本發(fā)明是2015年3月30日提交的序列號(hào)為14/672,296的美國(guó)專利申請(qǐng)的非臨時(shí)申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專利申請(qǐng)要求于2014年3月30日提交的題為“SYSTEM,METHOD AND APPARATUS FOR 3D PRINTER EXTRUSION”的序列號(hào)為61/972,355(現(xiàn)在已失效)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，上述兩個(gè)專利申請(qǐng)的主題通過(guò)引用方式被納入本文。

背景技術(shù)：

三維打印的爆炸式增長(zhǎng)為每個(gè)人創(chuàng)建了新的制造樣式。隨著擠出裝置和其他裝置的價(jià)格下跌，越來(lái)越多的人無(wú)止境地參與到三維打印中，開(kāi)啟了新的制造時(shí)代。最終，這些裝置將進(jìn)入每個(gè)家庭中，并且三維物體的創(chuàng)建或重新創(chuàng)建將變得像靜電復(fù)印(Xerox copying)一樣常見(jiàn)。

三維打印的各種常規(guī)技術(shù)使用單頭，例如，將材料作為點(diǎn)源沉積到平面表面上的擠出頭或者逐點(diǎn)移動(dòng)激光以固化或硬化材料的激光頭。通常，當(dāng)前的3D打印機(jī)器花費(fèi)許多個(gè)小時(shí)或者可能數(shù)天來(lái)沉積或處理使設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)例化所需的材料,所述設(shè)計(jì)諸如根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)或者其他程序或代碼的設(shè)計(jì)。

隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要甚至更多的方式來(lái)改善這些革命性裝置的生產(chǎn)能力(throughput)和效率。實(shí)際上，該技術(shù)仍然需要許多新的方法和樣式來(lái)實(shí)現(xiàn)從革命性到家用常見(jiàn)的飛躍，并且本發(fā)明就是這樣的樣式。

因此，需要改善用于三維打印技術(shù)的過(guò)程的裝置、系統(tǒng)和方法，例如，用以增加加性創(chuàng)建的速度和激光燒結(jié)的速度，并且用以更好地滿足人們渴望參與這項(xiàng)新技術(shù)的增長(zhǎng)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在在例如以熔絲制造、激光燒結(jié)或其他方法進(jìn)行的三維打印中便于增加擠出速度、沉積速度和/或燒結(jié)速度的技術(shù)、系統(tǒng)、裝置和方法。通過(guò)使用打印頭上的多個(gè)噴嘴，沉積更多的材料。通過(guò)包括足夠用于物體設(shè)計(jì)的頁(yè)面或平面元素的一側(cè)的噴嘴，在打印頭的一次通行中完成用于整個(gè)平面或?qū)拥牟牧铣练e。同樣地，通過(guò)采用多個(gè)激光、能量源和/或分束器，可以例如通過(guò)激光燒結(jié)處理更多的材料。

附圖說(shuō)明

雖然本說(shuō)明書(shū)總結(jié)有具體指出并清楚地要求保護(hù)被視為形成本發(fā)明的主題的權(quán)利要求書(shū)，但是相信根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，將更好地理解本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示相同的結(jié)構(gòu)和其他要素，在附圖中：

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的三維打印機(jī)擠出裝置、系統(tǒng)和方法配置的示意圖，示出了噴嘴的行或陣列；

圖1B是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的三維打印機(jī)擠出裝置、系統(tǒng)和方法配置的示意圖，示出了具有兩個(gè)行或陣列(諸如圖1A所示的行)的噴嘴；

圖1C是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方案的三維打印機(jī)擠出裝置、系統(tǒng)和方法配置的示意圖，示出了噴嘴具有兩個(gè)行或陣列(諸如圖1B所示的)但其中行相對(duì)于彼此交錯(cuò)或偏移；

圖2是諸如圖1A、圖1B和圖1C中所示的三維打印機(jī)擠出裝置的示例性操作配置；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的基于擠出的三維打印機(jī)裝置和系統(tǒng)的示意圖，其中采用了諸如如圖1A-1C所示的并如圖2所部署的擠出頭裝置；以及

圖4是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的基于能量的三維打印機(jī)裝置和系統(tǒng)的示意圖，其中采用了部件(諸如激光或能量源、光學(xué)器件和其他裝置)來(lái)部署多個(gè)能量束。

具體實(shí)施方式

以下詳細(xì)描述被提供用以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制作和使用本發(fā)明。出于解釋的目的，列出了具體的命名以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了這些具體細(xì)節(jié)不是實(shí)施本發(fā)明所必需的。具體應(yīng)用的描述僅被提供作為代表性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的各種修改，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本文定義的一般原理可以應(yīng)用于其他實(shí)施方案和應(yīng)用。本發(fā)明并不旨在受限于所示的實(shí)施方案，而是要符合與本文公開(kāi)的原理和特征一致的最寬的可能范圍。

