CN107399076B - 三维打印 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维打印机、增强丝及其使用方法。无孔隙增强丝被进给到挤出喷嘴。所述增强丝包括可以连续或半连续的芯以及包围所述芯的基质材料。增强丝被加热到大于所述基质材料的熔融温度且小于所述芯的熔融温度的温度，然后从所述挤出喷嘴挤出细丝。

Description

三维打印

相关申请的参照

本申请是中国专利申请第201480028653.9号的分案申请，第201480028653.9号的专利申请其申请日是2014年3月21日，发明名称是“三维打印”。

技术领域

本发明的各方面涉及三维打印。

背景技术

自从三维打印(也被称为增材制造)的最初发展开始，已经设想了构造逐层零件的各种类型的三维打印和打印机。例如，立体光刻(SLA)产生高分辨率的零件。然而，使用SLA制造的零件通常不耐用，而且还常常不是紫外线稳定的，相反通常用于概念验证的工作。除了SLA之外，熔丝制造(FFF)三维打印机也被用于通过沉积丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或类似聚合物的连续细丝珠粒构造零件。在有些类似的技术中，包含含有树脂的连续纤维增强材料的“丝束预浸料”以“未加工状态”沉积。随后，将零件置于真空下并加热，以除去存在于沉积材料中的夹带气隙并完全固化零件。尽管没有考虑三维打印，但是增材制造的另一种方法包括预浸渍的(预浸料)复合结构，其中零件通过将用树脂粘合剂浸渍的织物片材切断成二维图案而制成。然后，各片材中的一个或多个分层到模具中，并加热以液化粘合树脂并固化最终零件。(非三维打印)复合结构的另一种方法是细丝缠绕，其使用缠绕在定制心轴周围的复合材料的股线(例如，含有数百至数千的碳股线)以形成零件。细丝缠绕通常限于因细丝“桥接”而形成的凹状和因纤维处于张力下并且支撑纤维的周围较高几何形状使其不落入下层空间而形成的任何凸状。

发明内容

在一个实施方案中，一种制造零件的方法，包括：将无孔隙的芯增强丝进给到挤出喷嘴，其中所述芯增强丝包括芯和包围所述芯的基质材料；将所述芯增强丝加热到大于所述基质材料的熔融温度且小于所述芯的熔融温度的温度；和挤出所述芯增强丝，形成零件。

在另一个实施方案中，一种用于三维打印机的细丝，包括：多丝芯和包围所述多丝芯的基质材料。所述基质材料基本上浸渍所述多丝芯的整个截面，和所述细丝是基本上无孔隙的。

在另一个实施方案中，一种制造零件的方法，包括：将细丝进给到加热的挤出喷嘴；和在所述加热的喷嘴的出口处或其上游的位置切断所述细丝。

在另一个实施方案中，一种三维打印机，包括：包括喷嘴出口的加热的挤出喷嘴；和进给机构，被构造和配置成将细丝进给到所述加热的挤出喷嘴。所述三维打印机还包括切断机构，被构造和配置成在所述加热的喷嘴的出口处或其上游的位置切断所述细丝。

在另一个实施方案中，一种加热的挤出喷嘴，包括：喷嘴入口，被构造和配置成接纳细丝；和与所述喷嘴入口流体连通的喷嘴出口。所述喷嘴出口横向于所述细丝的路径的截面积大于所述喷嘴入口横向于所述细丝的路径的截面积。

在另一个实施方案中，一种用于三维打印机的细丝，包括：芯，包括在所述细丝的轴向方向上延伸的多个分开的节段；和包围所述多个节段的基质材料。所述基质材料基本上浸渍所述芯的整个截面，和所述细丝是基本上无孔隙的。

在另一个实施方案中，一种方法，包括：在喷嘴的温度低于细丝的熔融温度下，将细丝放置在喷嘴出口的上游的位置；和在打印过程中从所述喷嘴出口移动细丝。

在另一个实施方案中，一种方法，包括：将细丝从被定制尺寸并配置成支撑细丝的第一通道进给到与喷嘴出口流体连通的腔室，其中所述腔室横向于所述细丝的路径的截面积大于第一通道横向于所述细丝的路径的截面积。

在另一个实施方案中，一种形成细丝的方法，包括：将一根或多根纤维与第一基质材料混合，以形成芯增强丝；和使细丝通过迂回路径，以将第一基质材料浸渍所述一根或多根纤维。

在另一个实施方案中，一种方法，包括：共挤出芯增强丝并涂布基质材料，从而利用涂布材料在所述芯增强丝上形成外涂层。

在另一个实施方案中，一种制造零件的方法，包括：将细丝进给到加热的挤出喷嘴；从喷嘴出口挤出所述细丝；和利用所述喷嘴将压缩力施加到挤出的细丝。

在另一个实施方案中，一种制造零件的方法，包括：使用打印机头将第一细丝以第一所需图案沉积到基质材料的层中；和固化基质层的至少一部分，从而形成包括沉积的第一细丝的零件层。

应该理解的是，前述构思和下面讨论的额外构思可以按任何适宜的组合配置，本公开在这一方面不受限制。此外，本公开的其他优点和新颖性特征当结合附图一起考虑时从以下各种非限制性实施方案的详细说明中将变得显而易见。

附图说明

附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各图中示出的每个相同或几乎相同的部件可以用相同的附图标记来表示。为了清楚起见，并不是每个部件都在每个附图中被标记。在附图中：

图1是使用连续芯增强丝的三维打印系统的示意图；

图2是三维打印工艺的代表性流程图。

图3A是包括实心连续芯和周围热塑性树脂的连续芯增强丝的示意图，其中实心连续芯的比例较小；

图3B是包括实心连续芯由热塑性树脂包围的连续芯增强丝的示意图，其中实心连续芯的比例较大；

图3C是包括由热塑性树脂包围的多丝连续芯的连续芯增强丝的示意图，其中多丝连续芯的比例较小；

图3D是包括由热塑性树脂包围的多丝连续芯的连续芯增强丝的示意图，其中多丝连续芯的比例较大；

图3E是包括具有电、光或流体性质的元件的多丝连续芯的连续芯增强丝的示意图；

图4是现有技术的喷嘴和包括孔隙的丝束预浸料的示意图；

图5是在现有技术的喷嘴内纤维聚束的示意图；

图6A是在打印系统的一些实施方案中利用的扩张型喷嘴的示意图；

图6B是在打印系统的一些实施方案中利用的直线型喷嘴的示意图；

图6C是在打印系统的一些实施方案中利用的圆形末端喷嘴的示意图；

图7是现有技术的三维打印系统的示意图；

图8是包括切断机构的三维打印系统和桥接开放空间的打印工艺的示意图；

图9是由包括封闭的开放空间的三维打印系统和/或工艺形成的零件的示意图；

图10是包括导向管的三维打印系统的示意图；

图11是包括导向管的三维打印系统的照片；

图12A是具有任选的转位位置的剪切切断头的示意图；

图12B是图12A的剪切切断头在第二转位位置的示意图；

图13是包括剪切切削的多喷嘴打印头的示意图；

图14A是喷嘴的示意图；

图14B是具有圆形出口的喷嘴的示意图；

图14C是具有圆形出口的另一个喷嘴的示意图；

图15A是与喷嘴末端集成的切断机构的示意性剖视图；

图15B是与图14A的旋转90°的喷嘴末端集成的切断机构的示意性剖视图；

图15C是与喷嘴末端集成的切断机构的一个实施方案的仰视图；

图15D是与喷嘴末端集成的切断机构的一个实施方案的仰视图；

图16是与喷嘴末端集成的切断机构的示意性剖视图；

图17A是零件形成期间施加压实力的三维打印系统的示意图；

图17B是在沉积之前在打印系统中使用的连续芯增强丝的示意图；

图17C是在使用压实力沉积后连续芯增强丝和周围的材料珠的示意图；

图18A是现有技术的喷嘴的示意图；

图18B是扩张型喷嘴的示意图；

图18C是前馈清洁循环中所示的图18B的扩张型喷嘴的示意图；

图19A是用直线型喷嘴打印的连续芯丝的示意图；

图19B是用直线型喷嘴打印的未加工的丝束预浸料的示意图；

图19C-19E是用扩张型喷嘴缝合和打印的连续芯丝的示意图；

图20A是具有低摩擦冷却进给区的多材料喷嘴的示意图；

图20B是包括低摩擦冷却进给区的略微收敛型喷嘴的示意图；

图21A是现有技术的喷嘴的示意图；

图21B-21D示出各种实施方案的喷嘴几何形状；

图22是防滴喷嘴和减压系统的示意图；

图23A是位于喷嘴内的半连续芯丝的示意图；

图23B是位于喷嘴内的具有重叠股线的半连续芯丝的示意图；

图23C是位于喷嘴内的具有对齐股线的半连续芯丝的示意图；

图24A是多丝连续芯的示意图；

图24B是具有偏移股线的半连续芯丝的示意图；

图24C是具有对齐股线的半连续芯丝的示意图；

图24D是具有对齐股线和一个或多个连续股线的半连续芯丝的示意图；

图25是使用半连续细丝芯的填充图案的示意图；

图26是由三维打印系统和/或工艺形成的多个打印层的示意图，其具有不同层和包括不同纤维方向的层的不同部分；

图27A是用于在第一取向形成部件的三维打印工艺的示意图；

图27B是使用图27A的零件的固定装置的示意图；

图27C是用于在第二取向在图27A的零件上形成部件的三维打印工艺的示意图；

图28A是在第一取向使用多轴系统的三维打印工艺的示意图；

图28B是在图28A的零件的另一取向形成部件的示意图；

图29是使用连续芯增强丝的三维打印系统的示意图；

图30A是使用三维打印工艺的包括应用于侧面的外壳的零件的示意图；

图30B是使用三维打印工艺的包括应用于上部和侧面的外壳的零件的示意图；

图30C是包括已经从下层支撑面偏移的外壳的零件的示意图；

图30D是由填充材料形成的零件的示意图；

图30E是用从角部向内延伸的复合材料和在内部填充的聚合物形成的零件的示意图；

图30F是用从角部向内延伸的复合材料和在内部填充的聚合物形成的零件的示意图；

图30G是用从角部向内延伸的复合材料和在内部填充的聚合物形成的零件的示意图；

图31A是由包括在相同方向取向的纤维的离散子部形成的翼形体的示意图；

图31B是由包括在不同方向取向的纤维的离散子部形成的翼形体的示意图；

图31C是由离散子部和其上形成的外壳形成的翼形体的示意图；

图32是包括打印臂和可选择的打印机头的三维打印系统的示意图；

图33是在打印系统中使用的多元件打印机头的示意图；

图34是包括沉积的增强纤维的立体光刻三维打印工艺的示意图；

图35是包括沉积的增强纤维的立体光刻三维打印工艺的示意图；

图36是包括组入的具有不同功能的打印零件的三维打印零件的示意图；

图37是用于在印刷电路板中形成多层的三维打印系统的示意图；

图38是用于使用焊料或焊膏填充印刷电路板中的各种孔隙的三维打印系统的示意图；

图39是在形成通孔和接触垫后图38的印刷电路板的示意图；

图40A是包括内部钻孔的打印零件的示意图；

图40B是包括内部形成的增强孔的打印零件的示意图；

图40C是包括内部形成的增强孔的打印零件的示意图；

图41A是使用三维打印方法形成的复合材料零件的示意图；

图41B是增强的碳纤维和垂直排列的碳纳米管的扫描电子显微镜照片；

图42是迂回路径浸渍系统的示意图；

图43A是具有共混丝束的传入材料的示意图；

图43B是浸渍后图43A的材料的示意图；

图44A是偏移辊浸渍系统的示意图；

图44B是在任选的负载构成中图44A的辊浸渍系统的示意图；

图45是组合有真空浸渍喷嘴的浸渍系统的示意图；

图46是集成有打印喷嘴的浸渍系统的示意图；

图47是包括迂回路径浸渍系统的打印喷嘴的示意图；

图48是多喷嘴三维打印机的示意图；

图49A是形成连续芯增强丝和任选的外涂层的共挤出方法的示意图；

图49B是图49A所示的过程中使用的起始材料的示意图；

图49C是图49A所示的过程中使用的起始材料的示意图；

图49D是使用图49A所示的过程在浸渍后的材料的一个实施方案的示意图；

图49E是使用图49A所示的过程在浸渍后的材料的一个实施方案的示意图；

图49F是使用图49A所示的过程在浸渍后的材料的一个实施方案的示意图；

图49G是使用图49A所示的过程包括任选的外涂层的材料的一个实施方案的示意图；

图49H是使用图49A所示的过程包括任选的外涂层的材料的一个实施方案的示意图；

图49I是使用图49A所示的过程包括任选的外涂层的材料的一个实施方案的示意图；

图50A是形成连续芯增强丝和任选的外涂层的共挤出方法的示意图；

图50B是图50A所示的过程中使用的起始材料的示意图；

图50C是图50A所示的过程中使用的起始材料的示意图；

图50D使用图50A所示的过程在展开后起始材料的示意图；

图50E是使用图50A所示的过程在浸渍后的材料的一个实施方案的示意图；

图50F是使用图50A所示的过程在成型后的材料的一个实施方案的示意图；

图50G是使用图50A所示的过程在成型后的材料的一个实施方案的示意图；

图50H是使用图50A所示的过程在成型后的材料的一个实施方案的示意图；和

图50I是使用图50A所示的过程包括任选的外涂层的材料的一个实施方案的示意图。

具体实施方式

本发明人已经认识到，与通常的增材制造方法相关的基本限制之一是所得到的零件的强度和耐久性。例如，熔丝制造导致零件表现出比可比较的注射成型零件更低的强度。尽管不希望受到理论的束缚，但是强度降低是由于与例如注射成型中形成的连续和基本上无孔隙材料相比沉积材料的相邻条之间的较弱结合(还有气泡和孔隙)。本发明人还认识到，使用基于片材的技术来形成三维零件的预浸料复合材料构造方法费时且难以处理而导致高成本。此外，围绕曲线弯曲这种片材，例如圆形，可能会导致纤维重叠、搭扣和/或扭曲，从而导致所得到的部件中不期望的软点。至于使用包括增强纤维和树脂的“丝束预浸料”或“丝束”的三维打印机，本发明人已经注意到，由于非常灵活并且通常高摩擦(粘性)初始状态的原因，现有技术的沉积材料通常很难在机器中加载，并且进一步难以通过打印头进给。此外，这些未加工的材料倾向于夹带空气并包括气隙。因此，在没有后续真空加热步骤的情况下，所得到的零件还包含孔隙，并且比在真空下构造的传统复合材料零件大致更弱。因此，与制备丝束预浸料相关的额外步骤减缓了打印过程并且导致环境空气的夹带。

由于如上所述的与通常的三维打印系统相关的限制，本发明人已经认识到需要改善三维打印复合材料的强度。此外，需要增材制造构造技术，其允许更大的速度；去除或防止沉积的材料中夹带空气；减少后续真空步骤的需要；和/或复合材料芯材料的正确和准确挤出。本发明人还认识到，期望提供沉积凹形纤维和/或在表面或复合材料外壳上构造离散特征的能力。

鉴于以上情况，本发明人已经认识到，与提供使用基本上无孔隙的预浸渍的(预浸料)材料打印结构或者能够形成在沉积过程中使用的基本上无孔隙材料的三维打印系统相关联的好处。例如，在一个实施方案中，三维打印机使用包括具有用已经“芯吸”到股线中的热塑性树脂预浸渍的多个连续股线的连续多丝芯材料的连续芯增强丝，然后这种预浸渍材料形成三维结构。由于已经芯吸到股线中的热塑性树脂，所以该材料不是“未加工的”，并且是刚性的、低摩擦的和基本上无孔隙的。在另一个实施方案中，使用实心连续芯，并且热塑性树脂润湿实心连续芯，使得所得到的连续芯增强丝也是基本上无孔隙的。此外，使用其中延伸通过材料长度的芯被沿着长度分段成多个部分的半连续芯的实施方案也被考虑。这种实施方案可以包括实心芯或者彼此均匀间隔开或包括本公开不限制的重叠的多个单独股线。在任一情况下，这样的芯材料也可以被预浸渍或润湿，如上所述。基本上无孔隙材料可以具有小于约1％、2％、3％、4％、5％、10％、13％或任何其他适宜百分比的孔隙百分比。例如，无孔隙材料可以具有约1％～5％的孔隙百分比。此外，由于下述的加工方法，使用上述无孔隙材料打印的零件还可以表现出小于约1％、2％、3％、4％、5％、10％或13％的孔隙百分比。

尽管上面讨论了预浸渍材料，但是在一个实施方案中，实心连续芯丝可以选择性地在喷嘴出口内与树脂结合。尽管不希望受到理论的束缚，但是由于实心芯的规则和明确的几何形状，所以树脂均匀地涂布芯，并且所得到的沉积的复合材料是基本上无孔隙的。

在本申请中，芯增强丝被描述为被浸渍或润湿。例如，实心芯可用基质材料润湿，或者多丝芯可以用基质材料浸渍或充分润湿。然而，对于本申请的目的，包括已被浸渍的芯的细丝应理解为是指包括已经用基质材料充分浸渍和/或润湿芯的细丝。本领域技术人员能够理解这将如何被解释为其中芯材料是实心芯的应用。

除了上述之外，本申请中描述了芯增强材料。对于具体的实施方案和实施例，连续芯和/或半连续芯可以被描述为示例性的目的。然而，应该理解的是，连续和/或半连续芯可以用在任何特定应用中并且本公开不以这种方式限制。此外，关于芯增强材料，芯可以位于细丝的内部或者芯材料可以延伸到细丝的外表面，本公开不以这种方式限制。此外，应该理解的是，芯增强材料还包括由诸如光学材料、流体传导材料、导电材料和任何其他适宜的材料等材料提供的增强物，本公开不受此限。

在另一个实施方案中，本发明人已经认识到，与提供组合有立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和其他三维打印工艺的连续或半连续芯相关联的好处，其中使用液体或粉末形式的基质形成表现出增强强度的基本上无孔隙的零件。上述实施方案可以有助于减少或消除对后续真空步骤需要并且通过帮助减少或消除最终结构内的孔隙的存在而改善所得到的打印结构的强度。

除了由于消除孔隙而改善强度之外，本发明人已经认识到，在三维打印工艺时敷设单条的目前限制可被用作在复合结构制造中的优点。例如，在结构内在打印过程中沉积的增强材料的方向可以控制在特定层和层的一部分内，以局部和总体地控制复合结构的方向强度。因此，结构内的增强方向性可以在期望的位置和方向提供增强的零件强度，以满足特定设计要求。容易定制结构在特定位置的方向强度的能力可以使得提供更轻和更强的所得零件。

