具体实施方式

本公开涉及一种新型增材制造(即3D打印)方法和设备。根据一个示例性特征，符合本公开的方法和设备提供了在无需平台或支撑介质室的情况下构建逐层沉积结构的能力。

根据另一示例性特征，符合本公开的方法和设备可用于在无需模具(支撑材料的临时支架或耐用的模具)的情况下在3D方向上控制打印(沉积)方向，如6轴打印或7轴打印或更高程度的3D打印。

根据另一示例性特征，与传统AM工艺相比，符合本公开的方法和设备可用于增加堆叠方向强度。尽管使用了粉末、液体、油墨、熔化的材料等，但所有当前的AM工艺都是逐层沉积。逐层增材工艺引入了例如空隙、残余应力等缺陷。不管沉积方向是x、y还是z，这些类型的缺陷在所有当前AM工艺中都可能出现。

根据另一个示例性特征，符合本公开的方法和设备可用于打印各种材料，例如连续纤维增强复合材料、不连续纤维增强复合材料、以及无纤维增强的材料。相反，当前的AM工艺(如FDM)具有的缺点是，由于如前述的制造问题，仅能够打印短的不连续纤维增强复合材料或/和无纤维增强的材料。

一种新型自由曲面结构(FFCS)打印头

图2是3D打印头的示例性实施例的图示：自由曲面结构(FFCS)打印头。其仅用于说明和解释性目的，并不用于限制。图2中经编号的元件为：

元件1：打印头。

元件1-1：接收和处理进入的原料的机构，进入的原料包括但不限于聚合物长丝、纤维束、微粒子、纳米粒子、油墨或其任意组合。

元件2：长丝输出端口；其为打印头1的一部分。打印头1可具有一个或多个长丝输出端口。

元件3：局部场发射器；其为打印头1的一部分。打印头1可具有一个或多个局部场发射器。

元件4：局部按压单元；其为打印头1的一部分。打印头1可具有一个或多个局部按压单元。

元件5：局部按压衬垫；其与局部按压单元4相关联。局部按压单元4可具有一个或多个局部按压衬垫。

元件6：局部按压表面；其与局部按压衬垫5相关联。局部按压衬垫可具有一个或多个局部按压表面。例如，不用于限制可能的结构，按压衬垫5可包含不同的子区域并且在子区域之间可具有通道，该子区域具有不同的形状。按压衬垫5还可包含一些移动部件(包括但不限于球辊或圆柱辊)以减小摩擦。

