[发明专利]采用场对功能性材料进行定向控制的增材制造装置

说明书

本发明题为“采用场对功能性材料进行定向控制的增材制造装置”。本发明公开了一种设备，其具有配料单元，该配料单元使原料流出该配料单元的喷口，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，使得功能性材料的取向在该零件的体积内可选择性地变化。

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)。