用于制作三維物體的工藝和設備的制作方法

本申請是申請號為201180052249.1，申請日為2011年10月26日，發明名稱為“用于制作三維物體的工藝和設備”的申請的分案申請。

相關申請

本申請要求2010年10月27日提交的美國專利申請第61/407,401號的優先權且還要求2011年3月10日提交的美國專利申請第61/415,350號的優先權，該兩個美國專利申請通過引用以其整體并入本文。

發明領域

本公開內容涉及用于從基于聚合物的材料制作三維物體的方法和設備。特定地，本發明涉及具有印刷頭和油墨輸送系統的三維制作設備。

發明背景

由于計算機輔助設計(cad)實體建模系統的增加的使用，已經出現能夠將cad輸出數據轉化為三維物理物體的新的制造技術領域。該技術通常被稱為實體自由成型制作或層制造，其要求以逐層和逐點基礎來建造物體。商購的實體自由成型制作系統的實例包括立體平板印刷(stereolithography)、選擇性激光燒結(selectivelasersintering)、分層實體制造(laminatedobjectmanufacturing)和熔絲沉積成型(fuseddepositionmodeling)。實體自由成型制作系統的其他實例是本領域技術人員已知的。

以三維自動地形成物體在是檢驗cad數據庫、評估美學、檢查設計的工效學、幫助工具和固定設備設計、產生概念模型和銷售/營銷工具、生成用于熔模鑄造的圖案、減少或消除生產中的工程改變和提供小的生產過程方面有用的。

概述

本發明的各方面涉及三維物體的制作。三維物體可以具有高分辨率彩色。

根據本發明的第一方面，三維制作方法包括(a)沉積第一聚合物層；(b)將第一油墨層印刷在第一聚合物層上；(c)將第二聚合物層印刷在第一油墨層上；(d)將第二油墨層沉積在第二聚合物層上。

在某些實施方案中，第一油墨層和第二油墨層可以各自包括多個油墨層。在某些實施方案中，第一聚合物層和第二聚合物層可以各自包括多個聚合物層。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個可以包括利用包含顏料、染料和催化劑中的至少一種的油墨。在某些實施方案中，催化劑可以是化學鍍金屬化催化劑(electrolessmetallizationcatalyst)。在一些實施方案中，化學鍍金屬化催化劑可以選自包括以下的組：鈀、釕、鉑、銀、鋨、銥和鈷。在某些實施方案中，化學鍍金屬化催化劑是鈀或銀。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個包括利用彩色油墨。在某些實施方案中，第一油墨層和第二油墨層中的至少一個沿著第一聚合物層和第二聚合物層中的至少一個的周圍邊緣而沉積。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個可以包括利用根據其溶解度參數與聚合物溶解度參數相比較來選擇的油墨。

在某些實施方案中，形成第一聚合物層和第二聚合物層中的至少一個包括利用選自以下的聚合材料：丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚烯烴、環狀烯烴聚合物和共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二醇酯、液晶聚合物樹脂、聚醚醚酮、熱塑性彈性體、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、環氧樹脂、硅樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、纖維素塑料、松香改性的馬來酸樹脂、其共聚物、膠原、彈性蛋白、水凝膠、干凝膠、聚己酸內酯、聚(d,l-丙交酯-共-乙交酯)、聚交酯、聚(丙交酯-共-己內酯)、或其組合。在某些示例性的實施方案中，形成第一聚合物層和第二聚合物層中的至少一個包括利用丙烯腈丁二烯苯乙烯(“abs”)。

在某些實施方案中，三維制作方法還包括重復步驟(a)-(d)，直到完成三維物體。在一些實施方案中，在制作工藝期間鄰近三維物體形成支撐結構。在某些實施方案中，可以從三維物體除去支撐結構。在一些實施方案中，可釋放的(releasable)油墨層可以被印刷在三維物體和支撐結構之間。在某些實施方案中，形成支撐結構可以包括利用與用于形成三維物體的聚合材料類似的聚合材料。在一些實施方案中，聚合材料可以是水溶性的、溶劑可溶的或堿溶性的聚合物。在一些實施方案中，支撐結構具有外油墨層，外油墨層包括可溶于包括在支撐結構中的聚合材料中的至少一種成分。在某些實施方案中，所述至少一種成分促進支撐結構的聚合材料的溶解，或在可選擇的實施方案中，所述至少一種成分使外油墨層在支撐結構的聚合材料的溶解之前溶解。

在某些實施方案中，向第一油墨層和第二油墨層中的至少一個應用罩面層(overcoatlayer)。在一些實施方案中，罩面層是漆(lacquer)。在一些實施方案中，罩面層被應用到三維物體。在一些實施方案中，罩面層是半透明的或透明的聚合材料。在某些實施方案中，第一油墨層和第二油墨層中的至少一個用熱源、能源、或其組合來處理。在一些實施方案中，熱源可以選自具有以下的組：常規熱源、傳導熱源、輻射熱源和其組合。在一些實施方案中，能源可以是電磁能源。在某些實施方案中，電磁能源可以選自具有以下的組：紅外線、近紅外線、可見光、射頻、微波、和其組合。在一些實施方案中，第一油墨層或第二油墨層中的至少一個的印刷形成可以用于光學對準三維印刷設備的目標圖案。

在某些實施方案中，第一油墨層和第二油墨層中的至少一個包括可釋放的油墨或增塑油墨(plasticizingink)。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個的第一部分包括利用第一油墨，且第一油墨層和第二油墨層中的至少一個的第二部分利用第二油墨來形成。在一些實施方案中，第一油墨是增塑油墨，且第二油墨是具有比第一油墨高的增塑劑濃度的增塑油墨。在一些實施方案中，第一油墨和第二油墨在油墨層的第一部分和第二部分之間提供不同的表面性質。在一些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個包括利用在三維物體上產生光滑表面的增塑油墨。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個包括利用包含可溶于第一聚合物層和第二聚合物層中的至少一種成分的油墨。在某些實施方案中，形成第一油墨層和第二油墨層中的至少一個包括利用包含活性成分的油墨。在一些實施方案中，活性成分是藥物成分，所述藥物成分包括抗炎成分、抑制新生內膜生長的成分、抗凝劑、抗體、免疫抑制成分、化學治療藥、或其組合。在可選擇的實施方案中，活性成分可以是細胞培養物，所述細胞培養物包括干細胞、軟骨細胞、骨細胞、肌細胞、皮膚細胞、胰腺細胞、腎細胞、肝細胞、神經細胞、或其組合。

