增材制造(Additive Manufacturing)(AM)是轉(zhuǎn)換制成各種物品的方式的新型生產(chǎn)技術(shù)。AM由數(shù)字模型制成虛擬地任何形狀的三維(3D)立體物(solid object)。通常，通過利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模擬軟件生成期望的立體物的數(shù)字模型，然后切片虛擬的藍(lán)圖成為非常小的數(shù)字橫截面，將此實(shí)現(xiàn)。在連續(xù)分層過程中在AM機(jī)中形成或沉積這些橫截面以生成3D物體。AM具有許多優(yōu)勢，包括顯著地減少從設(shè)計(jì)至原型至商業(yè)產(chǎn)品的時間。運(yùn)行設(shè)計(jì)變化是可能的。可以在單一裝配中建造多個部件。不需要工具。需要最小量的能量來制成這些3D立體物。其還減少廢棄物和原材料的量。AM還促進(jìn)極其復(fù)雜的幾何部件的生產(chǎn)。由于根據(jù)需要以及在現(xiàn)場可以迅速地制成部件，因此AM還降低用于交易的部件存量。

材料擠出(一類AM)可以用作為用于生產(chǎn)塑料部件的低資金形成過程，和/或用于困難幾何形狀的形成過程。材料擠出包括基于擠出的增材系統(tǒng)，其是用于由3D模型的數(shù)字代表物以逐層方式通過選擇性地分配可流動的材料通過噴嘴或孔口(orifice)構(gòu)建三維(3D)模型。在擠出材料之后，然后在基板上在x-y平面中以通路(road)的序列將其沉積。擠出的建模材料(modeling material)熔融至之前沉積的建模材料，并在溫度下降時凝固。然后，相對于基板的擠出頭的位置沿著z軸(垂直于x-y平面)增加，且重復(fù)該過程以形成相似于數(shù)字代表物的3D模型。

材料擠出部件可以用作為原型模型以檢查(review)幾何形狀。由于通過后加工拋光(post process finishing)步驟如涂覆或砂磨已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了改善的美觀性，因此部件強(qiáng)度和外觀僅次于總體設(shè)計(jì)構(gòu)思溝通(design concept communication)。然而，在構(gòu)建方向(build direction)上部件的強(qiáng)度受限于在該構(gòu)建的隨后的層(subsequent layer)之間的粘結(jié)強(qiáng)度和有效粘結(jié)表面面積。這些因素受限于兩個原因。首先，每個層是單獨(dú)的熔體流股。因此，使得新層的聚合物鏈不能與先前層的那些相互混合。其次，由于先前層已經(jīng)冷卻，其必須依靠新層的熱量傳導(dǎo)以及材料的任何的固有粘著性能用于發(fā)生粘結(jié)。在層之間的粘附力降低也導(dǎo)致高度分層的表面光潔度。

因此，對于增強(qiáng)能夠生產(chǎn)具有改善的美學(xué)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能的部件的AM方法，存在需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

通過以下附圖和詳細(xì)說明舉例說明以上所描述的及其他性質(zhì)。

一種形成三維物體的方法，包括：以預(yù)設(shè)圖案將熱塑性聚合物材料的層沉積在平臺上以形成沉積層；經(jīng)由能量束在沉積層上的能源靶向區(qū)(energy source target area)處引導(dǎo)能源以增加在能源靶向區(qū)處的沉積層的表面能量；將能源靶向區(qū)與隨后的層(subsequent layer)接觸，其中，沿著預(yù)設(shè)圖案的路徑沉積隨后的層；其中，在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源包括在隨后的層沉積至區(qū)域之前施加能量至該區(qū)域處的層；以及重復(fù)前述步驟以形成三維物體。

一種用于形成三維物體的裝置，包括：配置為支撐三維物體的平臺；相對于平臺布置且配置為以預(yù)設(shè)圖案沉積熱塑性材料以形成三維物體的層的擠出頭；相對于擠出頭設(shè)置且配置為增加能源靶向區(qū)的表面能量的能源；其中，在能源靶向區(qū)用于沉積隨后的層之前，能源靶向區(qū)包括沉積層的一部分；配置為控制相對于平臺的擠出頭和能源的位置的控制器。

一種形成三維物體的方法，包括：使用熔融沉積建模裝置(fused deposition modeling apparatus)以預(yù)設(shè)圖案將熱塑性聚合物材料的層沉積于平臺上；增加層的至少一部分的表面能量；沉積隨后的層至該層上；重復(fù)前述步驟以形成三維物體。

附圖說明

現(xiàn)在參照附圖，這些附圖是示例性的實(shí)施方式，并且其中相同要素標(biāo)號相同且提供它們用于舉例說明本文中公開的示例性實(shí)施方式的目的，而不是為了限制本發(fā)明的目的。

