用于三维物体的生产的方法和设备与流程

本发明涉及一种用打印材料生产和/或处理三维物体的方法和设备，所述打印材料以离散的三维打印材料元件的形式被分配在目标位置处。

背景技术：

三维物体的增材制造(通常称为三维打印或3d打印)是一种快速发展的制造技术，具有越来越多大量的可能的应用，所述应用包括私人应用(例如，在艺术、模型制作、珠宝、时装等领域中)和在各种各样的工业部门中的工业应用(例如，快速原型制作、以及范围延伸到食品的生产的标准零部件的生产)，范围延伸到医学和生物技术的科学和研究中(例如，制造与个体患者相匹配的假体，或甚至从细胞培养物制造替代器官)。三维打印设备通常被称为3d打印机。

例如在文献nl2017088a中描述了一种典型的3d打印机。该3d打印机包括打印头，该打印头可以借助于机械臂移动到工作空间内的任何期望的目标位置以在该目标位置处沉积打印材料。打印材料从进给单元供应到打印头，该进给单元被布置在机械臂上(并因此与机械臂一起移动)。可替代地，进给单元也可以被布置在设备的基板上或附近的静态位置，在这种情况下，进给单元然后通过相应的线路被连接到打印头。

在文献us2004/0231593a1中公开了一种用于在基部上产生主要二维微结构的设备。该设备包含作为其主要部件的施加头，该施加头被配置为用于分配被计量的液滴，并且该施加头根据喷墨原理以压电的方式进行工作。施加头可以在两个维度上在计算机控制下移动到基部的任何所需的目标位置，施加头在该目标位置上逐滴地沉积打印材料。打印材料或从安装在施加头上的贮存器和/或经由通向施加头的供应线路而被供应到施加头。该设备还可以具有多个施加头或可更换的施加头，这些施加头也可以供应不同的打印材料。此外，该文献提到，尽管只是非常一般地提及，打印材料的液滴也可以逐个地沉积，结果是将产生三维(微)结构。在该文献中没有提到狭义上的3d打印，也就是没有提及宏观的三维物体的生产。

当前的3d打印机通常用一种材料来进行工作，通过几种公认的方法(例如，融合沉积建模(fdm/fff)法、立体光刻(sla)法、数字光处理(dlp)法、选择性激光烧结(sls)法、选择性(金属)激光熔化(slm)法、或喷射法(多喷射融合，hss))中的一种方法用一种材料来构造三维物体。

越来越多地，使用能够使用多种材料的3d打印机(多3d打印)，所述一定量的多种材料被保持在所讨论的打印机上并且根据需要而被使用，例如以已经预先填充有不同材料的多个盒的形式，或以包含呈线形式(通常是塑料的，但也可以是金属线)的打印材料的不同的可选的卷筒的形式。此类3d打印机在终端产品(即，要打印的物体)的材料组成方面已经允许具有更大程度的灵活性，但是在这种情况下，可以被使用的打印材料的范围通常受到可用的打印方法的限制，并且通常仅限于例如使用不同颜色的相同类型的打印材料或多种易于区分的材料(例如，当打印材料已经固化时具有不同的硬度)。

但是，无论哪种方式，例如，对于新材料或新开发的材料来说都不可能被临时使用，因为通常地，首先必须生产可打印的制剂(在液体应用的情况下)或线形式的材料。但是，这使得临时的决定是不能实践的，并因此，例如，即使在研究和开发中，至少也涉及大量的额外支出和准备工作，并且对于自动化而言是复杂的。

但是，在研究和开发领域中，例如在开发适用于3d打印的新材料中，由于这个原因，还有一个缺点是，需要将一定量的打印材料保持在预先填充的容器和计量盒中或以一些其他的预先制备的形式保持，这是因为新开发的材料通常只以非常少的量合成和/或配制，因为该材料还根本不能以所需的形式被配制(例如，因为该材料是具有较差溶解性的粉末的形式)，因为用作打印材料的线首先必须由新型的合金制成，或者仅仅是因为当考虑到材料样品仅使用一次或用于少量次数的实验，(手动)填充合适的计量容器非常费力且效率低下。

在生物技术中，例如在从生物材料或从培养的细胞生产人造器官的过程中，也会出现类似范围的问题。在这种情况下，在打印材料可以在3d打印机中使用之前，必须首先生产足够量的打印材料并将该打印材料填充到合适的计量设备(例如，类似于注射器的盒)中。另外，不能以冷冻状态施加活的细胞，因此需要使用细胞悬浮液。

此外，研究和开发领域工作的科学家通常希望知道，对于每种被施加的打印材料元件，施加多少量，尤其是在计量过程中表现不同的新材料情况下，科学家希望在将打印材料元件施加到正在被打印的物体之前快速地决定他是否将施加该打印材料元件。在这种情况下，能够决定是否施加足够量的材料是有利的，并且应该可以决定实际上是否施加了例如太小或太大的材料样本。

技术实现要素：

现在，本发明的目的是提供一种用于生产三维物体的方法和相应的设备，所述方法和相应的设备避免了已知的3d打印机的所描述的缺点，并且特别是在材料的选择、材料的范围、以及不同材料和材料类型之间的组合方面提供了额外的选项。