根據本發明的另一個方面，三維制作設備包括：(a)聚合物沉積設備；和(b)印刷設備，其包括印刷頭和油墨輸送系統。在某些實施方案中，印刷設備可以附接于聚合物沉積設備。在某些實施方案中，聚合物沉積設備包括擠出機，且印刷頭和油墨輸送系統附接于擠出機。在可選擇的實施方案中，聚合物沉積設備包括擠出機，且印刷頭和油墨輸送系統附接于聚合物沉積設備，與擠出機分離。

在某些實施方案中，聚合物沉積設備選自具有以下的組：熔絲沉積成型設備、分層實體制造設備和光聚合物三維沉積設備。在某些實施方案中，印刷頭和油墨輸送系統包括選自包括以下的組的印刷頭：熱印刷頭、壓電印刷頭、mems印刷頭和靜電印刷頭。在某些實施方案中，印刷頭和油墨輸送系統包括選自具有以下的組的印刷頭：繪圖式單噴嘴單元(plotter-stylesinglenozzleunit)、連續油墨噴嘴(continuousinkjet)和按需噴墨系統(drop-ondemandsystem)。

根據本發明的另一個方面，一種選擇用于三維物體的三維制作的油墨的方法包括：(a)選擇聚合物；(b)計算聚合物的漢森溶解度(hansensolubility)參數；(c)選擇油墨；(d)計算油墨的漢森溶解度參數；(e)比較聚合物的漢森溶解度參數和油墨的漢森溶解度參數，以確定所述油墨將是可釋放的油墨還是增塑油墨；和(f)利用聚合物和油墨來通過三維制作形成三維物體。

根據本發明的另一個方面，三維制作方法包括(a)沉積第一聚合物層以形成三維物體；(b)將油墨層印刷在三維物體上以形成殼。在某些實施方案中，三維制作方法還包括將至少一個第二聚合物層沉積到殼上。在某些實施方案中，第二聚合物層利用半透明的或透明的聚合材料來形成。

本申請提供了以下內容：

項目1.一種三維制作方法，包括：

(a)沉積第一聚合物層；

(b)將第一油墨層印刷在所述第一聚合物層上；

(c)將第二聚合物層沉積在所述第一油墨層上；和

(d)將第二油墨層印刷在所述第二聚合物層上。

項目2.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層可以各自包括多個聚合物層。

項目3.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層可以各自包括多個油墨層。

項目4.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括包含顏料、染料和催化劑中的至少一種的油墨。

項目5.根據項目4所述的三維制作方法，其中所述催化劑是化學鍍金屬化催化劑。

項目6.根據項目5所述的三維制作方法，其中所述化學鍍金屬化催化劑選自由以下組成的組：鈀、釕、鉑、銀、鋨、銥和鈷。

項目7.根據項目5所述的三維制作方法，其中所述化學鍍金屬化催化劑是鈀或銀。

項目8.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括彩色油墨。

項目9.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個沿著所述第一聚合物層和所述第二聚合物層中的至少一個的周邊邊緣而沉積。

項目10.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括根據相對于聚合物溶解度參數的油墨溶解度參數來選擇的油墨。

項目11.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層中的至少一個包括選自由以下組成的組的聚合材料：丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚烯烴、環狀烯烴聚合物和共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二醇酯、液晶聚合物樹脂、聚醚醚酮、熱塑性彈性體、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰胺聚合物和共聚物、聚酯、聚烯烴、環氧樹脂、硅樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、纖維素塑料、松香改性的馬來酸樹脂、其共聚物、膠原、彈性蛋白、水凝膠、干凝膠、聚己酸內酯、聚(d,l,-丙交酯-共-乙交酯)、聚交酯、聚(丙交酯-共-己內酯)、和其組合。

項目12.根據項目1所述的三維制作方法，還包括重復步驟(a)-(d)以形成三維物體。

項目13.根據項目12所述的三維制作方法，其中在所述三維制作工藝期間鄰近所述三維物體形成支撐結構。

項目14.根據項目13所述的三維制作方法，還包括從所述三維物體除去所述支撐結構。

項目15.根據項目13所述的三維制作方法，其中可釋放的油墨層被印刷在所述三維物體和所述支撐結構之間。

項目16.根據項目13所述的三維制作方法，其中所述支撐結構包括與用于形成所述三維物體的聚合材料類似的聚合材料。

項目17.根據項目13所述的三維制作方法，其中所述支撐結構包括是水溶性的、溶劑可溶的、或堿溶性的聚合物的聚合材料。

項目18.根據項目17所述的三維制作方法，其中所述支撐結構具有外油墨層，且其中所述外油墨層包括可溶于形成所述支撐結構的所述聚合材料中的至少一種成分。

項目19.根據項目18所述的三維制作方法，其中所述外油墨層的所述至少一種成分促進所述支撐結構的所述聚合材料的溶解。

項目20.根據項目18所述的三維制作方法，其中所述外油墨層的所述至少一種成分使所述外油墨層在所述支撐結構的所述聚合材料的所述溶解之前溶解。

項目21.根據項目1所述的三維制作方法，還包括向所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個應用罩面層。