如所論述的，用于三維打印的各種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年。例如，立體光刻法自大約1984年以來(lái)已經(jīng)是公知的，并且其涉及通過(guò)加性固化的光聚合物使層堆積，該光聚合物通常通過(guò)紫外光固化。采用激光和其他能量源使物體在原位——即,在未固化或液態(tài)材料的容器或桶內(nèi)——進(jìn)行固化或硬化，該容器或桶用作用于構(gòu)成物體的固化材料的支撐件，使得能夠形成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。

另一種技術(shù)涉及通常在金屬加工中使用的燒結(jié)或熔化。在這些技術(shù)之前，金屬加工涉及諸如在車床上進(jìn)行的鑄造、制作、沖壓和機(jī)械加工，或者其他減性工藝。通過(guò)這些三維打印技術(shù)，快速成型或按需制造已經(jīng)變得更容易，其中復(fù)雜的零件制造目前已經(jīng)成為可能，從而推動(dòng)就業(yè)市場(chǎng)上對(duì)金屬工人的需求的轉(zhuǎn)變。事實(shí)上，桌面制造、快速制造和后繼行業(yè)的崛起正變得日益突出。

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明中闡述的技術(shù)的主要用途意在使用涉及沉積分層的加性制造技術(shù)，包括利用光能量硬化的各種化學(xué)沉積、熔化材料沉積、利用熱和膠進(jìn)行的粉末沉積等等。盡管如此，本發(fā)明的多個(gè)生產(chǎn)能力方面可適用于各種三維打印技術(shù)中的每一種，并且每一個(gè)方面將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

如上所述，這些三維打印技術(shù)中的每一種都代表從大多數(shù)當(dāng)前制造技術(shù)的減性去除工藝的樣式轉(zhuǎn)變，所述減性去除工藝?yán)缙渲胁牧媳灰瞥孕纬苫蛑谱魑锲返臋C(jī)械加工。統(tǒng)稱為加性制造的新技術(shù)正在轉(zhuǎn)變整個(gè)制造工藝，而不限制人類想象。

然而，與任何技術(shù)革命一樣，存在阻礙這些加性技術(shù)成長(zhǎng)的某些瓶頸，諸如在3D打印的熔融沉積成型(modeling)(FDM)或方法——也被稱為熔絲制造(FFF)——中，打印速度受限于可以從噴嘴擠出構(gòu)造或構(gòu)建材料的速度。如所論述的，當(dāng)前的加性制造技術(shù)在打印頭中采用單個(gè)噴嘴，打印頭逐點(diǎn)地并且逐行地移動(dòng)經(jīng)過(guò)CAD模型的頁(yè)面或平面，然后到下一頁(yè)面或平面上，其中打印頭逐點(diǎn)移動(dòng)，從而沉積熔融材料珠，并且逐行進(jìn)行移動(dòng)等。自然地，這種逐點(diǎn)且逐行的工藝非常緩慢，即使利用堅(jiān)固的機(jī)器將打印頭和其他部件快速移動(dòng)到構(gòu)建平臺(tái)、表面或其他框架上的每個(gè)X、Y坐標(biāo)也如此。因此，需要一些提高打印速度的方法，以更好地促進(jìn)對(duì)三維打印的采用。

現(xiàn)在參照附圖的圖1A、圖1B和圖1C，其中示出了大體上分別由附圖標(biāo)記100、101和102標(biāo)示的打印頭的總體示意圖，所述打印頭可以被用于在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中特別是以涉及沉積分層的加性制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理。

如圖1A的實(shí)施方案所示，打印頭100具有多個(gè)大體上由附圖標(biāo)記110標(biāo)示的噴嘴，每個(gè)噴嘴用于部署、沉積或擠出材料，如本領(lǐng)域所理解的一樣。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，部署了這樣的噴嘴的陣列，大體上由附圖標(biāo)記120標(biāo)示。因而，通過(guò)用如下打印頭100替換現(xiàn)有技術(shù)裝置的單個(gè)噴嘴，打印速度可以大大增加：該打印頭100使噴嘴的線性陣列120例如沿著構(gòu)建平臺(tái)或表面的X、Y坐標(biāo)系的Y軸對(duì)準(zhǔn)，如結(jié)合圖3更詳細(xì)地論述的。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，陣列120不需要是線性的而可以彼此交錯(cuò)或偏移，如結(jié)合圖1C進(jìn)一步說(shuō)明和論述的。

如所論述的，打印頭100應(yīng)當(dāng)具有用以在一次通行中覆蓋要在其上構(gòu)造物體的平臺(tái)的區(qū)域的足夠長(zhǎng)度，例如橫跨Y維度，如結(jié)合圖3進(jìn)一步描述的。如本領(lǐng)域中所理解的，該實(shí)施方案中的打印頭100將以從左向右和從右向左進(jìn)行交替的方式在平臺(tái)上移動(dòng)，以沉積材料。因而，代替逐點(diǎn)移動(dòng)經(jīng)過(guò)特定層的平面，并且與現(xiàn)有技術(shù)的裝置和技術(shù)一樣，本發(fā)明逐行移動(dòng)，從而覆蓋顯著更多的區(qū)域并減少機(jī)構(gòu)所需的整體運(yùn)動(dòng)，從而減少由于修理所引起的潛在停機(jī)時(shí)間。

