CN116133828A - 用于基于激光的增材制造的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了基于激光的增材制造的系统和方法，其中固体聚合物材料股线被连续接收并且其表面由一个或多个激光源熔化。这样的系统可以包括进给器，该进给器被配置为连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线；包括两个或更多个导管的第一导引单元，以用于连续接收和导引来自进给器的两条或更多条固体聚合物材料股线朝向连接点；包括一个或多个激光源的第一激光单元，每个激光源被引导为相对于两条相邻股线的相邻表面朝向连接点递送指定的激光束。

Description

用于基于激光的增材制造的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是PCT专利申请，其根据35U.S.C.§119(e)要求2020年6月15日提交的美国临时申请号63/039,148的优先权权益。上述申请的内容都通过引用以其全部并入，如同在本文中完整地阐述一样。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，并且更具体地，涉及使用聚合物材料和激光焊接系统的增材制造。

背景技术

历史上，原型开发和定制制造通过使用金属挤出技术、计算机控制加工技术和人工建模技术的传统方法(其中材料块被雕刻或铣削成特定物体)来执行。这些减材制造(subtractive manufacturing)方法具有许多局限性。它们通常需要专业技术人员，并可能是时间和劳动密集型的。传统建模的时间强度可能给设计错误或后续重新设计留下较少空间，而不会对产品上市时间和研发成本产生有意义的影响。结果，原型仅在设计过程后期中的所选定的里程碑(milestone)时进行创建，这阻止设计人员在初步设计阶段使物体的设计真正可视化以及验证物体的设计。无法快速迭代设计阻碍设计团队成员和其它利益相关者之间的协作，并降低优化设计的能力，因为上市时间和优化在设计过程中成为必要的权衡。

增材制造(“AM”)通过其将功能、质量和易用性、速度和成本相结合，解决了传统建模技术的固有局限性。与传统的模型制作技术相比，对于在整个设计过程中使用，从概念建模以及设计审查和验证到适配和功能原型设计、图案制作和加工，到直接制造可重复的、成本有效的零件、短期零件和定制的最终产品，增材制造显著地更有效率并且更加成本有效。

在设计过程的较早期引入3D建模以评估适配性、形式和功能可以导致更快的上市时间和更低的产品研发成本。对于定制制造，3D打印机消除了对复杂的制造设备的需要，并且降低了与传统工具作业相关的成本和投产准备阶段。第一台商用3D打印机于20世纪90年代初期推出，并且自21世纪初以来，3D打印技术在价格、材料品种和质量、准确性、创建复杂物体的能力、易用性和办公环境适用性方面一直在显著地进展。3D打印已经在例如建筑、汽车、航空航天和国防、电子、医疗、鞋类、玩具、教育机构、政府和娱乐等各行业取代了传统的原型开发方法，这突出了其对更广泛行业范围的潜在适用性。

3D打印已经在某些新的市场类别中为模型制作创造了新的应用，例如：教育，其中机构正在越来越多地将3D打印纳入其工程和设计课程计划中；牙科和正畸应用，其中3D打印模型被用作传统石材模型、植入物和手术导板的替代品，以及用作铸造的牙冠和牙桥的替代品；此外，3D打印正在许多行业使用，用于最终使用的零件的直接数字化制造。

因此，需要新的增材制造工艺，该工艺将允许由聚合物股线(strand)生产大型物体，如，箱罐和容器。

发明内容

本发明的一个方面提供了增材制造系统和方法，其包括：进给器，其被配置为连续进给固体聚合物材料股线，其中聚合物材料吸收指定的激光辐射；至少一个末端部(tip)，其被配置为连续接收来自进给器的固体聚合物材料股线；至少一个激光源，其被配置为通过周边地加热连续接收的固体聚合物材料股线的至少表面的部分——使至少表面的部分液化来激光焊接股线，其使用指定的加热相关参数，这些参数被选择为将连续接收的固体聚合物材料的中心体积保持固体状态，其中至少一个激光源被定位为相对于股线的表面部分递送指定的激光辐射，其中系统被进一步配置为通过液化的表面的部分的再凝固在其周边地加热的表面部分处附接股线，以产生整体附接。

本发明的一些方面涉及增材制造系统，其包括：进给器，其被配置为连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线；第一导引单元，其包括两个或更多个导管，用于连续接收和导引来自进给器的两条或更多条固体聚合物材料股线朝向连接点；第一激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为相对于两条相邻股线的相邻表面朝向连接点递送指定的激光束；以及第一压力机，其被配置为压制基本上平行于两条或更多条股线的相邻表面的自由表面，以形成连续的固体条带。

在一些实施方式中，系统进一步包括：第二导引单元，其被配置为连续引导连续固体条带附接到以下之一：基材和先前制造的连续固体条带；第二激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为相对于连续固体条带和以下之一的相邻表面递送指定的激光束：基材和先前制造的连续固体条带；以及第二压力机，其被配置为将连续固体条带以及基材和先前制造的连续固体条带中的一个彼此压紧。

在一些实施方式中，第二压力机施加0.1-10巴。在一些实施方式中，第二压力机施加0.5-500N。在一些实施方式中，一个或多个激光源施加具有700-3500nm波长的激光束。在一些实施方式中，一个或多个激光源施加具有900-1100nm波长的激光束。在一些实施方式中，第一压力机施加至少0.1-10巴。在一些实施方式中，第一压力机施加至少0.5-500N。在一些实施方式中，两个或更多个导管被定位使两条或更多条股线以2-80度的预定角度被引导一条朝向另一条。

在一些实施方式中，一个或多个激光源中的每一个以优化的强度施加激光束，以熔化20-500微米的固体聚合物股线的表面。在一些实施方式中，一个或多个激光源中的每一个都以优化的强度施加激光束，以熔化固体聚合物股线的相邻表面，深度为垂直于相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。

在一些实施方式中，进给器被配置为以优化的进给速度连续地进给两条或更多条固体聚合物材料股线，以使激光束熔化20-500微米的固体聚合物股线的表面。在一些实施方式中，进给器被配置为以优化的进给速度连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线，以使激光束熔化固体聚合物股线的相邻表面，深度为垂直于相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。

本发明的一些另外的方面涉及用于增材制造的方法，其包括：提供至少两条固体聚合物股线，其被导引朝向每两条股线的相邻表面的连接点；和使用包括一个或多个激光源的第一激光单元，连续地引导和递送至少一个第一指定的激光束朝向每个连接点；熔化每两条相邻股线的相邻表面的部分；以及使用第一压力机，连续地压制基本上平行于两条或更多条股线的熔化的相邻表面的自由表面，以粘合熔化的相邻表面，形成固体条带。

在一些实施方式中，提供至少两条相邻股线可以包括：通过进给器连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线；以及使用包括两个或更多个导管的第一导引单元连续地接收和导引来自进给器的两条或更多条固体聚合物材料股线。在一些实施方式中，提供至少两条相邻股线可以包括：将第一固体聚合物材料股线相对于第二固体聚合物材料股线放置。在一些实施方式中，使用第一压力机压制两条或更多条股线的自由表面以形成固体条带是从连续固体条带的两个侧面进行的。

在一些实施方式中，方法进一步包括：使用第二导引单元连续地引导连续固体条带以附接到以下之一：基材和先前制造的连续固体条带；使用包括一个或多个激光源的第二激光单元，相对于连续固体条带和以下之一的相邻表面引导和递送至少一个第二指定的激光束：基材和先前制造的连续固体条带；熔化条带和以下之一的相邻表面的部分：基材和先前制造的连续固体条带；以及使用第二压力机，将连续固体条带和以下之一彼此压紧，以形成3D物体：基材及先前制造的连续固体条带。在一些实施方式中，将连续固体条带以及基材和先前制造的连续固体条带之一彼此压紧是通过在连续固体条带的至少一个自由表面上施加压制力。

在一些实施方式中，至少两条股线由聚乙烯或聚丙烯制成。在一些实施方式中，两条或更多条固体聚合物材料股线包括包含激光吸收添加物的聚合物材料。在一些实施方式中，来自至少两条股线的第一股线由第一类型的聚合物制成，和来自至少两条股线的第二股线由第二类型的聚合物制成。

在一些实施方式中，进给是以0.1-1500毫米/秒进行的。在一些实施方式中，每两条相邻股线的相邻表面的熔化部分的深度为垂直于相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。在一些实施方式中，熔化每两条相邻股线的相邻表面的深度为20-500微米。

本发明的另外的方面包括增材制造系统，其包括：进给器，其被配置为连续进给固体聚合物材料股线；导引单元，其包括导管，以连续引导固体聚合物材料股线附接到以下之一：基材和先前提供的固体聚合物材料股线；激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为朝向固体聚合物材料股线和以下之一的相邻表面之间的连接点递送指定的激光束：基材和先前提供的固体聚合物材料股线；以及压力机，其被配置为压制至少一个基本上平行于相邻表面的自由表面。