項目22.根據項目21所述的三維制作方法，其中所述罩面層是漆。

項目23.根據項目21所述的三維制作方法，其中所述罩面層被應用到所形成的三維物體。

項目24.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個用熱源、能源、或熱源和能源的組合來處理。

項目25.根據項目24所述的三維制作方法，其中所述熱源選自由以下組成的組：常規熱源、傳導熱源、輻射熱源、和其組合。

項目26.根據項目24所述的三維制作方法，其中所述能源是電磁能源。

項目27.根據項目26所述的三維制作方法，其中所述電磁能源選自由以下組成的組：紅外線、近紅外線、可見光、射頻、微波、和其組合。

項目28.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括可釋放的油墨或增塑油墨。

項目29.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個的所述印刷形成能夠用于光學對準三維印刷設備的目標圖案。

項目30.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個的第一部分包括第一油墨，且所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個的第二部分包括第二油墨。

項目31.根據項目30所述的三維制作方法，其中所述第一油墨是增塑油墨，且所述第二油墨是具有比所述第一油墨高的增塑劑濃度的增塑油墨。

項目32.根據項目31所述的三維制作方法，其中所述第一油墨和所述第二油墨在所述油墨層的所述第一部分和所述第二部分之間提供不同的表面性質。

項目33.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括在所述第一聚合物層和所述第二聚合物層中的至少一個上產生光滑表面的增塑油墨。

項目34.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括包含可溶于所述第一聚合物層和所述第二聚合物層中的至少一種成分的油墨。

項目35.根據項目1所述的三維制作方法，其中所述第一油墨層和所述第二油墨層中的至少一個包括包含活性成分的油墨。

項目36.根據項目35所述的三維制作方法，其中所述活性成分是藥物成分，所述藥物成分包括抗炎成分、抑制新生內膜生長的成分、抗凝劑、抗體、免疫抑制成分、化學治療藥、或其組合。

項目37.根據項目35所述的三維制作方法，其中所述活性成分是細胞培養物，所述細胞培養物包括干細胞、軟骨細胞、骨細胞、肌細胞、皮膚細胞、胰腺細胞、腎細胞、肝細胞、神經細胞、或其組合。

項目38.一種三維制作設備，包括：

(a)聚合物沉積設備；和

(b)油墨印刷設備，其包括印刷頭和油墨輸送系統。

項目39.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述油墨印刷設備附接于所述聚合物沉積設備。

項目40.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述聚合物沉積設備包括擠出機，且所述油墨印刷設備附接于所述擠出機。

項目41.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述聚合物沉積設備包括擠出機，且其中所述油墨印刷設備安裝在所述聚合物沉積設備上，與所述擠出機分離。

項目42.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述聚合物沉積設備選自由以下組成的組：熔絲沉積成型設備、分層實體制造設備和光聚合物3-d印刷設備。

項目43.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述印刷設備包括選自由以下組成的組的印刷頭：熱印刷頭、壓電印刷頭、mems印刷頭和靜電印刷頭。

項目44.根據項目38所述的三維制作設備，其中所述印刷設備包括選自由以下組成的組的印刷頭：繪圖式單噴嘴單元、連續油墨噴嘴和按需噴墨系統。

項目45.一種選擇用于三維制作的油墨的方法，包括：

(a)選擇聚合物；

(b)計算所述聚合物的的漢森溶解度參數；

(c)選擇油墨；

(d)計算所述油墨的漢森溶解度參數；

(e)比較所述聚合物的漢森溶解度參數和所述油墨的漢森溶解度參數，以確定所述油墨將是可釋放的油墨還是增塑油墨；和

(f)利用所述聚合物和所述油墨來通過三維制作形成三維物體。

項目46.一種三維制作方法，包括：

(a)沉積至少一個第一聚合物層以形成三維物體；

(b)將至少一個第一油墨層印刷到所述三維物體上，其中所述油墨層在所述三維物體上形成涂層。

項目47.根據項目46所述的三維制作方法，還包括將至少一個第二聚合物層沉積到所述三維物體的所述涂層上，其中所述第二聚合物包括與所述第一聚合材料相同的聚合材料或不同的聚合材料。

項目48.根據項目46所述的三維制作方法，其中所述第二聚合物層由半透明的或透明的聚合材料形成。

本文公開的本發明的這些和其他方面連同優點和特征通過參考以下詳細描述將變得明顯。此外，應理解，本文描述的各種實施方案的特征不是相互排斥的且可以各種組合和排列存在。

附圖簡述

在圖中，在所有不同的圖中，相同的參考符號通常是指相同的部件。并且，各圖未必是按比例的，而是通常把重點放在闡明本發明的原理上。在以下描述中，參考以下圖描述本發明的各種實施方案，在圖中：

圖1描繪現有技術細絲沉積建模設備(filamentdepositionmodelingapparatus)的示意性配置。

圖2描繪根據本發明的一個方面的制作設備的示意性配置。

圖3描繪根據本發明的一個方面的制作工藝的示意性配置。

圖4描繪在兩個聚合物層之間的增塑油墨的示意圖。

圖5描繪在兩個聚合物層之間的可釋放的油墨的示意圖。

圖6描繪油墨和聚合物的相互作用的圖示，如由方程式d(i-p)＝[4(δdi-δdp)²+(δpi-δpp)²+(δhi-δhp)²]^0.5定義的。

發明詳細描述

提供能夠產生各種三維物體的三維制造方法和設備將是值得期望的。新的方法和設備的實施方案中的至少某些可以提供高分辨率彩色操縱性能。新的方法和設備的實施方案中的至少某些可以提供功能性三維物體。考慮到對示例性的、非限制性的實例的以下概述和描述的益處，本文所公開的三維制造方法和設備中的一些或全部的另外的特征和優點對于三維制造領域的技術人員來說將是明顯的。

本發明提供用于制作三維物體的方法和設備。

如本文使用的，“三維制作”用于指逐層建造三維物體的方法。三維制作是指沉積至少一個聚合物層和印刷至少一個油墨層的組合以形成三維物體。如本文使用的，“層”通過沉積設備或印刷設備的單程來形成。在一些實施方案中，所述至少一個聚合物層和至少一個油墨層可以任何順序被沉積和被印刷。例如，在某些實施方案中，多個聚合物層可以在油墨層被印刷之前被沉積。在可選擇的實施方案中，聚合物層和油墨層可以通過單層或多層交替。各種沉積方法是本領域已知的，包括但不限于，熔絲沉積成型、分層實體制造、立體平板印刷和選擇性激光燒結。