應(yīng)當(dāng)理解的是，來(lái)自每個(gè)相應(yīng)噴嘴的沉積將由計(jì)算機(jī)單獨(dú)控制，如圖3所示出和所描述的，盡管噴嘴110優(yōu)選地將從公共儲(chǔ)存器獲取材料，例如通過(guò)單絲供給熔融材料，同樣如結(jié)合圖3所示出和所描述的。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，在其他實(shí)施方案中，噴嘴110可以在每次通行中沉積多種材料，其中相應(yīng)的噴嘴110專用于一種材料或被配置為接受和部署兩種或更多種供給。這樣的布置還將能夠在打印頭100在設(shè)備的操作域或構(gòu)建平臺(tái)上的單次通行中鋪設(shè)整層或整個(gè)平面的材料，而不必更換打印頭100并且不必為了沉積另外的或替代的材料而在表面上方另行進(jìn)一次。

現(xiàn)在參照附圖的圖1B，示出了同樣具有多個(gè)上述噴嘴110(諸如結(jié)合圖1A所描述和示出的)的打印頭101。然而，本實(shí)施方案中的噴嘴110被布置或配置成大體上分別由附圖標(biāo)記120A和120B標(biāo)示的兩行。因而，通過(guò)用如下打印頭101來(lái)替換現(xiàn)有技術(shù)裝置的單個(gè)噴嘴可以進(jìn)一步提高打印速度：該打印頭101具有例如沿著前述Y軸平行地對(duì)準(zhǔn)的兩行噴嘴120A和120B的線性陣列，并且該打印頭具有用以覆蓋要在其上構(gòu)造物體的平臺(tái)的區(qū)域(即沿著對(duì)應(yīng)的X軸)的足夠長(zhǎng)度。在操作中，打印頭101將沿著兩行沉積材料，例如下文更詳細(xì)描述的聚合物，然后移動(dòng)相等的兩個(gè)間隔或兩個(gè)顆粒大小的間隔(如下文更詳細(xì)地描述的)，再次沉積兩行，依此類推。為了避免行彼此干擾，本實(shí)施方案中的打印頭101可以在Z方向上略微提升，然后移動(dòng)到下一個(gè)X、Y坐標(biāo)或僅X坐標(biāo)以沉積下一行，針對(duì)該操作進(jìn)行降低，然后重復(fù)。

參照附圖的圖1C，示出了另一打印頭102，該打印頭102具有如圖1B所示的兩行噴嘴110配置，但行或陣列120A和120B彼此交錯(cuò)或偏移而非如上所討論的平行。應(yīng)當(dāng)理解的是，彼此偏移的各個(gè)噴嘴110可以產(chǎn)生超過(guò)結(jié)合圖1B所示出和所描述的技術(shù)的操作優(yōu)點(diǎn)：其允許打印頭102沉積用于兩行的相應(yīng)材料。由于相應(yīng)噴嘴110的偏移或交錯(cuò)，打印頭102可以不必升高或以其他方式避免干擾，而是僅升高所需的最小值，諸如用以避免先前行的另外沉積，其中所述先前行的另外沉積對(duì)于圖1B所示的實(shí)施方案可能是個(gè)問(wèn)題。此外，本實(shí)施方案中沉積的交錯(cuò)和互鎖性質(zhì)可以引起增加的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如，沒(méi)有使最后形成的物體分裂的清晰平面。以這種方式，處理速度可以增加為超過(guò)圖1B所示的裝置的處理速度，并且可以加強(qiáng)正在創(chuàng)建的底層物體。

現(xiàn)在參照附圖的圖2，示出了具有多個(gè)噴嘴210的操作打印頭200，其中多個(gè)噴嘴諸如按結(jié)合圖1A、1B和/或1C所示的實(shí)施方案中所示出和所描述的進(jìn)行排列，然而其他配置也是可能的。隨著每個(gè)平面或?qū)永缪刂笆鯵維度(垂直于圖紙)通行穿過(guò)X、Y坐標(biāo)場(chǎng)或平面，相應(yīng)噴嘴210逐行地將材料沉積到大體上由附圖標(biāo)記230標(biāo)示的物體形式上，從而經(jīng)由一些噴嘴210在該次通行中沉積材料來(lái)使物體逐漸增大和構(gòu)建，沉積操作大體上由附圖標(biāo)記240標(biāo)示。

打印頭200機(jī)構(gòu)被固定到在下文中結(jié)合圖3和圖4更詳細(xì)地描述的框架，并且由計(jì)算機(jī)控制，與計(jì)算機(jī)的連接大體上由附圖標(biāo)記250標(biāo)示，并且同樣在下面結(jié)合圖3和圖4進(jìn)行進(jìn)一步描述。以這種方式，打印頭200根據(jù)計(jì)算機(jī)或處理器的控制來(lái)回(或者從左到右或從右到左)移動(dòng)，以按照物體形式、程序或方法覆蓋先前沉積的層，所述物體形式、程序或方法即物體設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，包括用于材料沉積的逐層命令，其當(dāng)然會(huì)根據(jù)所采用的沉積或加性技術(shù)、所采用的具體材料和所使用的具體的加性制造機(jī)器或裝置而變化，如下文更詳細(xì)地描述的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，由本發(fā)明中闡述的方案引起的打印速度的增加與打印頭200中的噴嘴110/210的數(shù)量成正比。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，本說(shuō)明書(shū)中的打印頭100/101/102/200的圖示僅表示可以在本發(fā)明的配置中使用的噴嘴110/210的實(shí)際數(shù)量，如下文更詳細(xì)地論述的。隨著小型化的增加，噴嘴110/210的實(shí)際數(shù)量可能相當(dāng)大，并且隨著在物體230的生產(chǎn)或再現(xiàn)中所需的期望粒度或精細(xì)度而大幅變化。

