用于3D打印3D物品的方法

摘要

本发明提供了一种包括3D打印3D物品(1)的方法，该方法包括：在打印阶段期间，用熔融沉积成型3D打印机(500)经由单个喷嘴(502)共同沉积可3D打印材料(201)和细长固体纤维(310)，以提供包括3D打印材料(202)的3D物品(1)，其中细长固体纤维(310)被嵌入在3D打印材料(202)中。

权利要求

1.一种使用熔融沉积成型3D打印机(500)来3D打印3D物品(1)的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-向所述熔融沉积成型3D打印机(500)的打印机喷嘴(502)馈送可3D打印材料(201)，-用纤维提供单元(580)向所述打印机喷嘴(502)提供细长固体纤维(310)，以及-在打印阶段期间，经由所述打印机喷嘴(502)共同沉积所述可3D打印材料(201)和所述细长固体纤维(310)，以提供包括3D打印材料(202)的所述3D物品(1)，其中所述细长固体纤维(310)被嵌入在所述3D打印材料(202)中，其中所述纤维提供单元(580)进一步被配置为：控制向所述打印机喷嘴(502)提供的所述细长固体纤维(310)绕着所述细长固体纤维(310)的细长轴线(C1)的旋转，以及其中所述方法进一步包括：当所述细长固体纤维(310)具有至少0.5mm的直径d时，控制所述细长固体纤维(310)的旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括：在沉积期间将所述3D打印材料(202)的层高(t)控制在至少1.5*d，并且在沉积期间将所述3D打印材料(202)的层宽(w)控制在至少2*d，并且其中所述细长固体纤维(310)具有至少5cm的长度(l)。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述细长固体纤维(310)包括导电材料。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述细长固体纤维(310)包括光导材料。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述细长固体纤维(310)包括玻璃材料。

6.一种用于向衬底(1550)提供可3D打印材料(201)的熔融沉积成型3D打印机(500)，所述熔融沉积成型3D打印机(500)包括：-打印机头(501)，包括打印机喷嘴(502)，

-可3D打印材料提供设备(575)，被配置为向所述打印机头(501)提供所述可3D打印材料(201)，

-纤维提供单元(580)，用于向所述打印机头(501)提供细长固体纤维(310)，其中所述熔融沉积成型3D打印机(500)被配置为：在打印阶段期间经由所述打印机喷嘴(502)共同沉积所述可3D打印材料(201)和所述细长固体纤维(310)，其中所述纤维提供单元(580)被配置为：控制向所述打印机喷嘴(502)提供的所述细长固体纤维(310)绕着所述细长固体纤维(310)的细长轴线(C1)的旋转，以及其中所述熔融沉积成型3D打印机(500)进一步包括控制系统(C)，所述控制系统(C)被配置为：当所述细长固体纤维(310)具有至少0.5mm的直径时，控制所述细长固体纤维(310)的旋转。

7.根据权利要求6所述的熔融沉积成型3D打印机(500)，其中所述纤维提供单元(580)进一步被配置为经由所述打印机头(501)的侧入口(504)将所述细长固体纤维(310)引入到所述打印机喷嘴(502)，并且其中所述可3D打印材料提供设备(575)被配置为向所述打印机头(501)的顶部入口(505)提供所述可3D打印材料(201)。

8.根据前述权利要求6-7中的任一项所述的熔融沉积成型3D打印机(500)，其中所述控制系统被配置为：控制所述3D打印材料(202)的层高(t)，所述层高(t)至少是1.5*d；并且控制所述3D打印材料(202)的层宽(w)，所述层宽(w)至少是2*d，其中d是所述细长固体纤维(310)的直径。

9.一种照明系统(1000)，包括：(a)光源(10)，所述光源(10)被配置为提供光源光(11)；

以及(b)3D物品(1)，所述3D物品(1)包括沉积层(222)，其中所述沉积层(222)包括3D打印材料(202)和被嵌入在所述3D打印材料(202)中的细长固体纤维(310)，其中所述细长固体纤维具有直径d，并且所述细长固体纤维包括导电材料和光导材料中的一种或多种材料，其中所述层(222)具有至少1.5*d的层高(t)和至少2*d的层宽(w)，并且其中所述细长固体纤维(310)被配置作为电导体，所述电导体被功能性地耦合到所述光源(10)，或者所述细长固体纤维(310)被配置作为光纤，所述光纤被配置为接收来自所述光源(10)的光源光(11)，并且被配置为在所述光纤的长度(L)的至少部分上光引导所述光源光(11)。

10.一种计算机程序产品，包括指令，所述指令在所述计算机程序产品被根据权利要求

6至8中的任一项所述的熔融沉积成型3D打印机(500)执行时使得所述熔融沉积成型3D打印机(500)执行根据权利要求1-5中的任一项所述的方法。

说明书

用于3D打印3D物品的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于制造3D(打印)物品的方法。更进一步，本发明还涉及3D打印机，并且涉及包括指令的计算机程序产品，当由3D打印机执行计算机程序产品时，该指令使得3D打印机执行该方法。

