用于形成三维物体的装置及方法与流程

本发明通常涉及用于形成三维(3D)物体、或用于在基底上形成3D特征部的装置及方法。更特别地，本发明涉及用于形成具有纤维加强部段的3D物体或3D特征部的快速原型设计装置及方法。

背景技术：

术语“3D打印”涉及一组增材制造过程，在增材制造过程中，利用非加强的树脂、含短纤维的树脂、金属、纸等采用层叠的方式创建3D物体。已经开发了几种不同类型的3D打印系统，包括基于材料挤制、材料喷射、直接的能量沉积等的系统。3D打印系统的现有应用包括快速原型设计(RP)，以及替换零部件及其他小体积产品的分散式制造。基于所需的物体的数据组表示，并且在不使用特殊工具或模具的情况下，生产个别零部件的能力弥补了与3D打印有关的低生产速度以及高生产成本。

不幸的是，由热塑性或热固性聚合树脂制成的已打印的3D物体不具备充分的机械强度或耐久性，以使用在半结构性应用中或结构性应用中。当然，利用含有短加强纤维的树脂确实能够提高塑料3D打印的物体的机械性能，但是这种提高的程度受3D打印过程本身的性质所限制。另一方面，由金属制成的已打印的3D物体具有高得多的机械强度或耐久度。虽说如此，相比于塑料3D打印系统，金属3D打印系统的成本仍然非常高。而且，在制造过程中使用熔融态金属产生了对于更复杂的安全设施以及火灾扑救装备的需要。

一种不同类型的增材制造过程是基于自动铺带(ATL)或基于自动铺丝(AFP)的。例如，基于ATL机器或基于AFP机器的制造过程目前使用在诸如飞行器部件之类的先进复合部分的生产中。在该过程中，ATL机器或AFP机器以自动的方式将纤维加强件放置在模具或芯轴上。更特别地，该机器利用呈条带或丝束形式的热固性或热塑性的预浸渍材料以形成复合敷层(layups)。例如，ATL机器使用一个或更多个条带，每一个条带具有介于大约75mm和300mm之间的宽度，然而，AFP机器使用多个小宽度的丝束，该丝束的宽度通常小于大约8mm。同样地，相比于AFP，ATL实现了高得多的沉积速率，但也产生了多得多的废物。ATL和AFP过程能够形成具有非常高机械强度的部件，并且该部件适合于半结构性应用或结构性应用。不幸的是，对所生产的每一部件均需要专用的模具或芯轴，专用的模具或芯轴增加了在快速原型设计或小体积应用中的生产成本。

克服上述局限性及缺点中的至少一些将会是有益的。

技术实现要素：

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维(3D)物体的装置，该装置包括：3D打印头部，该3D打印头部用于通过形成第一材料的多个连续的层以制造3D物体的第一部分；铺放头部，该铺放头部用于通过将连续纤维加强的第二材料的多个层分配在3D物体的第一部分上以制造3D物体的第二部分，并且该铺放头部包括用于在分配连续纤维加强的第二材料时将连续纤维加强的第二材料按压就位的辊；以及用于接收对应于3D物体模具的数据组的控制器，并且该控制器用于基于数据组指引3D打印头部及铺放头部以协作地形成3D物体。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：接收对应于3D物体模型的数据组；基于数据组，通过利用3D打印头部形成第一材料的多个连续的层，制造3D物体的第一部分；并且，基于数据组，通过利用铺放头部将连续纤维加强的第二材料的多个层分配至3D物体的第一部分上，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料时将连续纤维加强的第二材料按压就位，制造3D物体的第二部分。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：提供片状金属坯件；为已形成的片状金属坯件的至少一侧的至少部分涂覆打底剂材料；接收对应于3D物体模型的数据组；基于数据组，通过利用3D打印头部在已形成的片状金属坯件的已涂覆的至少部分上形成第一材料的多个连续的层，制造3D特征的第一部分；并且，基于数据组，通过利用铺放头部在3D特征部的第一部分上分配连续纤维加强的第二材料的多个层，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料期间将连续纤维加强的第二材料按压就位中，制造3D特征部的第二部分。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了用于形成三维物体的方法，该方法包括：接收对应于3D物体模型和用于该3D物体模型的可移除的支承构件的至少数据组；基于该至少数据组，通过利用3D打印头部形成第一材料的多个连续的层，制造可移除的支承构件；基于至少数据组，通过利用铺放头部将连续纤维加强的第二材料的多个层分配至可移除的支承构件上，并且通过在分配连续纤维加强的第二材料期间将连续纤维加强的第二材料按压就位，制造3D物体；并且，从3D物体移除可移除的支承构件。

