本發(fā)明通常涉及用于形成三維(3D)物體、或用于在基底上形成3D特征部的裝置及方法。更特別地，本發(fā)明涉及用于形成具有纖維加強部段的3D物體或3D特征部的快速原型設(shè)計裝置及方法。

背景技術(shù)：

術(shù)語“3D打印”涉及一組增材制造過程，在增材制造過程中，利用非加強的樹脂、含短纖維的樹脂、金屬、紙等采用層疊的方式創(chuàng)建3D物體。已經(jīng)開發(fā)了幾種不同類型的3D打印系統(tǒng)，包括基于材料擠制、材料噴射、直接的能量沉積等的系統(tǒng)。3D打印系統(tǒng)的現(xiàn)有應(yīng)用包括快速原型設(shè)計(RP)，以及替換零部件及其他小體積產(chǎn)品的分散式制造?；谒璧奈矬w的數(shù)據(jù)組表示，并且在不使用特殊工具或模具的情況下，生產(chǎn)個別零部件的能力彌補了與3D打印有關(guān)的低生產(chǎn)速度以及高生產(chǎn)成本。

不幸的是，由熱塑性或熱固性聚合樹脂制成的已打印的3D物體不具備充分的機械強度或耐久性，以使用在半結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中或結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中。當(dāng)然，利用含有短加強纖維的樹脂確實能夠提高塑料3D打印的物體的機械性能，但是這種提高的程度受3D打印過程本身的性質(zhì)所限制。另一方面，由金屬制成的已打印的3D物體具有高得多的機械強度或耐久度。雖說如此，相比于塑料3D打印系統(tǒng)，金屬3D打印系統(tǒng)的成本仍然非常高。而且，在制造過程中使用熔融態(tài)金屬產(chǎn)生了對于更復(fù)雜的安全設(shè)施以及火災(zāi)撲救裝備的需要。

一種不同類型的增材制造過程是基于自動鋪帶(ATL)或基于自動鋪絲(AFP)的。例如，基于ATL機器或基于AFP機器的制造過程目前使用在諸如飛行器部件之類的先進復(fù)合部分的生產(chǎn)中。在該過程中，ATL機器或AFP機器以自動的方式將纖維加強件放置在模具或芯軸上。更特別地，該機器利用呈條帶或絲束形式的熱固性或熱塑性的預(yù)浸漬材料以形成復(fù)合敷層(layups)。例如，ATL機器使用一個或更多個條帶，每一個條帶具有介于大約75mm和300mm之間的寬度，然而，AFP機器使用多個小寬度的絲束，該絲束的寬度通常小于大約8mm。同樣地，相比于AFP，ATL實現(xiàn)了高得多的沉積速率，但也產(chǎn)生了多得多的廢物。ATL和AFP過程能夠形成具有非常高機械強度的部件，并且該部件適合于半結(jié)構(gòu)性應(yīng)用或結(jié)構(gòu)性應(yīng)用。不幸的是，對所生產(chǎn)的每一部件均需要專用的模具或芯軸，專用的模具或芯軸增加了在快速原型設(shè)計或小體積應(yīng)用中的生產(chǎn)成本。

克服上述局限性及缺點中的至少一些將會是有益的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，公開了用于形成三維(3D)物體的裝置，該裝置包括：3D打印頭部，該3D打印頭部用于通過形成第一材料的多個連續(xù)的層以制造3D物體的第一部分；鋪放頭部，該鋪放頭部用于通過將連續(xù)纖維加強的第二材料的多個層分配在3D物體的第一部分上以制造3D物體的第二部分，并且該鋪放頭部包括用于在分配連續(xù)纖維加強的第二材料時將連續(xù)纖維加強的第二材料按壓就位的輥；以及用于接收對應(yīng)于3D物體模具的數(shù)據(jù)組的控制器，并且該控制器用于基于數(shù)據(jù)組指引3D打印頭部及鋪放頭部以協(xié)作地形成3D物體。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，公開了用于形成三維物體的方法，該方法包括：接收對應(yīng)于3D物體模型的數(shù)據(jù)組；基于數(shù)據(jù)組，通過利用3D打印頭部形成第一材料的多個連續(xù)的層，制造3D物體的第一部分；并且，基于數(shù)據(jù)組，通過利用鋪放頭部將連續(xù)纖維加強的第二材料的多個層分配至3D物體的第一部分上，并且通過在分配連續(xù)纖維加強的第二材料時將連續(xù)纖維加強的第二材料按壓就位，制造3D物體的第二部分。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，公開了用于形成三維物體的方法，該方法包括：提供片狀金屬坯件；為已形成的片狀金屬坯件的至少一側(cè)的至少部分涂覆打底劑材料；接收對應(yīng)于3D物體模型的數(shù)據(jù)組；基于數(shù)據(jù)組，通過利用3D打印頭部在已形成的片狀金屬坯件的已涂覆的至少部分上形成第一材料的多個連續(xù)的層，制造3D特征的第一部分；并且，基于數(shù)據(jù)組，通過利用鋪放頭部在3D特征部的第一部分上分配連續(xù)纖維加強的第二材料的多個層，并且通過在分配連續(xù)纖維加強的第二材料期間將連續(xù)纖維加強的第二材料按壓就位中，制造3D特征部的第二部分。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，公開了用于形成三維物體的方法，該方法包括：接收對應(yīng)于3D物體模型和用于該3D物體模型的可移除的支承構(gòu)件的至少數(shù)據(jù)組；基于該至少數(shù)據(jù)組，通過利用3D打印頭部形成第一材料的多個連續(xù)的層，制造可移除的支承構(gòu)件；基于至少數(shù)據(jù)組，通過利用鋪放頭部將連續(xù)纖維加強的第二材料的多個層分配至可移除的支承構(gòu)件上，并且通過在分配連續(xù)纖維加強的第二材料期間將連續(xù)纖維加強的第二材料按壓就位，制造3D物體；并且，從3D物體移除可移除的支承構(gòu)件。