在一个实施方案中，可能期望包括三维打印系统的切断机构。这种切断机构可以用来提供选择性终止，以沉积材料的期望长度。否则，由于沉积材料仍然被连接到材料挤出喷嘴内的材料(例如，连续芯)，打印过程不容易终止。切断机构可以位于相关联的打印机喷嘴的出口处或者可能位于出口的上游。此外，在一些实施方案中，切断机构位于芯材料的进给机构和喷嘴的出口之间。然而，不管特定的构成和位置如何，切断机构使得三维打印系统在特定位置在期望的方向上快速方便地沉积材料的期望长度。与此相反，不包括切断机构的系统连续地沉积材料，直到材料用完或被手动切断。这限制了可以制造的零件的复杂性、打印过程的速度以及以在特定方向沉积包括连续芯的材料的能力。取决于实施方案，切断机构还可以通过堵塞喷嘴或防止进给机构施加力或压力到切断机构下游的材料的一部分来中断打印机进给。尽管在某些情况下，可能期望包括三维打印机的切断机构，但是应该理解的是，本文所述的实施方案可以使用或不使用切断机构，本公开不以这种方式限制。此外，切断机构也可以用于不包括连续芯的实施方案。

应该理解的是，本文所述的基本上无孔隙材料可以按任何方式来制造。然而，在一个实施方案中，通过材料形成过程中在不同方向上施加变化的压力和/或力来形成材料。例如，在一个实施方案中，聚合物或树脂以及芯包括多个增强纤维的芯的多股线在进给入系统之前混合。然后，系统加热材料到聚合物树脂的所需粘度并在共混丝束预浸料的交替方向上施加变化的压力和/或力，以帮助促进用聚合物或树脂充分浸渍丝束预浸料的纤维。这可以通过使用包括未加工的丝束预浸料经过的多个弯曲的平滑迂回路径来实现，或者它可以对应于改变丝束预浸料通过系统时的方向的多个偏移辊。当丝束预浸料经过迂回路径时，变化的力和压力有助于充分浸渍聚合物进入芯并且形成基本上无孔隙材料。尽管上面描述了包括增强纤维和聚合物树脂的单独股线的共混丝束预浸料，但是其中实心芯和/或多个增强纤维与聚合物颗粒共混或者浸入液体聚合物或树脂、然后进行上述过程的实施方案也可以考虑。除了上述之外，在用聚合物浸渍芯之后，基本上无孔隙材料可以通过成形喷嘴进给，从而提供所需形状。喷嘴可以是任何适宜的形状，包括圆形、椭圆形、方形或任何其他期望的形状。尽管上面描述了连续芯，但是其中使用半连续芯的实施方案也可以考虑。此外，这种形成过程可以在环境条件下进行，或者在真空下进行，以进一步消除在基本上无孔隙材料内孔隙的存在。

在一些实施方案中，可能期望在对应于上述的基本上无孔隙材料的丝束预浸料上提供平滑的外涂层。在这种实施方案中，按如上所述形成或在任何其他适宜工艺中形成的基本上无孔隙材料通过适宜形状的喷嘴与聚合物共挤出。随着基本上无孔隙材料和聚合物通过喷嘴挤出，聚合物在基本上无孔隙材料的周围形成平滑的外涂层。

用于目前所述的三维打印工艺的材料可以并入材料的任何适宜组合。例如，适宜的树脂和聚合物包括但不限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、环氧树脂、乙烯基树脂、尼龙、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)、液晶聚合物和各种其他热塑性材料。芯也可被选择以提供任何期望的性能。适宜的芯丝包括赋予期望性质的那些，如结构、传导(电和/或热)、绝缘(电和/或热)、光和/或流体传输方面。这样的材料包括但不限于碳纤维、芳纶纤维、纤维玻璃、金属(如铜、银、金、锡、钢)、光纤和挠性管。应该理解的是，芯丝可以提供为任何适宜的尺寸。此外，多种类型的连续芯也可以用在一种连续芯增强丝中，以提供多种功能，如电气和光学性质。还应该理解的是，一种材料可以被用来提供芯增强丝的多种性能。例如，钢芯可能被用于提供结构性能以及导电性能。

在一些实施方案中，除了选择芯增强丝的材料之外，期望提供使用具有不同树脂的芯增强丝的能力，以增强芯比率，从而在零件的不同部分中提供不同的性质。例如，低树脂填料可以用于零件的内部结构，以最大化强度-重量比(例如，按横截面积，20％树脂)。然而，在零件的外化妆表面上，消耗性的较高的90％树脂可被用于防止通过下层芯或芯的个别纤维股线的可能打印。此外，在一些实施方案中，消耗性材料可以具有零纤维含量，并且仅仅是树脂。因此，应该理解的是，可以使用任何适宜百分比的树脂。

芯增强丝也可以提供为各种尺寸。例如，连续或半连续芯增强丝可以具有大于或等于约0.001英寸并小于或等于约0.4英寸的外径。在一个具体实施方案中，细丝大于或等于约0.010英寸并小于或等于约0.030英寸。在一些实施方案中，还期望的是，芯增强丝沿着其长度具有基本上恒定的外径。取决于具体实施方案，可以使用有关芯增强丝的外径的不同光滑度和公差。尽管不希望受到理论的束缚，但是恒定的外径可以有助于提供恒定的材料流速和在最终零件中一致的性能。

如下面更详细地说明的，在结构内选择性地打印导电的、导光的和/或导流体的芯的能力使得在结构中提供所需部件的结构。例如，导电和导光的连续芯可被用于构造应变计、光学传感器、迹线、天线、配线和其他适宜的部件。导流体的芯也可用于形成诸如流体通道和热交换器等部件。在结构之上或之内形成功能部件的能力提供了多种好处。例如，所述的三维打印工艺和设备可被用来制造在结构中集成形成的印刷电路板；在汽车底盘或平面机身中集成的配线和传感器；以及具有集成的绕组的电机芯，仅例举了几种。

现在参照附图，对所公开的材料和三维打印工艺的具体实施方案进行说明。

图1示出了使用复合材料的连续股线来构造结构的三维打印机的实施方案。在所示的实施方案中，复合材料的连续股线是连续芯增强丝2。连续芯增强丝2是基本上无孔隙的丝束预浸料，并包括涂布或浸渍内部连续芯6的聚合物4。根据特定的实施方案，芯6可以是实心芯或它可以是包括多股线的多丝芯。

连续芯增强丝2通过加热的喷嘴进给，如挤出喷嘴10。随着连续芯增强丝通过挤出喷嘴被进给，它被加热到预先选定的挤出温度。该温度可被选择以实现任何数量的所得性能，包括但不限于挤出材料的粘度、挤出材料对下层的粘接性以及得到的表面光洁度。尽管挤出温度可以是任何适宜的温度，但是在一个实施方案中，挤出温度高于聚合物4的熔融温度，但低于树脂的分解温度和芯6的熔融或分解温度。任何合适的加热器可以用于加热喷嘴，例如带式加热器或线圈加热器。

在加热的挤出喷嘴10中加热之后，连续芯增强丝2被挤出到构造压印盘16上来构造连续层14，从而形成最终三维结构。在沉积过程中加热的挤出喷嘴10相对于构造压印盘16的位置可以按任何适宜的方式来控制。例如，构造压印盘16的位置和取向或加热的挤出喷嘴10的位置和取向可以由控制器20进行控制，以在期望的位置和方向沉积连续芯增强丝2，本公开不限于任何特定的控制方法。此外，任何适宜的移动机构可以被用来控制喷嘴或构造压印盘，包括台架系统、机器人手臂、H架和其他适宜的移动系统。该系统还可以包括任何适宜的位置和位移传感器，以监测加热的挤出喷嘴相对于构造压印盘和/或被构造的零件的位置和移动。然后，这些传感器可以将感测的位置和移动信息供给控制器20。控制器20可以使用感测到的X，Y和/或Z轴位置和移动信息来控制加热的挤出头或压印盘的后续动作。例如，该系统可以包括测距仪、位移传感器、距离积分器、加速度计和/或能够检测加热的挤出喷嘴相对于构造压印盘的位置或移动的任何其他感测系统。在一个具体实施方案中，如附图所示，激光测距仪15或其他合适的传感器被用于扫描加热的挤出喷嘴之前的部分，从而校正喷嘴的Z高度或所需的填充体积，以匹配期望的沉积轮廓。这种测量还可以用于填充在零件中检测到的孔隙。此外，测距仪15或另一个测距仪可被用于在材料被挤出以确认沉积的材料的深度和位置后测量零件。

取决于实施方案，三维打印机包括切断机构8。切断机构8有利地允许连续芯增强丝在打印过程中被自动切断，而不需要手动切断或形成尾巴，如下面更详细说明的。通过在沉积过程中切断连续芯增强丝，可以在结构上形成单独的特征和部，并且在多个部分和层中控制沉积的材料的方向性，这导致多种好处，如下面更详细说明的。在所示的实施方案中，切断机构8是位于喷嘴出口的背衬板12相关联的切断刀片，尽管其他位置也是可能的。尽管示出了包括切断刀片的切断机构的一个实施方案，但是如下面更详细说明的其他类型的切断机构也是可能的，包括但不限于激光、高压空气、高压流体、剪切机构或任何其他合适的切断机构。此外，特定的切断机构可以适宜地选择用于三维打印机中使用的特定具体进料。

图1还示出了多个任选的二级打印头18，在一些实施方案中其被用于三维打印机。次级打印头18可以被用来在三维打印零件的表面上沉积油墨或其他宜适的任选的涂料。在一个实施方案中，次级打印头类似于现有的喷墨打印机。这种打印头可以用于在制造过程中在零件上打印照片质量的图画和图像。对于这种打印过程，打印头可以使用抗紫外线性树脂。可选择地，打印头可被用于在零件上打印保护涂层。例如，打印头可以用于提供抗紫外线性或耐刮擦性涂层。

图2示出使用图1所示的系统和控制器的三维打印工艺的示意性流程图。首先，在102中，提供连续芯增强丝。然后，将连续芯增强丝进给到加热的挤出喷嘴，在104和106中，并加热到大于树脂的熔融温度且小于连续芯的熔融温度的所需温度。然后，在108中，三维打印机感测加热的挤出喷嘴相对于构造压印盘或零件的位置和移动。在确定加热的挤出喷嘴的位置和移动之后，喷嘴被移动到期望的位置，在110中，连续芯增强丝在期望的位置并且沿着所需的路径和方向被挤出。在其中构造压印盘或零件相对于喷嘴移动的实施方案也被设想。在达到期望的终止点之后，在112中，切断连续芯增强丝。然后，控制器可以确定三维零件是否完成。如果打印处理未完成，那么控制器可以返回到108，在此期间感测喷嘴的当前位置和移动，然后沉积下一段连续芯增强丝。如果零件完成，那么可以从构造压印盘取下最终零件。可选择地，在118中，任选的涂层可以使用二级打印头沉积在零件上，以提供保护涂层和/或应用数字或图像到最终零件。应该理解的是，上述的步骤可以按与所述不同的顺序进行。此外，在一些实施方案中，可以使用和/或省略额外的步骤，本公开不仅限于图2所示的过程。

图3A-3E示出了连续芯增强丝2的各种构成的实施方案。除了特定的芯构成之外，材料被加工为基本上无孔隙的，这有助于最终结构的各层的结合和所得到的强度。

图3A和图3B示出了包括埋在周围聚合物4或树脂中的实心芯6a的连续芯增强丝的剖视图。在聚合物中或者在聚合物和实心芯之间基本上没有孔隙存在。图3A示出了包括较大比例的聚合物的截面的芯增强丝。图3B示出了较大实心芯和相应的较大比例增强芯材料的截面。应该理解的是，可以使用任何适宜的连续芯面积与聚合物面积的比例。此外，尽管不希望受到理论的束缚，但是具有较大比例聚合物的材料可能导致更平滑的表面光洁度以及层之间更好的粘合。相反地，可以使用较大比例的连续芯丝，以增加强度和最终构造部件的重量比，因为纤维材料构成复合材料的体积强度并且以较大比例存在。当芯由铜或其他适宜的导电或导光材料制成时，较大的芯也可能是有利的，因为可能需要有大的芯以增加沉积材料的传导性。

图3C和图3D示出了另一个实施方案，其中连续芯增强丝2的芯材料是由芯吸到多丝芯截面的聚合物4包围和浸渍的连续多丝芯材料6b。图3C示出了由聚合物4包围和浸渍的较小比例的多丝芯材料6b。图3D示出了具有非常小量的树脂和大比例的多丝芯材料6b的实施方案，使得多丝芯材料填充几乎整个截面。在这种实施方案中，聚合物4的行为更像浸渍到多丝芯材料6b中的粘合剂将其保持在一起。类似于上述的实心芯，树脂与多丝芯材料的任何适宜比例可被用于为所得到的连续芯增强丝2提供选定的强度、表面光洁度、传导性、粘合性或其他所需性能。

图3E示出了连续多丝芯的变形。在本实施方案中，连续芯增强丝2仍然包括由聚合物4包围和浸渍的连续多丝芯体6b。然而，芯还包括芯材料6c和6d的一个或多个次级股线。这些次级芯材料可以是导光、导电、导热、导流体的或上述的一些组合。这些次级芯材料可以被用来传导功率、信号、热和流体以及用于结构健康监测和其他所需的功能。

为了避免上述芯增强丝2内孔隙的夹带，对聚合物材料进行处理，使得在材料的初始生产期间熔融的聚合物或聚合物树脂芯吸到增强纤维中。在一些实施方案中，聚合物基本上芯吸到多丝芯的整个截面，这有助于提供基本上无孔隙材料。为了制造所需的芯增强丝，芯增强丝可以用一种或多种涂层预处理以活化表面，随后暴露于一种或多种环境条件，如温度、压力和/或化学试剂(如增塑剂)，以辅助聚合物或树脂芯吸到多丝芯的截面，而没有任何孔隙的形成。在一些实施方案中，这个过程可以先于进入三维打印机的进给头进行。然而，在其他实施方案中，芯增强丝在打印处理之前形成在完全独立的机器上，并且被设置为消耗性打印材料。因为后续沉积过程不需要在高到足以用聚合物或树脂润湿芯材料的温度下运行，所以沉积过程可以在比通常系统所需更低的温度和压力下运行。尽管上述方法可应用到实心和多丝芯，但是更有利的是，由于在不形成孔隙的情况下芯吸到多丝芯中相关联的难度而将该方法应用到多丝芯。此外，通过单独地或在引入到喷嘴之前形成芯增强丝，材料的宽度和比例可以严格控制，导致在被进给到三维打印机时材料更恒定的进料速率。

与没有孔隙而大致形成的上述材料相比，现有技术已经使用“未加工”的沉积过程，包括可以使用在挤出过程期间本身可能已经浸入树脂或熔融聚合物并用多丝芯芯吸的增强纤维。为了做到这一点，树脂或聚合物基本上加热超过熔点，使得粘度足够低，从而允许树脂或聚合物芯吸到增强纤维中。这个过程可以由将压力施加到材料以帮助芯吸到增强纤维的一组辊子来辅助。然而，由于辊子的布置和离开辊子时丝束预浸料的温度，这一过程通常会导致孔隙被夹带在最终形成之前的材料中。在树脂或聚合物被芯吸到增强纤维中之后，所得到的“丝束预浸料”或“丝束”通常被冷却到恰好高于挤出前的熔点。然而，这一过程通常在与被插入到喷嘴时材料中存在的空气相结合的空气中进行，导致环境空气被夹带在材料中，如下面更详细说明的。

通常的丝束预浸料的挤出过程中的这种芯吸过程示出于图4。如图所示，在芯吸和挤出过程之前，未加工的丝束预浸料22包括多个未加工的基质树脂颗粒或细丝24，与多个增强纤维28以及周围空气26混合。如图所示，增强纤维28随机分布在整个截面。随着丝束预浸料22通过挤出喷嘴的加热区30，材料被加热以诱导纤维润湿并形成固化的树脂32。周围空气26也夹带在丝束预浸料中，从而形成气隙34。然后，这些夹带的气隙34埋在所得到的打印零件中。此外，气隙34可能导致纤维的非粘接部分36。由于增强纤维的这些非粘接部分不与聚合物接触，因此所得到的复合材料在此位置很弱。与此相反，图3A-3E所示的说明性实施方案中的连续芯增强丝是基本上无孔隙的，并且在至少一些实施方案中，芯在周围树脂内位于中央。尽管不希望受到理论的束缚，但是这导致更强更均匀的材料和所得到的零件。

尽管目前描述的三维打印机系统主要涉及使用本文所述的预浸渍或润湿的芯增强丝，但是在一些实施方案中，三维打印机系统可以使用类似于图4所示的未加工的共混丝束预浸料22的材料。然而，如上所述，期望的是在喷嘴内固化材料的过程中避免夹带的气隙的形成。在沉积的材料中避免气隙形成的一种可能方法是提供在喷嘴内提供真空。通过在喷嘴内提供真空，当在喷嘴内被加热并固化时，没有空气夹带在丝束预浸料内。因此，在一些实施方案中，喷嘴被构造成允许在真空状态下的同时引入包括实心或多丝芯的连续的未加工材料。然后，连续的未加工材料可以在真空下的同时被加热到高于连续的未加工材料内的树脂或聚合物的熔融温度的适宜温度，以促进树脂或聚合物芯吸到芯中，从而制造基本上无孔隙材料。另一种方法是使用迂回路径，其可通过偏移辊或如下所述的其他构造来提供，以机械地处理夹带的空气。任选地，真空也可以与通过迂回路径来机械地去除气泡组合应用。

除了用于打印三维零件的材料之外，用于沉积芯增强丝的特定喷嘴也对最终零件的性能有影响。例如，通常的三维打印机中使用的挤出喷嘴的几何形状是收敛型喷嘴，参见图5。通常的三维打印机中使用的收敛型喷嘴通常具有直径约0.060英寸～0.120英寸(1.5mm-3mm)的原料。原料通过通常颈缩至约0.008英寸～0.016英寸(0.2mm-0.4mm)的末端孔的喷嘴挤出。然而，这样的喷嘴可能不期望用于包括连续芯的原料，原因如下。