优选地，本发明应该使得研究人员例如能够简单地测试在简单的玻璃容器中存在的物质。此外，在优选的实施例中，对于每个待施加的打印材料元件，研究人员应该能够通过使用例如预编程的决定函数(例如，“如果错误率＜0.1mg，则添加/施加；否则，丢弃并重试”)在施加之前快速地决定是否施加该打印材料元件。另外，还应该优选的是，可以将极少量的两种或更多种材料(例如，在液体中难以溶解的粉末，等等)混合在一起，并且然后施加该材料。

通过根据本发明的独立权利要求1中限定的方法和独立权利要求19中限定的设备，解决了本发明的问题。特别地，根据本发明的方法和根据本发明的设备的有利的改进和实施例是各个从属专利权利要求的主题。

关于方法，本发明的核心在于以下内容：所述方法是用打印材料生产和/或处理三维物体，所述打印材料以离散的三维打印材料元件的形式分配在目标位置处，计量设备移动到至少一个贮存器，在所述贮存器中保持一定量的打印材料。借助于所述计量设备从所述至少一个贮存器提取打印材料。所述计量设备移动到以所有三个空间维度限定的目标位置；以及在所述目标位置处，借助于所述计量设备将被计量的打印材料的量施加到基部、或施加到在所述基部上布置的三维物体、或施加到在所述基部上正在被构造的三维物体，从而形成打印材料元件。打印材料元件的形成被重复，直到所述三维物体已被完全构造和/或处理为止。

使用用于提取、输送和施加打印材料的计量设备使得可以处理几乎任何期望的打印材料，并且因此可以用几乎任何期望的打印材料来生产和/或处理物体。

有利地，保持一定量的两种或更多种不同的打印材料；以及选择和提取不同的打印材料，以便用不同的打印材料构造和/或处理所述三维物体。

在一个有利的实施例中，所使用的一种或多种打印材料是液体、被溶解或悬浮在液体中的固体、细胞悬浮液、或生物材料。

在另一有利的实施例中，所使用的一种或多种打印材料是可渗透的固体或无定形的固体、或冷冻的物质。可渗透的固体或无定形的固体应被理解为例如蜡状物质或诸如巧克力之类的物质。

在另一有利的实施例中，所使用的一种或多种打印材料是粉状固体或颗粒状固体。

在一个有利的实施例中，借助于所述计量设备，在每种情况下被提取的打印材料的量定量地对应于打印材料元件。因此，由所述计量设备分配或施加的打印材料的量精确地对应于所提取的打印材料的量。

在一个有利的实施例中，在每种情况下被提取的所述打印材料的量在施加到所述基部、或施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体之前被重力测量法地称重；以及基于称重的结果和预设的标准，做出所提取的量是被补充或是被丢弃以及提取新的量的决定。这允许改进正在被构造或处理的三维物体的质量。

在一个有利的实施例中，通过施加定向的辐射或热或通过一些其他的硬化或聚合方法，由处于目标位置的所述计量设备以打印材料元件的形式被施加到所述基部的所述打印材料的量被固化和/或熔合到所述基部，或者被施加到在所述基部上布置的所述三维物体的所述打印材料的量被固化和/或熔合到所布置的所述三维物体，或者被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体的所述打印材料的量被固化和/或熔合到在所述基部上已经被部分地构造的所述三维物体。各个打印材料元件由此被局部地固定在适当的位置。

有利地，所述计量设备包括可更换的计量工具，所述计量工具在改变要提取的打印材料之前被丢弃并且被新的计量工具替换。从而避免了污染问题。

可替代地，所述计量工具在改变要提取的打印材料之前被清洁。

在一个有利的实施例中，所述三维物体的构造和/或处理借助于附加的打印系统部分地实现，所述附加的打印系统本身也被配置用于三维物体的生产和/或处理，在这种情况下，借助于所述计量设备和所述附加的打印系统两者将打印材料元件施加到所述基部、或施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体。因此，例如，可以借助于所述附加的打印系统来构造三维物体的基本结构，并且可以借助于计量设备将其他结构添加到这些基本结构，这些其他结构可以由例如不能通过该附加的打印系统进行处理的打印材料组成。

在一个有利的实施例中，至少一种打印材料被配置成使得被施加到所述基部或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体的所述打印材料元件具有材料去除作用，以便从所述三维物体去除材料。由此，三维物体也可以被逐点地分解，也就是说，被以减法的方式处理。因此，根据本发明的方法不仅可以用于增材制造，而且如果需要的话，还可以以减法的方式来被使用。

在一种有利的实施例中，仅在所述打印材料元件激活之后，特别地在借助于热或辐射的激活之后，才发生所述材料去除作用。以这种方式，例如，临时支撑结构一旦不再被需要便可以被去除。

为了使所施加的打印材料元件具有材料去除作用，所述至少一种打印材料可以例如是酸或溶剂的形式。

在另一个有利的实施例中，至少一种打印材料被配置成使得被施加到所述基部或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体的所述打印材料元件逐点地修改所述三维物体的物理性质或化学性质。例如，这可以被用于三维物体的那些部分的电导率的逐点修改，该三维物体例如由硅组成，特别地用于硅的掺杂。

在另一个有利的实施例中，借助于所述计量设备，从至少两个贮存器中依次地提取不同的打印材料，并且所述不同的打印材料被输送到以所有三个空间维度限定的目标位置，以及在所述目标位置，所述不同的打印材料依次地被施加到所述基部、或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体。因此可以加速所述三维物体的构造或处理。