附圖說明

現(xiàn)將僅以示例的方式并參照附圖描述本發(fā)明，其中，貫穿若干附圖，相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件，并且其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式的系統(tǒng)的簡化框圖；

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的裝置的立體圖；

圖3是示出了圖2的裝置的3D打印頭部及鋪放頭部的放大細(xì)節(jié)的立體圖；

圖4是示出了圖2的裝置的鋪放頭部的放大細(xì)節(jié)的側(cè)視圖；

圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一裝置的立體圖；

圖6A至圖6E是示出了在利用根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法制造3D物體時的不同的步驟的圖示；

圖7A至圖7E示出了在圖6A至圖6E中示出的制造方法的相對應(yīng)的步驟中的在3D物體的所指出的部分內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)；

圖8是用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法的簡化流程圖；

圖9是用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方法的簡化流程圖；

圖10A至圖10G是示出了在利用根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方法制造3D物體期間的不同的步驟的圖示；

圖11A至圖11G圖示了在圖10A至圖10G中示出的制造方法的相對應(yīng)的步驟中的在3D物體的所指出的部分內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)；

圖12是根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方法的簡化流程圖；

圖13圖示了根據(jù)本發(fā)明實施方式制造的3D物體內(nèi)的靠近3D物體的邊緣部分的分層結(jié)構(gòu)；

圖14圖示了根據(jù)本發(fā)明實施方式制造的3D物體內(nèi)的靠近位于3D物體的水平部分與傾斜部分之間的過渡部的分層結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下文描述用以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造及利用本發(fā)明，并且下文描述在特別的應(yīng)用及其需求的情況下提供。公開的實施方式的各種改型將會對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且本文限定的通常的原理可以應(yīng)用于其他實施方式及應(yīng)用而不超出本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明不意在局限于公開的實施方式中，但本發(fā)明將會符合與在本文中公開的原理及特征相一致的廣義的范圍。

貫穿本說明書，以及在所附權(quán)利要求中，術(shù)語“3D打印頭部”涉及用于通過增材制造過程形成3D物體的部件的組合體。3D打印頭部可以包括、或者可以不包括形成完整的3D打印系統(tǒng)所需要的所有部件。例如，在利用激光來固化液態(tài)光聚合物樹脂的系統(tǒng)中，3D打印頭部可以僅包括經(jīng)由纖維光纜接收來自激光的光線的光學(xué)部件。3D打印頭部可以是基于在現(xiàn)有技術(shù)中普遍已知的3D打印系統(tǒng)的多個不同類型中的一個。作為數(shù)個特別的及非限制性的示例，3D打印頭部可以根據(jù)諸如材料擠制(例如，熔融沉積成型或FDM)、材料噴射(例如，PolyJet)或直接的能量沉積(例如，激光粉末成型)之類的原理進行操作。在使用中，3D打印頭部由諸如熱固性樹脂或熱塑性樹脂之類的材料中、或者由另外的適當(dāng)?shù)姆墙饘俨牧闲纬?D物體的至少部分。樹脂可以是非填充的，或者樹脂可以包含相對短的纖維、礦物等。

貫穿本說明書，以及在所附權(quán)利要求中，術(shù)語“鋪放頭部”涉及用來放置呈條帶或絲束形式的熱固性的或熱塑性的預(yù)浸漬材料的部件的組合體。作為數(shù)個特別的及非限制性的示例，鋪放頭部可以是自動鋪帶(ATL)頭部或自動鋪絲(AFP)頭部。鋪放頭部包括用于前進、加熱、按壓及切割正在被分配的條帶或絲束的部件。