元件7：由局部场发射器3发射的场。

元件8：背衬制品；其响应于场7并且可与场7一起工作以在背衬制品8上产生场致力(field-induced force)。至少一个背衬制品可用于与场7相关联。

元件9：新长丝，其从长丝输出端口2挤出；新长丝9用于形成3D部件的最新沉积层。

元件10：张紧器。

元件11：切割器，其切割新长丝9。

元件12：打印头位置控制机构，例如机器人臂，以控制打印头1的位置(坐标和角度)。

元件13：3D部件的现有沉积层。例如但不限于，可以通过逐层沉积新长丝9层来建立现有沉积层。

元件14：相对位置控制器，用于控制局部按压单元4相对于打印头1的相对位置。

元件15：打印头1的辅助辊。

可以借助于使用图2来解释新型打印头1的操作概念，其中图2仅用于解释目的，而不限制本公开的范围和细节。如图2所示，所示的示例性打印头1包括至少一个长丝输出端口2、至少一个连接的局部场发射器3和至少一个连接的局部按压单元4。出于本申请的目的，术语“连接”表示这些元件的协调使用、移动和控制。它们之间的连接可以是直接连接或间接地与其他的协调控制机构(例如但不限于齿轮箱、液压缸、皮带、致动器或伺服机构)相关联。另外，连接关系可以是固定的或可调节的。它还具有接收和处理进入的原料的机构1-1。适用于本公开的原料包括但不限于聚合物长丝、纤维束、微粒子、纳米粒子、油墨或其任何组合。在所示的示例性结构中，局部按压单元4具有至少一个局部按压衬垫5。局部按压衬垫5具有至少一个局部按压表面6。局部按压表面6被定义为局部按压衬垫5与受局部按压衬垫5按压的物体有效接触的表面。仅出于解释目的，如果物体被包括四个平面子衬垫的局部按压衬垫5按压，那么存在四个局部按压表面。如果使用圆柱辊作为局部按压衬垫5来按压相对平的物体，则局部按压表面6是圆柱辊与相对平的物体之间的小接触区域。注意，对于3D打印实践，局部按压表面6明显小于待打印头1打印的部分。注意，局部按压表面6的尺寸越小，打印头1的分辨率越高。仅作为示例而非限制，局部按压表面6的面积可以小于待打印部分的表面积的1/16。局部场发射器3可以发射至少一个与局部按压表面6大致法线(垂直)的场7。由局部场发射器3发射的场7产生局部力以相对朝向局部按压表面6拉动一片或多片背衬制品8。注意，相反的场也可以将背衬制品8向相对远离局部按压表面6推动。适用于本公开的背衬制品8包括但不限于小钢球、连续片或多片柔性橡胶或含有铁颗粒的聚合物制品，所述铁颗粒响应于由局部场发射器3发射的磁场(一种场7)并且被拉向局部按压表面6。在本公开中，局部按压表面6的位置和形状被精确地控制，以便作为局部成形工具表面从而沿着每个新长丝9被设计放置的精确路径行进。这样做是为了精确控制在局部按压单元4下被按压的新长丝9的曲率。刚从长丝输出端口2挤出的新长丝9非常柔软并且可以成形(即，未固化)(例如，当刚挤出时FDM长丝被熔化)，精确控制局部按压表面6(或多个协作的局部按压表面6的组件)的形状和位置，可以是非常有效地精确控制所需的表面形状(面向局部按压表面6)和新长丝9的位置，以实现其在3D打印部件中的作用。应该注意的是，当3D部件打印完成或在设计的服务中使用时，工艺引起的残余应力积累或设计的预加载应力要求可以改变长丝的位置和形状。因此，在一个优选的实践中，在配置过程中新长丝放置的位置和形状设计应补偿这种预期的变化。此外，在一个优选实施例中，可以使用适当的数值模拟(例如有限元分析)来估计这种变化并将预测的变化考虑在部件设计中。此外，如图2所示，由局部场发射器3发射的场7与背衬制品8远程互作。因此，可以控制场7以调节背衬制品8上的场致力，从而有效地控制施加在局部按压表面6上的压力，该局部按压表面6用作局部成形工具表面的作用。这可以定义对其进行压缩的物体(例如但不限于新长丝9)的局部形状、位置和材料压紧。

在另一个示例性系统中，可以关闭场7以使背衬制品8和局部按压表面6脱离。在本公开的另一个实施例中，可以切换场7的方向以使背衬制品8斥离按压表面6。适用于本公开的场的示例包括但不限于磁场、静电场、流体压力(例如，真空压力，如果存在适当的通道以将压力感应力施加到背衬制品8)，或其任何组合。请注意，如果在部件打印过程中一个场的效力下降，则可以通过使用多个场来获得更多控制能力或转换/切换到不同的适用场。通过改变场强，可以控制在局部按压表面6与背衬制品8之间插入的任何物体的局部材料压紧和膨胀。

局部压紧控制有助于控制所需的局部材料性能、减少空隙含量，还可以控制残余应力，甚至可以预加载形状记忆材料(如形状记忆聚合物或形状记忆合金)的变形(当将其置于局部按压表面6和背衬制品8之间时)。如果有纤维(如碳纤维)装载在新长丝9中，使用与新长丝9(如在一些FRP预浸料中预先制造的树脂渗出通道)或局部按压衬垫5相关联的适当的基体去除机构或与打印头1一起工作的其他辅助设备，可以控制场，从而通过基体去除机构控制长丝9的压紧和去除过量基质。这在新长丝9中产生高纤维体积分数。适用于本公开的基体去除机构的实例包括但不限于连接到低压力容器的树脂流动通道或树脂渗出织物，以收集通过局部按压衬垫5从新长丝9挤出的过量树脂基体。除了在局部按压表面6的法线方向上的材料压紧控制(以及可膨胀材料的膨胀控制)之外，还可以控制新长丝9沿长丝方向的张紧/压缩。

图2所示的张紧器10可以在新长丝9从长丝输出端口2向局部按压表面6拉出时控制对新长丝9的阻力。因此，当在局部按压表面6下被压缩时，新长丝9的张紧也可以由张紧器10控制。另外，可以使用两组或多组局部按压表面6和背衬制品8作为夹具。通过以协作的方式相对移动和控制多个夹具，可以改变预加载的应力并使夹具之间的材料层变形。这为局部设计材料特性提供了额外的自由度。另一方面，如果材料层包含至少一种形状记忆材料，例如形状记忆合金或形状记忆聚合物，则这种材料层可以在打印过程中通过这种预张紧或预变形方法局部设计。通过设计形状记忆材料，打印头1也可以打印4D部件。压紧还可以帮助减少传统FDM工艺中的常见缺陷，即由于长丝堆叠引起的长丝间间隙。

切割器11可以配备到打印头1上，以根据需要切割新长丝9。适用于本公开的切割器11包括但不限于刀片、激光器或超声切割器。

在所示的示例性结构中，打印头1连接到打印头位置控制机构12，例如机械手臂或机器人；注意，打印头1的“位置”是指打印头1的“定位”和“对齐”。仅出于解释目的，在3D空间中，物体的位置可以表示为(x、y、z)坐标，对齐可以表示为物体的任意线与x、y、z轴坐标系的两个角度，例如，球面坐标系使用两个角度来定义矢量的对齐(方向)。

