电子照相多材料3D打印机

本申请主张享有于2019年11月22日提交的序列号为16/692,477的美国专利申请的优先权，且该美国专利申请享有于2018年12月4日提交的、名称为“电子照相多材料3D打印机”的美国临时专利申请号为62/775,279的权益，其全部内容通过引用合并于本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于电子照相多材料三维(3D)打印的系统以及装置。

背景技术

自30多年前获得第一批专利以来，三维(3D)打印已经引起了人们对于潜在的更快、更经济的制造方法的浓厚兴趣。然而，迄今为止，这种潜力基本上没有实现。如今，绝大多数3D打印机被用来制造演示部件或非功能性样品，而大多数演示部件或非功能性样品都由塑料材料制成，选择这些塑料材料主要是为了与打印机兼容，而不是最终部件的材料要求。

阻碍更广泛地接受3D打印作为一种实际制造方法的问题之一是对于与这些应用兼容的特定材料的特定应用的要求。另一个问题是，与部件的其余大部分相比，需要提高部件的某些部分的精度。对于当前的技术，对提高精度的需求迫使人们选择能够提供所需精度的3D打印技术，这通常会导致比精度较差的方法更慢的构建速度。如果应用于部件的总体积，这些较慢的构建速度将对最终部件产生显著的成本影响。这两个问题的解决方案是能够采用针对应用所需的材料和零件内特定体素所需的精度进行优化的打印技术。

虽然，喷射粘合剂3D打印机可以说是创建三维打印对象的最有效技术，但其属性之一，沉积相对较厚的层的能力，限制了其在需要精确的薄层时的有效性。电子照相(EP)打印在快速沉积大量粉末的同时，又能将层厚度限制在几微米到几十微米的范围内。需要权衡的是，打印的分辨率比喷射粘合剂打印要好得多。

虽然基于EP的3D打印机一直是重要的研究和开发的主题，但该方法尚未得到广泛的商业应用。如上所述，三维打印应用中的EP技术提供的沉积速率有限，这限制了其经济实用性。尽管纯EP技术的构建速度相对较低，但基于EP的3D打印机还面临着另外两个挑战，这都限制了其实用性。具体地，EP技术无法采用多种工程材料，如陶瓷、金属和高性能聚合物，这在制造应用中存在严重的局限性。影响3D打印应用中EP技术实用性的另一个问题是，无法准确、可靠地将打印层转移到厚度超过1毫米的堆叠上。

发明内容

本发明的基础是基于彩色电子照相(EP)技术，其适合于使用工程陶瓷、金属和聚合物材料来创建物体。所述打印材料(复合调色剂)可以是以摩擦电活性材料涂层处理过的工程材料，从而使得该处理后的粉末可用作调色剂。摩擦电材料的涂层也可以在体积和组成方面进行设计，以用作粘合剂。粘合剂的性质可以使得处理后的粉末形成具有足够鲁棒性的预设形状，以便于以传统陶瓷和粉末冶金加工的方式进行例如烧结的二次加工。摩擦电材料可在热处理或烧结步骤中分解，从而从最终物体上除去。经摩擦电处理的粉末还可包含鲁棒性材料和挥发性材料中的一种。

鲁棒性材料可以是那些在高温后处理步骤中仍然可以存在下来的材料，既可以保持其原始的化学和物理特性，也可以作为与高温过程相关的化学或物理转变的产物。鲁棒性材料可以合并为原始材料或产品材料的单个晶粒，并在固态或反应性液体辅助烧结中融合在一起。

挥发性材料是指那些可以在低温下以坚固的块存在的材料，作为临时支撑或形成鲁棒性材料的保持材料，直到鲁棒性材料固定在与挥发性材料接触的预设位置为止。挥发性材料可以保留在适当的位置，直到鲁棒性材料被赋予足够的强度和刚度以在没有挥发性材料支撑的情况下能保持预设的配置。可以在高温后处理步骤之前，期间或之后，从3D打印对象中去除挥发性材料。根据例如鲁棒性材料的组成和预期的后打印步骤等因素，可以设计成在创建过程的特定点处将挥发性材料从物体上去除。挥发性材料也可以被设计成在鲁棒性材料完全固结之前在气体状态下从物体中去除，从而使得从3D打印物体结构内的空腔中去除挥发性材料，而不与外部连通或仅与外部进行曲折的连通。挥发性材料也可被设计成被去除后几乎不留下任何残留物。

在一实施方式中，可以通过加热将挥发性材料从刚性支撑材料转变为气体或胶体悬浮液。在其它实施方式中，可以通过应用电磁辐射，例如可见光，UV，红外或X射线辐射，或通过粒子束，例如电子，来将挥发性材料从固体转变为气体或胶体悬浮液。在另一实施方式中，可以将挥发性材料转变成液体来去除。可以通过施加预定的热通量或通过溶剂的作用来完成向液体的转变。

EP 3D打印机可以是具有多材料功能的EP模块，其可以被设计为包含在具有一个或多个其它打印机模块的3D打印机系统内。3D打印机系统中包含的一个或多个打印机模块可以采用如本发明中所描述的多材料EP打印技术。一个或多个其它打印机模块可以采用不同的图案化和沉积技术，例如粉末床和喷射粘结剂技术。在一些实施方式中，EP打印机模块的可用于创建3D对象的多种材料中的每一种源自包括以摩擦电材料处理的工程材料的复合调色剂材料。可以将复合调色剂材料设计成进行打印后处理，其中，摩擦电材料可从工程材料中分离，并且工程材料可以发生变化。该变化可以是表观或绝对密度的变化，或化学计量的变化，或晶体学的变化，或外观的变化或前述性质的某种组合的变化。工程材料本质上可以是陶瓷或金属或聚合物。工程材料还可以具有晶体或非晶性质，或晶体和非晶性质的组合。