并且，應(yīng)當(dāng)了解的是，3D物體可以直接地形成在建造基座或底盤部上、形成在工具表面或芯軸上、或形成在與最終的3D物品成一體的金屬的或塑料的部件(例如，片狀金屬坯件)上。利用3D打印頭部形成的3D物品的部分可以一體結(jié)合到最終的3D物體中，或者可以僅作為在過程結(jié)束時移除的結(jié)構(gòu)表面或支架。3D物體還可以包括利用附加的頭部或在單獨的過程中可以施加的其他材料，例如打底劑材料等。

參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的系統(tǒng)100的簡化框圖。系統(tǒng)100包括計算機數(shù)控(CNC)機器102，計算機數(shù)控(CNC)機器102用于在形成3D物體時、在控制器108的控制下精準(zhǔn)地移動3D打印頭部104及鋪放頭部106。控制器108接收對應(yīng)于3D物體模型的數(shù)據(jù)組，并且基于該數(shù)據(jù)組指引3D打印頭部104及鋪放頭部106協(xié)作地形成3D物體。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的裝置200的簡化立體圖。包括3D打印頭部104及鋪放頭部106的頭部組件安裝至臺架式機器人的機械Z軸線軌道202。Z軸線軌道202安裝至Y軸線橫向軌道204，Y軸線橫向軌道204又安裝至一對X軸線軌道206。裝置200還包括建造基座或底盤部208，該建造基座或底盤部208可選地是被加熱的，和/或能夠施加真空抽吸，以在制造期間防止3D物體移動以及提供尺寸穩(wěn)定性。

圖3是示出了圖2的頭部組件的放大細(xì)節(jié)的立體圖。在圖3中示出的特別的及非限制性的示例中，3D打印頭部104是包括材料細(xì)絲(通常直徑為1mm-5mm)的卷300的FDM頭部，利用加熱器302將材料細(xì)絲的卷300加熱超過其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且之后通過擠制噴嘴302擠制該材料細(xì)絲的卷300。FDM頭部沉積形成融化的材料的非常薄的層(通常0.1mm-0.5mm)。可選地，設(shè)置多于一個的FDM頭部以在不需要改變機械設(shè)置的情況下支持不同厚度的材料或不同材料的沉積。例如，不同的FDM頭部可以用于沉積具有不同顏色或不同強度的材料，或用于沉積未填充的樹脂及包含各種嵌入帶條的樹脂等。

在圖3中示出的特別的及非限制性的示例中，鋪放頭部106是包括纖維加強條帶的卷306的ATL頭部，在利用支承輥312將纖維加強條帶的卷306按壓就位并且利用切割器314按一定長度切割纖維加強條帶的卷306之前，利用給送輥308使纖維加強條帶的卷306前進并且利用加熱器310加熱纖維加強條帶的卷306。ATL頭部在三維上利用塑性粘合劑鋪放連續(xù)纖維帶條。作為特別的及非限制性的示例，依據(jù)待生產(chǎn)的3D物體的幾何結(jié)構(gòu)，條帶的寬度在大約1mm和50mm之間以及厚度在0.1mm和1mm之間。例如設(shè)置呈激光或熱氣源形式的加熱器310，并且加熱器310被引導(dǎo)成在與正形成的3D物體的表面相接觸的位置處加熱正在分配的條帶。

圖4是示出了包括驅(qū)動馬達400的ATL頭部的附加特征的側(cè)視圖，該驅(qū)動馬達400用于驅(qū)動給送輥308用以使來自于卷306的纖維加強條帶前進、用以匹配ATL頭部的運動、并且用以取得想得到的纖維型式。圖4還圖示了轉(zhuǎn)位(indexing)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)位系統(tǒng)包括線性致動器402，該線性致動器402安裝在柱狀件404上，其支承ATL頭部相對于Z軸線軌道202的運動。ATL頭部能夠在伸出位置(圖示的)和收回位置之間移動。當(dāng)ATL頭部用于分配纖維加強條帶時，ATL頭部移動進入其伸出位置。當(dāng)要替代地使用3D打印頭部時，則ATL頭部向回移動進入其收回位置并且不妨礙3D打印頭部。因此，在操作3D打印頭部和操作ATL頭部之間的轉(zhuǎn)換期間，操作線性致動器。此外，轉(zhuǎn)位系統(tǒng)可以是彈簧加載的，以提供在支承輥312上的恒定力，當(dāng)分配條帶時該支承輥312將條帶按壓就位。