在逐层沉积期间，通过添加更多的新长丝9，将存在一个或多个现有沉积层13以及可以放置在现有沉积层13顶部的另外的新长丝9。当打印头1经过时，新长丝9可以从长丝输出端口2挤出，并应用在现有沉积层13顶部上。材料压紧控制和长丝张紧控制如果适用，可以应用于在所需应力和所需纤维体积分数下压缩新长丝9并将其粘合到现有沉积层13上。场7可用于控制压紧，张紧器10可用于将张力施加到新长丝9。由多组局部按压表面6和背衬制品8形成的多个夹具也可有助于控制现有沉积层13的位置、形状和变形，同时新长丝9被压缩并通过按压表面6和背衬制品8构成的组粘合到现有层13上。

根据另一个示例性系统，现有沉积层13也可以由除3D打印之外的其他沉积方法或优选的制造方法来创建，作为以3D打印部件的一部分的形式合并的插入物。这种做法允许使用优选的制造方法(由于成本、质量、功能等)的其他材料和功能对象也可用于由打印头1打印的3D部件中。这种情况的合适示例是将功能模块(例如无线传感器模块或致动器模块)结合到3D部件中。许多功能模块通常优选在结合到3D打印部件中之前被离体组装和测试。有时，无线传感器模块还可以通过在3D打印过程中感测参数来帮助打印过程。在许多情况下，也可以在部件生命周期中在打印过程之后使用传感器模块。可由传感器模块检测的参数的合适示例包括但不限于应力、张力、电特性(如介电常数和电导率)、热特性(例如，使用微小的热线方法来测量热导率或比热)、机械性能(例如粗糙度和硬度)、坐标(即位置)和/或角度(例如，使用GPS、加速计、方向传感器等)、压力、温度、湿度、化学成分含量、声学特性(例如，声波折射率或反射率)、密度、射线不透性和传感器识别号(以将其与打印部分中的其他传感器模块区分)。所产生的将影响3D打印部件的功能的致动器模块的参数或励磁的合适示例包括但不限于应力、力、张力、热、声、电波和磁波。

在一个示例性布置中，优选控制局部按压单元4与打印头1的相对位置。在这种布置中，存在相对位置控制器14，以控制局部按压单元4与打印头1的相对位置。

为了进一步增强打印分辨率，局部按压表面6可以具有不同的形状。在符合本公开的一个示例性系统中，打印头1可以代替不同形状的局部按压表面6。在另一个示例性系统中，局部打印单元4可以调整局部打印表面6的形状。出于解释目的但不用于限制，局部打印表面可以从平的表面变为弯曲表面(例如凹面、凸面或鞍形表面)，以为打印部件创建更多细节。可以通过更换不同的打印衬垫或使用致动器变形的柔性膜来影响改变，以形成局部打印表面。

根据另一示例性布置，可在打印头1中使用多个局部按压单元4。根据另一示例性布置，可在打印头1中使用多个局部按压衬垫5。根据另一示例性布置，多个局部按压衬垫5可以用在局部按压单元4中。根据另一示例性布置，局部按压衬垫5可以具有多个局部按压表面6。根据另一示例性布置，局部按压衬垫5可以具有一个或多个旋转元件，例如圆柱辊或球辊。

根据符合本公开的一个示例性系统，背衬制品8可以附接到3D打印部件103并且作为3D打印部件103的一部分。在根据本公开的另一示例性系统中，背衬制品8可以与3D打印部件103分离。在符合本公开的另一示例性系统中，在打印过程之前预先制造背衬制品8。在符合本公开的另一示例性系统中，在打印过程中制造背衬制品8。在符合本公开的另一示例性系统中，背衬制品8可包括在新长丝9中。在符合本公开的另一示例性系统中，背衬制品8可包括在现有沉积层13中。在根据本公开的另一示例性系统中，背衬制品8不包括在新长丝9中。在根据本公开的另一示例性系统中，背衬制品8不包括在现有沉积层13中。

仅作为示例而非限制，适用于符合本公开的背衬制品的示例包括但不限于填充有钢粒的小块软橡胶衬垫，用作打印头的预制配件。这些小橡胶衬垫可以从3D打印部件103上拆下，并一旦打印过程结束就恢复。这种小块橡胶衬垫可以是可重复使用的，并且在3D打印过程之后不一定成为3D打印部分103的一部分。在符合本公开的一个示例性系统中，钢纤维或颗粒可以填充到某种类型的聚合物基体中或从新长丝9中填充，从而建立刚从长丝输出端口2挤出就具有新长丝9和背衬制品8双重角色的新长丝。随后，第二新长丝9可以沉积在第一长丝上面，而第一长丝现具有现有沉积层13和背衬制品8的双重作用。在该示例性结构中，背衬制品8成为3D打印部分103的一部分(如果第一长丝层未被移除)。