尽管不希望受到理论的束缚，但是当原料被进给到收敛型喷嘴时，约束的几何形状导致流体聚合物基质材料相对于连续芯加速。此外，基质和芯通常具有不同的热膨胀系数。由于基质材料是聚合物，所以通常具有较大的热膨胀系数。因此，随着基质材料被加热，由于在收敛型喷嘴的密闭空间内基质材料的较大膨胀，所以也相对于纤维加速。基质材料相对于纤维的加速导致在喷嘴入口附近基质材料流速V_matrix小于纤维材料流速V_fiber。然而，在出口处的基质材料流速V_matrix等于纤维材料流速V_fiber。如图所示，基质材料和纤维在收敛型喷嘴内的不匹配速度可能导致在沉积过程期间纤维在喷嘴内收集。这可能导致堵塞，并且难以控制沉积过程的均匀性。应该理解的是，尽管与收敛型喷嘴相关联的难度已经如上所述，但是收敛型喷嘴可以用于本文所述的实施方案，本公开不以这种方式限制。

鉴于以上情况，期望提供能够维持多丝芯材料6b或其他适宜芯的各个股线以及聚合物4或其他基质材料在整个喷嘴内的匹配速度的喷嘴几何形状，从而得到给定的基质和芯组合。例如，图6A示出匹配基质材料的热膨胀的具有增大喷嘴直径的扩张型喷嘴200。如图所示，喷嘴200包括具有直径D1的入口202、具有增大直径的部分204和具有大于直径D1的直径D2的出口206。尽管不希望受到理论的束缚，但是通过在喷嘴内使喷嘴直径与基质材料的预期膨胀匹配，基质和连续芯增强丝在整个喷嘴内保持相基本上彼此相同的速度。因此，基质材料和连续芯的线性挤出速率相同，并且连续芯不会在喷嘴内积聚。

除了上述以外，在一些实施方案中，基质材料和连续芯具有相对较低的热膨胀系数(如碳纤维和液晶聚合物)。在这样的实施方案中，由于基质材料和增强纤维处于基本上相同的尺寸，所以喷嘴200可以包括具有基本相同直径D3的入口202和出口206，参见图6B。因此，尽管一些喷嘴设计可以具有扩张型的几何形状，但是在一些实施方案中，喷嘴几何形状可以是基本线性的，并且可以具有基本上相似的入口和挤出区。

除了控制喷嘴的入口和出口的相对大小之外，喷嘴200还可以包括圆形的喷嘴出口208，参见图6C。圆形喷嘴出口208可以具有任何适宜的形式和尺寸。例如，圆形的喷嘴出口208可以由向外延伸的唇缘、斜面、方网眼、圆弧或任何其他适宜的几何形状体现，从而提供从喷嘴出口的平滑过渡。尽管不希望受到理论的束缚，但是从喷嘴内孔提供平滑过渡的圆形喷嘴出口可以有助于避免当从喷嘴200挤出时施加过大应力和/或刮擦到连续材料。由圆形喷嘴出口提供的这种平稳过渡可以有助于避免在沉积期间压裂连续芯丝。

图7示出了与在打印头中没有集成的刀具来打印连续芯增强丝的可能劣势。如图所示，打印头300形成零件302，并且显示为沉积材料层304的最后部分。由于也被称为熔融沉积成型(FDM)的通常熔丝制造(FFF)技术将打印头靠近底层零件，并且经常接触到挤出塑料的顶部，因此很少或几乎没有空间在其中引入外部切断机构。事实上，在没有接近零厚度的刀片的情况下，打印头需要打印零件中没有规定的标签端超出部306，从而能够使单独的切断机构或人切断连续芯并终止打印工艺。然而，这在每个纤维终止点留下不希望的标签端超出部306。如图7所示，多个内部特征，如硬质安装凸台308，可能在凸台内的各层中都具有标签端超出部306。鉴于上述情况，集成的切断机构可能需要更少的后处理，并且允许机器简单地用更小和更少的标签端超出部来打印期望的零件。此外，在一些实施方案中，如下面更详细说明的，切断机构可以消除标签端超出部的存在。

图8示出三维打印机使用的切断机构的两个实施方案。如图所示，适宜的进料(在本例子中是连续芯增强丝2a，尽管可以使用其他合适的细丝)从卷筒38取出并通过进给机构，如驱动辊40和惰轮42。驱动辊40或任何其他适宜的进给机构被构造和布置以将朝向下游方向的力施加到本实施例中的连续芯增强丝2a上。因此，连续芯增强丝2a可以处于当施加该力时使得其处于固态或半固态的温度。例如，该力可以在材料处于室温、低于材料的玻璃化转变温度、低于玻璃化转变温度的室温或该材料能够支撑所施加力的任何其他适宜的温度下施加到材料。所施加的下游力导致连续芯增强丝2a进入和从加热的喷嘴10被挤出，从而构建三维零件。尽管驱动辊已被示出，但是应该理解的是，任何适宜的进给机构都可以使用。

在第一实施方案中，诸如刀片等切断机构8a位于加热的挤出喷嘴10的出口。这种构造允许切断机构的致动，以通过作用于内部连续芯而完全切断沉积的条。此外，在一些实施方案中，喷嘴压力在切断过程中保持，并且切断刀片被致动以切断内部股线并防止连续纤维增强的材料进一步挤出和通过物理地阻断喷嘴出口而防止滴落。因此，与传统的三维打印机相比，切断机构使得连续芯增强丝和未增强的材料能够以精确选定的长度沉积。

在集成有相同系统的第二示出的实施方案中，切断机构8b位于喷嘴出口的上游。更具体地，切断机构8b可以位于喷嘴的热端内，或者位于连续芯增强丝被加热之前的进一步上游。在一些实施方案中，切断机构8b位于喷嘴出口与进给机构40之间。这种实施方案可以允许使用喷嘴出口和零件之间的较小间隙，因为切断机构不需要容纳在喷嘴出口与零件之间的空间内。取决于特定位置，切断机构8b可以切断连续芯丝和周围基质，同时温度低于熔化或软化温度，并且在一些实施方案中，低于玻璃化转变温度的。尽管不希望受到理论的束缚，但是在聚合物的熔化、软化和/或玻璃化转变温度以下切断连续芯增强丝可能会降低树脂粘到刀片上倾向，从而可以减少机器堵塞。此外，在树脂或聚合物低于熔点时的切断可以有助于沉积材料的更精确计量。可以选择沿着连续芯增强丝的切断位置，以消除标签端超出部在最终零件中的存在，从而可以促进多个单独特征的形成。

如图所示，连续芯增强丝下游部分2b可以通过上游切断机构8b从连续芯增强丝的上游部分2a切断。通过保持进料和进料在其内驻留的引导管之间的紧密配合，切断股线的下游部分2b仍然可以通过由驱动辊40或任何其他适宜的进给机构驱动的上游部分2a的机器推动。尽管不希望受到理论的束缚，但是先前沉积和冷却的材料也附着到先前沉积的层上，并且当将力施加到位于切断股线下游部分的连续芯的打印头相对于零件移动时，从加热的挤出喷嘴10拉出连续芯增强丝2b。因此，来自进给机构的上游力和通过连续芯传送的下游力的组合可以用于沉积材料的切断部件。此外，可以选择沿着连续增强芯的切断位置，以消除标签端超出部在最终零件中的存在。

尽管上面已经说明了包括集成的切断机构的实施方案，但是不包括切断机构的实施方案也是可能的，本公开不以这种方式限制。例如，可以使用其中以连续串方式打印零件的实施方案，使得连续材料的终止不是必需的。在一种这样的实施方案中，三维打印机可能不能够实现纤维终止，因此将打印材料的长度，直到零件完成、材料用尽或者用户切断沉积的材料。

尽管切断连续纤维增强材料有助于消除标签端超出部的存在，但是也期望防止材料的弯曲，以帮助确保均匀的沉积和防止机器卡住。尽管不希望受到理论的束缚，但是材料的刚度与材料的直径的平方成比例。因此，具有大直径的连续材料不需要尽可能多的支持而被送入如图所示的喷嘴的入口。然而，随着连续材料的直径减小，额外的特征可能是必要的，以确保连续材料的弯曲和其内所含的任何连续芯丝不会弯曲。例如，如下面更详细说明的，紧密配合的导向管可以与将进给机构定位到靠近喷嘴的入口或导向管组合使用，以帮助防止材料弯曲。因此，在一个实施方案中，进给机构可以位于从导向管或入口到喷嘴小于约20倍直径、10倍直径、8倍直径、6倍直径、5倍直径、4倍直径、3倍直径、2倍直径、1倍直径或任何其他适宜的距离。

除了防止弯曲之外，在一些实施方案中，施加到沉积的增强纤维上的最大拉力或拖力被限制，以防止从对应的构造压印盘打印零件被拉起或者提供连续芯所需量的拉伸。力限制可以按任意数量的方式来提供。例如，单向锁定轴承可以被用于限制拖动力。在这样的实施方案中，驱动电机可以通过单向锁定轴承转动驱动轮，使得电机的旋转驱动轮子和挤出材料。如果材料拖动超出了驱动轮的驱动速度，那么单向轴承可能滑动，从而允许额外的材料通过进给机构和喷嘴被拉动，有效地增大了进给速率以匹配头行进速度，同时也限制了驱动力，使得它小于或等于预先选定的限值。拖动力也可以使用具有相称内置滑动的离合器限制。可选择地，在另一个实施方案中，可以选择驱动轮和惰轮的法向力和摩擦系数，以允许连续材料通过进给机构高于某一拖动力被拉动。限制力的其他方法也是可能的。在另一种环境中，AC感应电机或者切换到“关”位置的直流电机(例如，取决于实施方案，这可以对应于小电阻被施加到电机端子或打开电机端子)可以用于允许细丝被从打印机拉出。在这样的实施方案中，当高于期望的力阈值的拖动力被施加以允许从打印机拉出细丝时，电机可被允许空转。鉴于上述情况，进给机构以某些形式或方式构成，使得当施加到细丝上的拖动力大于期望的阈值力时细丝可以从打印机喷嘴拉出。此外，在一些实施方案中，进给机构可以结合到传感器和控制器环路中，以基于细丝的张力，提供沉积速度、打印机头速度和/或其他适宜的控制参数的反馈控制。

如上所述，构造成允许细丝从打印机喷嘴拉出的打印机系统可以以多种方式被使用。然而，在一个实施方案中，打印系统沿着直线型打印部从打印机喷嘴拖出细丝。在这样的动作中，打印机头可以以期望的速率移位，并且粘合到前面层或打印表面的沉积材料将施加拖动力到打印喷嘴内的细丝。因此，细丝将被从打印系统拉出并沉积到零件上。当沿着曲线和/或角部进行打印时，打印系统挤出和/或推出沉积的细丝到零件或表面上。当然，其中细丝在操作期间未从打印系统拖出和/或其中在曲线和/或角落时细丝从打印机头拖出的实施方案也可以考虑。

使用连续芯增强丝的目前描述的三维打印方法也使得能够桥接以前不能由三维打印机所跨越的大空气间隙。尽管不希望受到理论的束缚，但是包括未熔融(即实心)连续芯的拉伸的连续芯增强丝的沉积使得沉积材料能够一方面由打印头保持并且另一方面粘附到打印零件上。然后，打印头可以横越开放的间隙，没有材料下垂。因此，打印机可以在自由空间中打印，使得打印机跳过间隙，基本上打印两点之间的桥。这使得能够构造空心部件，而无需使用可溶的支撑材料。

图8示出了由连续芯增强丝进行的自由空间打印。使得连续芯增强丝2b在点44处附着到零件上并在点46处由打印头保持，可以桥接间隙48。在典型的FFF打印机中，挤出的材料会下垂，并落入间隙48中，因为它被熔融并且未被支撑。然而，具有支撑熔融聚合物的非熔融材料的连续芯使得能够在自由空间中打印，有利地实现了许多新类型的打印。例如，图9所示的闭合断面盒由桥接间隙48并被固定到相对的部分52和54上的部分50形成。虽然本实施例示出了封闭的断面桥，但是自由空间打印也可以被用来制造不能用典型的非支撑材料来打印的悬臂和未支撑的梁。

在一些实施方案中，如冷却空气喷射等冷却机构可以应用于挤出的材料以通过使芯周围的聚合物材料凝固来进一步防止下垂。挤出的材料可以在建造具有跨过间隙的部分的部件的同时被连续冷却。可选择地，在一些实施方案中，挤出的材料可以仅在间隙上被挤出的同时被冷却。尽管不希望受到理论的束缚，但是对材料仅在间隙上时进行选择性冷却可以产生与之前沉积的材料层之间更好的粘合性，因为沉积的材料处于升高温度下较长时间段，这加强了相邻层之间的扩散和结合。

在上述实施方案中，切断刀片位于喷嘴的上游以当打印机需要时选择性切断连续芯。虽然该方法是有效的，但是有可能丝束预浸料不会在切断机构和喷嘴之间正确地“跳过间隙”。因此，在至少一些实施方案中，希望提高在切断步骤之后重新穿进芯材料的可靠性。

如下面更详细说明的，在一些实施方案中，切断机构被设计成在切断操作之后减小或消除未支撑的间隙。在这种实施方案中，可以使用管形剪切刀。如下面更详细说明的，丝束预浸料包含在彼此相对剪切以切断丝束预浸料的两根交叉管内。在这种实施方案中，间隙足以容纳两者彼此倾斜的移动。管随后移回对齐以继续进给材料。在这种机构中，有效地没有在切断操作之后将要跳过的间隙，因为管在切断之后重新对齐。在一些实施方案中，在切断后通过使导向管一起轴向移动减小或消除切断操作所需要的间隙，因此，消除间隙并且防止纤维不得不跳过间隙。在其他实施方案中，如下面更详细说明的，切断机构可以集成到打印机头喷嘴的末端以消除对间隙的需求。

图10示出了基于压缩的连续芯打印头。如图所示，输入材料是在拉伸下被拉入进给辊40和42中的诸如连续芯丝2等丝束预浸料。为了便于引导以及保持使连续芯丝2与辊40和42对齐，在一些实施方案中，连续芯丝2通过位于辊的上游的导向管74。在通过辊之后，连续芯丝2被压缩放置。如上所述，取决于材料在压缩下的长度以及施加的力的大小，连续芯丝2可能弯曲。因此，在一些实施方案中，连续芯丝2通过位于辊的下游和喷嘴的上游的紧密配合的导向管72。导向管72将引导连续芯丝2并基本上防止其弯曲。与上述实施方案类似，对应于刀片的切断机构8位于导向管72的下游。附图中示出了在打印机头70和切断机构8之间存在的间隙62。当连续芯丝2被切断机构8切断时，该材料通过从间隙62的一侧传递到另一侧并进入接收管64被“重新穿进”。在一些实施方案中，接收管64有利地在材料的玻璃化转变温度以下，使得整个切断操作发生在固体材料内。在所示的实施方案中，隔热件66位于接收管64和热熔喷嘴68之间。隔热件66减小从热熔喷嘴68到接收管64的热传递。与之前的实施方案类似，在构造压印盘16上逐层14沉积连续芯材料2。图11是包括上述部件的系统的照片。

在一些实施方案中，与图10所示的装置一起使用的细丝设置在卷筒76上。当以这种形式提供时，该材料被预成型、基本上是实心并且基本上是刚性的。例如，可以提供预浸渍的芯增强丝。由于该材料已经形成，所以在使用期间不太可能粘住各个部件和/或分层，就像可以包括或不包括未固化的树脂的未加工的丝束预浸料可能会出现的情况那样。通过提供预成型状态下的细丝，该细丝除了更容易操纵之外还能够支持压缩力。这便于在系统穿线期间的处理以及便于在使用如本文所述的基于压缩的打印机头沉积期间向材料施加压缩力。

尽管不希望受到理论的束缚，但是跳过图10所示的间隙62时的难度源于一些关键区域。重新穿进时的第一难度是由于以下这种事实，与在细丝已被穿线之后并且两端被完全支撑和限制时相比，在穿线期间当细丝的端部没有被支撑时，该细丝本质上更灵活。更具体地，当重新穿进时弯曲模式是第二级，与对应于第一级弯曲模式的仅在上游端受限制的细丝相比，其在本质上更硬并且不容易弯曲或屈曲。此外，在细丝已被穿线之后，下游部分用于引导所有随后的流动材料进入管中。最后，切断细丝向进料引入变形，这可能导致细丝和接收管64的不对齐。这种不对齐可能导致细丝在切断之后不适宜地进给到接收管64中。这种变形可以通过使用硬性基质材料和锋利的切断刀片来最小化。然而，刀片磨损以及希望使用不同类型的材料意味着，在一些应用中，可能希望使用不同切断机构或额外的特征来提高穿线可靠性。

有几种提高使细丝穿线通过切断机构的可靠性的方式。例如，在一个实施方案中，间隙62被选择性地增大或减小以允许引入刀片。在这种实施方案中，当不使用时，切断机构8被从间隙62去除并且导向管72朝向接收管64位移。这减小了并且在一些实施方案中消除了在重新穿进期间的间隙62。可选择地，导向管72可以构建和配置成伸缩，使得导向管的一部分朝向接收管64移动，同时导向管的另一部分保持固定定位以减小间隙。在另一个实施方案中，使用被沿着导向管72轴向向下引导的如空气等加压流体的流减小了重新穿进误差。加压流体在如图所示的切断机构8处离开导向管72。尽管不希望受到理论的束缚，但是在连续芯丝2或其他合适的材料正向通过间隙62时，轴向流体流会使流体流内的材料居中，因而有助于使材料与接收端16对齐。这个实施方案也可以有利地用于在使用期间冷却导向管72。这可能有助于促进高速打印和/或更高的打印温度。流体流也可以有助于减小材料通过导向管时的摩擦。

图12A示出了剪切切断机构的一个实施方案。剪切切断机构也消除图10的间隙62，这会提高穿线的可靠性。与上述的类似，连续细丝400被驱动轮408压缩驱动，并由紧密配合的导向管420接收。该材料被压缩驱动通过上部剪切切断引导块406、下部剪切切断头402和加热的打印头404。上部剪切切断块406和下部剪切切断头402彼此相对位移以向细丝施加剪切力来将其切断。虽然在附图中示出了特定机构，但是应该理解的是，可以使用能够向材料提供剪切力的任意构造。例如，第一和第二剪切元件可以包括形状和尺寸制成接受细丝的对齐通道。第一和/或第二剪切元件然后可以彼此相对位移以使在第一和第二剪切元件中形成的通道不对齐并向细丝施加剪切力来将其切断。此外，剪切切断机构可以位于打印头内或打印头的上游，本公开不受此限。