圖1是示例性的基于擠出的增材制造系統(tǒng)的前視圖。

圖2是在沒有能源的情況下沉積熱塑性材料的層的擠出頭的前視圖。

圖3是具有能源的沉積熱塑性材料的層的擠出頭的前視圖。

圖4是沉積以形成三維物體的熱塑性材料的層的側(cè)視圖。

圖5是沉積以形成三維物體的熱塑性材料的層的俯視圖。

圖6是用于形成三維物體的示例性過程的流程圖。

圖7是用于形成三維物體的示例性過程的流程圖。

圖8是具有能源、壓力源、和溫度傳感器的沉積熱塑性材料的層的擠出頭的前視圖。

具體實(shí)施方式

本文中公開的是能夠生產(chǎn)在相鄰層之間粘結(jié)增加的部件的增材制造建模方法以及裝置。在不受理論限制的情況下，應(yīng)認(rèn)為本文中獲得的有利結(jié)果，例如高強(qiáng)度的三維聚合物組分，可以通過在沉積隨后的層至沉積層的部分上和/或鄰近于該部分之前增加該部分的表面能量來獲得。由于沉積層的表面能量更高以及粘附力改善，因此也可以增加層之間的表面接觸區(qū)域(surface contact area)，從而改善在構(gòu)建方向上和/或在鄰近層之間橫向上的強(qiáng)度。此外，增加層之間的粘結(jié)可以克服層之間的一些表面張力，導(dǎo)致粘著，其可以能夠改善部件的表面質(zhì)量。因此，可以制造具有優(yōu)異的機(jī)械特性和美觀性的部件。

如在本說明書和權(quán)利要求中使用的，術(shù)語“材料擠出增材制造技術(shù)(material extrusion additive manufacturing technique)”是指制造的制品可以通過任何增材制造技術(shù)制成，通過選擇性地分配通過噴嘴或孔口通過由數(shù)字模型由熱塑性材料如單纖絲或顆粒分層放下(laying down)材料制成任何形狀的三維立體物。例如，通過放下從線卷退繞的或由擠出頭(extrusion head)沉積的塑料纖絲，可以制成擠出材料。這些單絲增材制造技術(shù)包括ASTM F2792-12a定義的熔融沉積建模和熔融纖絲制造以及其他材料擠出技術(shù)。

術(shù)語“熔融沉積建模(Fused Deposition Modeling)”或者“熔融纖絲制造(Fused Filament Fabrication)”包括通過加熱熱塑性材料至半液態(tài)且根據(jù)計(jì)算機(jī)控制的路徑擠出逐層地構(gòu)建部件或制品。熔融沉積建模利用建模材料和支撐材料。建模材料(modeling material)包括完成件，并且支撐材料包括在完全該過程時可以機(jī)械地去除、洗滌掉或溶解的支架(scaffolding)。該方法包括在基底沿Z軸向下移動并且下一個層開始之前沉積材料以完成每個層。

材料擠出擠壓的材料可以由熱塑性材料制成。這種材料可以包括聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸橡膠、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯乙烯醇(EVOH)、液晶聚合物(LCP)、甲基丙烯酸苯乙烯丁二烯(MBS)、聚縮醛(POM或縮醛)、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯(也統(tǒng)稱為丙烯酸類)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA、也稱為尼龍)、聚酰胺-酰亞胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK)、聚丁二烯(PBD)、聚丁烯(PB)、聚酯如聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞環(huán)己基二亞甲基對苯二甲酸酯(polycyclohexylene dimethylene terephthalate)(PCT)、以及聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate)(PHA)、聚酮(PK)、聚烯烴如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)、氟化的聚烯烴如聚四氟乙烯(PTFE)聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜、聚酰亞胺(PI)、聚乳酸(PLA)、聚甲基戊烯(PMP)、聚苯醚(polyphenylene oxide)(PPO)、聚苯硫醚(polyphenylene sufide)(PPS)、聚苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚砜(PSU)、聚苯砜、聚三亞甲基對苯二甲酸酯(polytrimethylene terephthalate)(PTT)、聚氨酯(PU)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、或包括上述至少一種的組合。特別注意具有ABS、SAN、PBT、PET、PCT、PEI、PTFE、或包括上述至少一種的組合的聚碳酸酯共混物以獲得期望性質(zhì)如熔體流動性、抗沖擊性和耐化學(xué)性的平衡?；趩卫w絲的重量，這些其他的熱塑性材料的量可以是0.1％至70wt.％，在其他情況下1.0％至50wt.％，且在又一其他情況下5％至30wt.％。

如在本文中使用的，術(shù)語“聚碳酸酯”是指具有式(1)的重復(fù)結(jié)構(gòu)的碳酸酯單元的聚合物或共聚物

其中，R¹基團(tuán)的總數(shù)量的至少60百分?jǐn)?shù)是芳香族的，或者每個R¹包含至少一個C_6-30芳香族基團(tuán)。具體地，每個R¹可以衍生自二羥基化合物，如式(2)的芳香族二羥基化合物或者式(3)的雙酚。

在式(2)中，每個R^h獨(dú)立地是鹵素原子，例如溴，C_1-10烴基基團(tuán)，如C_1-10烷基、鹵素取代的C_1-10烷基，C_6-10芳基，或鹵素取代的C_6-10芳基，并且n是0至4。

在式(3)中，R^a和R^b各自獨(dú)立地是鹵素、C_1-12烷氧基、或C_1-12烷基；并且p和q各自獨(dú)立地是0至4的整數(shù)，使得當(dāng)p或q小于4時，環(huán)的每個碳的化合價被氫填充。在一種實(shí)施方式中，p和q各自是0，或者p和q各自是1，并且R^a和R^b各自是C_1-3烷基基團(tuán)，特別是布置于每個亞芳基基團(tuán)上的羥基基團(tuán)的間位的甲基。X^a是連接兩個羥基取代的芳香族基團(tuán)的橋連基，其中將每個C₆亞芳基的橋連基和羥基取代基布置為在C₆亞芳基上彼此相鄰、相間、或相對(特別是對位)，例如單鍵、-O-、-S-、-S(O)-、-S(O)₂-、-C(O)-、或C_1-18有機(jī)基團(tuán)，其可以是環(huán)狀或非環(huán)狀的、芳香族或非芳香族的，并且可以進(jìn)一步地包括雜原子如鹵素、氧、氮、硫、硅、或磷。例如，X^a可以是取代或未取代的C_3-18環(huán)烷叉基；式–C(R^c)(R^d)–的C_1-25烷叉基，其中R^c和R^d各自獨(dú)立地是氫、C_1-12烷基、C_1-12環(huán)烷基、C_7-12芳基烷基、C_1-12雜烷基、或環(huán)狀的C_7-12雜芳基烷基；或者式–C(＝R^e)–的基團(tuán)，其中R^e是二價的C_1-12烴基。