根据另一个示例性系统，只要在不损害3D打印部分的其他部分的功能的情况下可以实现这种聚合物基体的去除，就可以除去含有钢纤维或颗粒的第一长丝层。例如，水溶性聚合物可用作第一种钢填充长丝的聚合物基体，随后在打印过程之后用水溶解。根据该示例性系统，可以使用其他长丝中的不同类型的聚合物，使得这些聚合物不会被水洗掉。

根据另一个示例性系统，第一长丝的聚合物基体对pH敏感或在暴露于某种环境后可以被分解。本领域技术人员将知道也可用于此目的的其他水溶性工具材料。第一长丝的移除可以在3D打印过程中、3D打印过程之后、或者在3D打印部件的服务期间完成，例如，如果第一钢填充长丝留在3D部件中，可以使用其磁场响应属性来帮助3D打印部件103在组装过程中与其他部件粘合，或者修复粘合线的裂缝(作为感应加热层)。

根据符合本公开的另一示例性系统，磁响应属性可用于通过施加的磁场产生夹紧力。例如，在打印头1用于在受损3D打印部件103的顶部上打印修复并且受损部件中具有该磁响应层(即，背衬层8)的情况下，打印头1可用于在受损区域顶部压紧且粘合新长丝以修复受损部件。在这种情况下，可能需要在修复过程之前首先清洁受损区域。

根据符合本公开的另一示例性系统，用于修复过程的新长丝是与部件103中的作为原始长丝相同类型的长丝。根据符合本公开的另一示例性系统，用于修复过程的新长丝是与部件103中的原始长丝不同类型的长丝。例如，如果原始长丝是碳纤维增强环氧树脂，则可以去除受损层并打印相同的碳纤维增强环氧树脂用于修复。另一方面，如果在部件103中碳纤维增强环氧树脂层的损坏最小，例如浅表面层裂缝(例如分层或分裂)，则可以在受损区域上打印和按压树脂薄膜长丝并促使修复树脂流入并填充裂缝以修复部件103。

根据符合本公开的另一示例性系统，包含钢纤维或颗粒的第一长丝不留在3D打印部件中。例如，钢纤维或颗粒是否会以某种方式干扰3D打印部件的最佳优化功能。例如，钢材会增加部件的重量，并可能在使用过程中生锈。此外，根据市场分析，不锈钢价格昂贵且不符合成本效益。

如果背衬制品8不包括在新长丝9中也不包括在现有沉积层13中，则背衬制品输送机构可以包括在打印系统中，以将背衬制品8放置在打印头1附近并被场7所捕获。仅作为示例而非限制，适用于本公开的背衬制品输送机构包括但不限于将背衬制品8传送到打印头1附近的辅助机器人或其臂、将背衬制品8发射到近目标区域的发射器、喷射(或吹)小背衬制品到目标区域附近的喷射器(或鼓风机)、或从较长距离吸引背衬制品8的非常强的场7，或其任何组合。例如，可以增加场7的强度以从附近的发射箱中获得背衬制品8。另一个示例是使辅助机器人(或机械手臂)也发射与场7相同的场，以将背衬制品8传送到打印头1附近，并逐渐增加打印头1的场强以带走背衬制品8。根据符合本公开的另一示例性系统，反转该过程以允许打印头1将背衬制品8提供给辅助机器人(或械手臂)。

打印头1还可以解决长丝和打印材料的热管理和固化控制。这种控制可以通过温度、热量、紫外线、超声波和激光来实现。根据符合本公开的一个示例性系统，打印头1配备有至少一个冷却部件，例如水冷却通道或热电冷却器。根据符合本公开的另一示例性系统，打印头1可配备有至少一个用于加热的能量源。合适的能量源的示例包括但不限于电加热元件、UV灯、超声源加热、感应加热元件、微波加热元件或激光源。请注意，如果新长丝9包含导电材料，则不管新长丝9的厚度，感应加热对于新长丝9的均匀和快速加热都非常有效。

根据一个示例性系统，感应加热用于加热厚的新长丝9，其中新长丝9是导电的。在符合本公开的另一示例性系统中，打印头1具有在现有沉积层13上施加预热或预冷的能力，以实现新长丝9与现有沉积层之间的最佳结合结果。在符合本公开的另一示例性系统中，在现有沉积层13上预热或预冷却的能力用于减少过程引起的残余应力，例如热应力、由于聚合物收缩引起的应力、由于相变引起的应力等。

在符合本公开的一个示例性系统中，背衬制品8与现有沉积层13不同。然而，在符合本公开的另一示例性系统中，背衬制品8也可以是现有沉积层13。因此，该场直接在现有的沉积层13上施加力。例如，抽真空(压力场)可用于将固体和不可渗透的现有沉积层13拉向局部按压表面6并且在固体和不可渗透的现有沉积层13上压缩和沉积新长丝9。或者，如果沉积层13含有大量的铁含量，则可以直接施加磁场以获得相同的结果。