可替代地，借助于所述计量设备，从至少两个贮存器中依次地提取不同的打印材料，所述不同的打印材料被输送到以所有三个空间维度限定的目标位置，以及在所述目标位置所述不同的打印材料被施加到所述基部、或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体，所述不同的打印材料在施加之前在所述计量设备中彼此混合。这可以加速物体的构造，特别是在双组分的系统的情况下是这样。

在另一有利的实施形式中，所述计量设备具有至少两个计量通道，借助于所述计量通道从一个或多个贮存器中依次地或同时地提取一种或多种打印材料，以及然后所述一种或多种打印材料被输送至以所有三个空间维度限定的至少一个目标位置，以及在所述目标位置处所述一种或多种打印材料被施加到所述基部、或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体。由此可以加速三维物体的构造或处理。

关于设备，本发明的核心在于以下内容：一种用打印材料生产和/或处理三维物体的设备包括用于将打印材料以离散的三维打印材料元件的形式分配在目标位置处的装置。所述设备包括计量设备，所述计量设备被配置为从至少一个贮存器中提取打印材料，在所述贮存器中保持一定量的打印材料。所述设备包括输送设备，所述输送设备被配置为将所述计量设备移动到所述至少一个贮存器，并将所述计量设备输送到以所有三个空间维度限定的目标位置。所述计量设备还被配置为将所述计量设备已经提取的打印材料以被计量的量施加到基部、或施加到在所述基部上布置的三维物体、或施加到在所述基部上正在被构造的三维物体。

用于提取、输送和施加打印材料的计量设备允许处理几乎任何期望的打印材料，并且因此可以用几乎任何期望的打印材料来生产和/或处理物体。

有利地，所述计量设备具有设置在保持器中的至少一个计量工具，所述计量工具被配置为安装在所述计量设备的计量头中并且从所述计量设备的所述计量头再次移除；所述输送设备被配置为将所述计量头移动到设置在所述保持器中的所述计量工具，并被配置为将所述计量工具安装在所述计量头中。此外，所述输送设备还被配置为使所述计量设备与被安装的计量工具一起在所述贮存器上方移动，并将所述计量工具浸入到所述贮存器中保持的一定量的打印材料中，由此所述计量工具可以提取限定量的所述打印材料。使用可安装在计量头中的计量工具意味着，始终可以针对每种打印材料以及根据要分配的打印材料元件的尺寸来使用最佳的计量工具。

优选地，所述输送设备包括由控制计算机控制的操纵机器人。有利地，所述操纵机器人被配置为使得该操纵机器人实现至少100-200μm的空间定位精度，优选地实现低至1-2μm的空间定位精度。

在有利的实施例中，所述设备包括用于相同打印材料或不同打印材料的多个贮存器；所述贮存器由独立的容器形成、或由优选地具有多个井孔的板形成，所述贮存器特别地由玻璃或塑料制成。即使没有井孔，所述板也可以充当用于在其上堆积打印材料的一个或多个容器。

在一个有利的实施例中，所述设备包括设置在所述保持器中的多个计量工具；并且所述计量工具呈不同尺寸的管或毛细管的形式，打印材料能够被引入到所述管或毛细管中并且从所述管或毛细管再次分配。提供多个不同的计量工具使得可以在每种情况下选择最合适的工具。

有利地，所述管具有可在所述管中移动的柱塞，能够通过所述柱塞的缩回在液体打印材料中通过抽吸而提取限定量的打印材料，以及通过所述柱塞的向前移动而从所述管再次分配所述限定量的打印材料。优选地，所述柱塞比所述管更长并且在所述管的上端部处从所述管突出。

有利地，所述管具有能够在所述管中移动的柱塞，能够通过管插入到固体或无定形的打印材料或粉末或颗粒中而提取限定量的打印材料，以及通过所述柱塞的向前移动而从所述管再次分配所述限定量的打印材料。优选地，所述柱塞比所述管更长并且在所述管的上端部处从所述管突出，在插入之前，所述柱塞缩回在所述管中，并因此当所述管被插入到固体或无定形的打印材料或粉末或颗粒中时允许提取限定量的打印材料，然后可以通过所述柱塞的向前移动从所述管中再次喷射出所述限定量的打印材料。所述柱塞可以在所述管中松散地移动并且不需要在管中紧密地滑动，也就是说，不需要密封所述管。

已经证明，作为计量工具的管在其他应用中使令人满意的，并且最适合于根据本发明的设备。可替代地，所述计量工具也可以是一次性注射器的形式。一次性注射器也非常适用于根据本发明的设备。

在其他有利的实施例中，代替管，也可以使用具有圆柱状、杆状、球形或其他形状的实心本体，所述实心本体特别地被浸入到液态或粉状的打印材料中，使得少量的液滴或少量的粉末会粘附到计量工具，并且然后可以被设定到适当的位置。在那种情况下，计量工具优选地为不同尺寸的杆的形式，当所述杆浸入到打印材料中时，打印材料粘附到所述杆的一个端部。这在计量特别少量的量以及允许非常精细的分辨率和非常小的结构时特别有用。

在一个有利的实施例中，所述设备也可以配备有加热器或辐射源，所述加热器或辐射源用于在所述计量工具被安装在所述计量头中的状态下对所述计量工具进行加热。因此，在所述计量工具中存在的打印材料的量例如可以在被输送到目标位置或施加点时被保持在熔化状态。