特定的二羥基化合物的一些說明性的實(shí)例包括以下：雙酚化合物如4,4'-二羥基聯(lián)苯、1,6-二羥基萘、2,6-二羥基萘、雙(4-羥基苯基)甲烷、雙(4-羥基苯基)二苯基甲烷、雙(4-羥基苯基)-1-萘基甲烷、1,2-雙(4-羥基苯基)乙烷、1,1-雙(4-羥基苯基)-1-苯基乙烷、2-(4-羥基苯基)-2-(3-羥基苯基)丙烷、雙(4-羥基苯基)苯基甲烷、2,2-雙(4-羥基-3-溴苯基)丙烷、1,1-雙(羥基苯基)環(huán)戊烷、1,1-雙(4-羥基苯基)環(huán)己烷、1,1-雙(4-羥基苯基)異丁烯、1,1-雙(4-羥基苯基)環(huán)十二烷、反式-2,3-雙(4-羥基苯基)-2-丁烯、2,2-雙(4-羥基苯基)金剛烷、α,α'-雙(4-羥基苯基)甲苯、雙(4-羥基苯基)乙腈、2,2-雙(3-甲基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-乙基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-正丙基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-異丙基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-仲丁基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-叔丁基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-環(huán)己基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-烯丙基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(3-甲氧基-4-羥基苯基)丙烷、2,2-雙(4-羥基苯基)六氟丙烷、1,1-二氯-2,2-雙(4-羥基苯基)乙烯、1,1-二溴-2,2-雙(4-羥基苯基)乙烯、1,1-二氯-2,2-雙(5-苯氧基-4-羥基苯基)乙烯、4,4'-二羥基二苯甲酮、3,3-雙(4-羥基苯基)-2-丁酮、1,6-雙(4-羥基苯基)-1,6-己二酮、乙二醇雙(4-羥基苯基)醚、雙(4-羥基苯基)醚、雙(4-羥基苯基)硫醚、雙(4-羥基苯基)亞砜、雙(4-羥基苯基)砜、9,9-雙(4-羥基苯基)氟、2,7-二羥基芘、6,6'-二羥基-3,3,3',3'-四甲基螺(雙)茚滿(“螺二茚滿雙酚”)、3,3-雙(4-羥基苯基)苯二甲酰亞胺、2,6-二羥基二苯并-對-二噁英、2,6-二羥基噻蒽、2,7-二羥基吩噻噁、2,7-二羥基-9,10-二甲基吩嗪、3,6-二羥基二苯并呋喃、3,6-二羥基二苯并噻吩、和2,7-二羥基咔唑；間苯二酚、取代的間苯二酚化合物如5-甲基間苯二酚、5-乙基間苯二酚、5-丙基間苯二酚、5-丁基間苯二酚、5-叔丁基間苯二酚、5-苯基間苯二酚、5-枯基間苯二酚、2,4,5,6-四氟間苯二酚、2,4,5,6-四溴間苯二酚等；鄰苯二酚；對苯二酚；取代的對苯二酚如2-甲基對苯二酚、2-乙基對苯二酚、2-丙基對苯二酚、2-丁基對苯二酚、2-叔-丁基對苯二酚、2-苯基對苯二酚、2-枯基對苯二酚、2,3,5,6-四甲基對苯二酚、2,3,5,6-四-叔丁基對苯二酚、2,3,5,6-四氟對苯二酚、2,3,5,6-四溴對苯二酚等。

特定的二羥基化合物包括間苯二酚、2,2-雙(4-羥基苯基)丙烷(“雙酚A”或“BPA”，其中A¹和A²中的每一個是對亞苯基并且X^a是在式(3)中的異丙叉基)、3,3-雙(4-羥基苯基)苯并吡咯酮、2-苯基-3,3'-雙(4-羥基苯基)苯并吡咯酮(也被稱為N-苯基酚酞雙酚、“PPPBP”、或3,3-雙(4-羥基苯基)-2-苯基異吲哚啉-1-酮)、1,1-雙(4-羥基-3-甲基苯基)環(huán)己烷(DMBPC)、以及1,1-雙(4-羥基-3-甲基苯基)-3,3,5-三甲基環(huán)己烷(異佛爾酮雙酚)。

可以通過已知的方法，例如，通過根據(jù)以上引用文獻(xiàn)以及美國專利第4,123,436號中闡述的方法將二羥酚與碳酸酯前體如光氣反應(yīng)，或者通過如在美國專利第3,153,008中公開的酯交換方法，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他方法，制備這些芳香族的聚碳酸酯。

