相關(guān)申請的參照

本申請是中國專利申請第201480028653.9號的分案申請，第201480028653.9號的專利申請其申請日是2014年3月21日，發(fā)明名稱是“三維打印”。

本發(fā)明的各方面涉及三維打印。

背景技術(shù)：

自從三維打印(也被稱為增材制造)的最初發(fā)展開始，已經(jīng)設(shè)想了構(gòu)造逐層零件的各種類型的三維打印和打印機。例如，立體光刻(sla)產(chǎn)生高分辨率的零件。然而，使用sla制造的零件通常不耐用，而且還常常不是紫外線穩(wěn)定的，相反通常用于概念驗證的工作。除了sla之外，熔絲制造(fff)三維打印機也被用于通過沉積丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)或類似聚合物的連續(xù)細絲珠粒構(gòu)造零件。在有些類似的技術(shù)中，包含含有樹脂的連續(xù)纖維增強材料的“絲束預(yù)浸料”以“未加工狀態(tài)”沉積。隨后，將零件置于真空下并加熱，以除去存在于沉積材料中的夾帶氣隙并完全固化零件。盡管沒有考慮三維打印，但是增材制造的另一種方法包括預(yù)浸漬的(預(yù)浸料)復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中零件通過將用樹脂粘合劑浸漬的織物片材切斷成二維圖案而制成。然后，各片材中的一個或多個分層到模具中，并加熱以液化粘合樹脂并固化最終零件。(非三維打印)復(fù)合結(jié)構(gòu)的另一種方法是細絲纏繞，其使用纏繞在定制心軸周圍的復(fù)合材料的股線(例如，含有數(shù)百至數(shù)千的碳股線)以形成零件。細絲纏繞通常限于因細絲“橋接”而形成的凹狀和因纖維處于張力下并且支撐纖維的周圍較高幾何形狀使其不落入下層空間而形成的任何凸?fàn)睢?/p>

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個實施方案中，一種制造零件的方法，包括：將無孔隙的芯增強絲進給到擠出噴嘴，其中所述芯增強絲包括芯和包圍所述芯的基質(zhì)材料；將所述芯增強絲加熱到大于所述基質(zhì)材料的熔融溫度且小于所述芯的熔融溫度的溫度；和擠出所述芯增強絲，形成零件。

在另一個實施方案中，一種用于三維打印機的細絲，包括：多絲芯和包圍所述多絲芯的基質(zhì)材料。所述基質(zhì)材料基本上浸漬所述多絲芯的整個截面，和所述細絲是基本上無孔隙的。

在另一個實施方案中，一種制造零件的方法，包括：將細絲進給到加熱的擠出噴嘴；和在所述加熱的噴嘴的出口處或其上游的位置切斷所述細絲。

在另一個實施方案中，一種三維打印機，包括：包括噴嘴出口的加熱的擠出噴嘴；和進給機構(gòu)，被構(gòu)造和配置成將細絲進給到所述加熱的擠出噴嘴。所述三維打印機還包括切斷機構(gòu)，被構(gòu)造和配置成在所述加熱的噴嘴的出口處或其上游的位置切斷所述細絲。

在另一個實施方案中，一種加熱的擠出噴嘴，包括：噴嘴入口，被構(gòu)造和配置成接納細絲；和與所述噴嘴入口流體連通的噴嘴出口。所述噴嘴出口橫向于所述細絲的路徑的截面積大于所述噴嘴入口橫向于所述細絲的路徑的截面積。

在另一個實施方案中，一種用于三維打印機的細絲，包括：芯，包括在所述細絲的軸向方向上延伸的多個分開的節(jié)段；和包圍所述多個節(jié)段的基質(zhì)材料。所述基質(zhì)材料基本上浸漬所述芯的整個截面，和所述細絲是基本上無孔隙的。

在另一個實施方案中，一種方法，包括：在噴嘴的溫度低于細絲的熔融溫度下，將細絲放置在噴嘴出口的上游的位置；和在打印過程中從所述噴嘴出口移動細絲。

在另一個實施方案中，一種方法，包括：將細絲從被定制尺寸并配置成支撐細絲的第一通道進給到與噴嘴出口流體連通的腔室，其中所述腔室橫向于所述細絲的路徑的截面積大于第一通道橫向于所述細絲的路徑的截面積。

在另一個實施方案中，一種形成細絲的方法，包括：將一根或多根纖維與第一基質(zhì)材料混合，以形成芯增強絲；和使細絲通過迂回路徑，以將第一基質(zhì)材料浸漬所述一根或多根纖維。

在另一個實施方案中，一種方法，包括：共擠出芯增強絲并涂布基質(zhì)材料，從而利用涂布材料在所述芯增強絲上形成外涂層。

在另一個實施方案中，一種制造零件的方法，包括：將細絲進給到加熱的擠出噴嘴；從噴嘴出口擠出所述細絲；和利用所述噴嘴將壓縮力施加到擠出的細絲。

在另一個實施方案中，一種制造零件的方法，包括：使用打印機頭將第一細絲以第一所需圖案沉積到基質(zhì)材料的層中；和固化基質(zhì)層的至少一部分，從而形成包括沉積的第一細絲的零件層。

應(yīng)該理解的是，前述構(gòu)思和下面討論的額外構(gòu)思可以按任何適宜的組合配置，本公開在這一方面不受限制。此外，本公開的其他優(yōu)點和新穎性特征當(dāng)結(jié)合附圖一起考慮時從以下各種非限制性實施方案的詳細說明中將變得顯而易見。

附圖說明

附圖不旨在按比例繪制。在附圖中，在各圖中示出的每個相同或幾乎相同的部件可以用相同的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，并不是每個部件都在每個附圖中被標(biāo)記。在附圖中：

圖1是使用連續(xù)芯增強絲的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖2是三維打印工藝的代表性流程圖。

圖3a是包括實心連續(xù)芯和周圍熱塑性樹脂的連續(xù)芯增強絲的示意圖，其中實心連續(xù)芯的比例較小；

圖3b是包括實心連續(xù)芯由熱塑性樹脂包圍的連續(xù)芯增強絲的示意圖，其中實心連續(xù)芯的比例較大；

圖3c是包括由熱塑性樹脂包圍的多絲連續(xù)芯的連續(xù)芯增強絲的示意圖，其中多絲連續(xù)芯的比例較??；

圖3d是包括由熱塑性樹脂包圍的多絲連續(xù)芯的連續(xù)芯增強絲的示意圖，其中多絲連續(xù)芯的比例較大；

圖3e是包括具有電、光或流體性質(zhì)的元件的多絲連續(xù)芯的連續(xù)芯增強絲的示意圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴和包括孔隙的絲束預(yù)浸料的示意圖；

圖5是在現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴內(nèi)纖維聚束的示意圖；

圖6a是在打印系統(tǒng)的一些實施方案中利用的擴張型噴嘴的示意圖；

圖6b是在打印系統(tǒng)的一些實施方案中利用的直線型噴嘴的示意圖；

圖6c是在打印系統(tǒng)的一些實施方案中利用的圓形末端噴嘴的示意圖；

圖7是現(xiàn)有技術(shù)的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖8是包括切斷機構(gòu)的三維打印系統(tǒng)和橋接開放空間的打印工藝的示意圖；

圖9是由包括封閉的開放空間的三維打印系統(tǒng)和/或工藝形成的零件的示意圖；

圖10是包括導(dǎo)向管的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖11是包括導(dǎo)向管的三維打印系統(tǒng)的照片；

圖12a是具有任選的轉(zhuǎn)位位置的剪切切斷頭的示意圖；

圖12b是圖12a的剪切切斷頭在第二轉(zhuǎn)位位置的示意圖；

圖13是包括剪切切削的多噴嘴打印頭的示意圖；

圖14a是噴嘴的示意圖；

圖14b是具有圓形出口的噴嘴的示意圖；

圖14c是具有圓形出口的另一個噴嘴的示意圖；

圖15a是與噴嘴末端集成的切斷機構(gòu)的示意性剖視圖；

圖15b是與圖14a的旋轉(zhuǎn)90°的噴嘴末端集成的切斷機構(gòu)的示意性剖視圖；

圖15c是與噴嘴末端集成的切斷機構(gòu)的一個實施方案的仰視圖；

圖15d是與噴嘴末端集成的切斷機構(gòu)的一個實施方案的仰視圖；

圖16是與噴嘴末端集成的切斷機構(gòu)的示意性剖視圖；

圖17a是零件形成期間施加壓實力的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖17b是在沉積之前在打印系統(tǒng)中使用的連續(xù)芯增強絲的示意圖；

圖17c是在使用壓實力沉積后連續(xù)芯增強絲和周圍的材料珠的示意圖；

圖18a是現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴的示意圖；

圖18b是擴張型噴嘴的示意圖；

圖18c是前饋清潔循環(huán)中所示的圖18b的擴張型噴嘴的示意圖；

圖19a是用直線型噴嘴打印的連續(xù)芯絲的示意圖；

圖19b是用直線型噴嘴打印的未加工的絲束預(yù)浸料的示意圖；

圖19c-19e是用擴張型噴嘴縫合和打印的連續(xù)芯絲的示意圖；

圖20a是具有低摩擦冷卻進給區(qū)的多材料噴嘴的示意圖；

圖20b是包括低摩擦冷卻進給區(qū)的略微收斂型噴嘴的示意圖；

圖21a是現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴的示意圖；

圖21b-21d示出各種實施方案的噴嘴幾何形狀；

圖22是防滴噴嘴和減壓系統(tǒng)的示意圖；

圖23a是位于噴嘴內(nèi)的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖23b是位于噴嘴內(nèi)的具有重疊股線的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖23c是位于噴嘴內(nèi)的具有對齊股線的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖24a是多絲連續(xù)芯的示意圖；

圖24b是具有偏移股線的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖24c是具有對齊股線的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖24d是具有對齊股線和一個或多個連續(xù)股線的半連續(xù)芯絲的示意圖；

圖25是使用半連續(xù)細絲芯的填充圖案的示意圖；

圖26是由三維打印系統(tǒng)和/或工藝形成的多個打印層的示意圖，其具有不同層和包括不同纖維方向的層的不同部分；

圖27a是用于在第一取向形成部件的三維打印工藝的示意圖；

圖27b是使用圖27a的零件的固定裝置的示意圖；

圖27c是用于在第二取向在圖27a的零件上形成部件的三維打印工藝的示意圖；

圖28a是在第一取向使用多軸系統(tǒng)的三維打印工藝的示意圖；

圖28b是在圖28a的零件的另一取向形成部件的示意圖；

圖29是使用連續(xù)芯增強絲的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖30a是使用三維打印工藝的包括應(yīng)用于側(cè)面的外殼的零件的示意圖；

圖30b是使用三維打印工藝的包括應(yīng)用于上部和側(cè)面的外殼的零件的示意圖；

圖30c是包括已經(jīng)從下層支撐面偏移的外殼的零件的示意圖；

圖30d是由填充材料形成的零件的示意圖；

圖30e是用從角部向內(nèi)延伸的復(fù)合材料和在內(nèi)部填充的聚合物形成的零件的示意圖；

圖30f是用從角部向內(nèi)延伸的復(fù)合材料和在內(nèi)部填充的聚合物形成的零件的示意圖；

圖30g是用從角部向內(nèi)延伸的復(fù)合材料和在內(nèi)部填充的聚合物形成的零件的示意圖；

圖31a是由包括在相同方向取向的纖維的離散子部形成的翼形體的示意圖；

圖31b是由包括在不同方向取向的纖維的離散子部形成的翼形體的示意圖；

圖31c是由離散子部和其上形成的外殼形成的翼形體的示意圖；

圖32是包括打印臂和可選擇的打印機頭的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖33是在打印系統(tǒng)中使用的多元件打印機頭的示意圖；

圖34是包括沉積的增強纖維的立體光刻三維打印工藝的示意圖；

圖35是包括沉積的增強纖維的立體光刻三維打印工藝的示意圖；

圖36是包括組入的具有不同功能的打印零件的三維打印零件的示意圖；

圖37是用于在印刷電路板中形成多層的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖38是用于使用焊料或焊膏填充印刷電路板中的各種孔隙的三維打印系統(tǒng)的示意圖；

圖39是在形成通孔和接觸墊后圖38的印刷電路板的示意圖；

圖40a是包括內(nèi)部鉆孔的打印零件的示意圖；

圖40b是包括內(nèi)部形成的增強孔的打印零件的示意圖；

圖40c是包括內(nèi)部形成的增強孔的打印零件的示意圖；

圖41a是使用三維打印方法形成的復(fù)合材料零件的示意圖；

圖41b是增強的碳纖維和垂直排列的碳納米管的掃描電子顯微鏡照片；

圖42是迂回路徑浸漬系統(tǒng)的示意圖；

圖43a是具有共混絲束的傳入材料的示意圖；

圖43b是浸漬后圖43a的材料的示意圖；

圖44a是偏移輥浸漬系統(tǒng)的示意圖；

圖44b是在任選的負載構(gòu)成中圖44a的輥浸漬系統(tǒng)的示意圖；

圖45是組合有真空浸漬噴嘴的浸漬系統(tǒng)的示意圖；

圖46是集成有打印噴嘴的浸漬系統(tǒng)的示意圖；

圖47是包括迂回路徑浸漬系統(tǒng)的打印噴嘴的示意圖；

圖48是多噴嘴三維打印機的示意圖；

圖49a是形成連續(xù)芯增強絲和任選的外涂層的共擠出方法的示意圖；

圖49b是圖49a所示的過程中使用的起始材料的示意圖；

圖49c是圖49a所示的過程中使用的起始材料的示意圖；

圖49d是使用圖49a所示的過程在浸漬后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖49e是使用圖49a所示的過程在浸漬后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖49f是使用圖49a所示的過程在浸漬后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖49g是使用圖49a所示的過程包括任選的外涂層的材料的一個實施方案的示意圖；

圖49h是使用圖49a所示的過程包括任選的外涂層的材料的一個實施方案的示意圖；

圖49i是使用圖49a所示的過程包括任選的外涂層的材料的一個實施方案的示意圖；

圖50a是形成連續(xù)芯增強絲和任選的外涂層的共擠出方法的示意圖；

圖50b是圖50a所示的過程中使用的起始材料的示意圖；

圖50c是圖50a所示的過程中使用的起始材料的示意圖；

圖50d使用圖50a所示的過程在展開后起始材料的示意圖；

圖50e是使用圖50a所示的過程在浸漬后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖50f是使用圖50a所示的過程在成型后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖50g是使用圖50a所示的過程在成型后的材料的一個實施方案的示意圖；

圖50h是使用圖50a所示的過程在成型后的材料的一個實施方案的示意圖；和

圖50i是使用圖50a所示的過程包括任選的外涂層的材料的一個實施方案的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明人已經(jīng)認識到，與通常的增材制造方法相關(guān)的基本限制之一是所得到的零件的強度和耐久性。例如，熔絲制造導(dǎo)致零件表現(xiàn)出比可比較的注射成型零件更低的強度。盡管不希望受到理論的束縛，但是強度降低是由于與例如注射成型中形成的連續(xù)和基本上無孔隙材料相比沉積材料的相鄰條之間的較弱結(jié)合(還有氣泡和孔隙)。本發(fā)明人還認識到，使用基于片材的技術(shù)來形成三維零件的預(yù)浸料復(fù)合材料構(gòu)造方法費時且難以處理而導(dǎo)致高成本。此外，圍繞曲線彎曲這種片材，例如圓形，可能會導(dǎo)致纖維重疊、搭扣和/或扭曲，從而導(dǎo)致所得到的部件中不期望的軟點。至于使用包括增強纖維和樹脂的“絲束預(yù)浸料”或“絲束”的三維打印機，本發(fā)明人已經(jīng)注意到，由于非常靈活并且通常高摩擦(粘性)初始狀態(tài)的原因，現(xiàn)有技術(shù)的沉積材料通常很難在機器中加載，并且進一步難以通過打印頭進給。此外，這些未加工的材料傾向于夾帶空氣并包括氣隙。因此，在沒有后續(xù)真空加熱步驟的情況下，所得到的零件還包含孔隙，并且比在真空下構(gòu)造的傳統(tǒng)復(fù)合材料零件大致更弱。因此，與制備絲束預(yù)浸料相關(guān)的額外步驟減緩了打印過程并且導(dǎo)致環(huán)境空氣的夾帶。

由于如上所述的與通常的三維打印系統(tǒng)相關(guān)的限制，本發(fā)明人已經(jīng)認識到需要改善三維打印復(fù)合材料的強度。此外，需要增材制造構(gòu)造技術(shù)，其允許更大的速度；去除或防止沉積的材料中夾帶空氣；減少后續(xù)真空步驟的需要；和/或復(fù)合材料芯材料的正確和準(zhǔn)確擠出。本發(fā)明人還認識到，期望提供沉積凹形纖維和/或在表面或復(fù)合材料外殼上構(gòu)造離散特征的能力。

鑒于以上情況，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，與提供使用基本上無孔隙的預(yù)浸漬的(預(yù)浸料)材料打印結(jié)構(gòu)或者能夠形成在沉積過程中使用的基本上無孔隙材料的三維打印系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的好處。例如，在一個實施方案中，三維打印機使用包括具有用已經(jīng)“芯吸”到股線中的熱塑性樹脂預(yù)浸漬的多個連續(xù)股線的連續(xù)多絲芯材料的連續(xù)芯增強絲，然后這種預(yù)浸漬材料形成三維結(jié)構(gòu)。由于已經(jīng)芯吸到股線中的熱塑性樹脂，所以該材料不是“未加工的”，并且是剛性的、低摩擦的和基本上無孔隙的。在另一個實施方案中，使用實心連續(xù)芯，并且熱塑性樹脂潤濕實心連續(xù)芯，使得所得到的連續(xù)芯增強絲也是基本上無孔隙的。此外，使用其中延伸通過材料長度的芯被沿著長度分段成多個部分的半連續(xù)芯的實施方案也被考慮。這種實施方案可以包括實心芯或者彼此均勻間隔開或包括本公開不限制的重疊的多個單獨股線。在任一情況下，這樣的芯材料也可以被預(yù)浸漬或潤濕，如上所述?；旧蠠o孔隙材料可以具有小于約1％、2％、3％、4％、5％、10％、13％或任何其他適宜百分比的孔隙百分比。例如，無孔隙材料可以具有約1％～5％的孔隙百分比。此外，由于下述的加工方法，使用上述無孔隙材料打印的零件還可以表現(xiàn)出小于約1％、2％、3％、4％、5％、10％或13％的孔隙百分比。

盡管上面討論了預(yù)浸漬材料，但是在一個實施方案中，實心連續(xù)芯絲可以選擇性地在噴嘴出口內(nèi)與樹脂結(jié)合。盡管不希望受到理論的束縛，但是由于實心芯的規(guī)則和明確的幾何形狀，所以樹脂均勻地涂布芯，并且所得到的沉積的復(fù)合材料是基本上無孔隙的。

在本申請中，芯增強絲被描述為被浸漬或潤濕。例如，實心芯可用基質(zhì)材料潤濕，或者多絲芯可以用基質(zhì)材料浸漬或充分潤濕。然而，對于本申請的目的，包括已被浸漬的芯的細絲應(yīng)理解為是指包括已經(jīng)用基質(zhì)材料充分浸漬和/或潤濕芯的細絲。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解這將如何被解釋為其中芯材料是實心芯的應(yīng)用。

除了上述之外，本申請中描述了芯增強材料。對于具體的實施方案和實施例，連續(xù)芯和/或半連續(xù)芯可以被描述為示例性的目的。然而，應(yīng)該理解的是，連續(xù)和/或半連續(xù)芯可以用在任何特定應(yīng)用中并且本公開不以這種方式限制。此外，關(guān)于芯增強材料，芯可以位于細絲的內(nèi)部或者芯材料可以延伸到細絲的外表面，本公開不以這種方式限制。此外，應(yīng)該理解的是，芯增強材料還包括由諸如光學(xué)材料、流體傳導(dǎo)材料、導(dǎo)電材料和任何其他適宜的材料等材料提供的增強物，本公開不受此限。

在另一個實施方案中，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，與提供組合有立體光刻(sla)、選擇性激光燒結(jié)(sls)和其他三維打印工藝的連續(xù)或半連續(xù)芯相關(guān)聯(lián)的好處，其中使用液體或粉末形式的基質(zhì)形成表現(xiàn)出增強強度的基本上無孔隙的零件。上述實施方案可以有助于減少或消除對后續(xù)真空步驟需要并且通過幫助減少或消除最終結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙的存在而改善所得到的打印結(jié)構(gòu)的強度。

除了由于消除孔隙而改善強度之外，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，在三維打印工藝時敷設(shè)單條的目前限制可被用作在復(fù)合結(jié)構(gòu)制造中的優(yōu)點。例如，在結(jié)構(gòu)內(nèi)在打印過程中沉積的增強材料的方向可以控制在特定層和層的一部分內(nèi)，以局部和總體地控制復(fù)合結(jié)構(gòu)的方向強度。因此，結(jié)構(gòu)內(nèi)的增強方向性可以在期望的位置和方向提供增強的零件強度，以滿足特定設(shè)計要求。容易定制結(jié)構(gòu)在特定位置的方向強度的能力可以使得提供更輕和更強的所得零件。

