采用场对功能性材料进行定向控制的增材制造装置的制作方法

本公开涉及一种增材制造装置，其采用场对嵌入颗粒进行定向控制。在一个实施方案中，一种设备具有配料单元，该配料单元使得原料流出其喷口，该流从该喷口流向构造表面。该原料具有功能性材料和可流动材料。该构造表面和该配料单元相对于彼此移动，使得离开该喷口的流增材制造零件。场发生器将场发射到流体流上，以对该功能性材料进行排列。该场随时间变化，使得该功能性材料的取向在该零件的体积内可选择性地变化。

在另一个实施方案中，一种设备包括进料机构，其接收包括功能性材料和可流动材料的原料。该进料机构使得该可流动材料实现使该功能性材料沿朝向喷口的流动方向流动的流，该流从该喷口流向构造表面。该构造表面和该喷口相对于彼此移动，使得离开该喷口的流增材制造零件。场发生器位于该喷口处或该喷口之前，并将场发射到该流体流上。该场使该功能性材料排列，并具有垂直于该流动方向的至少一个分量。通过该场发生器，该场随时间而变化，使得该功能性材料的取向在该零件的体积内可选择性地变化。根据以下详细论述和附图，可以了解各种实施方案的这些和其他特征和方面。

图1和图2为根据一个示例性实施方案的增材制造原料的示意图；

图3为根据一个示例性实施方案的挤出系统的示意图；

图4和图5为根据一个示例性实施方案的挤出设备的示意图；

图6为根据一个示例性实施方案的场发生器的示意图；

图7为根据一个示例性实施方案的零件制品的等距视图；并且

图8为根据一个示例性实施方案的方法的流程图。

本发明涉及增材制造工艺。增材制造消除了与传统制造相关的许多限制。增材制造的零件可包括复杂的几何和拓扑结构以及多材料微结构，以获得诸如高单位重量刚度、高单位体积热传递表面积等改进的性能。本发明涉及增材制造装置和方法，其可用于形成具有受控的方向特征的复合结构。

在下文所述的各种实施方案中，使用外场对基于挤出的增材制造过程中使用的复合材料的各部分进行取向。本技术使得复合系统能够具有3d打印的优点和能力、复合材料的强度和独特功能以及在单个零件内的所有点在三维上控制复合材料性能的能力。本工艺通过在打印过程中利用粘度的巨大变化来产生效果。首先，在工艺的较低粘度部分中，通过三维外场对嵌入颗粒进行取向。然后，当材料(通过固化或冷却)硬化且粘度升高时，颗粒被锁定到位。

使用这些过程形成的物体可以是聚合物(或其他可流动材料)的复合材料和使用包含聚合物粉末和具有特定于场的各向异性特性(例如，磁特性、电气特性、热特性等)的材料的原料的其他材料。聚合物形成基质，并且利用外场在聚合物基质内对一个或多个其他成分进行取向，以提供增强的特性。本方法允许对打印的零件中特定于场的特性(例如，磁化和偏振)进行体素级控制。需注意的是，可流动材料未必是聚合物。本方法也可应用于其他材料，例如，金属(如，焊料)、玻璃、动植物蜡等。

在一个实施方案中，使用可流动材料(如，聚合物)和可取向/功能各向异性材料(本文中称为“功能性材料”)的混合物形成在每个体素内具有根据需要形成的特定于场的特性的零件。例如，原料可具有永久性的内部磁场或电场，其中在打印期间可在三维上对场的取向进行体素级控制。聚合物成分与填料一起液化，并在外场存在的情况下挤出，以在固体零件中形成永久取向。在其他情况下，功能性材料的取向(不是定向磁场或者除定向磁场以外)可导致其他定向取向的特性，诸如，结构强度和热传递(如，导电性)。

原料可以是可流动材料与功能性材料以及其他成分(例如，有助于粘附的表面活性剂/增容剂或者有助于聚合物流动的材料)的混合物。在图1和图2中，示意图示出了根据示例性实施方案的原料100、原料200。如图1所示，原料100为颗粒复合材料，其中功能性材料102被聚合物104或其他可流动材料包封。此类复合原料的示例可以是具有聚丙烯(pp)涂层104的钐钴永磁体(smco)芯102。如图2所示，原料200可替代地或除此之外包括混合在一起的单独的功能性材料202和可流动材料204。