在一些实施方式中，包括多个完整的单独EP引擎的单通道多调色剂EP系统可以连接到单个接收器基底。接收器基底可以包括复合性质的连续回路，以提供条件来影响调色剂材料图案从EP引擎的光学光电导体到接收器基底的非导电或半导电表面的传统静电转移。接收器基底还可以形成与多个EP引擎中的每一个连接的连续回路，从而使得多个EP引擎中的每一个可将预定的调色剂图案转移到接收器基底上。可以驱动接收器基底以使其连续且顺次与多个EP引擎中的每一个通信，从而使得多个EP引擎中的每一个可以依次将调色剂图案转移到单个打印层上。在将来自多个EP引擎的最后一个的调色剂图案转移到接收器基底上的单个未熔融打印层上之后，接收器基底可将未熔融的打印层转移至融合装置，以合并未固化的层并将其设置为已打印的层。

打印层可以经由接收器基底转移到转移站，在此，打印层可以被转移到组装站的构建板或先前转移的打印层的堆叠的顶部。

本发明的接收器基底可以与转移回路连接，该转移回路包括适于选择性地保持和消除静电粘合力的复合材料，该静电粘合力可以将电子照相复合调色剂材料层保持在转移回路上的适当位置。转移回路可以包括几个部分，以用于修改电子照相复合调色剂粉末的打印层，以准备将打印层转移到构建站。在接收器基底和转移回路的相互作用期间，打印层将转移到转移回路。

通过将复合调色剂材料从多个EP引擎中的一个或多个沉积到接收器基底上来创建打印层。来自EP引擎的复合调色剂粉末的转移可以以EP打印领域中已知的方式进行，即通过在基底上提供与复合调色剂粉末上的电荷相反的电荷。当多个EP引擎沿着接收器基底的一部分设置时，每个EP引擎可以依次沉积打印层的预定部分。在一个实施方式中，每个EP引擎可以将预设图案的复合调色剂粉末直接沉积在接收器基底的暴露表面上，使得打印层的任何部分都不比单层复合调色剂粉末的厚度厚。在其它实施方式中，可以控制每个EP引擎，使得每个后续的EP引擎能在先前沉积的图案上或者直接在接收器基底表面上沉积预设图案。可以协调来自多个EP引擎中的每个的预设复合调色剂图案，从而使得完成的打印层具有均匀的厚度。打印层可以包括一个或多个打印对象的层。在具有用于多个打印部件的沉积复合材料的打印层中，用于每个打印部件的沉积可以与用于多个打印对象中的其它打印对象的相邻沉积间隔开。相邻打印对象层之间的空间可以填充有被设计成便于分离相邻打印对象的复合调色剂材料。

在通过沉积来自多个EP引擎的复合调色剂粉末完全形成打印层之后，可以将其转移到定影器，以将复合调色剂粉末融合在一起形成一个固结块。在一些实施方式中，可以期望将复合调色剂粉末压实至其表观密度大于复合调色剂粉末的理论密度的40％。复合调色剂粉末的压实可以在融合复合调色剂粉末之前，期间或之后完成，这取决于包含复合调色剂粉末的材料的性质。

在一些实施方式中，复合调色剂的压实可以在接收器基底与转移回路的接合期间完成。压实装置可包括用于接收器基底的驱动轮和转移回路，其中，驱动轮也用作压延辊，通过接收器基底和传送回路向调色剂施加压紧压力。该实施方式还可以在接收器基底/传送回路接口内设置定影装置。

在另一个实施方式中，复合调色剂的压实可以通过在接收器基底与转移回路对接之前与接收器基底协同定位的压实装置来实现。压实装置可包括辊，其由设计为圆柱形管的硬化金属材料制成。在其它实施方式中，所述压实装置可包括顺应性压力带，或被构造成向沉积的复合调色剂材料的平面施加正交可控压力的其它装置和载体装置。压实装置还可以包括构造成提供振动的沉降装置。压实装置的振动可以提高复合调色剂粉末的分布和压实度。在一些实施方式中，压实装置可设置成将复合调色剂粉末压实至复合调色剂粉末的理论密度的至少40％的高密度。

接收器基底和转移回路可通过已打印层的厚度间隔开的平行对准而对接。由于通过附接于其上的接收器基底的移动使得打印层移动到接收器基底与转移回路间的界面中，从而使得打印层被带动到其与接收器基底的接触相反的打印层的表面上与转移回路相接触。

可以通过去除将打印层保持在接收器基底上的电荷并向转移回路提供大小和符号被偏压的电荷来吸引复合粉末的方式，来实现打印层从接收器基底到转移回路的转移。通过接收器基底和转移回路的协调移动，使打印层移动通过接收器基底和转移回路之间的界面并从中移出。在使打印层从接收器基底与转移回路之间的界面移出之后，可以通过转移回路向转移装置的移动来使打印层移动，其中，在所述转移装置，可以使打印层从转移回路中转移至构建板或先前已转移的打印层的堆叠上。

在其它实施方式中，多材料EP 3D打印机可以包括多个EP引擎，接收器基底和调节回路。调节回路和接收器基底可通过被打印层的厚度隔开的平行对准而对接。由于打印层通过附接在其上的接收器基底的移动而移动到接收器基底与调节回路之间的界面中，因此，打印层被带动到其与接收器基底的接触相反的打印层的表面上与调节回路相接触。