在一個實施方案中，可能期望包括三維打印系統(tǒng)的切斷機構(gòu)。這種切斷機構(gòu)可以用來提供選擇性終止，以沉積材料的期望長度。否則，由于沉積材料仍然被連接到材料擠出噴嘴內(nèi)的材料(例如，連續(xù)芯)，打印過程不容易終止。切斷機構(gòu)可以位于相關(guān)聯(lián)的打印機噴嘴的出口處或者可能位于出口的上游。此外，在一些實施方案中，切斷機構(gòu)位于芯材料的進給機構(gòu)和噴嘴的出口之間。然而，不管特定的構(gòu)成和位置如何，切斷機構(gòu)使得三維打印系統(tǒng)在特定位置在期望的方向上快速方便地沉積材料的期望長度。與此相反，不包括切斷機構(gòu)的系統(tǒng)連續(xù)地沉積材料，直到材料用完或被手動切斷。這限制了可以制造的零件的復(fù)雜性、打印過程的速度以及以在特定方向沉積包括連續(xù)芯的材料的能力。取決于實施方案，切斷機構(gòu)還可以通過堵塞噴嘴或防止進給機構(gòu)施加力或壓力到切斷機構(gòu)下游的材料的一部分來中斷打印機進給。盡管在某些情況下，可能期望包括三維打印機的切斷機構(gòu)，但是應(yīng)該理解的是，本文所述的實施方案可以使用或不使用切斷機構(gòu)，本公開不以這種方式限制。此外，切斷機構(gòu)也可以用于不包括連續(xù)芯的實施方案。

應(yīng)該理解的是，本文所述的基本上無孔隙材料可以按任何方式來制造。然而，在一個實施方案中，通過材料形成過程中在不同方向上施加變化的壓力和/或力來形成材料。例如，在一個實施方案中，聚合物或樹脂以及芯包括多個增強纖維的芯的多股線在進給入系統(tǒng)之前混合。然后，系統(tǒng)加熱材料到聚合物樹脂的所需粘度并在共混絲束預(yù)浸料的交替方向上施加變化的壓力和/或力，以幫助促進用聚合物或樹脂充分浸漬絲束預(yù)浸料的纖維。這可以通過使用包括未加工的絲束預(yù)浸料經(jīng)過的多個彎曲的平滑迂回路徑來實現(xiàn)，或者它可以對應(yīng)于改變絲束預(yù)浸料通過系統(tǒng)時的方向的多個偏移輥。當(dāng)絲束預(yù)浸料經(jīng)過迂回路徑時，變化的力和壓力有助于充分浸漬聚合物進入芯并且形成基本上無孔隙材料。盡管上面描述了包括增強纖維和聚合物樹脂的單獨股線的共混絲束預(yù)浸料，但是其中實心芯和/或多個增強纖維與聚合物顆粒共混或者浸入液體聚合物或樹脂、然后進行上述過程的實施方案也可以考慮。除了上述之外，在用聚合物浸漬芯之后，基本上無孔隙材料可以通過成形噴嘴進給，從而提供所需形狀。噴嘴可以是任何適宜的形狀，包括圓形、橢圓形、方形或任何其他期望的形狀。盡管上面描述了連續(xù)芯，但是其中使用半連續(xù)芯的實施方案也可以考慮。此外，這種形成過程可以在環(huán)境條件下進行，或者在真空下進行，以進一步消除在基本上無孔隙材料內(nèi)孔隙的存在。

在一些實施方案中，可能期望在對應(yīng)于上述的基本上無孔隙材料的絲束預(yù)浸料上提供平滑的外涂層。在這種實施方案中，按如上所述形成或在任何其他適宜工藝中形成的基本上無孔隙材料通過適宜形狀的噴嘴與聚合物共擠出。隨著基本上無孔隙材料和聚合物通過噴嘴擠出，聚合物在基本上無孔隙材料的周圍形成平滑的外涂層。

用于目前所述的三維打印工藝的材料可以并入材料的任何適宜組合。例如，適宜的樹脂和聚合物包括但不限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、尼龍、聚醚酰亞胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚乳酸(pla)、液晶聚合物和各種其他熱塑性材料。芯也可被選擇以提供任何期望的性能。適宜的芯絲包括賦予期望性質(zhì)的那些，如結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)(電和/或熱)、絕緣(電和/或熱)、光和/或流體傳輸方面。這樣的材料包括但不限于碳纖維、芳綸纖維、纖維玻璃、金屬(如銅、銀、金、錫、鋼)、光纖和撓性管。應(yīng)該理解的是，芯絲可以提供為任何適宜的尺寸。此外，多種類型的連續(xù)芯也可以用在一種連續(xù)芯增強絲中，以提供多種功能，如電氣和光學(xué)性質(zhì)。還應(yīng)該理解的是，一種材料可以被用來提供芯增強絲的多種性能。例如，鋼芯可能被用于提供結(jié)構(gòu)性能以及導(dǎo)電性能。

在一些實施方案中，除了選擇芯增強絲的材料之外，期望提供使用具有不同樹脂的芯增強絲的能力，以增強芯比率，從而在零件的不同部分中提供不同的性質(zhì)。例如，低樹脂填料可以用于零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以最大化強度-重量比(例如，按橫截面積，20％樹脂)。然而，在零件的外化妝表面上，消耗性的較高的90％樹脂可被用于防止通過下層芯或芯的個別纖維股線的可能打印。此外，在一些實施方案中，消耗性材料可以具有零纖維含量，并且僅僅是樹脂。因此，應(yīng)該理解的是，可以使用任何適宜百分比的樹脂。

芯增強絲也可以提供為各種尺寸。例如，連續(xù)或半連續(xù)芯增強絲可以具有大于或等于約0.001英寸并小于或等于約0.4英寸的外徑。在一個具體實施方案中，細絲大于或等于約0.010英寸并小于或等于約0.030英寸。在一些實施方案中，還期望的是，芯增強絲沿著其長度具有基本上恒定的外徑。取決于具體實施方案，可以使用有關(guān)芯增強絲的外徑的不同光滑度和公差。盡管不希望受到理論的束縛，但是恒定的外徑可以有助于提供恒定的材料流速和在最終零件中一致的性能。

如下面更詳細地說明的，在結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇性地打印導(dǎo)電的、導(dǎo)光的和/或?qū)Я黧w的芯的能力使得在結(jié)構(gòu)中提供所需部件的結(jié)構(gòu)。例如，導(dǎo)電和導(dǎo)光的連續(xù)芯可被用于構(gòu)造應(yīng)變計、光學(xué)傳感器、跡線、天線、配線和其他適宜的部件。導(dǎo)流體的芯也可用于形成諸如流體通道和熱交換器等部件。在結(jié)構(gòu)之上或之內(nèi)形成功能部件的能力提供了多種好處。例如，所述的三維打印工藝和設(shè)備可被用來制造在結(jié)構(gòu)中集成形成的印刷電路板；在汽車底盤或平面機身中集成的配線和傳感器；以及具有集成的繞組的電機芯，僅例舉了幾種。

現(xiàn)在參照附圖，對所公開的材料和三維打印工藝的具體實施方案進行說明。

圖1示出了使用復(fù)合材料的連續(xù)股線來構(gòu)造結(jié)構(gòu)的三維打印機的實施方案。在所示的實施方案中，復(fù)合材料的連續(xù)股線是連續(xù)芯增強絲2。連續(xù)芯增強絲2是基本上無孔隙的絲束預(yù)浸料，并包括涂布或浸漬內(nèi)部連續(xù)芯6的聚合物4。根據(jù)特定的實施方案，芯6可以是實心芯或它可以是包括多股線的多絲芯。

連續(xù)芯增強絲2通過加熱的噴嘴進給，如擠出噴嘴10。隨著連續(xù)芯增強絲通過擠出噴嘴被進給，它被加熱到預(yù)先選定的擠出溫度。該溫度可被選擇以實現(xiàn)任何數(shù)量的所得性能，包括但不限于擠出材料的粘度、擠出材料對下層的粘接性以及得到的表面光潔度。盡管擠出溫度可以是任何適宜的溫度，但是在一個實施方案中，擠出溫度高于聚合物4的熔融溫度，但低于樹脂的分解溫度和芯6的熔融或分解溫度。任何合適的加熱器可以用于加熱噴嘴，例如帶式加熱器或線圈加熱器。

在加熱的擠出噴嘴10中加熱之后，連續(xù)芯增強絲2被擠出到構(gòu)造壓印盤16上來構(gòu)造連續(xù)層14，從而形成最終三維結(jié)構(gòu)。在沉積過程中加熱的擠出噴嘴10相對于構(gòu)造壓印盤16的位置可以按任何適宜的方式來控制。例如，構(gòu)造壓印盤16的位置和取向或加熱的擠出噴嘴10的位置和取向可以由控制器20進行控制，以在期望的位置和方向沉積連續(xù)芯增強絲2，本公開不限于任何特定的控制方法。此外，任何適宜的移動機構(gòu)可以被用來控制噴嘴或構(gòu)造壓印盤，包括臺架系統(tǒng)、機器人手臂、h架和其他適宜的移動系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以包括任何適宜的位置和位移傳感器，以監(jiān)測加熱的擠出噴嘴相對于構(gòu)造壓印盤和/或被構(gòu)造的零件的位置和移動。然后，這些傳感器可以將感測的位置和移動信息供給控制器20?？刂破?0可以使用感測到的x，y和/或z軸位置和移動信息來控制加熱的擠出頭或壓印盤的后續(xù)動作。例如，該系統(tǒng)可以包括測距儀、位移傳感器、距離積分器、加速度計和/或能夠檢測加熱的擠出噴嘴相對于構(gòu)造壓印盤的位置或移動的任何其他感測系統(tǒng)。在一個具體實施方案中，如附圖所示，激光測距儀15或其他合適的傳感器被用于掃描加熱的擠出噴嘴之前的部分，從而校正噴嘴的z高度或所需的填充體積，以匹配期望的沉積輪廓。這種測量還可以用于填充在零件中檢測到的孔隙。此外，測距儀15或另一個測距儀可被用于在材料被擠出以確認沉積的材料的深度和位置后測量零件。

取決于實施方案，三維打印機包括切斷機構(gòu)8。切斷機構(gòu)8有利地允許連續(xù)芯增強絲在打印過程中被自動切斷，而不需要手動切斷或形成尾巴，如下面更詳細說明的。通過在沉積過程中切斷連續(xù)芯增強絲，可以在結(jié)構(gòu)上形成單獨的特征和部，并且在多個部分和層中控制沉積的材料的方向性，這導(dǎo)致多種好處，如下面更詳細說明的。在所示的實施方案中，切斷機構(gòu)8是位于噴嘴出口的背襯板12相關(guān)聯(lián)的切斷刀片，盡管其他位置也是可能的。盡管示出了包括切斷刀片的切斷機構(gòu)的一個實施方案，但是如下面更詳細說明的其他類型的切斷機構(gòu)也是可能的，包括但不限于激光、高壓空氣、高壓流體、剪切機構(gòu)或任何其他合適的切斷機構(gòu)。此外，特定的切斷機構(gòu)可以適宜地選擇用于三維打印機中使用的特定具體進料。

圖1還示出了多個任選的二級打印頭18，在一些實施方案中其被用于三維打印機。次級打印頭18可以被用來在三維打印零件的表面上沉積油墨或其他宜適的任選的涂料。在一個實施方案中，次級打印頭類似于現(xiàn)有的噴墨打印機。這種打印頭可以用于在制造過程中在零件上打印照片質(zhì)量的圖畫和圖像。對于這種打印過程，打印頭可以使用抗紫外線性樹脂?？蛇x擇地，打印頭可被用于在零件上打印保護涂層。例如，打印頭可以用于提供抗紫外線性或耐刮擦性涂層。

圖2示出使用圖1所示的系統(tǒng)和控制器的三維打印工藝的示意性流程圖。首先，在102中，提供連續(xù)芯增強絲。然后，將連續(xù)芯增強絲進給到加熱的擠出噴嘴，在104和106中，并加熱到大于樹脂的熔融溫度且小于連續(xù)芯的熔融溫度的所需溫度。然后，在108中，三維打印機感測加熱的擠出噴嘴相對于構(gòu)造壓印盤或零件的位置和移動。在確定加熱的擠出噴嘴的位置和移動之后，噴嘴被移動到期望的位置，在110中，連續(xù)芯增強絲在期望的位置并且沿著所需的路徑和方向被擠出。在其中構(gòu)造壓印盤或零件相對于噴嘴移動的實施方案也被設(shè)想。在達到期望的終止點之后，在112中，切斷連續(xù)芯增強絲。然后，控制器可以確定三維零件是否完成。如果打印處理未完成，那么控制器可以返回到108，在此期間感測噴嘴的當(dāng)前位置和移動，然后沉積下一段連續(xù)芯增強絲。如果零件完成，那么可以從構(gòu)造壓印盤取下最終零件?？蛇x擇地，在118中，任選的涂層可以使用二級打印頭沉積在零件上，以提供保護涂層和/或應(yīng)用數(shù)字或圖像到最終零件。應(yīng)該理解的是，上述的步驟可以按與所述不同的順序進行。此外，在一些實施方案中，可以使用和/或省略額外的步驟，本公開不僅限于圖2所示的過程。

圖3a-3e示出了連續(xù)芯增強絲2的各種構(gòu)成的實施方案。除了特定的芯構(gòu)成之外，材料被加工為基本上無孔隙的，這有助于最終結(jié)構(gòu)的各層的結(jié)合和所得到的強度。

圖3a和圖3b示出了包括埋在周圍聚合物4或樹脂中的實心芯6a的連續(xù)芯增強絲的剖視圖。在聚合物中或者在聚合物和實心芯之間基本上沒有孔隙存在。圖3a示出了包括較大比例的聚合物的截面的芯增強絲。圖3b示出了較大實心芯和相應(yīng)的較大比例增強芯材料的截面。應(yīng)該理解的是，可以使用任何適宜的連續(xù)芯面積與聚合物面積的比例。此外，盡管不希望受到理論的束縛，但是具有較大比例聚合物的材料可能導(dǎo)致更平滑的表面光潔度以及層之間更好的粘合。相反地，可以使用較大比例的連續(xù)芯絲，以增加強度和最終構(gòu)造部件的重量比，因為纖維材料構(gòu)成復(fù)合材料的體積強度并且以較大比例存在。當(dāng)芯由銅或其他適宜的導(dǎo)電或?qū)Ч獠牧现瞥蓵r，較大的芯也可能是有利的，因為可能需要有大的芯以增加沉積材料的傳導(dǎo)性。

圖3c和圖3d示出了另一個實施方案，其中連續(xù)芯增強絲2的芯材料是由芯吸到多絲芯截面的聚合物4包圍和浸漬的連續(xù)多絲芯材料6b。圖3c示出了由聚合物4包圍和浸漬的較小比例的多絲芯材料6b。圖3d示出了具有非常小量的樹脂和大比例的多絲芯材料6b的實施方案，使得多絲芯材料填充幾乎整個截面。在這種實施方案中，聚合物4的行為更像浸漬到多絲芯材料6b中的粘合劑將其保持在一起。類似于上述的實心芯，樹脂與多絲芯材料的任何適宜比例可被用于為所得到的連續(xù)芯增強絲2提供選定的強度、表面光潔度、傳導(dǎo)性、粘合性或其他所需性能。

圖3e示出了連續(xù)多絲芯的變形。在本實施方案中，連續(xù)芯增強絲2仍然包括由聚合物4包圍和浸漬的連續(xù)多絲芯體6b。然而，芯還包括芯材料6c和6d的一個或多個次級股線。這些次級芯材料可以是導(dǎo)光、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、導(dǎo)流體的或上述的一些組合。這些次級芯材料可以被用來傳導(dǎo)功率、信號、熱和流體以及用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和其他所需的功能。

為了避免上述芯增強絲2內(nèi)孔隙的夾帶，對聚合物材料進行處理，使得在材料的初始生產(chǎn)期間熔融的聚合物或聚合物樹脂芯吸到增強纖維中。在一些實施方案中，聚合物基本上芯吸到多絲芯的整個截面，這有助于提供基本上無孔隙材料。為了制造所需的芯增強絲，芯增強絲可以用一種或多種涂層預(yù)處理以活化表面，隨后暴露于一種或多種環(huán)境條件，如溫度、壓力和/或化學(xué)試劑(如增塑劑)，以輔助聚合物或樹脂芯吸到多絲芯的截面，而沒有任何孔隙的形成。在一些實施方案中，這個過程可以先于進入三維打印機的進給頭進行。然而，在其他實施方案中，芯增強絲在打印處理之前形成在完全獨立的機器上，并且被設(shè)置為消耗性打印材料。因為后續(xù)沉積過程不需要在高到足以用聚合物或樹脂潤濕芯材料的溫度下運行，所以沉積過程可以在比通常系統(tǒng)所需更低的溫度和壓力下運行。盡管上述方法可應(yīng)用到實心和多絲芯，但是更有利的是，由于在不形成孔隙的情況下芯吸到多絲芯中相關(guān)聯(lián)的難度而將該方法應(yīng)用到多絲芯。此外，通過單獨地或在引入到噴嘴之前形成芯增強絲，材料的寬度和比例可以嚴(yán)格控制，導(dǎo)致在被進給到三維打印機時材料更恒定的進料速率。

與沒有孔隙而大致形成的上述材料相比，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)使用“未加工”的沉積過程，包括可以使用在擠出過程期間本身可能已經(jīng)浸入樹脂或熔融聚合物并用多絲芯芯吸的增強纖維。為了做到這一點，樹脂或聚合物基本上加熱超過熔點，使得粘度足夠低，從而允許樹脂或聚合物芯吸到增強纖維中。這個過程可以由將壓力施加到材料以幫助芯吸到增強纖維的一組輥子來輔助。然而，由于輥子的布置和離開輥子時絲束預(yù)浸料的溫度，這一過程通常會導(dǎo)致孔隙被夾帶在最終形成之前的材料中。在樹脂或聚合物被芯吸到增強纖維中之后，所得到的“絲束預(yù)浸料”或“絲束”通常被冷卻到恰好高于擠出前的熔點。然而，這一過程通常在與被插入到噴嘴時材料中存在的空氣相結(jié)合的空氣中進行，導(dǎo)致環(huán)境空氣被夾帶在材料中，如下面更詳細說明的。

通常的絲束預(yù)浸料的擠出過程中的這種芯吸過程示出于圖4。如圖所示，在芯吸和擠出過程之前，未加工的絲束預(yù)浸料22包括多個未加工的基質(zhì)樹脂顆?；蚣毥z24，與多個增強纖維28以及周圍空氣26混合。如圖所示，增強纖維28隨機分布在整個截面。隨著絲束預(yù)浸料22通過擠出噴嘴的加熱區(qū)30，材料被加熱以誘導(dǎo)纖維潤濕并形成固化的樹脂32。周圍空氣26也夾帶在絲束預(yù)浸料中，從而形成氣隙34。然后，這些夾帶的氣隙34埋在所得到的打印零件中。此外，氣隙34可能導(dǎo)致纖維的非粘接部分36。由于增強纖維的這些非粘接部分不與聚合物接觸，因此所得到的復(fù)合材料在此位置很弱。與此相反，圖3a-3e所示的說明性實施方案中的連續(xù)芯增強絲是基本上無孔隙的，并且在至少一些實施方案中，芯在周圍樹脂內(nèi)位于中央。盡管不希望受到理論的束縛，但是這導(dǎo)致更強更均勻的材料和所得到的零件。

盡管目前描述的三維打印機系統(tǒng)主要涉及使用本文所述的預(yù)浸漬或潤濕的芯增強絲，但是在一些實施方案中，三維打印機系統(tǒng)可以使用類似于圖4所示的未加工的共混絲束預(yù)浸料22的材料。然而，如上所述，期望的是在噴嘴內(nèi)固化材料的過程中避免夾帶的氣隙的形成。在沉積的材料中避免氣隙形成的一種可能方法是提供在噴嘴內(nèi)提供真空。通過在噴嘴內(nèi)提供真空，當(dāng)在噴嘴內(nèi)被加熱并固化時，沒有空氣夾帶在絲束預(yù)浸料內(nèi)。因此，在一些實施方案中，噴嘴被構(gòu)造成允許在真空狀態(tài)下的同時引入包括實心或多絲芯的連續(xù)的未加工材料。然后，連續(xù)的未加工材料可以在真空下的同時被加熱到高于連續(xù)的未加工材料內(nèi)的樹脂或聚合物的熔融溫度的適宜溫度，以促進樹脂或聚合物芯吸到芯中，從而制造基本上無孔隙材料。另一種方法是使用迂回路徑，其可通過偏移輥或如下所述的其他構(gòu)造來提供，以機械地處理夾帶的空氣。任選地，真空也可以與通過迂回路徑來機械地去除氣泡組合應(yīng)用。

除了用于打印三維零件的材料之外，用于沉積芯增強絲的特定噴嘴也對最終零件的性能有影響。例如，通常的三維打印機中使用的擠出噴嘴的幾何形狀是收斂型噴嘴，參見圖5。通常的三維打印機中使用的收斂型噴嘴通常具有直徑約0.060英寸～0.120英寸(1.5mm-3mm)的原料。原料通過通常頸縮至約0.008英寸～0.016英寸(0.2mm-0.4mm)的末端孔的噴嘴擠出。然而，這樣的噴嘴可能不期望用于包括連續(xù)芯的原料，原因如下。

盡管不希望受到理論的束縛，但是當(dāng)原料被進給到收斂型噴嘴時，約束的幾何形狀導(dǎo)致流體聚合物基質(zhì)材料相對于連續(xù)芯加速。此外，基質(zhì)和芯通常具有不同的熱膨脹系數(shù)。由于基質(zhì)材料是聚合物，所以通常具有較大的熱膨脹系數(shù)。因此，隨著基質(zhì)材料被加熱，由于在收斂型噴嘴的密閉空間內(nèi)基質(zhì)材料的較大膨脹，所以也相對于纖維加速?；|(zhì)材料相對于纖維的加速導(dǎo)致在噴嘴入口附近基質(zhì)材料流速vmatrix小于纖維材料流速vfiber。然而，在出口處的基質(zhì)材料流速vmatrix等于纖維材料流速vfiber。如圖所示，基質(zhì)材料和纖維在收斂型噴嘴內(nèi)的不匹配速度可能導(dǎo)致在沉積過程期間纖維在噴嘴內(nèi)收集。這可能導(dǎo)致堵塞，并且難以控制沉積過程的均勻性。應(yīng)該理解的是，盡管與收斂型噴嘴相關(guān)聯(lián)的難度已經(jīng)如上所述，但是收斂型噴嘴可以用于本文所述的實施方案，本公開不以這種方式限制。