需注意的是，本文所述的实施方案可利用任何形状和比例的原料成分。例如，功能性材料和可流动材料可被配置为是纤维、薄片等。可流动材料在所得装置的工作温度(例如，室温)下可以是固体，并且在被加热后可与功能性材料一起流动，然后它会再次硬化并使功能性材料的取向固定。在其他实施方案中，可流动材料利用化学反应来协助或引起硬化。例如，可流动材料在工作温度(例如，室温)下可以为液态，从而无需融化，并且在沉积后可通过利用热量和/或光对其进行固化。功能性材料可包括黑色金属和有色金属、电介质、碳纤维、石墨烯等。进一步地，原料可以诸如块、细丝、液态溶液等其他形式提供。

在图3中，示意图示出了根据一个示例性实施方案的挤出系统300。挤出系统300包括具有将原料306移至配料单元304的进料机构301的设备。在本示例中，进料机构302为容纳在喷嘴内的进料螺杆，喷嘴充当配料单元304。原料306被送入进料螺杆，并在进料螺杆内被加热成以流向配料单元304的喷口304a的流动方向310(对应于所示的坐标系312中的z轴)导向的流体流303。原料306包括上述功能性材料306a和可流动材料306b。

箭头308所指的热源可选地用于加热原料306，原料至少部分地被融化以在流体流303内形成均匀的混合物，其内载有功能性材料306a。需注意的是，如上所述，可流动材料在工作温度(例如，室温)下可为液体，因此无需融化。流体流303离开喷口304a，并在喷口处沉积到构造表面314上，在此处指示为沉积区315。配料单元304和构造表面314中的一者或两者可例如通过致动器316、318相对于彼此移动。沉积在构造表面314上的材料(或之前沉积在增构造表面314上的原料)将冷却凝固，从而快速加粘度并将颗粒306a锁定在其预期取向上。根据粘度与场强之比，可例如通过风扇、可流动材料与周围空气接触时的化学反应等为复合材料提供另外的冷却。流303以预定方式连续通过，从而可形成零件319。零件319由凝固的功能性材料306a和可流动材料306b的聚合物基质形成。

致动器316、318的运动以及材料从配料单元304的挤出有助于在表面314上另外形成零件319。需注意的是，配料单元304和构造表面314通过致动器316、318进行的相对运动可以仅是平移(例如，三个自由度)或旋转和平移的任意组合(例如，多达六个自由度)。构造表面314可以是如图所示的平面或其他形状，例如，有助于沉积形成圆柱形的旋转圆柱体。

一个或多个场发生器320邻近沉积区(例如，靠近配料单元304的喷口304a)，在离开喷口304a之前材料流在此处受到场发生器影响。场发生器320可以设在配料单元304的外部或配料单元304的内部。在后一种情况中，场发生器320可与流303接触。场发生器320产生可在三维上取向的场322。例如，场322可以是对极性颗粒进行排列和/或在材料内诱导内部极化的电场或磁场。场322可被配置为具有垂直(normal/perpendicular)于流动方向310的至少一个分量，例如，表示场322在xy平面上具有正分量或负分量的矢量。就smco而言，这些场发生器可以是电磁体，其用于使颗粒磁化(如果原料未被磁化)或通过磁场使颗粒旋转排列(如果原料已经被磁化)。

场322的其他示例可以是用于操纵介电材料的可通过相同的场发生器预先充电或充电的静电场。场322可包括可通过洛伦兹力来操纵抗磁导电材料的ac电场和/或磁场或可对铁电材料进行取向的静电场。在其他情况下，声场可利用振动在特定方向上对异形颗粒进行取向。