图12B示出了相对于剪切切断头402平移的上部剪切切断块406。如上所述，当上部剪切切断块相对于剪切切断头平移时，细丝段422被从连续细丝400剪断。如果希望简单的切断，那么剪切头402可以返回到相对于上部切断块406的原来位置。在所呈现的图中，上部块移动。然而，取决于特定设计任一块或两个块可以移动。剪切切断和返回动作是最简单的切断构成。在剪切切断和返回之后，细丝400的端部整个俘获在导向管中。因此，没有要跳过的间隙，因此，提高了将细丝正向进给到零件的下一部分的可靠性。

除了简单地进行材料的剪切切断之外，在一些实施方案中，可能希望提供具有多种类型的材料和/或操作的打印能力。图12A示出了包括任选的转位台414和416的系统的一个实施方案。当剪切头402平移到任一台时，可以额外发生多个有用的操作。在一个实施方案中，台416是清洁台并包括可以通过打印头404进给以清洁喷嘴的清洁材料410。在一个实施例中，该材料是像黄铜、铜、不锈钢和铝等一样的金属。这使得喷嘴能够被加热，并充入具有比原料更高的熔融温度的材料。在一个实施方案中，打印头404被移动到打印清洁台，例如，后面的角落或其他适宜的位置。打印头404然后被加热并转位到台416。然后将清洁材料410进给通过喷嘴以清除存在的任何障碍物。上部剪切切断块406和下部剪切切断头402的剪切切断动作然后可以切断牺牲性清洁件以防止它们被向上拉回喷嘴，从而向喷嘴引入污染物。然而，在一些情况下，清洁剂可以可循环地被向下推，并向上拉回通过喷嘴。在另一个实施方案中，清洁台416被用来推动诸如高压空气、液体、固体、气体、等离子体和溶剂等任意数量的清洁剂通过喷嘴以进行所希望的清洁功能。

除了上述之外，在一些实施方案中，三维打印系统也包括对应于不同材料412的台414。取决于特定应用，第二材料可以是诸如铜等导电材料、诸如光纤等导光材料、第二芯增强丝、塑料、陶瓷、金属、流体处理剂、焊料、焊膏、环氧树脂或任意其他所希望的材料，本公开不受此限。在这种实施方案中，打印喷嘴404被从其他台中的一个转位到台414以沉积第二材料412。当使用第二材料的打印功能完成时，打印喷嘴404然后从台414转位到所希望的台和对应的材料。

图13示出了包括在剪切切断块中形成的多个喷嘴404和424的剪切切断块402。在一个实施方案中，喷嘴404具有比喷嘴424大的打印孔口，使得较大直径丝束预浸料和/或纯的聚合物材料能够以更快的体积沉积。在另一个实施方案中，第二喷嘴424基本上与喷嘴404相同。因此，第二喷嘴424可以用作替换喷嘴，如果喷嘴404被堵塞，那么其可以被自动切换到使用状态。具有额外的喷嘴将减少尤其在无人值守打印(例如整夜)时机器的停机时间。与上述的类似，第一和第二喷嘴404和424可以在不同台之间转位。

图14A示出了包括入口502和出口504的喷嘴500。喷嘴出口504的几何形状包括尖锐的出口角。虽然一些实施方案可以使用在出口具有尖锐的角的喷嘴，但是尖锐的角可能在连续芯打印时导致纤维的切断。此外，其可能刮掉金属芯的镀层和施加到结合在芯中的光缆上的处理。因此，在一些实施方案中，希望在喷嘴的出口提供平稳过渡。图14B示出倒角的喷嘴出口506，其在测试中减少了纤维的剪切切断。平滑圆形喷嘴出口508有利地减少了非熔融连续芯的剪切和切断。应当理解的是，在喷嘴的出口的特定过渡设计包括诸如倒角、圆角和过渡的度和长度等方面以及将取决于被使用的特定材料而变化的其他适宜的考虑。例如，Kevlar具有极强的耐磨性，而玻璃纤维很弱。因此，虽然包括45°倒角的喷嘴对于Kevlar可能是足够的，但是当与玻璃纤维一起使用时其可能导致断裂股线。然而，通过使用额外的倒角或其他特征，可以消除在打印期间玻璃纤维芯的断裂。

如图所示，喷嘴出口几何形状506和508提供了从垂直到水平面的平稳过渡以避免意外切断芯材料。然而，在一些实施方案中，可能希望切断连续芯以切断细丝。在喷嘴500的末端切断连续芯的一种方法是在垂直Z方向上向下推动喷嘴，如箭头510所示。如图14C所示，在一些实施方案中，喷嘴出口508的拐角处被锐化并在Z方向上取向以使得在出口撞击并切断材料时出口能够切断连续芯。为了便于使用这种方法切断材料，可能希望在拉伸下放置材料。这种拉伸可以以任意数量的方式提供，例如包括使用进给机构提供材料的坚固保持、使进给机构反转和/或移动打印头。可选择地，喷嘴500可以保持静止，同时进给机构被反转以抵靠喷嘴出口的边缘拉动材料并将其切断。在另一个实施方案中，切断可以通过简单地使股线在拐角处“断裂”来实现，股线在拐角处通过在不进料的情况下使打印头前进而离开喷嘴，从而形成拉伸直到芯被切断。通常，这会在喷嘴出口的拐角处发生。在本实施方案中，可以选择折衷喷嘴设计。喷嘴出口几何形状可以被稍微锐化以增强切断。

在另一个实施方案中，喷嘴的一部分可以被锐化并指向喷嘴出口的内部以有助于切断通过喷嘴输出的材料。如图15A～15D所示，喷嘴600含有从倒角型喷嘴离开的连续芯丝2或其他合适的材料。如图所示，喷嘴600具有平滑倒角。此外，喷嘴600包括位于喷嘴的远端出口的环602。环602的大部分是环的非切断部分并且成形和配置成使得其不干扰从喷嘴输出的材料。然而，环602也包括被锐化并向内朝向喷嘴600内所含的材料取向的切断部602a，参见图15B～15D。取决于具体实施方案，切断部602a是锋利的切断刀片。切断部分可以由切削钢、不锈钢、碳化物、陶瓷或任意合适的材料制成。如图15D所示，在一些实施方案中，切断部602a占据喷嘴出口面积的一小部分。在这种实施方案中，切断部602a可以永久地附着在喷嘴出口内所指出的位置，或者其也可以选择性地在打印过程期间缩回并当希望切断打印材料时展开到切断位置，本公开不受此限。可选择地，在其他实施方案中，切断部602a凹进到喷嘴出口的边缘使得其在正常操作期间不撞击离开喷嘴的材料。例如，如图15C所示，切断部602a可以形成喷嘴出口的边缘的一部分。也可以考虑切断部602a相对于喷嘴出口的其他配置。此外，虽然切断部602a描述为结合有连接到喷嘴上的环，但是也可以考虑其中切断部由喷嘴出口形成或直接连接到喷嘴出口上的实施方案。

关于图15A～15D所示的实施方案，当希望切断从喷嘴挤出的材料(例如，连续芯丝2)时，喷嘴相对于在表面上构建的零件在方向D上平移，参见附图中所示出的箭头。在这种平移期间，连续芯丝2未通过喷嘴进给。因此，连续芯丝2及在其中包含的芯有效地保持在适当位置。这导致通过周围聚合物基质4朝向切断部602a位移的芯材料6的拉伸。随着向连续芯丝2施加越来越大的张力，芯6被切断部602a切断。可选择地，在一些实施方案中，表面和/或零件如所公开的相对于喷嘴平移，或连续芯丝2使用进给机构被缩回以向芯材料6施加所希望的张力来进行切断动作。

虽然在附图中示出了具有特定尺寸的实心芯，但是应该理解的是，本公开不受此限。相反，这种切断机构可以与实心芯、多丝芯、连续芯、半连续芯、纯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可以具有任意合适的尺寸使得其对应于附图中所示出的材料的较大或较小比例。除了上述之外，对于诸如光缆等一些材料，切断部602a在芯6的侧面形成小的刻痕，并且喷嘴相对于零件的额外平移完成切断。对于诸如复合纤维等其他材料，如上所述，当芯6在拉伸下放置时，喷嘴的圆形几何形状使得其指向切断部602a。因此，所得到的朝向切断部分的芯的固结(例如压实)能够利用较小部分刀片切断大的纤维。在另一个实施方案中，芯6是实心金属芯或包括多根金属股线。例如，芯可以由铜制成。在这种实施方案中，切断部分106a在材料中形成足够的薄弱点，以使芯的足够拉伸造成芯股线在喷嘴出口断裂。再次地，芯的拉伸可以通过喷嘴相对于零件的平移、材料的反向驱动或它们的组合来完成。

在另一个实施方案中，切断部602a是加热芯以切断它的高温加热元件，在一些应用中其被称作热刀。例如，加热元件可以将芯加热到熔融温度、碳化温度或其中芯的抗拉强度足够低使得其可以利用充分拉伸而断裂的温度。应当理解的是，加热元件可以直接或间接加热芯。此外，在一些实施方案中，该元件是高带宽加热器，使得其快速加热，切断芯，并快速冷却，而不向打印零件赋予有害热量。在一个具体实施方案中，加热元件是在能够加热芯和/或周围材料的适宜的频率下操作的感应加热元件。在这种实施方案中，感应加热器将芯加热到所希望的温度以将其切断。这种实施方案可以与许多不同材料一起使用。然而，在一个实施方案中，感应加热器与包含诸如铜等金属芯的连续芯丝一起使用。感应加热元件直接加热金属芯以切断股线。在其中加热元件间接加热芯的情况下，可以不必在切断芯之前使材料拉伸。相反，芯可以被切断并且喷嘴随后平移以使材料在喷嘴出口断裂。

图16示出了在所示的实施方案中的基于喷嘴末端的切断机构的另一个实施方案，切断元件604设置在喷嘴600的远端。虽然可以使用任意适宜的配置，但是在所示的实施方案中，如图所示，切断环设置在喷嘴的远端周围。切断环604包括朝向附图中所示的沉积的连续芯丝2取向的锋利边缘。在这种实施方案中，切断元件604或其一小段向下朝向沉积的材料致动以切断连续芯丝2的芯。在另一种形式中，内部喷嘴600相对于切断元件604向上平移。在这种实施方案中，挤出喷嘴600可以被弹簧向下加载。因此，可以通过驱动进给头进入相对于切断环的部分，从而压低内部进给头并使得切断环能够作用于芯材料来执行切断。在任一情况下，使连续芯丝2与切断元件604接触，并且切断芯材料6。

虽然以上说明了几种不同类型的切断机构，但是应该理解的是，可以使用能够切断芯和/或周围基质的任意适宜的切断机构。因此，本公开不应当仅限于这里所描述的切断机构、在这些实施方案中所描述的芯、特定芯材料和结构。

如上所述，基于张力的三维打印系统表现出一些局限性，包括不能制出平面或凸面形状以及与在最初和各个切断之后使打印材料穿线通过系统相关联的难度。相比之下，基于压缩的三维打印系统提供了多种益处，包括能够制出平面和凸面形状以及改进了材料的穿线。然而，如之前所述，在一些操作模式下，和/或在一些实施方案中，材料可以在张力下被系统沉积，本公开不受此限。

再次参照图10，三维打印系统可以包括能够向进给到打印机头70中的连续芯丝2施加压缩力的诸如辊40等进给机构。然而，如上所述，使用压缩力挤出丝束预浸料、股线、纤维或其他类似材料可能导致弯曲。因此，希望当材料处于压缩下时防止材料弯曲。尽管不希望受到理论的束缚，但是当复合纤维限制在适当位置时，如当它们由基质保持在适当的位置时，复合纤维异常地坚硬。然而，当不强行阻止复合纤维在偏轴方向上移动时，复合纤维当在预浸渍的形式下干燥时容易弯曲。因此，在一些实施方案中，希望限制材料在偏轴方向上的移动。虽然这可以以多种方式来完成，但是在一个实施方案中，如上所述，一个或多个紧密配合导向管72位于进给机构和接收管64或喷嘴的另一个入口之间。沿着纤维长度定位的一个或多个紧密配合导向管72有助于防止弯曲。诸如辊40等进给机构和导向管72的入口之间的距离可以选择为也基本上避免材料弯曲。在一些实施方案中，希望导向管是紧密配合和平滑的，使得它们的形状和尺寸基本上与连续芯丝2匹配。在一个具体实施方案中，导向管是圆形皮下注射管。然而，也可以考虑其中导向管的尺寸和成形成接受卵形、正方形、带状材料或任意其他适宜形状的材料的实施方案。在一些实施方案中，如下面更详细说明的，连续芯丝2可以包括平滑的外涂层和/或表面，这与其中芯可以戳穿外套的张力卷绕系统不同。这种平滑的外表面可以有利地减小材料在紧密配合导向管内的摩擦。

在一些实施方案中，三维打印系统不包括导向管。相反，进给机构可以位于离诸如接收管64等喷嘴的入口足够近的位置，使得连续芯丝2从进给机构到喷嘴入口的长度足够小以避免弯曲。在这种实施方案中，可能希望将由进给机构施加的力限制为低于进给到喷嘴中的连续芯丝或其他材料的预期弯曲力或压力的阈值。

除了使用压缩沉积来材料之外，当前描述的三维打印机也可以与压实力一起使用以提高最终零件性能。例如，图17A示出了利用施加的压实力或压力62通过打印机头60挤出的诸如连续芯增强丝2等复合材料。压实力将具有初始形状的初始连续芯增强丝2a(参见图17B)压缩成下面的前一层并压缩成第二压实形状(参见图17C)。压缩的连续芯增强丝2b扩散到在同一层上的相邻股线2c中并被压缩成材料的下层股线2d。这种类型的压实通常通过压力板或真空装袋步骤在复合材料中实现，减小了增强纤维之间的距离，并且提高了所得到的零件的强度。虽然可以使用打印机头70来直接向沉积的材料施加压缩力，但是压缩沉积的材料的其他方法也是可行的。例如，沉积的材料可以使用以下方法压实：通过头后面的尾部压力板施加的压力；一次向整层施加压实力的跨过整个零件的全宽度压力板；和/或可以施加热以使层中的树脂回流并实现在最终零件内所希望的压实量。

如上所述，参照图18A，在熔丝制造(FFF)三维打印机中所使用的喷嘴700通常在喷嘴的末端采用缩口以当固体的非熔融塑料首先在入口702进入喷嘴中并前进到加热块704时将其捕捉。收敛型喷嘴出口706施加仅使材料一旦熔融时能够通过喷嘴并且可以经由显著较小直径出口706挤出的反压力或减速力。与熔丝制造相关联的一个问题是，由于捕捉材料而没有办法将其喷射出去的收敛型喷嘴设计而最终堵塞和堵住打印头(喷嘴)。此外，降解的塑料在喷嘴内积聚，这最终堵塞喷嘴或改变挤出打印头。此外，为了清洁收敛型喷嘴，进给细丝必须向后反转向上通过喷嘴，可能污染回到细丝卷筒的进给路径。在反转通过整个进给路径之后，被污染的进料的前端必须从进给卷筒切断，并且卷筒必须重新穿线通过机器。由于这些原因，在大多数FFF三维打印机上的喷嘴被认为是定期替换的磨损件。

已经意识到与收敛型喷嘴相关联的这些限制，本发明人认识到了与扩张型喷嘴相关联的益处。在扩张型喷嘴中，流入材料在从进给区移到加热的熔融区时会膨胀，从而使得已进入进给区的任意特定物质能够被从更大的加热区喷射出。此外，与如下面更详细说明的通过整个喷嘴回收材料相比，扩张型喷嘴由于喷嘴出口去除材料而更易于清洁并且也可以允许材料被除去以及正向进给的方式。

图18B示出了包括与冷进给区712流体连接的材料入口710的喷嘴708。在所示的实施方案中，入口710和冷进给区712对应于具有第一尺寸和形状的腔室或通道。冷进给区712设置在加热区714的顶部并与该加热区流体连接。加热区714中所示出的腔室或通道横向于当位于其中时细丝路径的截面积大于位于冷进给区712中的腔室或通道横向于细丝路径的截面积。此外，在一些实施方案中，喷嘴出口横向于细丝路径的截面积大于喷嘴入口横向于细丝路径的截面积。喷嘴也包括喷嘴出口716。在使用期间，材料从喷嘴入口710进入、通过冷进给区712并进入加热区714。然后，材料通过喷嘴出口716输出。在一些实施方案中，冷进给区712由比加热区714的材料导热少的材料构成。这可以允许材料通过冷进给区712并进入加热区714而不软化。在一个具体实施方案中，扩张型喷嘴通过使用诸如聚四氟乙烯等低摩擦进给管形成，该低摩擦进给管进给到位于喷嘴内的较大直径的加热区中，使得加热区的一部分在管的下游露出。此外，取决于实施方案，冷进给区和加热区中的一个或两个可以由诸如聚四氟乙烯等低摩擦材料构成或涂布有诸如聚四氟乙烯等低摩擦材料。虽然已在附图中示出冷进给区和加热区之间的急剧过渡，但是也可以考虑其中存在从较小入口到较大出口的逐渐过渡的扩张型喷嘴的实施方案。

FFF的一种常见失效模式是熔融区最终逐渐上升到冷进给区，称为“堵塞”。当熔融区过高进入进给区中然后在打印期间冷却时，头会堵塞。具有扩张型喷嘴通过使得熔融塑料能够从较小通道运载到扩张型喷嘴的较大腔室中而大大降低了堵塞的可能性。此外，如下面所述，扩张型喷嘴也更容易清洁。

图18C示出了其中扩张型喷嘴708已被在加热区714内形成并被移除的插塞718阻塞的情况。有利地，扩张型喷嘴可以使用正向进给清洁循环清洁。在一个实施方案中，正向进给清洁循环通过将塑料的一部分挤出到打印床上使得塑料粘附打印床来开始。可选择地，该系统可以将材料沉积到位于远离正常构建台的打印系统后面的清洁区域上或任意其他适宜的表面上，本公开不受此限。在附着到表面上之后，系统被冷却，以允许位于加热区714内的材料冷却到材料的熔融温度以下。在凝固之后，打印床和喷嘴彼此相对移动以从喷嘴708提取插塞718。例如，打印床可以在z方向上向下移动。可选择地，包括喷嘴的打印机头可以在垂直z方向上远离打印床移动。此外，在一些实施方案中，与进料相关联的进给机构被驱动以在从喷嘴拉出插塞时向材料施加额外的力。无论哪种方式，然后，将插塞从喷嘴拉出，有利地去除之前粘附在壁上的残渣，并且不必通过进给路径从喷嘴缩回进料而完成。虽然任意合适的材料可以与扩张型喷嘴一起使用，但是在一些实施方案中，扩张型喷嘴与含有尼龙的材料一起使用。这可能是有益的，因为尼龙的热膨胀系数使得其在冷却期间稍微拉离喷嘴并且尼龙表现出低的摩擦系数。再次地，在冷进给区和加热区的一个或两个内使用聚四氟乙烯可以有助于促进在喷嘴内形成的插塞的容易去除。