鑒于以上情況，期望提供能夠維持多絲芯材料6b或其他適宜芯的各個股線以及聚合物4或其他基質(zhì)材料在整個噴嘴內(nèi)的匹配速度的噴嘴幾何形狀，從而得到給定的基質(zhì)和芯組合。例如，圖6a示出匹配基質(zhì)材料的熱膨脹的具有增大噴嘴直徑的擴張型噴嘴200。如圖所示，噴嘴200包括具有直徑d1的入口202、具有增大直徑的部分204和具有大于直徑d1的直徑d2的出口206。盡管不希望受到理論的束縛，但是通過在噴嘴內(nèi)使噴嘴直徑與基質(zhì)材料的預(yù)期膨脹匹配，基質(zhì)和連續(xù)芯增強絲在整個噴嘴內(nèi)保持相基本上彼此相同的速度。因此，基質(zhì)材料和連續(xù)芯的線性擠出速率相同，并且連續(xù)芯不會在噴嘴內(nèi)積聚。

除了上述以外，在一些實施方案中，基質(zhì)材料和連續(xù)芯具有相對較低的熱膨脹系數(shù)(如碳纖維和液晶聚合物)。在這樣的實施方案中，由于基質(zhì)材料和增強纖維處于基本上相同的尺寸，所以噴嘴200可以包括具有基本相同直徑d3的入口202和出口206，參見圖6b。因此，盡管一些噴嘴設(shè)計可以具有擴張型的幾何形狀，但是在一些實施方案中，噴嘴幾何形狀可以是基本線性的，并且可以具有基本上相似的入口和擠出區(qū)。

除了控制噴嘴的入口和出口的相對大小之外，噴嘴200還可以包括圓形的噴嘴出口208，參見圖6c。圓形噴嘴出口208可以具有任何適宜的形式和尺寸。例如，圓形的噴嘴出口208可以由向外延伸的唇緣、斜面、方網(wǎng)眼、圓弧或任何其他適宜的幾何形狀體現(xiàn)，從而提供從噴嘴出口的平滑過渡。盡管不希望受到理論的束縛，但是從噴嘴內(nèi)孔提供平滑過渡的圓形噴嘴出口可以有助于避免當(dāng)從噴嘴200擠出時施加過大應(yīng)力和/或刮擦到連續(xù)材料。由圓形噴嘴出口提供的這種平穩(wěn)過渡可以有助于避免在沉積期間壓裂連續(xù)芯絲。

圖7示出了與在打印頭中沒有集成的刀具來打印連續(xù)芯增強絲的可能劣勢。如圖所示，打印頭300形成零件302，并且顯示為沉積材料層304的最后部分。由于也被稱為熔融沉積成型(fdm)的通常熔絲制造(fff)技術(shù)將打印頭靠近底層零件，并且經(jīng)常接觸到擠出塑料的頂部，因此很少或幾乎沒有空間在其中引入外部切斷機構(gòu)。事實上，在沒有接近零厚度的刀片的情況下，打印頭需要打印零件中沒有規(guī)定的標(biāo)簽端超出部306，從而能夠使單獨的切斷機構(gòu)或人切斷連續(xù)芯并終止打印工藝。然而，這在每個纖維終止點留下不希望的標(biāo)簽端超出部306。如圖7所示，多個內(nèi)部特征，如硬質(zhì)安裝凸臺308，可能在凸臺內(nèi)的各層中都具有標(biāo)簽端超出部306。鑒于上述情況，集成的切斷機構(gòu)可能需要更少的后處理，并且允許機器簡單地用更小和更少的標(biāo)簽端超出部來打印期望的零件。此外，在一些實施方案中，如下面更詳細說明的，切斷機構(gòu)可以消除標(biāo)簽端超出部的存在。

圖8示出三維打印機使用的切斷機構(gòu)的兩個實施方案。如圖所示，適宜的進料(在本例子中是連續(xù)芯增強絲2a，盡管可以使用其他合適的細絲)從卷筒38取出并通過進給機構(gòu)，如驅(qū)動輥40和惰輪42。驅(qū)動輥40或任何其他適宜的進給機構(gòu)被構(gòu)造和布置以將朝向下游方向的力施加到本實施例中的連續(xù)芯增強絲2a上。因此，連續(xù)芯增強絲2a可以處于當(dāng)施加該力時使得其處于固態(tài)或半固態(tài)的溫度。例如，該力可以在材料處于室溫、低于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的室溫或該材料能夠支撐所施加力的任何其他適宜的溫度下施加到材料。所施加的下游力導(dǎo)致連續(xù)芯增強絲2a進入和從加熱的噴嘴10被擠出，從而構(gòu)建三維零件。盡管驅(qū)動輥已被示出，但是應(yīng)該理解的是，任何適宜的進給機構(gòu)都可以使用。

在第一實施方案中，諸如刀片等切斷機構(gòu)8a位于加熱的擠出噴嘴10的出口。這種構(gòu)造允許切斷機構(gòu)的致動，以通過作用于內(nèi)部連續(xù)芯而完全切斷沉積的條。此外，在一些實施方案中，噴嘴壓力在切斷過程中保持，并且切斷刀片被致動以切斷內(nèi)部股線并防止連續(xù)纖維增強的材料進一步擠出和通過物理地阻斷噴嘴出口而防止滴落。因此，與傳統(tǒng)的三維打印機相比，切斷機構(gòu)使得連續(xù)芯增強絲和未增強的材料能夠以精確選定的長度沉積。

在集成有相同系統(tǒng)的第二示出的實施方案中，切斷機構(gòu)8b位于噴嘴出口的上游。更具體地，切斷機構(gòu)8b可以位于噴嘴的熱端內(nèi)，或者位于連續(xù)芯增強絲被加熱之前的進一步上游。在一些實施方案中，切斷機構(gòu)8b位于噴嘴出口與進給機構(gòu)40之間。這種實施方案可以允許使用噴嘴出口和零件之間的較小間隙，因為切斷機構(gòu)不需要容納在噴嘴出口與零件之間的空間內(nèi)。取決于特定位置，切斷機構(gòu)8b可以切斷連續(xù)芯絲和周圍基質(zhì)，同時溫度低于熔化或軟化溫度，并且在一些實施方案中，低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的。盡管不希望受到理論的束縛，但是在聚合物的熔化、軟化和/或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下切斷連續(xù)芯增強絲可能會降低樹脂粘到刀片上傾向，從而可以減少機器堵塞。此外，在樹脂或聚合物低于熔點時的切斷可以有助于沉積材料的更精確計量?？梢赃x擇沿著連續(xù)芯增強絲的切斷位置，以消除標(biāo)簽端超出部在最終零件中的存在，從而可以促進多個單獨特征的形成。

如圖所示，連續(xù)芯增強絲下游部分2b可以通過上游切斷機構(gòu)8b從連續(xù)芯增強絲的上游部分2a切斷。通過保持進料和進料在其內(nèi)駐留的引導(dǎo)管之間的緊密配合，切斷股線的下游部分2b仍然可以通過由驅(qū)動輥40或任何其他適宜的進給機構(gòu)驅(qū)動的上游部分2a的機器推動。盡管不希望受到理論的束縛，但是先前沉積和冷卻的材料也附著到先前沉積的層上，并且當(dāng)將力施加到位于切斷股線下游部分的連續(xù)芯的打印頭相對于零件移動時，從加熱的擠出噴嘴10拉出連續(xù)芯增強絲2b。因此，來自進給機構(gòu)的上游力和通過連續(xù)芯傳送的下游力的組合可以用于沉積材料的切斷部件。此外，可以選擇沿著連續(xù)增強芯的切斷位置，以消除標(biāo)簽端超出部在最終零件中的存在。

盡管上面已經(jīng)說明了包括集成的切斷機構(gòu)的實施方案，但是不包括切斷機構(gòu)的實施方案也是可能的，本公開不以這種方式限制。例如，可以使用其中以連續(xù)串方式打印零件的實施方案，使得連續(xù)材料的終止不是必需的。在一種這樣的實施方案中，三維打印機可能不能夠?qū)崿F(xiàn)纖維終止，因此將打印材料的長度，直到零件完成、材料用盡或者用戶切斷沉積的材料。

盡管切斷連續(xù)纖維增強材料有助于消除標(biāo)簽端超出部的存在，但是也期望防止材料的彎曲，以幫助確保均勻的沉積和防止機器卡住。盡管不希望受到理論的束縛，但是材料的剛度與材料的直徑的平方成比例。因此，具有大直徑的連續(xù)材料不需要盡可能多的支持而被送入如圖所示的噴嘴的入口。然而，隨著連續(xù)材料的直徑減小，額外的特征可能是必要的，以確保連續(xù)材料的彎曲和其內(nèi)所含的任何連續(xù)芯絲不會彎曲。例如，如下面更詳細說明的，緊密配合的導(dǎo)向管可以與將進給機構(gòu)定位到靠近噴嘴的入口或?qū)蚬芙M合使用，以幫助防止材料彎曲。因此，在一個實施方案中，進給機構(gòu)可以位于從導(dǎo)向管或入口到噴嘴小于約20倍直徑、10倍直徑、8倍直徑、6倍直徑、5倍直徑、4倍直徑、3倍直徑、2倍直徑、1倍直徑或任何其他適宜的距離。

除了防止彎曲之外，在一些實施方案中，施加到沉積的增強纖維上的最大拉力或拖力被限制，以防止從對應(yīng)的構(gòu)造壓印盤打印零件被拉起或者提供連續(xù)芯所需量的拉伸。力限制可以按任意數(shù)量的方式來提供。例如，單向鎖定軸承可以被用于限制拖動力。在這樣的實施方案中，驅(qū)動電機可以通過單向鎖定軸承轉(zhuǎn)動驅(qū)動輪，使得電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動輪子和擠出材料。如果材料拖動超出了驅(qū)動輪的驅(qū)動速度，那么單向軸承可能滑動，從而允許額外的材料通過進給機構(gòu)和噴嘴被拉動，有效地增大了進給速率以匹配頭行進速度，同時也限制了驅(qū)動力，使得它小于或等于預(yù)先選定的限值。拖動力也可以使用具有相稱內(nèi)置滑動的離合器限制?？蛇x擇地，在另一個實施方案中，可以選擇驅(qū)動輪和惰輪的法向力和摩擦系數(shù)，以允許連續(xù)材料通過進給機構(gòu)高于某一拖動力被拉動。限制力的其他方法也是可能的。在另一種環(huán)境中，ac感應(yīng)電機或者切換到“關(guān)”位置的直流電機(例如，取決于實施方案，這可以對應(yīng)于小電阻被施加到電機端子或打開電機端子)可以用于允許細絲被從打印機拉出。在這樣的實施方案中，當(dāng)高于期望的力閾值的拖動力被施加以允許從打印機拉出細絲時，電機可被允許空轉(zhuǎn)。鑒于上述情況，進給機構(gòu)以某些形式或方式構(gòu)成，使得當(dāng)施加到細絲上的拖動力大于期望的閾值力時細絲可以從打印機噴嘴拉出。此外，在一些實施方案中，進給機構(gòu)可以結(jié)合到傳感器和控制器環(huán)路中，以基于細絲的張力，提供沉積速度、打印機頭速度和/或其他適宜的控制參數(shù)的反饋控制。

如上所述，構(gòu)造成允許細絲從打印機噴嘴拉出的打印機系統(tǒng)可以以多種方式被使用。然而，在一個實施方案中，打印系統(tǒng)沿著直線型打印部從打印機噴嘴拖出細絲。在這樣的動作中，打印機頭可以以期望的速率移位，并且粘合到前面層或打印表面的沉積材料將施加拖動力到打印噴嘴內(nèi)的細絲。因此，細絲將被從打印系統(tǒng)拉出并沉積到零件上。當(dāng)沿著曲線和/或角部進行打印時，打印系統(tǒng)擠出和/或推出沉積的細絲到零件或表面上。當(dāng)然，其中細絲在操作期間未從打印系統(tǒng)拖出和/或其中在曲線和/或角落時細絲從打印機頭拖出的實施方案也可以考慮。

使用連續(xù)芯增強絲的目前描述的三維打印方法也使得能夠橋接以前不能由三維打印機所跨越的大空氣間隙。盡管不希望受到理論的束縛，但是包括未熔融(即實心)連續(xù)芯的拉伸的連續(xù)芯增強絲的沉積使得沉積材料能夠一方面由打印頭保持并且另一方面粘附到打印零件上。然后，打印頭可以橫越開放的間隙，沒有材料下垂。因此，打印機可以在自由空間中打印，使得打印機跳過間隙，基本上打印兩點之間的橋。這使得能夠構(gòu)造空心部件，而無需使用可溶的支撐材料。

圖8示出了由連續(xù)芯增強絲進行的自由空間打印。使得連續(xù)芯增強絲2b在點44處附著到零件上并在點46處由打印頭保持，可以橋接間隙48。在典型的fff打印機中，擠出的材料會下垂，并落入間隙48中，因為它被熔融并且未被支撐。然而，具有支撐熔融聚合物的非熔融材料的連續(xù)芯使得能夠在自由空間中打印，有利地實現(xiàn)了許多新類型的打印。例如，圖9所示的閉合斷面盒由橋接間隙48并被固定到相對的部分52和54上的部分50形成。雖然本實施例示出了封閉的斷面橋，但是自由空間打印也可以被用來制造不能用典型的非支撐材料來打印的懸臂和未支撐的梁。

在一些實施方案中，如冷卻空氣噴射等冷卻機構(gòu)可以應(yīng)用于擠出的材料以通過使芯周圍的聚合物材料凝固來進一步防止下垂。擠出的材料可以在建造具有跨過間隙的部分的部件的同時被連續(xù)冷卻?？蛇x擇地，在一些實施方案中，擠出的材料可以僅在間隙上被擠出的同時被冷卻。盡管不希望受到理論的束縛，但是對材料僅在間隙上時進行選擇性冷卻可以產(chǎn)生與之前沉積的材料層之間更好的粘合性，因為沉積的材料處于升高溫度下較長時間段，這加強了相鄰層之間的擴散和結(jié)合。

在上述實施方案中，切斷刀片位于噴嘴的上游以當(dāng)打印機需要時選擇性切斷連續(xù)芯。雖然該方法是有效的，但是有可能絲束預(yù)浸料不會在切斷機構(gòu)和噴嘴之間正確地“跳過間隙”。因此，在至少一些實施方案中，希望提高在切斷步驟之后重新穿進芯材料的可靠性。

如下面更詳細說明的，在一些實施方案中，切斷機構(gòu)被設(shè)計成在切斷操作之后減小或消除未支撐的間隙。在這種實施方案中，可以使用管形剪切刀。如下面更詳細說明的，絲束預(yù)浸料包含在彼此相對剪切以切斷絲束預(yù)浸料的兩根交叉管內(nèi)。在這種實施方案中，間隙足以容納兩者彼此傾斜的移動。管隨后移回對齊以繼續(xù)進給材料。在這種機構(gòu)中，有效地沒有在切斷操作之后將要跳過的間隙，因為管在切斷之后重新對齊。在一些實施方案中，在切斷后通過使導(dǎo)向管一起軸向移動減小或消除切斷操作所需要的間隙，因此，消除間隙并且防止纖維不得不跳過間隙。在其他實施方案中，如下面更詳細說明的，切斷機構(gòu)可以集成到打印機頭噴嘴的末端以消除對間隙的需求。

圖10示出了基于壓縮的連續(xù)芯打印頭。如圖所示，輸入材料是在拉伸下被拉入進給輥40和42中的諸如連續(xù)芯絲2等絲束預(yù)浸料。為了便于引導(dǎo)以及保持使連續(xù)芯絲2與輥40和42對齊，在一些實施方案中，連續(xù)芯絲2通過位于輥的上游的導(dǎo)向管74。在通過輥之后，連續(xù)芯絲2被壓縮放置。如上所述，取決于材料在壓縮下的長度以及施加的力的大小，連續(xù)芯絲2可能彎曲。因此，在一些實施方案中，連續(xù)芯絲2通過位于輥的下游和噴嘴的上游的緊密配合的導(dǎo)向管72。導(dǎo)向管72將引導(dǎo)連續(xù)芯絲2并基本上防止其彎曲。與上述實施方案類似，對應(yīng)于刀片的切斷機構(gòu)8位于導(dǎo)向管72的下游。附圖中示出了在打印機頭70和切斷機構(gòu)8之間存在的間隙62。當(dāng)連續(xù)芯絲2被切斷機構(gòu)8切斷時，該材料通過從間隙62的一側(cè)傳遞到另一側(cè)并進入接收管64被“重新穿進”。在一些實施方案中，接收管64有利地在材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，使得整個切斷操作發(fā)生在固體材料內(nèi)。在所示的實施方案中，隔熱件66位于接收管64和熱熔噴嘴68之間。隔熱件66減小從熱熔噴嘴68到接收管64的熱傳遞。與之前的實施方案類似，在構(gòu)造壓印盤16上逐層14沉積連續(xù)芯材料2。圖11是包括上述部件的系統(tǒng)的照片。

在一些實施方案中，與圖10所示的裝置一起使用的細絲設(shè)置在卷筒76上。當(dāng)以這種形式提供時，該材料被預(yù)成型、基本上是實心并且基本上是剛性的。例如，可以提供預(yù)浸漬的芯增強絲。由于該材料已經(jīng)形成，所以在使用期間不太可能粘住各個部件和/或分層，就像可以包括或不包括未固化的樹脂的未加工的絲束預(yù)浸料可能會出現(xiàn)的情況那樣。通過提供預(yù)成型狀態(tài)下的細絲，該細絲除了更容易操縱之外還能夠支持壓縮力。這便于在系統(tǒng)穿線期間的處理以及便于在使用如本文所述的基于壓縮的打印機頭沉積期間向材料施加壓縮力。

盡管不希望受到理論的束縛，但是跳過圖10所示的間隙62時的難度源于一些關(guān)鍵區(qū)域。重新穿進時的第一難度是由于以下這種事實，與在細絲已被穿線之后并且兩端被完全支撐和限制時相比，在穿線期間當(dāng)細絲的端部沒有被支撐時，該細絲本質(zhì)上更靈活。更具體地，當(dāng)重新穿進時彎曲模式是第二級，與對應(yīng)于第一級彎曲模式的僅在上游端受限制的細絲相比，其在本質(zhì)上更硬并且不容易彎曲或屈曲。此外，在細絲已被穿線之后，下游部分用于引導(dǎo)所有隨后的流動材料進入管中。最后，切斷細絲向進料引入變形，這可能導(dǎo)致細絲和接收管64的不對齊。這種不對齊可能導(dǎo)致細絲在切斷之后不適宜地進給到接收管64中。這種變形可以通過使用硬性基質(zhì)材料和鋒利的切斷刀片來最小化。然而，刀片磨損以及希望使用不同類型的材料意味著，在一些應(yīng)用中，可能希望使用不同切斷機構(gòu)或額外的特征來提高穿線可靠性。

有幾種提高使細絲穿線通過切斷機構(gòu)的可靠性的方式。例如，在一個實施方案中，間隙62被選擇性地增大或減小以允許引入刀片。在這種實施方案中，當(dāng)不使用時，切斷機構(gòu)8被從間隙62去除并且導(dǎo)向管72朝向接收管64位移。這減小了并且在一些實施方案中消除了在重新穿進期間的間隙62?？蛇x擇地，導(dǎo)向管72可以構(gòu)建和配置成伸縮，使得導(dǎo)向管的一部分朝向接收管64移動，同時導(dǎo)向管的另一部分保持固定定位以減小間隙。在另一個實施方案中，使用被沿著導(dǎo)向管72軸向向下引導(dǎo)的如空氣等加壓流體的流減小了重新穿進誤差。加壓流體在如圖所示的切斷機構(gòu)8處離開導(dǎo)向管72。盡管不希望受到理論的束縛，但是在連續(xù)芯絲2或其他合適的材料正向通過間隙62時，軸向流體流會使流體流內(nèi)的材料居中，因而有助于使材料與接收端16對齊。這個實施方案也可以有利地用于在使用期間冷卻導(dǎo)向管72。這可能有助于促進高速打印和/或更高的打印溫度。流體流也可以有助于減小材料通過導(dǎo)向管時的摩擦。

圖12a示出了剪切切斷機構(gòu)的一個實施方案。剪切切斷機構(gòu)也消除圖10的間隙62，這會提高穿線的可靠性。與上述的類似，連續(xù)細絲400被驅(qū)動輪408壓縮驅(qū)動，并由緊密配合的導(dǎo)向管420接收。該材料被壓縮驅(qū)動通過上部剪切切斷引導(dǎo)塊406、下部剪切切斷頭402和加熱的打印頭404。上部剪切切斷塊406和下部剪切切斷頭402彼此相對位移以向細絲施加剪切力來將其切斷。雖然在附圖中示出了特定機構(gòu)，但是應(yīng)該理解的是，可以使用能夠向材料提供剪切力的任意構(gòu)造。例如，第一和第二剪切元件可以包括形狀和尺寸制成接受細絲的對齊通道。第一和/或第二剪切元件然后可以彼此相對位移以使在第一和第二剪切元件中形成的通道不對齊并向細絲施加剪切力來將其切斷。此外，剪切切斷機構(gòu)可以位于打印頭內(nèi)或打印頭的上游，本公開不受此限。