在一些实施方式中，一个或多个激光源施加具有700-3500nm波长的激光束。在一些实施方式中，一个或多个激光源施加具有900-1100nm波长的激光束。在一些实施方式中，一个或多个激光源中的每一个都以优化的强度施加激光束，以熔化20-500微米的固体聚合物股线的表面。在一些实施方式中，一个或多个激光源中的每一个以优化的强度施加激光束，以熔化相邻表面，深度为垂直于相邻表面的股线的尺寸的0.5-25％。

在一些实施方式中，进给器被配置为以优化的进给速度连续进给固体聚合物材料股线，以使激光束熔化20-500微米的固体聚合物股线的表面。在一些实施方式中，进给器被配置为以优化的进给速度连续进给固体聚合物材料股线，以使一个或多个激光束熔化相邻表面，深度为垂直于相邻表面的股线的尺寸的0.5-25％。

在一些实施方式中，压力机施加至少0.1-10巴。在一些实施方式中，第一压力机施加至少0.5-500N。在一些实施方式中，进给器被配置为以2-80度的预定角度引导固体聚合物材料股线朝向以下之一：基材和先前提供的固体聚合物材料股线。

本发明的一些另外的方面包括用于增材制造的方法，其包括：提供固体聚合物股线，其被导引朝向与以下之一的连接点：基材和先前提供的固体聚合物材料股线；使用包括一个或多个激光源的激光单元，连续地引导和递送至少一个指定的激光束朝向连接点；熔化相邻表面的部分；以及使用压力机，连续地压制基本上平行于熔化的相邻表面的自由表面。

在一些实施方式中，提供固体聚合物材料股线可以包括：通过进给器连续进给固体聚合物材料股线；以及使用包括导管的导引单元连续接收和导引来自进给器的固体聚合物材料股线。在一些实施方式中，提供固体聚合物材料股线可以包括：将固体聚合物材料股线相对于基材和先前提供的固体聚合物材料股线之一放置。

在一些实施方式中，至少两条股线由聚乙烯或聚丙烯制成。在一些实施方式中，两条或更多条固体聚合物材料股线包括包含激光吸收添加物的聚合物材料。在一些实施方式中，进给是以0.1-1500毫米/秒进行。在一些实施方式中，熔化相邻表面的部分的深度为垂直于相邻表面的股线的尺寸的0.5-25％。在一些实施方式中，熔化相邻表面的深度为20-500微米。

在一些实施方式中，将固体股线和以下之一彼此压紧是通过在固体股线的至少一个自由表面上施加压制力：基材和先前提供的连续固体股线。

附图说明

为了更好地理解本发明的实施方式并且示出实施方式可以如何实行，现在仅通过示例的方式参考附图，在附图中相似的标记始终标示对应的元件或区段。

在附图中：

图1A是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统的高级示意性框图。

图1B是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统以及其修改可能性的流程的高级示意图。

图1B'是根据本发明的一些实施方式的基于激光的增材制造系统的高级示意性框图。

图1C和1D是根据本发明的一些实施方式的系统中外围激光焊接的高级示意图。

图1E是现有技术激光焊接的高级示意图。

图1F是图示根据本发明的一些实施方式的基于激光的增材制造方法的高级流程图。

图2是根据本发明的一些实施方式的增材制造圆柱形零件的系统的高级示意图。

图3A和图3B是根据本发明的一些实施方式的系统的末端部和定位单元的高级示意图。

图4A和图4B是根据本发明的一些实施方式的系统的末端部的高级示意图。

图5是根据本发明的一些实施方式的示例性股线生产模块和末端部的高级示意图。

图6A-6F是根据本发明的一些实施方式的使用股线作为添加材料的系统的高级示意图。

图7A-7F是根据本发明的一些实施方式的处于多种空间构造的所附接股线的高级示意性构造。

图8A-11是根据本发明的一些实施方式的多种类型的股线以及它们的附接的高级示意图。

图12是图示根据本发明的一些实施方式的增材制造方法的高级流程图。

图13A是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统的高级示意图，其包括打印头和路由头(routing head)。

图13B是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统的打印头的高级示意图。

图13C是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统的路由头的高级示意图。

图13D是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统的混合头(hybrid head)的高级示意图。

具体实施方式

在叙述详细描述之前，叙述下文中将用到的某些术语的定义可能是有帮助的。

本申请中使用的术语“整体附接(monolithic attachment)”是指聚合物零件在由给定产品要求所限定的水平上的连接。整体附接的水平可以根据应用来选择。在某些实施方式中，整体附接的水平可以使得任何两层、股线和/或颗粒仅在施加撕裂等效均匀零件所需的力的一定比例(例如，70％、80％、90％或100％，取决于情况)时是可分离的。在某些实施方式中，整体附接可以包括以均匀的方式将层、股线和/或颗粒彼此连接，该均匀的方式不留下机械上比周围材料弱的连接界面的痕迹(大约相当于以上提到的力的100％)。

在以下描述中，描述了本发明的各个方面。

出于解释的目的，具体的构造和细节被叙述以便提供对本发明的完全理解。然而，对本领域的技术人员也将明显的是，本发明可以在没有本文中所提供的这些具体的细节的情况下被实践。此外，可能已经省略或简化了公知的特征，以便不遮蔽本发明。具体地参照附图，应当强调的是，所示的细节是通过示例的方式且仅出于本发明的说明性讨论的目的，并且为了提供被确信为本发明的原理和概念性方面的最有用和易于理解的描述而呈现。在这一点上，除了本发明的基本理解所需内容，不试图更详细地示出本发明的结构细节，对于本领域的技术人员而言，描述连同附图使得可以如何在实践中实施本发明的几种形式显而易见。

在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解本发明在其应用中不限于下面描述中叙述的或附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明可应用于可以以多种方式实践或执行的其它实施方式以及可应用于所公开的实施方式的组合。而且，应理解，本文中所使用的用语和术语是出于描述的目的且不应视为是限制性的。

除非另有特别说明，否则根据以下讨论明显的是，应理解，在整个说明书中，使用例如“处理”、“运算”、“计算”、“确定”、“增强”等术语的讨论涉及计算机或计算系统或类似电子计算设备的操作和/或过程，该计算机或计算系统或类似电子计算设备将计算系统的寄存器和/或存储器内表示为物理的(例如电子的)量的数据操纵和/或转换成类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或其它此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。所公开的模块或单元中的任何一个可以至少部分地通过计算机处理器来实现。

本发明涉及通过机器人3D真实生产系统的增材制造，用于直接制造随后用作产品的真实物体。制造过程被精简以能够生产符合所需工业标准的物体，以取代生产加工的密集劳动力以及重大投资。本发明能够实际生产使用常规的减材制造方法通常难以制造或昂贵的物体。显然，本发明还能够实现小零件的工业生产以及原型的生产和简单且便宜的零件的生产。

提供了增材制造的系统和方法，其中连续接收以股线(一条或多条)或颗粒的形式的固体聚合物材料，并且其表面使用指定的加热相关参数被周边地加热以液化该表面，加热相关参数被选择为使连续接收的固体聚合物材料的中心体积保持固体状态。聚合物基材的表面也被液化，并且连续接收的固体聚合物材料的周边地被加热的表面附接到聚合物基材的液化表面，随后液化表面再凝固以产生该材料与基材的整体附接。仅液化材料的表面保持了该材料的一些强度以及其柔韧性和材料性能，并且防止了在凝固时的变形和其它变化。整体附接提供均匀和可控制的工业产品，均匀和可控制的工业产品目前不可以通过聚合物增材制造来生产。

进一步提供了增材制造的系统和方法，其中连续接收固体聚合物材料股线或层，并通过一个或多个激光源对其表面进行外围地加热以液化/熔化表面。选择指定的加热相关参数，以使连续接收的固体聚合物材料股线或层的中心体积保持固体状态。具有液化的表面的股线或层彼此附接，以形成条带或3D物体，也可能附接到预先生产的基材或预先生产的条带，表面再凝固以产生材料的整体附接。仅液化/熔化材料的表面(例如，20-500微米)保持其大部分的原始强度，并防止凝固时的变形。整体附接提供了具有均匀和可控制的特性的工业产品。激光焊接利用聚合物股线的激光辐射吸收，并使股线连续传播以产生预先定义结构的3D打印。

图1A是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统100的高级示意性框图。系统100中的单元被示意性地示出并且可以以多种方式来实现，其中的一些单元在以下附图中被示出。单元可以与用于执行数据处理相关功能的一个或多个处理器99相关联。

增材制造系统100包括一个或多个进给器150和一个或多个末端部110，该一个或多个进给器被配置为连续地进给以至少一条股线90的形式的固体聚合物材料91，该一个或多个末端部110连续地接收来自一个或多个进给器150的固体聚合物股线90。在下文，为了简单起见，系统100有时被描述为具有一个末端部110和一个进给器150，而不将本公开的范围限于此。如下所描述，末端部110可以理解为处理单条进给的材料股线或处理多条材料股线。