调节回路可包括柔性材料的连续回路。调节回路材料可包括但不限于金属、金属合金或复合材料。调节回路可以设置有压实装置和定影装置。

在包括调节回路的实施方式中，可将打印层直接从接收基板转移到构建板或先前转移的打印层的堆叠上。通过接收基板和调节回路的协调移动，可以使打印层通过接收基底和调节回路之间的界面。可以通过转移装置将打印层从接收基板转移至构建板或先前转移的打印层的堆叠。转移装置可以包括在接收器基底和转移设备上的预定位置。

包括多材料EP打印机的组件可以由打印站控制单元进行协调，该打印站控制单元可以由中央计算机单元控制。中央计算机单元可以协调多个打印站和组装装置的动作。

诸如电子照相术的打印技术，能够以非常高的精度迅速地大面积打印，但仅限于打印非常薄的层。电子照相术的相对较低的沉积速度和电子照相系统的复杂性使它们对于物体上的所有体素都是通过电子照相术形成的3D打印没有吸引力。在一些实施方式中，打印机模块可以结合在一个多个打印机模块系统中以形成多方法3D打印机系统。以这种方式，可以利用具有适合于打印厚于约20pm的层的打印技术，例如粉末床和喷射粘合剂技术的打印机模块来创建被设计为相对较厚(大于约20pm)但分辨率相对较低打印层。这些层的厚度也可以小于约20μm厚和/或需要高精度。

在一些实施方式中，多材料和多方法打印机系统是打印机模块的系统，所述打印机模块由中央计算机系统控制以根据需要协调模块，以将适当的材料按所需的精度沉积到单个构建位置，同时最大程度地提高整体构建速度。

美国专利申请No.16/595,265中公开了一种多材料、多方法打印机系统，该专利主张享有美国临时专利申请62/742,505的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

附图说明

图1根据本发明的实施方式，示出了多材料EP打印机的主要部件的框图；

图2根据本发明的实施方式，示出了多材料EP打印机的另一实施方式的主要部件的框图；

图3根据本发明的实施方式，示出了包括在多方法打印机系统中的EP打印机的示意图；

图4根据本发明的实施方式，示出了转移装置的示意图；

图5根据本发明的实施方式，示出了转移装置的示意图；

图6根据本发明的实施方式，示出了转移装置的示意图；

图7根据本发明的实施方式，示出了转移装置的示意图；

图8根据本发明的实施方式，示出了多方法打印机系统的计算机控制系统的框图；

图9根据本发明的实施方式，示出了EP打印机的打印站控制系统的框图。

具体实施方式

参考附图来描述本发明，其中，所有附图中使用相同的附图标记表示相似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且所提供的附图只是为了说明本发明。下面将参考示例性应用来描述本发明的一些方面。应该理解的是，阐述了许多具体的细节、关系和方法，以提供对本发明的充分理解。然而，相关领域的普通技术人员将容易地意识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者通过其它方法来实践本发明。在其它情况下，未详细示出公知的结构或操作，以避免使本发明晦涩难懂。本发明不受所图示的动作或事件的顺序限制，因为一些动作可以以不同的顺序和/或与其它动作或事件同时发生。此外，并非所有示出的动作或事件都是实施本发明的方法所必需的。

定义

为了更易于理解本发明，下面提供了一些定义：

打印机模块-一种能够在载体设备上创建打印对象的图案化和沉积系统。

转移模块-一种用于将打印层从EP打印模块移动到组装装置的装置。

组装装置-一种能够根据预定的设计来组装打印层和打印部件，从多个转移模块接收打印对象的系统。

打印部件-打印层的堆叠，其融合在一起以形成符合预定设计的部件。

打印层-一体素厚的层，其包括一个或多个打印对象，所述打印对象符合特定打印部件的设计要求。

打印对象-单层材料，单体素厚，且水平设计符合打印部件内预设位置的设计。

先前转移的对象-打印对象的集合，除了最顶层的所有创建完成的打印层，最顶层可能没有打印部件设计所需的所有打印对象。

本发明的多材料电子照相3D打印机的实施方式被设计为使用通常与电子照相(EP)打印不相关的材料的组合来创建打印对象、打印层以及打印部件。这些材料可以是专为满足最终打印部件的工程要求而设计的高性能工程材料。这些材料可包括陶瓷和金属以及有机材料，这些材料可能不会表现出传统EP打印所必需的摩擦电性能。除了不具有摩擦电性能外，这些材料可能无法以传统EP材料的方式熔融，因此无法通过传统EP定影器以牢固的块固定。这些材料必须以可控粒径，通常为2μm-10μm，的粉末提供给EP打印机引擎，并且必须具有适合EP引擎开发人员所要求的摩擦电性能。尽管易于在所需的材料组合物中获得适当尺寸的粉末，但是它们可能不具有所需的摩擦电性能。为了使其它非摩擦电材料可用于EP打印工艺中，所需材料的粉末可以涂覆适合于EP引擎的显影剂的摩擦电材料。可以通过例如粉末床原子层沉积，或者通过分子层沉积，或者通过本领域已知的用于涂覆粉末的其它技术来施加此类涂层。这些摩擦电粉末称为复合粉末。

有多种适用于粉末涂层的摩擦电材料，其覆盖了从强正电荷到强负电荷的摩擦电范围。带正电荷的实用性材料的示例包括尼龙、丙烯酸和石英。实用的带负电荷的摩擦电材料包括硅酮、特氟隆(PTFE)，乙烯基塑料和聚丙烯。

粉末涂层还可以向其它不易熔材料的粉末赋予融合或粘附特性，以将一层松散的粉末固定在坚固的物体上。由于许多摩擦电材料是低熔点有机材料，因此摩擦电涂层还可提供熔融/粘合性能，以使粉末固定到坚固的块上，这是可能且合乎需要的。