圖12b示出了相對于剪切切斷頭402平移的上部剪切切斷塊406。如上所述，當(dāng)上部剪切切斷塊相對于剪切切斷頭平移時，細絲段422被從連續(xù)細絲400剪斷。如果希望簡單的切斷，那么剪切頭402可以返回到相對于上部切斷塊406的原來位置。在所呈現(xiàn)的圖中，上部塊移動。然而，取決于特定設(shè)計任一塊或兩個塊可以移動。剪切切斷和返回動作是最簡單的切斷構(gòu)成。在剪切切斷和返回之后，細絲400的端部整個俘獲在導(dǎo)向管中。因此，沒有要跳過的間隙，因此，提高了將細絲正向進給到零件的下一部分的可靠性。

除了簡單地進行材料的剪切切斷之外，在一些實施方案中，可能希望提供具有多種類型的材料和/或操作的打印能力。圖12a示出了包括任選的轉(zhuǎn)位臺414和416的系統(tǒng)的一個實施方案。當(dāng)剪切頭402平移到任一臺時，可以額外發(fā)生多個有用的操作。在一個實施方案中，臺416是清潔臺并包括可以通過打印頭404進給以清潔噴嘴的清潔材料410。在一個實施例中，該材料是像黃銅、銅、不銹鋼和鋁等一樣的金屬。這使得噴嘴能夠被加熱，并充入具有比原料更高的熔融溫度的材料。在一個實施方案中，打印頭404被移動到打印清潔臺，例如，后面的角落或其他適宜的位置。打印頭404然后被加熱并轉(zhuǎn)位到臺416。然后將清潔材料410進給通過噴嘴以清除存在的任何障礙物。上部剪切切斷塊406和下部剪切切斷頭402的剪切切斷動作然后可以切斷犧牲性清潔件以防止它們被向上拉回噴嘴，從而向噴嘴引入污染物。然而，在一些情況下，清潔劑可以可循環(huán)地被向下推，并向上拉回通過噴嘴。在另一個實施方案中，清潔臺416被用來推動諸如高壓空氣、液體、固體、氣體、等離子體和溶劑等任意數(shù)量的清潔劑通過噴嘴以進行所希望的清潔功能。

除了上述之外，在一些實施方案中，三維打印系統(tǒng)也包括對應(yīng)于不同材料412的臺414。取決于特定應(yīng)用，第二材料可以是諸如銅等導(dǎo)電材料、諸如光纖等導(dǎo)光材料、第二芯增強絲、塑料、陶瓷、金屬、流體處理劑、焊料、焊膏、環(huán)氧樹脂或任意其他所希望的材料，本公開不受此限。在這種實施方案中，打印噴嘴404被從其他臺中的一個轉(zhuǎn)位到臺414以沉積第二材料412。當(dāng)使用第二材料的打印功能完成時，打印噴嘴404然后從臺414轉(zhuǎn)位到所希望的臺和對應(yīng)的材料。

圖13示出了包括在剪切切斷塊中形成的多個噴嘴404和424的剪切切斷塊402。在一個實施方案中，噴嘴404具有比噴嘴424大的打印孔口，使得較大直徑絲束預(yù)浸料和/或純的聚合物材料能夠以更快的體積沉積。在另一個實施方案中，第二噴嘴424基本上與噴嘴404相同。因此，第二噴嘴424可以用作替換噴嘴，如果噴嘴404被堵塞，那么其可以被自動切換到使用狀態(tài)。具有額外的噴嘴將減少尤其在無人值守打印(例如整夜)時機器的停機時間。與上述的類似，第一和第二噴嘴404和424可以在不同臺之間轉(zhuǎn)位。

圖14a示出了包括入口502和出口504的噴嘴500。噴嘴出口504的幾何形狀包括尖銳的出口角。雖然一些實施方案可以使用在出口具有尖銳的角的噴嘴，但是尖銳的角可能在連續(xù)芯打印時導(dǎo)致纖維的切斷。此外，其可能刮掉金屬芯的鍍層和施加到結(jié)合在芯中的光纜上的處理。因此，在一些實施方案中，希望在噴嘴的出口提供平穩(wěn)過渡。圖14b示出倒角的噴嘴出口506，其在測試中減少了纖維的剪切切斷。平滑圓形噴嘴出口508有利地減少了非熔融連續(xù)芯的剪切和切斷。應(yīng)當(dāng)理解的是，在噴嘴的出口的特定過渡設(shè)計包括諸如倒角、圓角和過渡的度和長度等方面以及將取決于被使用的特定材料而變化的其他適宜的考慮。例如，kevlar具有極強的耐磨性，而玻璃纖維很弱。因此，雖然包括45°倒角的噴嘴對于kevlar可能是足夠的，但是當(dāng)與玻璃纖維一起使用時其可能導(dǎo)致斷裂股線。然而，通過使用額外的倒角或其他特征，可以消除在打印期間玻璃纖維芯的斷裂。

如圖所示，噴嘴出口幾何形狀506和508提供了從垂直到水平面的平穩(wěn)過渡以避免意外切斷芯材料。然而，在一些實施方案中，可能希望切斷連續(xù)芯以切斷細絲。在噴嘴500的末端切斷連續(xù)芯的一種方法是在垂直z方向上向下推動噴嘴，如箭頭510所示。如圖14c所示，在一些實施方案中，噴嘴出口508的拐角處被銳化并在z方向上取向以使得在出口撞擊并切斷材料時出口能夠切斷連續(xù)芯。為了便于使用這種方法切斷材料，可能希望在拉伸下放置材料。這種拉伸可以以任意數(shù)量的方式提供，例如包括使用進給機構(gòu)提供材料的堅固保持、使進給機構(gòu)反轉(zhuǎn)和/或移動打印頭?？蛇x擇地，噴嘴500可以保持靜止，同時進給機構(gòu)被反轉(zhuǎn)以抵靠噴嘴出口的邊緣拉動材料并將其切斷。在另一個實施方案中，切斷可以通過簡單地使股線在拐角處“斷裂”來實現(xiàn)，股線在拐角處通過在不進料的情況下使打印頭前進而離開噴嘴，從而形成拉伸直到芯被切斷。通常，這會在噴嘴出口的拐角處發(fā)生。在本實施方案中，可以選擇折衷噴嘴設(shè)計。噴嘴出口幾何形狀可以被稍微銳化以增強切斷。

在另一個實施方案中，噴嘴的一部分可以被銳化并指向噴嘴出口的內(nèi)部以有助于切斷通過噴嘴輸出的材料。如圖15a～15d所示，噴嘴600含有從倒角型噴嘴離開的連續(xù)芯絲2或其他合適的材料。如圖所示，噴嘴600具有平滑倒角。此外，噴嘴600包括位于噴嘴的遠端出口的環(huán)602。環(huán)602的大部分是環(huán)的非切斷部分并且成形和配置成使得其不干擾從噴嘴輸出的材料。然而，環(huán)602也包括被銳化并向內(nèi)朝向噴嘴600內(nèi)所含的材料取向的切斷部602a，參見圖15b～15d。取決于具體實施方案，切斷部602a是鋒利的切斷刀片。切斷部分可以由切削鋼、不銹鋼、碳化物、陶瓷或任意合適的材料制成。如圖15d所示，在一些實施方案中，切斷部602a占據(jù)噴嘴出口面積的一小部分。在這種實施方案中，切斷部602a可以永久地附著在噴嘴出口內(nèi)所指出的位置，或者其也可以選擇性地在打印過程期間縮回并當(dāng)希望切斷打印材料時展開到切斷位置，本公開不受此限?？蛇x擇地，在其他實施方案中，切斷部602a凹進到噴嘴出口的邊緣使得其在正常操作期間不撞擊離開噴嘴的材料。例如，如圖15c所示，切斷部602a可以形成噴嘴出口的邊緣的一部分。也可以考慮切斷部602a相對于噴嘴出口的其他配置。此外，雖然切斷部602a描述為結(jié)合有連接到噴嘴上的環(huán)，但是也可以考慮其中切斷部由噴嘴出口形成或直接連接到噴嘴出口上的實施方案。

關(guān)于圖15a～15d所示的實施方案，當(dāng)希望切斷從噴嘴擠出的材料(例如，連續(xù)芯絲2)時，噴嘴相對于在表面上構(gòu)建的零件在方向d上平移，參見附圖中所示出的箭頭。在這種平移期間，連續(xù)芯絲2未通過噴嘴進給。因此，連續(xù)芯絲2及在其中包含的芯有效地保持在適當(dāng)位置。這導(dǎo)致通過周圍聚合物基質(zhì)4朝向切斷部602a位移的芯材料6的拉伸。隨著向連續(xù)芯絲2施加越來越大的張力，芯6被切斷部602a切斷?？蛇x擇地，在一些實施方案中，表面和/或零件如所公開的相對于噴嘴平移，或連續(xù)芯絲2使用進給機構(gòu)被縮回以向芯材料6施加所希望的張力來進行切斷動作。

雖然在附圖中示出了具有特定尺寸的實心芯，但是應(yīng)該理解的是，本公開不受此限。相反，這種切斷機構(gòu)可以與實心芯、多絲芯、連續(xù)芯、半連續(xù)芯、純的聚合物或任意其他所希望的材料一起使用。此外，芯材料6可以具有任意合適的尺寸使得其對應(yīng)于附圖中所示出的材料的較大或較小比例。除了上述之外，對于諸如光纜等一些材料，切斷部602a在芯6的側(cè)面形成小的刻痕，并且噴嘴相對于零件的額外平移完成切斷。對于諸如復(fù)合纖維等其他材料，如上所述，當(dāng)芯6在拉伸下放置時，噴嘴的圓形幾何形狀使得其指向切斷部602a。因此，所得到的朝向切斷部分的芯的固結(jié)(例如壓實)能夠利用較小部分刀片切斷大的纖維。在另一個實施方案中，芯6是實心金屬芯或包括多根金屬股線。例如，芯可以由銅制成。在這種實施方案中，切斷部分106a在材料中形成足夠的薄弱點，以使芯的足夠拉伸造成芯股線在噴嘴出口斷裂。再次地，芯的拉伸可以通過噴嘴相對于零件的平移、材料的反向驅(qū)動或它們的組合來完成。

在另一個實施方案中，切斷部602a是加熱芯以切斷它的高溫加熱元件，在一些應(yīng)用中其被稱作熱刀。例如，加熱元件可以將芯加熱到熔融溫度、碳化溫度或其中芯的抗拉強度足夠低使得其可以利用充分拉伸而斷裂的溫度。應(yīng)當(dāng)理解的是，加熱元件可以直接或間接加熱芯。此外，在一些實施方案中，該元件是高帶寬加熱器，使得其快速加熱，切斷芯，并快速冷卻，而不向打印零件賦予有害熱量。在一個具體實施方案中，加熱元件是在能夠加熱芯和/或周圍材料的適宜的頻率下操作的感應(yīng)加熱元件。在這種實施方案中，感應(yīng)加熱器將芯加熱到所希望的溫度以將其切斷。這種實施方案可以與許多不同材料一起使用。然而，在一個實施方案中，感應(yīng)加熱器與包含諸如銅等金屬芯的連續(xù)芯絲一起使用。感應(yīng)加熱元件直接加熱金屬芯以切斷股線。在其中加熱元件間接加熱芯的情況下，可以不必在切斷芯之前使材料拉伸。相反，芯可以被切斷并且噴嘴隨后平移以使材料在噴嘴出口斷裂。

圖16示出了在所示的實施方案中的基于噴嘴末端的切斷機構(gòu)的另一個實施方案，切斷元件604設(shè)置在噴嘴600的遠端。雖然可以使用任意適宜的配置，但是在所示的實施方案中，如圖所示，切斷環(huán)設(shè)置在噴嘴的遠端周圍。切斷環(huán)604包括朝向附圖中所示的沉積的連續(xù)芯絲2取向的鋒利邊緣。在這種實施方案中，切斷元件604或其一小段向下朝向沉積的材料致動以切斷連續(xù)芯絲2的芯。在另一種形式中，內(nèi)部噴嘴600相對于切斷元件604向上平移。在這種實施方案中，擠出噴嘴600可以被彈簧向下加載。因此，可以通過驅(qū)動進給頭進入相對于切斷環(huán)的部分，從而壓低內(nèi)部進給頭并使得切斷環(huán)能夠作用于芯材料來執(zhí)行切斷。在任一情況下，使連續(xù)芯絲2與切斷元件604接觸，并且切斷芯材料6。

雖然以上說明了幾種不同類型的切斷機構(gòu)，但是應(yīng)該理解的是，可以使用能夠切斷芯和/或周圍基質(zhì)的任意適宜的切斷機構(gòu)。因此，本公開不應(yīng)當(dāng)僅限于這里所描述的切斷機構(gòu)、在這些實施方案中所描述的芯、特定芯材料和結(jié)構(gòu)。

如上所述，基于張力的三維打印系統(tǒng)表現(xiàn)出一些局限性，包括不能制出平面或凸面形狀以及與在最初和各個切斷之后使打印材料穿線通過系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的難度。相比之下，基于壓縮的三維打印系統(tǒng)提供了多種益處，包括能夠制出平面和凸面形狀以及改進了材料的穿線。然而，如之前所述，在一些操作模式下，和/或在一些實施方案中，材料可以在張力下被系統(tǒng)沉積，本公開不受此限。

再次參照圖10，三維打印系統(tǒng)可以包括能夠向進給到打印機頭70中的連續(xù)芯絲2施加壓縮力的諸如輥40等進給機構(gòu)。然而，如上所述，使用壓縮力擠出絲束預(yù)浸料、股線、纖維或其他類似材料可能導(dǎo)致彎曲。因此，希望當(dāng)材料處于壓縮下時防止材料彎曲。盡管不希望受到理論的束縛，但是當(dāng)復(fù)合纖維限制在適當(dāng)位置時，如當(dāng)它們由基質(zhì)保持在適當(dāng)?shù)奈恢脮r，復(fù)合纖維異常地堅硬。然而，當(dāng)不強行阻止復(fù)合纖維在偏軸方向上移動時，復(fù)合纖維當(dāng)在預(yù)浸漬的形式下干燥時容易彎曲。因此，在一些實施方案中，希望限制材料在偏軸方向上的移動。雖然這可以以多種方式來完成，但是在一個實施方案中，如上所述，一個或多個緊密配合導(dǎo)向管72位于進給機構(gòu)和接收管64或噴嘴的另一個入口之間。沿著纖維長度定位的一個或多個緊密配合導(dǎo)向管72有助于防止彎曲。諸如輥40等進給機構(gòu)和導(dǎo)向管72的入口之間的距離可以選擇為也基本上避免材料彎曲。在一些實施方案中，希望導(dǎo)向管是緊密配合和平滑的，使得它們的形狀和尺寸基本上與連續(xù)芯絲2匹配。在一個具體實施方案中，導(dǎo)向管是圓形皮下注射管。然而，也可以考慮其中導(dǎo)向管的尺寸和成形成接受卵形、正方形、帶狀材料或任意其他適宜形狀的材料的實施方案。在一些實施方案中，如下面更詳細說明的，連續(xù)芯絲2可以包括平滑的外涂層和/或表面，這與其中芯可以戳穿外套的張力卷繞系統(tǒng)不同。這種平滑的外表面可以有利地減小材料在緊密配合導(dǎo)向管內(nèi)的摩擦。

在一些實施方案中，三維打印系統(tǒng)不包括導(dǎo)向管。相反，進給機構(gòu)可以位于離諸如接收管64等噴嘴的入口足夠近的位置，使得連續(xù)芯絲2從進給機構(gòu)到噴嘴入口的長度足夠小以避免彎曲。在這種實施方案中，可能希望將由進給機構(gòu)施加的力限制為低于進給到噴嘴中的連續(xù)芯絲或其他材料的預(yù)期彎曲力或壓力的閾值。

除了使用壓縮沉積來材料之外，當(dāng)前描述的三維打印機也可以與壓實力一起使用以提高最終零件性能。例如，圖17a示出了利用施加的壓實力或壓力62通過打印機頭60擠出的諸如連續(xù)芯增強絲2等復(fù)合材料。壓實力將具有初始形狀的初始連續(xù)芯增強絲2a(參見圖17b)壓縮成下面的前一層并壓縮成第二壓實形狀(參見圖17c)。壓縮的連續(xù)芯增強絲2b擴散到在同一層上的相鄰股線2c中并被壓縮成材料的下層股線2d。這種類型的壓實通常通過壓力板或真空裝袋步驟在復(fù)合材料中實現(xiàn)，減小了增強纖維之間的距離，并且提高了所得到的零件的強度。雖然可以使用打印機頭70來直接向沉積的材料施加壓縮力，但是壓縮沉積的材料的其他方法也是可行的。例如，沉積的材料可以使用以下方法壓實：通過頭后面的尾部壓力板施加的壓力；一次向整層施加壓實力的跨過整個零件的全寬度壓力板；和/或可以施加熱以使層中的樹脂回流并實現(xiàn)在最終零件內(nèi)所希望的壓實量。

如上所述，參照圖18a，在熔絲制造(fff)三維打印機中所使用的噴嘴700通常在噴嘴的末端采用縮口以當(dāng)固體的非熔融塑料首先在入口702進入噴嘴中并前進到加熱塊704時將其捕捉。收斂型噴嘴出口706施加僅使材料一旦熔融時能夠通過噴嘴并且可以經(jīng)由顯著較小直徑出口706擠出的反壓力或減速力。與熔絲制造相關(guān)聯(lián)的一個問題是，由于捕捉材料而沒有辦法將其噴射出去的收斂型噴嘴設(shè)計而最終堵塞和堵住打印頭(噴嘴)。此外，降解的塑料在噴嘴內(nèi)積聚，這最終堵塞噴嘴或改變擠出打印頭。此外，為了清潔收斂型噴嘴，進給細絲必須向后反轉(zhuǎn)向上通過噴嘴，可能污染回到細絲卷筒的進給路徑。在反轉(zhuǎn)通過整個進給路徑之后，被污染的進料的前端必須從進給卷筒切斷，并且卷筒必須重新穿線通過機器。由于這些原因，在大多數(shù)fff三維打印機上的噴嘴被認為是定期替換的磨損件。

已經(jīng)意識到與收斂型噴嘴相關(guān)聯(lián)的這些限制，本發(fā)明人認識到了與擴張型噴嘴相關(guān)聯(lián)的益處。在擴張型噴嘴中，流入材料在從進給區(qū)移到加熱的熔融區(qū)時會膨脹，從而使得已進入進給區(qū)的任意特定物質(zhì)能夠被從更大的加熱區(qū)噴射出。此外，與如下面更詳細說明的通過整個噴嘴回收材料相比，擴張型噴嘴由于噴嘴出口去除材料而更易于清潔并且也可以允許材料被除去以及正向進給的方式。

圖18b示出了包括與冷進給區(qū)712流體連接的材料入口710的噴嘴708。在所示的實施方案中，入口710和冷進給區(qū)712對應(yīng)于具有第一尺寸和形狀的腔室或通道。冷進給區(qū)712設(shè)置在加熱區(qū)714的頂部并與該加熱區(qū)流體連接。加熱區(qū)714中所示出的腔室或通道橫向于當(dāng)位于其中時細絲路徑的截面積大于位于冷進給區(qū)712中的腔室或通道橫向于細絲路徑的截面積。此外，在一些實施方案中，噴嘴出口橫向于細絲路徑的截面積大于噴嘴入口橫向于細絲路徑的截面積。噴嘴也包括噴嘴出口716。在使用期間，材料從噴嘴入口710進入、通過冷進給區(qū)712并進入加熱區(qū)714。然后，材料通過噴嘴出口716輸出。在一些實施方案中，冷進給區(qū)712由比加熱區(qū)714的材料導(dǎo)熱少的材料構(gòu)成。這可以允許材料通過冷進給區(qū)712并進入加熱區(qū)714而不軟化。在一個具體實施方案中，擴張型噴嘴通過使用諸如聚四氟乙烯等低摩擦進給管形成，該低摩擦進給管進給到位于噴嘴內(nèi)的較大直徑的加熱區(qū)中，使得加熱區(qū)的一部分在管的下游露出。此外，取決于實施方案，冷進給區(qū)和加熱區(qū)中的一個或兩個可以由諸如聚四氟乙烯等低摩擦材料構(gòu)成或涂布有諸如聚四氟乙烯等低摩擦材料。雖然已在附圖中示出冷進給區(qū)和加熱區(qū)之間的急劇過渡，但是也可以考慮其中存在從較小入口到較大出口的逐漸過渡的擴張型噴嘴的實施方案。

fff的一種常見失效模式是熔融區(qū)最終逐漸上升到冷進給區(qū)，稱為“堵塞”。當(dāng)熔融區(qū)過高進入進給區(qū)中然后在打印期間冷卻時，頭會堵塞。具有擴張型噴嘴通過使得熔融塑料能夠從較小通道運載到擴張型噴嘴的較大腔室中而大大降低了堵塞的可能性。此外，如下面所述，擴張型噴嘴也更容易清潔。