虽然使用其中通过将插塞附着到表面上来清洁扩张型喷嘴的方法，但是在另一个实施方案中，清洁循环通过简单地将塑料的一部分挤出到自由空气中来进行。然后，可以允许塑料在被用手或使用自动过程去除之前冷却。当去除材料时，附着到该材料上的任意插塞也被去除。

在另一个实施方案中，正向进给清洁循环与稍微收敛型喷嘴一起使用。例如，可以使用出口与入口比为60％以上的收敛型喷嘴，但是其他出口与入口比也是可行的。用于这种喷嘴的正向挤出清洁方法包括挤出熔融材料的一部分，和任选地将其附着到打印床上。然后使加热的喷嘴冷却。在冷却过程期间，拉动材料的喷出部分使得位于加热区内的材料被拉伸，从而减小材料的直径。材料可以被拉伸到使得位于加热区内的材料的直径小于喷嘴出口的直径的程度。此外，一旦材料冷却，进一步拉动使得直径能够通过材料的泊松比收缩，从而进一步促进位于喷嘴内的残存物的去除。在一些实施方案中，材料通过用手或其他外部装置向挤出的材料施加力而被拉伸。在其中材料被附着到表面上的其他实施方案中，如上所述，打印机头和/或表面彼此相对位移以向材料施加力而提供所希望的结构。上述方法使得稍微收敛型喷嘴的正向进给清洁能够利用正向的材料流清洁。

虽然以上讨论了扩张型喷嘴，但是也可以考虑其中直线型喷嘴用于FFF打印的实施方案。图19A示出了包括基本上具有与喷嘴出口722相同尺寸的入口724的喷嘴720。诸如连续芯丝2等材料通过冷进给区712并进入加热区714。在一个实施方案中，冷进给区是由诸如聚四氟乙烯等导热系数低的材料制成的低摩擦冷进给区。相应地，加热区714由诸如铜、不锈钢和黄铜等更导热的材料制成。不论具体结构如何，在熔融后，连续芯丝2被沉积并附着到构造压印盘16或其他适宜的表面上。直线型喷嘴非常适合小直径的细丝，约“0.001～0.2”的数量级。然而，也可以考虑其中直径大于和小于以上数值的材料与基本上直线型喷嘴一起使用的实施方案。尽管不希望受到理论的束缚，但是与这些小细丝相关联的低的热质量允许它们快速升温。此外，小尺寸允许这些材料以基本上与它们被进给到打印头中时一样的尺寸被挤出。与扩张型喷嘴类似，基本上直线型喷嘴提供了正向进给清洁循环的优点，使得冷却的插塞能够被从末端去除并且基本上避免收集喷嘴内的颗粒和残渣。

与图19A中所示的喷嘴类似的喷嘴也可以与典型的未加工的丝束预浸料734一起使用。然而，这可能导致与使用未加工的丝束预浸料的典型三维打印系统类似的堵塞。该堵塞是在初始缝合操作中试图“推动”柔性复合材料股线通过喷嘴的结果。图19B示出了当在初始缝合操作期间通过喷嘴720输出未加工的丝束预浸料以将其附着到零件或构造压印盘上时会发生的情况。即，不是如期望的那样被推动通过喷嘴，而是未加工的丝束预浸料734中的各个纤维倾向于粘住喷嘴的壁并且相应地开始在736处弯曲和卷曲。换句话说，位于未加工或柔性丝束预浸料中的柔性纤维很可能分层并堵塞喷嘴。柔性材料可以包括但不限于双组分混合环氧树脂或激光固化树脂的熔融热塑性和/或未固化的塑料，但是其他柔性材料也是可行的。

与上述不同的是，与扩张型喷嘴内的预浸渍连续芯丝相关联的缝合过程不会受到相同的限制。更具体地，图19C～19E示出了使用通过扩张型喷嘴进给的刚性预浸渍连续芯丝缝合从而减少或基本上消除堵塞的方法。图19C示出了位于冷进给区712内的连续芯丝2。取决于具体实施方案，材料可以位于距离加热区714达5英寸以上的数量级的位置，但是也可以考虑其他距离。此外，在其中材料具有较大的热容量和/或硬度的实施方案中，其可以位于距离加热区714更近的位置以在缝合之前提供材料的预加热。在位于低于基质的熔融温度的冷进给区712内时，连续芯丝2基本上保持为实心和刚性的。在正要打印之前，连续芯丝2都保持在该位置。在该点，连续芯丝2被快速缝合通过喷嘴，即，位移通过喷嘴出口，参见图19D。由于冷进给区712进给到对应于加热区714的较大腔室中，所以当缝合材料时，通过仍然位于冷进给区的出口中的细丝的部分阻止连续芯丝2触碰加热区714的壁，参见图19D。通过快速进行缝合，基质的熔融可以被最小化以维持复合材料的硬度。通过维持材料的硬度并且防止材料被缝合之前熔融，可以防止纤维剥离、卷曲和/或在喷嘴内堵塞。这可以使得进料能够更容易被推动到热熔融区中并通过热熔融区。在一些实施方案中，为了冷却喷嘴，一股压缩空气可以在缝合之前和/或在缝合期间经由喷嘴射入以减小粘到喷嘴的侧面的机会。此外，喷嘴的加热区714的加热可以在缝合过程期间被减少或消除，从而也减小粘到喷嘴的侧面的机会。

随着连续芯丝2的进给继续，连续芯丝2最终接触构造压印盘16或其他适宜的表面。然后，连续芯丝2通过喷嘴相对于构造压印盘16的运动被拖动跨过表面。这导致连续芯丝2接触加热区714的壁，如图19E所示。可选择地，代替平移打印机头，可以将材料驱动到长于喷嘴长度长的长度。当喷嘴的出口被零件的之前层或被打印床阻挡时，材料会弯曲并接触加热区714的壁。不论采用什么具体方法，在接触加热区714的壁之后，连续芯丝2被加热到所希望的沉积温度，该温度能够将沉积的材料熔化到所希望的表面和/或下面的之前沉积的层，因而能够进行三维打印。例如，一旦打印头的平移开始，基质材料接触加热区的壁并被加热到基质材料的熔融温度。利用以上述方式操作的系统获得的缝合速度能够以约2500mm/min～5000mm/min的速度缝合。然而，缝合速度会基于喷嘴加热、基质材料和其他适宜的设计考虑而变化。虽然以上说明了特定缝合方法，但是应当指出的是，也可以采用其他类型的缝合和熔融技术，本公开不限于任何特定技术。

也如图19C～19E中所示，在一些实施方案中，喷嘴708可以包括位于喷嘴出口716的远端的圆形或倒角的唇缘726或其他结构。这可以用于两种目的。第一，如之前所述，在喷嘴出口的逐渐过渡可以有助于避免使连续芯破裂。此外，在一些实施方案中，唇缘726位于使得在沉积连续芯丝2时唇缘向该连续芯丝施加向下的力的位置。这可以在沉积材料时向材料有效施加压实力，这可以将连续芯丝向下“熨平”到之前层。如上所述，施加到材料上的压实力可以提供多种益处，举例来说，包括提高强度和减小孔隙空间。这种压实力可以通过使唇缘726位于相对于沉积表面一定距离的位置来提供，该距离小于连续芯丝2的直径。然而，对于足够硬的材料，使用大于连续芯丝直径的距离提供的压实力也是可行的。这个距离可以使用诸如上述的测距仪等适宜的传感器确认。在一些实施方案中，唇缘726与基本上直线型喷嘴720或稍微收敛型喷嘴结合，本公开不受此限，参见图20A。

虽然以上实施方案涉及包括冷进给区和单独的加热区的扩张型和直线型喷嘴，但是也可以考虑其中收敛型喷嘴包括单独的冷进给区和加热区的实施方案。例如，图20B示出了包括进给到与加热区714流体连通的冷进给区712中的喷嘴入口730的喷嘴728。加热区714结合有收敛型喷嘴出口732。

在使用高的宽高比的收敛型喷嘴的实施方案中，可能希望使用优化成防止进料积聚和/或减小所需要的进给压力的喷嘴几何形状来驱动材料通过喷嘴出口。图21A示出了包括与内壁802对齐的入口806的典型的FFF喷嘴800。内壁802一直延伸到通向面积比入口806的面积小的喷嘴出口808的收敛部804。图21B～21D示出了包括平稳过渡的各种几何形状以减小在喷嘴内产生的反压力。

在一个实施方案中，如图21B所示，喷嘴810包括具有第一直径的入口806和内壁812。最初，内壁812是垂直的并且随后过渡到切线向内弯曲部814。在约45°的弯曲之后，出现拐点816并且内壁反向弯曲且弯曲到内壁812为垂直的。所得到的喷嘴出口818与入口810对齐，但是具有减小的第二直径。此外，所得到的来自出口的出口流会与入口流对齐，但是也可以考虑不与入口对齐的通过出口的流。

当希望聚合物链的取向度较低时，可以消除图21B所示的第一向内弯曲部814，使得使流转回到挤出方向上的最终几何形状变为更典型的倒角入口。图21C示出了一个这种实施方案。如图所示，喷嘴820包括过渡到指向喷嘴出口824的向下取向的弯曲部822的内壁。图21D示出了其中喷嘴826过渡到一直延伸到点830的标准倒角的喷嘴部828的另一个实施方案，在点830处该标准倒角过渡到向下取向的弯曲部832以限定喷嘴出口834。虽然附图中示出了并且以上说明了特定喷嘴几何形状，但是应当理解是，也可以使用其他类型的喷嘴几何形状，本公开不受此限。

在一些实施方案中，喷嘴包括防止滴出的一个以上的特征。例如，喷嘴可以包括与打印喷嘴室相关联的诸如一个或多个垫圈等适宜的密封件以防止空气流入喷嘴中。这可以基本上防止材料离开喷嘴，直到使用进给机构将材料主动挤出。在一些情况下，可能希望也包括在打印停止时防止从喷嘴滴出的其他特征。在一个具体实施方案中，喷嘴可以包括可以选择性地加热喷嘴出口以选择性地开始和停止来自喷嘴的材料的流动的可控加热器。在这方面，当加热器功率被降低时，出口附近的少量树脂可能凝固而形成皮或小的插塞以防止从出口流涎。在重新接通或增大加热器功率时，皮/插塞重新熔融以允许材料从喷嘴流动。在另一个实施方案中，喷嘴包括选择性地减小喷嘴内的压力以防止滴出的特征。这可以使用真空泵、封闭式气动缸或当进行不希望的喷嘴滴出时能够施加抽吸的其他适宜的配置来实现。当打印重新开始时，气动缸然后返回到中性位置，因而消除抽吸。图22示出了一个这种实施方案。在所示的实施方案中，挤出喷嘴900具有在离开喷嘴出口908之前通过一个或多个垫圈910进给到冷进给区914和加热区912的材料902。空气通道904与冷进给区914连接并与气动缸906流体连通。如图所示，间隙存在于材料902和冷进给区914之间，空气可以通过该间隙。因此，空气通道904同时与冷进给区914以及位于加热区912内的材料流体连通。在操作期间，气动缸906被从第一中性位置致动到第二位置以当打印停止时选择性地向空气通道904施加抽吸。由于空气通道904与加热区912内的材料流体连通，所以抽吸可以基本上防止位于加热区内的熔融聚合物滴出。一旦打印重新开始，气动缸906就可以返回到中性位置。

虽然以上说明了切断机构中喷嘴的各种实施方案，但是在一些实施方案中，希望使用不需要使用切断机构来切断的丝束预浸料或其他材料。鉴于上述情况，本发明人认识到与将含有半连续芯股线复合材料的材料与三维打印机一起使用相关联的益处。在这种实施方案中，含有半连续芯的材料具有被分成多个离散的股线的芯。芯的这些离散的股线可以对应于实心芯或它们可以对应于捆绑在一起的多个单个的细丝，本公开不受此限。此外，如下面更详细说明的，芯的这些离散的节段可以配置成使得它们不重叠，或它们可以在材料内配置成各种其他构造。在任一情况下，如下面更详细说明的，材料可以通过向该材料施加张力来切断。张力可以通过反向驱动打印机的进给机构和/或使打印机头相对于打印零件平移而不从喷嘴挤出材料来施加。

在一个实施方案中，含有半连续芯的材料包括相对于相关联的三维打印机喷嘴的熔融区大小定制成使得各股线可以被从喷嘴拉出来的了段。例如，熔融区可以至少与预浸渍的纤维束中各纤维的股线长度一样长、为预浸渍的纤维束中的各纤维的股线长度的一半长或任意其他合适的长度。在这种实施方案中，在打印终止时，含有半连续芯的材料通过使材料拉伸来切断。在使材料拉伸期间，埋在沉积于零件或打印表面上的材料中的股线提供使保持在喷嘴内的股线的一部分拉出的锚固力。如上所述，当各股线适宜地相对于喷嘴的熔融区定制大小时，位于挤出的材料内和喷嘴内的股线位于喷嘴的熔融区内。因此，当向材料施加张力时，位于熔融区内的节段被从喷嘴的熔融区拉出以切断材料。在其中使用较长的股线的实施方案中，也可以考虑其中至少一些股线被从沉积的材料的熔融区拉出并保留在喷嘴内的情况。上述方法可以产生芯材料的垂直取向的股线。这种垂直股线可以任选地被打印头推动，或它们是随后的沉积层。通过策略性地将垂直取向的股线放置在材料层内，通过提供层间加强的结合可以提高所得到的零件在z方向上的强度。

在另一个实施方案中，埋在对应的基质材料中的半连续芯包括具有离散的、分度的股线长度的多股线。因此，半连续芯的终止沿着材料的长度以预先限定的间隔发生。最初，由于终止位于预先限定的间隔处，所以股线长度可以大于相关联的喷嘴的熔融区的长度。例如，在一个具体实施方案中，半连续芯可以包括配置成3英寸长度并干净地分开使得来自一束的纤维不延伸到下一束中的各股线或股线束。当使用这种材料时，三维打印机可以运行规划算法以使股线中的断裂与打印中的自然停止点齐平的路径。在本实施方案中，具有比例与半连续股线长度相当的最小填充尺寸，因为打印机不能终止打印工艺，直到半连续股线的断裂与喷嘴出口对齐。因此，随着股线长度增大，在一些实施方案中，可以有利的是用纯树脂填充层的其余部分，其不具有最小特征长度。可选择地，孔隙可能留在零件中。在许多几何形状中，断面的外部部分提供了比芯更好的强度。在这种情况下，外部部分可以从半连续股线打印，直到最后的整数股线会不适合打印图案，在该点，其余部分可以是空的，或填充有纯树脂。

在另一个实施方案中，材料可以包括上述两个概念。例如，可以使用与位于较长股线之间的转变点的较小长度束平行的分度的连续股线，使得喷嘴中的熔融区包括使位于熔融区中的重叠股线拖出的足够距离。该方法的优点是减少了在较长整数连续股线之间的边界的薄弱点。在给定芯和基质材料的切断期间，希望切断力足够低以防止零件扭曲、吊起、上游纤维断裂或其他的有害作用。在一些情况下，股线可以在提取期间断裂，这在终止点是可接受的。虽然股线长度可以基于应用变化，但是对大规模打印来说典型的股线长度可以为约0.2～36”。

图23A～24D示出了从喷嘴沉积的半连续芯丝的各种实施方案。与图24A中所示的连续芯丝2对比。

如图23A所示，半连续芯丝1000包括位于基质材料1006内的第一股线1002和第二股线1004。半连续芯丝1000进入有利地在基质材料的玻璃化转变温度以下的喷嘴的冷进给区712。半连续材料1000随后流动通过加热区714，有时被称作熔融区。存在于半连续材料1000中的基质材料1006在沉积之前在加热区714内熔融。在从喷嘴离开时，半连续芯丝1000在锚固点1005附着到零件或构造压印盘16上。切断过程然后可以以多种方式发生。在一个实施方案中，切断通过使打印头相对于锚固点1005正向移动而不使半连续芯丝1000前进而发生。可选择地，打印头可以保持静止，并且上游半连续芯丝1000被缩回以施加所希望的张力。再次地，通过适宜地使股线长度大小定制成加热区的长度以确保位于喷嘴内的股线的整个长度在加热区714中，由锚固点1005提供的张力允许位于喷嘴内的第二股线1004的其余部分从加热的喷嘴拉出埋入的股线的残存物。

虽然图23A示出了两根股线，但是图23B和图24B示出了包括具有与上述类似的埋在基质材料1006中并位于打印机头中的相似大小的股线1010的分布的半连续芯丝1008。虽然三根股线示出为在交错线中，但是应该理解的是，这是股线的随机或交错分布的简化的图示。例如，材料可以包括约1,000股线的碳纤维(1k tow)。虽然可以预计股线长度1015的分布和各股线的定位，但是股线214可以定制大小以及分布成使得存在许多具有基本上相似长度的重叠股线。通过确保加热区714与股线长度1015成正比，可以更容易地将纤维残存物从喷嘴拉出。例如，尽管不希望受到理论的束缚，但是位于更下游(即，大部分沉积在零件内)的股线会容易从喷嘴拉出。大部分位于喷嘴中的股线最可能会保持在喷嘴内。一半在喷嘴中一半在外面的股线会随机留在喷嘴中或由于施加到沉积的材料和喷嘴内所含的大致相等长度的股线上的大致相等的力而被锚固点1005拉出。诸如冷进给区714和喷嘴出口过渡的设计以及聚合物熔体的粘度等喷嘴设计的各种参数、打印半连续芯丝在从喷嘴出口离开时的冷却度以及其他适宜的考虑将确定当向材料施加张力时如何切断半连续芯丝。