附图说明

现将仅以示例的方式并参照附图描述本发明，其中，贯穿若干附图，相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：

图1是根据本发明实施方式的系统的简化框图；

图2是示出了根据本发明实施方式的装置的立体图；

图3是示出了图2的装置的3D打印头部及铺放头部的放大细节的立体图；

图4是示出了图2的装置的铺放头部的放大细节的侧视图；

图5是示出了根据本发明实施方式的另一装置的立体图；

图6A至图6E是示出了在利用根据本发明实施方式的方法制造3D物体时的不同的步骤的图示；

图7A至图7E示出了在图6A至图6E中示出的制造方法的相对应的步骤中的在3D物体的所指出的部分内的分层结构；

图8是用于根据本发明实施方式的方法的简化流程图；

图9是用于根据本发明实施方式的另一方法的简化流程图；

图10A至图10G是示出了在利用根据本发明实施方式的另一方法制造3D物体期间的不同的步骤的图示；

图11A至图11G图示了在图10A至图10G中示出的制造方法的相对应的步骤中的在3D物体的所指出的部分内的分层结构；

图12是根据本发明实施方式的另一方法的简化流程图；

图13图示了根据本发明实施方式制造的3D物体内的靠近3D物体的边缘部分的分层结构；

图14图示了根据本发明实施方式制造的3D物体内的靠近位于3D物体的水平部分与倾斜部分之间的过渡部的分层结构。

具体实施方式

下文描述用以使本领域技术人员能够制造及利用本发明，并且下文描述在特别的应用及其需求的情况下提供。公开的实施方式的各种改型将会对本领域技术人员是显而易见的，并且本文限定的通常的原理可以应用于其他实施方式及应用而不超出本发明范围。因此，本发明不意在局限于公开的实施方式中，但本发明将会符合与在本文中公开的原理及特征相一致的广义的范围。

贯穿本说明书，以及在所附权利要求中，术语“3D打印头部”涉及用于通过增材制造过程形成3D物体的部件的组合体。3D打印头部可以包括、或者可以不包括形成完整的3D打印系统所需要的所有部件。例如，在利用激光来固化液态光聚合物树脂的系统中，3D打印头部可以仅包括经由纤维光缆接收来自激光的光线的光学部件。3D打印头部可以是基于在现有技术中普遍已知的3D打印系统的多个不同类型中的一个。作为数个特别的及非限制性的示例，3D打印头部可以根据诸如材料挤制(例如，熔融沉积成型或FDM)、材料喷射(例如，PolyJet)或直接的能量沉积(例如，激光粉末成型)之类的原理进行操作。在使用中，3D打印头部由诸如热固性树脂或热塑性树脂之类的材料中、或者由另外的适当的非金属材料形成3D物体的至少部分。树脂可以是非填充的，或者树脂可以包含相对短的纤维、矿物等。

贯穿本说明书，以及在所附权利要求中，术语“铺放头部”涉及用来放置呈条带或丝束形式的热固性的或热塑性的预浸渍材料的部件的组合体。作为数个特别的及非限制性的示例，铺放头部可以是自动铺带(ATL)头部或自动铺丝(AFP)头部。铺放头部包括用于前进、加热、按压及切割正在被分配的条带或丝束的部件。