圖18c示出了其中擴張型噴嘴708已被在加熱區(qū)714內(nèi)形成并被移除的插塞718阻塞的情況。有利地，擴張型噴嘴可以使用正向進給清潔循環(huán)清潔。在一個實施方案中，正向進給清潔循環(huán)通過將塑料的一部分?jǐn)D出到打印床上使得塑料粘附打印床來開始?？蛇x擇地，該系統(tǒng)可以將材料沉積到位于遠離正常構(gòu)建臺的打印系統(tǒng)后面的清潔區(qū)域上或任意其他適宜的表面上，本公開不受此限。在附著到表面上之后，系統(tǒng)被冷卻，以允許位于加熱區(qū)714內(nèi)的材料冷卻到材料的熔融溫度以下。在凝固之后，打印床和噴嘴彼此相對移動以從噴嘴708提取插塞718。例如，打印床可以在z方向上向下移動。可選擇地，包括噴嘴的打印機頭可以在垂直z方向上遠離打印床移動。此外，在一些實施方案中，與進料相關(guān)聯(lián)的進給機構(gòu)被驅(qū)動以在從噴嘴拉出插塞時向材料施加額外的力。無論哪種方式，然后，將插塞從噴嘴拉出，有利地去除之前粘附在壁上的殘渣，并且不必通過進給路徑從噴嘴縮回進料而完成。雖然任意合適的材料可以與擴張型噴嘴一起使用，但是在一些實施方案中，擴張型噴嘴與含有尼龍的材料一起使用。這可能是有益的，因為尼龍的熱膨脹系數(shù)使得其在冷卻期間稍微拉離噴嘴并且尼龍表現(xiàn)出低的摩擦系數(shù)。再次地，在冷進給區(qū)和加熱區(qū)的一個或兩個內(nèi)使用聚四氟乙烯可以有助于促進在噴嘴內(nèi)形成的插塞的容易去除。

雖然使用其中通過將插塞附著到表面上來清潔擴張型噴嘴的方法，但是在另一個實施方案中，清潔循環(huán)通過簡單地將塑料的一部分?jǐn)D出到自由空氣中來進行。然后，可以允許塑料在被用手或使用自動過程去除之前冷卻。當(dāng)去除材料時，附著到該材料上的任意插塞也被去除。

在另一個實施方案中，正向進給清潔循環(huán)與稍微收斂型噴嘴一起使用。例如，可以使用出口與入口比為60％以上的收斂型噴嘴，但是其他出口與入口比也是可行的。用于這種噴嘴的正向擠出清潔方法包括擠出熔融材料的一部分，和任選地將其附著到打印床上。然后使加熱的噴嘴冷卻。在冷卻過程期間，拉動材料的噴出部分使得位于加熱區(qū)內(nèi)的材料被拉伸，從而減小材料的直徑。材料可以被拉伸到使得位于加熱區(qū)內(nèi)的材料的直徑小于噴嘴出口的直徑的程度。此外，一旦材料冷卻，進一步拉動使得直徑能夠通過材料的泊松比收縮，從而進一步促進位于噴嘴內(nèi)的殘存物的去除。在一些實施方案中，材料通過用手或其他外部裝置向擠出的材料施加力而被拉伸。在其中材料被附著到表面上的其他實施方案中，如上所述，打印機頭和/或表面彼此相對位移以向材料施加力而提供所希望的結(jié)構(gòu)。上述方法使得稍微收斂型噴嘴的正向進給清潔能夠利用正向的材料流清潔。

雖然以上討論了擴張型噴嘴，但是也可以考慮其中直線型噴嘴用于fff打印的實施方案。圖19a示出了包括基本上具有與噴嘴出口722相同尺寸的入口724的噴嘴720。諸如連續(xù)芯絲2等材料通過冷進給區(qū)712并進入加熱區(qū)714。在一個實施方案中，冷進給區(qū)是由諸如聚四氟乙烯等導(dǎo)熱系數(shù)低的材料制成的低摩擦冷進給區(qū)。相應(yīng)地，加熱區(qū)714由諸如銅、不銹鋼和黃銅等更導(dǎo)熱的材料制成。不論具體結(jié)構(gòu)如何，在熔融后，連續(xù)芯絲2被沉積并附著到構(gòu)造壓印盤16或其他適宜的表面上。直線型噴嘴非常適合小直徑的細絲，約“0.001～0.2”的數(shù)量級。然而，也可以考慮其中直徑大于和小于以上數(shù)值的材料與基本上直線型噴嘴一起使用的實施方案。盡管不希望受到理論的束縛，但是與這些小細絲相關(guān)聯(lián)的低的熱質(zhì)量允許它們快速升溫。此外，小尺寸允許這些材料以基本上與它們被進給到打印頭中時一樣的尺寸被擠出。與擴張型噴嘴類似，基本上直線型噴嘴提供了正向進給清潔循環(huán)的優(yōu)點，使得冷卻的插塞能夠被從末端去除并且基本上避免收集噴嘴內(nèi)的顆粒和殘渣。

與圖19a中所示的噴嘴類似的噴嘴也可以與典型的未加工的絲束預(yù)浸料734一起使用。然而，這可能導(dǎo)致與使用未加工的絲束預(yù)浸料的典型三維打印系統(tǒng)類似的堵塞。該堵塞是在初始縫合操作中試圖“推動”柔性復(fù)合材料股線通過噴嘴的結(jié)果。圖19b示出了當(dāng)在初始縫合操作期間通過噴嘴720輸出未加工的絲束預(yù)浸料以將其附著到零件或構(gòu)造壓印盤上時會發(fā)生的情況。即，不是如期望的那樣被推動通過噴嘴，而是未加工的絲束預(yù)浸料734中的各個纖維傾向于粘住噴嘴的壁并且相應(yīng)地開始在736處彎曲和卷曲。換句話說，位于未加工或柔性絲束預(yù)浸料中的柔性纖維很可能分層并堵塞噴嘴。柔性材料可以包括但不限于雙組分混合環(huán)氧樹脂或激光固化樹脂的熔融熱塑性和/或未固化的塑料，但是其他柔性材料也是可行的。

與上述不同的是，與擴張型噴嘴內(nèi)的預(yù)浸漬連續(xù)芯絲相關(guān)聯(lián)的縫合過程不會受到相同的限制。更具體地，圖19c～19e示出了使用通過擴張型噴嘴進給的剛性預(yù)浸漬連續(xù)芯絲縫合從而減少或基本上消除堵塞的方法。圖19c示出了位于冷進給區(qū)712內(nèi)的連續(xù)芯絲2。取決于具體實施方案，材料可以位于距離加熱區(qū)714達5英寸以上的數(shù)量級的位置，但是也可以考慮其他距離。此外，在其中材料具有較大的熱容量和/或硬度的實施方案中，其可以位于距離加熱區(qū)714更近的位置以在縫合之前提供材料的預(yù)加熱。在位于低于基質(zhì)的熔融溫度的冷進給區(qū)712內(nèi)時，連續(xù)芯絲2基本上保持為實心和剛性的。在正要打印之前，連續(xù)芯絲2都保持在該位置。在該點，連續(xù)芯絲2被快速縫合通過噴嘴，即，位移通過噴嘴出口，參見圖19d。由于冷進給區(qū)712進給到對應(yīng)于加熱區(qū)714的較大腔室中，所以當(dāng)縫合材料時，通過仍然位于冷進給區(qū)的出口中的細絲的部分阻止連續(xù)芯絲2觸碰加熱區(qū)714的壁，參見圖19d。通過快速進行縫合，基質(zhì)的熔融可以被最小化以維持復(fù)合材料的硬度。通過維持材料的硬度并且防止材料被縫合之前熔融，可以防止纖維剝離、卷曲和/或在噴嘴內(nèi)堵塞。這可以使得進料能夠更容易被推動到熱熔融區(qū)中并通過熱熔融區(qū)。在一些實施方案中，為了冷卻噴嘴，一股壓縮空氣可以在縫合之前和/或在縫合期間經(jīng)由噴嘴射入以減小粘到噴嘴的側(cè)面的機會。此外，噴嘴的加熱區(qū)714的加熱可以在縫合過程期間被減少或消除，從而也減小粘到噴嘴的側(cè)面的機會。

隨著連續(xù)芯絲2的進給繼續(xù)，連續(xù)芯絲2最終接觸構(gòu)造壓印盤16或其他適宜的表面。然后，連續(xù)芯絲2通過噴嘴相對于構(gòu)造壓印盤16的運動被拖動跨過表面。這導(dǎo)致連續(xù)芯絲2接觸加熱區(qū)714的壁，如圖19e所示?？蛇x擇地，代替平移打印機頭，可以將材料驅(qū)動到長于噴嘴長度長的長度。當(dāng)噴嘴的出口被零件的之前層或被打印床阻擋時，材料會彎曲并接觸加熱區(qū)714的壁。不論采用什么具體方法，在接觸加熱區(qū)714的壁之后，連續(xù)芯絲2被加熱到所希望的沉積溫度，該溫度能夠?qū)⒊练e的材料熔化到所希望的表面和/或下面的之前沉積的層，因而能夠進行三維打印。例如，一旦打印頭的平移開始，基質(zhì)材料接觸加熱區(qū)的壁并被加熱到基質(zhì)材料的熔融溫度。利用以上述方式操作的系統(tǒng)獲得的縫合速度能夠以約2500mm/min～5000mm/min的速度縫合。然而，縫合速度會基于噴嘴加熱、基質(zhì)材料和其他適宜的設(shè)計考慮而變化。雖然以上說明了特定縫合方法，但是應(yīng)當(dāng)指出的是，也可以采用其他類型的縫合和熔融技術(shù)，本公開不限于任何特定技術(shù)。

也如圖19c～19e中所示，在一些實施方案中，噴嘴708可以包括位于噴嘴出口716的遠端的圓形或倒角的唇緣726或其他結(jié)構(gòu)。這可以用于兩種目的。第一，如之前所述，在噴嘴出口的逐漸過渡可以有助于避免使連續(xù)芯破裂。此外，在一些實施方案中，唇緣726位于使得在沉積連續(xù)芯絲2時唇緣向該連續(xù)芯絲施加向下的力的位置。這可以在沉積材料時向材料有效施加壓實力，這可以將連續(xù)芯絲向下“熨平”到之前層。如上所述，施加到材料上的壓實力可以提供多種益處，舉例來說，包括提高強度和減小孔隙空間。這種壓實力可以通過使唇緣726位于相對于沉積表面一定距離的位置來提供，該距離小于連續(xù)芯絲2的直徑。然而，對于足夠硬的材料，使用大于連續(xù)芯絲直徑的距離提供的壓實力也是可行的。這個距離可以使用諸如上述的測距儀等適宜的傳感器確認。在一些實施方案中，唇緣726與基本上直線型噴嘴720或稍微收斂型噴嘴結(jié)合，本公開不受此限，參見圖20a。

雖然以上實施方案涉及包括冷進給區(qū)和單獨的加熱區(qū)的擴張型和直線型噴嘴，但是也可以考慮其中收斂型噴嘴包括單獨的冷進給區(qū)和加熱區(qū)的實施方案。例如，圖20b示出了包括進給到與加熱區(qū)714流體連通的冷進給區(qū)712中的噴嘴入口730的噴嘴728。加熱區(qū)714結(jié)合有收斂型噴嘴出口732。

在使用高的寬高比的收斂型噴嘴的實施方案中，可能希望使用優(yōu)化成防止進料積聚和/或減小所需要的進給壓力的噴嘴幾何形狀來驅(qū)動材料通過噴嘴出口。圖21a示出了包括與內(nèi)壁802對齊的入口806的典型的fff噴嘴800。內(nèi)壁802一直延伸到通向面積比入口806的面積小的噴嘴出口808的收斂部804。圖21b～21d示出了包括平穩(wěn)過渡的各種幾何形狀以減小在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生的反壓力。

在一個實施方案中，如圖21b所示，噴嘴810包括具有第一直徑的入口806和內(nèi)壁812。最初，內(nèi)壁812是垂直的并且隨后過渡到切線向內(nèi)彎曲部814。在約45°的彎曲之后，出現(xiàn)拐點816并且內(nèi)壁反向彎曲且彎曲到內(nèi)壁812為垂直的。所得到的噴嘴出口818與入口810對齊，但是具有減小的第二直徑。此外，所得到的來自出口的出口流會與入口流對齊，但是也可以考慮不與入口對齊的通過出口的流。

當(dāng)希望聚合物鏈的取向度較低時，可以消除圖21b所示的第一向內(nèi)彎曲部814，使得使流轉(zhuǎn)回到擠出方向上的最終幾何形狀變?yōu)楦湫偷牡菇侨肟凇D21c示出了一個這種實施方案。如圖所示，噴嘴820包括過渡到指向噴嘴出口824的向下取向的彎曲部822的內(nèi)壁。圖21d示出了其中噴嘴826過渡到一直延伸到點830的標(biāo)準(zhǔn)倒角的噴嘴部828的另一個實施方案，在點830處該標(biāo)準(zhǔn)倒角過渡到向下取向的彎曲部832以限定噴嘴出口834。雖然附圖中示出了并且以上說明了特定噴嘴幾何形狀，但是應(yīng)當(dāng)理解是，也可以使用其他類型的噴嘴幾何形狀，本公開不受此限。

在一些實施方案中，噴嘴包括防止滴出的一個以上的特征。例如，噴嘴可以包括與打印噴嘴室相關(guān)聯(lián)的諸如一個或多個墊圈等適宜的密封件以防止空氣流入噴嘴中。這可以基本上防止材料離開噴嘴，直到使用進給機構(gòu)將材料主動擠出。在一些情況下，可能希望也包括在打印停止時防止從噴嘴滴出的其他特征。在一個具體實施方案中，噴嘴可以包括可以選擇性地加熱噴嘴出口以選擇性地開始和停止來自噴嘴的材料的流動的可控加熱器。在這方面，當(dāng)加熱器功率被降低時，出口附近的少量樹脂可能凝固而形成皮或小的插塞以防止從出口流涎。在重新接通或增大加熱器功率時，皮/插塞重新熔融以允許材料從噴嘴流動。在另一個實施方案中，噴嘴包括選擇性地減小噴嘴內(nèi)的壓力以防止滴出的特征。這可以使用真空泵、封閉式氣動缸或當(dāng)進行不希望的噴嘴滴出時能夠施加抽吸的其他適宜的配置來實現(xiàn)。當(dāng)打印重新開始時，氣動缸然后返回到中性位置，因而消除抽吸。圖22示出了一個這種實施方案。在所示的實施方案中，擠出噴嘴900具有在離開噴嘴出口908之前通過一個或多個墊圈910進給到冷進給區(qū)914和加熱區(qū)912的材料902?？諝馔ǖ?04與冷進給區(qū)914連接并與氣動缸906流體連通。如圖所示，間隙存在于材料902和冷進給區(qū)914之間，空氣可以通過該間隙。因此，空氣通道904同時與冷進給區(qū)914以及位于加熱區(qū)912內(nèi)的材料流體連通。在操作期間，氣動缸906被從第一中性位置致動到第二位置以當(dāng)打印停止時選擇性地向空氣通道904施加抽吸。由于空氣通道904與加熱區(qū)912內(nèi)的材料流體連通，所以抽吸可以基本上防止位于加熱區(qū)內(nèi)的熔融聚合物滴出。一旦打印重新開始，氣動缸906就可以返回到中性位置。

雖然以上說明了切斷機構(gòu)中噴嘴的各種實施方案，但是在一些實施方案中，希望使用不需要使用切斷機構(gòu)來切斷的絲束預(yù)浸料或其他材料。鑒于上述情況，本發(fā)明人認識到與將含有半連續(xù)芯股線復(fù)合材料的材料與三維打印機一起使用相關(guān)聯(lián)的益處。在這種實施方案中，含有半連續(xù)芯的材料具有被分成多個離散的股線的芯。芯的這些離散的股線可以對應(yīng)于實心芯或它們可以對應(yīng)于捆綁在一起的多個單個的細絲，本公開不受此限。此外，如下面更詳細說明的，芯的這些離散的節(jié)段可以配置成使得它們不重疊，或它們可以在材料內(nèi)配置成各種其他構(gòu)造。在任一情況下，如下面更詳細說明的，材料可以通過向該材料施加張力來切斷。張力可以通過反向驅(qū)動打印機的進給機構(gòu)和/或使打印機頭相對于打印零件平移而不從噴嘴擠出材料來施加。

在一個實施方案中，含有半連續(xù)芯的材料包括相對于相關(guān)聯(lián)的三維打印機噴嘴的熔融區(qū)大小定制成使得各股線可以被從噴嘴拉出來的了段。例如，熔融區(qū)可以至少與預(yù)浸漬的纖維束中各纖維的股線長度一樣長、為預(yù)浸漬的纖維束中的各纖維的股線長度的一半長或任意其他合適的長度。在這種實施方案中，在打印終止時，含有半連續(xù)芯的材料通過使材料拉伸來切斷。在使材料拉伸期間，埋在沉積于零件或打印表面上的材料中的股線提供使保持在噴嘴內(nèi)的股線的一部分拉出的錨固力。如上所述，當(dāng)各股線適宜地相對于噴嘴的熔融區(qū)定制大小時，位于擠出的材料內(nèi)和噴嘴內(nèi)的股線位于噴嘴的熔融區(qū)內(nèi)。因此，當(dāng)向材料施加張力時，位于熔融區(qū)內(nèi)的節(jié)段被從噴嘴的熔融區(qū)拉出以切斷材料。在其中使用較長的股線的實施方案中，也可以考慮其中至少一些股線被從沉積的材料的熔融區(qū)拉出并保留在噴嘴內(nèi)的情況。上述方法可以產(chǎn)生芯材料的垂直取向的股線。這種垂直股線可以任選地被打印頭推動，或它們是隨后的沉積層。通過策略性地將垂直取向的股線放置在材料層內(nèi)，通過提供層間加強的結(jié)合可以提高所得到的零件在z方向上的強度。

在另一個實施方案中，埋在對應(yīng)的基質(zhì)材料中的半連續(xù)芯包括具有離散的、分度的股線長度的多股線。因此，半連續(xù)芯的終止沿著材料的長度以預(yù)先限定的間隔發(fā)生。最初，由于終止位于預(yù)先限定的間隔處，所以股線長度可以大于相關(guān)聯(lián)的噴嘴的熔融區(qū)的長度。例如，在一個具體實施方案中，半連續(xù)芯可以包括配置成3英寸長度并干凈地分開使得來自一束的纖維不延伸到下一束中的各股線或股線束。當(dāng)使用這種材料時，三維打印機可以運行規(guī)劃算法以使股線中的斷裂與打印中的自然停止點齊平的路徑。在本實施方案中，具有比例與半連續(xù)股線長度相當(dāng)?shù)淖钚√畛涑叽?，因為打印機不能終止打印工藝，直到半連續(xù)股線的斷裂與噴嘴出口對齊。因此，隨著股線長度增大，在一些實施方案中，可以有利的是用純樹脂填充層的其余部分，其不具有最小特征長度?？蛇x擇地，孔隙可能留在零件中。在許多幾何形狀中，斷面的外部部分提供了比芯更好的強度。在這種情況下，外部部分可以從半連續(xù)股線打印，直到最后的整數(shù)股線會不適合打印圖案，在該點，其余部分可以是空的，或填充有純樹脂。

在另一個實施方案中，材料可以包括上述兩個概念。例如，可以使用與位于較長股線之間的轉(zhuǎn)變點的較小長度束平行的分度的連續(xù)股線，使得噴嘴中的熔融區(qū)包括使位于熔融區(qū)中的重疊股線拖出的足夠距離。該方法的優(yōu)點是減少了在較長整數(shù)連續(xù)股線之間的邊界的薄弱點。在給定芯和基質(zhì)材料的切斷期間，希望切斷力足夠低以防止零件扭曲、吊起、上游纖維斷裂或其他的有害作用。在一些情況下，股線可以在提取期間斷裂，這在終止點是可接受的。雖然股線長度可以基于應(yīng)用變化，但是對大規(guī)模打印來說典型的股線長度可以為約0.2～36”。

圖23a～24d示出了從噴嘴沉積的半連續(xù)芯絲的各種實施方案。與圖24a中所示的連續(xù)芯絲2對比。

如圖23a所示，半連續(xù)芯絲1000包括位于基質(zhì)材料1006內(nèi)的第一股線1002和第二股線1004。半連續(xù)芯絲1000進入有利地在基質(zhì)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的噴嘴的冷進給區(qū)712。半連續(xù)材料1000隨后流動通過加熱區(qū)714，有時被稱作熔融區(qū)。存在于半連續(xù)材料1000中的基質(zhì)材料1006在沉積之前在加熱區(qū)714內(nèi)熔融。在從噴嘴離開時，半連續(xù)芯絲1000在錨固點1005附著到零件或構(gòu)造壓印盤16上。切斷過程然后可以以多種方式發(fā)生。在一個實施方案中，切斷通過使打印頭相對于錨固點1005正向移動而不使半連續(xù)芯絲1000前進而發(fā)生。可選擇地，打印頭可以保持靜止，并且上游半連續(xù)芯絲1000被縮回以施加所希望的張力。再次地，通過適宜地使股線長度大小定制成加熱區(qū)的長度以確保位于噴嘴內(nèi)的股線的整個長度在加熱區(qū)714中，由錨固點1005提供的張力允許位于噴嘴內(nèi)的第二股線1004的其余部分從加熱的噴嘴拉出埋入的股線的殘存物。

雖然圖23a示出了兩根股線，但是圖23b和圖24b示出了包括具有與上述類似的埋在基質(zhì)材料1006中并位于打印機頭中的相似大小的股線1010的分布的半連續(xù)芯絲1008。雖然三根股線示出為在交錯線中，但是應(yīng)該理解的是，這是股線的隨機或交錯分布的簡化的圖示。例如，材料可以包括約1,000股線的碳纖維(1ktow)。雖然可以預(yù)計股線長度1015的分布和各股線的定位，但是股線214可以定制大小以及分布成使得存在許多具有基本上相似長度的重疊股線。通過確保加熱區(qū)714與股線長度1015成正比，可以更容易地將纖維殘存物從噴嘴拉出。例如，盡管不希望受到理論的束縛，但是位于更下游(即，大部分沉積在零件內(nèi))的股線會容易從噴嘴拉出。大部分位于噴嘴中的股線最可能會保持在噴嘴內(nèi)。一半在噴嘴中一半在外面的股線會隨機留在噴嘴中或由于施加到沉積的材料和噴嘴內(nèi)所含的大致相等長度的股線上的大致相等的力而被錨固點1005拉出。諸如冷進給區(qū)714和噴嘴出口過渡的設(shè)計以及聚合物熔體的粘度等噴嘴設(shè)計的各種參數(shù)、打印半連續(xù)芯絲在從噴嘴出口離開時的冷卻度以及其他適宜的考慮將確定當(dāng)向材料施加張力時如何切斷半連續(xù)芯絲。