在圖1至圖4中所示的特別的及非限制性的示例中，3D打印頭部104固定地安裝至臺架式機器人的Z軸線軌道，并且鋪放頭部106經(jīng)由轉(zhuǎn)位系統(tǒng)可移動地安裝至臺架式機器人的相同的Z軸線軌道202。在替代性構(gòu)型中，3D打印頭部104安裝至第一臺架式機器人的Z軸線軌道，并且鋪放頭部106安裝至第二臺架式機器人的Z軸線軌道。在后者的構(gòu)型中，可以省略轉(zhuǎn)位系統(tǒng)以使得鋪放頭部固定地安裝至第二臺架式機器人的Z軸線軌道。可選地，鋪放頭部經(jīng)由諸如彈簧機構(gòu)之類的偏置構(gòu)件安裝至第二臺架式機器人的Z軸線軌道，該偏置構(gòu)件將鋪放頭部偏置于伸出位置以在支承輥312上提供恒定力，當(dāng)分配條帶時該支承輥312將條帶按壓就位。

圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一系統(tǒng)500的立體圖。包括3D打印頭部104和鋪放頭部106的頭部組件安裝成作為鉸接臂機器人504的末端操縱裝置502。裝置500還包括建造基座或底盤部506，該建造基座或底盤部506可選地是被加熱的，和/或能夠施加真空抽吸，以在制造期間防止3D物體移動以及提供尺寸穩(wěn)定性。上文參照圖3及圖4描述了該頭部組件?？蛇x地，3D打印頭部104安裝成作為第一鉸接臂機器人的末端操縱裝置，并且鋪放頭部106安裝成作為第二鉸接臂機器人的末端操縱裝置。另外可選地，構(gòu)型可以包括一個或更多個臺架式機器人以及一個或更多個鉸接臂機器人。

現(xiàn)參照圖6A至圖6E及圖7A至圖7E，示出了在根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法中處于制造的不同階段的3D物體。特別的是，圖6A至圖6E示出了處于制造的每一不同階段的3D物體的俯視圖，以及圖7A至圖7E示出了處于制造的每一不同階段的3D物體的層狀結(jié)構(gòu)的在點劃線框內(nèi)的相應(yīng)的放大細(xì)節(jié)。

如在圖6A及圖7A中所示出的，該方法的第一步驟是利用第一材料600限定所需的3D物體的邊緣及表面輪廓，在本示例中該3D物體是3D板狀部件。例如，3D打印頭部104用于將第一材料600的連續(xù)的層沉積在裝置200的建造基座208上。作為特別的及非限制性的示例，第一材料是非加強的熱塑性材料。第一材料600的連續(xù)的層熔融在一起以形成3D物體的大致均勻的第一部分。圖7A示出了沉積在建造基座208上的第一材料600。第一材料600的厚度為大約0.5mm至5mm。通常，第一材料600是足夠厚的以支承在后續(xù)步驟中施加的連續(xù)纖維條帶或絲束的多個片層(ply)。在圖6A中未示出可以利用第一材料600形成的可選的引導(dǎo)部、凸起、附連點等。例如，用于控制3D打印頭部的數(shù)據(jù)組可以包括用于形成引導(dǎo)部等的指令，以在后續(xù)組裝過程中使最終部分與其他部分排齊。

現(xiàn)參照圖6B，該方法的接下來的步驟是將連續(xù)纖維條帶的第一層602施加在第一材料600的表面上。在圖6B中示出的特別示例中，鋪放頭部106用于分配條帶的第一片層602，使得在物體的邊緣周圍具有最小的懸伸。如此前段落中所述的，當(dāng)利用支承輥312分配條帶并將條帶按壓就位時，條帶被加熱，從而引起條帶粘附至第一材料600的表面并且結(jié)合于第一材料600的表面。之后，將條帶剪切成接近于第一材料600的邊緣的長度。在圖6B中，在第一片層602中的每一段條帶均平行于前一段條帶而施加?？蛇x地，可以利用不同的施加型式來施加條帶。圖7B示處了粘附至第一材料600的條帶的第一片層602。在圖7B中，剖面線型式表示在第一片層602中所有的連續(xù)纖維在相同的方向上排齊。