背景技术

[0002] 用于复合部件制造的系统在本领域中是已知的。例如，US 2015/0367576尤其地描述了一种方法，该方法包括：将基质材料和与基质材料分离的纤维材料提供给熔融沉积成型(FDM)三维(3D)打印机；以及在维持纤维材料与基质材料分离直到FDM 3D打印机的打印位置的同时，向FDM 3D打印机的打印位置递送基质材料和纤维材料，其中该递送包括熔化基质材料并且将纤维材料嵌入到基质材料内。基质材料管可以是中空的热塑性细丝。纤维束可以穿过基质材料管的中心。例如，纤维束由在中空热塑性细丝的中心的结构纤维组成。在一些实现中，这些结构纤维不是连续的，而是由每根长度在3-25mm之间的纤维构成。在一些情况下，结构纤维可以是织造垫或织造纤维的条带，或由不连续的补块组成。进一步地，US 2015/0367576的系统包括：构建平台；以及与构建平台相关联的两个或更多个工具；其中该两个或更多个工具被配置和布置为相对于构建平台在非平面层中添加基质材料和纤维材料用以构建物体。

[0003] US 2014/061974公开了一种用于三维物体的增材制造的方法和装置。两种或更多种材料被同时地挤出作为复合物，其中至少一种材料为液体形式，并且至少一种材料以固体连续线股完全地被包在液体材料内。固化挤出后的液体材料的装置使复合物硬化。复合物内的线股材料包含特定的化学、机械或电学特性，其灌输具有仅使用一种材料无法实现的增强功能的物体。

发明内容

[0004] 在接下来的10-20年内，数字制造将越来越多地改变全球制造业的本质。数字制造的方面之一是3D打印。当前，已经开发了许多不同的技术以便使用诸如陶瓷、金属和聚合物的各种材料来生产各种3D打印物体。3D打印还可以被用于生产模具，然后该模具可以被用于复制物体。

[0005] 出于制造模具的目的，已经建议了多喷射技术的使用。该技术利用可光聚合材料的逐层沉积，可光聚合材料在每次沉积后被固化以形成固体结构。尽管该技术产生光滑的表面，但是可光固化的材料不是非常稳定，并且它们还具有相对低的热导率，这对于注塑成型应用是有用的。

[0006] 最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是一种通常地用于成型、原型设计和生产应用的增材制造技术。FDM根据“增材”原理通过以层的方式铺设材料来工作；塑料细丝或金属线从线圈松开，并且提供材料以生产部件。可能地，(例如，针对热塑性塑料)细丝在铺设之前被熔化并且被挤出。FDM是一种快速原型设计技术。针对FDM的其他术语是“熔融细丝制造”(FFF)或“细丝3D打印”(FDP)，这些术语被认为等同于FDM。通常，FDM打印机使用热塑性细丝，该热塑性细丝被加热到熔点，然后被挤出，逐层地(或者实际上细丝接细丝地)来创建三维物体。FDM打印机相对快速，并且可以被用于打印复杂的物体。

[0007] FDM打印机相对快速，成本低，并且可以被用于打印复杂的3D物体。这种打印机被用于使用各种聚合物来打印各种形状。该技术还在LED灯具的生产和照明解决方案中被进一步地开发。

[0008] 现有技术解决方案具有的问题可能在于它们没有提供在细丝中的固体材料的相对长的纤维的引入。然而，针对例如电学连接或光学连接等，这可以是期望的。此外，当用于3D打印的现有技术方法被应用，并且在打印工艺中简单地引入细长纤维时，似乎会遇到问题。例如，针对较粗的纤维，似乎当例如用打印机头转弯时，扭矩被施加到纤维上，然后该纤维从该纤维应被嵌入的层中拉出，导致纤维从3D打印物品中的突出等。

[0009] 因此，本发明的目的是提供一种备选的3D打印方法和/或3D(打印)物品，其优选地进一步至少部分地消除了如上所描述的缺陷中的一个或多个缺陷。本发明的目的可以是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或者提供有用的备选方案。

[0010] 尤其地，在本文中我们提出使用FDM打印机用于打印连续固体纤维(诸如光纤、碳纤维、导线等)的方法(其中打印机头在XY平面中移动，而平台在Z方向上移动)，并且馈送器被用于将聚合物推向打印机头，在该打印机头处聚合物熔化并从喷嘴流出。在这种打印机中，固体纤维可以与聚合物一起被馈送到喷嘴中。令人惊奇地发现，当纤维足够细时，不需要额外的馈送器来推动固体纤维，并且在打印期间固体纤维从喷嘴中被拉出。对于较粗的纤维，使用分离的馈送器来馈送纤维可以是所期望的。还发现，在打印期间，固体纤维可能变得扭曲，这种扭曲动作可能会阻挡细丝跟随喷嘴的路径。

[0011] 令人惊奇地发现，当使用相对较细(约<0.5mm)的纤维时，由扭曲动作引起的应力可以被吸收。而且，在不具有用于固体纤维的分离的馈送器的情况下，细丝可以从喷嘴中被拉出。

[0012] 还惊奇地发现，用于打印相对较细的固体纤维的最简单方法是通过馈送固体纤维通过打印喷嘴的侧壁中的孔，该孔具有纤维的尺寸。

[0013] 当使用相对较粗(>0.5mm)的纤维时，在本文中建议使用具有用于纤维的分离的馈送器的打印机。在特定的实施例中，进一步建议以与打印机头的运动同步的方式来旋转固体纤维载体，以便避免/减少在打印期间纤维的扭曲。