圖23c和24c示出了分度的半連續(xù)芯絲1012，其中芯材料的終止在各部分基本上是完整的，從而能夠在整數(shù)距離進行干凈的切斷。如圖所示，材料包括埋在基質(zhì)材料1006內(nèi)的一個或多個芯節(jié)段1014的各個部分。芯材料的各個部分在預(yù)分度位置1016與芯材料的相鄰部分分隔開。這種實施方案有利地允許材料在規(guī)定的位置的干凈切斷。這由彼此不重疊的不同部分中的各個股線來推進。這也使得能夠使用大于噴嘴的相關(guān)聯(lián)加熱區(qū)714的長度的股線長度。在一些實施方案中，這也允許使用較小的加熱區(qū)714。然而，除了所指出的益處之外，由于不同部分中的各個股線不重疊，所以材料會在對應(yīng)于附圖中所示出的預(yù)分度位置1016的這些邊界位置表現(xiàn)出減小的強度。圖25示出了這種半連續(xù)芯絲的使用。如圖所示，多股線1100被沉積到零件或構(gòu)造壓印盤上。股線1100被沉積成使得它們形成轉(zhuǎn)彎1102以及其他特征，直到打印頭使其最終通過并如上所述在1104處切斷材料。由于各股線比零件上的剩余距離要長，所以剩余距離1106可以留作孔隙或填充有諸如聚合物等單獨的材料。

圖24d示出了半連續(xù)芯絲和連續(xù)芯絲之間的混合工藝的例子。在所示的實施方案中，材料1018與以上參照圖23c和24c所述的實施方案類似，包括包含位于預(yù)分度位置的埋在基質(zhì)1006內(nèi)的一個或多個芯節(jié)段1014的多個離散的部分。該材料也包括沿著材料的長度延伸的埋在基質(zhì)1006內(nèi)的連續(xù)芯1020。連續(xù)芯1020的尺寸可以定制成使得其可以被足夠的拉伸力切斷以使得能夠簡單地通過施加足夠的拉伸力在預(yù)分度位置切斷材料。可選擇地，也可以使用上述各種切斷方法中的任意一種。

雖然以上實施方案涉及可以不使用切斷機構(gòu)切斷的材料，但是應(yīng)該理解的是，半連續(xù)芯絲也可以與包括切斷機構(gòu)的三維打印系統(tǒng)一起使用，本公開不受此限。

在傳統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料的連續(xù)層可以在0°、45°、90°和其他希望的角度鋪設(shè)以提供在多個方向上的零件強度。這種控制零件的定向強度的能力使得設(shè)計者能夠提高所得到的零件的強度與重量的比值。因此，在另一個實施方案中，三維打印機的控制器可以包括沉積在一個或多個特定方向和位置上軸向?qū)R的增強纖維的功能。增強纖維的軸向?qū)R可以選擇用于層內(nèi)的一個或多個部分，也可以選擇用于各層。例如，如圖26所示，第一層1200可以具有第一增強纖維取向，第二層1202可以具有第二增強纖維取向。此外，第一層1200或任意其他希望的層內(nèi)的第一部分1204可以具有與同一層內(nèi)第二部分1206或任意數(shù)量的其他部分不同的纖維取向。

提供增強纖維的軸向取向以提供零件內(nèi)的定向強度的概念可以進一步由三維打印機采用。更具體地，圖27a～27c示出了利用打印機頭1310進行的諸如電機或可以受益于各向異性的其他零件等各向異性物體的增材制造的方法。在所示的實施方案中，零件1300具有垂直取向的子部件1302，該子部件以該零件在與第一取向上的xy打印平面對齊的平面a取向的方式進行打印。在這個具體例子中，打印材料包括導(dǎo)電芯使得打印的子部件1302形成電機的纏繞線圈。在所示的實施方案中，線圈繞著z方向纏繞。雖然說明了用于打印電機線圈中的特定材料，但是應(yīng)該理解的是，其他材料可以用于各向異性零件中以用于任意數(shù)量的目的，本公開不限于任意特定材料或應(yīng)用。

為了在零件1300上形成另一種線圈或其他各向異性子部件，圖27b所示的夾具1304被添加到打印區(qū)域，但是其中在形成零件1300期間、之前或之后打印該特征的實施方案也是可行的。在一個實施方案中，夾具1304位于打印平面1306上或下面，并且輪廓制成在隨后的沉積過程期間保持零件1300。該夾具也可以包括真空抽吸、帶子、機械緊固件、打印卡扣配合件或任意其他適宜的保持機構(gòu)以在隨后的打印過程期間進一步保持零件。

在使夾具1304定位之后，零件1300位于夾具1304上，該夾具然后將零件1300保持在第二取向，使得平面a旋轉(zhuǎn)到a’，從而可以將下一個子部件1308添加到零件1300。子部件1308再次在z方向上沉積，但是不在子部件1302的平面上，如圖27c所示。雖然關(guān)于形成電機的纏繞線圈說明了本實施例，但是可以使用零件的一系列的夾具旋轉(zhuǎn)或打印頭以使得連續(xù)芯增強絲能夠在最佳方向上對齊來形成任意各向異性物體以用于各種目的。

圖28a示出了與在圖27a～27c中所述的過程中形成的同樣的各向異性零件，然而，不利用多個夾具，三維打印機能夠繞著一個或多個軸旋轉(zhuǎn)零件1300以及打印機頭1310。如圖所示，通過旋轉(zhuǎn)軸1312使零件1300保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，其設(shè)定和控制平面a的取向。在圖28b中，旋轉(zhuǎn)軸1312已被旋轉(zhuǎn)90°以在與子部件1302垂直的方向上形成子部件1308。相反，打印機頭1310可以被繞著x^t和/或y^t軸樞轉(zhuǎn)以實現(xiàn)相似的結(jié)果。如圖28a～28b所示，存在實現(xiàn)各向異性打印的許多方式。即，零件可以被移動和旋轉(zhuǎn)，打印機頭可以被移動和旋轉(zhuǎn)，或可以使用它們的組合以打印各向異性零件。應(yīng)當(dāng)理解的是，基于加工目標(biāo)和零件需要，可以將額外的自由度增加到零件1300或打印機頭1310的旋轉(zhuǎn)和移動。例如，在汽車應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)軸1312可以對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)式烤架，使得車架能夠繞著y^t軸旋轉(zhuǎn)以使連續(xù)纖維能夠放在x-y平面、z-y平面或其間的任意平面中。可選擇地，沿著車身的外部輪廓的流體旋轉(zhuǎn)可以用來在其旋轉(zhuǎn)時在車輛上連續(xù)沉積材料。這種三維打印機可以任選地向打印機頭增加x^t軸以使得能夠生產(chǎn)隨后的全部輪廓以及凹凸一體成型的結(jié)構(gòu)。

除了旋轉(zhuǎn)零件1300和打印機頭1310之外，在一些實施方案中，支撐零件1300的工作臺1314可以繞著z^t軸旋轉(zhuǎn)以使得能夠形成給定纖維方向的紡絲部件。這種實施方案可以向具有優(yōu)選方向一致性的獨特進給和沉積頭要求的芯材料的零件提供來自打印頭的一致的打印弧。

在另一個實施方案中，零件的芯可以建成一系列二維平面。然后，三維打印機可以在平面外形成內(nèi)部芯上的三維殼。芯支撐殼，其能夠使得殼構(gòu)建在芯的外部并可以沿著零件的側(cè)面、在頂部上和/或沿著零件的背側(cè)向下或沿著任意其他位置移動。盡管不希望受到理論的束縛，但是這種沉積方法由于與較長和更連續(xù)的材料長度相關(guān)聯(lián)的提高的零件強度而可以有助于防止劃界并提高零件的扭轉(zhuǎn)剛性。平面外面的連續(xù)纖維增強的材料的進一步運行提供了大于典型的接合接頭的平面外強度。

圖29示出了與以上參照圖28a和圖28b所述的可以用來形成包括三維打印殼的零件的打印機頭類似的三維打印機頭1310。打印機頭1310將諸如連續(xù)芯增強絲2等任意適宜的消耗性材料沉積到構(gòu)造壓印盤1314上形成一系列層1320以建造零件。打印機頭1310能夠表示在傳統(tǒng)xyz方向上，以及在x^t、y^t和z^t方向上樞轉(zhuǎn)。使打印機頭1310樞轉(zhuǎn)的額外的自由度允許打印機形成殼和其他連續(xù)芯增強的平面外層以及二維層。

圖30a～30c示出了使用圖29所示的打印機頭形成的各種零件。圖30a示出了包括在xy平面中作為二維層沉積的多個部分1322的零件。部分1324和1326隨后在zy平面中沉積以賦予零件在z方向上的提高的強度。圖30b示出了殼打印的相關(guān)方法，其中層1328和1330在xy平面中形成并覆蓋有同時在xy和zy平面中延伸的殼1332和1334。如圖所示，殼1332和1334可以完全重疊由層1328和1330形成的下面的芯，參見部分1336，或殼中的一個或多個可以僅重疊下面芯的一部分。例如，在部分1338中，殼1332重疊兩層1328和1330。然而，殼1334不完全重疊層1328并且形成如圖所示的階梯結(jié)構(gòu)。圖30c示出了另一個實施方案，其中增加了支撐材料1340以相對于構(gòu)造壓印盤或其他支撐表面升高零件，使得三維打印機的樞轉(zhuǎn)頭在零件和支撐表面之間具有空隙以使得殼1342能夠沉積到零件芯的下層1344上。

上述打印機頭也可以用來形成具有包括連續(xù)芯增強絲的不同取向的離散子部的零件。例如，在一個子部中的連續(xù)芯增強絲的取向可以基本上在xy方向上，而另一個子部中的方向可以在xz或yz方向上。這種多方向零件使得設(shè)計者能夠恰好在零件需要強度的方向上運行增強纖維。

復(fù)合材料的高成本一直是廣泛采用復(fù)合材料零件的主要障礙之一。因此，在一些實施方案中，三維打印機可以利用在選定的區(qū)域使用高強度復(fù)合材料并且在其他地方使用填充材料的填充模式，參見圖30d～30g。因此，與上述的在零件上形成完全復(fù)合材料殼不同，在零件的外極端形成部分復(fù)合材料殼以對于使用的給定量的復(fù)合材料使零件的硬度最大化。如尼龍塑料等低成本基質(zhì)材料可以用作填充材料，但是也可以使用其他材料。圖30d中示出了完全由填充材料1350形成的零件。如圖30e所示，復(fù)合材料1352沉積在零件的徑向最向外部分上并向內(nèi)延伸所希望的距離以提供所希望的硬度和強度的提高。零件的剩余部分由填充材料1350形成。可選擇地，建造平面的部分可以被懸空。取決于所希望的強度和/或硬度，使用者可以增大或減小復(fù)合材料1352的使用量。這將對應(yīng)于復(fù)合材料從零件的各個角落延伸更多或更少。這種復(fù)合材料1352的量的不同由一系列的圖30d～30g所示。

當(dāng)為給定水平的強度和硬度測定適宜的填充模式時，控制算法從追蹤零件的外部角落和壁部分的同心填充模式開始，在指定數(shù)量的同心填充經(jīng)過后，零件的剩余部分然后可以使用所希望的填充材料填充。所得到的結(jié)構(gòu)使用最少的復(fù)合材料使零件的強度最大化。應(yīng)該理解的是，雖然以上工藝針對二維平面進行了說明，但是其也可以應(yīng)用于三維物體。

圖31a～31c示出了在各個子部內(nèi)具有不同纖維取向的翼形體的各個實施方案的截面。應(yīng)該理解的是，雖然下面說明了翼形體，但是所述的實施方案也適用于其他應(yīng)用和結(jié)構(gòu)。

圖31a示出了使得塑料沉積在同一平面中的三維零件的各部分的建造方法。具體地，部分1350、1352和1354都構(gòu)建成同一xy平面取向。所示的部分在相鄰接口連接，其邊界為了說明的目的而被放大了。在另一個實施方案中，如圖31b所示，零件構(gòu)建了單獨的部分1362、1364和1366，其中部分1362和1366的纖維取向1368和1372正交于部分1364的纖維取向1370。盡管不希望受到理論的束縛，但是通過使部分1364中的纖維相對于其他部分正交取向，所得到的零件在z方向上具有更大的彎曲強度。此外，通過以這種方式構(gòu)建零件，設(shè)計者可以確定各部分的相對厚度以規(guī)定沿著各方向的強度。

圖31c示出了結(jié)合有包括不同纖維取向的子部的殼。在本實施方案中，部分1374、1376和1378在相同方向上沉積以形成芯，在此之后在正交方向上打印殼1386。殼1386可以是單層或多層。此外，取決于設(shè)計需要，多層的殼1386可以包括正交于芯的下面子部之外的各種取向角。雖然本實施方案示出了纖維取向都在同一方向1380、1382和1384上的內(nèi)部部分，但是應(yīng)當(dāng)很顯而易見的是，子部1374、1376和1378可以以與圖31b類似的不同纖維取向設(shè)置。

在其他實施方案中，連續(xù)芯增強絲或其他適宜的消耗性材料可能需要后固化，從而通過固化零件來提高零件強度。適宜的固化可以使用任意適宜的方法提供，包括但不限于加熱、光照、激光和/或輻射。在本實施方案中，零件可以用預(yù)浸漬復(fù)合材料打印并經(jīng)歷隨后的后固化以使材料完全硬化。在一個具體實施方案中，連續(xù)碳纖維埋在部分固化的環(huán)氧樹脂中使得擠出部件粘在一起，但是需要后固化來完全硬化。應(yīng)該理解的是，也可以使用其他材料。

圖32示出了具有可選擇的打印機頭的三維打印機的任選的實施方案。在所示的實施方案中，打印臂1400能夠以萬向連接1404連接到打印機頭1402上。諸如連續(xù)芯增強絲等適宜的消耗性材料1406可能已經(jīng)進給到打印機頭1402中，或它可以在連接到打印臂1400上之后進給到打印機中。當(dāng)需要另一種打印材料時，打印臂1400使打印機頭1402返回到相關(guān)聯(lián)的支架。隨后，打印臂1400可以接載能夠打印尺寸不同和/或包括不同材料以提供不同的消耗性材料的打印機頭1408或1410。如示出的，這種可交換的打印機頭一次使用一個，有利地減小打印機頭和臂組合的質(zhì)量。盡管不希望受到理論的束縛，但是這由于打印機頭減小的慣性能夠使零件的打印更快。在另一個實施方案中，打印臂可以具有同時用于兩個以上打印機頭的槽。這種頭可以進給不同材料、施加打印顏色以及施加噴淋沉積的材料的表面涂布等。應(yīng)該理解的是，可以設(shè)置任意數(shù)量的單獨的可選擇的打印頭。例如，打印頭可以安裝到轉(zhuǎn)塔上，使得一個打印頭在“活動”位置，而其他的旋出該位置，等待當(dāng)它們可以被旋進打印位置時的適宜時間。在另一個實施方案中，打印臂1400可以接載零件檢查用的視覺系統(tǒng)1412。適宜的視覺系統(tǒng)包括照相機、測距儀或其他合適的系統(tǒng)。

雖然以上大部分實施方案涉及預(yù)成型的連續(xù)芯增強絲的使用，但是在一些實施方案中，連續(xù)芯增強絲可以通過使樹脂基質(zhì)和實心連續(xù)芯在加熱的擠出噴嘴中組合來形成。樹脂基質(zhì)和實心連續(xù)芯能夠組合，而不沿著界面形成孔隙，因為與多絲芯中的多個界面相比，樹脂更容易將實心芯的連續(xù)邊緣潤濕。因此，這個實施方案可能在其中希望改變沉積的材料的性能的情況下特別有用。此外，可能特別有益的是，選擇性地擠出一個或多個樹脂基質(zhì)、連續(xù)芯或其組合以沉積各種所希望的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

圖33示出了能夠選擇性地擠出材料進給選項1502、1504和1506的多元件打印機頭1500以及任選的切斷機構(gòu)8。更具體地，多元件打印機頭1500能夠?qū)⑷我獾牟牧线M給選項1502、1504和1506選擇性地沉積為單個元件或組合。應(yīng)該理解的是，其他材料進給選項也可以與多元件打印機頭集成一體，本公開不限于任意特定數(shù)量的材料進給選項。

在多元件打印機頭的一個特定例子中，材料1502是通過中央通道進給的連續(xù)銅線。此外，材料1504是諸如尼龍塑料等粘合樹脂并且材料1506是如諸可溶性支撐材料等不同的粘合樹脂。多元件打印機頭1500能夠一次擠出所有元件，其中例如，銅線1502可以被在底表面上的尼龍粘合劑1504和在頂表面上的可溶性支撐材料1506包圍，參見部分1508。多元件打印機頭1500也可以沉積單獨涂布有尼龍粘合劑1504或可溶性支撐材料1506的銅線1502，參見部分1510和1514?？蛇x擇地，多元件打印機頭1500可以單獨沉積上述材料選項以用于任意數(shù)量的目的，參見在部分1512處的裸銅線。

如上所述，在給定位置選擇性地沉積一種或多種材料中的任意一種的能力能夠?qū)崿F(xiàn)使用三維打印方法構(gòu)建零件的許多先進功能。另外，選擇性地連續(xù)沉積這些材料的能力也實現(xiàn)顯著更快的沉積過程。應(yīng)該理解的是，雖然以上說明了兩種具體的樹脂材料和芯材料，但是可以使用任意合適的樹脂和芯材料并且可以設(shè)置任意數(shù)量的不同樹脂和芯。例如，可以使用單種芯和單種樹脂或者可以在多元件打印機頭中設(shè)置多種芯和多種樹脂。

在相關(guān)的實施方案中，多元件打印機頭1500包括能夠預(yù)加熱打印區(qū)域和/或快速冷卻擠出的材料的空氣噴嘴1508，參見圖33。包含空氣噴嘴1508能夠形成如飛線、間隙橋接和其他類似特征等結(jié)構(gòu)。例如，導(dǎo)電芯材料可以與共擠出絕緣塑料通過多元件打印機頭1500擠出以在打印零件中形成跡線。然后，跡線的末端可以作為飛線終止。為了實現(xiàn)這個目的，多元件打印機頭會提升，同時相稱地擠出導(dǎo)電芯和絕緣外套。多元件打印機頭也可以任選地利用空氣噴嘴1508冷卻絕緣外套。然后，線的端部可以打印成“裸線”，在那里導(dǎo)電芯沒有絕緣外套地擠出。然后，切斷機構(gòu)8可以終止導(dǎo)電芯。以上述方式形成飛線可以用來消除組裝期間下游的剝離步驟。

以上實施方案涉及除了純樹脂和它們的芯材料之外還打印連續(xù)芯增強絲的連續(xù)細絲以形成三維零件的三維打印機。連續(xù)芯或纖維的位置也可以與諸如立體光刻和選擇性激光燒結(jié)等三維打印方法一起使用以提供具有在選定的位置和方向上提供的芯增強的三維零件，如下面更詳細說明的。

為了清晰起見，下述的實施方案涉及立體光刻工藝。然而，應(yīng)該理解的是，在層形成之前或期間沉積連續(xù)芯或纖維的概念可以應(yīng)用于任意數(shù)量的不同增材制造過程，其中制造復(fù)合材料的液體或粉末形式的基質(zhì)包括在芯材料周圍凝固的基質(zhì)。例如，下述的方法也可以應(yīng)用于直接類似于立體光刻但是與液體樹脂相比將粉末狀樹脂用于構(gòu)建介質(zhì)的選擇性激光燒結(jié)。此外，可以使用以上參照連續(xù)芯增強絲所述的連續(xù)芯絲中的任意一種。因此，連續(xù)芯可以用于結(jié)構(gòu)性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)光性和/或?qū)Я黧w性。

在一個實施方案中，立體光刻工藝用來形成三維零件。在立體光刻中，待打印的層通常覆蓋有可以利用uv光、指定波長的激光或其他類似方法固化的樹脂。不論何種特定固化方法，用來固化樹脂的光掃過零件的表面以選擇性地使樹脂硬化并將其粘結(jié)到之前的下層。對于多層重復(fù)這個過程直到建成三維零件。然而，在典型的立體光刻工藝中，不使用定向取向的增強材料，其會導(dǎo)致最終零件具有較低的整體強度。

為了提供提高的強度以及與同時包括固體和多絲材料的不同類型的連續(xù)芯絲相關(guān)聯(lián)的功能，與各層的沉積相關(guān)聯(lián)的立體光刻工藝可以改變成能夠構(gòu)建在所希望的位置和方向上包括連續(xù)芯絲的復(fù)合材料部件的兩步工藝。更具體地，連續(xù)芯或纖維可以在待打印的層內(nèi)所希望的位置和方向上沉積。沉積的連續(xù)芯絲可以完全浸沒在樹脂中，或其也可以部分浸沒在樹脂中。在所希望的位置和方向上沉積連續(xù)纖維之后，鄰接樹脂被固化以使纖維周圍硬化。這既可以在沉積連續(xù)纖維時完成，也可以在沉積連續(xù)纖維之后完成，本公開不以這種方式限制。在一個實施方案中，整個層以單個連續(xù)纖維打印，而無需切斷連續(xù)纖維。在其他實施方案中，增強纖維可以設(shè)置在具有不同取向的打印層的不同部分中。為了便于在多個位置和方向上沉積連續(xù)纖維，連續(xù)纖維可以與上述的類似使用簡單的切斷機構(gòu)或其他適宜的機構(gòu)終止。在一些應(yīng)用中，用來硬化樹脂的相同激光可以用來切斷連續(xù)芯絲。