在某些實施方案中，三維沉積設備例如用于熔絲沉積成型的三維沉積設備包括分配聚合物的擠出機組件。在一些實施方案中，聚合物在建造平臺上以逐層工藝形成三維物體。在一些實施方案中，一旦完成三維物體的建造，就可以從建造平臺除去該物體，且可以開始新的項目。在某些實施方案中，擠出機組件可以是靜止的，或可以允許在xy軸運動，允許僅在x軸或y軸運動，和/或允許旋轉運動或角運動。在某些實施方案中，建造平臺通常在z軸具有指數化運動(indexedmovement)選項。在可選擇的實施方案中，還可以提供其他運動。在某些實施方案中，z軸中的每一個運動可以對應于用于制造三維物體的特定層厚度。此外，在某些實施方案中，建造平臺可以允許在xy軸的任選運動，允許僅在x軸或y軸運動，和/或允許旋轉運動或角運動。

圖1中示出已知的熔絲沉積成型設備。擠出機組件12以逐層工藝將聚合物14分配到建造平臺18上，以形成三維物體16。一旦完成三維物體16，可以從建造平臺18除去三維物體16，且可以開始新的項目。

在本發明的某些實施方案中，三維制作設備包括沉積設備和印刷設備。在一些實施方案中，沉積設備可以與用于熔絲沉積成型的沉積設備相似。在一些實施方案中，沉積設備包括分配聚合物的擠出機組件。在某些實施方案中，聚合物在建造平臺上以逐層工藝形成三維物體。在某些實施方案中，印刷設備包括用于在生產任何三維物體期間使用三維制作設備沉積各種油墨的印刷頭和油墨輸送系統。在一些實施方案中，擠出機頭可以是靜止的，或可以允許在xy軸運動，允許僅在x軸或y軸運動，和/或允許旋轉運動或角運動。在某些實施方案中，建造平臺通常在z軸具有指數化運動選項。另外，在某些實施方案中，建造平臺可以允許在xy軸的任選運動，允許僅在x軸或y軸運動，和/或允許旋轉運動或角運動。

在一些實施方案中，當制作三維物體時，印刷頭和油墨輸送系統可以逐層方式沉積油墨。在某些實施方案中，油墨可以是彩色油墨和/或功能性油墨。在某些實施方案中，印刷頭和油墨輸送系統可以是靜止的，或在可選擇的實施方案中，可以允許在xy軸運動，允許僅在x軸或y軸運動，和/或允許旋轉運動或角運動。在某些實施方案中，油墨的印刷可以通過光限位開關或線性編碼器來觸發。

圖2中提供三維制作設備的示意圖，該三維制作設備包括與用于熔絲沉積成型的沉積設備相似的沉積設備、以及具有印刷頭和油墨輸送系統的印刷設備。三維制作設備包括擠出機組件32，擠出機組件32以逐層工藝分配聚合物34以在建造平臺38上形成三維物體36。此外，制作設備包括印刷頭和油墨輸送系統40，其在建造工藝期間以逐層工藝將油墨分配在三維物體36上。

在某些實施方案中，具有印刷頭和油墨輸送系統的印刷設備附接于與具有擠出機的沉積設備相同的機構，使得其與沉積設備一起行進。在可選擇的實施方案中，印刷設備附接于獨立的運動或靜止機構，該運動或靜止機構附接于三維制作設備。在可選擇的實施方案中，印刷設備與沉積設備對準，但不附接于沉積設備。在某些實施方案中，印刷設備包括印刷頭，該印刷頭可以是例如，壓電印刷頭、熱印刷頭、mems印刷頭、靜電印刷頭、或其組合。在可選擇的實施方案中，印刷設備包括印刷頭，該印刷頭可以是繪圖式單噴嘴單元、連續油墨噴嘴或按需噴墨系統。在某些實施方案中，印刷設備的印刷頭可以相對于沉積設備的擠出機在+45至-45度的范圍內的任何角度被定位。

在可選擇的實施方案中，印刷設備與通過利用逐層建造工藝來建造三維聚合物物體的任何實體自由成型制作設備成對。這樣的設備的非限制性實例包括分層實體制造設備或三維光聚合物設備。

在本發明的某些實施方案中，三維制作方法包括沉積第一聚合物層，將第一油墨層印刷在第一聚合物層上，將第二聚合物層沉積在第一油墨層上，和將第二油墨層印刷在第二聚合物層上。在一些實施方案中，可以重復該制作過程，直到形成完整的三維物體。在某些實施方案中，第一聚合物層和第二聚合物層可以各自包括多個聚合物層。形成第一(或第二)聚合物層的多個聚合物層不需要全部由相同的聚合物形成，而是可以包括一種或多種不同的聚合物。在某些實施方案中，第一油墨層和第二油墨層可以各自包括多個油墨層。形成第一(或第二)油墨層的多個油墨層不需要全部由相同的油墨形成，而是可以包括一種或多種不同的油墨。在某些實施方案中，當制作三維物體時，聚合物層和油墨層可以不同的數量和以不同的順序被沉積。此外，聚合物層和/或油墨層不需要在先前沉積的層上完全延伸。在一些情況下，油墨層可以僅被沉積在先前沉積的聚合物(或油墨)層的一部分上。例如，油墨層可以被包在兩個周圍的聚合物層之間。在某些實施方案中，將一層印刷或沉積在另一層上可以使兩層彼此結合。在一些實施方案中，一層與另一層的結合意指在建造工藝期間層不會彼此分開。在一些實施方案中，被印刷在兩個聚合物層之間的油墨層可以具有可溶于兩個聚合物層的聚合材料中且使得在兩個聚合物層之間形成鍵(bond)以彼此結合的至少一種成分。在某些實施方案中，油墨層可以被印刷在完成的三維物體上以形成涂層。在某些實施方案中，涂層可以作為具有例如0.01-5mm的厚度的殼。在某些實施方案中，罩面層可以被應用到油墨層。在一些實施方案中，罩面層可以是漆，且在可選擇的實施方案中，可以是半透明的或透明的聚合物。