在期望碳酸酯共聚物或互聚物(interpolymer)而不是均聚物的情形下，還可能的是采用兩種或更多種不同的二羥基的酚類。聚碳酸酯共聚物可以進(jìn)一步地包含非碳酸酯重復(fù)單元，例如，重復(fù)酯單元(聚酯-碳酸酯)、重復(fù)硅氧烷單元(聚碳酸酯-硅氧烷)、或酯單元和硅氧烷單元兩者(聚碳酸酯-酯-硅氧烷)。支鏈的聚碳酸酯也是有用的，如在美國專利第4,001,184號中所描述的。同樣，可以使用直鏈聚碳酸酯和支鏈聚碳酸酯的組合。此外，可以使用任何的以上材料的組合。

在任何情形下，優(yōu)選的芳香族聚碳酸酯是均聚物，例如，衍生自2,2-雙(4-羥基苯基)丙烷(雙酚-A)的均聚物以及碳酸酯或碳酸鹽前體，以登記TM的商品名稱LEXAN商業(yè)可獲得自SABIC。

在本文中使用的熱塑性聚碳酸酯具有化學(xué)及物理特性的某些組合。它們由至少50摩爾％的雙酚A制成，并且具有通過在聚碳酸酯標(biāo)準(zhǔn)上校準(zhǔn)的凝膠滲透色譜法(GPC)測量的10,000至50,00克每摩爾(g/mol)的重均分子量(Mw)，并且具有130至180攝氏度(℃)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。

除了這種物理性能的組合之外，這些熱塑性聚碳酸酯組合物也可具有某些可選的物理性能。這些其他的物理特性包括具有大于5,000磅每平方英寸(psi)的屈服拉伸強(qiáng)度，以及大于1,000psi的100℃下的彎曲模量(如根據(jù)ASTM D4065-01由動態(tài)機(jī)械分析(DMA)在3.2mm棒上測量的)。

也可以將其他的成分添加至單纖絲。這些包括著色劑，如溶劑紫36、顏料藍(lán)60、顏料藍(lán)15:1、顏料藍(lán)15.4、碳黑、二氧化鈦或包括上述至少一種的組合。

參考附圖可以獲得在本文中公開的組分、方法、和裝置的更加完全的了解。這些附圖(在本文中也被稱為“圖”)僅僅是基于方便和證實(shí)本公開的容易性的示意性表示，因此不旨在指示設(shè)備或它們的部件的相對尺寸和/或維度(dimension)，和/或以限定或限制示例性實(shí)施方式的范圍。盡管為了清楚起見在以下的描述中使用了特定術(shù)語，但是這些術(shù)語僅旨在指示用于附圖中的說明所選擇的實(shí)施方式的特定結(jié)構(gòu)，并且不旨在限定或限制本公開的范圍。在以下的附圖和隨后的描述中，應(yīng)理解相同的數(shù)字標(biāo)識指示相同功能的組件。

如在圖1中示出的，系統(tǒng)10是示例性的材料擠出增材制造，并且包括構(gòu)建平臺(build platform)14、導(dǎo)軌系統(tǒng)16、擠出頭18、和供給源20。構(gòu)建平臺14是在其上可以構(gòu)建制品24且基于計(jì)算機(jī)操作的控制器28提供的信號可以垂直地移動的支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌系統(tǒng)16可以基于由控制器28提供的信號移動擠出頭18至平行于構(gòu)建平臺14的平面中的任一點(diǎn)?？商娲?，可以將構(gòu)建平臺14配置為水平地移動，并且可以將擠出頭18配置為垂直地移動。還可以使用其他相似的布置，使得平臺14和擠出頭18中的一個或兩個相對于彼此可移動。

可以將能源54連接至擠出頭18或者與擠出頭18分離。例如，如在圖3中示出的，通過支撐臂58，將能源54連接至擠出頭18?？商娲?，可以將能源54連接至系統(tǒng)10的內(nèi)部表面或者連接至可移動的支撐結(jié)構(gòu)。能源54可以是可移動的并且由計(jì)算機(jī)操作的控制器28控制。例如，能源54可以是可移動的以提供能量至在系統(tǒng)10內(nèi)的特定點(diǎn)。可以使用多個能源54。能源可以包括能夠加熱預(yù)先沉積層50的頂部部分51的區(qū)域56至離開擠出頭18(Y)的熱塑性聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熱塑性聚合物材料的熔點(diǎn)之間的任何設(shè)備或者能夠加熱預(yù)先沉積層50的頂部部分51的區(qū)域56至溫度(X)，即Y≥X≥Y-20、具體地Y≥X≥Y-10、或Y-5≥X≥Y-20的任何設(shè)備。換言之，如果離開擠出頭18的熱塑性聚合物材料的Tg是280℃，那么該設(shè)備能夠加熱區(qū)域56至260℃-280℃，具體地270℃至280℃或260℃至275℃?？赡艿哪茉吹囊恍?shí)例包括光源(例如，紫外光源、紅外光源、激光)、加熱的惰性氣體、熱板、紅外熱、以及包括上述至少一種的組合。例如，能源54可以是具有約20瓦特(W)至200功率范圍的具有1064納米(nm)波長的YAG激光器?？赡艿亩栊詺怏w取決于特定的熱塑性材料，并且包括在加工溫度下將不會降解或與熱塑性材料另外起反應(yīng)的任何的氣體?？赡艿亩栊詺怏w的實(shí)例包括氮?dú)?、空氣、和氬氣?/p>

可選地，溫度傳感器72(例如，非接觸的溫度傳感器)可以包括于該裝置中以測定鄰近于將被加熱的區(qū)域的層50的頂部部分51的溫度，使得在應(yīng)用能源之前可以測定層50的頂部部分51的溫度。這將允許基于頂部部分51的實(shí)際溫度以及區(qū)域56的期望溫度，在線地調(diào)節(jié)來自能源54的熱量的強(qiáng)度。