并且，应当了解的是，3D物体可以直接地形成在建造基座或底盘部上、形成在工具表面或芯轴上、或形成在与最终的3D物品成一体的金属的或塑料的部件(例如，片状金属坯件)上。利用3D打印头部形成的3D物品的部分可以一体结合到最终的3D物体中，或者可以仅作为在过程结束时移除的结构表面或支架。3D物体还可以包括利用附加的头部或在单独的过程中可以施加的其他材料，例如打底剂材料等。

参照图1，示出了根据本发明实施方式的系统100的简化框图。系统100包括计算机数控(CNC)机器102，计算机数控(CNC)机器102用于在形成3D物体时、在控制器108的控制下精准地移动3D打印头部104及铺放头部106。控制器108接收对应于3D物体模型的数据组，并且基于该数据组指引3D打印头部104及铺放头部106协作地形成3D物体。

图2是根据本发明实施方式的装置200的简化立体图。包括3D打印头部104及铺放头部106的头部组件安装至台架式机器人的机械Z轴线轨道202。Z轴线轨道202安装至Y轴线横向轨道204，Y轴线横向轨道204又安装至一对X轴线轨道206。装置200还包括建造基座或底盘部208，该建造基座或底盘部208可选地是被加热的，和/或能够施加真空抽吸，以在制造期间防止3D物体移动以及提供尺寸稳定性。

图3是示出了图2的头部组件的放大细节的立体图。在图3中示出的特别的及非限制性的示例中，3D打印头部104是包括材料细丝(通常直径为1mm-5mm)的卷300的FDM头部，利用加热器302将材料细丝的卷300加热超过其玻璃化转变温度，并且之后通过挤制喷嘴302挤制该材料细丝的卷300。FDM头部沉积形成融化的材料的非常薄的层(通常0.1mm-0.5mm)。可选地，设置多于一个的FDM头部以在不需要改变机械设置的情况下支持不同厚度的材料或不同材料的沉积。例如，不同的FDM头部可以用于沉积具有不同颜色或不同强度的材料，或用于沉积未填充的树脂及包含各种嵌入带条的树脂等。

在图3中示出的特别的及非限制性的示例中，铺放头部106是包括纤维加强条带的卷306的ATL头部，在利用支承辊312将纤维加强条带的卷306按压就位并且利用切割器314按一定长度切割纤维加强条带的卷306之前，利用给送辊308使纤维加强条带的卷306前进并且利用加热器310加热纤维加强条带的卷306。ATL头部在三维上利用塑性粘合剂铺放连续纤维带条。作为特别的及非限制性的示例，依据待生产的3D物体的几何结构，条带的宽度在大约1mm和50mm之间以及厚度在0.1mm和1mm之间。例如设置呈激光或热气源形式的加热器310，并且加热器310被引导成在与正形成的3D物体的表面相接触的位置处加热正在分配的条带。

图4是示出了包括驱动马达400的ATL头部的附加特征的侧视图，该驱动马达400用于驱动给送辊308用以使来自于卷306的纤维加强条带前进、用以匹配ATL头部的运动、并且用以取得想得到的纤维型式。图4还图示了转位(indexing)系统，转位系统包括线性致动器402，该线性致动器402安装在柱状件404上，其支承ATL头部相对于Z轴线轨道202的运动。ATL头部能够在伸出位置(图示的)和收回位置之间移动。当ATL头部用于分配纤维加强条带时，ATL头部移动进入其伸出位置。当要替代地使用3D打印头部时，则ATL头部向回移动进入其收回位置并且不妨碍3D打印头部。因此，在操作3D打印头部和操作ATL头部之间的转换期间，操作线性致动器。此外，转位系统可以是弹簧加载的，以提供在支承辊312上的恒定力，当分配条带时该支承辊312将条带按压就位。