弱场致力可能无法提供最佳的材料压紧控制和夹紧力。因此，场致力需要足够强以产生显着的材料压紧控制和夹紧力，以实现如上所述的本公开的基本能力。在符合本公开的一个示例性系统中，由局部场发射器3发射的场穿透局部按压表面6。在根据本公开的另一示例性系统中，由局部场发射器发射的场7不穿透局部按压表面6。在根据本公开的另一示例性系统中，由局部场发射器3发射的场7施加在周边区域中并且不穿透局部按压表面6。

在现有沉积层13是可渗透的(对于诸如空气的流体)的情况下，场7、(真空)压力场和背衬制品8可由无孔膜材料制成。然而，可以设想的是，磁场和含铁背衬制品可能比基于压力场的方法更有效。将压力场与磁场一起使用的组合可期望对背衬制品8产生更有效的控制。

可能需要3D打印空心物体。根据符合本公开的一个示例性系统，背衬制品8可以封闭在新长丝9与现有沉积层13之间的腔中。这将在新长丝9的打印的沉积层与现有沉积层13之间形成开放的中空间隙，从而能够形成3D打印的空心包络/空腔。封闭在腔中的背衬制品8可以在打印部件之后留在3D打印物体内部或者被移除。例如，如果使用小的不锈钢球作为背衬制品8，并且使用背衬制品来打印空心3D部件，则可以借助穿过空心3D打印部件的小开口取回球。

局部按压衬垫5和局部按压单元4也可包含许多附加装置。局部按压衬垫5可具有多孔特性或一些真空通道以帮助抽真空或去除多余的树脂基体或空气(或挥发性气体)。局部按压单元4也可具有传感器以检测新长丝9和现有沉积层13以及二者之间的粘结界面的物理或化学特性。适于本公开的特性包括但不限于材料硬度、空隙、温度、聚合物基体的固化度、厚度、纤维体积分数、模量和流变行为。适于本公开的传感器包括但不限于超声传感器、声发射传感器、热电偶、电介质传感器、材料硬度传感器和小型显微镜透镜/相机。

打印头1也可包含传感器。例如，打印头1可包含用于监控靠近打印区域的温度和辅助加热和冷却管理(包括预加热和预冷却)的温度记录相机。打印头1还可以包含能够确定其在打印部件的空间中的位置的传感器。例如，视觉传感器可以使打印头1检测其相对位置，以避免撞击(或干扰)受限工作空间内的周围环境，该受限工作空间被分配用于打印新的3D打印部件。本公开的关键特征之一是不需要平台或支撑介质室。这是很重要的，因为它能够允许现场打印3D部件，而不是首先在场外打印3D部件随后将部件运送到现场。因此，本公开的现场3D打印能力对这种实际场景将是非常有帮助的。另外，如果需要根据现场条件修改3D打印部件，现场打印功能可以轻松实现。

根据符合本公开的一个示例性系统，打印头1通过嵌入或沉积到部件中的一个或多个功能模块添加与3D打印部件103交互的机构，例如，添加传感器或/和致动器模块或能够响应打印头1发出的信号或场的小颗粒或纤维。颗粒或纤维可以以任何易于快速识别的图案放置，例如条形码、QR码、线性代码等。一个示例是获得在打印过程中由模块测量的部件内部的温度(与表面温度相反)。另一个示例是利用识别读取机构来获取一些模块的识别号，这些模块被放置在关键位置并且被设计成在3D打印过程和/或之后的组装过程中和/或二次加工(如切割、修剪等)期间辅助定位部件的关键位置。从模块收集的任何其他参数可用于辅助制造过程，并且可以以唯一模块识别号注册。如果每个3D打印部件103具有具有唯一模块识别号的模块，则可以记录3D打印部件103的完整制造史，并使用该数据作为质量控制、服务和修复的参考。

在符合本公开的另一示例性系统中，前述机构(用于使打印头1通过一个或多个功能模块与3D打印部件103交互)可用作安全保护。首先，在没有获得这些模块来匹配打印文件的情况下，如果在3D打印和后续的组装、服务或修复期间，打印头1与3D打印部件103之间的交互机构为必要步骤，其他人在没有首先获取来自3D部件设计IP所有者的认证模块的情况下，将无法成功打印3D部件(即使他们有打印的文件)。其次，如果黑客恶意更改3D打印的设计文件，那么将所有关键模块和与模块识别号相关联的记录历史记录在所需的制造容差范围内相匹配的机会仍然非常低，无论如何，可以很容易被制造系统检测到。例如，如果黑客改变了打印头1的移动路径，以便改变长丝沉积路径，使其从模块A移动到模块C，而不是从模块A移动到模块B的原始设计路径，那么由模块A、B、C在黑客改变的打印路径下注册的温度历史将明显不同于由模块A、B、C在具有显着不同的加热顺序/定时的原始设计下注册的温度历史。如果在历史中还包括更多物理参数，例如介电特性、超声响应等，则更容易检测路径是否被恶意改变。如果部署十(10)个此类功能模块，那么将难以恶意改变打印路径以及在不被系统发现的情况下仍然看到这些错误部件被打印。例如，如果对碳纤维复合材料部件进行打印，那么其原始层序列(即每层的纤维方向)通常经过精心设计以在某些加载环境下达到弹性响应(振动、疲劳、层相关的失效模式等)的某些标准。此外，例如，如果黑客改变了内层的纤维方向并保持可见表面层的纤维方向不变(对于3mm厚的飞机蒙皮的典型复合材料，约30层或更多的纤维层)，将极其难以不破碎并逐段测试部件的情况下通过任何测试进行检测。这很可能比构建新部件更昂贵和耗时。由本公开的实施例实现的安全性将非常有助于阻止黑客恶意攻击改变打印文件和在未经授权的情况下打印。