為了獲得期望的粘附特征，和或其他的部件特征，能源(例如，熱氣體噴嘴)以及擠出頭(例如，熔體-尖端(melt-tip))可以串聯(lián)地(in tandem)移動直至完成部件。

可選地還包括在裝置中的可以是配置為在使用熱塑性材料之后施加壓力至例如鄰近于擠出頭18的層的壓力源74，以便擠壓沉積的熱塑性材料至前層(prior layer)中(例如，至擠壓層52至層50中)，例如以致密化材料，以去除間隙或氣泡，和/或以增強(qiáng)層之間的粘附。(參見圖8)

此外，如同在材料擠出增材制造中良好理解的，在相鄰層之間生成臺階(step)或凹陷(valley)。在層之間的這種凹陷80降低最終產(chǎn)物的美感且是不期望的。(參見圖5)凹陷具有從凹陷的底部至相鄰層的表面的深度。在已經(jīng)施加熱塑性材料之后施加壓力至其上，壓緊熱塑性材料，導(dǎo)致其流動至凹陷80中，減小它們的尺寸。施加壓力至層可以減小凹陷的深度大于或等于50％、具體地大于或等于70％、且甚至大于或等于80％。例如，如果在沒有施加壓力下凹陷的深度是10微米(μm)，那么在施加壓力之后深度將小于或等于5μm。

施加的壓力可以足夠地進(jìn)行以下中的至少一項(xiàng)：致密化層、去除氣泡、去除施加的層和前層之間的間隙，并且允許熱塑性材料流動至凹陷中。

例如，壓力源可以是能夠使氣體流股向下(gas stream)(例如，壓縮氣體)至層上的設(shè)備。可以進(jìn)一步地修改該過程以使用高壓氣體流股以導(dǎo)致剛沉積的聚合物熔體輕微地流動最高達(dá)僅僅足以充滿兩個相鄰層之間的角落部分的預(yù)先沉積的層的邊緣，使得錐形(tapered)表面更平滑，從而改善所形成部件的美感和強(qiáng)度。為了確保尺寸控制，相應(yīng)于用于使得表面更平滑的使得流動填充角落部分的熔體的量，將需要沉積另外量的熔體。

用于系統(tǒng)10中的合適的擠出頭的實(shí)例可以包括美國專利第7,625,200號公開的那些，通過引證將它的全部內(nèi)容合并。此外，系統(tǒng)10可以包括用于從一個或多個尖端沉積建模和/或支撐材料的多個擠出頭18。由供給源20可以供給熱塑性材料至擠出頭18，從而允許擠出頭18沉積熱塑性材料以形成制品24。

可以將熱塑性材料提供至在基于擠出的增材制造系統(tǒng)中的在各種不同介質(zhì)中的系統(tǒng)10。例如，可以以連續(xù)單纖絲的形式供給材料。例如，在系統(tǒng)10中，可以將建模材料提供為分別地由供應(yīng)源20進(jìn)料的連續(xù)的單纖絲線束(strand)。用于建模和支撐材料的纖絲線束的合適的平均直徑的實(shí)例是約1.27毫米(約0.050英寸)至約3.0毫米(約0.120英寸)的范圍。然后使用基于層的增材制造技術(shù)，將接收的支撐材料沉積至構(gòu)建平臺14上以構(gòu)建制品24。還可以沉積支撐結(jié)構(gòu)以提供用于制品24的層的可選的突出區(qū)域(overhanging region)的垂直支撐，允許將制品24構(gòu)建具有各種幾何圖形。

如在圖2中示出的，可以在沒有伴隨的能源54下使用擠出頭18制成3D模型。使用這種技術(shù)，擠出頭18沉積層50a至平臺14上。允許將層50a硬化，且在層50a的頂部沉積隨后的層52a。將表面接觸區(qū)域60a定義為在層50a和隨后的層52a之間。重復(fù)該過程直至完成制品24。

如在圖3中示出的，通過支撐臂58，將能源54連接至擠出頭18。在操作中，圖3的擠出頭18沉積層50至平臺14上。在沉積隨后的層52之前，能源54引導(dǎo)能量至能源靶向區(qū)56。激光器波長的選擇取決于組合物的吸收和基板之間的相互作用，并且可以通過修改激光器參數(shù)如功率、頻率、速度、聚焦等操控激光器。通過添加吸收激光的波長的添加劑，還可以調(diào)整或改善激光器和基板之間的相互相用。準(zhǔn)分子激光器(excimer laser)可以用于紫外線波長(例如，120-450nm)。二極管激光器可以用于在可見光譜內(nèi)的波長(例如，400-800nm)。以及固態(tài)或纖維激光器可以用于在近紅外區(qū)內(nèi)的波長(例如，800-2100nm)。例如，取決于激光波長，可以使用特定的添加劑以獲得特性和相互作用之間的有效平衡。非限制性的示例性添加劑可以包括用于紫外線波長的2-(2羥基-5-叔辛基苯基)苯并三唑，用于可見光譜波長的碳黑，以及用于近紅外波長的六硼化鑭。

