末)施用到打印的或部分打印的模具上。

图1所示的方法是制造水凝胶物体116的方法。在此实施例中，通过上述逐层制造工艺生产的物体106是蜡模，然后使用蜡模形成水凝胶物体。第二打印材料包括纤维素溶液109，以形成水凝胶。

一旦蜡模106被打印，就将模具浸入纤维素溶液109中，或模具106被注入108液体109。在将纤维素溶液注入模具或浸没模具之前，如图10所示，将圆柱形管47放置在打印床7上，以容纳溶液并支撑圆柱形纤维素凝胶柱并且使其成形。

在本实施例中，圆柱形管47包括聚碳酸酯管，此聚碳酸酯管被密封到打印床上，以防止纤维素溶液从管47的底部漏出。例如，管可以在一端包括螺纹以使其能够拧到打印床7上的互补螺纹上，并且密封垫圈(未示出)被放置在管和平台之间的接合处，以形成气密密封。

在下一步骤110中，将盖子49放置在管和含有纤维素的物体上方(参见图10)。通过盖子49中的入口51对物体施加真空，以在盖子内产生负压，从而去除截留在模具内的任何气泡。盖子被密封到管或管周围的打印床上。

一旦空气被去除，物体就会从打印床和管移除。在一些实施例中，此移除步骤可以是自动化的，例如，使用机械臂移除聚碳酸酯管并从设备中移除物体。

然后，将移除的物体置于预热的烘箱112中，以使纤维素溶液凝胶化，从而形成凝胶。对于示例性纤维素实施例，烘箱温度优选为至少50℃。凝胶化时间因烘箱温度和柱体的大小而异。

在替代实施例中，第二材料可以包括任何替代的可凝胶化的聚合物，例如，琼脂糖、明胶、透明质酸或胶原蛋白，而不是纤维素溶液。

一旦纤维素凝结，就移除蜡模。为此，将物体加热到高于蜡的熔点(50℃-70℃)的温度，但温度不足以损坏凝胶结构或使其熔化。这优选地通过将模具浸入热水浴114(例如，温度约为90℃的水)中来实现。

由于水和熔化的蜡的不混溶性，纤维素凝胶在熔化时迅速从蜡模中分离出来。熔化的蜡漂浮在水浴上，可以收集起来回收利用。这有利地最大限度地减少了制造过程中的废弃副产品，提高了可持续性并降低了成本。

在收集到大部分熔化的蜡后，将肥皂等表面活性剂添加到水浴中，以洗涤纤维素凝胶并去除任何残留的蜡。然后，将水凝胶物体从水浴中取出，并且可以从物体上修剪掉任何多余的材料。

在替代实施例中，上述方法的变型可以用于制造金属或聚合物物体。

在用于制造金属部件的实施例中，根据上述方法制造诸如蜡模之类的模具。每一层或每隔几层周期性地将粉末金属施用到部分成型的模具上，填充模具中的腔室。或者，可以在将粉末金属放入模具腔室之前将模具整体打印。为了确保金属粉末对模具的紧密填充，可以对物体施加振动，例如，通过打印床7施加振动。设备还可以包括第三材料施用器，诸如，喷墨式施用器，以将粘合剂施用到粉末金属上。然后，在打印下一个模具层之前，根据所用粘合剂的要求，例如，使用UV光，使粘合剂固化。因此，在此实施例中，用于金属物体的生坯与模具一起形成。

然后，将生坯烧结，以粘合金属颗粒并形成最终物体。可以通过任何合适的方式进行烧结，例如，利用热交换器，诸如，薄壁热交换器或催化转化器，和/或烧结可以在真空或惰性气体烘箱中进行。这种烧结将使蜡模熔化，留下烧结的金属部件。或者，视生坯的特性而定，蜡模可以在烧结之前通过首先将生坯-蜡组分置于水浴中而去除，如上所述。

图11至图13示出了可以使用上述方法制造的用于色谱应用的一个示例实施例水凝胶物体的几何形状。物体116是基于螺旋体的水凝胶柱，包括螺旋体单元的三维网络。

网络螺旋体单元61在图11中示出，被建模为常见的三维方向具结构型态重复性最小表面(TPMS)。TPMS模型是使用以下等式生成的，以近似表面，给出接近真实螺旋体的非最小表面。

sin(X)×cos(y)+sin(y)×cos(z)+sin(z)×cos(X)＝0

基本面片(patch)由八个等距倾斜六边形组成，其中六个在面片的中心有一个顶点。默认情况下，模型中生成的通道尺寸为直径Pi。

使用实体建模软件，对螺旋体单元61的二维15×15阵列63进行建模。然后，使用建模软件将此网络模型水平分割成多个层体。切片的数量取决于制造的零件尺寸和所需的分辨率。在此示例中，50％的多孔隙螺旋体晶格单元的通道尺寸为0.5mm，边长为1mm，被切成20层，厚度为0.05mm。然而，显而易见的是，单元格可以缩放成任何所需的尺寸。