系统100进一步包括至少一个加热元件/激光单元120，其被配置为将进给入末端部110中的股线90加热到指定温度。如本文所用，加热单元120和激光单元120是可选物和替代品。至少一个加热元件120可以是激光器，其进一步被配置为通过激光加热聚合物基材80的表面123的至少部分(例如图1D中示出的条带180)来进行熔化，使基材80的大部分124处于固态和/或通过加热作为聚合物基材的进给股线90的表面121的至少部分进行液化，使股线90的芯部122处于固态。被液化的表面121、123的一个或多个部分的实际深度可以根据多种参数而变化，例如所进给的股线90和基材80(分别地)的形式和类型，如下所表示的加热相关参数等。熔化表面的深度可以被选择为使足够大的材料芯部122和基材大部分124保持固态以提供所生产零件的所需机械和形状特性，同时优化凝固过程和所产生的零件特性。例如，与较浅的液化表面比，较深的液化表面需要更强烈的加热，还提供更多的凝固时间。表面深度可以作为如下所描述的实时过程控制的部分进行监测和调节。在一些实施方式中，熔化表面的深度可以是垂直于熔化表面121和123的每条股线的尺寸的0.5-25％。例如，熔化表面的深度可以是20-500微米。

在某些实施方式中，股线90的多达50％的横截面积可以被液化，使股线90的至少50％的横截面积处于固态。液化的表面部分121可以是圆周的或者可以仅延伸到股线90的横截面面积的一个或多个侧面。例如，可以液化方形横截面的仅一个侧面、两个侧面或三个侧面。

末端部110可包括任何可被配置为导引和压制从进给单元150进给的一条或多条股线90的元件/单元，如图1B'中公开和讨论的。基材表面123可由加热元件/激光单元120加热。

此外，所公开的系统100和方法300提供了基于激光的增材制造，其适用于工业过程并且能够实现实际工业零件的增材制造，而不仅仅是现有技术中的模型的增材制造。具体地，质量控制集成在制造过程中，这提供均匀和密切监测的零件。所公开的系统100和方法300被配置为稳健的增材制造系统和方法，其能够每小时处理数千克或数十千克数量级的接收材料。显然，多个系统100可以处理更大的量，并且更小的系统构造可以处理更小的量和更精细的细节(例如，范围下至克)。

在制造期间仅液化接收的股线(一条或多条)90的周边保持了材料强度，使得能够生产悬垂结构(参见例如下面的图7A、图7C、图7E、图7F)，而不需要另外的支撑件，并且能够在生产期间导引或弯曲接收的股线(一条或多条)90以实现所需的形状和表面/块体特征。保持固态的材料芯部的强度使得能够生产悬垂结构，而不需要另外的支撑件，这在现有技术中是闻所未闻的。接收的股线(一条或多条)90与基材80的整体附接在整个所制造的零件中保持均匀的机械特性。

作为实例，指定的加热相关参数可以包括选择图1C、1D等中的激光热源120(例如，LED激光器、CO2激光器等)、施加的波长(例如，700-3500nm)、加热温度、加热持续时间以及例如确定进给股线(一条或多条)90和条带180的加热持续时间的固体股线(一条或多条)90的进给速度(或进给力)的进给参数。

增材制造系统100可以进一步被配置为使连续接收的固体聚合物股线(一条或多条)90的周边地被加热的一个或多个表面121附接到聚合物股线90、基材80和/或条带180的液化的一个或多个表面123/121，其中基材的附接通过熔化的表面的再凝固125A/125B(分别地)来实现以产生整体附接。如图1A中所图示的，通过系统100可以制造以下选项中的任何一个：两条或更多条股线90可以彼此附接(一条或多条股线为相应的基材)，一条股线90可以附接到基材80和/或两个或更多个条带180，其可以包括由增材制造系统100先前生产的第一条带和第二新条带，每个条带包括多条附接的股线90。在这些情况中的任何一种情况下，使用了相同的操作原理，即仅液化/熔化所附接元件的表面以提供整体附接，而不在再凝固时改变形状。该操作原理使得能够生产具有可控制且均匀特性的零件。

末端部110可以进一步被配置为连续地接收和导引一条或多条固体材料股线90，其根据空间进给构造(例如，彼此相邻的股线90的线性布置，或者其它构造，对于多种非限制性实例，参见图7A-7F)通过其液化的表面121和/或123的再凝固125A彼此附接或附接至基材80。附接可以通过末端部110和/或通过进给器150来辅助，末端部110进一步被配置为将股线90彼此压靠以增强它们的附接，进给器150进一步被配置为使股线90相对于彼此以增强它们附接的指定角度进给。相应地，末端部110可以包括导引单元1110(例如，第一导引单元)和压力机1111(例如，第一压力机)，在图1B'中示出。

对应于进给股线90、加热要求和产品设计，一个或多个末端部110可具有广泛的设计。例如，一个或多个末端部110(例如导引元件1110)可以包括一个或多个开口/导管，可能地具有不同的形状和尺寸，并且每个过程或过程步骤可以使用开口中的一个、一些或全部。末端部110中的一个或多个开口(例如，导引单元1110)可以具有可调节的横截面。一个或多个末端部110可以包括附加元件，例如熔化或半熔化材料的共同分配器和/或振动单元(内部或外部，可能地使用超声波)。一个或多个末端部110(例如，导引单元1110)可包括用于导引材料移动穿过一个或多个末端部110的导引元件、混合和修匀股线90和/或附接股线90(例如通过压力机1111)的刮擦器(wiper)以及可能的预加热元件和后冷却元件(例如，激光加热元件)。

一个或多个进给器150可以进一步被配置为控制进给到末端部110的每条股线90的进给参数。进给参数可以用于控制所生产的零件的形式，例如，在线性进给股线的一个方向上的逐渐增加的进给速度可以配置成产生所生产的零件在相反方向上的弯曲——朝向缓慢进给的股线弯曲。例如，例如以较高速度进给的股线90向内弯曲，朝向以较低速度进给的股线。

股线(一条或多条)90可以具有任何形式的横截面(例如，矩形、圆形、三角形、六角形等，对于非限制性实例，参见图3B、图4B、图5、图7A、图8A、图9A、图10A和图11)并且可以是完整的(full)或中空的(在中空股线的情况下，股线中的中空部的内周边在附接期间处于固态)。股线横截面可以通过附接过程通过表面液化以及可能由于所施加的压力而改变。附接的股线90可以不同，例如一条或多条股线90可以由不同的固体材料制成(例如，不同类型的聚合物)，一条或多条股线90可以被增强(例如，通过碳纤维)和/或一条或多条股线90可以具有添加物(一种或多种)(例如，填料，着色剂等)。使用多种类型的股线90能够制造具有特定设计特征的复杂零件。例如，系统100可用于制造零件，例如具有由股线制成的壁的容器(对于非限制性实例，参见图2)。壁可以具有使用外部着色股线制造的外部着色表面，使用中间中空，可能的强化股线制造的中等轻质块体和使用内部股线制造的内部钝化表面，内部股线具有抑制化学反应性的相应的添加物。在一些实施方式中，股线90可以由聚乙烯或聚丙烯制成。在一些实施方式中，股线90可以包括包含激光吸收添加物的聚合物材料。在一些实施方式中，激光吸收添加物可包括以下的至少一种：碳黑粉、激光打标添加物(例如，包括Sn或Sb颗粒)等。

系统100可以进一步包括股线生产模块160，该股线生产模块160被配置为在股线90进给至末端部110的情况下，连续并且同时地(在线地)生产一条或多条股线90。在股线生产模块160中进行形状调节之后，一条或多条股线90可以在其用于末端部110之前，由熔化颗粒(例如，通过挤出)来生产。例如，股线生产模块160可以被配置为根据指定的附接和结构要求，调节所生产的股线的横截面。可选地或补充地，股线90可以由进给器150从相对于系统100的操作离线生产的股线卷进给到末端部110。系统100可以进一步包括另一个(例如，第二)导引/定位单元130，其被配置为根据指定的产品设计，相对于先前制造的条带180通过定位末端部(一个或多个)110导引条带180。第二导引/定位单元130可以在指定之后遵循详细的增材制造过程参数以生产产品或零件(其可适应于系统100的独特的制造特性)。第二导引/定位单元130可以包括一个或多个机器人单元，其被配置为根据所设计的制造过程来定位和操纵一个或多个末端部110。定位单元130可以包括一个或多个龙门架、一个或多个桥、一个或多个机器人、线性轴和旋转轴、导轨、一个或多个滑轮等中的任何一种。第二导引/定位单元130可以被配置为操作多个末端部110，可能同时地制造多个零件。

在一些实施方式中，系统100可以进一步包括图1B和1B'中所示的另一个(例如，第二)压力机135，(其也可包括在末端部110中)。第二导引/定位单元130可以进一步被配置为定位末端部110，使得第二压力机135可以将连续接收的条带180的周边地受热的表面121压靠先前制造的条带180或基材80，如图1D所示。末端部110可以被配置为连续地接收多条固体材料股线90并将该多条固体材料股线90彼此附接，并且定位单元130可以被配置为定位末端部110以同时将股线90附接到基材80(对于非限制性实例，参见图6A-6F)。