验证3D打印工件中的知识产权合规性的方法的示例性实施例包括在使用3D打印机打印工件期间在工件中打印ID模块。然后读取ID模块以获得ID码，该ID码被发送到认证服务器。然后从认证服务器接收肯定或否定认证的认证信号。根据读取ID模块的时间，该方法可用于各种类型的知识产权验证。

例如，可以在打印过程中读取ID模块，作为确保工件的设计不是盗版副本的手段。一旦ID模块被打印，就会读取它，并使用认证服务器来验证ID码，以确保设计文件被授权用户使用。如果授权信号是肯定的，则打印可以继续。如果它是否定的(意味着设计文件是盗版的)，则打印暂停。可以使用对否定授权信号的附加响应，例如覆盖盗版设计文件以销毁它、向第三方发送盗版通知、使打印头破坏已经打印的工件的部分、或者覆盖3D打印机的固件。

肯定认证信号可以触发附加动作。例如，可以识别与ID码相关联的被许可人，并且可以向被许可人的帐户产生版税费用以打印工件。作为另一个示例，可以由授权工件制作记录，供工件的监管链中的各方(例如，希望认证商品的买方)查阅。

该方法还可用于进行自动质量控制(QC)，以检查工件中无法解释的设计偏差。在此类方法中，可以通过确定一个或多个模块的位置并将位置报告给QC服务器来检查工件的结构和尺寸，这确保了工件已被正确制造。例如，在该方法的一些实施例中，在第一位置处将第一ID模块打印在工件中，在第二位置处将第二ID模块打印在工件中。然后，由打印机或另一个本地设备检测第一和第二ID模块的位置，并将这些位置发送到QC服务器。然后，QC服务器将工件中的第一和第二模块的位置与工件设计中的预期位置进行比较，并发送QC确认信号。这种方法可用于解决由多种原因引起的工件缺陷，例如打印硬件中的缺陷、打印软件中的缺陷、设计文件的错误副本、甚至恶意篡改打印机软件或设计文件。通常，在某些容差范围内，一些偏差是可以接受的。在该方法的一些实施例中，QC确认信号传达第一和第二ID模块的相对位置是否在第一和第二ID模块的相对位置的设计规范的容差范围内。

该方法还可以由在商业流程中获取工件的一方用于验证工件不是未经授权的模仿(“伪造”)。在这种版本的方法中，ID模块由获取工件的一方读取，并且ID码被发送到认证服务器。认证服务器检查ID码是否有伪造的迹象。此类指示可包括已经针对不同的工件报告了ID码，缺少ID码曾用于许可工件中的ID模块的任何记录，以及与伪造工件相关联的ID码的记录。如果发现一个或多个伪造指示，则可以将伪造信号发送回获取方。

在包括打印机与移除服务器(例如，认证服务器和QC服务器)之间的通信的方法的任何实施例中，可以采用安全措施来认证发送器和/或接收器或加密通信。例如，任何一方或双方都可以发送验证发件人身份的安全证书。此外，可以使用发送方的私钥来加密任何信号，其中可以使用发送方的公钥来解密信号。

在符合本公开的特定实施例中，为了在3D打印部件上添加打印头1的更多相对运动控制，可以将一个或多个辅助辊15添加到打印头1上。在一个示例性系统中，辅助辊15被连接到打印头1。在另一个示例性系统中，如果合适，辅助辊15被连接到局部按压单元4。辅助辊15可以被移动以在现有沉积层13上和/或新长丝9上推动3D打印部件103，以帮助减小和控制局部按压表面6上的压力。辅助辊15的另一个主要用途是通过控制局部按压表面6与现有沉积层13之间的精确间隙(即距离)来控制新长丝9的精确厚度。必要时，辅助辊15还可以帮助将局部按压衬垫5提升离开3D打印部件103的表面。在本公开的一个实施例中，至少一个辅助辊15由一个或多个电机驱动。因此，辅助辊15可以控制打印头1在3D打印部件的表面上移动的附加推力或拖曳力。辅助辊15的这种推动或拖曳控制还可以辅助张紧器10和打印头位置控制机构12控制施加到新长丝9的张力。辅助辊15优选是机动的。