图23C和24C示出了分度的半连续芯丝1012，其中芯材料的终止在各部分基本上是完整的，从而能够在整数距离进行干净的切断。如图所示，材料包括埋在基质材料1006内的一个或多个芯节段1014的各个部分。芯材料的各个部分在预分度位置1016与芯材料的相邻部分分隔开。这种实施方案有利地允许材料在规定的位置的干净切断。这由彼此不重叠的不同部分中的各个股线来推进。这也使得能够使用大于喷嘴的相关联加热区714的长度的股线长度。在一些实施方案中，这也允许使用较小的加热区714。然而，除了所指出的益处之外，由于不同部分中的各个股线不重叠，所以材料会在对应于附图中所示出的预分度位置1016的这些边界位置表现出减小的强度。图25示出了这种半连续芯丝的使用。如图所示，多股线1100被沉积到零件或构造压印盘上。股线1100被沉积成使得它们形成转弯1102以及其他特征，直到打印头使其最终通过并如上所述在1104处切断材料。由于各股线比零件上的剩余距离要长，所以剩余距离1106可以留作孔隙或填充有诸如聚合物等单独的材料。

图24D示出了半连续芯丝和连续芯丝之间的混合工艺的例子。在所示的实施方案中，材料1018与以上参照图23C和24C所述的实施方案类似，包括包含位于预分度位置的埋在基质1006内的一个或多个芯节段1014的多个离散的部分。该材料也包括沿着材料的长度延伸的埋在基质1006内的连续芯1020。连续芯1020的尺寸可以定制成使得其可以被足够的拉伸力切断以使得能够简单地通过施加足够的拉伸力在预分度位置切断材料。可选择地，也可以使用上述各种切断方法中的任意一种。

虽然以上实施方案涉及可以不使用切断机构切断的材料，但是应该理解的是，半连续芯丝也可以与包括切断机构的三维打印系统一起使用，本公开不受此限。

在传统的复合材料结构中，复合材料的连续层可以在0°、45°、90°和其他希望的角度铺设以提供在多个方向上的零件强度。这种控制零件的定向强度的能力使得设计者能够提高所得到的零件的强度与重量的比值。因此，在另一个实施方案中，三维打印机的控制器可以包括沉积在一个或多个特定方向和位置上轴向对齐的增强纤维的功能。增强纤维的轴向对齐可以选择用于层内的一个或多个部分，也可以选择用于各层。例如，如图26所示，第一层1200可以具有第一增强纤维取向，第二层1202可以具有第二增强纤维取向。此外，第一层1200或任意其他希望的层内的第一部分1204可以具有与同一层内第二部分1206或任意数量的其他部分不同的纤维取向。

提供增强纤维的轴向取向以提供零件内的定向强度的概念可以进一步由三维打印机采用。更具体地，图27A～27C示出了利用打印机头1310进行的诸如电机或可以受益于各向异性的其他零件等各向异性物体的增材制造的方法。在所示的实施方案中，零件1300具有垂直取向的子部件1302，该子部件以该零件在与第一取向上的XY打印平面对齐的平面A取向的方式进行打印。在这个具体例子中，打印材料包括导电芯使得打印的子部件1302形成电机的缠绕线圈。在所示的实施方案中，线圈绕着Z方向缠绕。虽然说明了用于打印电机线圈中的特定材料，但是应该理解的是，其他材料可以用于各向异性零件中以用于任意数量的目的，本公开不限于任意特定材料或应用。

为了在零件1300上形成另一种线圈或其他各向异性子部件，图27B所示的夹具1304被添加到打印区域，但是其中在形成零件1300期间、之前或之后打印该特征的实施方案也是可行的。在一个实施方案中，夹具1304位于打印平面1306上或下面，并且轮廓制成在随后的沉积过程期间保持零件1300。该夹具也可以包括真空抽吸、带子、机械紧固件、打印卡扣配合件或任意其他适宜的保持机构以在随后的打印过程期间进一步保持零件。

在使夹具1304定位之后，零件1300位于夹具1304上，该夹具然后将零件1300保持在第二取向，使得平面A旋转到A’，从而可以将下一个子部件1308添加到零件1300。子部件1308再次在z方向上沉积，但是不在子部件1302的平面上，如图27C所示。虽然关于形成电机的缠绕线圈说明了本实施例，但是可以使用零件的一系列的夹具旋转或打印头以使得连续芯增强丝能够在最佳方向上对齐来形成任意各向异性物体以用于各种目的。

图28A示出了与在图27A～27C中所述的过程中形成的同样的各向异性零件，然而，不利用多个夹具，三维打印机能够绕着一个或多个轴旋转零件1300以及打印机头1310。如图所示，通过旋转轴1312使零件1300保持在适当的位置，其设定和控制平面A的取向。在图28B中，旋转轴1312已被旋转90°以在与子部件1302垂直的方向上形成子部件1308。相反，打印机头1310可以被绕着X^T和/或Y^T轴枢转以实现相似的结果。如图28A～28B所示，存在实现各向异性打印的许多方式。即，零件可以被移动和旋转，打印机头可以被移动和旋转，或可以使用它们的组合以打印各向异性零件。应当理解的是，基于加工目标和零件需要，可以将额外的自由度增加到零件1300或打印机头1310的旋转和移动。例如，在汽车应用中，旋转轴1312可以对应于旋转式烤架，使得车架能够绕着Y^T轴旋转以使连续纤维能够放在X-Y平面、Z-Y平面或其间的任意平面中。可选择地，沿着车身的外部轮廓的流体旋转可以用来在其旋转时在车辆上连续沉积材料。这种三维打印机可以任选地向打印机头增加X^T轴以使得能够生产随后的全部轮廓以及凹凸一体成型的结构。

除了旋转零件1300和打印机头1310之外，在一些实施方案中，支撑零件1300的工作台1314可以绕着Z^T轴旋转以使得能够形成给定纤维方向的纺丝部件。这种实施方案可以向具有优选方向一致性的独特进给和沉积头要求的芯材料的零件提供来自打印头的一致的打印弧。

在另一个实施方案中，零件的芯可以建成一系列二维平面。然后，三维打印机可以在平面外形成内部芯上的三维壳。芯支撑壳，其能够使得壳构建在芯的外部并可以沿着零件的侧面、在顶部上和/或沿着零件的背侧向下或沿着任意其他位置移动。尽管不希望受到理论的束缚，但是这种沉积方法由于与较长和更连续的材料长度相关联的提高的零件强度而可以有助于防止划界并提高零件的扭转刚性。平面外面的连续纤维增强的材料的进一步运行提供了大于典型的接合接头的平面外强度。

图29示出了与以上参照图28A和图28B所述的可以用来形成包括三维打印壳的零件的打印机头类似的三维打印机头1310。打印机头1310将诸如连续芯增强丝2等任意适宜的消耗性材料沉积到构造压印盘1314上形成一系列层1320以建造零件。打印机头1310能够表示在传统XYZ方向上，以及在X^T、Y^T和Z^T方向上枢转。使打印机头1310枢转的额外的自由度允许打印机形成壳和其他连续芯增强的平面外层以及二维层。

图30A～30C示出了使用图29所示的打印机头形成的各种零件。图30A示出了包括在XY平面中作为二维层沉积的多个部分1322的零件。部分1324和1326随后在ZY平面中沉积以赋予零件在z方向上的提高的强度。图30B示出了壳打印的相关方法，其中层1328和1330在XY平面中形成并覆盖有同时在XY和ZY平面中延伸的壳1332和1334。如图所示，壳1332和1334可以完全重叠由层1328和1330形成的下面的芯，参见部分1336，或壳中的一个或多个可以仅重叠下面芯的一部分。例如，在部分1338中，壳1332重叠两层1328和1330。然而，壳1334不完全重叠层1328并且形成如图所示的阶梯结构。图30C示出了另一个实施方案，其中增加了支撑材料1340以相对于构造压印盘或其他支撑表面升高零件，使得三维打印机的枢转头在零件和支撑表面之间具有空隙以使得壳1342能够沉积到零件芯的下层1344上。

上述打印机头也可以用来形成具有包括连续芯增强丝的不同取向的离散子部的零件。例如，在一个子部中的连续芯增强丝的取向可以基本上在XY方向上，而另一个子部中的方向可以在XZ或YZ方向上。这种多方向零件使得设计者能够恰好在零件需要强度的方向上运行增强纤维。

复合材料的高成本一直是广泛采用复合材料零件的主要障碍之一。因此，在一些实施方案中，三维打印机可以利用在选定的区域使用高强度复合材料并且在其他地方使用填充材料的填充模式，参见图30D～30G。因此，与上述的在零件上形成完全复合材料壳不同，在零件的外极端形成部分复合材料壳以对于使用的给定量的复合材料使零件的硬度最大化。如尼龙塑料等低成本基质材料可以用作填充材料，但是也可以使用其他材料。图30D中示出了完全由填充材料1350形成的零件。如图30E所示，复合材料1352沉积在零件的径向最向外部分上并向内延伸所希望的距离以提供所希望的硬度和强度的提高。零件的剩余部分由填充材料1350形成。可选择地，建造平面的部分可以被悬空。取决于所希望的强度和/或硬度，使用者可以增大或减小复合材料1352的使用量。这将对应于复合材料从零件的各个角落延伸更多或更少。这种复合材料1352的量的不同由一系列的图30D～30G所示。

当为给定水平的强度和硬度测定适宜的填充模式时，控制算法从追踪零件的外部角落和壁部分的同心填充模式开始，在指定数量的同心填充经过后，零件的剩余部分然后可以使用所希望的填充材料填充。所得到的结构使用最少的复合材料使零件的强度最大化。应该理解的是，虽然以上工艺针对二维平面进行了说明，但是其也可以应用于三维物体。

图31A～31C示出了在各个子部内具有不同纤维取向的翼形体的各个实施方案的截面。应该理解的是，虽然下面说明了翼形体，但是所述的实施方案也适用于其他应用和结构。

图31A示出了使得塑料沉积在同一平面中的三维零件的各部分的建造方法。具体地，部分1350、1352和1354都构建成同一XY平面取向。所示的部分在相邻接口连接，其边界为了说明的目的而被放大了。在另一个实施方案中，如图31B所示，零件构建了单独的部分1362、1364和1366，其中部分1362和1366的纤维取向1368和1372正交于部分1364的纤维取向1370。尽管不希望受到理论的束缚，但是通过使部分1364中的纤维相对于其他部分正交取向，所得到的零件在z方向上具有更大的弯曲强度。此外，通过以这种方式构建零件，设计者可以确定各部分的相对厚度以规定沿着各方向的强度。

图31C示出了结合有包括不同纤维取向的子部的壳。在本实施方案中，部分1374、1376和1378在相同方向上沉积以形成芯，在此之后在正交方向上打印壳1386。壳1386可以是单层或多层。此外，取决于设计需要，多层的壳1386可以包括正交于芯的下面子部之外的各种取向角。虽然本实施方案示出了纤维取向都在同一方向1380、1382和1384上的内部部分，但是应当很显而易见的是，子部1374、1376和1378可以以与图31B类似的不同纤维取向设置。

在其他实施方案中，连续芯增强丝或其他适宜的消耗性材料可能需要后固化，从而通过固化零件来提高零件强度。适宜的固化可以使用任意适宜的方法提供，包括但不限于加热、光照、激光和/或辐射。在本实施方案中，零件可以用预浸渍复合材料打印并经历随后的后固化以使材料完全硬化。在一个具体实施方案中，连续碳纤维埋在部分固化的环氧树脂中使得挤出部件粘在一起，但是需要后固化来完全硬化。应该理解的是，也可以使用其他材料。

图32示出了具有可选择的打印机头的三维打印机的任选的实施方案。在所示的实施方案中，打印臂1400能够以万向连接1404连接到打印机头1402上。诸如连续芯增强丝等适宜的消耗性材料1406可能已经进给到打印机头1402中，或它可以在连接到打印臂1400上之后进给到打印机中。当需要另一种打印材料时，打印臂1400使打印机头1402返回到相关联的支架。随后，打印臂1400可以接载能够打印尺寸不同和/或包括不同材料以提供不同的消耗性材料的打印机头1408或1410。如示出的，这种可交换的打印机头一次使用一个，有利地减小打印机头和臂组合的质量。尽管不希望受到理论的束缚，但是这由于打印机头减小的惯性能够使零件的打印更快。在另一个实施方案中，打印臂可以具有同时用于两个以上打印机头的槽。这种头可以进给不同材料、施加打印颜色以及施加喷淋沉积的材料的表面涂布等。应该理解的是，可以设置任意数量的单独的可选择的打印头。例如，打印头可以安装到转塔上，使得一个打印头在“活动”位置，而其他的旋出该位置，等待当它们可以被旋进打印位置时的适宜时间。在另一个实施方案中，打印臂1400可以接载零件检查用的视觉系统1412。适宜的视觉系统包括照相机、测距仪或其他合适的系统。

虽然以上大部分实施方案涉及预成型的连续芯增强丝的使用，但是在一些实施方案中，连续芯增强丝可以通过使树脂基质和实心连续芯在加热的挤出喷嘴中组合来形成。树脂基质和实心连续芯能够组合，而不沿着界面形成孔隙，因为与多丝芯中的多个界面相比，树脂更容易将实心芯的连续边缘润湿。因此，这个实施方案可能在其中希望改变沉积的材料的性能的情况下特别有用。此外，可能特别有益的是，选择性地挤出一个或多个树脂基质、连续芯或其组合以沉积各种所希望的复合材料结构。

图33示出了能够选择性地挤出材料进给选项1502、1504和1506的多元件打印机头1500以及任选的切断机构8。更具体地，多元件打印机头1500能够将任意的材料进给选项1502、1504和1506选择性地沉积为单个元件或组合。应该理解的是，其他材料进给选项也可以与多元件打印机头集成一体，本公开不限于任意特定数量的材料进给选项。

在多元件打印机头的一个特定例子中，材料1502是通过中央通道进给的连续铜线。此外，材料1504是诸如尼龙塑料等粘合树脂并且材料1506是如诸可溶性支撑材料等不同的粘合树脂。多元件打印机头1500能够一次挤出所有元件，其中例如，铜线1502可以被在底表面上的尼龙粘合剂1504和在顶表面上的可溶性支撑材料1506包围，参见部分1508。多元件打印机头1500也可以沉积单独涂布有尼龙粘合剂1504或可溶性支撑材料1506的铜线1502，参见部分1510和1514。可选择地，多元件打印机头1500可以单独沉积上述材料选项以用于任意数量的目的，参见在部分1512处的裸铜线。

如上所述，在给定位置选择性地沉积一种或多种材料中的任意一种的能力能够实现使用三维打印方法构建零件的许多先进功能。另外，选择性地连续沉积这些材料的能力也实现显著更快的沉积过程。应该理解的是，虽然以上说明了两种具体的树脂材料和芯材料，但是可以使用任意合适的树脂和芯材料并且可以设置任意数量的不同树脂和芯。例如，可以使用单种芯和单种树脂或者可以在多元件打印机头中设置多种芯和多种树脂。

在相关的实施方案中，多元件打印机头1500包括能够预加热打印区域和/或快速冷却挤出的材料的空气喷嘴1508，参见图33。包含空气喷嘴1508能够形成如飞线、间隙桥接和其他类似特征等结构。例如，导电芯材料可以与共挤出绝缘塑料通过多元件打印机头1500挤出以在打印零件中形成迹线。然后，迹线的末端可以作为飞线终止。为了实现这个目的，多元件打印机头会提升，同时相称地挤出导电芯和绝缘外套。多元件打印机头也可以任选地利用空气喷嘴1508冷却绝缘外套。然后，线的端部可以打印成“裸线”，在那里导电芯没有绝缘外套地挤出。然后，切断机构8可以终止导电芯。以上述方式形成飞线可以用来消除组装期间下游的剥离步骤。

以上实施方案涉及除了纯树脂和它们的芯材料之外还打印连续芯增强丝的连续细丝以形成三维零件的三维打印机。连续芯或纤维的位置也可以与诸如立体光刻和选择性激光烧结等三维打印方法一起使用以提供具有在选定的位置和方向上提供的芯增强的三维零件，如下面更详细说明的。

为了清晰起见，下述的实施方案涉及立体光刻工艺。然而，应该理解的是，在层形成之前或期间沉积连续芯或纤维的概念可以应用于任意数量的不同增材制造过程，其中制造复合材料的液体或粉末形式的基质包括在芯材料周围凝固的基质。例如，下述的方法也可以应用于直接类似于立体光刻但是与液体树脂相比将粉末状树脂用于构建介质的选择性激光烧结。此外，可以使用以上参照连续芯增强丝所述的连续芯丝中的任意一种。因此，连续芯可以用于结构性能、导电性、导光性和/或导流体性。

在一个实施方案中，立体光刻工艺用来形成三维零件。在立体光刻中，待打印的层通常覆盖有可以利用UV光、指定波长的激光或其他类似方法固化的树脂。不论何种特定固化方法，用来固化树脂的光扫过零件的表面以选择性地使树脂硬化并将其粘结到之前的下层。对于多层重复这个过程直到建成三维零件。然而，在典型的立体光刻工艺中，不使用定向取向的增强材料，其会导致最终零件具有较低的整体强度。

为了提供提高的强度以及与同时包括固体和多丝材料的不同类型的连续芯丝相关联的功能，与各层的沉积相关联的立体光刻工艺可以改变成能够构建在所希望的位置和方向上包括连续芯丝的复合材料部件的两步工艺。更具体地，连续芯或纤维可以在待打印的层内所希望的位置和方向上沉积。沉积的连续芯丝可以完全浸没在树脂中，或其也可以部分浸没在树脂中。在所希望的位置和方向上沉积连续纤维之后，邻接树脂被固化以使纤维周围硬化。这既可以在沉积连续纤维时完成，也可以在沉积连续纤维之后完成，本公开不以这种方式限制。在一个实施方案中，整个层以单个连续纤维打印，而无需切断连续纤维。在其他实施方案中，增强纤维可以设置在具有不同取向的打印层的不同部分中。为了便于在多个位置和方向上沉积连续纤维，连续纤维可以与上述的类似使用简单的切断机构或其他适宜的机构终止。在一些应用中，用来硬化树脂的相同激光可以用来切断连续芯丝。