在图1至图4中所示的特别的及非限制性的示例中，3D打印头部104固定地安装至台架式机器人的Z轴线轨道，并且铺放头部106经由转位系统可移动地安装至台架式机器人的相同的Z轴线轨道202。在替代性构型中，3D打印头部104安装至第一台架式机器人的Z轴线轨道，并且铺放头部106安装至第二台架式机器人的Z轴线轨道。在后者的构型中，可以省略转位系统以使得铺放头部固定地安装至第二台架式机器人的Z轴线轨道。可选地，铺放头部经由诸如弹簧机构之类的偏置构件安装至第二台架式机器人的Z轴线轨道，该偏置构件将铺放头部偏置于伸出位置以在支承辊312上提供恒定力，当分配条带时该支承辊312将条带按压就位。

图5是示出了根据本发明实施方式的另一系统500的立体图。包括3D打印头部104和铺放头部106的头部组件安装成作为铰接臂机器人504的末端操纵装置502。装置500还包括建造基座或底盘部506，该建造基座或底盘部506可选地是被加热的，和/或能够施加真空抽吸，以在制造期间防止3D物体移动以及提供尺寸稳定性。上文参照图3及图4描述了该头部组件。可选地，3D打印头部104安装成作为第一铰接臂机器人的末端操纵装置，并且铺放头部106安装成作为第二铰接臂机器人的末端操纵装置。另外可选地，构型可以包括一个或更多个台架式机器人以及一个或更多个铰接臂机器人。

现参照图6A至图6E及图7A至图7E，示出了在根据本发明实施方式的方法中处于制造的不同阶段的3D物体。特别的是，图6A至图6E示出了处于制造的每一不同阶段的3D物体的俯视图，以及图7A至图7E示出了处于制造的每一不同阶段的3D物体的层状结构的在点划线框内的相应的放大细节。

如在图6A及图7A中所示出的，该方法的第一步骤是利用第一材料600限定所需的3D物体的边缘及表面轮廓，在本示例中该3D物体是3D板状部件。例如，3D打印头部104用于将第一材料600的连续的层沉积在装置200的建造基座208上。作为特别的及非限制性的示例，第一材料是非加强的热塑性材料。第一材料600的连续的层熔融在一起以形成3D物体的大致均匀的第一部分。图7A示出了沉积在建造基座208上的第一材料600。第一材料600的厚度为大约0.5mm至5mm。通常，第一材料600是足够厚的以支承在后续步骤中施加的连续纤维条带或丝束的多个片层(ply)。在图6A中未示出可以利用第一材料600形成的可选的引导部、凸起、附连点等。例如，用于控制3D打印头部的数据组可以包括用于形成引导部等的指令，以在后续组装过程中使最终部分与其他部分排齐。

现参照图6B，该方法的接下来的步骤是将连续纤维条带的第一层602施加在第一材料600的表面上。在图6B中示出的特别示例中，铺放头部106用于分配条带的第一片层602，使得在物体的边缘周围具有最小的悬伸。如此前段落中所述的，当利用支承辊312分配条带并将条带按压就位时，条带被加热，从而引起条带粘附至第一材料600的表面并且结合于第一材料600的表面。之后，将条带剪切成接近于第一材料600的边缘的长度。在图6B中，在第一片层602中的每一段条带均平行于前一段条带而施加。可选地，可以利用不同的施加型式来施加条带。图7B示处了粘附至第一材料600的条带的第一片层602。在图7B中，剖面线型式表示在第一片层602中所有的连续纤维在相同的方向上排齐。