本发明的多材料，多方法3D打印机的实施方式包括多个打印机模块的构造。每个打印机模块可包括用于创建精确且坚固的打印对象的机制。每个3D打印对象可以由预定材料组成，并符合一系列预设的物理要求。多个打印机模块中的每一个可以与多个转移模块中的一个通信。多个转移模块中的每一个可以包括载体设备，相关的打印机模块可以在该载体设备上形成3D打印对象或打印层。每个转移模块还可包括用于将打印对象转移至组装装置的转移机构。所述组装装置可以包括构建站，并且还可包括定位装置，以相对于转移机构准确地定位组装装置。

来自多个打印机模块中的每一个的多个打印对象中的每一个可被转移到组装装置以形成3D打印层。多个3D打印层可以依次堆叠，以形成一个或多个多材料3D打印部件。

所述构建站可以与定位装置相关联，以用于相对于多个转移机构中的任意指定的一个来定位组装装置。

图1和图2根据本发明的实施方式，示出了三维多材料电子照相打印机。如图8所示并将在下文中将进一步详细讨论的，每个部件按照计算机控制系统10的指令与其它部件在功能上协同工作。在一些实施方式中，计算机系统由CAD程序控制，所述CAD程序可包含对于中央处理单元300使3D多材料、多方法3D打印机的多个组件创建待构建的预设的多材料3D打印部件所需的所有信息。

可以选择包含在多材料多方法3D打印机系统中的打印站，以便它们能够在预定材料中创建具有所需物理特性的打印对象。在一些实施方式中，包含在打印机系统中的多个打印机模块中的至少一个可以基于EP技术。如下文将进一步详细公开的，图9根据本发明的一些实施方式，示出了中央处理单元与EP打印机模块的各个部件的逻辑关联。

每个打印机模块可以由专用打印站控制器310控制，并且每个打印机控制模块可以由中央处理单元300协调，以按照适合于组装打印层和打印部件的顺序来创建打印对象。

如图1所示，EP打印机模块包括用于从符合预设物理规格的多种复合调色剂材料创建3D打印对象的部件。EP打印机模块可以在接收器基底30上创建3D打印层。EP多材料打印机模块包括多个EP打印机引擎20a-20c。多个EP打印机引擎中的每一个都包括光导鼓21，显影器22，鼓清洁器24，放电装置25，电荷电诱导器25和成像器28。多个EP打印机引擎中的每一个所列出的部件以EP打印机引擎的传统构造来配置。多个EP打印机引擎中的每一个还可包括复合调色剂23的存储器。多个EP打印机引擎的复合调色剂23的每个存储器可以是不同的材料。可以将每种复合调色剂设计成与后打印处理兼容，其中，该后打印处理被设计成产生在多方法打印机系统中使用的所有复合调色剂的最终特性。

在图1或图2的EP打印机模块的情况下，打印站控制器310可以根据来自中央处理单元300的具体层指令来操作，以通过控制EP打印机模块的组件的动作来创建具有预定材料和图案的打印层。具体地，打印站控制器310控制多个EP引擎中的每一个的动作以创建多个EP引擎中的每一个上所加载的复合调色剂的独特图案，并将该独特图案转移到接收器基底30。在第一步，打印站控制器310控制EP引擎20a的成像器28在光导鼓21上产生带静电的图案。当打印站控制器310使光导鼓21旋转经过显影器22时，适当充电的电摩擦复合粉末可被吸引并沉积在EP引擎20a的光导鼓21上的带电图案上。当EP引擎20a的鼓21被打印站控制器310进一步旋转到复合粉末23的图案接近接收器基底30的点时，打印站控制器310可使得接收器基底30沿与光导鼓21的旋转相同的方向以及与光导鼓21的切向移动相同的速度前进，从而将复合粉末的图案转移到接收器基底30上。复合粉末的图案从光导鼓21到接收器基底30的转移通过初级充电装置50以标准PE打印机常见的方式在接收器基底30中感应出的电荷来实现。

一旦第一PE引擎20a将未调节的图案40沉积在接收器基底上，打印站控制器310就可以与在引擎2a的光导鼓21上形成复合粉末的图案相同的方式在EP引擎20b的光导鼓21上形成复合粉末的图案。打印站控制器310可以使接收器基底30和EP引擎2b的光导鼓21前进到一个点，即，在EP引擎20b的光导鼓21上的复合粉末38的图案与在接收器基底30上的未调节粉末30的图案在与接收器基底30正交的方向上对齐的指标点。当打印站控制器310使得接收器基底和EP引擎2b的光导鼓21都以相同的速度前进时，EP引擎2b的光导鼓20上的复合粉末38的图案被转移到接收器基底30上的未调节粉末39的图案的开放区域中。复合粉末38的图案从光导鼓21到接收器基底30的转移可以通过由初级充电装置50以标准PE打印机常见的方式在接收器基底30中感应出的电荷来实现。来自EP引擎20b的复合粉末38的图案可以与形成在EP引擎20a的光导鼓20上的复合粉末38的图案不重叠。

可以与EP引擎20a和20b相同的方式，来形成多个EP引擎20的每一个的未调节粉末39、40的图案，并转移至接收器基底30，直到包含给定的打印层所需材料的完整打印层存在于打印层内的预设体素内。

多个EP打印机引擎20中的每一个可以以EP打印机中通常采用的方式创建图像并将该图像转移到接收器基底30。接收器基底30可以由半导电复合材料构成。初级充电装置50可以被电势电偏压，其中，所述电势具有静电吸引光导鼓21表面的复合调色剂23的层的大小和符号。接收器基底30可以是连续的回路，其近端由驱动轮66限定，而远端由下压实装置62限定。离多个EP引擎最近的接收器基底30的长度从驱动轮66向着下压实装置62移动。接收器基底30的位置可以由中央处理单元300和打印站控制器310相对于多个EP打印机引擎20中的每一个进行协调，从而使得多个EP打印机引擎中的每一个都以预设的方式沉积与包含EP打印机模块1的每一其它EP引擎的打印对象相协调的打印对象，如图3所示。