图34示出了上述的立体光刻工艺的实施方案。如图所示，零件1600使用立体光刻建造在压印盘1602上。零件1600浸入包含在托盘1606中的液体树脂材料1604中。液体树脂材料可以是任意适宜的光敏聚合物。除了树脂浴之外，在零件1600的形成期间，压印盘1602还在形成各层之后被移动到对应于层的厚度的顺序较低的位置以使零件1600保持浸没在液体树脂材料1604中。在形成各层期间，连续芯丝1608通过喷嘴1610进给并沉积到零件1600上。喷嘴1610被控制成使连续芯丝1608在待形成的层内在所希望的位置以及所希望的方向上沉积。此外，在一些实施方案中，连续芯丝1608的进给速率等于喷嘴1610的速度以避免扰乱已沉积的连续芯丝。在所示的实施方案中，随着连续芯丝1608被沉积，照射激光1612或其他适宜的类型的电磁辐射以固化在喷嘴1610运动路径后面的位置1614中的连续芯丝1608周围的树脂。位置1614和喷嘴1610之间的距离可以选择为允许连续芯丝完全浸没在固化之前的液体树脂内以及避免通过在邻近喷嘴1606的位置照射激光1612产生的可能干扰问题。激光由源1616产生并由可控镜1618引导。三维打印机也包括切断机构1620以能够如上所述终止连续芯丝。

在立体光刻工艺的另一个实施方案中，沉积的连续芯丝由一个或多个“平头钉”保持在适当位置。这些平头钉相当于在沉积额外的芯材料的同时将连续芯丝保持在适当位置的足够量的硬化树脂材料。然后，材料的平衡可以被矫正使得相邻股线之间的交联最大化。任意数量的不同硬化图案可以用来提供最终零件所希望的性能。例如，当足够数量的股线沉积到层上并用平头钉钉在适当位置时，树脂可以在与连续芯丝的沉积股线的方向垂直的珠泡中固化。尽管不希望受到理论的束缚，但是在与沉积的股线垂直的方向上的固化树脂可以提供相邻股线之间增强的结合以提高在与连续芯丝的沉积股线的方向垂直的方向上的零件强度。虽然说明了特定固化图案，如所希望的几何形状和定向强度所需要的，其他固化图案也是可行的。

图35示出了上述的立体光刻工艺的一个实施方案。如图所示，在连续芯丝由喷嘴(未示出)沉积时，连续芯丝1608由激光1612在多个离散的点1622固定在适当位置。在沉积连续芯丝1608的一部分或全部之后，激光1612沿着预定图案照射以固化液体树脂材料1604并形成当前层。与上述的系统类似，激光或其他适宜的电磁辐射由源1616产生并由可控镜1618引导。如图所示，液体树脂材料1604可以固化成对应于垂直于连续芯丝1608的沉积股线的方向取向的线1624的图案。尽管不希望受到理论的束缚，但是由于固化正面垂直于连续芯丝1608的股线，所以增大了股线之间的交联。应当理解的是，如果层的单独部分包括在不同方向上取向的连续芯丝的股线，那么固化图案可以包括在层的各部分中与连续纤维芯材料的股线的方向垂直的线。虽然说明了具有垂直于连续纤维取向的线的特定固化图案，但是其他图案也是可行的，包括平行于连续纤维取向的线的固化图案，本公开不限于固化图案的任意特定取向。

与以上参照沉积连续芯增强丝所述的三维打印工艺类似，为了形成较强的最终零件，可能希望避免在立体光刻工艺期间沿着连续芯丝和树脂基质之间的界面形成孔隙。因此，可能希望在固化液体树脂材料之前促进连续芯丝的润湿。在一些实施方案中，连续纤维的润湿可能简单地需要设定量的时间。在这种实施方案中，液体树脂材料可以在经过足够量的时间之后固化并可以对应于喷嘴后面的激光跟随距离。在其他实施方案中，连续芯丝可以是连续多丝芯材料。这种实施方案，希望促进多个细丝之间液体树脂材料的芯吸。连续纤维的润湿和树脂芯吸进连续多丝芯的断面中可以通过使液体树脂材料保持在升高的温度、在连续纤维上使用润湿剂、向系统施加真空或任意其他适宜的方法来促进。

已经描述了几种使用三维打印工艺形成零件的系统和方法以及与这些系统和方法一起使用的材料，以下更详细地说明几种特定应用和部件。

在最简单的应用中，当前描述的三维打印工艺可以用来使用复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结构性能的零件。在另一个实施方案中，导光或导电的连续芯可以用来构建零件，使得感应器、电容器、天线、变压器、散热片、通孔、散热孔和多个其他可能的电学和光学部件直接在零件中形成。零件也可以使用流体传导芯形成流体通道和热交换器以及其他适用的流体装置和部件来构建。

在一些实施方案中，零件也可以构建有直接在零件中形成的诸如应变仪等传感器以使得能够进行结构测试和结构健康状态监测。例如，一簇打印的铜芯材料可以添加到层上以形成应变仪。类似地，光纤可以选择性地添加到零件上以用于结构检测目的。光纤也可以打印成环以形成具有多个可能优点的光纤陀螺仪的线圈，该优点包括用于提高灵敏度的较长的环长度以及部件集成和简化制造。例如，陀螺仪的光学线圈可以作为翼零件打印在相关联的外部容器的内侧或与任意数量的其他零件集成一体。此外，光纤可以打印成也可以使用三维打印形成的电机的转轴编码器的一部分。

图36示出了结合有上述的许多部件的印刷零件，这些部件使用所述的三维打印工艺直接在该零件中形成。印刷零件1700包括用于连接印刷电器元件的印刷电迹线1702以及由印刷电迹线1702连接的印刷电感线圈1704和印刷天线1706。印刷零件1700也包括印刷光缆1708。此外，取决于实施方案，印刷零件1700可以包括触头或引线(未示出)用于将诸如芯片1710和连接器1712等其他部件连接到印刷零件上。

图37～39示出了使用增材制造进行的多层印刷电路板(PCB)的打印和形成过程。如在消减PCB布局中，焊盘和迹线的图案可以被设计然后打印，如图所示。然而，PCB的增材制造的过程足够简单以使用一个机器在工作台上进行，从而能够使得设计周期大幅加速。

图37示出了在构造压印盘16上打印多层PCB 1800。PCB 1800由使用包括加热的挤出喷嘴10和切断机构8的打印机头沉积的导电芯材料1802和绝缘材料1804形成。与上述的多元件打印机头类似，导电芯材料1802和绝缘材料1804可以选择性地单独或一起沉积。此外，在一些实施方案中，导电芯材料1802是实心的以使沉积的复合材料中孔隙的形成最小化。当打印导电芯材料1802而不打印绝缘材料1804时，孔隙1806可以形成为使得能够随后形成用于连接PCB 1800内的多层的通孔。取决于所希望的应用，孔隙1806可以与或不与由导电芯材料1802制成的一个或多个迹线相关联。

图38和图39描述了几个代表性的方式，其中当前描述的三维打印机可以用来形成印刷电路板1800中的各种结构。如上所述，印刷电路板1800可以打印有迹线和孔隙的各种组合。例如，孔隙1812与充当迹线的单件导电芯材料1802相关联。孔隙1812随后用焊料或焊膏填充以形成焊盘1814。以类似的方式，孔隙1816与两条迹线相关联并且也可以用焊料或焊膏填充以在两个以上打印层之间形成电连接通孔1818。作为以上的替代选择，孔隙1820可以不与迹线相关联。这种孔隙也可以用焊料或焊膏填充以起到热通孔1822的作用。虽然可以单独施加焊料和/或焊膏，但是在一个实施方案中，焊料填充可以利用用来分配焊料或等效电结合剂1808的任选的打印头1810完成。焊料可以作为熔融焊料或作为焊膏施加以用于使用任意适宜的技术的后处理热固化。在电路板内打印各种部件和迹线的能力与施加焊料和/或焊膏的能力结合可以有助于进一步加快印刷电路板的成型工艺。除了上述之外，单独的部件可以通过同一台机器、另一台机器或手动放置在印刷电路板上。随后，印刷电路板可以被加热以将单独的部件粘结到印刷电路板上并完成零件。应该理解的是，虽然以上说明了印刷电路板的制造过程，但是在三维印刷部件内选择性地形成各种结构的能力可以用于任意数量的不同应用。

当前描述的三维打印系统和方法也可以用来形成复合材料结构。图41A中示出了复合材料结构的示意图，其示出了夹层板的复合材料零件。上部部分1900和底部部分1902使用连续芯增强丝打印以形成较结实的部分。相比之下，中间部分1904可以打印成使得其具有与上部部分1900和底部部分1902不同的性能。例如，中间部分1904可以包括使用连续芯增强丝、纯树脂或者甚至是三维打印发泡材料打印成蜂窝图案的多层。这能够使用三维打印机制造包括较低密度芯的复合材料零件。使用典型的三维打印工艺不容易制造的其他复合材料结构也可以使用当前所述的系统、材料和方法来制造。

虽然以上说明了几种不同类型的应用，但是应该理解的是，本文所述的三维打印系统和材料可以用来制造任意数量的不同结构和/或部件。例如，本文所述的三维打印系统和材料可以用来制造飞机部件、汽车零件、运动器材、消费电子产品、医疗设备和任意其他适宜的部件或结构，本公开不以这种方式限制。

除了使用连续芯增强丝形成使用纤维取向在所希望的方向上具有各种性能的各种复合材料结构之外，在一些实施方案中，还希望在纤维方向之外的方向上提供额外的强度。例如，连续芯增强丝可以包括额外的复合材料以提高材料的整体强度或在纤维芯的方向之外的方向上的材料强度。例如，图41B示出了包括基本上垂直加载的碳纳米管2002的碳纤维芯材料2000的扫描电子显微镜照片。尽管不希望受到理论的束缚，但是在芯上加载基本上垂直的小纤维部件提高了复合材料的剪切强度，并且有利地提高所得到的零件在基本上与纤维方向垂直的方向上的强度。这种实施方案可以有助于减小零件沿着给定层分层的倾向。

在传统的复合材料中，放置纤维，然后该事实之后钻孔(消减加工)。这在示出了多层1850的图40A中示出了，其可以使用纯的聚合物细丝或芯增强细丝形成。如也在附图中所示的，随后使用钻孔或其他适宜的加工工艺在零件中形成孔1852。相比之下，在一些实施方案中，芯增强丝1854用来直接在零件中形成孔，参见图40B和图40C。更具体地，芯增强丝1854来到孔这，绕着它转，然后从其来的方向离开，但是也可以考虑其中细丝在另一种方向上离开的实施方案。与这种形成方法相关联的益处是通过芯增强丝中的芯在环方向上增强了孔。如图40B所示，芯增强丝1854在切线方向上进入环形图案。这有利于将要扭转到其中的螺钉。在另一种形式中，芯增强丝1854在圆的中心进入环形图案。当然，应该理解的是，其他进入图案的点也是可行的。在一个实施方案中，进入角在各连续层中错开(也在PPA中示出)。例如，如果存在两层，那么第一层的进入可以为0°，而第二层的进入角可以为180°。这防止了零件中接缝的积聚。如果存在10层，那么进入角可以为每隔36°或任意其他所希望的图案或配置。

如上所述，典型的丝束预浸料包括孔隙，这可能是由于诸如未加工的丝束预浸料通过喷嘴的温度和速率以及未加工和浸渍的丝束预浸料区域中的差别等考虑。由于热塑性塑料的较高粘性，例如，挤出的材料的部分也通常没有得到充分浸湿。这些“干”的薄弱点可能导致过早的并且经常是灾难性的部件故障。

鉴于上述情况，希望改善在浸渍步骤期间丝束预浸料的润湿或浸渍。这样做的一种方式是使含有一种或多种纤维和基质材料的芯的材料通过涉及多个材料方向变化的迂回路径，同时基质材料保持在软化或流体状态。例如，在聚合物基质的情况下，聚合物可以保持在适宜的温度下以作为聚合物熔体，同时迂回路径起到使基质材料机械加工成纤维的作用。这个过程可以有助于减小加工时间，同时提高纤维润湿性以提供基本上无孔隙材料。另外，减少诸如热塑性基质材料等基质材料在高温下的停留时间减少了材料的降解，这使得进一步增强所得到的使用复合材料形成的零件。上述过程可以用于连续和半连续芯材料。

在一些实施方案中，用来形成所希望的材料的迂回路径是用来制造消耗性材料的独立系统的一部分。可选择地，在其他实施方案中，迂回路径集成在打印头的压缩阶段中。在这种实施方案中，打印头内的摩擦可以通过使用一个或多个具有抛光表面的光滑壁导向管来最小化。此外，一个或多个导向管可以相对于材料紧密配合，使得压缩的纤维不弯曲以及堵塞打印头。

图42示出了包括迂回路径浸渍系统的三维打印机头2102的一种可能的实施方案。在所示的实施方案中，连续芯丝2100被进给机构2110(例如所示出的辊)驱动到切断机构2104中，通过接收部2106并进入喷嘴的加热区2112中。当通过加热区2112时，连续芯丝2100在材料被从喷嘴挤出到打印床2118上的一个或多层2116上之前通过对应于至少经历在第一方向上的第一弯曲和在第二方向上的第二弯曲的通道的迂回路径2108。所得到的迂回路径的形状形成稍微正弦的路径。然而，应该理解的是，可以使用任意数量的弯曲和任意希望的弯曲形成迂回路径。与上述的打印机头类似，打印工艺可以使用控制器2114控制，该控制器也可以控制浸渍过程。与所示的实施方案相关联的优点由连续芯丝2100在迂回路径4内的前后机械运动提供，其有助于输入材料的浸渍。

图43A示出了当将连续芯丝2100输入到系统时该连续芯丝的一种可能的实施方案。如图所示，连续芯丝2100相当于包括以纤维或颗粒的形式与基质材料2122捆绑在一起的一根或多根纤维2120的混合的未加工的丝束预浸料。在通过加热区和迂回路径之后，连续芯丝2100被基质材料2122完全润湿以提供基本上无孔隙连续芯丝，参见图43B。

在另一个实施方案中，迂回路径由偏移辊提供，该偏移辊可以是静止的，或者它们可以构建成有利地在初始穿线期间打开以提供直线型通过路径并且随后关闭以提供所希望的迂回路径。图44A和图44B示出了这种实施方案的一种可能的实现方式。如图所示，将三个以上辊2124放置在打印机头2102内以提供所希望的迂回路径。在使用期间，连续芯丝2100由进给机构2110经由偏移辊进给并通过打印机头。图44B示出了任选的加载策略。在这种实施方案中，辊2124选择性地可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中它们形成如图44A所示的迂回路径，并且在第二位置中，它们不阻碍打印机头2102的入口和出口之间的路径以便于系统与连续芯丝2100的穿线，参见图44B。在材料已穿线通过辊2124之后，它们可以返回到第一位置以形成图44A所示的迂回路径。

在另一个实施方案中(未示出)，位于打印头内的迂回路径由诸如聚四氟乙烯管等柔性管形成。柔性管选择性地设置为直线型构造以允许打印机头穿线。随后，在完成穿线之后使柔性管变形成迂回路径以促进通过其的连续芯丝的浸渍，如上所述。

在一些情况下，希望向打印机头的进给机构提供完全润湿的或浸渍的材料。在这种实施方案中，连续芯丝2100的迂回路径润湿作为三维打印机的拉伸侧内的预处理步骤进行，然后将所得到的基本上孔隙材料进给到三维打印机的压缩侧，参见图45。如图所示，连续芯丝2100进入预调节器2124。如上所述，当进入预调节器2124中时，连续芯丝2100可以对应于包括一根或多根纤维和基质材料的共混丝束预浸料。随着连续芯丝2100通过预调节器2124，其被加热并且通过可以由一组偏移辊2126或其他适宜的构造提供的迂回路径以便于材料的浸渍。在通过预调节器2124之后，连续芯丝2100通过对应于一组驱动辊的进给机构2110。进给机构2110将连续芯丝2100进给到包括真空压力系统2132的打印头2130。真空压力系统2132或其他合适的系统改变施加到打印头内连续芯丝2100上的压力。尽管不希望受到理论的束缚，但是这些压力变化可以促进纤维的浸渍并且使丝束预浸料内的气泡爆破。在另一种优选的实施方案中，连续真空管线用于真空压力系统2032，代替摆动泵，如图所示。此外，虽然可以施加真空来改变打印头内的压力，但是也可以考虑其中正压力施加到打印头上的实施方案。

在另一个实施方案中，包含在未加工的连续芯丝内的基质材料在基质是热的并能够流动的同时经由通过一个或多个压缩辊组而被加工成纤维。图46示出了包括设置在打印头内的第一和第二组压缩辊2136的三维打印头2134的一个实施方案。如图所示，连续芯丝2100通过打印头，在那里该连续芯丝被加热并经历来自两组压缩辊的两个随后的压缩。虽然附图中示出了两组辊，但是也可以使用打印头内的额外的辊。

在另一个实施方案中，波动压力和/或真空用来将基质材料加工成连续芯丝的纤维芯。尽管不希望受到理论的束缚，但是向材料施加减小的压力或增大的真空去除了孔隙。相反，施加增大的压力或减小的真空随着所述丝束预浸料周围的空气压力增大于是促使树脂更深地进入纤维丝束预浸料中。上述过程可以完全利用真空、正压力或二者的组合来进行，本公开不受此限。例如，材料可以在环境压力和高压之间、在环境压力和真空之间或在正压力和真空之间循环。

在上述实施方案中，将基质机械加工成纤维芯能够从各种起始材料制造基本上无孔隙丝束预浸料。例如，可以使用共混丝束预浸料。在额外的实施方案中，其中聚合物基质仅部分地芯吸进下面的纤维中的扁平丝束预浸料经历上述的的迂回路径润湿方法以润湿丝束预浸料。除了能够制造各种类型的丝束预浸料之外，如果用作预处理，精密挤出模具可以用来将浸渍的材料形成用于从三维打印机挤出的所希望的尺寸和形状。例如，材料可以具有圆形断面，但是也可以使用任意其他适宜形状的断面。

当希望时，精密辊组可以用来保持沿着从打印头2102输出的材料的较宽宽度的恒定厚度。这种实施方案当处理诸如扁平丝束预浸料等较宽材料时可能有用。图47示出了在第一方向上平移的打印头2102。打印头的喷嘴2136连接到尾部压缩辊2138。该辊向沉积到打印床2140上的材料赋予压缩力。取决于实施方案，尾部辊2138可以使用任意数量的不同机构绕着Z轴连接。例如，在一个实施方案中，打印头2102在轴承上自由旋转，使得该辊总是追踪打印头移动的方向。在另一个实施方案中，整个打印头2102被构建成旋转。可选择地，打印床2140可以旋转以实现所希望的追踪和位移。