在一个有利的实施例中，有利地，所述设备具有至少一个辐射源，所述辐射源用于对被施加到基部的所述打印材料量、或被施加到在所述基部上布置的三维物体的所述打印材料量、或被施加到在所述基部上正在被构造的三维物体上的所述打印材料量进行高精度的作用。因此，所施加的打印材料元件可以被熔化、固化或交联并且被局部地固定在适当的位置。

有利地，所述至少一个辐射源布置在计量头上。因此，不需要费力地将辐射源与目标位置对准。

有利地，所述计量工具被配置为使得由所述至少一个辐射源发射的辐射可通过所述计量工具传导至被施加的打印材料的量。

有利地，所述至少一个辐射源被配置为用于使打印材料熔化或硬化。

有利地，所述设备包括用于不同打印材料的两个或更多个贮存器；并且所述设备被配置为从不同的贮存器中选择打印材料并且将所述打印材料提取到所述计量设备中，所述三维物体能够由两种或更多种不同的打印材料构造。

在一个有利的实施例中，所述设备包括至少一个独立的附加的打印系统，所述附加的打印系统自身也被配置为用于三维物体的生产和/或处理。优选地，所述设备被配置用于部分地借助于所述计量设备并且部分地借助于所述附加的打印系统来构造和/或处理所述三维物体。因此，例如，可以借助于所述附加的打印系统来构造和/或处理物体的子结构，并且可以借助于计量设备将其他结构添加到这些子结构，这些其他结构可以由例如不能通过该附加的打印系统进行处理的打印材料组成。从而提高了该设备的通用性。

在另一有利的布置中，该设备也可以被用于去除三维物体的构成部分，例如通过逐点地施加合适的溶剂或酸来去除三维物体的构成部分，为此目的，在至少一个贮存器中保持一定量的这种溶剂或酸。

在另一有利的实施形式中，所述计量设备具有至少两个计量通道，借助于所述计量通道能够从一个或多个贮存器中依次地或同时地提取一种或多种打印材料，以及然后所述一种或多种打印材料被输送至以所有三个空间维度限定的至少一个目标位置，以及在所述目标位置处所述一种或多种打印材料被施加到所述基部、或被施加到在所述基部上布置的所述三维物体、或被施加到在所述基部上正在被构造的所述三维物体。因此可以加速三维物体的构造或处理。

附图说明

下面参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1至图7示出了在打印过程的各个工作步骤期间根据本发明的设备的第一示例性实施例的示意图；

图8至图13示出了在构造三维打印的物体的各个工作步骤期间计量工具的示意性截面图；

图14至图19示出了在打印过程的各个工作步骤期间三维打印的物体的构造的示意性细节透视图；

图20示出了具有形成一体的附加的打印系统的根据本发明的设备的另一示例性实施例的示意图；

图21示出了计量工具的可替代的形式；

图22示出了所述设备的详细变型的示意图。

图23至图28示出了在用两种不同的未混合的打印材料构造三维打印的物体的各个工作步骤期间计量工具的示意性截面图；

图29至图34示出了在用混合在一起的两种不同的打印材料构造三维打印的物体的各个工作步骤期间计量工具的示意性截面图；

图35至图38以示意图的形式示出了具有材料去除作用的具有打印材料元件的三维物体的处理；和

图39示出了具有四个计量通道的计量设备的示意性透视图。

具体实施方式

以下观察适用于以下描述：为了附图的清晰起见，如果在图中包括附图标记，但在说明书的直接相关联部分中未提及该附图标记，则应参考在说明书的前面的部分或后面的部分中的那些附图标记中的解释。相反，为了避免附图过于复杂，与快速理解无关的附图标记并未被包括在所有附图中。在这种情况下，应参考其他附图。

在每个打印步骤中施加到相应的支撑物(基部、或在基部上布置的三维物体、或在基部上正在构造的三维物体)上的打印材料的量的单元，无论其具体的几何形状如何，均被称为打印材料元件。在本发明的上下文中，应将打印材料元件理解为较狭义上的打印材料的点以及线性的打印材料结构或平面的打印材料结构。

图1示出了处于空闲状态的根据本发明的设备的第一示例性实施例。整体上由附图标记100表示的设备已经被设置在基板1上，在该基板1上布置有操纵机器人10。计量头22安装在操纵机器人10上。操纵机器人10(在附图中仅示意性地示出)被配置为：将安装在该操纵机器人10上的计量头22移动到设备100内部的任何期望的空间坐标，并且因此该操纵机器人10构成计量头的输送设备。操纵机器人10作为整体相对于基板1可在垂直于附图平面的方向上沿箭头10x的方向来回移动，该箭头10x的方向在本文中仅以圆圈(在这方面，也参见图20)来表示。滑架12被布置成可沿机械臂14左右移动，所述机械臂14沿箭头10y的方向延伸，并且布置在该滑架12上的承载所述计量头22的机械臂15能够使该计量头22沿箭头10z的方向上下移动。操纵机器人10由控制计算机c控制。操纵机器人10也可以具有另外的轴线(例如，用于机械臂15的旋转的轴线)，或者操纵机器人10也可以例如是线性机器人、铰接臂机器人、scara机器人、delta机器人等形式。重要的仅仅是，如已经提到的，计量头22能够移动到设备100内部的任何期望的空间坐标，这对于操纵机器人10允许具有至少与商用3d打印机中相同的空间分辨率和定位精度是有利的，即，所述空间分辨率和定位精度为至少100-200μm，有利地低至1-2μm。附图中所示的操纵机器人10对应于例如由文献wo2016/074105a1所示的现有技术。