[0014] 因此，在第一方面，本发明提供了一种用于使用熔融沉积成型3D打印机(“打印机”或“FDM打印机”)3D打印3D物品(“物品”)的方法。该方法包括以下步骤：(i)向熔融沉积成型3D打印机的打印机喷嘴馈送可3D打印材料；(ii)用纤维提供单元向打印机喷嘴提供细长固体纤维；以及(iii)在打印阶段期间，经由打印机喷嘴共同沉积可3D打印材料和细长固体纤维(“纤维”或“细长纤维”或“固体纤维”，或在实施例中纤维束)，以提供包括3D打印材料的
3D物品，其中细长固体纤维被嵌入在3D打印材料中。

[0015] 纤维提供单元还被配置为控制向打印机喷嘴提供的细长固体纤维绕着细长固体纤维的细长轴线的旋转。该方法进一步包括以下步骤：当细长固体纤维具有至少0.5mm的直径时，控制细长固体纤维的旋转。

[0016] 用这种方法，以稳定且持久的方式将长纤维嵌入在3D打印层中似乎是可能的。甚至可以嵌入相对较粗的纤维。用当前描述的方法，这种纤维可以被用于光学应用(波导或光导)或用于电学目的，诸如用于向诸如光源的电学组件提供功率的电导体。

[0017] 如上所指示，本发明尤其地提供了包括3D打印3D物品的方法。因此，本发明提供了3D打印方法，特别地FDM打印方法。

[0018] (用本文描述的方法)获得的3D打印物品本身可以是功能性的。这样获得的3D物品可以(备选地)被用于装饰或艺术目的。3D打印物品可以包括功能组件或被提供有功能组件。特别地，功能组件可以选自由光学组件、电学组件和磁性组件组成的组。术语“光学组件”特别地指代具有光学功能的组件，诸如透镜、反射镜、光源(如LED)等。术语“电学组件”可以例如指代集成电路、PCB、电池、驱动器，还可以指代光源(因为光源可以被视为光学组件和电学组件)等。术语“磁性组件”可以例如指代磁性连接器、线圈等。备选地或附加地，功能组件可以包括热学组件(例如，被配置为冷却或加热电学组件)。因此，功能组件可以被配置为生成热量或清除热量等。

[0019] 例如，在实施例中，细长纤维可以功能性地与光源或其他电学组件耦合。例如，在实施例中，细长固体纤维包括导电材料，诸如碳纤维或铜纤维。这种细长纤维可以被用于向电学组件提供电功率。在其他实施例中，细长纤维可以功能性地与光源耦合以用于波导目的。因此，在特定的实施例中，细长固体纤维包括光导材料。纤维可以被用于引导可见光或其他类型的光。纤维可以被用于通信目的等。

[0020] 如上所提及的诸如电学组件的功能组件可以是3D物品的部分(诸如至少部分地被嵌入在该3D物品中)，或者可以不是3D物品的部分。在后一种情况下，可以(例如，由用户)将3D物品和这种功能组件功能性地耦合。

[0021] 例如，在实施例中，细长固体纤维包括玻璃材料。这种玻璃纤维可以被用作光导。它们还可以具有包覆层。它们可以由诸如二氧化硅、氟锆酸盐、氟铝酸盐和硫系玻璃的材料制成。它们可以具有阶跃折射率、梯度折射率。其还可以由塑料纤维(诸如PMMA、硅树脂等)制成。

[0022] 纤维还可以具有机械和/或装饰功能。它可以是聚合物纤维，诸如对位芳族聚酰胺合成纤维(诸如Kevlar)、聚酰胺纤维和聚酯纤维。因此，在实施例中，细长固体纤维可以包括聚合物材料或碳材料等。

[0023] 术语“固体纤维”特别地涉及在热塑性材料的玻璃化和/或熔化温度处是固体的材料，该热塑性材料可以特别地应用于熔融沉积打印阶段。这可以特别地应用于玻璃材料或碳纤维。因此，在打印期间，固体细丝基本上不会熔化或变软(像这可以应用于可3D打印材料)，而是维持固态。

[0024] 术语纤维还可以指代芯-壳型纤维，诸如例如包括包覆的光纤、或包括绝缘体的导电线。因此，术语“纤维”可以基本上指代任何相对长且细的(即，细长的)线状元件。例如，在实施例中，(长度和直径的)纵横比可以等于或大于10，诸如等于或大于100，或者等于或大于1000，或者甚至更大的纵横比是可能的。

[0025] 注意的是，在最终的3D打印物品中可以存在多于一根纤维。因此，具有不同功能的不同纤维可以是可用的。因此，术语“纤维”还可以指多根纤维。因此，术语“纤维”还可以指纤维束，诸如基本上相同的纤维的束或多个不同的纤维的束。

[0026] 纤维可以具有在约0.05-5mm(诸如0.1-2mm)的范围内的厚度或直径。纤维不一定具有圆形横截面。然而，当横截面为非圆形时，最短尺寸和最长尺寸相差不大。例如，最小厚度和最大厚度之间的纵横比可以从0.5-2的范围中选择。因此，有效地，纤维可以基本上具有圆形的横截面。厚度或直径还可以被指示为等效直径或等效圆直径。不规则状的二维形状的等效圆直径(或ECD)是具有相同面积的圆的直径。例如，具有边a的正方形的等效圆直径为2*a*SQRT(1/π)。