图48示出了能够使用上述材料的高速连续芯打印机的一个实施方案。在所示的实施方案中，打印机包括具有多个喷嘴的打印臂2200。喷嘴包括适于打印纯树脂2208的纯树脂喷嘴2202。打印臂2200也包括适于打印用于精细细节加工的连续芯丝2210的连续芯丝喷嘴2204。此外，打印臂2200包括能够打印一个或多个可打印带2212的带配送头2206。带配送头使得大的填充部分能够使用所述的可打印带快速打印。然而，精细细节加工和不能由带填充的间隙可以由纯树脂喷嘴2202或连续芯丝喷嘴2204填充，本公开不受此限。使用宽带填充的上述方法和系统大大提高了打印机的速度、能够实现更高的吞吐量并相称地更降低了成本。

如上所述，在一些实施方案中，由于各种原因而希望提供具有平滑的外表面的材料。如下面详细描述的，平滑的外表面、所希望的形状和/或所希望的尺寸可以以各种方式获得。

在一个实施方案中，芯增强丝包括具有丝束、束、纱、线、绳、细、合股线的形式或其他适宜的形式的轴向对齐的连续或半连续纤维或其他材料的内部部分。内部部分也包括纤维埋在其中的基质。芯增强丝也包括设置在细丝的内部部分上的外部涂层。外部涂层的形状和尺寸可以定制成提供所希望的断面形状和尺寸。所得到的芯增强丝可以用于如本文所述的三维打印工艺以及其他适宜的三维打印工艺中，本公开不受此限。

在相关的实施方案中，制造芯增强丝的方法包括使用任意适宜的方法在聚合物基质中埋入丝束、束、纱、线、绳、细线、细绳或合股线。所得到的细丝随后与形成上述外部涂层的聚合物一起挤出。如下面更详细说明的，外部涂层可以由与细丝的内部部分的基质材料相同的材料或不同的材料制成。

图49A示出了制备用于三维打印系统中的具有平滑外涂层的完全润湿或浸渍的芯增强丝的过程。如图所示，连续芯元件2300被拉到共挤出模具2302中。在一些实施方案中，连续芯元件2300在如下面更详细说明的进入共挤出模具2302中之前在2301处经历各种预处理。一旦引入到共挤出模具2302中，连续芯元件2300就会在混合点2304处用基质材料2306浸渍。在连续芯元件用聚合物润湿或浸渍期间或之前，可以采用任选的真空步骤来去除来自连续芯丝的夹带的空气。图49B和图49C示出了各种起始连续芯元件2300的断面图，该起始连续芯元件可以是包括多个对齐增强纤维的丝束预浸料。由于完全润湿或浸渍是该步骤的主要目标(与在传统共挤出模具中仅涂布相对)，所以混合步骤的温度和压力可以提高以实现通过纤维束的所希望的完全润湿/浸渍。可选择地，或除了上述之外，可以施加迂回路径和/或变化的压力以进一步促进材料的润湿/浸渍，如上所述。

由于许多碳纤维和玻璃纤维丝束预浸料最初是带状形式的，所以共挤出模具的模具出口2308可以用于将连续芯元件和聚合物基质材料结合成所希望的形状和尺寸以提供光滑、恒定直径的复合细丝。然而，该细丝会与典型的细丝制造工艺所发生的一样在共挤出模具的下游开始扭曲。本发明人已经认识到，这种扭曲是冷却未支撑的挤出物的加工品，其有点类似于太快喷出注射成型零件，然后当在模具外时其卷曲。因此，在一些实施方案中，冷却管2312和诸如冷却套等可操作地连结的冷却元件2310与挤出的材料对齐并对其进行支撑。因此，允许挤出的芯增强丝在被限制为所希望的尺寸和形状的同时冷却。润滑剂可以有利地在进入管时或在沿着管长度的点上施加到细丝上。润滑剂可以蒸发或在稍后的时间洗掉。该润滑剂可以起到减小芯增强丝在管内的拖动摩擦的作用以基本上防止或至少减小“跳动”或表面粗糙度在冷却期间通过冷却管拖动细丝。取决于芯材料及其对应的压缩性和延展性，冷却管可以用一系列不同内径的“模具”来建造以实现所希望的形状和尺寸。可选择地，对于特定材料可以使用多个离散的“冷却模具”代替冷却管。输出芯增强材料2314可以显示出与图49E～49F中所示的那些断面类似的断面。取决于冷却管或模具中所使用的压缩量，该材料可以显示出更多或更少符合管或模具形状的变化的断面轮廓。

在一些实施方案中，将芯增强丝进给到第二共挤出模具2316中，在那里其在通过模具出口2320作为涂布的芯增强丝2322输出之前被涂布诸如聚合物或树脂等另一种基质材料2318。这种外涂层2326设置在内部部分2324上。外涂层2326可以由与内部部分中的基质材料2306相同的材料或不同的材料制成。因此，外涂层2326可以选择为提供所希望的性能特性，如结合到之前沉积的层、耐磨性或任意其他数量的所希望的性能等。此外，在一些实施方案中，外涂层2326提供光滑的无纤维的外径，如图49G～49I中所示的断面中所示。图49G示出了包括由不同基质材料以及形成连续芯的多个细丝形成的内部部分2324和外涂层2326的芯增强丝的实施方案。图49H示出了包括由相同的基质材料以及形成连续芯的多个细丝形成的内部部分2324和外涂层2326的芯增强丝的实施方案。图49I示出了包括包含实心连续芯2300的内部部分2324的芯增强丝的实施方案。内部和外部基质材料可以是用于复合材料中的任意适宜的粘结剂，包括但不限于热塑性材料、热固性材料、树脂、环氧树脂、陶瓷、金属和蜡等。

图50A示出了实现结合有外涂层的纤维的完全润湿/浸渍的可替代的基于辊的方法。与上述的类似，芯材料2300可以具有如图50B和图50C所示的断面。此外，芯材料2300可以在2301处经历任选的预处理步骤。使芯材料2300通过构建和配置成使芯材料的断面变平成图50D所示的扁平的断面形状2332的一组分散辊2330。尽管不希望受到理论的束缚，但是将连续芯的各个纤维分散成扁平形状可以有助于当将基质材料2306在混合点2304处引入到扁平的连续芯元件2332时促进该基质材料的润湿/浸渍。与上述的类似，连续芯元件和基质材料可以经历迂回路径和/或变化的压力以进一步促进基质材料的浸渍。此外，在所示的实施方案中，系统可以任选地包括位于混合点2304下游的一组辊2334。辊2334可以向复合细丝施加力以进一步促使基质材料2306进入连续芯元件2300中。图50E中示出了所得到的复合材料扁平带2336的断面。所得到的扁平复合材料带2336随后被进给到成形模具2338。该步骤可以利用被加热到足够温度以使材料回流的加热的成形模具实现，或者成形模具2338位于充分接近辊2334的出口的位置，使得复合材料扁平带当进入模具时在足够温度下成形。再次地，与上述的类似，任选的冷却管2312和相关联的冷却元件2310可以与成形模具2338相关联以在芯增强丝2314冷却时支撑该芯增强丝的断面，参见图50F～50G。然后，外涂层可以涂布到芯增强丝上以形成如上所述的涂布的芯增强丝2322。

虽然上述实施方案涉及基本上无孔隙的完全润湿的、完全芯吸的材料的使用，但是应当指出的是，所述的外涂层和浸渍方法也可以与具有孔隙的材料一起使用。此外，没有被润湿的未加工材料也可以与本文所述的三维打印机一起使用。此外，虽然以上参照制造工艺说明了诸如扁平带和圆形断面轮廓等各种形状，但是材料和/或所得到的芯增强丝的任意适宜的形状都是可行的，本公开不受此限。

用于复合细丝的内部部分和外涂层的前述两种聚合物基质粘结剂的组分可以相差一个或多个以下因素：聚合物分子量、聚合物分子量分布、支化度、聚合物链的化学结构和诸如增塑剂、熔体粘度调节剂、UV稳定剂、热稳定剂、荧光增白剂、着色剂、颜料或填料等聚合物加工助剂。具有两种不同粘结剂组分的芯增强丝的制造可以以几种不同的方式实施，取决于人们希望改变或控制哪种特定加工特性或成品零件的哪种性能。

在一个实施方案中，希望保持纤维在细丝的内部部分中的均匀分布和圆形断面形状。在这种实施方案中，内部部分的聚合物基质可以表现出比外涂层中的聚合物基质的熔点更高的熔点。因此，当涂布外部涂层时，细丝的内部部分保持为固态或至少半固态高粘度状态。相应地，在通过共挤出涂布外涂层聚合物基质期间，包含在连续芯内的纤维将待在适当的位置并且细丝会保持其圆形断面形状，同时避免在共挤出步骤期间连续纤维通过细丝的内部部分的熔融基质迁移到细丝的外涂层。

在另一个实施方案中，希望通过基质粘结剂改进纤维丝束预浸料的浸渍/润湿。因此，在一些实施方案中，较低粘度的聚合物熔体用作细丝的内部部分中的基质材料。优选地，用于细丝的内部部分的聚合物基质材料应当不仅具有低粘度，而且应当表现出改进的纤维表面的界面润湿。尽管不希望受到理论的束缚，但是这可以通过使吸液聚合物熔体的表面能与连续纤维材料的表面能匹配获得。用于外部涂层的聚合物基质材料可以包括具有比内部基质聚合物更高的熔融粘度的聚合物。外部聚合物基质材料也可以表现出比内部聚合物低的熔点。外涂层基质朝向连续芯的润湿性能不太重要，因为两者原则上不应当直接接触。

在另一个实施方案中，希望通过改变聚合物熔体和连续芯丝的表面能来促进外部涂层与下面的束的粘合。该表面能可以由多种方法控制，包括但不限于改变聚合物主链中极性基团的含量和类型、向熔体添加表面活性组分(例如，表面活性剂、油、无机填料等)、将纤维暴露到电气气体放电等离子体、化学气相沉积、臭氧或与来自溶液的表面改性化合物反应或涂布有来自溶液的表面改性化合物。

在另一个实施方案中，表面能改性剂也可以用来在通过三维打印机沉积细丝时增强细丝的层间结合。例如，臭氧可以通过打印头沉积以促进新层与现有层的粘合。在另一个实施方案中，建造室可以填充有足够比例的臭氧以使暴露的表面激活。

在本发明的另一个实施方案中，可以有利的是通过选择性地向邻近新沉积的细丝的沉积点和/或就在新沉积的细丝的沉积点前面的小区域施加加热的蒸汽流来提高新挤出的富纤维细丝与下层的粘结强度。

在另一个实施方案中，可以预期的是，新挤出的富纤维细丝和下层之间的粘结强度可以通过选择性地将空气或由足够浓度的臭氧构成的另一种气体的流朝向邻近新沉积的细丝表面的沉积点或就在新沉积的细丝表面的沉积点前面的小区域引导来提高。臭氧易于与有机聚合物的原子级厚的表面层反应以形成大量极性反应性表面基团，如羟基、臭氧化物、过氧化物、过氧化氢、乙醛和羧酸基团，通过它们非常活泼的化学和/或极性性质促进表面层与诸如油墨、胶粘剂或另一种聚合物粘结剂等另一种材料的结合。

在另一个实施方案中，希望提高与建造平台的结合强度以有助于防止零件或零件的部分从建造平台升起。因此，在一些实施方案中，表面能改性剂被施加到建造平台以促进挤出的细丝与所述平台的粘合。在一些实施方案中，所述的粘合改性用来提高第一结合层与在诸如长方体的角落等一些关键区域的建造平台的粘合，从而在该部分最可能从平台剥离的地方产生更大的附着力。然而，长方体的中心可以基本上没有表面能改性剂以便于容易去除。

参照上述实施方案，应该理解的是，沉积的臭氧、蒸汽或其他表面能改性剂的时间和量可以变化以获得所希望水平的粘合。

在另一个实施方案中，磁性填料加载到基质材料中。磁性填料可以是像铁或钢一样磁致激活的，或者其也可以是被磁化的，本公开不受此限。在电子器件的连续芯打印的情况下，磁性填料可以用来形成三维打印驱动部件。此外，磁性基质颗粒可以用来在打印期间将零件磁粘到打印台，然后在打印结束时释放。磁性材料可以集成到最终零件中，或者其也可以有利地集成到具有展现出与材料的其余部分相似性能的相似基质的可去除支撑材料中。

在另一个实施方案中，磁致激活的填料颗粒能够使用x射线或金属传感器测量和检测材料或支撑结构。例如，使用支撑材料中包含金属粉末的材料而不是模具材料将能够容易检测所有支撑材料的去除。在另一个实施方案中，将磁性材料添加到零件的一部分或全部以使得能够在x射线检测中检测其他方式不可看见的复杂特征。

在一些实施方案中，诸如连续碳纤维等连续芯与对所述的连续碳纤维表现出良好的润湿和粘合性能的半芳香聚酰胺和/或具有线性聚酰胺的半芳香聚酰胺共混物结合。这种半芳香聚酰胺的例子包括来自Switzerland的Domat/Ems的EMS-Grivory的半芳香和线性聚酰胺共混物，如Grivory HT1、Grivory HT2、Grivory HT3和其他类似共混物等。通过使连续增强的纤维丝束预浸料与高温熔融和纤维润湿聚酰胺及它们的共混物结合，可以制造具有以下特征的零件：在使用温度为120℃及更高时具有优异的机械强度和长期温度稳定性，同时确保复合材料丝束的可挤出性、良好的纤维基质润湿性、全部纤维丝束预浸料用树脂渗透和在纤维基质界面良好的剪切强度。

上述任选的预处理是为了促进芯材料的完全润湿以及将基质材料芯吸到其中心。各种类型的预处理可以包括诸如机械、流变和纤维润湿预处理等种类。所采用的特定方法将取决于所选的基质材料和选定的芯。

适宜的机械预处理包括，通过机械或气动装置将芯的各纤维在与树脂或熔体接触(即，浸渍涂布)之前平展成扁平带状丝束预浸料。可选择地，丝束预浸料可以通过被定期排空以将纤维之间捕捉的空气气泡膨胀并去除以及当释放真空时促使树脂或熔体进入纤维之间的孔隙空间的腔室中的熔体。此外，较高的空气压力周期循环可以通过改变夹带的空气气泡的尺寸并促使空气纤维界面重建，因此，促进气泡迁移，来提高过程的有效性。此外，树脂或聚合物乳液可以从连续芯的一侧注入使得与在传统的共挤出过程期间简单地在其周围相比，将其注射通过连续芯。应当理解是，其他机械预处理也是可行的。

适宜的连续芯的流变预处理包括利用低粘度或高熔体流动指数树脂或聚合物熔体。此外，可以使用显示出低分子量和/或线性链的聚合物。也可以使用显示出粘度变化大的尖锐熔点过渡的聚合物。这种过渡是聚酰胺显示的典型性能。诸如多端口熔喷、斜角通道以及凹槽或螺旋槽挤出通道表面"形态"等各种特征可以用来诱导更高的熔体湍流和非层熔体流动，这可以产生基质材料的增强浸渍。也可以使用用来降低有效熔体粘度并改善在纤维表面的滑动的熔体粘度调节剂和润滑油。

适宜的纤维润湿预处理可以包括从稀释的聚合物溶液排除具有随着溶剂蒸发产生的非常薄层的相同或相似聚合物的纤维表面以获得熔体和纤维表面之间的类似相互作用。中性和相容性溶剂中的聚合物或树脂溶液可以具有约0.1wt.％～1wt.％以上的浓度。此外，一种或多种表面活化方法可以用来通过将聚合物基质与纤维表面物理或化学结合来引入或改变将影响润湿/浸渍(接触角)和粘合性(基质-纤维界面剪切强度)的纤维表面的极性和/或引入化学活性表面基团。合适的表面活化方法的几种例子包括但不限于：空气中大气压表面氧化；富含氧、氮氧化物或其他反应性气体(如卤化物、硫化物、硅化物或其他挥发性化合物)的空气；以及高电压的电晕放电(广泛用于活化打印用的聚烯烃薄膜表面的方法)。以上列举的在空气、氧气或其他气体中的低压等离子体活化技术也可以用来引入具有由工艺条件(时间、压力、放电能量(电极偏置电压)、停留时间和反应性气体的组分限定的化学特性反应性化学表面基团。纤维表面也可以使用以下方法进行化学活化：气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，尤其是在升高的温度下；和使用诸如三(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钛酸酯等有机硅或有机钛粘合促进剂的溶剂相表面改性。

虽然结合各种实施方案和实施例对本教导进行了说明，但并不意味着本教导限于这些实施方案或实施例。与此相反，本教导包含本领域技术人员将会理解的各种替代方案、变形例和等同物。因此，以上说明和附图仅仅是举例说明。

Claims (7)

1.一种制造零件的方法，所述方法包括：

将细丝进给到加热的挤出喷嘴；

在所述加热的挤出喷嘴的出口处或其上游的位置切断所述细丝的芯；

通过附着到先前沉积的层上的先前沉积和冷却的细丝来施加拉伸力到切断的细丝芯的下游部分，从而当所述加热的挤出喷嘴相对于所述先前沉积的层移动时，从所述加热的挤出喷嘴拉出切断的细丝芯的下游部分；和

其中切断所述细丝的芯还包括在所述细丝的温度小于所述细丝的玻璃化转变温度的位置切断所述细丝的芯。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述位置在所述加热的挤出喷嘴的出口和进给机构之间。

3.如权利要求1所述的方法，还包括施加压缩力到切断的细丝芯的上游部分以挤出切断的细丝芯的下游部分。

4.如权利要求2所述的方法，其中切断所述细丝的芯还包括防止进给机构的挤出力被施加到切断的细丝芯的下游部分。

5.一种三维打印机，包括：

包括喷嘴出口的加热的挤出喷嘴；

进给机构，被构造和配置成将细丝进给到所述加热的挤出喷嘴；和

切断机构，被构造和配置成在所述加热的喷嘴的出口处或其上游的位置切断所述细丝的芯；

其中所述切断机构防止所述进给机构施加挤出力到所述细丝的下游部分；

其中所述位置被选择成在所述细丝的温度小于所述细丝的玻璃化转变温度下切断所述细丝的芯，和

其中通过附着到先前沉积的层上的先前沉积和冷却的细丝来施加拉伸力到切断的细丝芯的下游部分，从而当所述加热的挤出喷嘴相对于所述先前沉积的层移动时，从所述加热的挤出喷嘴拉出切断的细丝芯的下游部分。

6.如权利要求5所述的三维打印机，其中所述位置在所述喷嘴出口和所述进给机构之间。

7.如权利要求5所述的三维打印机，其中所述进给机构在所述切断机构的上游施加力到所述细丝。

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