在基板1上布置有：用于计量工具24的保持器30；在该情况下用于不同的打印材料m、n、o的贮存器41、42和43(在此例如三个贮存器)；分析天平50，在该分析天平50上夹持有基部60；用于使用过的计量工具24的废物容器70；以及辐射源80。

计量头22被配置为在操纵机器人10的帮助下提取计量工具24，调度该计量工具以及再次释放该计量工具。计量头22与被提取的计量工具24一起形成计量设备20。附图中所示的计量设备20对应于例如由文献wo2016/074105a1或wo2017/152293a1所示的现有技术。但是，计量头22也可以以其他方式实现，只要该计量头被配置为提取、调度和释放计量工具即可。计量设备也可以例如由诸如液体处理器、筒式分配器等商用计量设备形成。

操纵机器人10允许计量设备20沿不同的空间轴线移动，使得该计量设备能够行进至打印材料贮存器以及行进至待打印的三维物体上的任何期望的点。

保持器30保持多个计量工具24。计量工具24呈管或毛细管241的形式，在该管或毛细管241中具有滑动的柱塞242(也参见图8至图11)；计量工具24例如通过柱塞242的缩回而形成腔，使得由该腔的尺寸限定的一定量的打印材料保留在该计量工具24中。因此，例如，液体可以被抽吸上来。如此配置的计量工具24同样适合于被插入到固体、蜡状固体、颗粒状固体、或粉状固体中，并用于提取所述固体、蜡状固体、颗粒状固体、或粉状固体的量的一部分。例如在文献wo2016/074105a1中描述了这种计量工具的确切的操作模式。

可替代地，计量工具也可以是呈具有一次性的末端或注射器的商用自动移液器的形式，该商用自动移液器例如根据排气原理或正排气原理起作用。它们的功能是本领域技术人员所熟悉的，并因此不再进一步详细描述。

作为另一替代方案，计量工具也可以简单地呈无空腔的非中空的实心体的形式，例如呈细杆的形式，当将细杆浸入/插入到打印材料中时，少量的物质粘附到该细杆上，然后可以将所述量的物质在三维物体上分配(例如，通过施加成点的物质而实现，也参见图21)。例如在文献wo2017/152293a1中描述了这种计量工具的确切的操作模式。

贮存器41、42和43保持一定量的三种或更多种不同的打印材料m、n和o。可替代地，打印材料也可以在其他类型的器皿中提供，例如在具有多个井孔的板中提供(例如，所谓的微量滴定板(mtp)，在所述井孔中存储少量打印材料(也参见图20)。

在一个有利的实施例中，在贮存器中提供的一定量的打印材料同时包含最多样化的材料，例如不同的液体、固体(例如蜡状固体、颗粒状固体或粉状固体)以及还有冷冻的液体(“cryo-3d打印”)、溶液和悬浮液，直至具有活细胞的全细胞培养物，上述材料被存储在合适的器皿中。这意味着，对于三维物体的每个限定的点，可以精确地限定可以使用所存储的材料中的哪些材料，这进一步允许以与迄今为止可能的材料相比具有更大范围和复杂性的材料来制造物体。除了使用以增材的方式来构造三维物体的打印材料之外，当然还可以采用逐点地去除已有结构/物体的材料，例如通过分别用酸或溶剂来蚀刻/溶解以逐点地去除已有结构/物体。

也可以仅将相对较少的一定量的打印材料保持在贮存器41、42和43中。然后可以或通过计量设备20或通过单独的计量设备来从相应的源对这些贮存器进行填充，以及进行重新填充(如果适用的话)。例如，如果所使用的打印材料中的一些打印材料要在物理上靠近该打印设备的不同设备(例如，合成设备或配制设备)中生产、并且要被用于在该打印设备中测试，则该变型特别有利。在那种情况下，使用具有小井孔的设备(例如，微量滴定板)作为贮存器将是有利的(也参见图20)。

可替代的选项是不保留一定量的打印材料，而是通过合适的工具和方法直接在设备上生产打印材料。如果打印材料本身一旦被合成或被配制后会迅速固化(例如，双组分的粘合剂，等等)，则这尤其重要。

被夹持在分析天平50上的基部60用作待被构造的三维物体p的基部。

例如以激光或uv辐射源的形式的辐射源80用于使各个打印材料元件彼此硬化/交联或融合(详细信息参见下文)。辐射源可以有利地安装在打印设备中，并且是可控制的(由控制计算机c控制)，使得该辐射源能够专门地对基部上方空间中的任何所需点进行辐射，以使位于该点处的材料熔化(融合)、硬化或交联。在另一有利的实施例中，辐射源直接安装在计量头22上，并且被定向成使得该辐射源总是精确地以被安装在该计量头22中的计量工具24的末端为目标，从而使得在该位置处所分配的打印材料元件在被分配之后可以立即融合、硬化或交联(也参见图20)。