现参照图6C，该方法的接下来的步骤是将条带的第二片层604施加在先前已施加的条带的第一片层602上。在图6C中所示的特别示例中，铺放头部106还用于分配条带的第二片层604，使得在物体的边缘周围具有最小的悬伸。当利用支承辊312分配条带并将条带按压就位时，条带被加热，从而引起条带602粘附至先前施加的条带的第一片层602的表面并且结合于该第一片层602的表面。之后，将条带剪切成接近第一材料600的边缘的长度。在图6C中，在第二片层604中的每一段条带均平行于前一段条带施加，并且相对于在第一片层602中的成段的条带成大约90°的角度。可选地，可以利用不同的施加型式施加条带。在第一片层602中的连续纤维及在第二片层604中的连续纤维沿不同的方向定向，从而增加3D物体的机械强度。图7C示出了条带的第二片层604粘附至条带的第一片层602，条带的第一片层602又粘附至第一材料600。在图7C中，表示第二片层604的剖面线型式与表示第一片层602的剖面线型式相反，表明在每一片层中的连续纤维朝向相同的方向，并且在第二片层604中的连续纤维与在第一片层602中的连续纤维相比沿不同的方向定向。

图6D示出了在制造后处理之后的3D物体，该制造后处理例如为修剪边缘以移除第一片层602和第二片层604的悬伸的连续纤维条带。在图7D中所示的结构与在图7C中所示的结构是相同的。

图6E和图7E示出了从建造基座208移除之后的已完成的3D物体。在该简化的示例中，仅使用连续纤维条带的两个片层。可选地，使用连续纤维条带的多于两个片层，或者如上所述以交替的型式施加层状部，或者根据其他型式施加层状部。另外可选地，利用具有不同宽度和/或不同厚度的条带以形成3D物体。可选地，利用不同的铺放头部以施加具有不同宽度和/或不同厚度的条带。可选地，在同一片层内使用具有不同宽度和/或不同厚度的条带。在图7A至图7E中示出的不同的层的厚度并非是按比例的。可选地，层的厚度是不均匀的。例如，第一材料600的厚度可以变化以便形成具有更高强度的部段，以支承连续纤维条带的片层、和/或以限定引导部的特征和/或附接特征部等。另外可选地，使用3D打印头部以在连续纤维条带的表面上形成附加的特征部。另外，可以使用多个3D打印头部和/或多个铺放头部以施加不同的材料，以便将带有不同强度、颜色等的材料结合到最终的3D产品中。

现参照图8，示出了用于根据本发明实施方式的方法的简化流程图。制造3D物体的方法在800处通过产生所需部分的3D计算机辅助设计(CAD)模型而开始。在802处，将产生的模型分割成利用3D打印头部104建造的第一部分以及利用铺放头部106建造的第二部分。更特别地，利用诸如非加强的热塑性树脂之类的第一材料形成第一部分，并且利用连续纤维条带或丝束形成第二部分。在804处，基于分割的模型产生建造序列。最终，在806处，根据建造序列，利用3D打印头部及铺放头部制造3D物体。操作3D打印头部104及铺放头部106以形成对应于3D的CAD模型的分割的第一部分及第二部分的3D物体的部分。依据3D物体所需的形状及机械特性，可能必要的是，在操作3D打印头部104与操作铺放头部106之间多次转换。在808处，进行制造后处理。例如，进行修剪等以移除连续纤维条带或丝束的悬伸出3D物体边缘的部分。

现参照图9，示出了用于根据本发明实施方式的方法的另一简化流程图。在900处，与装置200或装置500连通的控制器接收对应于3D物体模型的数据组。数据组包括用于控制3D打印头部104和铺放头部106以形成3D物体的机器可读的指令。在902处，基于数据组，利用打印头部104通过形成第一材料的多个连续的层以制造3D物体的第一部分。在904处，之后，控制器将操作转换至铺放头部106，并且基于数据组，通过将呈条带或丝束的形式的多层连续纤维加强的第二材料分配在3D物体的第一部分上，制造3D物体的第二部分。连续纤维加强的第二材料在其分配期间还被按压就位。在906处，基于数据组，利用3D打印头部和/或铺放头部形成3D物体的附加部分。在908处，进行制造后处理。例如，进行修剪等以移除连续纤维条带或丝束的悬伸出3D物体边缘的部分。