現(xiàn)在參照附圖的圖3，示出了可以用于使用根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的各種三維打印技術(shù)的示例性制造系統(tǒng)，該制造系統(tǒng)大體上由附圖標(biāo)記300標(biāo)示。大體上由附圖標(biāo)記330標(biāo)示的制造機(jī)器被示為與大體上由附圖標(biāo)記340標(biāo)示的計(jì)算機(jī)通信。如所示出的，計(jì)算機(jī)340可以與機(jī)器330直接進(jìn)行交互，例如通過(guò)大體上由附圖標(biāo)記341標(biāo)示的有線連接；計(jì)算機(jī)340可以與機(jī)器330無(wú)線地交互，大體上由附圖標(biāo)記342標(biāo)示；或者通過(guò)大體上由附圖標(biāo)記350標(biāo)示的因特網(wǎng)連接或云進(jìn)行交互，用于交互的具體裝置是本領(lǐng)域已知的。換言之，用戶可以直接地或遠(yuǎn)程地從計(jì)算機(jī)340運(yùn)行機(jī)器330。

應(yīng)當(dāng)理解的是，計(jì)算機(jī)用戶具有表示要通過(guò)本發(fā)明中描述的任何技術(shù)逐層構(gòu)造的期望部件或物體的形狀的程序。常規(guī)CAD程序要求用于模型的命令或代碼在打印之前處于特定格式，例如.STL或.OBJ。在初始化代碼的過(guò)程中，存在其中對(duì)代碼進(jìn)行分析以確定表面是否正確連接并因而可以進(jìn)行打印的“決定(fixup)”階段；否則，決定是已完成的。換言之，確定結(jié)構(gòu)或物體的形貌，計(jì)算該形狀所需的相應(yīng)的線、平面和曲線，并確定用于數(shù)字化的方法。

在這一點(diǎn)上，代碼由切片器處理，如其名稱所暗示的，切片器將數(shù)字模型切片成一系列薄層，并且產(chǎn)生對(duì)于特定類型的三維打印機(jī)(諸如FDM打印機(jī))定制的所謂G代碼。各種代碼、命令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大體上由附圖標(biāo)記344標(biāo)示的存儲(chǔ)器中。軟件通常包括查看器程序，使得可以觀察整個(gè)三維打印過(guò)程，由此可以評(píng)估所采用的具體方法，例如FDM可能由于形貌(例如懸伸結(jié)構(gòu))而不是用于再現(xiàn)物體的最佳方式，其中另一種方法或技術(shù)(諸如立體光刻)可能更合適。可替代地，沉積材料的角度或方位(aspect)可以促進(jìn)整個(gè)過(guò)程，即，以傾斜角或銳角對(duì)物體進(jìn)行數(shù)字化或切片可以使具體沉積方法易于處理、更可行、更快、更便宜、更強(qiáng)或其他量度。通過(guò)上述查看器上的分析，諸如在計(jì)算機(jī)340的顯示器346上顯示的，用于生產(chǎn)零件或物體的制造途徑可以預(yù)先被確定和磨練，并且可以根據(jù)具體的打印技術(shù)、所使用的材料、方位角度和其他考慮因素來(lái)確定具體的或最佳的途徑或步驟。

在圖3所示的實(shí)施方案中，制造機(jī)器330是加性制造裝置，其例如采用沉積分層技術(shù)。如所示出的，機(jī)器330具有大體上由附圖標(biāo)記332標(biāo)示的構(gòu)建平臺(tái)或表面，在該構(gòu)建平臺(tái)或表面上擱置有大體上由附圖標(biāo)記334標(biāo)示的正在制造的物體或零件。如圖3所示，本發(fā)明采用如上文中結(jié)合圖1A-1C和圖2所描述的多頭噴嘴，例如大體上由附圖標(biāo)記320標(biāo)示的擠出頭具有多個(gè)上述噴嘴，這些噴嘴大體上由附圖標(biāo)記310標(biāo)示沿著擠出頭的下表面布置、并且面向所述構(gòu)建平臺(tái)332以及該構(gòu)建平臺(tái)上的物體334。如所描述的，擠出頭320具有涵蓋物體334的一個(gè)維度的寬度或尺寸(諸如沿著X軸)，即，擠出頭320沿著對(duì)應(yīng)的軸(例如沿著Y軸)進(jìn)行單次通行，其中噴嘴310在每次通行中根據(jù)計(jì)算機(jī)340所編程的和所運(yùn)行的進(jìn)行沉積(或不沉積)，該計(jì)算機(jī)例如使用大體上由附圖標(biāo)記348標(biāo)示的通用處理器或?qū)Ｓ糜谄涞奶幚砥鳌Ｒ虼?，擠出頭320的由計(jì)算機(jī)340控制的移動(dòng)可以通過(guò)各種活塞和其他部件來(lái)致動(dòng)，以使擠出頭320和相應(yīng)的噴嘴310適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉谖矬w334上方。