系统100进一步包括控制模块140，控制模块140被配置为控制一个或多个进给器150，一个或多个加热元件120、120A/120B，导引单元1110，导引和定位单元130，压力机1111和135(在图1B'中示出)中的任何一个并且被配置为闭环监测附接以控制所制造产品的质量。例如，闭环控制可以由控制模块140实现，该控制模块140被配置为修改进给参数和/或指定的加热参数以确定相对于基材80的几何形状的表面液化121的深度，同时使中心体积122保持固体状态。控制模块140可以被配置为根据监测到的附接和所控制的质量即时修改指定的加热参数和/或进给参数。需要强调的是，控制模块140提供制造过程的连续控制(不仅仅是如其它增材制造过程中的逐层控制)并且连续地确保所制造的零件的质量。

控制模块140可以包括各种类型的多个传感器142(例如，激光扫描仪、相机、IR传感器、电感和电容传感器、声学传感器、温度传感器)，该多个传感器142被配置为监测生产过程，例如，测量系统元件的位置，测量温度(如实际材料和喷嘴的温度曲线并与计划的数据和/或过去的数据相比较)、表面温度对比，测量材料特性(例如，材料组分的体积、材料混合物和特性)及其变化。控制模块140进一步被配置为通过修改加热参数和进给参数，定位单元移动等来校正所测量的特征中的任一个特征。例如，可以设置校正标准，例如体积和尺寸约束和零件参数的公差，例如尺寸、表面特征、平坦度和垂直度、关键特征(例如，孔洞、凸缘、连接器等)、材料强度、标准、纹理等。通过控制模块140的过程校正可以即时地(实时地)和/或以时空间隔或在生产之后进行。校正可以通过使用所测量到的变化来执行以(i)将计划尺寸调整为实际制造的特征(自适应制造，例如，根据基材中的某些移位改变制造参数)，(ii)创建逐渐校正以使尺寸逐渐恢复到初始设计，(iii)建议或提示设计修改，(iv)添加对应于所监测的变化的支持，和/或(v)改变材料流动特性(例如，末端部110中的孔口的尺寸，温度，熔化物质的几何形状、处理速度等)。另外地或可选地，控制模块140可以被配置为使用用于执行校正的其它装置或外部元件144，诸如第二端部执行器或元件——例如加热源/冷却源、刮擦器、锤状单元、心轴和/或最终加工或其它外部机器人或机器。

固体聚合物股线(一条或多条)90和/或条带180可以包括具有大的热膨胀系数(数量级为10^-4m/(m K)以及更高)的聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)。以下公开的系统100和方法300能够使用PP或PE以工业规模实现增材制造，这利用现有技术是不可能的，因为现有技术液化所有材料，材料然后在再凝固时发生形状和尺寸变化，这使所制造的产品扭曲并导致产品的不均匀的机械性能。相比之下，所公开的系统和方法保持聚合物材料的固体中心体积122的形式和机械性质，并提供股线90(一条或多条)和/或条带180到基材80的均匀再凝固和均匀的机械附接，这导致所制造产品(其可以被设计成用于产生工业上可行的零件)的形状和机械性能。此外，闭环过程控制和提供了在线的制造质量验证，确保根据设计的一致的零件批次，并具有均匀的机械性能。显然，也可以使用具有较小热膨胀系数(例如，数量级为10^-5m/(mK)以及更低的聚合物材料，例如ABS-丙烯腈丁二烯苯乙烯、PC-聚碳酸酯等)。

系统100可以进一步包括设计模块102，设计模块102被配置成使用系统100生产给定零件的适当过程设计。例如，股线90可以针对某些要求进行优化，可以根据产品要求设计所添加的层，可以最小化定位单元移动，减少材料切割并且可以针对增材制造调整具体特征(例如，尖角)。设计模块102可以在制造期间和在制造之后从控制模块140接收修改以改进过程设计和制造过程。

图1B是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统100以及它们的修改可能性的流程的高级示意图。图1B示意性地示出了流程，其从例如聚合物颗粒95的原材料开始，聚合物颗粒95可以包括PP或任何其它热塑性聚合物，其可能地具有各种添加物(例如，UV防护材料，填料)和各种增强组分(例如，碳纤维、玻璃纤维等等)，原材料通过挤出机161(作为非限制性实例)，相对于系统100的操作在线或离线地被拉伸成一条或多条股线90。股线90可以具有任何横截面(圆形、方形、三角形)，任何尺寸或形式，并且可以从多于一个的挤出机共挤出并且包括多种材料。一个或多个挤出机161可由控制单元140控制141以提供对应于产品要求的股线并提供在线闭环制造控制和质量保证(QA)。

定位单元130可以包括任何系统，例如机器人单元、臂、龙门架、桥或甚至远程控制的旋翼机(一个或多个)，并且还可以由控制单元140控制141以根据产品要求来控制系统100的部件以及具体是末端部110(一个或多个)的位置和移动(在所有方向上)，并提供在线闭环QA。

一个或多个进给器150可以包括股线定时模块151，股线定时模块151可能地以与零件生产的几何构造、加热参数、股线材料有关的不同速度并且可能与一个或多个挤出机161同步地将一条或多条股线90进给到末端部110。一个或多个进给器150和/或股线定时模块151可由控制单元140控制141以根据产品要求控制每条股线(一起或单独地)的进给参数并提供在线闭环QA。股线定时模块151使得例如通过提供对应于具体产品半径和表面特征的进给速度，通过将对应的股线提供给具体的产品零件并且修改制造期间股线的组成等等，能够精确控制股线进给速度并且完全控制所制造的产品的几何形状。

一个或多个末端部110可以包括任何多个通道单元，用于处理多条股线并用于加热和附接股线以提供待添加到基材80、先前提供的股线90或先前制造的条带180的所制造的条带(参见图3B、图6A-6F、图7A、图7D-11)。一个或多个末端部110可以具有不同的横截面，恒定的或可变的，并且可以实现对股线的进给角度的控制。激光单元(例如，一个或多个加热元件)120可以包括一个或多个激光源，每个激光源被引导相对于两条相邻的股线90的相邻表面朝向连接点递送指定的激光束(例如，切向地)。作为加热参数的一部分的加热水平可根据产品规格、几何形状和股线材料进行调节，并且可由控制单元140根据产品要求进行控制141并提供在线闭环质量保证(QA)。

系统100可以包括附接单元/第二压力机135，其被配置为可控制地将具有液化/熔化表面的新条带180附接到基材80或至先前制造的条带180，(例如，参见图3B和图6F)，例如，使用一个或多个辊/压力机。系统100可以进一步包括切割单元170，其被配置为切割条带180和/或股线90的边缘以提供所生产零件的完成要求(例如，使用激光切割器)。一旦增材制造方法300完成，将所制造的产品从制造区域190移除(或者系统100移动到不同的生产区域)并且产品完成195(例如，产品被添加部件、最后加工(finish)、组装等)并且测试。

现在请参考图1B'和1C。图1B'是根据本发明的一些实施方式的基于激光的增材制造系统100的高级示意性框图，图1C是根据本发明的一些实施方式的系统100中外围激光焊接的图示。系统100可以包括进给器150，其被配置为连续进给一条或多条固体聚合物材料股线90，如本文所公开。在一些实施方式中，进给器150被配置为进给两条或更多条股线90。

系统100可以进一步包括第一导引单元1110，其包括一个或多个(例如两个或更多个)导管，以连续接收和导引一个或多个(例如两个或更多个)固体聚合物材料股线90从进给器90朝向连接点125(在图1C中示出)。系统100可以进一步包括激光单元120A(例如，第一激光单元)，其包括一个或多个激光源，使得每个激光源被引导为相对于两条相邻的股线90的相邻表面121朝向连接点125递送指定的激光束(例如，切向地)。在一些实施方式中，来自两个或更多个激光源的两个或更多个指定的激光束可被引导朝向单个连接点125。

在一些实施方式中，系统100可以进一步包括压力机1111，其被配置为压制两条或更多条股线90的自由表面以形成连续的固体条带180。在一些实施方式中，压力机1111可以被配置为将股线90压至基材80或压至先前提供的股线90。在一些实施方式中，系统100可以进一步包括第二导引单元130，其被配置为连续引导连续固体条带180以附接至先前制造的连续固体条带180A或附接至基材80，如图1A和1D所示。系统100可以进一步包括第二激光单元120B，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为相对于连续固体条带180和先前制造的连续固体条带180A或基材80的相邻表面1121递送指定的激光束(例如，切向地)。系统100可以进一步包括第二压力机135，其被配置为将两个固体条带180和180A彼此压紧和/或将固体条带180压至基材80，以形成3D产品10。

在一些实施方式中，第一压力机1111可以被配置为施加0.1-10巴，以将两条或更多条股线90的自由表面或股线90的至少一个自由表面压至基材80，例如，使用两个辊。在一些实施方式中，第一压力机1111可以被配置为施加0.5-500N的力。在一些实施方式中，第二压力机135可以被配置为施加0.1-10巴，例如，通过辊将条带180朝向条带180A下压。在一些实施方式中，第二压力机135可以被配置为施加0.5-500N的力。