[0027] 如上所指示，术语“纤维”还可以指代纤维束。在这种实例中，出于厚度、直径和长度的目的，纤维束将被称为纤维。

[0028] 在实施例中，纤维可以例如具有至少约0.5cm的长度，诸如至少约1cm、诸如至少约2cm、诸如至少约2.5cm、诸如至少约5cm、诸如选自5cm-100cm的范围，或甚至更多，诸如至少约10cm，直到例如几米，如直到2米甚至5米。因此，在特定实施例中，细长固体纤维具有至少
5cm的长度(l)。注意的是，在实施例中，两个或更多纤维可以是可用的，其可以具有不同的长度。

[0029] 进一步地，本发明的方法包括：在打印阶段期间，用熔融沉积成型3D打印机经由单个喷嘴共同沉积(a)可3D打印材料和(b)细长固体纤维。因此，纤维和可3D打印材料二者均从同一喷嘴逸出并且被沉积。因此，两者都通过同一单个开口来提供。

[0030] 注意，术语“单个喷嘴”并不排除：打印机可以与多于一个打印机头一起使用，并且因此与多于一个喷嘴一起使用。然而，在本发明的方法中，在打印阶段期间，共同沉积利用喷嘴来执行，可3D打印材料和纤维二者均被引导通过该喷嘴。

[0031] 如上所指示，该方法包括：在打印阶段期间沉积可3D打印材料。本文中，术语“可3D打印材料”是指要被沉积或打印的材料，并且术语“3D打印材料”是指在沉积之后所获得的材料。这些材料可以基本上相同，因为可3D打印材料可以特别地指代打印机头或挤出器中处于高温的材料，而3D打印材料指代在沉积时的后面阶段中的同一材料。可3D打印材料可以被打印为细丝并且按此沉积。可3D打印材料可以被提供为细丝或可以被形成为细丝。因此，无论应用什么起始材料，由打印机头提供包括可3D打印材料的细丝，并且该细丝被3D打印。

[0032] 本文中，术语“可3D打印材料”还可以被指示为“可打印材料。术语“聚合物材料”在实施例中可以指代不同聚合物的混合物，但是在实施例中还可以指代具有不同聚合物链长的大体单一的聚合物类型。因此，术语“聚合物材料”或“聚合物”可以指代单一类型的聚合物，而且还可以指代多种不同的聚合物。术语“可打印材料”可以指代单一类型的可打印材料，而且还可以指代多种不同的可打印材料。术语“打印材料”可以指单一类型的打印材料，而且还可以指代多种不同的打印材料。

[0033] 因此，术语“可3D打印材料”还可以指代两种或更多种材料的组合。通常，这些(聚合物)材料具有玻璃化转变温度Tg和/或熔化温度Tm。在可3D打印材料离开喷嘴之前，该可3D打印材料将由3D打印机加热到一温度，该温度为至少玻璃化转变温度，并且通常为至少熔化温度。因此，在特定的实施例中，可3D打印材料包括具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)的热塑性聚合物，并且打印机头动作包括：将可3D打印材料加热到高于玻璃化转变温度，并且如果该可3D打印材料是半结晶聚合物则加热到高于熔化温度。在又一实施例中，可3D打印材料包括具有熔点(Tm)的(热塑性)聚合物，并且打印机头动作包括：将要被沉积在接收器物品上的可3D打印材料加热到至少熔点的温度。玻璃化转变温度通常与熔化温度不同。熔化是在结晶聚合物中发生的转变。当聚合物链脱离其晶体结构并且变成无序液体时，熔化发生。玻璃化转变是无定形聚合物发生的转变；即，即使聚合物处于固态，聚合物的链也不会以有序的晶体布置，而是以任何方式散布。聚合物可以是无定形的，通常具有玻璃化转变温度而不具有熔化温度，或者可以是(半)结晶的，通常具有玻璃化转变温度和熔化温度二者，其中通常后者大于前者。

[0034] 如上所指示，本发明因此提供了一种方法，该方法包括：提供可3D打印材料的细丝，并且在打印阶段期间在衬底上打印所述可3D打印材料，以提供所述3D物品。特别地有资格作为可3D打印材料的材料可以选自由以下材料组成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅树脂等。特别地，可3D打印材料包括(热塑性)聚合物，该(热塑性)聚合物选自由以下材料组成的组：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或聚酰胺)、乙酸盐(或纤维素)、PLA(聚乳酸)、对苯二甲酸酯(诸如PET聚对苯二甲酸乙二醇酯)、丙烯酸(聚甲基丙烯酸酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)、聚丙烯(polypropylene)(或聚丙烯(polypropene))、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如发泡高冲击聚乙烯(Polythene)(或聚乙烯(polyethene))、低密度(LDPE)高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯(polyvinyl chloride))聚氯乙烯(polychloroethene)等。可选地，可3D打印材料包括选自由以下材料组成的组的可3D打印材料：尿素甲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯(PC)、热塑性弹性体等。可选地，可3D打印材料包括选自由聚砜组成的组的可3D打印材料。

[0035] 可打印材料被打印在接收器物品上。特别地，接收器物品可以是构建平台或可以被构建平台所包括。接收器物品还可以在3D打印期间被加热。然而，接收器物品还可以在3D打印期间被冷却。