雖然圖3所示的擠出頭320被升高在平臺(tái)332的操作域(即在其上擱置物體334的上表面)之上，但是頭320在物體334的形成中被降低成正好位于所沉積的最后一層之上。還應(yīng)當(dāng)理解的是代替處理器

在一具體的通行中，可以沉積所謂的構(gòu)建材料。在本實(shí)施方案中，構(gòu)建材料可以由多種不同的聚合物或熱塑性塑料組成，包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、高密度聚乙烯(HDPE)、PC/ABS、聚苯砜(PPSU)和高抗沖聚苯乙烯(HIPS)。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解在實(shí)施本發(fā)明的原理時(shí)還可以采用替代的聚合物或熱塑性塑料。

如本實(shí)施方案所示的，聚合物可以是大體上由附圖標(biāo)記336標(biāo)示的絲的形式，其可以從大體上由附圖標(biāo)記337標(biāo)示的料斗供給。絲336通過(guò)擠出頭320進(jìn)行供給，并且通過(guò)例如準(zhǔn)備用于沉積的相應(yīng)噴嘴310而被熔化或液化以進(jìn)行沉積，之后所沉積的材料冷卻并結(jié)合至基底并且硬化，從而留下新層，該新層轉(zhuǎn)而成為用于在其上沉積下一層的基底。由于一些技術(shù)采用支撐材料用于可能是工藝精巧或不平衡(例如，懸伸或其他精巧結(jié)構(gòu))的一些制造，所以示出了大體上由附圖標(biāo)記338標(biāo)示的支撐材料線，該支撐材料線諸如從大體上由附圖標(biāo)記339標(biāo)示的另一個(gè)料斗提供用于支撐的材料。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以存在另外的料斗，其裝有相同的構(gòu)建材料但具有不同的稠度(諸如用于更細(xì)或更粗糙的構(gòu)造)、其他構(gòu)建材料或者其他穩(wěn)定或支撐材料。

如所論述的，還應(yīng)當(dāng)理解的是，多種三維打印技術(shù)可以采用本發(fā)明的原理，例如粘合劑噴射技術(shù)；定向能量部署技術(shù)，諸如電子束直接制造、離子熔融形成和激光粉末成形；光線光聚合技術(shù)，諸如數(shù)字光處理和立體光刻；材料擠出技術(shù)，諸如上文所描述的熔融沉積成型；材料噴射技術(shù)；粉末床熔融技術(shù)，諸如直接金屬激光燒結(jié)、電子束熔化、選擇性熱燒結(jié)、選擇性激光熔化和選擇性激光燒結(jié)；和片層疊技術(shù)，諸如層疊物體制造和超聲波加性制造。因而，對(duì)于本文中描述的各種三維打印方法中的每一種，本發(fā)明的原理使得能夠利用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)增加生產(chǎn)能力。

還應(yīng)當(dāng)理解的是，噴嘴110/210/310的粒度或尺寸取決于多種因素和所采用的技術(shù)。出于示例性目的，諸如在前述熔融沉積成型中，三維或3D點(diǎn)的直徑為大約或約50至100μm。對(duì)于其他技術(shù)，應(yīng)當(dāng)理解的是，噴嘴尺寸可以為約15-25μm、20-40μm或其他量度，當(dāng)然隨著該技術(shù)成熟，所述噴嘴尺寸將適時(shí)地減少至約5-10μm。因而，噴嘴的當(dāng)前期望范圍為約5-10μm、約15-25μm、約20-40μm、約40-60μm、約50-100μm及其組合，例如，在頭120/220/320處理多種材料的情況下。

對(duì)于熔融沉積成型，諸如本文所示出和描述的那些，如果使用例如約100μm，則這可以提供對(duì)于相應(yīng)的頭120/220/320的噴嘴110/210/310的數(shù)量的估計(jì)。取10cm作為構(gòu)建平臺(tái)332的有效或操作區(qū)域的寬度(即所論述的平面或?qū)泳S度)的保守估計(jì)，保守估計(jì)打印頭120/220/320中的噴嘴110/210/310的數(shù)量是至少一千(該數(shù)量比圖1和圖2中所示的噴嘴110/210/310的代表性數(shù)量大得多)，致使使用本發(fā)明的原理的打印速度的潛在成千倍的增加。