在一些实施方式中，为了控制熔化表面的深度，可以优化加热参数。例如，一个或多个激光源(激光单元120A和/或激光单元120B的)中的每一个以优化的强度施加激光束以熔化20-500微米的固体聚合物股线90的表面。在一些实施方式中，一个或多个激光源可以被优化以熔化固体聚合物股线90、基材80或条带180/180A的相邻表面121、123或1121，深度为垂直于相邻表面121、123和/或1121的每条股线的尺寸D的0.5-25％。

可以控制熔化的表面121、123和/或1121的深度的另外参数可以是进给速度。相应地，进给器150可以被配置为以优化的进给速度连续进给一条或多条固体聚合物材料股线90，以使激光束熔化20-500微米的固体聚合物股线90的表面121，熔化20-500微米的基材80的表面123和/或熔化20-500微米的条带180/180A的表面1121。在一些实施方式中，进给器150可以被配置为以优化的进给速度连续进给一条或多条固体聚合物材料股线90，以使激光束熔化相邻表面121或123，深度为垂直于相邻表面121的每条股线的尺寸D的0.5-20％。

在一些实施方式中，至少一个激光源120可以被定位为相对于股线(一条或多条)90和/或基材80的表面部分施加指定的激光辐射120R(例如，切向地)。对一条或多条股线90的照明可以被配置为仅熔化其周边零件/表面121或表面123。如本文所公开的，系统100可以进一步被配置为在连接点125处在其周边加热/熔化的表面部分121处附接股线90(例如，通过第一压力机1111)以产生整体附接(示意性地图示为具有再凝固区125C的部分180)。可选地，系统100可以被进一步配置为在其周边加热/熔化的表面121和123处将股线90附接到基材80。系统100可以被进一步被配置为在激光焊接期间根据预先定义结构的几何参数连续递送一条或多条股线90。

在一些实施方式中，第一导引单元1110的两个或更多个导管可以被定位使得两条或更多条股线90以预定角度α，例如2-80度，被引导一个朝向另一个。在一些实施方式中，进给器150可以被配置为以2-80度的预定角度引导固体股线90朝向以下之一：基材80和先前提供的固体股线90。在一些实施方式中，第二导引单元130可以被配置为以预定角度β，例如2-80度，引导条带180朝向条带180A。

有利地是，关于在图1E中示意性地说明的现有技术70，所公开的系统100能够使用聚合物股线的激光焊接进行3D打印，这些聚合物股线被可控制地移动和定位以形成预先定义的3D物体。现有技术激光焊接70具有一个对激光辐射120R透明的焊接元件(89)，并且包括将激光辐射通过零件89到焊接位置至另一个零件90。相比之下，所公开的实施方式3D打印不透明聚合物股线90是不透明的，并吸收激光辐射120R以加热和被液化。施加激光辐射120R只液化股线90的表面部分，使得：(i)使用激光吸收聚合物和被聚合物材料吸收的激光和波长；(ii)将股线90彼此附接，以形成没有或具有最小变形和高附接强度的整体附接；以及(iii)移动股线90，以产生其表面的连续液化，和产生连续的3D打印过程。因此，所公开的系统和方法实现了使用激光焊接的3D聚合物打印，这在现有技术中是没有的。

在某些实施方式中，激光辐射120R可以在广泛的波长范围内使用，这取决于可用的技术、使用的材料以及性能和成本考虑。例如，激光辐射120R可在包括在700-2500nm(近红外，NIR)范围内的一个或多个波段内，和/或可能在几个微米的较长波长内(短波红外，SWIR和中波红外，MWIR)使用。在NIR中，常用的材料例如聚丙烯和聚乙烯是相当透明的，和在某些实施方式中，吸收性材料例如碳黑和/或激光打标添加物(例如，包括Sn或Sb颗粒)可以被添加到股线材料中，以增加激光吸收和加热。在MWIR中，常用的材料如聚丙烯和聚乙烯对辐射有吸收作用，可以在没有吸收添加物的情况下使用。激光源120(一个或多个)和添加物的选择可以相对于可用技术、使用的材料以及性能和成本考虑来进行。

返回参考图1B'、1C和1D，激光单元120A或激光单元120B的一个或多个激光源，施加具有700-1300nm波长的激光束。在一些实施方式中，施加波长低于700nm的激光可能不会导致表面121、123和1121的任何熔化。本领域已知，熔化PP和/或PE的优选波长约为2500nm。然而，本发明人出人意料地发现，为了熔化股线或条带的表面，激光单元120A和/或120B可以施加具有900-1100nm波长的激光束。

在多种实施方式中，系统100可以例如进一步包括本文所公开的以下构造和元件中的任何一个：末端部110可以包括压力机1111，因此，可以被进一步配置为将股线90彼此压靠以增强其附接；空间进给构造可以是股线90彼此相邻的线性排列；指定的加热相关参数可以包括以下任何一个：至少一个激光源120、激光强度(例如，功率[瓦特])、加热温度、加热持续时间和股线的进给速度；并且系统100可以被进一步配置为修改指定的加热相关参数，以确定相对于预先定义结构几何形状的表面液化深度，同时将股线的中心体积保持在固体状态，如上所讨论的。

在多种实施方式中，股线90可以包括至少一个空心股线、不同固体材料的股线、至少一个增强股线和/或至少一条具有添加物(例如，激光吸收添加物)的股线。在多种实施方式中，固体聚合物材料包括聚丙烯或聚乙烯，或任何其他吸收激光辐射120A并适合3D打印的聚合物。

在多种实施方式中，系统100可以例如进一步包括以下任何一项：股线生产模块160，其被配置为连续并与进给同时生产股线90；第二导引单元130，其被配置为根据指定的产品设计相对于基材80或条带180A定位条带180，以及任选的路由头(见下文)，该路由头与第二导引130耦合并被配置为执行附接的聚合物材料的在线加工以及其与基材的附接；和/或控制模块140，其被配置为控制一个或多个进给器150、一个或多个激光源120A和120B和/或第二导引单元130，以闭环监测附接，以控制所制造产品10的质量。

图1F是图示根据本发明的一些实施方式的基于激光的增材制造方法300的高级流程图。方法阶段可以相对于上述系统100来进行，该系统可以任选地被配置为实施方法300。相对于控制过程，方法300可以由至少一个计算机处理器部分地实施。某些实施方式包括包含计算机可读存储介质的计算机程序产品，该计算机可读存储介质具有随其体现的计算机可读程序并且被配置为执行方法300的有关阶段。图1F中提出的阶段可以与下面图12中提出的阶段相结合，后者进一步说明了方法300。方法300可以包括以下阶段中的任何一个，无论其顺序如何。

基于激光的增材制造方法300可以包括，在步骤311中，连续地提供一个或多个固体聚合物股线。在一些实施方式中，可将两条或更多条股线导引朝向每两条股线的相邻表面的连接点。在一些实施方式中，一条固体聚合物股线可被导引朝向与以下之一的连接点：基材和先前提供的固体聚合物材料股线。在一些实施方式中，朝向连接点125提供至少两条固体聚合物股线90，可以包括通过进给器150连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线90，并使用包括两个或更多个导管的第一导引单元1110从进给器150连续接收和导引两条或更多条固体聚合物材料股线90。在一些实施方式中，提供至少两条相邻的股线可以包括将第一固体聚合物材料股线相对于第二固体聚合物材料股线放置。在一些实施方式中，进给器150可以以0.1-1500毫米/秒进给一条或多条股线90。

在一些实施方式中，所提供的一条或多条股线90可以由PP或PE制成。在一些实施方式中，股线90的聚合物材料可以包括允许吸收指定的激光辐射的添加物。在一些实施方式中，来自至少两条股线90的第一股线可能由第一类型的聚合物(例如PP)制成，和来自至少两条股线90的第二股线可能由第二类型的聚合物(如PE)制成。例如，第一股线可以包括PP和第二改性的PP(例如，具有填料的PP)。

在步骤321中，可以使用包括一个或多个激光源的第一激光单元120A，连续地引导并递送指定的激光束(例如，激光辐射120R)朝向每个连接点。在一些实施方式中，至少一个激光单元120A可以被定位以照射股线。在一些实施方式中，在激光焊接期间，可以根据预先定义结构的几何参数来导引股线。

在步骤330中，在施加辐射120R期间，每两个相邻股线90的相邻表面121的部分可以被熔化。可选地，股线90和基材80的相邻表面121和123可以被熔化。在一些实施方式中，股线90或基材80的相邻表面121和/或123的熔化部分的深度为垂直于相邻表面121的每条股线90的尺寸D的0.5-25％。在非限制性实例中，相邻表面121和/或123的熔化部分具有20-500微米的深度。

在步骤340中，可使用第一压力机1112压制两条或更多条股线90的基本上平行于熔化的相邻表面121的自由表面，以粘合熔化的相邻表面121，形成固体条带180。在一些实施方式中，使用第一压力机1112压制两条或更多条股线90的自由表面以形成固体条带180，是从固体条带180的两个侧面进行的。可选地，步骤340可以包括使用压力机1112连续地压制基本上平行于熔化的相邻表面121和123的自由表面。