依据3D物体的预期用途、几何结构及尺寸，易于对参照图8和图9描述的方法进行修改。例如，相比于打算用在非结构性应用中的其他物体，打算用在结构性应用或半结构性应用中的物体可能需要连续纤维条带或丝束的更多片层。在最终组件中将形成暴露表面的3D物体可能需要3D打印的树脂材料的附加的层，以便提供可接受的表面精整层。例如，非加强的热塑性树脂的表面精整层可以3D打印到带有暴露的条带的物体的部段上。可选地，施加表面精整层是单独的步骤，或是作为步骤806或步骤902的部分。还可以增加附加步骤以形成附连结构或排齐结构等。例如，在将连续纤维条带施加在3D物体的已3D打印的框架上之后，可以进行附加的3D打印以将附连结构或排齐结构添加到连续纤维条带的表面上。

在另一个实施方式中，利用3D打印头部104及铺放头部106以形成与另一元件——例如已形成的片状金属坯件或已形成的塑料结构——结合的3D物体。现将参照图10A至图10G及图11A至图11G对用以说明该另外的实施方式的特别的及非限制性的示例进行描述，图10A至图10G及图11A至图11G中示出了在根据本发明的该另外的实施方式的方法中的处于制造的不同阶段的3D物体。图10A至图10G示出了处于制造的每一不同阶段的3D物体的附视图，并且图11A至图11G示出了处于制造的每一不同阶段的3D物体的层状结构的在点划线框内的放大细节图。

在图10A中示出的是布置在装置200的建造基座208上的已形成的片状金属坯件1000。在该示例中，以3D板状部件的形式设置片状金属坯件1000。图11A示出了在添加其他材料或特征部之前，片状金属坯件1000的位于点划线框内的部分的侧视图。

如图10B中所示，将打底剂材料1002施加在片状金属坯件1000的表面上。可选地，利用附连于台架式机器人的打印头部、或者在将坯件1000固定在建造基座208上之前利用另一过程来施加打底剂材料1002。如在图11B中所示，打底剂材料1002粘附至片状金属坯件1000，并且打底剂材料1002与在随后的步骤中待沉积在片状金属坯件1000上的其他材料相兼容。

现参照图10C，利用3D打印头部104以将第一材料1004的连续的层沉积在片状金属坯件1000的已施加打底剂的表面1002上。作为特别的及非限制性的示例，第一材料1004是非加强的热塑性材料。第一材料1004的连续的层熔融在一起以形成3D物体的大致均匀的第一部分。图11C示出了沉积在片状金属坯件1000的已施加打底剂的表面1002上的第一材料1004。第一材料1004的厚度是大约0.5mm至3mm。可选地，第一材料沉积为形成引导部、凸起、附连点等。例如，用于控制3D打印头部104的数据组可以包括用于形成引导部等的指令，该指令用于在随后的组装过程中将最终部分与其他部分排齐。

现参照图10D，该方法的接下来的步骤是将连续纤维条带的第一片层1006施加在已施加打底剂的表面1002及第一材料1004的表面上。在图10D所示的特别示例中，铺放头部106用于分配条带的第一片层1006，使得在该物体的边缘周围的悬伸最小。如此前段落中所述的，当利用支承辊312分配条带并将条带按压就位时，条带被加热，以引起条带粘附至已施加打底剂的表面1002及第一材料1004的表面，并且结合于已施加打底剂的表面1002及第一材料1004的表面。之后，按一定长度剪切条带。在图10D中，在第一片层1006中的每一段条带均平行于前一段条带。可选地，可以利用不同的施加型式施加条带。图11D示出了条带的第一片层1006粘附至第一材料1004，第一材料1004又粘附至打底剂1002。在点划线框的外面，条带的第一片层1006直接地粘附至已施加打底剂的表面1002。在图11D中，剖面线型式表示在第一片层1006中所有的连续纤维在相同的方向上排齐。