分析天平50用于由计量设备20所分配的打印材料的量的重力测量法测量。可替代地或附加地，由计量设备所提取的打印材料的量也可以有利地借助另一分析天平来被重力测量法地测量。一种可能性是将贮存器布置在分析天平上，以便可以确定从该贮存器中去除的打印材料的量。在图22中示意性地示出了一种用于确定由计量设备或计量设备的计量工具所提取的打印材料的量的特别合适的布置。

在这种布置中，计量头22经由连接件522而被悬挂在分析天平52上，使得分析天平52对具有附接到测量头的所有物体(尤其是计量工具24)的测量头22的重量进行测量。分析天平52经由连接件524连接至操纵机器人10(在此未示出)。从图22也可以看出，计量头22配备有两个夹持钳对221和222。图22中的下部的夹持钳对221相对于计量头22是固定的，并且用于保持/释放计量工具24，或在这种情况下保持/释放计量工具24的管241。另一个夹持钳对222可以通过驱动器223而上下移动，并且用于保持/释放该计量工具24的柱塞242，并且用于使该计量工具24的柱塞242向上和向下移动。两个夹持钳对221和222以及驱动器223同样由控制计算机c(在此未示出)控制。可以在例如文献wo2016/074105a1中找到更详细的解释。

借助于分析天平52，可以在提取打印材料之前和之后、以及也在分配打印材料之后，对具有或不具有所提取的打印材料的被夹持的计量工具24的重量进行测量。这样，可以精确地确定待施加到三维物体的打印材料元件的量。基于所测量的材料的量，也可以决定是否应该施加所讨论的打印材料元件或将该打印材料元件丢弃。如果量太少，则计量工具可以例如被再次插入或浸入到相应的贮存器中，以便提取额外的打印材料。如果量太大，则可以丢弃该计量工具，以及使用不同的可能较小的计量工具来提取新鲜的打印材料。

图2示出了根据本发明的打印设备100的第一工作步骤。计量头22被操纵机器人10移动到保持器30，在保持器30处计量头22提取计量工具24，该计量工具24在此例如由管241和可移位地布置在该管241中的柱塞242组成。在下一步骤(图3)中，如果存储在贮存器42中的打印材料n是固体、或高粘性液体、或悬浮液，则将计量工具24插入到该固体、或高粘性液体、或悬浮液中，或者如果打印材料n是液体，则将计量工具24浸入到该液体中。在液体或悬浮液的情况下，计量工具24的柱塞242(图8至图11)然后被缩回以便提取限定量的打印材料n(也参见图9)，从而使所述量n0(参见图10)保留在柱塞242与管241之间所形成的腔中。精确的量n0可以通过柱塞242缩回的距离和管241的内径来控制。取决于待处理的打印材料的性质，具有0.1-1mm的内径的管通常是合适的。

在打印材料量n0已经被提取/抽吸到计量工具24中之后，计量工具再次从打印材料n中升起(图4)，并且然后被移动至基部60，在基部60处该打印材料量n0作为待生产的三维物体p的第一打印材料元件被施加在基部s上精确限定的位置处(图5)。为此目的，借助于计量头22，通过柱塞242在计量工具24内部的向下移动而从该计量工具24喷射出材料量n0，并且该材料量n0被施加到基部s上。当然，也可以通过计量工具同时地提取相同打印材料的多个部分，然后可以将所述多个部分依次地并且彼此独立地放置在三维物体p的合适位置上。第一打印材料元件n0通过辐射源80(例如，适合于相应的打印材料的激光)的辐射或通过辐射源80的热作用而被硬化或交联(图6)。

如果随后相同类型的其他打印材料元件要被用于构造该物体p，则重复图3至图6中所描述的浸入/提取/分配顺序，以便将打印材料元件设置在打印材料元件上(也参见图14至图17)，从而形成三维物体p。如果已提取足够的打印材料，则如果需要的话，可以在无需将计量工具24在中间浸入到贮存器中的情况下将多个打印材料元件依次地被施加。但是，如果要使用不同的打印材料(在这种情况下，例如，打印材料m或o)，则用过的或受污染的计量工具24(被用来对材料n进行计量的计量工具)被丢弃到废物容器70中(图6)，并且采用不同的打印材料以类似于图2至图5中所描述的步骤来继续打印操作，直到最终获得终端产品作为完成的三维物体p为止(图7)，该终端产品由彼此相互融合或硬化的多个单独的打印材料元件组成。可替代地，也可以是被用过的污染的计量工具在接下来的计量步骤之前不被丢弃，而是简单地借助于设备内部的合适的清洗设备而被清洁。

图8至图13示出了根据本发明的打印方法的详细步骤。图8示出了计量工具24，在这种情况下，该计量工具24为由玻璃(其他材料也是合适的，但取决于要使用的打印材料)制成的管241所构成的简单形式，稍微更长的柱塞242(有利地，也由玻璃制成)被可滑动地安装在该管241中。柱塞242可以借助于计量头22或操纵机器人10而相对于管241上下移动。

图9示出了计量工具24如何被浸入到打印材料n中(在所示示例中，该打印材料n为液体)，该打印材料n通过柱塞242的缩回被抽吸到管241中。在固体(例如，粉末、颗粒、或无定形固体)的情况下，在插入到固体中之前，柱塞已经被缩回限定的距离(以便获得限定尺寸的腔)，然后将该计量工具插入到固体中，由此固体的一部分将进入到管241中并保留在该管241中。