打印头1可以处理单个新长丝9或多个新长丝9。打印头1可以具有单个新长丝输出端口2或多个长丝输出端口2。它可以使用一种类型的新长丝9或多种类型的长丝9。

由打印头实现的新型打印方法和系统

打印头1采用与传统的3D打印方法不同的3D方法，并且允许在无需平台或支撑介质室(在其他增材制造方法中是必需的)的情况下将长丝(通常)直接打印成3D部件。在符合本公开的一个示例性实践中，下文描述了一种新型自由曲面结构(FFCS)打印方法。图3(a)和图3(b)仅用于说明目的，决不用于限制本公开。

图3是如何使用打印头来打印弯曲形状部件的图示。

元件1：打印头1；在图3中，还假设其具有前面所述的所有功能。

元件8：背衬制品，其响应于场7并且可以与场7一起工作以在背衬制品上产生场致力。

元件12：打印头位置控制机构(例如机械手臂)以控制打印头1的位置(坐标和角度)。

元件101：锚固单元，其用于确保在3D打印过程中3D打印部件103被打印。

元件101-1：锚固位置控制机构，其用于控制锚固单元101的位置。它可以是机械手臂，固定在地面上或周围环境的桁架等。

元件101-2：耦合垫，其用于帮助锚固单元保持打印部件。它可用于提供有效的夹紧力以将3D部件103夹紧在锚固单元101与其自身之间。

元件103：3D打印部件；当其仍处于3D打印过程中时，可以是待打印的部件的一部分。

元件105：打印头1的移动方向。

元件107：控制器，其用于控制打印头1和打印头位置控制机构12。

为了打印3D部件103，一个或多个打印头1首先提供一部分新长丝9，其一端由锚固单元101固定，如图3(a)所示。锚固单元101具有锚固位置控制机构101-1以精确地控制其位置。耦合垫101-2可用于帮助锚固单元101有效地夹紧固化的新长丝9。打印头1通过从局部场发射器3发射场7来控制至少一个背衬制品8以与至少一个局部按压单元4一起工作以控制新长丝9的位置(即坐标和角度)和压紧并将其成形和固化为如上文所述的特征，使得新长丝9一旦离开打印头1就固化成具有所需形状并被压紧。注意，如上所述，还可以控制新长丝9的张力。在打印头1的局部按压单元4和场发射器3的形状和压紧控制下，通过移动打印头1并在3D空间中沿着设计路径逐渐旋出并固化更多新长丝9。通过以逐渐演变的打印路径重复该过程以沉积更多新长丝9，可以使3D打印部件103生长并将更多新长丝9沉积到现有沉积层13的顶部，如图3(b)所示。如图3(b)所示，当适当时，可以使用多组锚固单元101以更好地支持3D打印部件103。当3D打印部件103的尺寸对于单个锚固单元101来说变得太大时，与单组强且昂贵的锚固系统相比，多组锚固系统是非常有用并且具有成本效益的。

根据一个示例性实践，锚固单元101可以使用局部场(例如磁场)来吸引耦合垫101-2，从而提供强大的夹持能力。根据另一示例性实践，锚固单元101可通过释放(或减小)夹紧力而移动其在3D打印部件103处的锚固位置，从而将锚固单元101移动到3D打印部件的不同相对位置并且恢复其强夹紧力以固定打印部件103。根据另一个示例性实践，打印头1也可以用作锚固系统以固定3D打印部件101。通过适当地控制打印头1沿着每个设计的新长丝9放置路径移动并且将现有的沉积层13压缩到如上所述的挤出的新长丝9，以及来自锚固单元101的支撑，3D部件103可以在不使用任何模具或支撑介质室的情况下被打印。

根据一个示例性实践，3D打印系统具有一个打印头1。根据另一示例性实践，多个打印头1可以一起工作用于3D打印。例如，可以具有由x个机械手臂(x可以是1、2、3......等)控制的x个打印头1在控制器107的命令下或者多个控制器107的协同命令下一起工作。每个打印头1都可以起到以下作用：沉积新长丝9、用作锚固单元101、与嵌入的功能模块(例如无线传感器模块或致动器模块)交互、感测3D打印部件的制造参数、感测周围环境(例如通过前述视觉传感器和热成像相机)、将信息发送到控制器107，或其任何组合。根据另一个示例性实践，控制器107可以分析待打印的部件的设计并产生优化命令以操作单个打印头1或多个打印头1用于打印3D部件。