現(xiàn)參照圖6C，該方法的接下來的步驟是將條帶的第二片層604施加在先前已施加的條帶的第一片層602上。在圖6C中所示的特別示例中，鋪放頭部106還用于分配條帶的第二片層604，使得在物體的邊緣周圍具有最小的懸伸。當(dāng)利用支承輥312分配條帶并將條帶按壓就位時，條帶被加熱，從而引起條帶602粘附至先前施加的條帶的第一片層602的表面并且結(jié)合于該第一片層602的表面。之后，將條帶剪切成接近第一材料600的邊緣的長度。在圖6C中，在第二片層604中的每一段條帶均平行于前一段條帶施加，并且相對于在第一片層602中的成段的條帶成大約90°的角度。可選地，可以利用不同的施加型式施加條帶。在第一片層602中的連續(xù)纖維及在第二片層604中的連續(xù)纖維沿不同的方向定向，從而增加3D物體的機械強度。圖7C示出了條帶的第二片層604粘附至條帶的第一片層602，條帶的第一片層602又粘附至第一材料600。在圖7C中，表示第二片層604的剖面線型式與表示第一片層602的剖面線型式相反，表明在每一片層中的連續(xù)纖維朝向相同的方向，并且在第二片層604中的連續(xù)纖維與在第一片層602中的連續(xù)纖維相比沿不同的方向定向。

圖6D示出了在制造后處理之后的3D物體，該制造后處理例如為修剪邊緣以移除第一片層602和第二片層604的懸伸的連續(xù)纖維條帶。在圖7D中所示的結(jié)構(gòu)與在圖7C中所示的結(jié)構(gòu)是相同的。

圖6E和圖7E示出了從建造基座208移除之后的已完成的3D物體。在該簡化的示例中，僅使用連續(xù)纖維條帶的兩個片層。可選地，使用連續(xù)纖維條帶的多于兩個片層，或者如上所述以交替的型式施加層狀部，或者根據(jù)其他型式施加層狀部。另外可選地，利用具有不同寬度和/或不同厚度的條帶以形成3D物體?？蛇x地，利用不同的鋪放頭部以施加具有不同寬度和/或不同厚度的條帶。可選地，在同一片層內(nèi)使用具有不同寬度和/或不同厚度的條帶。在圖7A至圖7E中示出的不同的層的厚度并非是按比例的。可選地，層的厚度是不均勻的。例如，第一材料600的厚度可以變化以便形成具有更高強度的部段，以支承連續(xù)纖維條帶的片層、和/或以限定引導(dǎo)部的特征和/或附接特征部等。另外可選地，使用3D打印頭部以在連續(xù)纖維條帶的表面上形成附加的特征部。另外，可以使用多個3D打印頭部和/或多個鋪放頭部以施加不同的材料，以便將帶有不同強度、顏色等的材料結(jié)合到最終的3D產(chǎn)品中。

現(xiàn)參照圖8，示出了用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法的簡化流程圖。制造3D物體的方法在800處通過產(chǎn)生所需部分的3D計算機輔助設(shè)計(CAD)模型而開始。在802處，將產(chǎn)生的模型分割成利用3D打印頭部104建造的第一部分以及利用鋪放頭部106建造的第二部分。更特別地，利用諸如非加強的熱塑性樹脂之類的第一材料形成第一部分，并且利用連續(xù)纖維條帶或絲束形成第二部分。在804處，基于分割的模型產(chǎn)生建造序列。最終，在806處，根據(jù)建造序列，利用3D打印頭部及鋪放頭部制造3D物體。操作3D打印頭部104及鋪放頭部106以形成對應(yīng)于3D的CAD模型的分割的第一部分及第二部分的3D物體的部分。依據(jù)3D物體所需的形狀及機械特性，可能必要的是，在操作3D打印頭部104與操作鋪放頭部106之間多次轉(zhuǎn)換。在808處，進行制造后處理。例如，進行修剪等以移除連續(xù)纖維條帶或絲束的懸伸出3D物體邊緣的部分。

現(xiàn)參照圖9，示出了用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法的另一簡化流程圖。在900處，與裝置200或裝置500連通的控制器接收對應(yīng)于3D物體模型的數(shù)據(jù)組。數(shù)據(jù)組包括用于控制3D打印頭部104和鋪放頭部106以形成3D物體的機器可讀的指令。在902處，基于數(shù)據(jù)組，利用打印頭部104通過形成第一材料的多個連續(xù)的層以制造3D物體的第一部分。在904處，之后，控制器將操作轉(zhuǎn)換至鋪放頭部106，并且基于數(shù)據(jù)組，通過將呈條帶或絲束的形式的多層連續(xù)纖維加強的第二材料分配在3D物體的第一部分上，制造3D物體的第二部分。連續(xù)纖維加強的第二材料在其分配期間還被按壓就位。在906處，基于數(shù)據(jù)組，利用3D打印頭部和/或鋪放頭部形成3D物體的附加部分。在908處，進行制造后處理。例如，進行修剪等以移除連續(xù)纖維條帶或絲束的懸伸出3D物體邊緣的部分。