图10示出了完全填充有限定量n0的打印材料的计量工具24，这种情况例如是在计量设备20从贮存器42移动至基部60期间。

图11示出了计量工具24中所输送的打印材料量n1如何移动到其目标位置(在这种情况下，直接在先前已经设置在基部60上的合适位置处并且硬化的打印材料元件n0的顶部上)，被精确地定位，以及通过柱塞242的向下移动而被从计量工具24中推出并施加到打印材料元件n0。

如图12所示，刚被施加的打印材料元件n1通过辐射源80所生成的热/辐射/激光束(这取决于打印材料)的作用而被硬化/交联或融合到已经沉积的打印材料元件n0，从而由两个打印材料元件形成三维物体p(图13)。如果三维物体的生产需要具有不同熔化/硬化/交联方法的打印材料，则应理解的是，根据本发明的打印设备还配备有分别适合于不同的打印材料的多个熔化/硬化/交联设备(也参见图20)。根据打印材料，也可以完全省去硬化或熔化或交联、以及相对应的设备，例如使用在没有外部作用的情况下会发生固化或固体化的打印材料(例如，自干燥材料、双组分体系，……)的情况。

图21示出了可替代的杆状的计量工具243，该杆状的计量工具可以被简单地浸入到打印材料(在这种情况下为打印材料n)，由此一定量n0的打印材料粘附到该计量工具，并且然后被放置在物体p上的合适位置。

如在图20所示的示例性实施例那样，类似于将打印材料抽吸到计量工具24中和将打印材料从计量工具中喷射出以及启用辐射源80，通过控制计算机c控制计量头22借助于操纵机器人10的在三个空间方向上的移动，以用于提取或丢弃计量工具24，用于将计量工具24浸入到打印材料中以及从打印材料中移出该计量工具24，以及用于将计量工具定位在基部60上的期望的沉积位置处或定位在正在基部上构造的三维物体p上的沉积位置处。

为此目的，控制计算机使用过程控制信息，该过程控制信息对于每个待打印的点(或者，如果计量工具在分配期间沿一个或多个空间轴线移动，则对于每行)包括：每个待打印的点的空间坐标、材料的标识、材料的量、以及三维物体所有各个点的打印顺序。

图14至图19以非常简化的透视图示出了实际的打印操作，以便阐明由各个打印材料元件构造三维物体p。图14示出了基部60，该基部60具有已经施加到该基部上的第一打印材料元件n0。图15示出了如何借助于计量工具24将第二打印材料元件n1施加到打印材料元件n0(为了清楚起见，在图14至图18中未示出熔化/硬化操作)，从而使得如图16所示，由两个打印材料元件形成简单的物体。

图17示出了所构造的物体，该物体具有两个另外的打印材料元件n2和n3，在该示例中，它们一起形成简单的倒四面体。然后图18示出了如何将两个另外的打印材料元件m4和m5(但是这次所述两个另外的打印材料元件m4和m5是由不同的打印材料m制成)添加到物体上。最后，图19示出了另一随后的制造步骤，其中已经将由材料n制成的其他打印材料元件添加到物体p。可以容易地看出如何借助于根据本发明的打印设备100来构造由不同打印材料构成的三维打印的物体p。

根据本发明的设备还可以具有加热器26(仅在图1中示意性地示出)，以便例如将计量工具24中所容纳的所述量的打印材料在被输送至施加点的同时保持处于熔化状态。

在图20中以高度简化的形式且示意性地示出了根据本发明的用于生产三维物体的设备的第二示例性实施例。该设备100'也如上所述地包括操纵机器人10，该操纵机器人10能够使计量头22沿所有三个空间方向(箭头10x、10y和10z)移动，以便借助计量头22而从保持器30提取计量工具24，从贮存器(在这种情况下，贮存器为具有容纳不同打印材料的多个井孔45的板44的形式)提取打印材料，构造三维物体p，以及将用过的计量工具24丢弃到废物容器70中。

在该示例性实施例中，多个(在这种情况下，特别地是两个)辐射源81和82直接被安装在计量头22上并且被定向成使得所述辐射源81和82以安装在计量头22中的计量工具24的末端为目标。这允许在不将设备作为整体进行改变的情况下在该设备中使用对用于硬化或熔化的辐射源有不同要求的多种不同的打印材料。

控制计算机c再次以结合第一示例性实施例已经说明的方式来控制操纵机器人10和(在这种情况下为两个)辐射源81和82以及计量头22。

另外，在该第二示例性实施例中，独立的打印系统90也被结合到打印设备100'中，该打印系统本身同样被配置用于生产三维物体。附加的打印系统90可以例如由常规的3d打印机来提供。

在附图所示的示例中，附加的打印系统90包括驱动设备，该驱动设备整体上由附图标记110表示，借助于该驱动设备，一方面，在其上附接基部60的板状的基部支撑物61可以在其平面中前后移动(箭头110x)，并且可以垂直于其平面而上下移动(箭头110z)，另一方面，在其上安装计量设备124的打印头122可以平行于基部支撑物61的平面而左右移动(箭头110y)。总体上，计量设备124可以相应地相对于基部支撑物61或相对于附接至基部支撑物61的基部60移动到任何期望的空间位置。计量设备124经由线路146从贮存器140供应打印材料，例如液体打印材料，并且计量设备124被配置为逐点地分配打印材料，以便在基部60上由打印材料构造三维物体p。如已经提及的，附加的打印系统90由常规的3d打印机提供，并因此不需要更详细的说明。原则上，大量的不同的3d打印机类型和技术可以被用于附加的打印系统90，例如也是在文献nl2017088a中描述的3d打印机。