應(yīng)當(dāng)理解的是，實(shí)踐本發(fā)明的原理的技術(shù)人員可以采用具有多種可替代配置的噴嘴110/210/310，例如三行或更多行、交錯(cuò)的行、彎曲的噴嘴頭等。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所闡述的逐行沉積技術(shù)也可以以另外的替代配置使用，例如在打印頭120/220/320于每次通行中覆蓋所討論的平面或?qū)踊騒方向的一部分的情況下，使打印頭120/220/320的位置進(jìn)行調(diào)整或偏移以在給定平面或?qū)由?例如，在構(gòu)建平臺(tái)的Y維度上)進(jìn)行多次行進(jìn)或通行。例如，在使用具有操作區(qū)域的平面維度(例如Y軸)的一半尺寸的打印頭120/220/320在平臺(tái)332的頂部延伸時(shí)，將需要在Y維度(其在所示的實(shí)施例中沿著平臺(tái)332的上述表面延伸到圖紙中)上的兩次行進(jìn)以覆蓋該平面。如果打印頭120/220/320具有操作區(qū)域的平面維度的尺寸的三分之一，那么需要三次行進(jìn)，依此類推。代替優(yōu)選的單次通行，這樣的多次通行也可以允許更精細(xì)的材料沉積，諸如在本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施方案中，其中各個(gè)分立的頭可以例如根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制進(jìn)行互換，以最好地實(shí)現(xiàn)制造。在任何情況下，這里的除數(shù)(divisor)還可以是小于當(dāng)前常規(guī)技術(shù)在它們的逐點(diǎn)行進(jìn)中所經(jīng)過(guò)的線的總數(shù)的數(shù)。

如所論述的，應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明的加性裝置或其他裝置可以是套件的形式，并且可以包括各種配置的各種打印頭120/220/320，如本領(lǐng)域所理解的，這些配置可以根據(jù)特定用途進(jìn)行交換。例如，可以在不要求精度的物體形式部分中采用粗糙的頭數(shù)粒度，而對(duì)于要求精度的物體部分可以換入具有精細(xì)間隔的噴嘴110/210/310的打印頭120/220/320。以這種方式，可以在與當(dāng)今的三維打印系統(tǒng)相比的部分時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建所需的物體。

如所論述的，打印頭120/220/320還可以包括在細(xì)度、材料、量和其他參數(shù)方面變化的噴嘴，例如，在結(jié)合圖1B所示出和描述的實(shí)施方案的情況下，噴嘴112可以擠出少量的材料用于精細(xì)工作，并且相鄰的噴嘴114可以(或者還也許整行120A)擠出替換量的相同或不同的材料。以這種方式，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的制造技術(shù)和機(jī)器相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有更大的便利性和多功能性。

與前述的由于增加打印頭容量而實(shí)現(xiàn)的處理速度改善相類似，其他三維打印技術(shù)(諸如選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、直接金屬激光燒結(jié)(SMLS)(和其他激光技術(shù))以及立體光刻)的生產(chǎn)能力也可以通過(guò)增加能夠在處理表面或處理區(qū)上操作的更多激光器、激光束或其他能量分散裝置而得以增加。即使激光以光速操作，但用于操縱激光并引導(dǎo)它們的機(jī)構(gòu)并非如此。正如前述加性工藝一樣，多個(gè)激光或者多個(gè)離散束在材料(例如未固化材料)平面上的排布將增加用于這些類型的三維制造工藝的三維打印工藝的速度。

現(xiàn)在參照附圖中的圖4，該圖4示出了諸如可以在使用各種基于能量的三維打印技術(shù)時(shí)采用的示例性制造系統(tǒng)，該示例性制造系統(tǒng)大體上由附圖標(biāo)記400標(biāo)示。大體上由附圖標(biāo)記430標(biāo)示的制造機(jī)器被示為與大體上由附圖標(biāo)記440標(biāo)示的計(jì)算機(jī)通信。如所示出的，計(jì)算機(jī)440可以與機(jī)器430：直接進(jìn)行交互，例如通過(guò)大體上由附圖標(biāo)記441標(biāo)示的電纜；無(wú)線地交互，大體上由附圖標(biāo)記442標(biāo)示；或者通過(guò)大體上由附圖標(biāo)記450標(biāo)示的互聯(lián)網(wǎng)連接或云進(jìn)行交互。換言之，用戶可以直接地或遠(yuǎn)程地從計(jì)算機(jī)440運(yùn)行機(jī)器430。

如結(jié)合圖3所論述的，各種代碼、命令和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在大體上由附圖標(biāo)記444標(biāo)示的存儲(chǔ)器中。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，存儲(chǔ)器的類型可以改變，以及位置也可以改變，例如數(shù)據(jù)的一些位置可以駐存在其他地方，諸如駐存在與計(jì)算機(jī)340附接的硬盤(pán)中或者也許駐存在云350中。如本領(lǐng)域中所理解的，采用駐存的運(yùn)行程序等將存儲(chǔ)的數(shù)字命令轉(zhuǎn)化為動(dòng)作，例如，使一些噴嘴打開(kāi)和關(guān)閉、使激光或者其他能量束在包括流體介質(zhì)的操作域上行進(jìn)以及其他行動(dòng)，以最終在多次通行之后，根據(jù)程序員的代碼形式從那些存儲(chǔ)的計(jì)劃創(chuàng)建出物體434。

