通过增材打印的三维线圈结构
阅读说明：本技术 通过增材打印的三维线圈结构 (Three-dimensional coil structure by additive printing ) 是由 周凯枫 植子聪 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三维打印线圈和用于由一组三维打印线圈制造物体的方法。打印线圈具有线圈针编弧、线圈柱和线圈脚,该线圈脚用于连接至纵行内的相邻线圈。第一纵行中的打印线圈可以与第二纵行中的打印线圈互连。所得物体可以使用三维打印机进行打印,并且具有弹性,该弹性基于如本文中所提供的互锁的打印线圈的物理特性。(The invention provides a three-dimensional printed coil and a method for manufacturing an object from a set of three-dimensional printed coils. The printed coil has a stitch loop, a coil post and a coil foot for connecting to an adjacent coil within the row. The print loop in the first column may be interconnected with the print loop in the second column. The resulting object can be printed using a three-dimensional printer and has elasticity based on the physical properties of the interlocked printed coils as provided herein.)
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年11月14日递交的美国临时专利申请No.62/935,505的权益，其通过引用整体并入本文中。
技术领域
本发明涉及3D打印线圈，还涉及包括互锁的3D打印线圈的物体，以及使用3D打印机制造物体的方法。
背景技术
增材制造(也普遍称为三维或3D打印技术)是一种计算机控制的工艺，用于通过将多个材料层上下叠置地沉积来创建3D物体。该设计是基于提供给打印机的计算机辅助设计(computer-aided design，CAD)模型创建的。
许多不同类型的源材料可用于3D打印，源材料包括但不限于：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)，ASA(丙烯酸酯苯乙烯丙烯腈)，PLA(聚乳酸)，PET(聚对苯二甲酸乙二酯)，尼龙，碳纤维，聚碳酸酯，聚丙烯，金属丝和木材丝。在该工艺的过程中，其它材料也可用作可溶解的载体。在打印工艺期间，打印可溶解的载体以在制造过程中支撑悬垂物(overhang)或其它结构，然后该载体随后被溶解以从最终成品中去除。这些材料包括但不限于PVA(聚乙烯醇)和HIPS(高抗冲聚苯乙烯，其也可以用作主要源材料)。当用于3D打印工艺时，这些源材料的大部分会导致硬质物体在拉伸应力的作用下具有有限的伸长率。尽管在一些3D工艺中可以使用诸如橡胶的柔性材料，但这些材料通常会生产出工业适用性有限的薄弱材料。另外，一些3D打印工艺(例如聚合物喷射(polyjet))可用于生产较软的最终物体，但这些最终物体的材料强度较弱。因此，存在的技术问题是3D打印材料和工艺对生产坚固但柔性和/或可拉伸物体的能力有限。