依據(jù)3D物體的預(yù)期用途、幾何結(jié)構(gòu)及尺寸，易于對參照圖8和圖9描述的方法進行修改。例如，相比于打算用在非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中的其他物體，打算用在結(jié)構(gòu)性應(yīng)用或半結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中的物體可能需要連續(xù)纖維條帶或絲束的更多片層。在最終組件中將形成暴露表面的3D物體可能需要3D打印的樹脂材料的附加的層，以便提供可接受的表面精整層。例如，非加強的熱塑性樹脂的表面精整層可以3D打印到帶有暴露的條帶的物體的部段上?？蛇x地，施加表面精整層是單獨的步驟，或是作為步驟806或步驟902的部分。還可以增加附加步驟以形成附連結(jié)構(gòu)或排齊結(jié)構(gòu)等。例如，在將連續(xù)纖維條帶施加在3D物體的已3D打印的框架上之后，可以進行附加的3D打印以將附連結(jié)構(gòu)或排齊結(jié)構(gòu)添加到連續(xù)纖維條帶的表面上。

在另一個實施方式中，利用3D打印頭部104及鋪放頭部106以形成與另一元件——例如已形成的片狀金屬坯件或已形成的塑料結(jié)構(gòu)——結(jié)合的3D物體。現(xiàn)將參照圖10A至圖10G及圖11A至圖11G對用以說明該另外的實施方式的特別的及非限制性的示例進行描述，圖10A至圖10G及圖11A至圖11G中示出了在根據(jù)本發(fā)明的該另外的實施方式的方法中的處于制造的不同階段的3D物體。圖10A至圖10G示出了處于制造的每一不同階段的3D物體的附視圖，并且圖11A至圖11G示出了處于制造的每一不同階段的3D物體的層狀結(jié)構(gòu)的在點劃線框內(nèi)的放大細(xì)節(jié)圖。

在圖10A中示出的是布置在裝置200的建造基座208上的已形成的片狀金屬坯件1000。在該示例中，以3D板狀部件的形式設(shè)置片狀金屬坯件1000。圖11A示出了在添加其他材料或特征部之前，片狀金屬坯件1000的位于點劃線框內(nèi)的部分的側(cè)視圖。

如圖10B中所示，將打底劑材料1002施加在片狀金屬坯件1000的表面上?？蛇x地，利用附連于臺架式機器人的打印頭部、或者在將坯件1000固定在建造基座208上之前利用另一過程來施加打底劑材料1002。如在圖11B中所示，打底劑材料1002粘附至片狀金屬坯件1000，并且打底劑材料1002與在隨后的步驟中待沉積在片狀金屬坯件1000上的其他材料相兼容。

現(xiàn)參照圖10C，利用3D打印頭部104以將第一材料1004的連續(xù)的層沉積在片狀金屬坯件1000的已施加打底劑的表面1002上。作為特別的及非限制性的示例，第一材料1004是非加強的熱塑性材料。第一材料1004的連續(xù)的層熔融在一起以形成3D物體的大致均勻的第一部分。圖11C示出了沉積在片狀金屬坯件1000的已施加打底劑的表面1002上的第一材料1004。第一材料1004的厚度是大約0.5mm至3mm?？蛇x地，第一材料沉積為形成引導(dǎo)部、凸起、附連點等。例如，用于控制3D打印頭部104的數(shù)據(jù)組可以包括用于形成引導(dǎo)部等的指令，該指令用于在隨后的組裝過程中將最終部分與其他部分排齊。

現(xiàn)參照圖10D，該方法的接下來的步驟是將連續(xù)纖維條帶的第一片層1006施加在已施加打底劑的表面1002及第一材料1004的表面上。在圖10D所示的特別示例中，鋪放頭部106用于分配條帶的第一片層1006，使得在該物體的邊緣周圍的懸伸最小。如此前段落中所述的，當(dāng)利用支承輥312分配條帶并將條帶按壓就位時，條帶被加熱，以引起條帶粘附至已施加打底劑的表面1002及第一材料1004的表面，并且結(jié)合于已施加打底劑的表面1002及第一材料1004的表面。之后，按一定長度剪切條帶。在圖10D中，在第一片層1006中的每一段條帶均平行于前一段條帶。可選地，可以利用不同的施加型式施加條帶。圖11D示出了條帶的第一片層1006粘附至第一材料1004，第一材料1004又粘附至打底劑1002。在點劃線框的外面，條帶的第一片層1006直接地粘附至已施加打底劑的表面1002。在圖11D中，剖面線型式表示在第一片層1006中所有的連續(xù)纖維在相同的方向上排齊。