如第二场发生器325所示，还可将第二场326与第一场322相结合施加到流303上。第二场326(例如，电场和磁场)可为与第一场322不同的类型。如图所示，场322、326可在任意给定时刻具有不同取向。场322、326可对单一类型的功能性材料306a施加影响，例如，增强其取向性。在其他情况下，可使用多种类型的功能性材料306a，每种类型的功能性材料受到的不同场322的影响不同。需注意的是，本文的场发生器322的任何功能可同样地适用于第二场发生器326。

如配料单元304的受热区域内的功能性材料306a颗粒上的箭头所示，当颗粒306a沉积到构造表面314上时，功能性材料颗粒306a从无序/不规则排列过渡到由场322排列。场发生器320由处理器324配置，该处理器随时间的变化改变场322的角度、方向和/或量值。需注意的是，场322的方向和角度可以是相互依赖的。例如，180度的角度变化和场矢量322正反方向的改变会产生相同的结果，在一些实施方案中，这可以通过改变场发生器322中的电流方向来实现。由处理器324引起的场322的变化与由处理器324(也直接或间接地与致动器316、318联接)引起的喷嘴304和构造表面314之间的相对取向的变化相配合，从而有助于功能性材料306a在零件319的体积内可选择性地改变取向。

在图4和图5中，示意图示出了根据另一个示例性实施方案的增材制造系统。设备400包括将原料406移至喷嘴404中的进料螺杆402。和前面的示例一样，原料406被送入进料螺杆402，并在进料螺杆内被加热成流向喷嘴404的开口404a的流体流403原料406包括如上所述的功能性材料406a和可流动材料406b。

在这个情况下，电磁线圈408在开口404a附近缠绕在喷嘴404上。例如通过联接到电源电路(未示出)的控制器使电流流过线圈408。电流沿箭头410(其与原料406的流动方向对齐)所指的方向流动，使得磁场412沿箭头406所指的方向施加在原料上。在图5中，电流500以相反的方向施加，从而产生场502。可改变施加到线圈408的电流的方向和量值，以便在颗粒406b沉积形成零件的过程中改变其取向。

可在任何其他维度另外增加场发生器以实现对复合颗粒的全三维控制。在图6中，示意图示出了根据另一个示例性实施方案的增材制造系统。设备600包括沿垂直于页面的流动方向移动并液化原料的进料机构602。原料包括如上所述的功能性材料604和可流动材料颗粒606。

在这种情况下，电磁线圈608-611位于与构造表面(未示出)平行(或相切)的平面上。在其他实施方案中，线圈608-611可位于另一个平面上，例如，图4和图5中所示的yz平面。两个独立的电源612、614分别联接到线圈对608-609和610-611。在本示例中，相对的线圈608、609串联在一起，如相对的线圈610、611一样。在其他实施方案中，相对的线圈对可以并联在一起。通过改变由相应的电源612、614提供的电量，线圈608-611产生的磁场616的角度可因正交磁场的总和而改变。产生的场616可与图4和图5所示的场412、502组合以在三维空间中产生任何所需的净场矢量。

需注意的是，这些实施方案中的三维场可被配置为在进料方向和/或垂直于进料方向的一个或多个方向上略微延伸超过喷口。这使得离开喷口的流可以保持足够高的温度，以便与先前沉积的材料结合，而又不会失去在配料单元中所形成的取向。这可以通过对刚刚沉积的材料施加与施加在当前正在沉积的材料上的一次场略微不同的二次场的另外的场发生器来提供。可以根据一次场的时间方差确定一次场和二次场之间的差异，取决于从喷嘴到构造表面的速度。

应当理解，可以使用线圈和电源(或其他电气控制元件)的不同的布置方式实现类似的角度可控的场。例如，线圈608-611可由三个或更多个单独的电源独立地驱动。或者，相邻的线圈(例如，609-610和608、611)可以并联或串联在一起，而不是相对线圈。在其他实施方案中，单个磁体组件(例如，一对永磁体和/或电磁体)可例如通过致动器和轴承组件以一个或多个自由度围绕流动的原料移动。上述实施方案可应用于其他类型的场发生器，例如，电场或声场。