圖34示出了上述的立體光刻工藝的實施方案。如圖所示，零件1600使用立體光刻建造在壓印盤1602上。零件1600浸入包含在托盤1606中的液體樹脂材料1604中。液體樹脂材料可以是任意適宜的光敏聚合物。除了樹脂浴之外，在零件1600的形成期間，壓印盤1602還在形成各層之后被移動到對應(yīng)于層的厚度的順序較低的位置以使零件1600保持浸沒在液體樹脂材料1604中。在形成各層期間，連續(xù)芯絲1608通過噴嘴1610進給并沉積到零件1600上。噴嘴1610被控制成使連續(xù)芯絲1608在待形成的層內(nèi)在所希望的位置以及所希望的方向上沉積。此外，在一些實施方案中，連續(xù)芯絲1608的進給速率等于噴嘴1610的速度以避免擾亂已沉積的連續(xù)芯絲。在所示的實施方案中，隨著連續(xù)芯絲1608被沉積，照射激光1612或其他適宜的類型的電磁輻射以固化在噴嘴1610運動路徑后面的位置1614中的連續(xù)芯絲1608周圍的樹脂。位置1614和噴嘴1610之間的距離可以選擇為允許連續(xù)芯絲完全浸沒在固化之前的液體樹脂內(nèi)以及避免通過在鄰近噴嘴1606的位置照射激光1612產(chǎn)生的可能干擾問題。激光由源1616產(chǎn)生并由可控鏡1618引導(dǎo)。三維打印機也包括切斷機構(gòu)1620以能夠如上所述終止連續(xù)芯絲。

在立體光刻工藝的另一個實施方案中，沉積的連續(xù)芯絲由一個或多個“平頭釘”保持在適當(dāng)位置。這些平頭釘相當(dāng)于在沉積額外的芯材料的同時將連續(xù)芯絲保持在適當(dāng)位置的足夠量的硬化樹脂材料。然后，材料的平衡可以被矯正使得相鄰股線之間的交聯(lián)最大化。任意數(shù)量的不同硬化圖案可以用來提供最終零件所希望的性能。例如，當(dāng)足夠數(shù)量的股線沉積到層上并用平頭釘釘在適當(dāng)位置時，樹脂可以在與連續(xù)芯絲的沉積股線的方向垂直的珠泡中固化。盡管不希望受到理論的束縛，但是在與沉積的股線垂直的方向上的固化樹脂可以提供相鄰股線之間增強的結(jié)合以提高在與連續(xù)芯絲的沉積股線的方向垂直的方向上的零件強度。雖然說明了特定固化圖案，如所希望的幾何形狀和定向強度所需要的，其他固化圖案也是可行的。

圖35示出了上述的立體光刻工藝的一個實施方案。如圖所示，在連續(xù)芯絲由噴嘴(未示出)沉積時，連續(xù)芯絲1608由激光1612在多個離散的點1622固定在適當(dāng)位置。在沉積連續(xù)芯絲1608的一部分或全部之后，激光1612沿著預(yù)定圖案照射以固化液體樹脂材料1604并形成當(dāng)前層。與上述的系統(tǒng)類似，激光或其他適宜的電磁輻射由源1616產(chǎn)生并由可控鏡1618引導(dǎo)。如圖所示，液體樹脂材料1604可以固化成對應(yīng)于垂直于連續(xù)芯絲1608的沉積股線的方向取向的線1624的圖案。盡管不希望受到理論的束縛，但是由于固化正面垂直于連續(xù)芯絲1608的股線，所以增大了股線之間的交聯(lián)。應(yīng)當(dāng)理解的是，如果層的單獨部分包括在不同方向上取向的連續(xù)芯絲的股線，那么固化圖案可以包括在層的各部分中與連續(xù)纖維芯材料的股線的方向垂直的線。雖然說明了具有垂直于連續(xù)纖維取向的線的特定固化圖案，但是其他圖案也是可行的，包括平行于連續(xù)纖維取向的線的固化圖案，本公開不限于固化圖案的任意特定取向。

與以上參照沉積連續(xù)芯增強絲所述的三維打印工藝類似，為了形成較強的最終零件，可能希望避免在立體光刻工藝期間沿著連續(xù)芯絲和樹脂基質(zhì)之間的界面形成孔隙。因此，可能希望在固化液體樹脂材料之前促進連續(xù)芯絲的潤濕。在一些實施方案中，連續(xù)纖維的潤濕可能簡單地需要設(shè)定量的時間。在這種實施方案中，液體樹脂材料可以在經(jīng)過足夠量的時間之后固化并可以對應(yīng)于噴嘴后面的激光跟隨距離。在其他實施方案中，連續(xù)芯絲可以是連續(xù)多絲芯材料。這種實施方案，希望促進多個細絲之間液體樹脂材料的芯吸。連續(xù)纖維的潤濕和樹脂芯吸進連續(xù)多絲芯的斷面中可以通過使液體樹脂材料保持在升高的溫度、在連續(xù)纖維上使用潤濕劑、向系統(tǒng)施加真空或任意其他適宜的方法來促進。

已經(jīng)描述了幾種使用三維打印工藝形成零件的系統(tǒng)和方法以及與這些系統(tǒng)和方法一起使用的材料，以下更詳細地說明幾種特定應(yīng)用和部件。

在最簡單的應(yīng)用中，當(dāng)前描述的三維打印工藝可以用來使用復(fù)合材料形成如上所述在所希望的方向和位置上具有提高的結(jié)構(gòu)性能的零件。在另一個實施方案中，導(dǎo)光或?qū)щ姷倪B續(xù)芯可以用來構(gòu)建零件，使得感應(yīng)器、電容器、天線、變壓器、散熱片、通孔、散熱孔和多個其他可能的電學(xué)和光學(xué)部件直接在零件中形成。零件也可以使用流體傳導(dǎo)芯形成流體通道和熱交換器以及其他適用的流體裝置和部件來構(gòu)建。

在一些實施方案中，零件也可以構(gòu)建有直接在零件中形成的諸如應(yīng)變儀等傳感器以使得能夠進行結(jié)構(gòu)測試和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測。例如，一簇打印的銅芯材料可以添加到層上以形成應(yīng)變儀。類似地，光纖可以選擇性地添加到零件上以用于結(jié)構(gòu)檢測目的。光纖也可以打印成環(huán)以形成具有多個可能優(yōu)點的光纖陀螺儀的線圈，該優(yōu)點包括用于提高靈敏度的較長的環(huán)長度以及部件集成和簡化制造。例如，陀螺儀的光學(xué)線圈可以作為翼零件打印在相關(guān)聯(lián)的外部容器的內(nèi)側(cè)或與任意數(shù)量的其他零件集成一體。此外，光纖可以打印成也可以使用三維打印形成的電機的轉(zhuǎn)軸編碼器的一部分。

圖36示出了結(jié)合有上述的許多部件的印刷零件，這些部件使用所述的三維打印工藝直接在該零件中形成。印刷零件1700包括用于連接印刷電器元件的印刷電跡線1702以及由印刷電跡線1702連接的印刷電感線圈1704和印刷天線1706。印刷零件1700也包括印刷光纜1708。此外，取決于實施方案，印刷零件1700可以包括觸頭或引線(未示出)用于將諸如芯片1710和連接器1712等其他部件連接到印刷零件上。

圖37～39示出了使用增材制造進行的多層印刷電路板(pcb)的打印和形成過程。如在消減pcb布局中，焊盤和跡線的圖案可以被設(shè)計然后打印，如圖所示。然而，pcb的增材制造的過程足夠簡單以使用一個機器在工作臺上進行，從而能夠使得設(shè)計周期大幅加速。

圖37示出了在構(gòu)造壓印盤16上打印多層pcb1800。pcb1800由使用包括加熱的擠出噴嘴10和切斷機構(gòu)8的打印機頭沉積的導(dǎo)電芯材料1802和絕緣材料1804形成。與上述的多元件打印機頭類似，導(dǎo)電芯材料1802和絕緣材料1804可以選擇性地單獨或一起沉積。此外，在一些實施方案中，導(dǎo)電芯材料1802是實心的以使沉積的復(fù)合材料中孔隙的形成最小化。當(dāng)打印導(dǎo)電芯材料1802而不打印絕緣材料1804時，孔隙1806可以形成為使得能夠隨后形成用于連接pcb1800內(nèi)的多層的通孔。取決于所希望的應(yīng)用，孔隙1806可以與或不與由導(dǎo)電芯材料1802制成的一個或多個跡線相關(guān)聯(lián)。

圖38和圖39描述了幾個代表性的方式，其中當(dāng)前描述的三維打印機可以用來形成印刷電路板1800中的各種結(jié)構(gòu)。如上所述，印刷電路板1800可以打印有跡線和孔隙的各種組合。例如，孔隙1812與充當(dāng)跡線的單件導(dǎo)電芯材料1802相關(guān)聯(lián)。孔隙1812隨后用焊料或焊膏填充以形成焊盤1814。以類似的方式，孔隙1816與兩條跡線相關(guān)聯(lián)并且也可以用焊料或焊膏填充以在兩個以上打印層之間形成電連接通孔1818。作為以上的替代選擇，孔隙1820可以不與跡線相關(guān)聯(lián)。這種孔隙也可以用焊料或焊膏填充以起到熱通孔1822的作用。雖然可以單獨施加焊料和/或焊膏，但是在一個實施方案中，焊料填充可以利用用來分配焊料或等效電結(jié)合劑1808的任選的打印頭1810完成。焊料可以作為熔融焊料或作為焊膏施加以用于使用任意適宜的技術(shù)的后處理熱固化。在電路板內(nèi)打印各種部件和跡線的能力與施加焊料和/或焊膏的能力結(jié)合可以有助于進一步加快印刷電路板的成型工藝。除了上述之外，單獨的部件可以通過同一臺機器、另一臺機器或手動放置在印刷電路板上。隨后，印刷電路板可以被加熱以將單獨的部件粘結(jié)到印刷電路板上并完成零件。應(yīng)該理解的是，雖然以上說明了印刷電路板的制造過程，但是在三維印刷部件內(nèi)選擇性地形成各種結(jié)構(gòu)的能力可以用于任意數(shù)量的不同應(yīng)用。

當(dāng)前描述的三維打印系統(tǒng)和方法也可以用來形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。圖41a中示出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的示意圖，其示出了夾層板的復(fù)合材料零件。上部部分1900和底部部分1902使用連續(xù)芯增強絲打印以形成較結(jié)實的部分。相比之下，中間部分1904可以打印成使得其具有與上部部分1900和底部部分1902不同的性能。例如，中間部分1904可以包括使用連續(xù)芯增強絲、純樹脂或者甚至是三維打印發(fā)泡材料打印成蜂窩圖案的多層。這能夠使用三維打印機制造包括較低密度芯的復(fù)合材料零件。使用典型的三維打印工藝不容易制造的其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也可以使用當(dāng)前所述的系統(tǒng)、材料和方法來制造。

雖然以上說明了幾種不同類型的應(yīng)用，但是應(yīng)該理解的是，本文所述的三維打印系統(tǒng)和材料可以用來制造任意數(shù)量的不同結(jié)構(gòu)和/或部件。例如，本文所述的三維打印系統(tǒng)和材料可以用來制造飛機部件、汽車零件、運動器材、消費電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備和任意其他適宜的部件或結(jié)構(gòu)，本公開不以這種方式限制。

除了使用連續(xù)芯增強絲形成使用纖維取向在所希望的方向上具有各種性能的各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之外，在一些實施方案中，還希望在纖維方向之外的方向上提供額外的強度。例如，連續(xù)芯增強絲可以包括額外的復(fù)合材料以提高材料的整體強度或在纖維芯的方向之外的方向上的材料強度。例如，圖41b示出了包括基本上垂直加載的碳納米管2002的碳纖維芯材料2000的掃描電子顯微鏡照片。盡管不希望受到理論的束縛，但是在芯上加載基本上垂直的小纖維部件提高了復(fù)合材料的剪切強度，并且有利地提高所得到的零件在基本上與纖維方向垂直的方向上的強度。這種實施方案可以有助于減小零件沿著給定層分層的傾向。

在傳統(tǒng)的復(fù)合材料中，放置纖維，然后該事實之后鉆孔(消減加工)。這在示出了多層1850的圖40a中示出了，其可以使用純的聚合物細絲或芯增強細絲形成。如也在附圖中所示的，隨后使用鉆孔或其他適宜的加工工藝在零件中形成孔1852。相比之下，在一些實施方案中，芯增強絲1854用來直接在零件中形成孔，參見圖40b和圖40c。更具體地，芯增強絲1854來到孔這，繞著它轉(zhuǎn)，然后從其來的方向離開，但是也可以考慮其中細絲在另一種方向上離開的實施方案。與這種形成方法相關(guān)聯(lián)的益處是通過芯增強絲中的芯在環(huán)方向上增強了孔。如圖40b所示，芯增強絲1854在切線方向上進入環(huán)形圖案。這有利于將要扭轉(zhuǎn)到其中的螺釘。在另一種形式中，芯增強絲1854在圓的中心進入環(huán)形圖案。當(dāng)然，應(yīng)該理解的是，其他進入圖案的點也是可行的。在一個實施方案中，進入角在各連續(xù)層中錯開(也在ppa中示出)。例如，如果存在兩層，那么第一層的進入可以為0°，而第二層的進入角可以為180°。這防止了零件中接縫的積聚。如果存在10層，那么進入角可以為每隔36°或任意其他所希望的圖案或配置。

如上所述，典型的絲束預(yù)浸料包括孔隙，這可能是由于諸如未加工的絲束預(yù)浸料通過噴嘴的溫度和速率以及未加工和浸漬的絲束預(yù)浸料區(qū)域中的差別等考慮。由于熱塑性塑料的較高粘性，例如，擠出的材料的部分也通常沒有得到充分浸濕。這些“干”的薄弱點可能導(dǎo)致過早的并且經(jīng)常是災(zāi)難性的部件故障。

鑒于上述情況，希望改善在浸漬步驟期間絲束預(yù)浸料的潤濕或浸漬。這樣做的一種方式是使含有一種或多種纖維和基質(zhì)材料的芯的材料通過涉及多個材料方向變化的迂回路徑，同時基質(zhì)材料保持在軟化或流體狀態(tài)。例如，在聚合物基質(zhì)的情況下，聚合物可以保持在適宜的溫度下以作為聚合物熔體，同時迂回路徑起到使基質(zhì)材料機械加工成纖維的作用。這個過程可以有助于減小加工時間，同時提高纖維潤濕性以提供基本上無孔隙材料。另外，減少諸如熱塑性基質(zhì)材料等基質(zhì)材料在高溫下的停留時間減少了材料的降解，這使得進一步增強所得到的使用復(fù)合材料形成的零件。上述過程可以用于連續(xù)和半連續(xù)芯材料。

在一些實施方案中，用來形成所希望的材料的迂回路徑是用來制造消耗性材料的獨立系統(tǒng)的一部分。可選擇地，在其他實施方案中，迂回路徑集成在打印頭的壓縮階段中。在這種實施方案中，打印頭內(nèi)的摩擦可以通過使用一個或多個具有拋光表面的光滑壁導(dǎo)向管來最小化。此外，一個或多個導(dǎo)向管可以相對于材料緊密配合，使得壓縮的纖維不彎曲以及堵塞打印頭。

圖42示出了包括迂回路徑浸漬系統(tǒng)的三維打印機頭2102的一種可能的實施方案。在所示的實施方案中，連續(xù)芯絲2100被進給機構(gòu)2110(例如所示出的輥)驅(qū)動到切斷機構(gòu)2104中，通過接收部2106并進入噴嘴的加熱區(qū)2112中。當(dāng)通過加熱區(qū)2112時，連續(xù)芯絲2100在材料被從噴嘴擠出到打印床2118上的一個或多層2116上之前通過對應(yīng)于至少經(jīng)歷在第一方向上的第一彎曲和在第二方向上的第二彎曲的通道的迂回路徑2108。所得到的迂回路徑的形狀形成稍微正弦的路徑。然而，應(yīng)該理解的是，可以使用任意數(shù)量的彎曲和任意希望的彎曲形成迂回路徑。與上述的打印機頭類似，打印工藝可以使用控制器2114控制，該控制器也可以控制浸漬過程。與所示的實施方案相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點由連續(xù)芯絲2100在迂回路徑4內(nèi)的前后機械運動提供，其有助于輸入材料的浸漬。

圖43a示出了當(dāng)將連續(xù)芯絲2100輸入到系統(tǒng)時該連續(xù)芯絲的一種可能的實施方案。如圖所示，連續(xù)芯絲2100相當(dāng)于包括以纖維或顆粒的形式與基質(zhì)材料2122捆綁在一起的一根或多根纖維2120的混合的未加工的絲束預(yù)浸料。在通過加熱區(qū)和迂回路徑之后，連續(xù)芯絲2100被基質(zhì)材料2122完全潤濕以提供基本上無孔隙連續(xù)芯絲，參見圖43b。

在另一個實施方案中，迂回路徑由偏移輥提供，該偏移輥可以是靜止的，或者它們可以構(gòu)建成有利地在初始穿線期間打開以提供直線型通過路徑并且隨后關(guān)閉以提供所希望的迂回路徑。圖44a和圖44b示出了這種實施方案的一種可能的實現(xiàn)方式。如圖所示，將三個以上輥2124放置在打印機頭2102內(nèi)以提供所希望的迂回路徑。在使用期間，連續(xù)芯絲2100由進給機構(gòu)2110經(jīng)由偏移輥進給并通過打印機頭。圖44b示出了任選的加載策略。在這種實施方案中，輥2124選擇性地可在第一位置和第二位置之間移動，在第一位置中它們形成如圖44a所示的迂回路徑，并且在第二位置中，它們不阻礙打印機頭2102的入口和出口之間的路徑以便于系統(tǒng)與連續(xù)芯絲2100的穿線，參見圖44b。在材料已穿線通過輥2124之后，它們可以返回到第一位置以形成圖44a所示的迂回路徑。

在另一個實施方案中(未示出)，位于打印頭內(nèi)的迂回路徑由諸如聚四氟乙烯管等柔性管形成。柔性管選擇性地設(shè)置為直線型構(gòu)造以允許打印機頭穿線。隨后，在完成穿線之后使柔性管變形成迂回路徑以促進通過其的連續(xù)芯絲的浸漬，如上所述。

在一些情況下，希望向打印機頭的進給機構(gòu)提供完全潤濕的或浸漬的材料。在這種實施方案中，連續(xù)芯絲2100的迂回路徑潤濕作為三維打印機的拉伸側(cè)內(nèi)的預(yù)處理步驟進行，然后將所得到的基本上孔隙材料進給到三維打印機的壓縮側(cè)，參見圖45。如圖所示，連續(xù)芯絲2100進入預(yù)調(diào)節(jié)器2124。如上所述，當(dāng)進入預(yù)調(diào)節(jié)器2124中時，連續(xù)芯絲2100可以對應(yīng)于包括一根或多根纖維和基質(zhì)材料的共混絲束預(yù)浸料。隨著連續(xù)芯絲2100通過預(yù)調(diào)節(jié)器2124，其被加熱并且通過可以由一組偏移輥2126或其他適宜的構(gòu)造提供的迂回路徑以便于材料的浸漬。在通過預(yù)調(diào)節(jié)器2124之后，連續(xù)芯絲2100通過對應(yīng)于一組驅(qū)動輥的進給機構(gòu)2110。進給機構(gòu)2110將連續(xù)芯絲2100進給到包括真空壓力系統(tǒng)2132的打印頭2130。真空壓力系統(tǒng)2132或其他合適的系統(tǒng)改變施加到打印頭內(nèi)連續(xù)芯絲2100上的壓力。盡管不希望受到理論的束縛，但是這些壓力變化可以促進纖維的浸漬并且使絲束預(yù)浸料內(nèi)的氣泡爆破。在另一種優(yōu)選的實施方案中，連續(xù)真空管線用于真空壓力系統(tǒng)2032，代替擺動泵，如圖所示。此外，雖然可以施加真空來改變打印頭內(nèi)的壓力，但是也可以考慮其中正壓力施加到打印頭上的實施方案。

在另一個實施方案中，包含在未加工的連續(xù)芯絲內(nèi)的基質(zhì)材料在基質(zhì)是熱的并能夠流動的同時經(jīng)由通過一個或多個壓縮輥組而被加工成纖維。圖46示出了包括設(shè)置在打印頭內(nèi)的第一和第二組壓縮輥2136的三維打印頭2134的一個實施方案。如圖所示，連續(xù)芯絲2100通過打印頭，在那里該連續(xù)芯絲被加熱并經(jīng)歷來自兩組壓縮輥的兩個隨后的壓縮。雖然附圖中示出了兩組輥，但是也可以使用打印頭內(nèi)的額外的輥。

在另一個實施方案中，波動壓力和/或真空用來將基質(zhì)材料加工成連續(xù)芯絲的纖維芯。盡管不希望受到理論的束縛，但是向材料施加減小的壓力或增大的真空去除了孔隙。相反，施加增大的壓力或減小的真空隨著所述絲束預(yù)浸料周圍的空氣壓力增大于是促使樹脂更深地進入纖維絲束預(yù)浸料中。上述過程可以完全利用真空、正壓力或二者的組合來進行，本公開不受此限。例如，材料可以在環(huán)境壓力和高壓之間、在環(huán)境壓力和真空之間或在正壓力和真空之間循環(huán)。