在一些实施方式中，方法300可以进一步包括从固体条带180形成3D物体10。

在步骤350中，连续固体条带180可以使用第二导引单元130被引导为附接到先前制造的连续固体条带180A或基材80上。

在步骤360中，可以使用包括一个或多个激光源的第二激光单元120B，相对于连续固体条带180和先前制造的连续固体条带180A的相邻表面1121或基材80的表面123，引导第二指定的激光束120R。

在步骤370中，条带180和以下之一的相邻表面1121和/或123的部分被施加激光束120R熔化：基材80和先前制造的连续固体条带180A。

在步骤380中，可以使用第二压力机135将连续固体条带180和以下之一彼此压紧，以形成三维物体10：基材80和先前制造的连续固体条带180A。在一些实施方式中，将两个条带180和180A彼此压紧通过在条带180的自由面上施加压制力。

在多种实施方式中，方法300可以例如进一步包括下面图12中列出的以下任何阶段：将条带附接到由方法先前生产的结构上；通过将条带以相对于彼此的指定角度进给，将条带彼此压靠以增强附接；以及闭环监测附接360A以控制所制造产品的质量。

在多种实施方式中，股线可以包括以下的至少一个：至少一条空心股线、不同固体材料的股线、一种或多种回收材料的一条或多条股线、至少一条增强的股线和至少一条具有添加物的股线；指定的加热相关参数可包括热源、加热温度、加热持续时间和固体材料的进给速度中的至少一个；和方法进一步包括修改指定的加热相关参数，以确定相对于预先定义结构几何形状的表面液化深度，同时将股线的中心体积保持在固体状态；并且固体聚合物材料可以包括聚丙烯、聚乙烯或其他吸收激光辐射的聚合物材料。

图2是根据本发明的一些实施方式的增材制造圆柱形零件的系统100的高级示意图。图2示意性地示出了作为增材制造的圆柱形零件，例如容器的基材80，基材80可能地位于转台上(与定位单元130相关联并由控制单元140控制)，并且通过经由从进给器150接收材料并由定位单元300定位的末端部110的增材制造来生产。控制单元140未被示出，然而可以包括远程用户界面(例如，经由云服务，通信链路等)、设计模块和对应的监测和控制软件。圆柱形零件可以通过多个末端部110同时制造。

图3A和图3B是根据本发明的一些实施方式的系统100的末端部110和定位单元130的高级示意图。在所图示的非限制性设计中，定位单元130可以包括马达(一个或多个)131(其被配置为正确地定位末端部110)、空腔112(穿过其进给材料91)和作为孔控制构件111的柱塞，柱塞被配置为修改末端部110中的孔110A的尺寸以及可能的形式。柱塞111可能地由马达(一个或多个)131中的一个来控制。加热材料91的表面可以经由孔控制构件111(例如柱塞)和/或经由空腔112来执行。一个或多个末端部110可用于在任何方向(例如，在基材80的水平或竖直表面上)上将材料沉积在基材80上。所沉积的材料可以包括所附接的宽股线90和/或条带180，条带180由在末端部110中彼此附接的细股线90组成。

图4A和图4B是根据本发明的一些实施方式的系统100的末端部110的高级示意图。在图4A中，孔控制构件111被图示为旋转单元，旋转单元具有可变开口的通道。在旋转单元111旋转时，末端部110中的孔110A的尺寸和形式改变以修改挤出材料。在图4B中，孔控制构件111被图示为可旋转杆，可旋转杆具有变化的轮廓，其控制末端部110中的多个可用的孔110A，多个可用的孔110A可以接收股线90。加热材料91的表面可以经由孔控制构件111(例如旋转单元或可旋转杆)和/或经由空腔112来执行。

图5是根据本发明的一些实施方式的示例性股线生产模块160和末端部110的高级示意图。在所示的非限制性实施方式中，股线生产模块160可以包括活塞162A，活塞162A将例如粒料的原材料95推入到原材料容器162B中。然后原材料通过加热器162C熔化并且通过挤出机161(例如，马达131驱动的剂量泵，穿过多个孔洞)被挤出以将固态股线90提供到末端部110，其中股线90的表面可以在其附接之前被液化。孔控制构件111可以与图4B中的图示类似地来配置，以控制提供给末端部110和排出孔(一个或多个)110A的股线95的数量。

图6A-6F是根据本发明的一些实施方式的使用股线90作为添加材料91的系统100的高级示意图。图6A示意性地图示了接收股线90并将它们引导至末端部110的进给器150，并且包括股线定时模块151，股线定时模块151具有多个马达131和轮子152，轮子152由相应的马达131驱动并且被配置为移动和控制进给至末端部110的股线90(例如，相对于所需的制造几何形状)。传感器142可以被配置为提供关于股线状态的反馈(例如，股线的存在和类型、速度等)。每条股线90的单独控制提供了对制造过程的精确控制。图6B示意性地图示了附接单元135，附接单元135包括导引辊135C、侧辊135B和附接辊135C，导引辊135C、侧辊135B和附接辊135C分别被配置为朝向末端部110导引股线90，固定股线90的横向位置并且可能地使股线90彼此压靠，并确保股线90和/或所附接的股线180与基材80之间的粘合和接触。定位单元130可以进一步包括用于将末端部110压靠在基材上的活塞135D。股线90与基材80的附接可以包括其间的相对移动以增强再凝固的均匀性。加热元件120可邻近附接单元135定位以液化股线表面。进给器150可以包括导引件153，导引件153被配置为将指定角度的股线90进给到末端部110中，或平行或以指定角度，该指定角度可以被选择以在股线90之间提供附加的横向压力，该附加的横向压力可以被选择以进一步增强股线的附接。如下所示例的，导引件153可被配置为提供股线90的选定空间构造。图6C示意性地图示了基材80，其具有附接到彼此的股线90以形成条带180，条带180同时作为添加材料185连续地附接到基材80。基材80和末端部110中的任一个或两者可以移动以提供材料185的连续添加。示意性地示出了再凝固连接点125，其用于使股线90彼此附接和用于使条带180附接到基材80。

图6D和图6E分别是根据本发明的一些实施方式的进给器150、股线定时模块151和末端部110的透视仰视图和透视俯视图。加热器单元120被图示为处在设备的底部并且可以被配置为，例如通过热空气对流加热基材80以及可能地还加热股线90。图6F示意性地图示了具有加热元件120的末端部110，该加热元件120被配置为液化股线表面并且任选地液化基材80的表面以提供股线90至基材80的附接和整体再凝固。股线和基材加热可以通过在单元120中包括的单个加热元件120(例如，激光源)或通过多个加热元件120(两个或更多个激光源)来执行。

图7A-7F是根据本发明的一些实施方式的处于多种空间构造185A-185F的所附接股线的高级示意性构造。为了解释清楚，单条股线被图示为分离的，但它们整体地附接在实际制造的产品或零件中。空间构造中的任一个可以包括股线的增材制造的多个步骤。图7A示意性地图示了股线90的空间构造185A，其产生悬置的长凳状结构。为了提供在水平方向上的强度，股线可以在沉积之前使用彼此附接的不同数量的股线以连续添加步骤被添加。图7B示意性地图示了股线90的空间构造185B，其产生凸缘，凸缘具有根据具体股线进给构造确定的可调节的微小尺度特征。图7C示意性地图示了股线90的空间构造185C，其产生复杂的结构，该复杂的结构仍然是整体附接的并且具有跨越结构的均匀的机械特性。所公开的系统100和方法300提供修改和监测高度通用的空间股线构造以产生许多复杂结构的能力。图7D示意性地图示了股线90的空间构造185D，其在内连续层和外连续层(分别地185D-1和)之间产生部分中空的中间层(185D-2，具有Z字形附接的股线)。空间构造185D可以用于，例如通过中间层185D-2减少所生产的圆柱形零件(参见图2)的重量，同时提供其内表面和外表面的所需特性。图7E示意性地图示了股线90的空间构造185E，其产生悬垂部，该悬垂部提供弯顶状结构，而不需要如传统3D打印中的任何支撑物。机械强度来自其沉积之前彼此附接的股线90。图7F示意性地图示了扁平股线90/条带180的空间构造185F，其产生提供弯顶状结构的悬垂部。条带180可以由所附接的细股线来生产，或者可以作为进给材料91以宽股线的形式被接收。