在某些實施方案中，油墨層可以沿著聚合物層的周邊邊緣被印刷。在一些實施方案中，油墨層包括擴散到聚合物層的周邊邊緣的油墨。在某些實施方案中，周邊油墨層可以被印刷在聚合物上，其中聚合物包括透明的或半透明的聚合材料。在一些實施方案中，被印刷在透明的或半透明的聚合物上的周邊油墨層可以產生光錯覺，使得看起來是油墨層延伸到聚合物層中。在某些實施方案中，另外的聚合物層可以應用到油墨層的周邊，由此提供對抗脫層或擦傷的保護，其中聚合材料可以包括透明的或半透明的聚合材料。

在某些實施方案中，三維制作方法可以用于光學對準三維制作設備。在某些實施方案中，油墨層圖案例如諸如目標圖案被印刷在犧牲三維物體的一個或若干層上或被無害地印刷在任何三維物體上。在一些實施方案中，油墨層圖案用光學傳感器來掃描，且光學對準測試的結果用于相對于三維物體定位印刷頭和油墨噴射輸送系統以及擠出機。

在某些實施方案中，在油墨層被印刷在聚合物層上之前，聚合物層可以被完全沉積。在可選擇的實施方案中，盡管聚合物是在被沉積的過程中，但油墨層可以被印刷在相同的聚合物層上。在一些實施方案中，至少一個油墨層的第一部分可以包括第一油墨，且至少一個油墨層的第二部分可以包括第二油墨。在某些實施方案中，至少一個聚合物層的第一部分可以包括第一聚合材料，且至少一個聚合物層的第二部分可以包括第二聚合材料。

圖3中提供三維制作工藝的示意圖。通過使印刷頭和油墨輸送系統54將任選地包含染料或顏料的油墨液滴52沉積在聚合物56上，而在聚合物層上形成油墨層。油墨液滴52形成油墨接觸聚合物56的相互作用區域58。

在某些實施方案中，在三維制作工藝期間，鄰近或附接于三維物體形成支撐結構。在某些實施方案中，三維設備由聚合材料形成。在一些實施方案中，沉積設備用于形成支撐結構。在可選擇的實施方案中，第二沉積設備用于形成支撐結構。在某些實施方案中，支撐結構是從三維物體可除去的。在某些實施方案中，可釋放的油墨層被印刷在三維物體和支撐結構之間。在一些實施方案中，可釋放的油墨層可以僅在附接支撐結構的位置處被印刷在三維物體上。在某些實施方案中，支撐結構可以被分裂為較小的塊，用于除去。

在某些實施方案中，支撐結構的聚合材料與用于形成三維物體的聚合材料相似，或在一些實施方案中，與用于形成三維物體的聚合材料相同。支撐結構和/或三維物體可以由一種或多種聚合材料形成。在一些實施方案中，支撐結構可以包括是水溶性的、溶劑可溶的、或堿溶性的聚合物的聚合材料，例如，諸如水溶性的蠟、基于聚氧化乙烯和二醇的聚合物、基于聚乙烯基吡咯烷酮的聚合物、甲基乙烯基醚、或基于馬來酸的聚合物。

在一些實施方案中，支撐結構可以具有外油墨層。在某些實施方案中，外油墨層具有可溶于包括在支撐結構中的聚合材料中的至少一種成分。在一些實施方案中，聚合材料中的所述至少一種成分可以促進聚合材料的溶解。在某些實施方案中，所述至少一種成分可以是例如，低分子量化合物，例如，聚乙二醇類、聚丙二醇類、聚亞烷基二醇類或聚氧化乙烯。在可選擇的實施方案中，聚合材料中的所述至少一種成分使外油墨層在支撐結構的聚合材料的溶解之前溶解。在一些實施方案中，所述至少一種成分可以是例如，鹽，例如氯化鉀、草酸鉀或檸檬酸鈉；低分子量水溶性聚合物，例如聚乙烯醇類或聚氧化乙烯類；或水溶性有機化合物，例如二甲脲或丙二醇。

在某些實施方案中，聚合物層中的至少一個可以包括諸如以下的聚合材料，例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(“abs”)、聚丙烯酸酯、聚烯烴、環狀烯烴聚合物和共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二醇酯、液晶聚合物樹脂(“lcp”)、聚醚醚酮(“peek”)、熱塑性彈性體(“tpe”)、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烴、環氧樹脂、硅樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、纖維素塑料、松香改性的馬來酸樹脂、其共聚物、任何其他大分子結構、和其組合。在某些實施方案中，聚合物是丙烯腈丁二烯苯乙烯。在某些實施方案中，聚合物層可以包括生物相容的或生物可降解的聚合材料，例如諸如，膠原、彈性蛋白、水凝膠、干凝膠、蛋白、肽、或它們中的任何的組合。在一些實施方案中，聚合物層可以包括合成聚合物，例如諸如，聚己酸內酯(“pcl”)、聚(d,l,-丙交酯-共-乙交酯)(“plga”)、聚交酯(“pla”)、聚(丙交酯-共-己內酯)(“plcl”)、或它們中的任何的組合。

在某些實施方案中，第一聚合物層通過應用第一油墨層來潤濕。在某些實施方案中，第一油墨層的油墨是可以擴散到第一聚合物層中的增塑油墨或可溶油墨。在某些實施方案中，為了獲得改進的潤濕特性，聚合物層和油墨層可以用等離子體或電暈放電來處理。在一些實施方案中，層可以通過使放電源在層的表面上方，例如在1-5mm距離處經過來處理。