这些层体中的每一层都在图13中示出。这些层体各自用于制造对应的模板并使用上述方法打印一层螺旋体阵列。使用模板连续打印第一层到最后一层，创建了图12的二维螺旋体阵列。用20个模板多次重复这个过程，创建了三维列，包括多个堆叠并连接的二维阵列63和互连的TPMS通道。

为了使用图2的设备制造具有500微米通道尺寸和50mm宽度的完整蜡模螺旋柱，打印每个蜡层大约需要4秒。在打印台8周围具有24个打印站3的示例实施例中，一个完整的循环(one complete revolution)需要120秒(允许打印床在随后的打印站3之间移动1秒)并且导致每24个零件打印一层。对24个高度为50mm、层厚为0.05mm的零件进行热3D丝网打印，估计单个零件大约需要2000分钟(33.3小时)或大约83分钟(1小时23分钟)。相比之下，市售的Solidscape 3D打印机需要28-32小时才能打印出具有相同尺寸的单个零件，并且还需要5-7天才能移除支撑材料。因此，本发明的实施例有利地提供了一种用于制造此类部件的更快的方法，以及一种适合于对部件进行大规模生产的方法。

本发明的优选实施例仅以示例的方式进行了描述，并且在不背离本发明的范围的情况下，可以对其进行修改。例如，可以使用替代技术制造蜡模，诸如，使用喷墨式打印机，或熔融沉积建模，然后根据上述步骤用于制造水凝胶物体，而不是使用上述丝网打印方法来制造蜡模。

尽管所述方法已被举例说明用于制造蜡模和基于水凝胶螺旋体的柱体结构，但应理解的是，上述方法和设备旨在用于制造范围广泛的其他结构形状并且不限于蜡模或基于凝胶的结构。

Claims (62)

1.一种用于制造物体的设备，包括：

打印床；

具有一个或多个孔口的模板，所述模板可以定位在所述打印床上方；

加热器，被布置成用于加热所述模板；以及

刮刀，可以移动，以将打印材料铺展在所述模板上，从而迫使打印材料通过所述模板孔口；

其中，所述模板和所述打印床中的一者或两者可以移动，以调整所述模板和所述打印床之间的间距。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述打印床可以垂直移动，以相对于所述模板升高和降低所述打印床。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述加热器包括辐射加热器。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述加热器包括一个或多个红外灯。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述模板包括框架和由所述框架预张紧的模板板片；并且其中，所述模板孔口设置在所述模板板片中。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述框架包括附接到所述板的第一和第二端部支撑件，以及在所述端部支撑件之间延伸的细长的第一和第二侧部构件；并且其中，所述侧部构件通过所述端部支撑件将预张力施加到所述模板板片上。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述侧部构件包括螺纹杆，每个杆设置有一个或多个螺母，所述螺母可以调节，以调节施加到所述模板板片上的预张力。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的设备，其中，每个侧部构件包括偏置构件，所述偏置构件在所述侧部构件和端部支撑件之间作用以施加所述预张力。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的设备，其中，所述模板板片包括不锈钢。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述加热器被配置为将所述模板加热到在所述打印材料与所述模板接触时足以使所述打印材料熔化和/或使所述打印材料保持熔化的预定温度。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述预定温度是在约81℃至87℃之间的温度。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述模板包括两个或更多个定位凹口或定位突起，用于相对于所述打印床定位所述模板。

13.根据权利要求12所述的设备，还包括打印台，所述打印床安装在所述打印台上；并且其中，所述打印台包括与所述模板的定位凹口或定位突起互补的两个或更多个定位凹口或定位突起，以相对于所述打印床定位所述模板。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其中，所述模板包括两个定位凹口，所述凹口基本上呈弓形。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述刮刀包括有角度的刀片，并且其中，所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述刮刀包括一对成相反角度的刀片。

17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，所述刀片包括聚四氟乙烯。

18.根据权利要求16所述的设备，其中，每个刮刀刀片可以独立地朝向和远离所述模板的顶面移动。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括第二材料施用器，所述第二材料施用器被配置为将第二打印材料施用到由所述第一打印材料形成或部分形成的物体上。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括清洁器，所述清洁器被配置为从所述模板的下侧去除打印材料。

21.一种用于制造物体的系统，所述系统包括：

打印站，包括：

具有一个或多个孔口的模板；

加热器，被布置成用于加热所述模板；以及

刮刀，可以移动，以将打印材料铺展在所述模板上，从而迫使打印材料通过所述模板孔口；以及

打印床，可以相对于所述打印站横向移动。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述模板和所述打印床中的一者或两者可以移动，以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

23.根据权利要求21或22所述的系统，包括可移动的打印台，所述打印台包括多个打印床。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述打印台可以旋转，以使所述打印床相对于所述打印站横向移动。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述模板包括两个或更多个定位凹口或定位突起，并且其中，所述打印台包括在每个打印床处与所述模板的定位凹口或定位突起互补的两个或更多个定位凹口或定位突起，用于相对于相应的打印床定位所述模板。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述模板包括相对于所述一个或多个孔口具有固定位置的两个定位凹口。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述凹口包括基本上呈弓形的边缘。