能源靶向區(qū)56可以包括位于隨后的層52將沉積于其中的區(qū)域的層50的頂部部分51。換言之，能源54可以遞送能量至能源靶向區(qū)56以在層52沉積至層50上之前增加沉積層50的頂部部分51的表面能量。因此，能源54增加在層52沉積之前在能源靶向區(qū)56處的層50的至少頂部部分51(也被稱為其中將層52沉積的層50的部分)的表面能量，其導(dǎo)致兩個層之間的粘結(jié)強(qiáng)度增加。這種改善的粘結(jié)強(qiáng)度來自于層50和層52之間的能量差異降低。層52的較高溫度允許表面之間的分子纏結(jié)改善，能夠粘著更強(qiáng)。由于不相稱(disproportional)的收縮，在層之間的較低溫度的差異限制界面處的應(yīng)力。此外，層50的頂部部分51的表面能量的增加可以允許層50和52之間的表面接觸區(qū)域60增加超過其中沒有使用能源的表面接觸區(qū)域60a(圖2)。能源靶向區(qū)56可以包括大于或等于約50％的層50的寬度。能源靶向區(qū)56可以包括小于或等于約50％的層30的寬度。

如在圖4和5中示出的，能源靶向區(qū)66可以包括位于鄰近于其中將沉積隨后的層52的區(qū)域的層65的側(cè)面部分61。換言之，能源54可以遞送能量至能源靶向區(qū)66以在層52沉積鄰近于層65之前增加沉積層60的側(cè)面部分61的表面能量。因此，能源54增加在層52沉積之前在能源靶向區(qū)66處的層65的至少側(cè)面部分61的表面能量，其導(dǎo)致兩個層之間的粘結(jié)強(qiáng)度增加。這種改善的粘結(jié)強(qiáng)度來自于層65和層52之間的能量差異降低。層52的較高溫度允許表面之間的分子纏結(jié)改善，能夠粘著更強(qiáng)。由于不相稱的收縮，在層之間的較低溫度的差異限制界面處的應(yīng)力。

使用能源54以增加目標(biāo)區(qū)域56的表面能量也可以允許在最終制品24中的孔隙率降低。例如，與通過不使用能源54的增材制造方法制成的產(chǎn)物相比，通過這種方法制成的產(chǎn)物可以具有30％更小的孔隙率。此外，如根據(jù)ASTM D-3039測量的，層與層的粘附可以改善最高至約50％。

在一個實(shí)施方式中，能源54僅僅施加能量至在開始接觸且然后粘附至其他隨后的層的層50的部分上的能源靶向區(qū)。在該實(shí)施方式中，沒有直接地施加能量至層50的其他部分。在其他實(shí)施方式中，可以將能量傳遞至層的其他部分。在施加能源54至能源靶向區(qū)56和接觸隨后的層之間的時間是相對短的，以便不允許所施加的能量從該層耗散。在一些實(shí)施方式中，這種時間段將是小于1分鐘，具體地小于0.5分鐘，且甚至小于0.25分鐘。

圖6示出了制造三維制品24的方法。在步驟100中，將熱塑性聚合物材料的層50以預(yù)設(shè)圖案沉積在平臺14上。然后，在步驟101中，通過在層50上的能源靶向區(qū)56處的能量束引導(dǎo)能源54以增加在能源靶向區(qū)56處的層50的表面能量。在步驟102中，沿著預(yù)設(shè)圖案的路徑，將隨后的層52沉積在層50上。重復(fù)步驟100-102以形成三維制品24。

圖7示出了用于形成三維制品24的另一種方法。在步驟110中，使用熔融沉積建模裝置，將熱塑性聚合物材料的層50以預(yù)設(shè)圖案沉積在平臺14上。在步驟111中，增加層50的至少一部分的表面能量。在步驟112中，將隨后的層52沉積在層50上。重復(fù)步驟110-112以形成三維制品24。

孔隙率的降低、鄰近層之間的粘結(jié)強(qiáng)度的增加、以及鄰近層之間的表面接觸增加可以改善3D制品24的美學(xué)品質(zhì)。此外，可以減少另外的后處理步驟，如砂磨、固化、和/或另外的拋光(additional finishing)。因此，使用本文中所描述的系統(tǒng)和方法，可以達(dá)到生產(chǎn)速率和產(chǎn)物質(zhì)量的增加。

實(shí)施方式1：一種形成三維物體的方法，包括：以預(yù)設(shè)圖案將熱塑性聚合物材料的層沉積在平臺上以形成沉積層；經(jīng)由在沉積層上的能源靶向區(qū)(energy source target area)處的能量束，引導(dǎo)能源，以增加在能源靶向區(qū)處的沉積層的表面能量；將能源靶向區(qū)與隨后的層(subsequent layer)接觸，其中，沿著預(yù)設(shè)圖案的路徑沉積隨后的層；其中，在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源包括在隨后的層沉積至區(qū)域之前施加能量至該區(qū)域處的層；以及重復(fù)前述步驟以形成三維物體。

實(shí)施方式2：一種形成三維物體的方法，包括：通過噴嘴，使用熔融沉積建模裝置(fused deposition modeling apparatus)以預(yù)設(shè)圖案將熱塑性材料的層沉積于平臺上形成沉積層；增加沉積層的至少一部分的表面能量；將隨后的層沉積在包含增加的表面能量的至少部分上的沉積層上；重復(fù)前述步驟以形成三維物體。

實(shí)施方式3：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，增加表面能量包括在沉積層上的能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源以增加在能源靶向區(qū)處的沉積層的表面能量；其中，在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源包括在隨后的層沉積至區(qū)域之前施加能量至該區(qū)域處的層。

實(shí)施方式4前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步地包括在增加在其中將增加表面能量的區(qū)域中的表面能量之前感測沉積層的溫度，并且基于感測的溫度增加表面能量。