参考图1，在多个EP打印机引擎中的每一个沉积其打印层的预设部分后，完成打印层的所有复合调色剂的沉积之后，接收器基底可以将所述打印层移向压实装置。压实装置可包括下压实装置62和上压实装置60。下压实装置62和上压实装置60可以压延辊的方式叠置。下压实装置62可以通过接收器基底30的厚度作用在复合调色剂23的未调节图案40上。上压实装置60可通过转移回路35的厚度作用在复合调色剂40的未调节图案上。上压实装置60和下压实装置62的相互作用通过接收器基底30和转移回路35的厚度起作用，可以将多种复合调色剂23压实至大于复合调色剂23理论密度的40％的密度。压实装置还可包括使复合调色剂23的可熔部分熔融的热装置。

转移回路35可包括与接收器基底30相同或相似的电子半导体复合材料。转移回路35与接收器基底30协同移动，并与接收器基底30隔开位于下压实装置62和转移设备68之间的打印层45的预设厚度。在下压实装置62周围，转移回路35向打印层45的压实部分施加压力。

调节装置54可以进一步调节打印层45以便于从接收器基底30到转移回路35的转移。调节装置54可以通过热、机械或辐射暴露来影响打印层45。调节装置54还可以被具有与打印层45静电排斥的大小和符号的电势电偏压。

可以用具有能将打印层45从接收器基底的表面静电吸引到转移回路35表面的大小和符号的电势对二级充电装置53进行电偏压。转移驱动器68也可以被具有能静电吸引打印层45的大小和符号的电势电偏压。

转移偏压装置56可在电偏压中切换大小和符号以吸引并保持打印层45，在大小和符号上电偏压以从转移回路35中排出打印层45。转移回路35也可设置有转移装置。图4、5、6和7中示出了此类转移设备的示例。

图2示出了EP打印机的另一实施方式。在图2所示的实施方式中，转移回路被调节回路38取代。调节回路38设置有压实装置，以压实未调节图案40的复合调色剂23。

如图2所示，压实装置包括下压实装置62和上压实装置60。下压实装置62和上压实装置60可以以压延辊的方式叠置。下压实装置62可以通过接收器基底30的厚度作用在复合调色剂40的未调节图案上。上压实装置60可通过调节回路38的厚度作用在复合调色剂40的未调节图案上。上压实装置60和下压实装置62的相互作用通过接收器基底30和调节回路38的厚度起作用，可以将结合在未调节图案40中的多种复合调色剂23压实到高于复合调色剂23的理论密度的50％以上。压实装置还可包括用于使复合调色剂23的可熔部分熔融的热装置。

调节回路38还可以设置有调节装置54，该调节装置54可通过施加热能、机械能或辐射能来改善打印层45的特性。

如图2所示，转移偏压装置56可以在电子偏压中切换大小和符号，以吸引并保持打印层45，在大小和符号上电偏压以从接收器基底30中排出打印层45。接收器基底30也可以设置有转移设备。图4-7中示出了此类转移设备的示例。转移偏压装置56可以包含在转移装置58中。转移装置58可包括如图4-7所示的转移设备76。

转移设备76可被配置成通过在EP打印层45和构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部之间的接触和压力来从图2的接收器基底30或图1的转移回路35转移EP打印层45。

在如图7所示的转移设备76的实施方式中，转移设备7包括辊79和用于垂直地支撑和移动辊79的载体。在一些实施方式中，所述载体可以是双轴载体77，以使辊79相对于图2的接收器基底30或图1的转移回路35垂直和水平地移动。双轴载体77的垂直移动可使图2的接收器基底30或图1的转移回路35偏斜，并使得打印对象91与构建板80或先前转移的打印对象90堆叠的顶部进行压力接触。然后，双轴载体77的水平移动可使得沿预定方向从打印层45的一端到打印层45的另一端的逐步移动的线接触。横跨打印对象91的移动线接触可以将打印对象91转移到构建板80或先前转移的打印对象90堆叠的顶部。

转移设备76还可以步包括粘附调节装置74。所述粘附调节装置74可以调节打印层45与图2的接收器基底30或图1的转移回路35之间粘合强度，以促进打印层45释放到构建板80或先前转移的打印对象90堆叠的顶部。粘附调节装置74还可以进一步改变打印层45与构建板80的表面或先前转移的打印对象堆叠的顶部的粘附力，从而使得打印层45与图2的接收器基底30或图1的转移环35支架的粘合强度小于打印层45与构建板80或先前转移的打印对象90堆叠的顶部之间的粘合强度。粘附调节装置74可通过对图2的接收器基底30或图1的转移环35，和/或打印层45施加刺激而作用在载体装置200和打印对象91之间的界面上。施加刺激可便于减少打印层45对图2的接收器基底30或图1的转移环的粘附。引起粘附调节装置74的粘附调节的刺激可以是但不限于热刺激、辐射刺激、磁刺激、机械刺激或粒子束刺激。

在另一实施例中，如图5所示，转移装置76可以包括压力装置82。压力装置82可以设置有单轴载体78，以提供压力装置82的垂直移动。压力装置82的垂直移动可以使载体基底200垂直偏转，并使打印层45在压力下与构建板80或先前转移的打印对象堆叠的顶部之间的接触。图5中的转移装置76还可包括类似于图7的粘附调节装置74的粘附调整装置74。