[0036] 短语“在接收器物品上打印”和类似短语尤其地包括：直接在接收器物品上打印，或在接收器物品上的涂覆层上打印，或在先前在接收器物品上所打印的3D打印材料上打印。术语“接收器物品”可以指代打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板或构建平台等。还可以使用术语“衬底”来代替术语“接收器物品”。短语“在接收器物品上打印”和类似短语尤其地还包括在以下项上的分离衬底上打印，或在由以下项所包括的分离衬底上打印：打印平台、打印床、支撑件、构建板或构建平台等。因此，短语“在衬底上打印”和类似短语尤其地包括：直接在衬底上打印，或在衬底上的涂覆层上打印，或在先前在衬底上所打印的3D打印材料上打印。在下文中，进一步使用术语衬底，其可以指代打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板或构建平台等，或在所列举项上的、或被所列举项所包括的分离衬底。

[0037] 以这种方式，提供了包括3D打印材料的3D物品，其中细长固体纤维被嵌入3D打印材料。基于在细丝上沉积细丝的增材工艺，3D打印物品可以主要包括分层结构。这种层的至少部分将包括纤维，其中该纤维被嵌入在(多个)层中。因此，基本上在纤维的整个长度上，纤维都被嵌入以前的细丝中，该以前的细丝现在已经是制成的3D打印物品中的层；还请进一步参见下文。当然，不是所有的层或以前的细丝都必须包括单根纤维或多根纤维。

[0038] 当沉积纤维时，打印机头转弯时可能会出现问题。细丝基本上可以相对容易地跟随任何角度或弯曲，但是纤维可能较不易弯曲。本发明通过提供允许纤维绕着其细长轴线旋转的单元来解决这种问题。术语“旋转”可以指代大于0°的任何旋转角度(或“旋转的角度”)。当然，其可以是逆时针或顺时针旋转。这可以取决于打印机头所成的角度或弯曲。

[0039] 该方法包括：向打印机喷嘴馈送可3D打印材料，并且用纤维提供单元向打印机喷嘴提供细长固体纤维，其中纤维提供单元还被配置为控制向打印机喷嘴提供的细长固体纤维绕着细长固体纤维的细长轴线(C1)的旋转。以这种方式，当例如转弯时，在打印阶段期间补偿在细长固体纤维上的扭矩是可能的。纤维提供单元可以被附接到打印机头或可以与其分离。然而，打印机被配置成使得纤维提供单元可以跟随打印机头，并且在认为必要时可以在纤维上施加旋转以用于补偿转弯(弯曲或角度)。纤维提供单元可以由几个元件组成，其中的一个或多个元件可以是可旋转的。因此，在实施例中，纤维提供单元的至少部分可以相对于打印机喷嘴旋转和/或平移。例如，纤维提供单元可以包括可旋转的和/或可平移的头。特别地，该部分可以至少是可旋转的，诸如可旋转的头。在进一步的特定实施例中，头是可平移的且可旋转的。因此，在实施例中，纤维提供单元的至少部分(诸如例如至少其头部)可以被配置为以与打印机头的运动同步的方式来运动，以用于避免或减少在打印期间纤维的扭曲。

[0040] 如上所指示，对于细纤维，扭矩可以是小的，并且可以由纤维补偿。对于较粗的纤维，尖锐的弯曲可以导致纤维上的扭矩，其可以在3D打印产品中或在打印期间带来张力。已经发现，沉积层的高度(本文中还用参考标记t来指示)可以特别地比纤维直径(d)的1.5倍大(t>1.5d)。沉积的纤维的宽度(本文中还用参考标记w来指示)可以特别地大于纤维直径的2倍(w>2d)。

[0041] 该方法进一步包括：当细长固体纤维具有至少0.5mm的直径d时，控制细长固体纤维的旋转。以这种方式，可以在打印阶段期间补偿细长固体纤维上的扭矩。当然，当需要时，针对较细的纤维，诸如具有至少0.2mm的直径的纤维，旋转也可以被控制。然而，在其他实施例中，当细长固体纤维具有小于0.5mm的直径时，可以不执行补偿。如上所指示，在实施例中，当纤维不具有基本上圆形的横截面时，术语“直径”可以指代等效直径。

[0042] 进一步地，似乎当(3D打印产品的，即以前的细丝的)层高和/或层宽大体上大于纤维的直径时，可以获得最佳结果。因此，在特定实施例中，细长固体纤维具有直径d，其中该方法进一步包括：在沉积期间将3D打印材料的层高(t)控制为至少1.5*d，和/或在沉积期间将3D打印材料的层宽(w)控制为至少2*d。注意的是，此处指的是3D打印层。从喷嘴逸出的细丝可以具有至少约1.75*d的直径。

[0043] 例如，通过将打印层与打印机喷嘴之间的距离调节为小于喷嘴的孔的直径，可以获得具有非圆形横截面的层的创建。还可以在打印期间改变层的厚度。

[0044] 可选地，可以包括切割器，以用于在期望的位置切割纤维。因此，在实施例中，打印机还可以包括切割器，其被配置为切割纤维。这可以暗示着(暂时)停止向打印机头引入纤维(还请参见下文)。而且，在打印期间，在不期望有纤维的部段处，可以使用中断来停止由于流动的聚合物的粘性作用而拉出的纤维。以这种方式，可以生产具有不包含纤维的区段的物品。以这种方式，还可以生产可以在其中放置电学组件的电路。

[0045] 纤维可以与可3D打印材料一起被馈送到打印机头中的单个(顶部)开口。可选地，不同的开口被用于向打印机头引入纤维和可打印材料。在特定的实施例中，纤维可以从侧面被馈送到打印机头(还请参见下文)。