在某些實施方案中，印刷設備的印刷頭和油墨輸送系統印刷油墨層。在某些實施方案中，油墨層中的至少一個包括具有例如染料、顏料和/或催化劑的油墨。在一些實施方案中，油墨是彩色油墨。在某些實施方案中，催化劑可以是化學鍍金屬化催化劑。在某些實施方案中，化學鍍金屬化可以是例如，鈀、釕、鉑、銀、鋨、銥或鈷的鹽或有機金屬絡合物。在一些實施方案中，化學周期表的第8、9、10和11族的其他金屬在本發明的范圍內。在某些實施方案中，油墨可以包含是銀或鈀的化學鍍金屬化催化劑。

在一些實施方案中，油墨、聚合材料、或油墨和聚合材料兩者可以包括活性成分。在一些實施方案中，活性成分可以是例如活性藥物成分或細胞培養物。在某些實施方案中，活性藥物成分可以是例如，抗炎成分，例如諸如，皮質類固醇、雙氯芬酸鈉、阿司匹林、布洛芬或醋氨酚；抑制新生內膜生長的成分，例如諸如，依維莫司、紫杉醇或唑他莫司；抗凝劑，例如，華法令、肝素、磺達肝癸、希美加群或巴曲酶；免疫抑制成分，例如諸如，環孢霉素、他克莫司、西羅莫司或霉酚酸；抗體，例如諸如，單克隆抗il-2rα受體抗體、多克隆抗t細胞抗體、抗胸腺細胞球蛋白(“atg”)或抗淋巴細胞球蛋白(“alg”)；或化學治療藥，例如諸如，烷基化劑、抗代謝物、植物生物堿類或拓撲異構酶抑制劑；或它們中的任何的組合。在一些實施方案中，細胞培養物可以包括，例如，干細胞、軟骨細胞、骨細胞、肌細胞、皮膚細胞、胰腺細胞、腎細胞、肝細胞、神經細胞、或它們中的任何的組合。在一些實施方案中，細胞培養物可以是活細胞培養物。

在一些實施方案中，具有活性成分的單一油墨或聚合物層可以被印刷/被沉積。在可選擇的實施方案中，許多油墨層或聚合物層可以被成一排印刷。目前應理解，通過改變具有活性成分的油墨層或聚合物層的數量，可以改變在三維物體上的活性成分的濃度和/或量。在某些實施方案中，油墨層利用包含細胞培養物的油墨而形成在利用生物相容的或生物可降解的聚合物形成的聚合物層上。在一些實施方案中，利用包含細胞培養物的油墨形成的油墨層可以在生物相容的或生物可降解的聚合物上形成活組織。在某些實施方案中，所述活組織將對應于細胞培養物中的細胞的類型。

在某些實施方案中，油墨在25℃的溫度下可以具有在1至150cps的范圍內，在1至50cps的范圍內或在1至22cps的范圍內的粘度。在某些實施方案中，油墨在25℃的溫度下可以具有在18至72達因/cm的范圍內，在20至40達因/cm的范圍內或在22至33達因/cm的范圍內的表面張力。

在某些實施方案中，油墨可以根據油墨的溶解度參數和三維物體的聚合物的溶解度參數來單獨地選擇。目前應理解，溶解度參數，還稱為希爾德布蘭德溶解度參數(δ)和漢森溶解度參數，是各種分子間力的結果，包括色散鍵(dispersionbond)能量(δd)、偶極-偶極分子間力(δp)和氫鍵(δh)。具體的希爾德布蘭德溶解度參數可以使用以下方程式來計算：

(方程式1)δ＝(δd²+δp²+δh²)^0.5

如果兩種材料具有相似的希爾德布蘭德溶解度參數，則它們將可能能夠彼此相互作用。在一些實施方案中，兩種材料的漢森溶解度參數可以用于確定一種材料是否將溶解在另一種材料中，例如聚合物溶解到溶劑或油墨中。將被稱為相互作用半徑(r0)的值賦予待溶解的材料。待溶解的材料(例如聚合物)的相互作用半徑可以界定漢森空間中的球。如果第二材料例如油墨在由相互作用半徑界定的球內，則可以認為聚合物溶解在油墨中。球通過以下方程式來定義：

(方程式2)d(i-p)＝[4(δdi-δdp)²+(δpi-δpp)²+(δhi-δhp)²]^0.5

其中：d(i-p)是在油墨與聚合物溶解度球的中心之間的距離；δxi是油墨的漢森組分(如上所定義)；δxp是聚合物的漢森組分(如上所定義)。

在某些實施方案中，具體的油墨可以根據其與用于三維物體的具體的聚合物的溶解度相互作用來選擇。在一些實施方案中，油墨在聚合物中的溶解度可以通過利用熱源或能源來增強。在某些實施方案中，油墨的增強的溶解度提供另外的益處，包括，例如，增強油墨的干燥特性。在某些實施方案中，熱源可以是例如，常規熱源、傳導熱源、輻射熱源、或其組合。在某些實施方案中，在制作三維物體之后應用熱源或能源。在可選擇的實施方案中，在制作三維物體期間應用熱源或能源。在可選擇的實施方案中，例如，能源可以是電磁能源。在某些實施方案中，電磁能源可以是例如，紅外線、近紅外線、可見光、射頻、微波、或其組合。許多聚合物和油墨在可見光至紅外線范圍內是透明的，但在某些實施方案中，聚合物可以補充有可以吸收在相同范圍內的能量的顏料、染料或化學鍍金屬化催化劑，因此增加工藝效率。另外，在某些實施方案中，各種紅外線、近紅外線、可見光能量、微波或射頻吸收劑可以用于補充油墨。