實(shí)施方式5：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，增加表面能量包括以下至少一種：在沉積隨后的層至頂部表面的區(qū)域之前，施加能量至在該區(qū)域處的沉積層的頂部表面；以及在沉積隨后的層至側(cè)表面的區(qū)域之前，施加能量至在該區(qū)域處的鄰近的沉積層的側(cè)表面。

實(shí)施方式6：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步地包括施加壓力至鄰近于噴嘴的隨后的層。

實(shí)施方式7：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，該層包含擠出的線束(strand)。

實(shí)施方式8：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，能源包括光源、熱板、紅外熱、加熱的惰性氣體、以及包括上述至少一種的組合。

實(shí)施方式9：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，引導(dǎo)能源包括以下至少一種：升高能源靶向區(qū)的溫度至大于熱塑性聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；升高能源靶向區(qū)的溫度至溫度(X)，即是Y≥X≥Y-20；以及升高能源靶向區(qū)的溫度至熱塑性聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱塑性聚合物材料的熔點(diǎn)之間的溫度。

實(shí)施方式10：實(shí)施方式9的方法，其中，引導(dǎo)能源包括升高溫度(X)，其中溫度(X)是Y≥X≥Y-10，優(yōu)選地Y-5≥X≥Y-20。

實(shí)施方式11：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在層和隨后的層之間的表面接觸區(qū)域(surface contact area)大于不包括在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源的步驟的層和隨后的層的表面接觸區(qū)域。

實(shí)施方式12：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在增加表面能量的步驟和沉積隨后的層的步驟之間的時間段小于1分鐘。

實(shí)施方式13：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源包括在沉積隨后的層至頂部表面的區(qū)域之前，施加能量至在該區(qū)域處的沉積層的頂部表面。

實(shí)施方式14：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源包括在沉積隨后的層至側(cè)表面的區(qū)域之前，施加能量至在該區(qū)域處的鄰近的沉積層的側(cè)表面。

實(shí)施方式15：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中熱塑性聚合物材料包括聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、丙烯酸橡膠、液晶聚合物、甲基丙烯酸苯乙烯丁二烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚已酸內(nèi)酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚亞環(huán)己基二亞甲基對苯二甲酸酯(polycyclohexylene dimethylene terephthalate)、聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate)、聚酮、聚酯、聚酯碳酸酯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚砜、聚酰亞胺、聚乳酸、聚甲基戊烯(polymethylpentene)、聚烯烴、聚苯醚(polyphenylene oxide)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)、聚苯二甲酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、聚苯砜、聚對苯二甲酸三亞甲基酯(polytrimethylene terephthalate)、聚氨酯、苯乙烯-丙烯腈、硅酮聚碳酸酯共聚物、或包括上述至少一種的組合。

實(shí)施方式16：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，熱塑性聚合物材料包含聚碳酸酯。

實(shí)施方式17：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，能源包括紫外線光源、紅外光源、激光器、熱板(heated plate)、紅外熱、以及包括上述至少一種的組合。

實(shí)施方式18：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，能源是激光器。

實(shí)施方式19：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，引導(dǎo)能源包括升高能源靶向區(qū)的溫度以大于熱塑性聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

實(shí)施方式20：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，能源靶向區(qū)包括大于或等于約30％的層的寬度。

實(shí)施方式21：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，能源靶向區(qū)包括小于或等于約30％的層的寬度。

實(shí)施方式22：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，引導(dǎo)能源包括升高能源靶向區(qū)的溫度至熱塑性聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱塑性聚合物材料的熔點(diǎn)之間的溫度。

實(shí)施方式23：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，由擠出頭(extrusion head)沉積層。

實(shí)施方式24：實(shí)施方式23的方法，其中，在沉積隨后的層之前，增加擠出頭和層之間的垂直距離。

實(shí)施方式25：實(shí)施方式24的方法，其中，增加垂直距離包括降低平臺。

實(shí)施方式26：實(shí)施方式24的方法，其中，增加垂直距離包括升高擠出頭。

實(shí)施方式27：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，與通過不使用能源的增材制造方法(additive manufacturing process)制成的產(chǎn)物相比，三維物體包括30％更少的孔隙率。

實(shí)施方式28：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在層和隨后的層之間的表面接觸區(qū)域大于不包括在能源靶向區(qū)處引導(dǎo)能源的步驟的層和隨后的層的表面接觸區(qū)域。

實(shí)施方式29：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，增加垂直距離包括以下至少一種：降低平臺；以及升高擠出頭。

實(shí)施方式30：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，僅僅在作為表面面積目標(biāo)區(qū)域的層的部分中增加了層的表面能量。

實(shí)施方式31：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，在增加層的至少一部分的表面能量步驟和沉積隨后的層的步驟之間的時間段小于1分鐘。

實(shí)施方式32：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，將隨后的層沉積在具有增加的表面能量的層的部分上。

實(shí)施方式33：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，具有增加的表面能量的面積小于或等于10％層的表面的面積。

實(shí)施方式34：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，具有增加的表面能量的面積小于或等于5％層的表面的面積。

實(shí)施方式35：前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的方法，其中，具有增加的表面能量的面積小于或等于2％層的表面的面積。

實(shí)施方式36：一種用于形成三維物體的裝置，包括：配置為支撐三維物體的平臺；相對于平臺布置且配置為以預(yù)設(shè)圖案沉積熱塑性材料以形成三維物體的層的擠出頭；相對于擠出頭設(shè)置且配置為增加能源靶向區(qū)的表面能量的能源；其中，在能源靶向區(qū)用于沉積隨后的層之前，能源靶向區(qū)包括沉積層的一部分；配置為控制相對于平臺的擠出頭和能源的位置的控制器。