图8A-11是根据本发明的一些实施方式的多种类型的股线90以及它们的附接的高级示意图。图8A和图8B示意性地图示了具有复杂H形轮廓的股线90A，当将股线90A附接到条带180A中时，股线90A彼此互补，轮廓中的相应突出部和凹部通过表面液化来支撑附接。图9A和图9B示意性地图示了具有六边形轮廓(可以是实心或中空的)的股线90B，在附接到条带180B中并且附接到基材80(未示出)上时，六边形轮廓使下部沉积股线和上部沉积股线90B互补。图10A和图10B示意性地图示了具有中空轮廓(在股线90C的附接期间，中空部的外周边保持固态)的股线90C，为条带180C提供了减小其重量的中空部并且可以使线材能够插入中空部中。图11示意性地图示了具有圆形轮廓的股线90D，股线90D可能在施加一些横向压力或导引的情况下被附接以形成具有矩形轮廓的条带180D，这通过股线90D的表面熔化而实现。股线90D的芯部在附接过程期间保持固态以避免热变形。

来自图1A和图1B以及图2-11的元件可以以任何可操作的组合进行组合，并且在某些图中但没有在其它图中的某些元件的图示仅用于解释目的，并且是非限制性的。

图12是图示根据本发明的一些实施方式的增材制造方法300的高级流程图。方法阶段可以相对于上述系统100来进行，该系统可以任选地被配置为实施方法300。相对于控制过程，方法300可以由至少一个计算机处理器部分地实施。某些实施方式包括包含计算机可读存储介质的计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有随其体现的计算机可读程序并且被配置为执行方法300的有关阶段。图1F中提出的阶段，进一步说明了上述方法300，可以与图12中提出的阶段相结合。方法300可以包括以下阶段中的任何一个，无论其顺序如何。

方法300包括连续接收以至少一条股线或多个颗粒的形式的固体聚合物材料(阶段310)，使用指定的加热相关参数，周边地加热连续接收的固体聚合物材料的表面以液化该表面，加热相关参数被选择以使连续接收的固体聚合物材料的中心体积保持固体状态(阶段340)，任选地选择加热相关参数以使中心保持固态(阶段342)。方法300进一步包括液化聚合物基材的表面(阶段350)，使基材的大部分保持固态(阶段352)，并将连续接收的固体聚合物材料的周边地加热表面附接到聚合物基材的液化表面，其中至聚合物基材的附接通过液化表面的再凝固来实现以产生整体附接(阶段360)。可以使用包含通过方法300先前生产的结构的基材(阶段354)。

接收310可以包括连续地接收多条固体材料股线(阶段312)并且附接360可以包括根据空间进给构造，例如股线彼此相邻的线性布置(阶段320)，将多条股线彼此附接(阶段314)。方法300还可以包括将股线彼此压靠以增强附接(阶段316)。方法300可以进一步包括使股线以相对于彼此的指定角度进给以增强附接(阶段318)。方法300可以进一步包括控制待被接收的每条股线的进给参数(阶段322)以控制所制造的产品的形式并控制股线的加热周期。可选地或补充地，附接360可以包括将股线彼此附接，并且同时将股线附接到基材(阶段366)。可选地或补充地，方法300可以包括使用聚合物颗粒作为固体聚合物材料(阶段330)。

方法300可以进一步包括例如通过挤出连续地生产待接收的股线(阶段324)。方法300可以进一步包括根据指定的附接和结构要求调节所生产的股线的横截面(阶段326)，以及可能地使用中空股线(一条或多条)、不同固体材料的股线、增强的股线(一条或多条)以及具有添加物(一个或多个)的股线(一条或多条)(阶段328)。

方法300可以进一步包括根据指定的产品设计相对于基材执行附接360(阶段362)。在某些实施方式中，方法300可以进一步包括将连续接收的固体材料的周边加热表面压靠在基材的液化的表面上(阶段364)。

方法300可以进一步包括优化指定的加热相关参数，例如加热源的选择、加热温度的调节、固体材料的加热持续时间和进给速度(阶段344)，以及任选地修改指定的加热相关参数以相对于基材的几何形状确定和控制表面液化的深度，同时使中心体积保持固体状态(阶段346)。方法300可以进一步包括根据方法300连续地控制制造过程和/或闭环监测附接以控制所制造产品的质量(阶段372)，以及任选地根据监测到的附接、制造过程和质量控制即时修改指定的加热相关参数(阶段374)。方法300可以进一步包括修改附接位置(例如，根据闭环监测)以补偿与所需参数(例如，位置、体积、公差等)的几何偏差(阶段376)。

图13A是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统400的高级示意图，包括打印头410和路由头420。

系统400可以包括与定位单元440耦合的打印头410和路由头420。在多种实施方式中，定位单元440与上述关于图1-6的定位单元130相同。

图13B是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统400的打印头410的高级示意图。

打印头410可以被配置为执行聚合物增材制造(例如，如上文关于图1-13所述的)。打印头410可包括可与上文关于图2至6所述的末端部110相同的末端部412。打印头410可以包括一个或多个进给器、一个或多个加热元件、一个或多个切割单元和/或一个或多个附接单元，其可以分别与如上文关于图2至6所述的一个或多个进给器150、一个或多个加热元件120、一个或多个切割单元170和一个或多个附接单元135相同。

图13C是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统400的路由头420的高级示意图。路由头420可以被配置为执行材料(例如，股线90和/或条带180，如上文关于图1至11的所述的))的在线加工(例如，钻孔、路由等)。在多种实施方式中，路由头420被配置为与操作打印头410同时和/或按顺序操作。路由头420可以包括被配置为接收和保持加工工具424的支架422。在多种实施方式中，加工工具424包括主轴、钻孔头、攻丝头(a tapping head)、刀头和/或熨烫头(an ironing head)。

路由头420可以包括旋转轴426(例如，铰链)，例如，第一旋转轴426A和/或第二旋转轴426B。旋转轴426可以被配置为使加工工具424相对于加工材料(例如，股线90和/或条带180)在预定的方位和/或位置上的定向和/或定位。在一些实施方式中，可以使用机器人单元(未示出)来定位和/或定向加工工具424。

图13D是根据本发明的一些实施方式的增材制造系统400的混合头430的高级示意图。

混合头430可以包括打印头410，其可以包括例如末端部412、一个或多个进给器、一个或多个加热元件、一个或多个切割单元和/或一个或多个附接单元(例如，如上文关于图13B所述的)，以及路由头420，该路由头420可以包括例如支架422、加工工具424和/或旋转轴426(例如，如上文关于图13C所述的)。

在多种实施方式中，打印头410和/或路由头420可拆卸地耦合到混合头430。例如，打印头410和/或路由头420中的至少一个可以从混合头430上拆卸。在多种实施方式中，使用例如旋转轴(例如，铰链)426，相对于打印头410调整路由头420的加工工具424(例如，主轴)的方位和/或位置。

参照图13A-13D，打印头410和路由头420可以被配置为相对于彼此按顺序操作。在一些实施方式中，在材料的加工(例如，路由)之前执行打印(例如，由打印头410的末端部412添加材料)。在一些实施方式中，在由打印头410进行打印(例如，添加材料)之前，由路由头420执行材料的加工(例如，路由)，以例如准备用于打印的材料。

在多种实施方式中，打印头410和路由头420可以被配置为同时操作以例如相互补充和/或校正。例如，路由头420可以移除进入材料(access material)，而打印头420可以添加材料以覆盖铣削区域。在另一个实例中，打印头410可以附接可能阻碍进入基板80的期望区域的附加层，而路由头420可以钻孔和/或路由基板80以使进入所期望的区域。

在多种实施方式中，打印头410和路由头420被安装在相同和/或单独的运动轴上。在多种实施方式中，打印头410被安装在第一定位单元(例如，定位单元440)上，并且路由头420被安装在第二定位单元(例如，定位单元440)上，其中第一和第二定位单元可以被配置为相对于彼此同时和/或按顺序操作。

上面参照根据本发明的实施方式的方法的流程图图示和/或部分图、装置(系统)和计算机程序产品描述了本发明的方面。应理解，流程图图示和/或部分图的每个部分以及流程图图示和/或部分图表中的部分的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，以生产机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或部分图表部分或多个部分中指定的功能/动作的装置。

这些计算机程序指令还可以储存在计算机可读介质中，其可以指示计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以特定方式工作，使得储存在计算机可读介质中的指令产生制造包括实现在流程图和/或部分图表部分或多个部分中指定的功能/动作的指令。

计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上，以使得在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或部分图表部分或多个部分中指定的功能/动作的过程。

上面提到的流程图和图表图示了根据本发明的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或部分图表中的每个部分可以表示模块、分段或代码的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些可选实施方式中，部分中标注的功能可以不按照附图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个部分事实上可以被基本上同时执行，或者部分有时可以以相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能。还将注意的是，部分图表和/或流程图图示的每个部分，以及在部分图表和/或流程图图示中的部分的组合，可以由进行指定的功能或动作的基于专用目的硬件的系统或专用目的硬件和计算机指令的组合来实施。

在以上描述中，实施方式是本发明的实例或实施。“一个实施方式”、“实施方式”、“某些实施方式”或“一些实施放多”的多种表现不一定都指相同的实施方式。尽管本发明的多种特征可以在单个实施方式的背景下进行描述，但这些特征还可以单独地提供或者以任何合适的组合提供。相反地，尽管为了清楚起见本文可在单独实施方式的背景下描述本发明，但本发明也可在单一的实施方式中实施。本发明的某些实施方式可包括来自上面所公开的不同实施方式的特征，并且某些实施方式可包含来自上面所公开的其它实施方式的要素。本发明的要素在具体实施方式的背景下的公开不应认为是限制其仅在该具体实施方式中使用。此外，应理解，本发明可以以不同的方式执行或实施，并且本发明可以在以上描述中所概述的实施方式之外的某些实施方式中实施。