在另一实施例中，如图4所示，转移装置76可以设置有压力装置82和形状调节装置72。图4的转移装置76还可设有单轴载体78，其可以提供压力装置82的垂直移动。所述压力装置82的垂直运动可以使图2的接收器基底或图1的转移回路35垂直偏转，并使打印对象91在压力下与构建板80或先前转移的打印对象堆叠的顶部相接触。形状调节装置72可以包括预成形的形状结构，其可以由弹性材料构成，该弹性材料可以通过垂直于成形表面施加的机械压力而变平。当单轴载体78使打印对象与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部接触时，形状调节装置72可以逐渐变平，从而逐渐使打印对象91与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部接触。在构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部之间的逐渐移动接触可以确保打印对象91与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部之间的均匀附接。图4的转移装置76还可以包括类似于如上所述的粘附调节装置74的粘附调节装置74。

在本发明的又一实施例中，如图6所示，转移装置76可以设置有成形压力装置84和铰接装置83。所述转移装置76还可以设置一双轴载体77，其可以提供成形压力装置84的水平和垂直运动。在计算机系统10的控制下，成形压力装置84的垂直和水平运动可使得图2的接收器基底或图1的转移回路35垂直偏转，并使打印对象91在压力下与构建板80或先前转移的打印对象堆叠的顶部相接触。双轴载体的垂直运动可使得成形压力装置84的预设端与图2的接收器基底或图1的转移回路35压力接触，从而使得打印对象91的预设端与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部接触。双轴载体77与铰接装置83的进一步垂直和水平运动的配合，可以使成形压力装置84的整个形状表面在压力的作用下逐渐与图2的接收器基底或图1的转移回路35进行线接触。与图2的接收器基底或图1的转移回路35的逐渐线接触可使得载体基底200偏斜，从而形成打印层45与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部之间的逐渐线接触。打印对象91与构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部之间的逐渐线接触足以将打印层45转移至构建板80或先前转移的打印对象90的堆叠的顶部。图6的转移装置76还可包括类似于如上所述的粘附调节装置74的粘附调节装置74。

图1-3示出了组装装置的一部分，其包括X-Y定位器装置230和构建站110。所述构建站110可包括构建板80。可以设置AZ轴定位装置100，其可以调节构建板80的垂直位置，以将先前转移的打印对象90的顶部层面保持在预定的垂直位置，以促进打印层45到构建板80或先前转移的对象90的堆叠的顶部的适当转移。

构建板80可以包括粘附力降低装置68，以便于从构建板80上移走完整的打印对象堆叠。可以激活图4-7所示的粘附力降低装置68以通过施加刺激来降低先前转移的对象90的堆叠的粘附力。可以使得粘附力降低层68释放先前转移的对象90的堆叠的刺激可以是热刺激、辐射刺激、磁刺激、化学刺激或机械刺激。

参考图1-7，构建板80还可包括对准传感器105。如图4-7所示，打印层45可包括一个或多个对准基准102，其可以与一个或多个对准传感器105相互作用以将打印对象91与构建板80或与先前转移的打印对象堆叠的顶部精确对准。对准传感器105可以在UV光谱、或在可见光谱或在IR光谱中或在磁性或机械方面与对准基准102相互作用。结合计算机系统10，对准传感器105可以将对准基准102的位置检测到实际位置的0.01毫米以内，并使构建板80相对于对准基准102定位在预定位置的0.01毫米以内。

如图1-3所示，组装装置可包括X-Y定位装置230和构建站110。构建站110可以包括Z定位装置和构建板80。构建站110可以与构建板80以及X-Y定位装置230相互作用，以在计算机系统10的指令下，使构建板80相对于包括多材料多模块打印机系统的多个转移模块中的任意一个的转移装置58定位在预定位置的0.01mm之内。

X-Y定位装置230可包括计算机控制的X-Y移动系统。该移动系统可以是但不限于一对正交连接的线性致动器或平面X-Y线性电机。构建站110可与X-Y移动系统通信，从而使得构建站110可以移动的X-Y定位装置230的范围内的任何点处。X-Y移动系统可以按比例缩放，以使得可以将构建站110移动并且准确地定位以接受来自于与打印机系统相关联的多个转移装置中的任何一个的转移装置58转移的打印层。X-Y定位装置230还可以进一步缩放以使得构建站110移动到卸载位置，清除所有与打印机相关联的打印机模块。与相关模块的间隙可以设置在X-Y平面中，也可以通过与X-Y平面正交的间隔来提供。建构站110还可以设置有旋转移动系统，以提供构建板80与转移装置58的旋转对准。

在另一实施例中，可以通过六脚架来提供构建板80的精准定位，所示六脚架可以提供沿X、Y和Z轴的移动以及绕至少一个轴的旋转。

如图3所示，组装装置可以是多材料、多方法3D打印机的集成部件。组装装置可设置有多个接收装置，其用于容纳打印机模块和相关联的转移模块的安装。组装装置的接收装置可包括机械附接装置，以预定的方式将打印机模块和转移模块与组装装置物理关联。组装装置的接收装置还可设置有逻辑附接设备，以将打印机模块处理单元与图1和图2的中央处理单元集成在一起。

图3示出了多方法3D打印机系统400的一实施例。图3示出了与组装装置相关联的四个打印机模块和四个转移装置。这四个打印机模块都可以全部实施不同的图案化和沉积技术。详细地示出了EP打印机模块。一般打印机模块5可以采用除EP打印以外的沉积和图案化技术。打印机模块5可以选自采用沉积和图案化技术，例如但不限于电子照相术、胶版印刷、喷射材料打印和选择性激光熔化技术的打印机模块。