对此的一种潜在解决方案将是使具有互锁线圈(interlocking loop)结构的针织技术适用于构建2D或3D物体。针织采用伸长率有限的材料(例如纱线)，并允许创建可拉伸的2D织物。图1中示出基本的纬针织线圈。该线圈具有针编弧(head)(H)，针编弧(H)与该针编弧上方的纵行(wale)中的沉降弧(sinker loop)互锁。该线圈还具有从针编弧下降的两个线圈柱(leg)(L)。该线圈的每个线圈柱的基部为线圈脚(foot)(F)，该线圈脚(F)向外旋转以开始下一个线圈。相邻线圈的线圈脚形成沉降弧(S)，在下方的纵行中的线圈的针编弧通过该沉降弧互锁。针织物允许大的延伸，特别是在与针编弧线圈的取向正交的方向上(即，与纵行平行)。这使得它们沿着针织物的纵行在尺寸上不稳定，也就是说，物体可能被大幅度地拉伸，并且变形可能是半永久的或永久的。在3D物体(例如由3D打印机创建的物体)中，这种尺寸不稳定性甚至更加严重。
发明内容
因此，需要一种新的针织状的线圈结构，该结构可以增加3D打印的物体的伸长率，同时保持打印物体的源材料的强度，并且还可以保持物体的尺寸稳定性。
根据本发明的一个示例性实施方式，一种3D打印线圈包括线圈针编弧、从所述线圈针编弧下降的两个线圈柱、以及从每个线圈柱下降的两个线圈脚。
根据本发明的另一个示例性实施方式，一种物体包括第一纵行的3D打印线圈和与所述第一纵行的所述3D打印线圈互锁的第二纵行的3D打印线圈，每个3D打印线圈包括线圈针编弧、从所述线圈针编弧下降的两个线圈柱、以及从每个线圈柱下降的两个线圈脚，其中，在所述第二纵行中的3D打印线圈的线圈针编弧与在所述第一纵行中的3D打印线圈的两个线圈柱互锁。
根据本发明的又一个示例性实施方式，一种用于使用3D打印机制造物体的方法，包括：增材地打印第一3D打印线圈和第二3D打印线圈，每个3D打印线圈包括线圈针编弧、从所述线圈针编弧下降的两个线圈柱以及从每个线圈柱下降的两个线圈脚，其中，所述第二3D打印线圈的线圈针编弧与所述第一3D打印线圈的两个线圈柱互锁，并且所述第一3D打印线圈还通过可溶解的材料连接至所述第二3D打印线圈，以及溶解所述可溶解的材料。
附图说明
图1描绘了现有技术中的2D纬编针织线圈和该线圈的元件。
图2描绘了根据本发明的实施方式的3D打印线圈。
图3A和图3B描绘了互锁在一起的两个3D打印线圈。
图4描绘了两层互锁在一起的3D打印线圈。
图5描绘了互锁在一起的3D打印线圈的阵列。
图6描绘了根据本发明的实施方式的两个单独的3D线圈。
图7描绘了互锁在一起的大型打印线圈的阵列。
具体实施方式
本文中所公开的是可通过具有三个伸长轴或拉伸轴的3D打印机使用刚性或非柔性材料产生的线圈结构。
图2描绘了根据本发明的实施方式的3D打印线圈10的两个视图。打印线圈10由线圈针编弧12、两个线圈柱14和四个线圈脚16和18形成。更具体地，线圈针编弧12是线圈10的最上部。线圈10的下部由两个线圈柱14形成。两个线圈脚16和18从每个线圈柱14分支出，这两个线圈脚16和18大体径向向外和向下延伸。在一侧上成对的两个线圈脚16和18的长度和高度不同，因此不会重叠。在诸如图2的一些实施方式中，存在具有更大的向下角度的下方线圈脚16和具有较小的向下角度的上方线圈脚18。类似地，在另一侧上，成对的两个线圈脚16和18也可以具有不同的长度和高度，以提供下方线圈脚16和上方线圈脚18。然后，线圈脚16和18接合至下一个相邻的线圈10中，其中图案如本文中进一步描述的，可以重复或变化。
在一些实施方式中，可以通过以原位形成互锁线圈和线圈脚的方式，通过增材打印所选的源材料和所选的可溶解材料来形成线圈结构。源材料用于打印线圈10。线圈10的每一层形成线圈10的二维纵行20，其可以与在其上方的线圈10的纵行20的打印线圈脚16和18互连。下方纵行22中的每个线圈10的线圈针编弧12与从其上方的纵行20中的线圈10下降的两个线圈脚16和18互连。在打印工艺的过程中，下方纵行22中的线圈10的线圈针编弧12可以由可溶解的材料支撑，该可溶解的材料将线圈针编弧12连接至上方纵行20中的线圈10的两个线圈脚16和18，下方线圈针编弧12穿过两个线圈脚16和18连接。一旦在打印之后溶解可溶解的材料，线圈10的每个纵行20变成分离的，从而允许线圈和分层的纵行之间的有限运动并提供可延伸或可拉伸的层。