如圖4所示，激光和其他能量(諸如紫外線)用于使較柔韌、柔軟或液態(tài)的材料固化或者以其他方式硬化。與圖3中的制造機(jī)器一樣，這里示出了制造機(jī)器430，其具有激光或能量發(fā)射器以處理材料。如所示出的，機(jī)器430具有大體上由附圖標(biāo)記432標(biāo)示的構(gòu)建平臺(tái)或表面以及在該構(gòu)建平臺(tái)或表面上的容器或桶，該容器或桶大體上由附圖標(biāo)記433標(biāo)示。如所論述的，液體聚合物(諸如光致聚合物)容納在桶433中，并且優(yōu)選地暴露于安全燈條件下的受控光照。在暴露于能量的情況下，所暴露的液體聚合物硬化。如所論述的，現(xiàn)有技術(shù)中的光能量或激光能量將集中于點(diǎn)，從而向那里的材料傳遞足夠的能量以使其進(jìn)行光聚合，由此形成基底，如所論述的那樣，其他材料在該基底上進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

同樣如圖4所示的，大體上由附圖標(biāo)記434標(biāo)示的正在制造的物體(其在本示例性實(shí)施方案中為具有兩個(gè)基座的弓形結(jié)構(gòu))是通過(guò)如下方式構(gòu)建的：形成物體434的兩個(gè)基座，并在基座上進(jìn)行構(gòu)建并最終連接兩個(gè)中間結(jié)構(gòu)，從而形成所示出的拱形結(jié)構(gòu)434。圖4中還示出了大體上由附圖標(biāo)記435標(biāo)示的活塞或其他立管(riser)裝置，其附接到大體上由附圖標(biāo)記437標(biāo)示的內(nèi)部平臺(tái)，該內(nèi)部平臺(tái)在桶433內(nèi)并且物體434擱置在該內(nèi)部平臺(tái)上。根據(jù)構(gòu)建過(guò)程的編程控制和監(jiān)控，活塞435可替代地升高內(nèi)部平臺(tái)437和聚合物材料制成的物體434以用于能量處理，之后活塞435使物體434降低回到桶433中以涂覆用于能量處理的下一區(qū)域。最后，物體434被完全構(gòu)造成，然后諸如通過(guò)排空(draining)而從桶433中移除。

如所論述的，圖4所示的實(shí)施方案包括各種基于能量的固化處理。例如，大體上由附圖標(biāo)記420標(biāo)示的能量分散頭在其中包含如下部件，這些部件用于將附近的能量分散到未固化的材料上以如上所述的那樣形成物體434。對(duì)于激光能量，示出了激光源450，其中光束從激光源進(jìn)入能量分散頭420，該能量分散頭中包含光學(xué)分離器以將輸入的激光束分成多個(gè)離散束。計(jì)算機(jī)，特別是其中的處理器448管理各個(gè)束的軌跡和處理。還示出了大體上由附圖標(biāo)記460標(biāo)示的第二能量源。如果源460是另一激光，那么可能具有相同或不同的強(qiáng)度和/或波長(zhǎng)的兩個(gè)輸入激光可以另外地合并或結(jié)合成以多重光束對(duì)材料表面進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)440對(duì)該多重光束進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)440將光束分離或者以其他方式分成兩個(gè)或更多個(gè)離散束以處理表面材料。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，成百上千個(gè)同時(shí)或基本上同時(shí)的離散束的數(shù)目?jī)?yōu)選地在100至10,000、50至5,000、30至3,000、20至2,000、10至1,000的范圍內(nèi)和其他范圍內(nèi)，如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。

此外，與圖3一樣，示出能量分散頭420位于平臺(tái)432的操作域之上。與上文所示的實(shí)施方案不同，此處的技術(shù)是經(jīng)由多個(gè)能量束在操作域上進(jìn)行操作，例如以沿著桶433內(nèi)的材料的相應(yīng)線使特定但不同的點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)固化，最終在操作域(例如前述的可固化液體介質(zhì))上交叉(crisscross)，并且通過(guò)多次這樣的燒結(jié)、熔化等，以原材料作為支撐件構(gòu)造出物體434。