[0046] 本文描述的方法提供了3D打印物品。通过本文描述的方法可获得的3D打印物品包括沉积层，其中该层包括3D打印材料，3D打印材料包括聚合物材料，其中该层进一步包括被嵌入在3D打印材料中的细长固体纤维，其中在特定实施例中该层具有至少1.5*d的层高(t)和/或其中在特定实施例中该层具有至少2*d的层宽(w)，其中d为细长固体纤维的直径。注意的是，不同的层可以可选地具有不同的高度或宽度。备选地或附加地，纤维的直径随其长度变化和/或不同的纤维(当可用时)可以具有不同的直径。

[0047] 如上所指示，细长固体纤维可以包括导电材料和光导材料中的一种或多种材料。例如，细长固体纤维包括玻璃材料。特别地，细长固体纤维具有至少5cm的长度(l)。

[0048] 3D打印物品可以作为本身使用，或者可以是较大设备或系统的部分。后者的一个示例是照明系统，其包括：(a)光源，被配置为提供(可见)光源光；以及(b)3D物品，其用本文描述的方法可获得，其中细长固体纤维被配置作为功能性地被耦合到光源的电导体(用于提供电功率)或被配置作为光纤，该光纤被配置为接收来自所述光源的光源光，并且在光纤的长度(L)的至少部分上光引导该光源光。

[0049] 返回到3D打印过程，可以使用特定的3D打印机来提供本文所描述的3D打印物品。

[0050] 因此，在第二方面，本发明还提供一种用于向衬底提供可3D打印材料的熔融沉积成型3D打印机。熔融沉积成型3D打印机包括：打印机头，其包括打印机喷嘴；以及可3D打印材料提供设备，其被配置为向打印机头提供可3D打印材料。可3D打印材料提供设备可以向打印机头提供包括可3D打印材料的细丝，或者可以这样提供可3D打印材料：用打印机头创建包括可3D打印材料的细丝。因此，在一方面，本发明提供一种熔融沉积成型3D打印机，其包括：(a)打印机头，其包括打印机喷嘴；以及(b)细丝提供设备，其被配置为向打印机头提供包括可3D打印材料的细丝，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为向衬底提供所述可3D打印材料。

[0051] 熔融沉积成型3D打印机进一步包括纤维提供单元，该纤维提供单元用于向打印机头提供细长固体纤维，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为：在打印阶段期间经由打印机喷嘴共同沉积可3D打印材料和细长固体纤维。

[0052] 纤维提供单元被配置为：控制向打印机喷嘴提供的细长固体纤维绕着细长固体纤维的细长轴线(C1)的旋转，诸如特别地在打印阶段期间用于补偿细长固体纤维上的扭矩。。

[0053] 熔融沉积成型3D打印机进一步包括控制系统(C)，其中控制系统(C)被配置为：当细长固体纤维具有至少0.5mm的直径时，控制细长固体纤维的旋转。在实施例中，当细长固体纤维具有小于0.5mm的直径时，不执行补偿。此处，术语“控制”和类似术语特别地至少指代确定元件的行为或监督元件的运行。因此，本文中的“控制”和类似术语可以例如指代将行为施加到元件(确定元件的行为或监督元件的运行)等，诸如例如测量、显示、致动、打开、偏移、改变温度等。除此之外，术语“控制”和类似术语可以附加地包括监控。因此，术语“控制”和类似术语可以包括将行为施加于元件上，并且还包括将行为施加于元件上并且监控该元件。

[0054] 在实施例中，本发明提供了这种熔融沉积成型3D打印机，其中纤维提供单元进一步被配置为经由打印机头的侧入口向打印机喷嘴引入细长固体纤维，并且其中可3D打印材料提供设备被配置为向打印机头的顶部入口提供可3D打印材料。这种3D打印机可以特别地被用于并入较细的纤维(诸如具有最大0.5mm的直径的纤维)。

[0055] 在更进一步的特定实施例中，本文所限定的熔融沉积成型3D打印机进一步包括控制系统，其中在实施例中，控制系统可以被配置为(在沉积期间)控制3D打印材料的层高(t)，该层高(t)至少为1.5*d，其中d是细长固体纤维的直径。进一步地，在实施例中，控制系统可以被配置为(在沉积期间)控制3D打印材料的层宽(w)，该层宽(w)至少为2*d，其中d是细长固体纤维的直径。如上所指示，在实施例中，控制系统可以被配置为(在沉积期间)控制细长固体纤维的旋转，特别是当细长固体纤维具有至少0.5mm的直径时。因此，在特定实施例中，控制系统在实施例中可以被配置为(在沉积期间)控制纤维提供单元，诸如其可旋转的和/或可平移的头。

[0056] 被简称为“3D打印机”、“FDM打印机”或“打印机”的术语可以用于代替术语“熔融沉积成型(FDM)3D打印机”。打印机喷嘴还可以被指示为“喷嘴”，有时还可以被指示为“挤出器喷嘴”。

[0057] 在第三方面，本发明提供了可以被用于执行本文所描述的方法的软件产品。该软件产品可以是包括指令的计算机程序产品，当由根据第二方面的熔融沉积成型3D打印机执行该计算机程序产品时，该指令使得熔融沉积成型3D打印机执行根据第一方面的方法。。