应当理解，上述挤出系统的其他特征仅仅用于举例说明目的而非限制目的。例如，尽管示出的是进料螺杆使原料移动穿过配料单元，但是可以使用其他进料机构，诸如，转轮(如，推动材料细丝穿过加热器和喷口的转轮)、活塞、气压/液压等。类似地，可以使用任何类型的加热器，包括电阻加热器、燃气加热器、原料内的化学反应等。在一些示例中，用于对功能性材料进行取向的定向场还可以用于对原料的可流动材料进行部分或完全加热，例如，场为微波波长电磁场。

在任意一个上述的实施方案中，与增材制造相关的已知技术(诸如将薄片3d打印到表面上以形成3d物体)可利用定向定制的复合结构。通过在构建零件的过程中连续改变场的取向，可以将复杂的三维场永久地嵌入到零件中。复合材料是具有吸引力的，因为它们结合了不同的材料特性。这些方法使得3d打印可用于在所有方向上对复合材料的特性进行体素级操纵。

当使用这些方法和设备时，可制成在所有方向上具有空间上受控的特性的3d零件。这些新材料开辟了新的可能性，范围从单个零件内的三维形状的磁场到复杂的物理特性。内部磁极化不均匀的物体的示例为海尔贝克阵列，其以阵列的一侧的场几乎为零而另一侧的场被增强的方式排列离散的磁体。这些阵列的应用从冰箱磁贴到ac电机到电子激光器。以电机中的磁体为例，使用“成型场”(例如，具有海尔贝克结构)磁体可潜在地使扭矩传递增加高达75％。打印任何海尔贝克结构的能力为电机中的磁体开辟出了可利用的设计空间，这将实现对磁体几何形状的进一步优化。还有很多针对微调的海尔贝克阵列的其他应用。例如，最佳3d阵列可用于操纵用于癌症治疗的纳米颗粒。

通常，这种磁场操纵意味着可以减少特定应用所需的磁性材料量。例如，诸如smco或ndfeb之类的稀土磁体要比常规的铁氧体贵得多，并且市场上的供应量可能有限或无法预测。稀土磁体的市场规模约为100亿美元，因此即使所需的材料减少1％也是很显著的。

在图7中，透视图示出了根据一个示例性实施方案的具有3d形状场的增材制造零件700的示例。零件700为磁性半球体，其被制造成使得在其表面的每个点上，磁取向垂直于该表面，如场力线702-706所指示。如果零件700是通过3d打印工艺形成的，则增材组件设备会朝着零件的底端700a对场702进行基本垂直的取向(与z轴对齐)，并且场的取向会逐渐朝向顶部边缘变得更加水平取向，如场力线704、706所示。零件700可从底端700a向顶端700b或者以相反的方向形成。

在图8中，流程图示出了根据一个示例性实施方案的方法。本方法涉及：将原料800放入配料单元中。原料包括功能性材料和可流动材料。使801原料的流体流沿流出配料单元的喷口的流动方向流动，并流向构造表面。可通过向原料施加热量和/或压力来形成801流体流。将场发射802到流体流上对功能性材料进行排列。例如，该排列可平行或垂直于场。场具有垂直于流动方向的至少一个分量。移动803构造表面和喷口中的至少一者，使得离开喷口的流体流增材制造零件。场随时间变化804，使得功能性材料的取向在零件的体积内可选择性地变化。

总之，复合材料的增材制造工艺可使一种或多种材料通过一个或多个外场取向。粘度的变化(例如，沉积后冷却)用于防止颗粒在其取向已被设定后移动。外场可以是三维的，其对复合材料的一种或多种成分的取向进行三维控制。控制场可连续变化以影响对复合材料取向的连续的体素级控制。在一个实施方案中，可在打印头处产生可旋转磁场，以对消磁的铁磁体进行磁化和/或对磁化的铁磁体进行排列。可旋转电场可用于排列电极化材料。可通过电磁体在打印头处产生可旋转磁场。

除非另有说明，否则本说明书和权利要求书中使用的表达特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应被理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非另有说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数为近似值，近似值可根据本领域技术人员利用本文所公开的教导所寻求获得的所需特性而变化。带端点的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。