本发明不限于那些附图或对应的描述。例如，流程不需要移动通过每个所示的方框或状态，或以与所示出和所描述的完全相同的顺序移动。本文中所使用的技术术语和科学术语的意思是本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的，除非另有定义。虽然本发明已参考有限数量的实施方式进行描述，但是这些不应被理解为对本发明的范围的限制，而是理解为一些优选实施方式的范例。其它可能的变型、修改和应用也在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应受限于至此已描述的内容，而是受限于所附权利要求及其法律的等同物。

Claims (41)

1.一种增材制造系统，其包括：

进给器，其被配置为连续进给两条或更多条固体聚合物材料股线；

第一导引单元，其包括两个或更多个导管，以连续接收和导引来自所述进给器的两条或更多条固体聚合物材料股线朝向连接点；

第一激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为相对于两条相邻股线的相邻表面朝向所述连接点递送指定的激光束；和

第一压力机，其被配置为压制基本上平行于所述两条或更多条股线的相邻表面的自由表面，以形成连续的固体条带。

2.根据权利要求1所述的增材制造系统，进一步包括：

第二导引单元，其被配置为连续引导连续固体条带附接到以下之一：基材和先前制造的连续固体条带；

第二激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导为相对于所述连续固体条带和以下之一的相邻表面递送指定的激光束：所述基材和所述先前制造的连续固体条带；和

第二压力机，其被配置为将所述连续固体条带以及所述基材和所述先前制造的连续固体条带中的一个彼此压紧。

3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中所述第二压力机施加0.5-500N。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源施加具有700-3500nm波长的激光束。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源施加具有900-1100nm波长的激光束。

6.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源中的每一个都以优化的强度施加激光束，以熔化20-500微米的所述固体聚合物股线的表面。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源中的每一个都以优化的强度施加激光束，以熔化所述固体聚合物股线的相邻表面，深度为垂直于所述相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造系统，其中所述进给器被配置为以优化的进给速度连续地进给两条或更多条固体聚合物材料股线，以使所述激光束熔化20-500微米的所述固体聚合物股线的表面。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的增材制造系统，其中所述进给器被配置为以优化的进给速度连续地进给两条或更多条固体聚合物材料股线，以使所述激光束熔化所述固体聚合物股线的相邻表面，深度为垂直于所述相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造系统，其中所述第一压力机施加至少0.5-500N。

11.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造系统，其中所述两个或更多个导管被定位，使得所述两条或更多条股线以2-80度的预定角度被引导一条朝向另一条。

12.一种用于增材制造的方法，其包括：

提供至少两条固体聚合物股线，其被导引朝向每两条股线的相邻表面的连接点；和

使用包括一个或多个激光源的第一激光单元，连续地引导和递送至少一个第一指定的激光束朝向每个连接点；

熔化每两条相邻股线的所述相邻表面的部分；以及

使用第一压力机，连续地压制基本上平行于所述两条或更多条股线的熔化的相邻表面的自由表面，以粘合所述熔化的相邻表面，形成固体条带。

13.根据权利要求12所述的方法，其中提供至少两条相邻股线包括：

通过进给器连续地进给两条或更多条固体聚合物材料股线；和

使用包括两个或更多个导管的第一导引单元，连续地接收和导引来自所述进给器的两条或更多条固体聚合物材料股线。

14.根据权利要求12所述的方法，其中提供至少两条相邻股线包括：

将第一固体聚合物材料股线相对于第二固体聚合物材料股线放置。

15.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，进一步包括：

使用第二导引单元，连续地引导所述连续固体条带以附接到以下之一：基材和先前制造的连续固体条带；

使用包括一个或多个激光源的第二激光单元，相对于所述连续固体条带以及以下之一的相邻表面引导和递送至少一个第二指定的激光束：所述基材和所述先前制造的连续固体条带；

熔化所述条带和以下之一的相邻表面的部分：所述基材和所述先前制造的连续固体条带；以及

使用第二压力机将所述连续固体条带以及以下之一彼此压紧，以形成3D物体：所述基材和所述先前制造的连续固体条带。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少两条股线由聚乙烯或聚丙烯制成。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述两条或更多条固体聚合物材料股线包括包含激光吸收添加物的聚合物材料。

18.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中来自所述至少两条股线的第一股线由第一类型的聚合物制成，和来自所述至少两条股线的第二股线由第二类型的聚合物制成。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述进给是以0.1-1500毫米/秒进行的。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每所述两条相邻股线的相邻表面的熔化部分的深度为垂直于所述相邻表面的每条股线的尺寸的0.5-25％。

21.根据权利要求12-19中任一项所述的方法，其中熔化每两条相邻股线的相邻表面的深度为20-500微米。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用所述第一压力机压制所述两条或更多条股线的自由表面以形成所述固体条带，是从所述连续固体条带的两个侧面进行的。

23.根据权利要求15所述的方法，其中将所述连续固体条带和以下之一彼此压紧通过在所述连续固体条带的至少一个自由表面上施加压制力：所述基材和所述先前制造的连续固体条带。

24.一种增材制造系统，其包括：

进给器，其被配置为连续地进给固体聚合物材料股线；

导引单元，其包括导管，以连续地引导所述固体聚合物材料股线附接到以下之一：基材和先前提供的固体聚合物材料股线；

激光单元，其包括一个或多个激光源，每个激光源被引导朝向所述固体聚合物材料股线与以下之一的相邻表面之间的连接点递送指定的激光束：所述基材和所述先前提供的固体聚合物材料股线；和

压力机，其被配置为压制至少一个基本上平行于所述相邻表面的自由表面。

25.根据权利要求24所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源施加具有700-3500nm波长的激光束。

26.根据权利要求24所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源施加具有900-1100nm波长的激光束。

27.根据权利要求24-26中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源中的每一个以优化的强度施加激光束，以熔化20-500微米的所述固体聚合物股线的表面。

28.根据权利要求24-27中任一项所述的增材制造系统，其中所述一个或多个激光源中的每一个以优化的强度施加激光束，以熔化所述相邻表面，深度为垂直于所述相邻表面的所述股线的尺寸的0.5-25％。

29.根据权利要求24-28中任一项所述的增材制造系统，其中所述进给器被配置为以优化的进给速度连续地进给所述固体聚合物材料股线，以使所述激光束熔化20-500微米的所述固体聚合物股线的表面。

30.根据权利要求24-28中任一项所述的增材制造系统，其中所述进给器被配置为以优化的进给速度连续地进给所述固体聚合物材料股线，以使所述一个或多个激光束熔化所述相邻表面，深度为垂直于所述相邻表面的所述股线的尺寸的0.5-25％。

31.根据权利要求24-30中任一项所述的增材制造系统，其中所述第一压力机至少施加0.5-500N。

32.根据权利要求24-31中任一项所述的增材制造系统，其中所述进给器被配置为以2-80度的预定角度引导所述固体聚合物材料股线朝向以下之一：所述基材和所述先前提供的固体聚合物材料股线。

33.一种用于增材制造的方法，其包括：

提供固体聚合物股线，其被导引朝向与以下之一的连接点：基材和先前提供的固体聚合物材料股线；

使用包括一个或多个激光源的激光单元，连续地引导和递送至少一个指定的激光束朝向所述连接点；

熔化所述相邻表面的部分；以及

使用压力机连续地压制基本上平行于熔化的相邻表面的自由表面。

34.根据权利要求33所述的方法，其中提供所述固体聚合物材料股线包括：

通过进给器连续地进给所述固体聚合物材料股线；和

使用包括导管的导引单元连续地接收和导引来自所述进给器的固体聚合物材料股线。

35.根据权利要求33所述的方法，其中提供所述固体聚合物材料股线包括：

将所述固体聚合物材料股线相对于所述基材和所述先前提供的固体聚合物材料股线中的一个放置。

36.根据权利要求33-35中任一项所述的方法，其中所述至少两条股线由聚乙烯或聚丙烯制成。

37.根据权利要求33-36中任一项所述的方法，其中所述两条或更多条固体聚合物材料股线包括包含激光吸收添加物的聚合物材料。

38.根据权利要求34所述的方法，其中进给是以0.1-1500毫米/秒进行的。

39.根据权利要求33-38中任一项所述的方法，其中所述相邻表面的熔化部分的深度为垂直于所述相邻表面的所述股线的尺寸的0.5-25％。

40.根据权利要求33-38中任一项所述的方法，其中融化所述相邻表面的深度为20-500微米。

41.根据权利要求33-40中任一项所述的方法，其中将所述固体股线和以下之一彼此压紧通过在所述固体股线的至少一个自由表面上施加压制力：所述基材及所述先前提供的连续固体股线。

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