實(shí)施方式37：實(shí)施方式36的裝置，進(jìn)一步地包括能夠感測在增加在其中將增加表面能量的區(qū)域中的表面能量之前的沉積層的溫度，并且基于感測的溫度增加表面能量的溫度傳感器。

實(shí)施方式38：實(shí)施方式36-37中任一項(xiàng)的裝置，進(jìn)一步地包括能夠施加壓力至鄰近于噴嘴的隨后的層的壓力傳感器。

實(shí)施方式39：實(shí)施方式36-38中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源包括光源、熱板、紅外熱、加熱的惰性氣體、以及包括上述至少一種的組合。

實(shí)施方式40：實(shí)施方式36-39中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源靶向區(qū)包括沉積層的頂部部分。

實(shí)施方式41：實(shí)施方式36-40中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源靶向區(qū)包括沉積層的側(cè)面部分。

實(shí)施方式42：實(shí)施方式36-41中任一項(xiàng)的裝置，其中，經(jīng)由支持臂將能源連接至擠出頭。

實(shí)施方式43：實(shí)施方式36-42中任一項(xiàng)的裝置，其中，不將能源連接至擠出頭。

實(shí)施方式44：實(shí)施方式36-43中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源靶向區(qū)包括大于或等于約50％的層的寬度。

實(shí)施方式45：實(shí)施方式36-44中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源靶向區(qū)包括小于或等于約50％的層的寬度。

實(shí)施方式46：實(shí)施方式36-45中任一項(xiàng)的裝置，其中熱塑性聚合物材料包括聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、丙烯酸橡膠、液晶聚合物、甲基丙烯酸酯苯乙烯丁二烯、聚丙烯酸酯(丙烯酸類)、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚已酸內(nèi)酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚亞環(huán)己基二亞甲基對苯二甲酸酯、聚羥基烷酸酯、聚酮、聚酯、聚酯碳酸酯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、聚砜、聚酰亞胺、聚乳酸、聚甲基戊烯、聚烯烴、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯二甲酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、聚苯砜、聚三亞甲基對苯二甲酸酯、聚氨酯、苯乙烯-丙烯腈、硅酮聚碳酸酯共聚物、或包括上述至少一種的組合。

實(shí)施方式47：實(shí)施方式36-46中任一項(xiàng)的裝置，其中，熱塑性聚合物材料包含聚碳酸酯。

實(shí)施方式48：實(shí)施方式36-47中任一項(xiàng)的裝置，其中，將控制器配置為在沉積隨后的層之前修改擠出頭和層之間的垂直距離。

實(shí)施方式49：實(shí)施方式36-48中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源是激光器。

實(shí)施方式50：實(shí)施方式36-49中任一項(xiàng)的裝置，其中，能源是加熱的惰性氣體。

實(shí)施方式51：實(shí)施方式36-50中任一項(xiàng)的裝置，其中，在平臺和擠出頭之間的垂直距離是可調(diào)節(jié)的。

通常，本發(fā)明可以可替換地包括任何本文中公開的適當(dāng)?shù)慕M分、由其組成或者基本上由其組成。本發(fā)明可以另外地或可替代地配制成不含或基本上不含在現(xiàn)有技術(shù)組合物中使用的或者另外地不是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能和/或目的所必需的任何的組分、材料、成分、佐劑或物質(zhì)。

本文中公開的所有范圍包括端點(diǎn)，并且端點(diǎn)可彼此獨(dú)立地組合(例如，“最高至25wt.％，或更具體地，5wt.％至20wt.％”的范圍包括端點(diǎn)以及“5wt.％至25wt.％”的范圍的所有中間值等)。“組合”包括共混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。此外，在本文中術(shù)語“第一”、“第二”等不表示任何的順序、數(shù)量、或重要性，而是用于表示一個要素不同于另一個要素。除非在本文中另有說明或與上下文明顯矛盾，否則本文中的術(shù)語“一個”、“一種”以及“該”不表示數(shù)量的限制，并且被解釋為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者。除非通過上下文明確地另有規(guī)定，“或”是指“和/或”。如在本文所使用的后綴“(s)”旨在包括其修飾的術(shù)語的單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，從而包括該術(shù)語的一個或更多個(例如，膜(film(s))包括一個或更多個膜)。貫穿整個說明書對“一個實(shí)施方式”、“另一實(shí)施方式”、“實(shí)施方式”等的參考是指結(jié)合實(shí)施方式所描述的特定要素(例如，性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和/或特征)被包括在本文中所描述的至少一個實(shí)施方式中，并且可以存在或不存在于其他實(shí)施方式中。此外，應(yīng)該理解的是，所描述的要素可以以任何合適的方式組合于各個實(shí)施方式中。除非在本文中另有說明，所有的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是至本申請的提交日期為止最新的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

通過引證以它們的全部內(nèi)容將所有的參考合并于此。

雖然已經(jīng)描述了特定的實(shí)施方式，但是本申請人或本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員可以想到當(dāng)前不可預(yù)見的或可能不可預(yù)見的替代、修改、變體、改進(jìn)和實(shí)質(zhì)等效物。因此，所提交的以及可能被修改的所附權(quán)利要求旨在涵蓋所有這樣的替代、修改、變體、改進(jìn)和實(shí)質(zhì)等效物。