如果背衬制品8不包括在新长丝9中，也不包括现有沉积层13中，则用于将背衬制品8放置在打印头1附近的背衬制品输送机构可包括在打印组件中，以使背衬制品8被场7捕获。背衬制品输送机构的合适示例包括但不限于将背衬制品8传送到打印头1附近的辅助机器人(例如无人机(或机械手臂))、将背衬制品8发射到近目标区域的发射器、喷射(或吹)小背衬制品到目标区域附近的喷射器(或鼓风机)、或从较长距离吸引背衬制品8的非常强的场7，或其任何组合。在一个示例性实践中，锚固单元101可以使用局部场(例如磁场)来吸引耦合垫101-2，其中可以通过与背衬制品输送机构相同的方法来传送耦合垫101-2。

在某些情况下，一些材料可能很重且很软，因此当部件的厚度很薄并且其它尺寸(即长度和宽度)中的至少一个很长时，固化的长丝和层不能支撑它们自身。换句话说，可能有时3D打印部件103的某个部分是松弛的且不够坚硬以保持其相对位置。这可以通过使用更多锚固单元101以减轻两个锚定位置之间的跨度来缓和。如果允许进行设计修改，那么最好以打印部件的刚度(通常增加厚度将使部件更硬)在移动以增加长度和宽度之前变得足够强的方式进行打印。另一方面，打印头1的一个重要特征是它已经具有处理这个问题的隐含方案。如前所述，打印头1可以使用识别读取机构来获取一些模块的识别号，这些模块放置在战略位置并被设计成在3D打印过程和/或之后的组装过程中和/或二次加工(如切割、修剪等)期间帮助定位部件的重要位置。由于可以将模块识别号与部件设计文件中的相应正确位置相关联，因此可以通过跟随模块附近的设计路径来在松弛的现有沉积层13的顶部上打印新长丝9，并使用背衬制品8使松弛的现有沉积层13返回到与新长丝9粘合的正确位置。

根据一个示例性实践，可以通过添加多个打印头1或多个可移动锚固单元101来进一步增强结果，以执行在新长丝9待放置的设计位置附近的松弛(或软)3D部件103的材料的局部拉伸和位置控制。其目的是从松弛的3D部件形成分段精确定位且扩展良好的平面，以使打印头1继续工作。每个打印头1还可以配备有可以相对移动的多个局部按压单元4。多个局部按压单元4也可以提供与使用多个打印头1或多个可移动锚固单元101类似的作用。此外，机动辅助辊15还可以辅助精确地移动局部按压单元4下方的松弛部件。这样，打印头1方法能够在没有任何模具或支撑介质室的情况下使由任何部分的软材料制成的3D部件得以打印。

根据另一示例性实践，控制器107用于处理部件103的设计3D打印过程并控制打印头位置控制机构12和打印头1(其包括长丝输出端口2、场发射器5和局部按压单元4)以成功地打印3D部件103。在一个示例性实践中，控制器107用于控制锚固单元101和锚固位置控制机构101-1中的至少一组。在另一个示例性实践中，控制器107分析由打印头1感测的数据，并将数据与原始设计进行比较，以便在其下一步控制命令中进行必要的调整。仅作为示例，由打印头1感测的数据可以包括嵌入在3D打印部件103中的至少一个功能模块的识别号。根据另一示例性实践，控制器107将由打印头1感测的数据录入3D打印部件103的处理历史数据。根据另一示例性实践，3D打印部件103的处理历史数据包括与至少一个功能模块相对应的参数。

除了打印新的3D部件之外，倘若背衬制品8或等同物(可以产生有效的场致力以将新长丝9压缩并粘合到受损部件)出现在部件的受损区域，这种方法也适用于修复受损部件。例如，如果背衬制品8包括在受损部件的现有沉积层13中，则可以使用打印头1在受损部件上打印新长丝9来修复或改造受损部件；其中背衬制品8和打印头1一起工作以在受损区域上将新长丝9压缩并粘合到受损部件。请注意，在3D打印修复之前可能需要首先进行清洁和表面处理(例如表面打磨或碎屑清除)。另一方面，如果背衬制品8不包括在受损部件的现有沉积层13中，为了实现与上述相同的压缩和粘合效果，可以提供至少一个背衬制品8，其中受损部件与打印头1一起工作以在受损部件上打印新长丝9，从而修复或改造受损部件。根据一个示例性实践，该方法可用于制造新部件。在另一个示例性实践中，该方法可用于修复受损部件。

当然，前述的变型和修改都在本公开的范围内。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，在描述本发明的上下文中(特别是在以上权利要求的上下文中)，使用术语“一种(a/an)”和“所述”以及类似的对象应被解释为涵盖单数和复数。除非另有说明，否则术语“包含”，“具有”，“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同其在本文中单独引用一样。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法均可以任何合适的顺序执行。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的要素对于本发明的实践是必不可少的。

本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述后，那些优选实施例的变型对于本领域普通技术人员来说变得显而易见。发明人期望本领域技术人员适当地采用这些变型，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同方案。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元件的所有可能变型的任何组合。