28.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，其中，所述加热器包括辐射加热器。

29.根据权利要求21至28中任一项所述的系统，其中，所述模板包括框架和由所述框架预张紧的模板板片；并且其中，所述模板孔口设置在所述模板板片中。

30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述框架包括附接到所述板的第一和第二端部支撑件，以及在所述端部支撑件之间延伸的细长的第一和第二侧部构件；并且其中，所述侧部构件通过所述端部支撑件向所述模板板片施加预张力。

31.根据权利要求21至30中任一项所述的系统，其中，所述加热器被配置为将所述模板加热到在所述打印材料与所述模板接触时足以使打印材料熔化的预定温度。

32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述预定温度是在约81℃至87℃之间的温度。

33.根据权利要求21至32中任一项所述的系统，其中，所述刮刀包括有角度的刀片，并且其中，所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。

34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述刀片包括聚四氟乙烯。

35.根据权利要求21至34中任一项所述的系统，还包括以下一者或多者：第二材料施用站、固化或加热站、真空施加站，以及物体移除站。

36.根据权利要求35所述的系统，包括具有第二材料施用器的第二材料施用站，所述第二材料施用器被配置为将第二打印材料施用到由所述第一打印材料形成或部分形成的物体上。

37.根据权利要求21至36中任一项所述的系统，还包括清洁器，所述清洁器被配置为从所述模板的下侧去除打印材料。

38.根据权利要求21至37中任一项所述的系统，包括多个打印站。

39.一种制造物体的方法，包括以下步骤：

设置打印床；

设置具有一个或多个孔口的模板，并将所述模板定位在所述打印床上方；

加热所述模板；

将打印材料施用到所述模板上；

在所述模板上移动刮刀，以迫使熔化的打印材料通过所述模板孔口以形成打印层；以及

移动所述模板和所述打印床中的一者或两者，以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述模板包括两个或更多个定位凹口或定位突起，并且其中，将所述模板定位在所述打印床上方的步骤包括使所述凹口或突起与所述打印床上或邻近所述打印床的互补的凹口或突起接合。

41.根据权利要求39或40所述的方法，其中，所述模板包括模板板片和框架，并且包括通过所述框架向所述模板板片施加张力的步骤。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的方法，其中，加热所述模板的步骤包括将所述模板加热到在所述打印材料与所述模板接触时足以使所述打印材料熔化的预定温度。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述打印材料包括蜡，并且所述预定温度是在约81℃至87℃之间的温度。

44.根据权利要求39至43中任一项所述的方法，其中，移动所述模板和所述打印床中的一者或两者以调整所述模板和所述打印床之间的垂直间距的步骤包括：在所述模板上移动所述刮刀，以迫使熔化的打印材料通过所述模板孔口，并且当所述刮刀与所述模板的顶面接触时，将所述打印床从所述模板移开，以增加所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

45.根据权利要求39至44中任一项所述的方法，还包括以下步骤：从所述打印床上方移除所述模板，并且将第二模板放置在所述打印床上方，并且在将所述第二模板放置在所述打印床上方之后，将所述打印床移向所述模板，以减小所述模板和所述打印床之间的垂直间距。

46.根据权利要求39至45中任一项所述的方法，还包括使所述打印床相对于以下任一者横向移动的步骤：第二打印站、第二材料施用站、固化或加热站、真空施加站，或物体移除站。

47.根据权利要求39至46中任一项所述的方法，还包括将第二打印材料施用到所述第一打印材料的一个或多个打印层的步骤。

48.根据权利要求39至47中任一项所述的方法，还包括清洁步骤，包括从所述模板的下侧去除打印材料。

49.根据权利要求39至48中任一项所述的方法，其中，所述刮刀包括有角度的刀片，并且其中，所述刀片的前导表面与所述模板的顶面形成锐角。

50.根据权利要求32所述的系统，其中，所述刀片包括聚四氟乙烯。

51.根据权利要求39至50中任一项所述的方法，其中，所述打印材料的打印层形成模具，且还包括以下步骤：

将所述模具浸入液体中或向所述模具中注入液体；和

使所述液体固化或凝结。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述液体包括纤维素。

53.根据权利要求51或52所述的方法，包括在使所述液体固化或凝结之前对含有液体的模具施加真空。

54.根据权利要求51至53中任一项所述的方法，包括加热所述模具以使所述模具材料熔化的步骤。

55.根据权利要求54所述的方法，其中，熔化步骤包括将所述模具浸入热水中。

56.一种根据权利要求39至50中任一项所述的方法制造的物体，其中，所述物体是模具。

57.根据权利要求56所述的物体，其中，所述模具是蜡模。

58.根据权利要求56或57所述的物体，其中，所述模具包括生物相容性材料。

59.一种根据权利要求51至55中任一项所述的方法制造的物体，其中，所述物体是凝胶物体。

60.根据权利要求59所述的物体，其中，所述物体包括凝胶柱。

61.根据权利要求59或60所述的物体，其中，所述物体包括多个螺旋结构。

62.一种根据权利要求39至55中任一项所述的方法制造的物体，其中，所述物体包括金属或聚合物。

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