现参照图10E，该方法的接下来的步骤是将连续纤维条带的第二片层1008施加在先前已施加的连续纤维条带的第一片层1006上。在图10E所示的特别示例中，铺放头部106还用于分配条带的第二片层1008，使得在物体的边缘周围的悬伸最小。当利用支承辊312分配条带并将条带按压就位时，条带被加热，以引起条带粘附至先前已施加的连续纤维条带的第一片层1006的表面，并且结合于先前已施加的连续纤维条带的第一片层1006的表面。之后，按一定长度剪切条带。在图10E中，在第二片层1008中的每一段条带均平行于前一段条带，并且相对于在第一片层1006中的成段的条带呈大约90°的角度。可选地，可以利用不同的施加型式施加条带。在第一片层1006中的连续纤维以及在第二片层1008中的连续纤维沿不同的方向定向，进而增加3D物体的机械强度。图11E示出了条带的第二片层1008粘附至条带的第一片层1006，条带的第一片层1006又粘附至第一材料1004，第一材料1004又粘附至打底剂1002。在图11E中，表示第二片层1008的剖面线型式与表示第一片层1006的剖面线型式是相反的，表明在每一片层中的连续纤维沿相同的方向定向，并且在第二片层1008中的连续纤维与在第一片层1006中的连续纤维相比沿不同的方向定向。

图10F示出了在制造后处理之后的3D物体，制造后处理例如为修剪边缘以移除连续纤维条带的第一片层1006和第二片层1008的悬伸。在图11F中所示的结构与在图11E中所示的结构是相同的。

图10G和图11G示出了从建造基座208移除后的已完成的3D物体。在该简化的示例中，仅使用连续纤维条带的两个片层。可选地，使用连续纤维条带的多于两个片层，或者如上所述以交替的型式施加片层，或者根据其他型式施加片层。另外可选地，利用具有不同宽度和/或不同厚度的条带以形成3D物体。可选地，利用不同的铺放头部以施加具有不同宽度和/或不同厚度的条带。可选地，在同一片层内使用具有不同宽度和/或不同厚度的条带。在图11A至图11G中示出的不同层的厚度并非是按比例的。可选地，层的厚度是不均匀的。例如，第一材料1004的厚度可以变化以便形成更高强度的部段以支承连续纤维条带的片层，和/或以限定引导部和/或附连特征部等。另外可选地，利用3D打印头部以在连续纤维条带的表面上形成附加的特征部。另外，可以使用多个3D打印头部和/或多个铺放头部以施加不同的材料，以便将具有不同强度、颜色等的材料结合到最终的3D产品中。仍另外可选地，打底剂材料1002不施加至片状金属坯件1000的整个表面。例如，打底剂材料喷射到片状金属坯件的仅预定的部分上、或者涂覆或滚压到片状金属坯件的仅预定的部分上，连续纤维条带的第一材料1004将要施加到该片状金属坯件的预定的部分上。

参照图12，示出用于根据本发明实施方式的另一方法的简化流程图。在1200处，在建造区域内设置基底例如已形成的片状金属坯件、或由其他材料形成的基底。在1202处，将打底剂施加至基底的一个表面的至少部分。在1204处，与装置200或装置500连通的控制器接收与待在基底的已施加打底剂的表面上形成的3D物体模型相对应的数据组。数据组包括用于控制3D打印头部104和铺放头部106以形成3D物体的机器可读的指令。在1206处，基于数据组，利用打印头部104通过在基底的已施加打底剂的表面上形成第一材料的多个连续的层以制造3D物体的第一部分。在1208处，之后，控制器将操作转换至铺放头部106，并且基于数据组，通过将呈条带或丝束形式的连续纤维加强的第二材料的多个层分配在3D物体的第一部分上，制造3D物体的第二部分。连续纤维加强的第二材料在其分配期间还被按压就位。可选地，重复步骤1204和/或步骤1206，以基于数据组利用3D打印头部和/或铺放头部形成3D物体的附加部分。在1208处，进行制造后处理。例如，进行修剪等以移除连续纤维条带或丝束的悬伸出3D物体边缘的部分。