通過(guò)使用多個(gè)光束、多個(gè)激光和/或多個(gè)能量源，同時(shí)或基本上同時(shí)地處理多個(gè)點(diǎn)。例如，在計(jì)算機(jī)的控制下，訓(xùn)練多個(gè)離散束穿過(guò)沿著表面形狀的輪廓線的各個(gè)點(diǎn)，而不是一個(gè)光束沿著該輪廓線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地跳行。與上述沉積技術(shù)的更加靜態(tài)的或基于坐標(biāo)系的方法不同，光束分離和光學(xué)器件的絕對(duì)快速性和通用性使得可以使用幾十個(gè)、幾百個(gè)或幾千個(gè)同時(shí)或基本上同時(shí)的離散光束。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管在圖4中示出了大體上由附圖標(biāo)記439標(biāo)示的僅兩個(gè)這樣的光束，但是預(yù)計(jì)所發(fā)射的光束或離散能量的實(shí)際數(shù)量會(huì)更高。利用該多激光技術(shù)，可以快速處理需要不同激光能量的材料的制造過(guò)程，而不需要換出激光或不需要進(jìn)行再校準(zhǔn)和再運(yùn)行。本發(fā)明的原理使聚合物處理工藝對(duì)替代方法開(kāi)放，使得能夠?qū)崿F(xiàn)新材料的構(gòu)造或者加速構(gòu)造，提供了超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，還設(shè)想了替代的能量源。例如，所述源460可以是紫外線波長(zhǎng)、X射線或其他能量源，并且與相當(dāng)穩(wěn)固的逐點(diǎn)現(xiàn)有技術(shù)相比，穿過(guò)能量分散頭420的能量以更寬的方式對(duì)該能量進(jìn)行分散，諸如逐行方法或利用足夠的光學(xué)器件，從而快速處理可用于處理的整個(gè)材料平面，有效地根據(jù)數(shù)字掩模工作進(jìn)行操作。當(dāng)然，能量分散頭420可以基于逐束地改變分散的能量，使得能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的固化或其他處理。應(yīng)當(dāng)理解的是，一旦用戶已經(jīng)確定了最佳方法，計(jì)算機(jī)440優(yōu)選地操縱整個(gè)處理過(guò)程，即，處理是自動(dòng)的，并且光束交叉或遍歷處理區(qū)域的平面以沿著多個(gè)面在處理區(qū)域中形成物體。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的原理在許多三維打印應(yīng)用中具有廣泛的用途，這與該技術(shù)的突破性相適宜。衣服和其他服飾、鞋類、眼鏡以及許多其他個(gè)人使用型應(yīng)用均采用本發(fā)明的技術(shù)，并可以從中受益。當(dāng)然，本發(fā)明的原理對(duì)許多商業(yè)應(yīng)用也是開(kāi)放的。

由于這種技術(shù)，例如汽車和機(jī)械零件行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了徹底轉(zhuǎn)變，汽車和其他機(jī)械設(shè)備的幾乎所有零件都是這樣生產(chǎn)的。事實(shí)上，日常生活中的幾乎所有工具和大多數(shù)設(shè)備都可以使用三維打印應(yīng)用程序進(jìn)行復(fù)制。此外，對(duì)于所有的零件和部件，本發(fā)明的技術(shù)完全能夠制備用于零件的模具或模型，例如在可以采用該模具來(lái)以金屬或其他材料鑄造零件而不是直接制造該零件的情況下。例如，耗時(shí)的模具的創(chuàng)建可以留給打印機(jī)，并且可以使用另一種技術(shù)使從該模具進(jìn)行的后續(xù)鑄造復(fù)制許多次并且顯著更快。因此，本發(fā)明能夠以各種無(wú)數(shù)方式利用現(xiàn)有技術(shù)和工藝。

除了地面建筑構(gòu)造行業(yè)之外，本發(fā)明的三維打印技術(shù)還將在月球或火星上使用，從而使用和再使用本地材料。同樣地，本發(fā)明的技術(shù)將適用于空間材料制造，盡管由于缺乏重力，但該技術(shù)也將適用于該情況。

本發(fā)明的改進(jìn)的技術(shù)也可以用于醫(yī)療領(lǐng)域、醫(yī)療裝置領(lǐng)域和生物領(lǐng)域，其中，介質(zhì)是非常不同的，但是方法是相同的。例如，結(jié)合圖3和圖4，可以使用細(xì)胞或其他有生命材料的擠出機(jī)來(lái)構(gòu)造生物打印的替代物或組織，以形成器官、身體部分和其他基于生物的結(jié)構(gòu)。因此，使用適當(dāng)?shù)膮f(xié)議，可以制造心臟、肝臟和其他器官，體現(xiàn)了生命科學(xué)和人類的巨大飛躍。

類似地，本發(fā)明可以用于食品行業(yè)中以構(gòu)造新的和獨(dú)特的食品(諸如蛋糕和糖果)，以及更加實(shí)質(zhì)性的食品，其中當(dāng)然源材料將與本文中更充分地描述的技術(shù)中的材料徹底不同。例如，使用制造機(jī)器(諸如裝置330/430)以及料斗和擠出型頭200，可以制造生物產(chǎn)品和食品，并且通過(guò)本發(fā)明的改進(jìn)，那些產(chǎn)品可以比任何現(xiàn)有技術(shù)更快地進(jìn)行生產(chǎn)。

隨著該行業(yè)的發(fā)展，三維打印代表了工業(yè)世界中的下一重大變化。類似于隨著蒸汽機(jī)而來(lái)的商業(yè)和社會(huì)變革，這種新技術(shù)的大量應(yīng)用將革新我們所有人的生活方式。本發(fā)明是對(duì)該新樣式進(jìn)行顯著改進(jìn)的方法，使得每個(gè)人都更加明了三維打印運(yùn)動(dòng)的非凡優(yōu)點(diǎn)。

已經(jīng)描述了用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選的系統(tǒng)、配置、方法和設(shè)備。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將理解并且明了，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)上述實(shí)施方案進(jìn)行許多改變和修改。前述僅是說(shuō)明性的，并且在不脫離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍的情況下，可以采用集成過(guò)程和設(shè)備的其他實(shí)施方案。