图3示出了具有四个打印机模块/转移装置的打印机系统，其中所述四个打印机模块/转移装置与相邻的模块成直角对齐，并且它们的近端朝着X-Y定位装置230的中心。应当理解的是，该配置不限于四个打印机模块A，并且可以包括少至两个打印机模块，或者三个打印机模块，或者四个以上打印机模块。还应理解的是，可以通过在X-Y定位装置230的任意开放区域以水平间隔来提供打印部件移除区域，或者可通过组装站110与打印机模块A和转移模块B的垂直间隔来提供该打印部件移除区域。还应理解的是，相邻模块的对准可以是平行而不是正交的。对于本领域技术人员来说，其它配置将是显而易见的。

如图3所示，多材料多方法3D打印机400包括由组件装置集成的多个打印机模块和相关联的转移模块。每个打印机模块都可以调整以下操作参数，例如打印厚度，粘合剂浓度、粘合剂类型和材料类型。虽然调整操作参数可能会显著影响最终打印对象的属性，但每个打印机模块都基于一种特定方法创建打印对象。潜在方法的一非穷举列表清单包括喷射粘合剂打印、电子照相打印、胶版打印和喷射材料打印。可以基于各方法的功能，例如实际厚度范围、最小特征尺寸、精度和打印速度来选择创建给定打印对象的首选方法。虽然大多数打印方法可能与一种或多种材料兼容，但基本材料可能需要进行特殊准备才能与特定方法一起使用。

实际上，多材料，多方法的3D打印机可以配置有一个打印机模块，以用于最终制造部件中所需的打印机方法和材料的每种组合。在一实施方式中，构成多方法3D打印机系统的多个打印机模块中的至少一个可以根据具体最终部件的需求而快速且便捷地以另一模块替换。

尽管EP打印机以多方法3D打印机系统400中的多个打印机模块的其中一个被示出，但应当理解的是，可以将多材料EP打印机配置为独立设备，从而创建完整的3D打印设备。

如上所述，本发明的实施方式针对的是包括多个打印机模块的3D打印机系统，每个打印机模块可以与多个转移装置中的一个关联，所有这些转移装置都与组装装置配合。中央计算机系统300可以协调3D打印机系统的所有组件的操作。多个打印机模块可以包括采用至少两种不同的沉积和图案化技术的打印机模块，并且多个打印机模块中的每个可以被配置为创建一种材料或多种材料的打印对象。每个打印机模块可以使用不同的材料创建打印对象，或者某些打印机模块可以使用相同的材料，或者3D多方法打印机系统的所有打印机模块可以使用相同的材料。具有相关联的转移装置的打印机模块可以被配置为易于与组装装置相结合或从组装装置上移除，从而能方便地对打印机进行自定义配置，以匹配构建要求。

如上所述，EP 3D打印模块被配置为以复杂的三维图案创建一种或几种材料的结构，其中该结构以层的形式构建，每一层包括一种或多种材料。可以以类似于传统3D打印机的每个层的图案形成的方式来形成每个层中的每种材料的图案。具体而言，可通过使用CAD软件，例如SolidWorks，从整个结构的一部分衍生每一层的图案。与传统的3D打印机不同的是，计算机系统10可以将通过输入装置330输入计算机系统10中的包含在设计文件320中的每一层的图案分离成一种以上的材料。

用于打印的材料类型可大致分为两个基本类别：鲁棒性材料和挥发性材料。

鲁棒性材料是指那些经过后打印处理步骤而成为最终打印部件的不可压缩体素的材料。在其打印时，鲁棒性材料可经受与材料的组分和结构相同的后处理步骤。此类材料的示例包括陶瓷，例如氧化铝，其起始为Al

鲁棒性材料也可以作为最终材料的前体开始。后处理可能会导致鲁棒性材料的前体发生反应，以生成新的化学化合物或改变相或改变晶体类型。此类材料的示例是在打印后热处理中在受控的氧化气氛下转变成氧化铝的铝粉；或是用于陶瓷工艺的粉状玻璃，其中，玻璃在烧结过程中转变成晶体。

挥发性材料是指一种可以在打印部件中占用体素的材料，该体素被设计为在后处理步骤之后立即被气体或真空所占用。在打印过程中以及在将打印对象组装成打印部件的过程中，挥发性材料可以由固体或半固体材料组成。在后处理步骤中，挥发性材料转变为可以轻松地从打印部件中逸出的形式，例如气体或液体。在一定体积的鲁棒性材料中包括连续体素质量的挥发性材料的结果是，在后处理步骤之后，形成具有预设结构的空腔。该空腔可以通过预先设计的通道与打印部件的外部连通，或者可被完全密封。密封空腔可以被预设的气体或真空占用。挥发性材料的示例包括有机材料，例如在低于450℃的温度下分解成CO

在一些实施方式中，打印材料是复合电子照相调色剂。在一些实施方式中，打印材料包括功能材料、摩擦电活性材料和粘合剂材料。在一些实施方式中，功能材料占粉末总体积的至少40％；根据摩擦电活性材料的性质，其可占粉末总体积的约5％-60％内的任何值或范围；以及，所述粘合剂将构成调色剂的其余部分，并且其可占粉末总体积的0％-55％范围内的任何值或范围。

首先，功能材料是经过打印后热处理的鲁棒性材料。它们可以是任何金属或陶瓷，或金属和陶瓷(包括玻璃)的组合。

如上所述，摩擦电活性材料可以是如上所述的鲁棒性或挥发性材料之一。

粘合剂可以选自非常广泛的有机材料。通常，粘合剂是可以从液体或凝胶转变为固体以将各个粉末颗粒保持在预定位置的材料。粘合剂可以是可以从固体转变为液体然后再转变为固体的材料，例如蜡。相变可能会受到热或电磁辐射的影响，或者在极少数情况下会受到粒子，如电子的影响。选择这些粘合剂是因为它们缺乏或不存在除经典有机成分(碳，氢，氧和氮)以外的原子，因为这些其它原子可能在热处理过程中存留下来或在热处理过程中与功能性材料发生反应。在一些实施方式中，粘合剂和摩擦电功能可以由相同的材料来提供(即，粘合剂和热电活性材料是相同的材料)。