附图说明

[0058] 现在将仅通过示例的方式，参考所附的示意图来描述本发明的实施例，在所附的示意图中，对应的附图标记指示对应的部件，并且其中：

[0059] 图1a-图1b示意性地描绘了3D打印机的一些一般方面；

[0060] 图2-图5示意性地描绘了3D打印机的一些实施例；

[0061] 图6示意性地描绘了3D打印机(的部分)的一个实施例；以及

[0062] 图7示意性地示出了沉积细丝(“层”)的一些方面。

[0063] 示意图不一定按比例绘制。具体实施例

[0064] 图1a示意性地描绘了3D打印机的一些方面。附图标记500指示3D打印机。附图标记530指示功能单元，其被配置为进行3D打印，特别是FDM 3D打印；该附图标记还可以指示3D打印阶段单元。此处，仅示意性地描绘了用于提供3D打印材料的打印机头，诸如FDM 3D打印机头。附图标记501指示打印机头。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印机头，但是其他实施例也是可能的。附图标记502指示打印机喷嘴。本发明的3D打印机可以特别地包括多个打印机喷嘴，但是其他实施例也是可能的。附图标记320指示可打印的可3D打印材料的细丝(诸如如上所指示的)。为了清楚起见，并未描绘3D打印机的所有特征，而是仅描绘了与本发明特别相关的那些特征(还进一步参见下文)。

[0065] 3D打印机500被配置为通过在接收器物品550上沉积多个细丝320来生成3D物品10，在实施例中，接收器物品550可以至少暂时地被冷却，其中每个细丝20包括诸如具有熔点Tm的可3D打印材料。3D打印机500被配置为在打印机喷嘴502的上游加热细丝材料。这可以例如使用包括有挤出和/或加热功能中的一个或多个功能的设备来完成。这种设备用附图标记573来指示，并且被布置在打印机喷嘴502的上游(即，在细丝材料离开打印机喷嘴
502之前的时间)。打印机头501可以(因此)包括液化器或加热器。附图标记201指示可打印材料。当被沉积时，该材料被指示为(3D)打印材料，该(3D)打印材料用附图标记202来指示。

[0066] 附图标记572指示线轴或辊，该线轴或辊具有特别地以线的形式的材料。3D打印机500将其转变成在接收器物品上的或在已经沉积的打印材料上的细丝或纤维320。一般地，相对于打印机头的上游的细丝直径，喷嘴的下游的细丝直径减小。因此，打印机喷嘴有时(还)被指示为挤出器喷嘴。进行细丝靠细丝布置和细丝上细丝布置，可以形成3D物品10。附图标记575指示细丝提供设备，此处尤其地包括线轴或辊以及驱动器轮，其用附图标记576来指示。

[0067] 附图标记A指示纵向轴线或细丝轴线。

[0068] 附图标记C示意性地描绘了控制系统，诸如特别地温度控制系统，其被配置为控制接收器物品550的温度。控制系统C可以包括加热器，该加热器能够将接收器物品550加热到至少50℃的温度，但是特别地直到约350℃的范围，诸如至少200℃。

[0069] 图1b以3D形式示意性地、更详细地描绘了在构造中的3D物品10的打印。此处，在该示意图中，在单个平面中细丝320的端部是非互连的，但是实际上在实施例中可以是互连的。

[0070] 因此，图1a-图1b示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500的一些方面，其包括：(a)第一打印机头501，其包括打印机喷嘴502；(b)细丝提供设备575，被配置为向第一打印机头501提供包括可3D打印材料201的细丝320；以及可选地(c)接收器物品550。在图1a-图
1b中，第一或第二可打印材料或第一或第二打印材料用通用的标记可打印材料201和打印材料202来指示。

[0071] 此处，我们建议使用FDM打印机来打印连续的固体细丝(诸如光纤、碳纤维、导线)的方法，其中在平台在Z方向上移动的同时，打印机头在XY平面中移动，并且馈送器被用于将聚合物推向打印机头，在打印机头处聚合物熔化并从喷嘴流出。在这种打印机中，如图2、图3和图4所描述的，固体细丝可以与聚合物一起被馈送到喷嘴。

[0072] 图2-图3示意性地示出了熔融沉积成型3D打印机的实施例，更具体地，包括打印机喷嘴502的打印机头501。在图2中示意性示出的实施例可以具有避免聚合物从入口504流出的优点。未描绘可3D打印材料提供设备，其被配置为向打印机头501提供可3D打印材料201，但是可3D打印材料提供设备例如参见图1a。

[0073] 熔融沉积成型3D打印机500被配置为向衬底1550提供可3D打印材料201。熔融沉积成型3D打印机500进一步包括纤维提供单元580，其用于向打印机头501提供细长固体纤维310(例如，使用馈送器585)。

[0074] 如所示出，在这些附图中，熔融沉积成型3D打印机500被配置为在打印阶段期间，经由单个喷嘴502共同沉积可3D打印材料201和细长固体纤维310。进一步地，纤维提供单元580进一步被配置为经由打印机头501的侧入口504将细长固体纤维310引入到打印机喷嘴
502。可3D打印材料提供设备(未描绘，但是参见图1a)被配置为向打印机头501的顶部入口
505提供可3D打印材料201。附图标记591指示侧导管。