現(xiàn)參照圖10E，該方法的接下來的步驟是將連續(xù)纖維條帶的第二片層1008施加在先前已施加的連續(xù)纖維條帶的第一片層1006上。在圖10E所示的特別示例中，鋪放頭部106還用于分配條帶的第二片層1008，使得在物體的邊緣周圍的懸伸最小。當(dāng)利用支承輥312分配條帶并將條帶按壓就位時，條帶被加熱，以引起條帶粘附至先前已施加的連續(xù)纖維條帶的第一片層1006的表面，并且結(jié)合于先前已施加的連續(xù)纖維條帶的第一片層1006的表面。之后，按一定長度剪切條帶。在圖10E中，在第二片層1008中的每一段條帶均平行于前一段條帶，并且相對于在第一片層1006中的成段的條帶呈大約90°的角度?？蛇x地，可以利用不同的施加型式施加條帶。在第一片層1006中的連續(xù)纖維以及在第二片層1008中的連續(xù)纖維沿不同的方向定向，進而增加3D物體的機械強度。圖11E示出了條帶的第二片層1008粘附至條帶的第一片層1006，條帶的第一片層1006又粘附至第一材料1004，第一材料1004又粘附至打底劑1002。在圖11E中，表示第二片層1008的剖面線型式與表示第一片層1006的剖面線型式是相反的，表明在每一片層中的連續(xù)纖維沿相同的方向定向，并且在第二片層1008中的連續(xù)纖維與在第一片層1006中的連續(xù)纖維相比沿不同的方向定向。

圖10F示出了在制造后處理之后的3D物體，制造后處理例如為修剪邊緣以移除連續(xù)纖維條帶的第一片層1006和第二片層1008的懸伸。在圖11F中所示的結(jié)構(gòu)與在圖11E中所示的結(jié)構(gòu)是相同的。

圖10G和圖11G示出了從建造基座208移除后的已完成的3D物體。在該簡化的示例中，僅使用連續(xù)纖維條帶的兩個片層。可選地，使用連續(xù)纖維條帶的多于兩個片層，或者如上所述以交替的型式施加片層，或者根據(jù)其他型式施加片層。另外可選地，利用具有不同寬度和/或不同厚度的條帶以形成3D物體?？蛇x地，利用不同的鋪放頭部以施加具有不同寬度和/或不同厚度的條帶。可選地，在同一片層內(nèi)使用具有不同寬度和/或不同厚度的條帶。在圖11A至圖11G中示出的不同層的厚度并非是按比例的?？蛇x地，層的厚度是不均勻的。例如，第一材料1004的厚度可以變化以便形成更高強度的部段以支承連續(xù)纖維條帶的片層，和/或以限定引導(dǎo)部和/或附連特征部等。另外可選地，利用3D打印頭部以在連續(xù)纖維條帶的表面上形成附加的特征部。另外，可以使用多個3D打印頭部和/或多個鋪放頭部以施加不同的材料，以便將具有不同強度、顏色等的材料結(jié)合到最終的3D產(chǎn)品中。仍另外可選地，打底劑材料1002不施加至片狀金屬坯件1000的整個表面。例如，打底劑材料噴射到片狀金屬坯件的僅預(yù)定的部分上、或者涂覆或滾壓到片狀金屬坯件的僅預(yù)定的部分上，連續(xù)纖維條帶的第一材料1004將要施加到該片狀金屬坯件的預(yù)定的部分上。

參照圖12，示出用于根據(jù)本發(fā)明實施方式的另一方法的簡化流程圖。在1200處，在建造區(qū)域內(nèi)設(shè)置基底例如已形成的片狀金屬坯件、或由其他材料形成的基底。在1202處，將打底劑施加至基底的一個表面的至少部分。在1204處，與裝置200或裝置500連通的控制器接收與待在基底的已施加打底劑的表面上形成的3D物體模型相對應(yīng)的數(shù)據(jù)組。數(shù)據(jù)組包括用于控制3D打印頭部104和鋪放頭部106以形成3D物體的機器可讀的指令。在1206處，基于數(shù)據(jù)組，利用打印頭部104通過在基底的已施加打底劑的表面上形成第一材料的多個連續(xù)的層以制造3D物體的第一部分。在1208處，之后，控制器將操作轉(zhuǎn)換至鋪放頭部106，并且基于數(shù)據(jù)組，通過將呈條帶或絲束形式的連續(xù)纖維加強的第二材料的多個層分配在3D物體的第一部分上，制造3D物體的第二部分。連續(xù)纖維加強的第二材料在其分配期間還被按壓就位?？蛇x地，重復(fù)步驟1204和/或步驟1206，以基于數(shù)據(jù)組利用3D打印頭部和/或鋪放頭部形成3D物體的附加部分。在1208處，進行制造后處理。例如，進行修剪等以移除連續(xù)纖維條帶或絲束的懸伸出3D物體邊緣的部分。