在上述實施方案中，將基質(zhì)機械加工成纖維芯能夠從各種起始材料制造基本上無孔隙絲束預(yù)浸料。例如，可以使用共混絲束預(yù)浸料。在額外的實施方案中，其中聚合物基質(zhì)僅部分地芯吸進下面的纖維中的扁平絲束預(yù)浸料經(jīng)歷上述的的迂回路徑潤濕方法以潤濕絲束預(yù)浸料。除了能夠制造各種類型的絲束預(yù)浸料之外，如果用作預(yù)處理，精密擠出模具可以用來將浸漬的材料形成用于從三維打印機擠出的所希望的尺寸和形狀。例如，材料可以具有圓形斷面，但是也可以使用任意其他適宜形狀的斷面。

當(dāng)希望時，精密輥組可以用來保持沿著從打印頭2102輸出的材料的較寬寬度的恒定厚度。這種實施方案當(dāng)處理諸如扁平絲束預(yù)浸料等較寬材料時可能有用。圖47示出了在第一方向上平移的打印頭2102。打印頭的噴嘴2136連接到尾部壓縮輥2138。該輥向沉積到打印床2140上的材料賦予壓縮力。取決于實施方案，尾部輥2138可以使用任意數(shù)量的不同機構(gòu)繞著z軸連接。例如，在一個實施方案中，打印頭2102在軸承上自由旋轉(zhuǎn)，使得該輥總是追蹤打印頭移動的方向。在另一個實施方案中，整個打印頭2102被構(gòu)建成旋轉(zhuǎn)?？蛇x擇地，打印床2140可以旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)所希望的追蹤和位移。

圖48示出了能夠使用上述材料的高速連續(xù)芯打印機的一個實施方案。在所示的實施方案中，打印機包括具有多個噴嘴的打印臂2200。噴嘴包括適于打印純樹脂2208的純樹脂噴嘴2202。打印臂2200也包括適于打印用于精細細節(jié)加工的連續(xù)芯絲2210的連續(xù)芯絲噴嘴2204。此外，打印臂2200包括能夠打印一個或多個可打印帶2212的帶配送頭2206。帶配送頭使得大的填充部分能夠使用所述的可打印帶快速打印。然而，精細細節(jié)加工和不能由帶填充的間隙可以由純樹脂噴嘴2202或連續(xù)芯絲噴嘴2204填充，本公開不受此限。使用寬帶填充的上述方法和系統(tǒng)大大提高了打印機的速度、能夠?qū)崿F(xiàn)更高的吞吐量并相稱地更降低了成本。

如上所述，在一些實施方案中，由于各種原因而希望提供具有平滑的外表面的材料。如下面詳細描述的，平滑的外表面、所希望的形狀和/或所希望的尺寸可以以各種方式獲得。

在一個實施方案中，芯增強絲包括具有絲束、束、紗、線、繩、細、合股線的形式或其他適宜的形式的軸向?qū)R的連續(xù)或半連續(xù)纖維或其他材料的內(nèi)部部分。內(nèi)部部分也包括纖維埋在其中的基質(zhì)。芯增強絲也包括設(shè)置在細絲的內(nèi)部部分上的外部涂層。外部涂層的形狀和尺寸可以定制成提供所希望的斷面形狀和尺寸。所得到的芯增強絲可以用于如本文所述的三維打印工藝以及其他適宜的三維打印工藝中，本公開不受此限。

在相關(guān)的實施方案中，制造芯增強絲的方法包括使用任意適宜的方法在聚合物基質(zhì)中埋入絲束、束、紗、線、繩、細線、細繩或合股線。所得到的細絲隨后與形成上述外部涂層的聚合物一起擠出。如下面更詳細說明的，外部涂層可以由與細絲的內(nèi)部部分的基質(zhì)材料相同的材料或不同的材料制成。

圖49a示出了制備用于三維打印系統(tǒng)中的具有平滑外涂層的完全潤濕或浸漬的芯增強絲的過程。如圖所示，連續(xù)芯元件2300被拉到共擠出模具2302中。在一些實施方案中，連續(xù)芯元件2300在如下面更詳細說明的進入共擠出模具2302中之前在2301處經(jīng)歷各種預(yù)處理。一旦引入到共擠出模具2302中，連續(xù)芯元件2300就會在混合點2304處用基質(zhì)材料2306浸漬。在連續(xù)芯元件用聚合物潤濕或浸漬期間或之前，可以采用任選的真空步驟來去除來自連續(xù)芯絲的夾帶的空氣。圖49b和圖49c示出了各種起始連續(xù)芯元件2300的斷面圖，該起始連續(xù)芯元件可以是包括多個對齊增強纖維的絲束預(yù)浸料。由于完全潤濕或浸漬是該步驟的主要目標(biāo)(與在傳統(tǒng)共擠出模具中僅涂布相對)，所以混合步驟的溫度和壓力可以提高以實現(xiàn)通過纖維束的所希望的完全潤濕/浸漬?？蛇x擇地，或除了上述之外，可以施加迂回路徑和/或變化的壓力以進一步促進材料的潤濕/浸漬，如上所述。

由于許多碳纖維和玻璃纖維絲束預(yù)浸料最初是帶狀形式的，所以共擠出模具的模具出口2308可以用于將連續(xù)芯元件和聚合物基質(zhì)材料結(jié)合成所希望的形狀和尺寸以提供光滑、恒定直徑的復(fù)合細絲。然而，該細絲會與典型的細絲制造工藝所發(fā)生的一樣在共擠出模具的下游開始扭曲。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，這種扭曲是冷卻未支撐的擠出物的加工品，其有點類似于太快噴出注射成型零件，然后當(dāng)在模具外時其卷曲。因此，在一些實施方案中，冷卻管2312和諸如冷卻套等可操作地連結(jié)的冷卻元件2310與擠出的材料對齊并對其進行支撐。因此，允許擠出的芯增強絲在被限制為所希望的尺寸和形狀的同時冷卻。潤滑劑可以有利地在進入管時或在沿著管長度的點上施加到細絲上。潤滑劑可以蒸發(fā)或在稍后的時間洗掉。該潤滑劑可以起到減小芯增強絲在管內(nèi)的拖動摩擦的作用以基本上防止或至少減小“跳動”或表面粗糙度在冷卻期間通過冷卻管拖動細絲。取決于芯材料及其對應(yīng)的壓縮性和延展性，冷卻管可以用一系列不同內(nèi)徑的“模具”來建造以實現(xiàn)所希望的形狀和尺寸?？蛇x擇地，對于特定材料可以使用多個離散的“冷卻模具”代替冷卻管。輸出芯增強材料2314可以顯示出與圖49e～49f中所示的那些斷面類似的斷面。取決于冷卻管或模具中所使用的壓縮量，該材料可以顯示出更多或更少符合管或模具形狀的變化的斷面輪廓。

在一些實施方案中，將芯增強絲進給到第二共擠出模具2316中，在那里其在通過模具出口2320作為涂布的芯增強絲2322輸出之前被涂布諸如聚合物或樹脂等另一種基質(zhì)材料2318。這種外涂層2326設(shè)置在內(nèi)部部分2324上。外涂層2326可以由與內(nèi)部部分中的基質(zhì)材料2306相同的材料或不同的材料制成。因此，外涂層2326可以選擇為提供所希望的性能特性，如結(jié)合到之前沉積的層、耐磨性或任意其他數(shù)量的所希望的性能等。此外，在一些實施方案中，外涂層2326提供光滑的無纖維的外徑，如圖49g～49i中所示的斷面中所示。圖49g示出了包括由不同基質(zhì)材料以及形成連續(xù)芯的多個細絲形成的內(nèi)部部分2324和外涂層2326的芯增強絲的實施方案。圖49h示出了包括由相同的基質(zhì)材料以及形成連續(xù)芯的多個細絲形成的內(nèi)部部分2324和外涂層2326的芯增強絲的實施方案。圖49i示出了包括包含實心連續(xù)芯2300的內(nèi)部部分2324的芯增強絲的實施方案。內(nèi)部和外部基質(zhì)材料可以是用于復(fù)合材料中的任意適宜的粘結(jié)劑，包括但不限于熱塑性材料、熱固性材料、樹脂、環(huán)氧樹脂、陶瓷、金屬和蠟等。

圖50a示出了實現(xiàn)結(jié)合有外涂層的纖維的完全潤濕/浸漬的可替代的基于輥的方法。與上述的類似，芯材料2300可以具有如圖50b和圖50c所示的斷面。此外，芯材料2300可以在2301處經(jīng)歷任選的預(yù)處理步驟。使芯材料2300通過構(gòu)建和配置成使芯材料的斷面變平成圖50d所示的扁平的斷面形狀2332的一組分散輥2330。盡管不希望受到理論的束縛，但是將連續(xù)芯的各個纖維分散成扁平形狀可以有助于當(dāng)將基質(zhì)材料2306在混合點2304處引入到扁平的連續(xù)芯元件2332時促進該基質(zhì)材料的潤濕/浸漬。與上述的類似，連續(xù)芯元件和基質(zhì)材料可以經(jīng)歷迂回路徑和/或變化的壓力以進一步促進基質(zhì)材料的浸漬。此外，在所示的實施方案中，系統(tǒng)可以任選地包括位于混合點2304下游的一組輥2334。輥2334可以向復(fù)合細絲施加力以進一步促使基質(zhì)材料2306進入連續(xù)芯元件2300中。圖50e中示出了所得到的復(fù)合材料扁平帶2336的斷面。所得到的扁平復(fù)合材料帶2336隨后被進給到成形模具2338。該步驟可以利用被加熱到足夠溫度以使材料回流的加熱的成形模具實現(xiàn)，或者成形模具2338位于充分接近輥2334的出口的位置，使得復(fù)合材料扁平帶當(dāng)進入模具時在足夠溫度下成形。再次地，與上述的類似，任選的冷卻管2312和相關(guān)聯(lián)的冷卻元件2310可以與成形模具2338相關(guān)聯(lián)以在芯增強絲2314冷卻時支撐該芯增強絲的斷面，參見圖50f～50g。然后，外涂層可以涂布到芯增強絲上以形成如上所述的涂布的芯增強絲2322。

雖然上述實施方案涉及基本上無孔隙的完全潤濕的、完全芯吸的材料的使用，但是應(yīng)當(dāng)指出的是，所述的外涂層和浸漬方法也可以與具有孔隙的材料一起使用。此外，沒有被潤濕的未加工材料也可以與本文所述的三維打印機一起使用。此外，雖然以上參照制造工藝說明了諸如扁平帶和圓形斷面輪廓等各種形狀，但是材料和/或所得到的芯增強絲的任意適宜的形狀都是可行的，本公開不受此限。

用于復(fù)合細絲的內(nèi)部部分和外涂層的前述兩種聚合物基質(zhì)粘結(jié)劑的組分可以相差一個或多個以下因素：聚合物分子量、聚合物分子量分布、支化度、聚合物鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)和諸如增塑劑、熔體粘度調(diào)節(jié)劑、uv穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、熒光增白劑、著色劑、顏料或填料等聚合物加工助劑。具有兩種不同粘結(jié)劑組分的芯增強絲的制造可以以幾種不同的方式實施，取決于人們希望改變或控制哪種特定加工特性或成品零件的哪種性能。

在一個實施方案中，希望保持纖維在細絲的內(nèi)部部分中的均勻分布和圓形斷面形狀。在這種實施方案中，內(nèi)部部分的聚合物基質(zhì)可以表現(xiàn)出比外涂層中的聚合物基質(zhì)的熔點更高的熔點。因此，當(dāng)涂布外部涂層時，細絲的內(nèi)部部分保持為固態(tài)或至少半固態(tài)高粘度狀態(tài)。相應(yīng)地，在通過共擠出涂布外涂層聚合物基質(zhì)期間，包含在連續(xù)芯內(nèi)的纖維將待在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑶壹毥z會保持其圓形斷面形狀，同時避免在共擠出步驟期間連續(xù)纖維通過細絲的內(nèi)部部分的熔融基質(zhì)遷移到細絲的外涂層。

在另一個實施方案中，希望通過基質(zhì)粘結(jié)劑改進纖維絲束預(yù)浸料的浸漬/潤濕。因此，在一些實施方案中，較低粘度的聚合物熔體用作細絲的內(nèi)部部分中的基質(zhì)材料。優(yōu)選地，用于細絲的內(nèi)部部分的聚合物基質(zhì)材料應(yīng)當(dāng)不僅具有低粘度，而且應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出改進的纖維表面的界面潤濕。盡管不希望受到理論的束縛，但是這可以通過使吸液聚合物熔體的表面能與連續(xù)纖維材料的表面能匹配獲得。用于外部涂層的聚合物基質(zhì)材料可以包括具有比內(nèi)部基質(zhì)聚合物更高的熔融粘度的聚合物。外部聚合物基質(zhì)材料也可以表現(xiàn)出比內(nèi)部聚合物低的熔點。外涂層基質(zhì)朝向連續(xù)芯的潤濕性能不太重要，因為兩者原則上不應(yīng)當(dāng)直接接觸。

在另一個實施方案中，希望通過改變聚合物熔體和連續(xù)芯絲的表面能來促進外部涂層與下面的束的粘合。該表面能可以由多種方法控制，包括但不限于改變聚合物主鏈中極性基團的含量和類型、向熔體添加表面活性組分(例如，表面活性劑、油、無機填料等)、將纖維暴露到電氣氣體放電等離子體、化學(xué)氣相沉積、臭氧或與來自溶液的表面改性化合物反應(yīng)或涂布有來自溶液的表面改性化合物。

在另一個實施方案中，表面能改性劑也可以用來在通過三維打印機沉積細絲時增強細絲的層間結(jié)合。例如，臭氧可以通過打印頭沉積以促進新層與現(xiàn)有層的粘合。在另一個實施方案中，建造室可以填充有足夠比例的臭氧以使暴露的表面激活。

在本發(fā)明的另一個實施方案中，可以有利的是通過選擇性地向鄰近新沉積的細絲的沉積點和/或就在新沉積的細絲的沉積點前面的小區(qū)域施加加熱的蒸汽流來提高新擠出的富纖維細絲與下層的粘結(jié)強度。

在另一個實施方案中，可以預(yù)期的是，新擠出的富纖維細絲和下層之間的粘結(jié)強度可以通過選擇性地將空氣或由足夠濃度的臭氧構(gòu)成的另一種氣體的流朝向鄰近新沉積的細絲表面的沉積點或就在新沉積的細絲表面的沉積點前面的小區(qū)域引導(dǎo)來提高。臭氧易于與有機聚合物的原子級厚的表面層反應(yīng)以形成大量極性反應(yīng)性表面基團，如羥基、臭氧化物、過氧化物、過氧化氫、乙醛和羧酸基團，通過它們非常活潑的化學(xué)和/或極性性質(zhì)促進表面層與諸如油墨、膠粘劑或另一種聚合物粘結(jié)劑等另一種材料的結(jié)合。

在另一個實施方案中，希望提高與建造平臺的結(jié)合強度以有助于防止零件或零件的部分從建造平臺升起。因此，在一些實施方案中，表面能改性劑被施加到建造平臺以促進擠出的細絲與所述平臺的粘合。在一些實施方案中，所述的粘合改性用來提高第一結(jié)合層與在諸如長方體的角落等一些關(guān)鍵區(qū)域的建造平臺的粘合，從而在該部分最可能從平臺剝離的地方產(chǎn)生更大的附著力。然而，長方體的中心可以基本上沒有表面能改性劑以便于容易去除。

參照上述實施方案，應(yīng)該理解的是，沉積的臭氧、蒸汽或其他表面能改性劑的時間和量可以變化以獲得所希望水平的粘合。

在另一個實施方案中，磁性填料加載到基質(zhì)材料中。磁性填料可以是像鐵或鋼一樣磁致激活的，或者其也可以是被磁化的，本公開不受此限。在電子器件的連續(xù)芯打印的情況下，磁性填料可以用來形成三維打印驅(qū)動部件。此外，磁性基質(zhì)顆粒可以用來在打印期間將零件磁粘到打印臺，然后在打印結(jié)束時釋放。磁性材料可以集成到最終零件中，或者其也可以有利地集成到具有展現(xiàn)出與材料的其余部分相似性能的相似基質(zhì)的可去除支撐材料中。

在另一個實施方案中，磁致激活的填料顆粒能夠使用x射線或金屬傳感器測量和檢測材料或支撐結(jié)構(gòu)。例如，使用支撐材料中包含金屬粉末的材料而不是模具材料將能夠容易檢測所有支撐材料的去除。在另一個實施方案中，將磁性材料添加到零件的一部分或全部以使得能夠在x射線檢測中檢測其他方式不可看見的復(fù)雜特征。

在一些實施方案中，諸如連續(xù)碳纖維等連續(xù)芯與對所述的連續(xù)碳纖維表現(xiàn)出良好的潤濕和粘合性能的半芳香聚酰胺和/或具有線性聚酰胺的半芳香聚酰胺共混物結(jié)合。這種半芳香聚酰胺的例子包括來自switzerland的domat/ems的ems-grivory的半芳香和線性聚酰胺共混物，如grivoryht1、grivoryht2、grivoryht3和其他類似共混物等。通過使連續(xù)增強的纖維絲束預(yù)浸料與高溫熔融和纖維潤濕聚酰胺及它們的共混物結(jié)合，可以制造具有以下特征的零件：在使用溫度為120℃及更高時具有優(yōu)異的機械強度和長期溫度穩(wěn)定性，同時確保復(fù)合材料絲束的可擠出性、良好的纖維基質(zhì)潤濕性、全部纖維絲束預(yù)浸料用樹脂滲透和在纖維基質(zhì)界面良好的剪切強度。

上述任選的預(yù)處理是為了促進芯材料的完全潤濕以及將基質(zhì)材料芯吸到其中心。各種類型的預(yù)處理可以包括諸如機械、流變和纖維潤濕預(yù)處理等種類。所采用的特定方法將取決于所選的基質(zhì)材料和選定的芯。

適宜的機械預(yù)處理包括，通過機械或氣動裝置將芯的各纖維在與樹脂或熔體接觸(即，浸漬涂布)之前平展成扁平帶狀絲束預(yù)浸料?？蛇x擇地，絲束預(yù)浸料可以通過被定期排空以將纖維之間捕捉的空氣氣泡膨脹并去除以及當(dāng)釋放真空時促使樹脂或熔體進入纖維之間的孔隙空間的腔室中的熔體。此外，較高的空氣壓力周期循環(huán)可以通過改變夾帶的空氣氣泡的尺寸并促使空氣纖維界面重建，因此，促進氣泡遷移，來提高過程的有效性。此外，樹脂或聚合物乳液可以從連續(xù)芯的一側(cè)注入使得與在傳統(tǒng)的共擠出過程期間簡單地在其周圍相比，將其注射通過連續(xù)芯。應(yīng)當(dāng)理解是，其他機械預(yù)處理也是可行的。

適宜的連續(xù)芯的流變預(yù)處理包括利用低粘度或高熔體流動指數(shù)樹脂或聚合物熔體。此外，可以使用顯示出低分子量和/或線性鏈的聚合物。也可以使用顯示出粘度變化大的尖銳熔點過渡的聚合物。這種過渡是聚酰胺顯示的典型性能。諸如多端口熔噴、斜角通道以及凹槽或螺旋槽擠出通道表面"形態(tài)"等各種特征可以用來誘導(dǎo)更高的熔體湍流和非層熔體流動，這可以產(chǎn)生基質(zhì)材料的增強浸漬。也可以使用用來降低有效熔體粘度并改善在纖維表面的滑動的熔體粘度調(diào)節(jié)劑和潤滑油。

適宜的纖維潤濕預(yù)處理可以包括從稀釋的聚合物溶液排除具有隨著溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生的非常薄層的相同或相似聚合物的纖維表面以獲得熔體和纖維表面之間的類似相互作用。中性和相容性溶劑中的聚合物或樹脂溶液可以具有約0.1wt.％～1wt.％以上的濃度。此外，一種或多種表面活化方法可以用來通過將聚合物基質(zhì)與纖維表面物理或化學(xué)結(jié)合來引入或改變將影響潤濕/浸漬(接觸角)和粘合性(基質(zhì)-纖維界面剪切強度)的纖維表面的極性和/或引入化學(xué)活性表面基團。合適的表面活化方法的幾種例子包括但不限于：空氣中大氣壓表面氧化；富含氧、氮氧化物或其他反應(yīng)性氣體(如鹵化物、硫化物、硅化物或其他揮發(fā)性化合物)的空氣；以及高電壓的電暈放電(廣泛用于活化打印用的聚烯烴薄膜表面的方法)。以上列舉的在空氣、氧氣或其他氣體中的低壓等離子體活化技術(shù)也可以用來引入具有由工藝條件(時間、壓力、放電能量(電極偏置電壓)、停留時間和反應(yīng)性氣體的組分限定的化學(xué)特性反應(yīng)性化學(xué)表面基團。纖維表面也可以使用以下方法進行化學(xué)活化：氣相和液相中的活化方法，如在六甲基二硅氮烷(hmds)蒸汽的存在下的硅烷化，尤其是在升高的溫度下；和使用諸如三(乙氧基)-3-氨基丙基硅烷、三(乙氧基)-水甘油基硅烷和四烷氧基鈦酸酯等有機硅或有機鈦粘合促進劑的溶劑相表面改性。

雖然結(jié)合各種實施方案和實施例對本教導(dǎo)進行了說明，但并不意味著本教導(dǎo)限于這些實施方案或?qū)嵤├?。與此相反，本教導(dǎo)包含本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的各種替代方案、變形例和等同物。因此，以上說明和附圖僅僅是舉例說明。