在某些實施方案中，油墨可以具有落在如由方程式2所定義的相互作用半徑內的溶解度參數。具有落在相互作用半徑內的溶解度參數的油墨在本文被稱為增塑油墨。在某些實施方案中，增塑油墨可以用于提供彩色涂層或殼，以輸送功能涂層，或以改進三維聚合物物體的表面品質。在某些實施方案中，增塑油墨還包含功能添加劑，功能添加劑包括例如，化學鍍金屬化催化劑或其他催化劑、抗微生物劑或釋放添加劑(releaseadditive)。在某些實施方案中，增塑油墨向三維聚合物物體提供可以固化的涂層。在某些實施方案中，涂層是uv可固化的涂層。在一些實施方案中，可固化的涂層可以通過填充物體的未經處理的表面中的任何間隙而在三維聚合物物體上產生更光滑的表面。

在某些實施方案中，由聚合物和增塑油墨形成的三維聚合物物體可以用于生產用于熔模鑄造的模型，熔模鑄造還稱為失蠟鑄造。目前應理解，在某些實施方案中，增塑油墨允許在鑄造期間更清潔的燃盡過程。

在某些實施方案中，油墨層中的至少一個的第一部分利用增塑油墨來形成，且油墨層的第二部分利用具有比第一油墨高的增塑劑濃度的第二增塑油墨來形成。在一些實施方案中，兩種不同的油墨中的增塑劑的量的差異能夠造成油墨層的表面或材料性質不同。在一些實施方案中，相比于利用不是增塑油墨的油墨形成的三維物體，利用具有高增塑劑濃度的增塑油墨形成的三維物體可展示增加的柔性。在某些實施方案中，增塑油墨在三維物體上產生光滑的表面。目前應理解，增塑油墨溶解聚合物層的表面的一部分，由此產生更光滑的表面。

在可選擇的實施方案中，印刷頭和油墨輸送系統包括具有超出如由方程式2所定義的相互作用半徑范圍的溶解度參數的油墨。具有超出相互作用半徑范圍的溶解度參數的油墨在本文被稱為釋放油墨。在某些實施方案中，釋放油墨可以用于幫助從三維聚合物物體釋放支撐結構。在可選擇的實施方案中，釋放油墨可以在三維物體上提供殼。在一些實施方案中，釋放油墨還可以包括例如，染料、顏料或催化劑，以用于形成殼。在某些實施方案中，殼可以是彩色殼。在某些實施方案中，具有釋放油墨的彩色殼的三維物體可以用固定液體(fixingliquid)來處理。在某些實施方案中，固定液體可以是具有在如由方程式2所定義的相互作用半徑內的溶解度參數的任何液體或溶液。在某些實施方案中，彩色殼在三維物體上的固定工藝可以通過應用例如熱、光或電磁能量來加速。在某些實施方案中，任何揮發性組分可以在有或沒有真空下被蒸發。

在可選擇的實施方案中，由三維制作設備利用的油墨可以對用于形成三維物體的具體的聚合物具有低的結合親和力，由此導致油墨對聚合物的低的粘附力。在某些實施方案中，如果油墨被印刷在聚合物上以形成彩色殼，則至少一個聚合物的最終層可以被沉積在彩色殼上以幫助將油墨保持在三維物體上。在這樣的實施方案中，用于所述最終層的聚合物可以是例如透明的或半透明的，且可以選自具有以下的組：丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、聚酯、透明的聚酰胺、脂環族烯烴聚合物和共聚物、苯乙烯丙烯腈聚合物、聚氯乙烯、環氧樹脂類。在某些實施方案中，反射的或不透明的油墨層可以在印刷彩色殼之前被印刷在聚合物上。

在可選擇的實施方案中，低粘附力油墨可以被印刷在三維物體的聚合物上以形成外彩色殼，且該彩色殼然后可以被噴涂上永久透明漆以在該彩色殼上形成漆的涂層。在某些實施方案中，漆可以例如保護三維物體的外彩色殼。在一些實施方案中，漆可以是例如，聚合物例如半透明的或透明的聚合物的快干溶液。在某些實施方案中，漆可以是例如，硝酸纖維素在乙酸丁酯中的溶液。在某些可選擇的實施方案中，漆可以是例如，快速固化、熱固性、uv或ir可固化的樹脂。

實施例

實施例1–檢查溶劑和增塑油墨

lexmark22420噴墨印刷機設置有熱印刷頭以在平的丙烯腈丁二烯苯乙烯(“abs”)上提供良好的彩色覆蓋層。abs板從mcmastercarr獲得。彩色層被印刷到abs板上，且利用通過膠帶測試測量粘附力的astm標準d3359測試來測試彩色的粘附力。結果顯示，彩色層對abs板的粘附力是低的。

為了改進彩色粘附力，將彩色包覆的abs板浸在揮發性溶劑四氫呋喃中。然后將板放在60℃的烘箱中10分鐘。從烘箱除去板，并重復astm標準d3359測試。結果顯示改進的對abs板的彩色粘附力。

重復將彩色層應用至abs板，但將彩色包覆的板浸在不揮發性溶劑丙烯碳酸酯而不是揮發性四氫呋喃中。然后將abs板放在60℃的烘箱中10分鐘，且遵循astm標準d3359測試來測試彩色粘附力。結果與用四氫呋喃板獲得的結果相似。

實施例2–檢查彩色油墨組合物

包含99.8％己二酸二異丙酯和0.2％zonlylfso表面活性劑(dupont)的油墨以及微量的從sharpie萃取的黑色染料用自來水筆尖端沉積到abs板和在dimension1200es印刷機上從abs生產的abs3-d物體上。彩色圖案的粘附力用通過膠帶測試測量粘附力的astm標準d3359測試方法來測試并通過了該astm標準d3359測試方法。

實施例3–檢查增塑油墨

包含99.8％丙烯碳酸酯和0.2％zonlylfso表面活性劑(dupont)的油墨用自來水筆尖端沉積到聚對苯二甲酸丁二醇酯(“pbt”)板。將第二pbt板放在彩色包覆的pbt板上并放在105℃的烘箱中。在30分鐘之后，兩個pbt板已經粘附在一起。兩個板的粘附在遠低于pbt的223℃熔化溫度的溫度下出現。用放在105℃的烘箱中的兩個未包覆的pbt板重復該測試。這些板并未彼此粘附。