依据3D物体的预期用途、几何结构及尺寸，易于对参照图12描述的方法进行修改。例如，相比于打算用在非结构性应用中的其他物体，打算用在结构性应用或半结构性应用中的物体可能需要连续纤维条带或丝束的更多片层。在最终组件中将会形成暴露表面的3D物体可能需要3D打印树脂材料的附加层以便提供可接受的表面精整层。例如，非加强的热塑性树脂的表面精整层可以3D打印于带有暴露的条带的物体的部段上。可选地，施加表面精整层是单独的步骤，或者作为步骤1204的一部分进行。还可以增加附加的步骤以形成附连结构或排齐结构等。例如，在将连续纤维条带施加在3D物体的已3D打印的框架上之后，可以进行附加的3D打印以将附连结构或排齐结构增加到连续纤维条带的表面上。

现参照图13和图14，分别示出了在根据本发明实施方式制造的其他3D物体内的、邻近边缘部分的分层结构以及邻近在水平位置和倾斜位置之间的过渡部的分层结构。如在图13和图14中更清晰地所示，通过在局部区域内层叠式地打印(图13)、或者通过以一定角度打印3D物体的一部分——该角度相对于3D物体的另一部分是倾斜的(图14)，可以利用3D打印头部以形成物体的不平坦的部分。

现特别地参照图13，可以利用3D打印头部以形成树脂层1300，该树脂层1300具有特征部1302例如沿着3D物体的周边的边缘。在该示例中，特征部1302防止条带层1304和1306受损坏，该损坏可能使条带层内的纤维暴露，并引起条带的进一步磨损或伤害触碰暴露的纤维的任何人。

现特别地参照图14，可以利用打印头部和铺放头部以形成3D物体的相对于建造基座208大致水平的第一区域、以及相对于第一区域及建造基座208均倾斜的第二区域。可选地，利用打印头部设置或沉积支承件1400。可以在制造多个3D物体期间使用支承件1400，或者，可以在每次制造3D物体时形成新的支承件1400并且将其随着3D物体从建造基座208移除。支承件1400提供了在其上待形成倾斜的第二区域的支承表面。在建造基座208及支承件1400上形成由未填充树脂制成的层1402。例如，通过带有五个或更多个运动轴的机械臂或台架式机器人承载打印头部。利用该机器人系统，打印头部可以在X方向上及在Y方向上移动以形成如参照图2至图4所描述的层，并且随后在形成下一层之前在Z方向上行进。另外，利用该机器人系统，打印头部还可以在X-Z平面及Y-Z平面上移动，从而支持不包含在X-Y平面内层或特征部的形成。同样地，在分配条带或丝束以形成层1404和1406等时，铺放头部也可以在X-Z平面及Y-Z平面上移动。

根据本发明实施方式的装置适用于快速原型设计(RP)应用以及低容量和/或定制的制造需求。特别的是，装置适用于生产对于汽车应用典型的“板”型部件。相比于现有RP过程，3D打印部分和纤维加强部分的结合导致具有明显更好的结构性能的部件的制造。另外，在不使用专用工具或芯轴的情况下，可以制造复杂的部件。

在本文中描述的实施方式是简化的，以更好地传达对本发明的清晰的理解。可选地，可以设置超过一个单一的3D打印头部104和/或超过一个单一的铺放头部106。例如，可以设置多个3D打印头部和/或多个铺放头部，以增加制造的速度，以便支持包含不同材料(例如不同颜色、不同纤维/矿物填充树脂、不同条带的厚度或宽度等)。

尽管上述描述构成本发明的多个实施方式，但应当理解的是，在不背离权利要求的合理意义的情况下，本发明易于进行进一步的修改和改变。