因此，上方纵行20中的给定线圈10的两个前线圈脚16和18将分别穿过下方纵行22的在该给定线圈10前面的线圈10。类似地，上方纵行20中的给定线圈10的两个后侧线圈脚16和18将分别通过下方纵行22的不同的线圈10，该不同的线圈在给定线圈10的后面并在给定线圈10的任一侧。在图3A和图3B中提供了分开示出的两个互连的线圈10的示例。图4中示出了使用以10×5×2单元阵列形式的两层线圈的最终分层结构的示例。下方纵行22的线圈针编弧12与上方纵行20的线圈10的线圈脚16和18互连。
线圈10还可以由多个参数限定。线圈高度是指从线圈针编弧的顶部到线圈脚的底部的距离。线圈宽度是在x轴上从一个线圈脚的末端到同一线圈的相邻线圈脚的距离。线圈深度是在y轴上从一个线圈脚的末端到同一线圈的相邻线圈脚的距离，该y轴与x轴正交。线圈脚长度是每个线圈脚的纵向长度。线圈长度是指首尾相连时打印的线圈材料的总长度。线圈长度等于线圈针编弧长度的两倍加上线圈柱长度的两倍加上上方线圈脚的长度加上下方线圈脚的长度。使用这种互锁线圈结构创建的最终物体的最大伸长率(即拉伸性)与线圈的高度、宽度和深度相关。沿x轴的最大伸长率(％)等于线圈长度减去线圈宽度，所得结果再除以线圈宽度。y轴上的最大伸长率％等于上方线圈脚和下方线圈脚的长度之和减去线圈深度，所得结果再除以线圈深度。在z轴上的最大伸长率％等于线圈长度的一半减去线圈高度，所得结果再除以线圈高度。在这里，这些等式以代数形式提供：
x轴上的最大伸长率％＝(线圈长度-线圈宽度)/线圈宽度
y轴上的最大伸长率％＝((上方线圈脚的长度+下方线圈脚的长度)-线圈深度)/线圈深度
z轴上的最大伸长率％＝(1/2线圈长度–线圈高度)/线圈高度
此外，较长的线圈脚长度允许较大的伸长率，特别是在z轴上(即，从针编弧到线圈脚延伸的轴线)。然而，较长的线圈脚长度还需要在打印期间使用其它可溶解的支撑材料，以填充线圈脚之间较大的空间。这增加了打印时间和成本。
针编弧、线圈柱和线圈脚相对于给定轴线的角度可以被设计为提供“自支撑”角度。在3D打印中，自支撑角度提供了一种结构，该结构允许下方材料在打印期间支撑上方材料，而无需可溶解的支撑材料来在打印期间提供额外的支撑。如果该角度小于临界自支撑角度，则需要可溶解的支撑材料来支撑“悬伸”部分。
线圈厚度是线圈针编弧的横截面的直径，即单股打印材料的厚度。线圈厚度由打印机的喷嘴的尺寸确定。线圈厚度可以与线圈的最大伸长率相关，并且因此也与所得物体的最大伸长率相关。例如，使用ASTM 5035标准伸长率测试，以1mm的线圈厚度和再次以1.5mm的线圈厚度测试具有85的邵氏硬度A的材料的伸长率。1mm的线圈的最大伸长率比1.5mm的线圈高约12％。通过这样的测试，设计人员可以选择特定的材料硬度以及线圈厚度和长度，以便为最终生产的物体提供所需的最大伸长率。
本文中提供了打印机线圈的一些非限制性示例性实施方式。在第一实施方式中，线圈的阵列被一起制造。每个线圈的厚度为0.05mm，阵列的面积约为2平方厘米。图5中提供了该实施方式的图像。
在第二实施方式中，提供了具有1.5cm的线圈宽度的线圈阵列，其中该阵列的宽度约为25cm。在图6和图7中提供了该实施方式的图像。从这些实施方式中可以明显看出，形成物体的线圈阵列的尺寸和构造可以具有广泛变化的体积、材料、线圈厚度、线圈硬度、线圈长度、线圈宽度、以及其它物理特征。
本文中所公开的3D打印线圈为现有技术中的问题提供了技术解决方案。例如，3D打印线圈可以由高硬度、高强度的材料制成，同时还允许所得到的物体具有比由相同材料牢固地制成物体时更高的拉伸伸长率。
此外，多脚3D打印线圈在物体的所有三个笛卡尔方向上提供拉伸伸长率。
此外，可以基于3D打印线圈的几何规格来设计在任何给定方向上允许的伸长率的最大量。这消除了基于纱线的2D针织结构中常见的不确定的伸长率问题。
此外，物体可以由不同尺寸和不同厚度的线圈形成，从而为物体的特定部分提供可定制的伸长率。在被打印物体的一些部分而不是其它部分中伸长率是优选的情况下，这可能是需要的。
在不脱离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员可以实现其它益处和实施方式。
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