[0075] 附图标记222指示沉积层(沉积细丝320的结果。

[0076] 图4示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500的一个实施例，其包括：打印机头501，其包括打印机喷嘴502；以及可3D打印材料提供设备575，其被配置为向打印机头501提供可3D打印材料201，其中熔融沉积成型3D打印机500被配置为向衬底1550提供所述可3D打印材料201，其中熔融沉积成型3D打印机500进一步包括纤维提供单元580(参见例如图1a)，其用于向打印机头501提供细长固体纤维310，其中熔融沉积成型3D打印机500被配置为：在打印阶段期间经由单个喷嘴502共同沉积可3D打印材料201和细长固体纤维310，其中纤维提供单元580还被配置为将细长固体纤维310经由打印机头501的顶部入口505引入到打印机喷嘴502，并且其中可3D打印材料提供设备575被配置为向打印机头501的顶部入口505提供可3D打印材料201。

[0077] 附图标记t指示沉积层222的层高。

[0078] 平台或衬底1550可以在打印阶段期间被加热。

[0079] 我们还发现，在打印期间，固体细丝变得扭曲。这在图5中最好地进行了图示，图5非常示意性地示出了以正方形形式铺设固体细丝。圆形图指示细丝的横截面。可以看出，在运动方向改变了90°的拐角处，扭曲被引入到细丝中。

[0080] 我们惊奇地发现，当使用“细”(<0.5mm)的细丝时，由扭曲作用引起的应力可以被吸收，并且固体细丝的打印可以与聚合物一起实现。此外，在此厚度下，在无需外部馈送器的情况下细丝可以被拉出。

[0081] 当使用“粗”固体细丝>(0.5mm)时，我们建议使用具有用于细丝的分离馈送器的打印机。我们进一步建议使用一种机构，其用于以与打印机头的运动同步的方式来旋转固体细丝载体(卷轴)，以便避免/减少在打印期间细丝的扭曲。这在图6中示意性示出。

[0082] 图6示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500的一个实施例，该熔融沉积成型3D打印机500包括：打印机头501，其包括打印机喷嘴502；以及可3D打印材料提供设备575，其被配置为向打印机头501提供可3D打印材料201。熔融沉积成型3D打印机500被配置为向衬底1550提供所述可3D打印材料201。熔融沉积成型3D打印机500进一步包括纤维提供单元580，其用于向打印机头501提供细长固体纤维310。熔融沉积成型3D打印机500被配置为：在打印阶段期间经由单个喷嘴502共同沉积可3D打印材料201和细长固体纤维310。纤维提供单元580进一步被配置为：控制向打印机喷嘴502提供的细长固体纤维310绕着细长固体纤维310的细长轴线C1的旋转。附图标记585指示固体纤维馈送器。附图标记586示意性地描绘了用于旋转纤维310的机构的一个实施例。旋转选项的示例用箭头来指示。

[0083] 最终地，可以包括切割器，以用于在期望的位置处切割细丝。此外，在打印期间，在不期望有细丝的部段处，可以使用中断来停止由于流动的聚合物的粘性作用而拉出的细丝。

[0084] 还发现，沉积层的高度(t)需要优选地大于细丝直径(d)的1.5倍(t>1.5d)。发现沉积细丝的宽度(w)优选地大于细丝直径的2倍(w>2d)。

[0085] 图7示意性地描绘了四个沉积层，通过示例的方式，每个沉积层包括固体纤维310，固体纤维310中的两个或更多个固体纤维可以互连(不可见)。

[0086] 不言而喻，可以使用多个针对聚合物的馈送器，使得在打印聚合物期间可以使用各种聚合物。

[0087] 尤其地，使用在聚碳酸酯基质中的具有0.3mm厚度的连续铜线来生产圆柱体。这种设备可以例如被用于装饰目的，还可以用于磁性和/或电学应用。

[0088] 本领域技术人员将理解本文中的术语“基本上”，诸如“基本上由...组成”。术语“基本上”还可以包括具有“全部地”、“完全地”、“所有的”等的实施例。因此，在实施例中，形容词“基本上”也可以被去除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，诸如95％或更高，特别地是99％或更高，甚至更特别地是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”进一步包括在其中术语“包括”意指“由...组成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及“和/或”之前和之后提到的物品中的一个或多个物品。例如，短语“物品1和/或物品2”以及类似的短语可以涉及物品1和物品2中的一个或多个物品。术语“包括”在一个实施例中可以指代“由...组成”，但是在另一实施例中还可以指代“包含至少所限定的种类和可选地一个或多个其他种类”。

[0089] 此外，本说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，而不一定用于描述次序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或图示的其他顺序来操作。

[0090] 尤其地，在操作期间描述了本文中的设备。如本领域技术人员将清楚的那样，本发明不限于操作的方法或操作中的设备。

[0091] 应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多备选实施例。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应被解读为对权利要求的限制。动词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机来实现。在列举有几个装置的设备权利要求中，这些装置中的几个装置可以由同一硬件来体现。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹的事实并不表明这些措施的组合不能被用于有利。

[0092] 本发明进一步应用到一种设备，该设备包括本说明书中描述的和/或附图中示出的表征特征中的一个或多个特征。本发明还涉及一种方法或过程，其包括本说明书中描述的和/或附图中示出的表征特征中的一个或多个特征。

[0093] 本专利中讨论的各个方面可以组合以便提供附加的优点。此外，本领域技术人员将理解，可以组合实施例，并且还可以组合多于两个的实施例。而且，特征中的一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。

[0094] 不言而喻，第一(可打印或打印)材料和第二(可打印或打印)材料中的一种或多种材料可以包含诸如玻璃和纤维之类的填料，其对(多种)材料的Tg或Tm不具有(或不必具有)影响。