依據(jù)3D物體的預(yù)期用途、幾何結(jié)構(gòu)及尺寸，易于對參照圖12描述的方法進行修改。例如，相比于打算用在非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中的其他物體，打算用在結(jié)構(gòu)性應(yīng)用或半結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中的物體可能需要連續(xù)纖維條帶或絲束的更多片層。在最終組件中將會形成暴露表面的3D物體可能需要3D打印樹脂材料的附加層以便提供可接受的表面精整層。例如，非加強的熱塑性樹脂的表面精整層可以3D打印于帶有暴露的條帶的物體的部段上?？蛇x地，施加表面精整層是單獨的步驟，或者作為步驟1204的一部分進行。還可以增加附加的步驟以形成附連結(jié)構(gòu)或排齊結(jié)構(gòu)等。例如，在將連續(xù)纖維條帶施加在3D物體的已3D打印的框架上之后，可以進行附加的3D打印以將附連結(jié)構(gòu)或排齊結(jié)構(gòu)增加到連續(xù)纖維條帶的表面上。

現(xiàn)參照圖13和圖14，分別示出了在根據(jù)本發(fā)明實施方式制造的其他3D物體內(nèi)的、鄰近邊緣部分的分層結(jié)構(gòu)以及鄰近在水平位置和傾斜位置之間的過渡部的分層結(jié)構(gòu)。如在圖13和圖14中更清晰地所示，通過在局部區(qū)域內(nèi)層疊式地打印(圖13)、或者通過以一定角度打印3D物體的一部分——該角度相對于3D物體的另一部分是傾斜的(圖14)，可以利用3D打印頭部以形成物體的不平坦的部分。

現(xiàn)特別地參照圖13，可以利用3D打印頭部以形成樹脂層1300，該樹脂層1300具有特征部1302例如沿著3D物體的周邊的邊緣。在該示例中，特征部1302防止條帶層1304和1306受損壞，該損壞可能使條帶層內(nèi)的纖維暴露，并引起條帶的進一步磨損或傷害觸碰暴露的纖維的任何人。

現(xiàn)特別地參照圖14，可以利用打印頭部和鋪放頭部以形成3D物體的相對于建造基座208大致水平的第一區(qū)域、以及相對于第一區(qū)域及建造基座208均傾斜的第二區(qū)域?？蛇x地，利用打印頭部設(shè)置或沉積支承件1400?？梢栽谥圃於鄠€3D物體期間使用支承件1400，或者，可以在每次制造3D物體時形成新的支承件1400并且將其隨著3D物體從建造基座208移除。支承件1400提供了在其上待形成傾斜的第二區(qū)域的支承表面。在建造基座208及支承件1400上形成由未填充樹脂制成的層1402。例如，通過帶有五個或更多個運動軸的機械臂或臺架式機器人承載打印頭部。利用該機器人系統(tǒng)，打印頭部可以在X方向上及在Y方向上移動以形成如參照圖2至圖4所描述的層，并且隨后在形成下一層之前在Z方向上行進。另外，利用該機器人系統(tǒng)，打印頭部還可以在X-Z平面及Y-Z平面上移動，從而支持不包含在X-Y平面內(nèi)層或特征部的形成。同樣地，在分配條帶或絲束以形成層1404和1406等時，鋪放頭部也可以在X-Z平面及Y-Z平面上移動。

根據(jù)本發(fā)明實施方式的裝置適用于快速原型設(shè)計(RP)應(yīng)用以及低容量和/或定制的制造需求。特別的是，裝置適用于生產(chǎn)對于汽車應(yīng)用典型的“板”型部件。相比于現(xiàn)有RP過程，3D打印部分和纖維加強部分的結(jié)合導(dǎo)致具有明顯更好的結(jié)構(gòu)性能的部件的制造。另外，在不使用專用工具或芯軸的情況下，可以制造復(fù)雜的部件。

在本文中描述的實施方式是簡化的，以更好地傳達對本發(fā)明的清晰的理解?？蛇x地，可以設(shè)置超過一個單一的3D打印頭部104和/或超過一個單一的鋪放頭部106。例如，可以設(shè)置多個3D打印頭部和/或多個鋪放頭部，以增加制造的速度，以便支持包含不同材料(例如不同顏色、不同纖維/礦物填充樹脂、不同條帶的厚度或?qū)挾鹊?。

盡管上述描述構(gòu)成本發(fā)明的多個實施方式，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不背離權(quán)利要求的合理意義的情況下，本發(fā)明易于進行進一步的修改和改變。