操纵机器人10同样地能够将由计量头22和附接到该计量头的计量工具24组成的计量设备20移动到相对于基部支撑物61或相对于附接至该基部支撑物的基部60的任何期望的空间位置，以便如上面已经解释的那样，可以借助于该计量设备20在基部60上也构造三维物体p。因此，计量设备20和被结合的打印系统90的计量设备124然后都能够在基部60上正在被构造的同一物体p上进行工作。在控制计算机c承担着对附加的打印系统90的控制以及对过程的协调的情况下，从而一方面防止碰撞，另一方面以确保物体的最佳构造。

根据本发明的设备的该第二示例性实施例具有的优点是，该设备能够被更普遍地使用。因此，可以或通过计量设备20、或通过被结合的打印系统90，或者有利地通过计量设备20和被结合的打印系统90两者的组合，来构造三维物体。例如，被结合的打印系统90可以构造要生产的物体的基本结构，同时可以通过计量设备20来添加由该被结合的打印系统90无法处理的打印材料所制成的其他结构。为了更进一步增加根据本发明的设备的可能的应用范围，该设备还可以配备两个或更多个附加的打印系统。

图23至图28示出了根据本发明的打印方法的实施例的详细步骤，该打印方法用于采用两种不同的未混合的打印材料n和m的三维物体的加速构造。图23再次示出了具有管241和柱塞242的计量工具24，所述柱塞242可以通过计量头22或操纵机器人10而相对于管241上下移动。计量工具24已被浸入到打印材料n中，该打印材料n通过柱塞242的缩回而被抽吸到管241中。

图24示出了从打印材料n抽出之后填充有限定量n0的打印材料并被浸入到打印材料m中的计量工具24。通过进一步缩回柱塞242，将打印材料m抽吸到管241中。

图25示出了填充有限定的打印材料量n0和限定的打印材料量m0的计量工具24，两种不同的打印材料没有被混合在一起。在这种状态下，计量工具24移动到基部60。

图26和图27示出了如何将打印材料量m0和打印材料量n0分别精确地定位在其在基部60上和打印材料元件m0上的目标位置，以及通过柱塞242的向下移动而将该打印材料量m0和打印材料量n0从计量工具24中推出并进行施加。辐射源80的作用实现融合或硬化/交联，从而使得由两种打印材料元件m0和n0来形成三维物体p(图28)。

图29至图34示出了根据本发明的打印方法的实施例的详细步骤，该打印方法用于采用混合在一起的两种不同的打印材料n和m的三维物体的加速构造。图29又示出了具有管241和柱塞242的计量工具24，该柱塞242可以借助于计量头22或操纵机器人10而相对于管241上下移动。该计量工具24浸入到打印材料n中，该打印材料n通过柱塞242的缩回被抽吸到管241中。

图30示出了从打印材料n退回之后填充有限定量n0的打印材料并被浸入到打印材料m中的计量工具24。通过柱塞242的进一步缩回，打印材料m抽吸到管241中。

图31示出了填充有限定的打印材料量n0和限定的打印材料量m0的计量工具24，这两种不同的打印材料尚未混合在一起。两种打印材料量n0和m0可以在计量工具24中或在管241中彼此混合，这例如通过由柱塞242的向上和向下移动而产生湍流而实现，从而形成混合物nm，参见图32。在混合之前、混合期间或混合之后，将计量工具24移动到基部60。

图33示出了作为打印材料元件的混合物nm如何精确地定位在其在基部60上的目标位置中，以及该混合物nm通过柱塞242的向下移动而被从计量工具24中推出并被施加。辐射源80的作用实现融合或硬化/交联，从而形成三维物体p(图34)。

图35至图38示出了具有材料去除作用的基部60上的具有打印材料元件的三维物体p的处理。图35示出了基部60上尚未被处理的三维物体p。

图36示出了三种打印材料元件n1、n2和n3施加到三维物体p之后紧接着的情形。在图37中，打印材料元件n1、n2和n3已经侵入到三维物体p中，即已从物体p去除相应的材料。

图38示出了打印材料元件n1、n2和n3在被去除(例如，被洗去)之后的情形。

图39示出了具有四个计量通道d1、d2、d3和d4的计量设备220的示意性透视图。如上所述，这四个计量通道d1、d2、d3和d4中的每一个计量通道包括例如管241和柱塞242。管241和柱塞242分别能够上下移动，如分别由箭头241z和242z所示的，并且如结合图22所详细说明的。根据箭头240y，四个计量通道d1、d2、d3和d4可相对彼此水平地移位。借助于四个计量通道d1、d2、d3和d4，可以从一个或多个贮存器中依次地或同时地提取一种或多种打印材料，并且然后通过计量设备220的移动，将所述一种或多种打印材料输送到以所有三个空间维度限定的一个或多个目标位置，其中所述一种或多种打印材料可以被施加到基部60、或施加到布置在该基部上的三维物体p、或施加到正在该基部上构造的三维物体p。