實施例4–檢查釋放油墨

使用自來水筆尖端將十二甲基五硅氧烷液體直接沉積到abs板上。然后，包覆的abs板用第二個干凈的abs板覆蓋并夾在一起。將兩個板放在150℃的烘箱中35分鐘。在從烘箱除去板之后，這兩個abs板被容易地分開。用夾在一起并放在150℃的烘箱中35分鐘的兩個干凈的abs板重復該測試。兩個板似乎彼此燒結。

實施例5–檢查包含基于鈀的化學鍍催化劑的油墨

包含按重量計1.5％在n-甲基吡咯烷酮中的乙酸鈀的油墨用自來水筆尖端以預定的圖案沉積在pbt板上。將包覆的板放在70℃的烘箱中10分鐘。在從烘箱除去包覆的pbt板之后，有圖案的表面用2％硼烷二甲胺絡合物(dmab)水溶液處理2分鐘且然后用蒸餾水洗滌。然后，將經處理的包覆的pbt板浸在90℃溫度的化學鍍鎳溶液(caswell)中25分鐘。pbt板在有圖案的區域處形成明亮的、導電的金屬沉積物。

實施例6–檢查包含基于銀的化學鍍催化劑的油墨

催化劑油墨通過將1.0g硝酸銀溶解在99ml40％w/w四氫呋喃水溶液中來制備。催化劑油墨用自來水筆尖端以預定的圖案沉積在abs板的表面上。然后，將有圖案的abs板放在70℃的烘箱中15分鐘。在從烘箱除去abs板之后，有圖案的表面用2％硼烷二甲胺絡合物(dmab)水溶液在45℃下處理2分鐘且然后用蒸餾水洗滌。然后，將經處理的包覆的abs板浸在60℃溫度的化學鍍銅溶液a(表1)中15分鐘。abs板在有圖案的區域處形成明亮的、導電的金屬沉積物。

實施例7–檢查彩色圖案的粘附力

cannonpiximaip2702印刷機設置有熱噴墨印刷頭。將彩色圖案層印刷在5密耳(或1/1000英寸)厚的abs板上，且利用通過膠帶測試測量粘附力的astm標準d3359測試來測試彩色的粘附力。結果顯示，彩色圖案層對abs板的粘附力是低的。

為了改進彩色圖案層的彩色粘附力，將彩色圖案層印刷在5密耳厚的abs板上，并將第二abs板放在印刷的彩色層上，且使用熱的電烙鐵使兩個板熔融在一起。在abs板的兩側，圖像質量似乎是良好的。使用利用通過膠帶測試測量粘附力的astm標準d3359測試，使熔化的abs板經歷過度彎曲和粘附力測試。圖像在過度彎曲期間并未失真且顯示良好的粘附力。

實施例8–檢查彩色圖案的粘附力

5密耳厚的abs板用krylon平涂白噴漆(flatwhitespraypaint)來噴涂并隨后干燥。然后，實施例7的cannonpiximaip2702印刷機用于將彩色圖案層印刷在5mm厚的未經處理的abs板上。然后，將彩色圖案abs板的彩色圖案側面放在噴涂的abs板上并用熱的電烙鐵燒結。彩色圖案層的圖像質量看起來比實施例7中產生的圖像更顯著和輪廓清晰。

實施例9–檢查彩色圖案的粘附力

實施例7的cannonpiximaip2702印刷機用于將彩色圖案層印刷在5密耳厚的abs板上。圖像質量是良好的。然后，abs板的彩色圖案側用krylon清澈透明的丙烯酸(crystalclearacrylic)噴涂并干燥一個小時。在經處理的abs片已經干燥之后，使用透明膠帶，使它們經歷過度彎曲和粘附力測試。圖像在過度彎曲期間并未失真且顯示良好的對abs板的粘附力。

實施例10–檢查印刷在透明聚合物上的多層彩色

用于形成三維物體的熔絲沉積成型機器從商購的套件rapmanusa3.1.0版組裝。然后，機器設置有hp2.5評價套件，其允許用熱噴墨(“tij”)印刷頭印刷。機器的硬件和固件被改造為使得tij印刷頭可以用于在三維物體的逐層構造期間印刷油墨層。tij印刷通過附接于機器的x軸的光限位開關來觸發。

使用上述改造的機器，三維物體由從ultimachine,southpittsburg,tn獲得的pla聚合物形成。三維物體是20x20x6mm，且單層厚度是0.25mm(24層)。

實施例10a–用傳統印刷的差的粘附力

使用hp45黑色油墨將十字架(cross)圖像印刷在三維pla聚合物物體的頂層(層#24)上。用紙巾容易地從三維物體除去圖像。

實施例10b–印刷在部件的表面下方

使用hp45油墨將十字架圖像印刷在三維pla聚合物物體的頂層下方的一層(層#23)上。圖像是輪廓清晰的，具有良好的對比度，且當用紙巾摩擦物體的表面時，圖像的完整性(integrity)沒有變化。圖像也通過了astm標準d3359測試。

實施例10c–沿著z軸印刷

使用hp45油墨將十字架圖像印刷在三維pla聚合物物體的多層(層#3-23)上。圖像被定位為距三維物體的周邊邊緣0.25mm。圖像是輪廓清晰的，具有良好的對比度，且當用紙巾摩擦物體的表面時，xy和z軸兩者的完整性沒有變化。圖像也通過了astm標準d3359測試。

實施例11–檢查印刷在透明聚合物上的多層彩色

用于形成三維物體的熔絲沉積成型機器從商購的套件rapmanusa3.1.0版組裝。然后，機器設置有hp2.5評價套件，其允許用熱噴墨(“tij”)印刷頭印刷。機器的硬件和固件被改造為使得tij印刷頭可以用于在三維物體的逐層構造期間印刷油墨層。tij印刷通過附接于機器的x軸的線性編碼器來觸發。