制造3D打印部件的基本过程始于CAD文件，该文件完全定义了所需部件的结构、材料和规格。可以将CAD文件中描述的部件切片成打印图案层，每层的厚度由打印部件内每个位置的规格，例如最终厚度和图案公差来决定。然后可以将每一层分成需要不同材料的区域。然后可通过输入装置330和中央处理单元300以及接口总线360将用于不同材料要求的每个区域的打印机控制指令从设计文件320发送到EP打印机系统的适当的打印站控制单元310。

参考图8，中央处理单元300可具有生成打印机控制文件并经由接口总线360将它们转发到每个打印机模块的适当的打印机控制单元310的能力。中央处理单元300还可以直接控制图1和图2的组装装置230，包括定位构建板80，使得可以按照预定的顺序从图2的接收器基底30以及图1的转移回路转移打印层45。

参考图1和图2，通过提供适合于多材料3D EP打印机的多个EP引擎20中的每个EP引擎20的材料来开始构建顺序。多个EP引擎20中的每一个根据由中央处理单元300生成的、从控制系统310接收到的指令来生成打印对象。当接收器基底从EP引擎20a移动到EP引擎20b，通过接收器基底30和EP引擎20的协调运动，可以将每个打印对象组装成未调节图案40，以此类推，直到完成未调节图案40。

当接收器基底30将未调节图案40从最后的EP引擎移至压实装置中并且接收器基底30与图1的转移回路35或图2的调节回路38相互作用时，开始调节复合调色剂23的未调节图案40。

用于调节特定材料的确切步骤可能根据粉末的物理和化学性质以及在任何打印后步骤后的材料的目标属性而不同。在最常见的实施方式中，调节可包括压实步骤，以将受压粉末的密度提高至理论值的40％-70％。在一些实施方式中，压实可包括沉降步骤，例如可对粉末施加振动作用以使粉末颗粒沉降并堆积在一起。在另一实施方式中，压实包括以垂直于粉末表面的力将粉末压在一起。图2和图3中示出了此类过程，其中，上压实装置60可位于未调节图案40的上方，而下压实装置62则位于接收器基底30下方，与上压实装置60直接对准，并且在上压实装置60和下压实装置62之间施加压紧力。粉末的压实可以通过例如调节回路38或转移回路35之类的上控制装置进行，也可以不使用此类控制装置。在另一实施方式中，未调节图案40的压实可包括通过压力带施加垂直于未调节图案40表面的压力。

调节还可以包括改善打印层45的特性，例如鲁棒性或均匀性，或者打印层45粘附至构建板80或粘附至先前转移的层90的堆叠的顶部的能力的操作。此类操作可包括利用调节装置54加热或冷却打印层45。在另一实施方式中，可以改变调节装置54的性质以适合打印层45的调节要求。例如，调节装置54可以施加例如RF辐射、X射线辐射或紫外线辐射之类的辐射，以改变未调节图案45的粘合剂相的性质，从而控制打印层45的物理性质。可以通过改变打印层45的静电状态来进一步调节打印层45，以提高将打印层45从转移回路35或调节回路38转移至构建板80或转移至先前转移的层90的堆叠的顶部的能力。这种改变可以通过转移偏压装置56将打印层45暴露于预设大小和极性的静电场来实现。这种静电暴露可导致打印层45的粘附力被改变，从而使得当打印层45与构建板80或先前转移的层90的堆叠的顶部接触时，打印层45与转移回路35或调节回路38的粘附力小于打印层45与构建板80或先前转移的层90的堆叠的顶部间的粘附力。从而可以促进将打印层45转移至构建板80或先前转移的层90的堆叠的顶部。

尽管使用了各种示例和其它信息来解释所附权利要求书范围内的各个方面，但是基于此类示例中的特定功能或设置不是为了对权利要求要求进行限制，因为本领域的普通技术人员将能够使用这些示例来获得各种实现。此外，尽管可能已对结构特征和/或方法步骤的示例进行了描述，但应理解的是，所附权利要求书中所定义的主题不必受限于所描述的这些特征或动作。例如，这种功能可以不同地分布或在除本文所标识的组件之外的组件中执行。相反，所公开描述的特征和步骤应视为在所附权利要求范围内的系统和方法的组件的示例。所涉及的权利要求文字一组中“的至少一个”表示满足该权利要求的该组中的一个组件或该组中的多个组件。

尽管上文已描述了本发明的各种实施方式，但应该理解的是，它们仅仅是以示例性而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的理念或范围的情况下，可以根据本文公开的内容对所公开的实施方式进行多种改变。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述实施方式的限制。相反，本发明的范围应根据所附权利要求及其等同物来限定。

尽管本发明已经对一种或多种实施方式进行了说明和描述，但是，在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域的其他技术人员能够想到等同的变化和修改。另外，虽然本发明的特定特征仅通过多种实施方式中的一种进行了公开，但是，该特征可与其它实施方式的一个或多个其它特征相结合，这对于任何给定或特定的应用都是可取且有利的。

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式的“一”，“一个”和“该”也旨在包括其复数形式，除非上下文另有明确说明。此外，就在说明书和/或权利要求中所使用的术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”、“有”或其变体而言，这些术语意在作为以类似于术语“包含”的方式包括在内。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)将具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。此外，诸如在常用词典中定义的那些术语，应被解释为具有与相关领域中它们的含义一致的含义，并且除非在本文中另有明确定义，否则将不应以理想化或过于正式的意义来解释。