轮廓。通 常，当通过多个放射状递增壳体构建球形或半球形物体时，这种类型的打印机可能是特别 有用的，例如可以用于形成高尔夫球的球芯。
[0029] 所描述的3D打印机50包括弧形轨道52,其配置为支承活动滑架54。弧形轨道52 大体上设置在正交于工作台面30的轨道平面中，并且可具有从设置在邻近的工作台面30 上的点60延伸出的恒定的曲率半径58。
[0030] 活动滑架54利用可允许其沿着轨道52平滑地平移的例如一个或多个轮、轴承、或 套管组件，支承在弧形轨道52上。第一马达62和驱动机构可以是与滑架54和/或轨道52 关联的，以沿着轨道52可控地平移和/或定位滑架54。通常，沿着轨道的滑架的位置可形 成相对于垂直于工作台面30的轴66的方位角64。驱动机构可包括，例如，在一个或多个轨 道元件内部延伸的链条或皮带，或齿条小齿轮式齿轮传动。
[0031] 滑架54可支承伸长臂68,其可进而支承打印头12。伸长臂68可以相对于滑架54 可控地平移，以完成打印头12的径向运动。在一种配置中，伸长臂68可利用例如与滑架54 关联的第二马达70,在纵向上平移。第二马达70可配置为驱动可与伸长臂关联的齿条小齿 轮式齿轮传动装置、滚珠丝杠、或导螺杆。伸长臂68的平移因此控制了打印头12的径向位 置72。
[0032] 运动控制器18可以以电力连通第一马达62和第二马达70,以分别控制打印头 12的方位角64和径向位置72。运动控制器18可体现为一个或多个数字计算机、数据处理 装置、和/或数字信号处理器（DSP)，其可具有一个或多个微处理器或中央处理器（CPU)、只 读存储器（R0M)、随机存取存储器（RAM)、电可擦可编程只读存储器（EEPROM)、高速时钟、模 拟-数字（A/D)电路、数字-模拟（D/A)电路、输入/输出（I/O)电路、和/或信号调节和 缓冲电子设备。运动控制器18可进一步与计算机可读的非临时性存储器关联，该计算机可 读的非临时性存储器具有存储在其上的数控程序，该数控程序详细说明了在球面坐标中打 印头12相对于工作台面30的位置（即，径向位置、极角、和方位角（八汰炉)）。
[0033] 虽然打印头12的方位角64和径向位置72可由马达62、70控制，极角可通过轨道 相对于工作台面30的旋转控制，例如图3所示的，或通过工作台面30相对于轨道52的旋 转控制，例如图4所示的。在图3中，第三马达74与轨道52关联，并配置为关于垂直于工 作台面30的轴76旋转轨道52 (和轨道平面）。相反地，图4举例说明了具有固定轨道54 并且其中极角是利用可旋转的转盘78控制（其中，转盘78定义工作台面30)的实施例。
[0034] 利用图3或图4中提供的3D打印机50,打印头12可将半球形材料层涂覆在下面 的半球形基板16上，例如图5中示意性示出的。在一种配置中，半球形材料层可通过例如打 印材料的多个环80来形成，每个环都处于90度和0度之间的不同的方位角64中。通过改 变方位角64,而不是Z轴位置，阶梯状的边缘轮廓显著减少。而且，需要仅一个自由度（即， 极维度（polar dimension))的致动以形成材料的环80。这样，3D打印机50可打印自然连 续的圆，这极大地简化了需要产生数控程序的计算要求（例如与必须调整两个不同的致动 器的致动以产生相似的圆的基于笛卡尔的控制相比）。
[0035] 利用自然球面的3D打印机50,固体半球82可通过在递增的径向距离形成多个层 /壳体来构建，其中，每个层由多个单独形成的环80形成。正如可以理解的，球面坐标控制 提供了某些优点，例如：降低了计算的复杂性；通过只控制一个马达获得了完美的圆环；消 除了修平粗糙的边缘轮廓的需要；以及通过保持喷嘴在表面的大部分位置中垂直于基板 16来获得的增强的均匀性。此外，利用多个层成型固体半球允许固体半球的成分随径向距 离变化。
[0036] 虽然3D打印利用自然球面坐标的3D打印是一种创建固体半球的方式，同时克服 了表现在图1和2中的缺陷，但在另一种配置中，可对打印头喷嘴24进行修改以克服关于 图2描述的干扰问题。例如，图6举例说明了打印头88的实施例，其中，喷嘴24的壁厚90 被最小化，喷嘴24的长度92被延长，以及喷嘴的拔模角度（draft angle) 93接近90度。以 这种方式，当通过打印头88打印半球的基础环（即，最接近工作台面30)时，打印头88的 喷嘴24或相对较宽的主体部分94不大可能与基板16接触。
[0037] 如图6所示，在一种配置中，固体原材料14可以以热塑性细丝94的形式被接收， 热塑性细丝94可通过连续供给机构96被吸入到打印头88中。连续供给机构96可包括， 例如，一对轮98,其设置在细丝94的相对两侧，其可以可控地以相反的方向（并以大致相等 的边缘速度）旋转。
[0038] -旦在打印头88中，原材料14可经过能够恪化热塑性塑料的初级加热元件100。 在一种配置中，初级加热元件100可位于打印头的主体部分94内部。为了避免热塑性塑料 在细长形喷嘴24内部重新固化，次级加热元件102可额外地设置在喷嘴24内部。次级加 热元件102可以是，例如，整合到喷嘴24中的薄膜电阻器（例如，通过包裹内壁、丝网印刷 至内壁上、或通过蚀刻阴模成型），以便最小化喷嘴24的壁厚。在一种配置中，次级加热元 件102与初级加热元件100相比可以是低功率的加热元件，但能够将喷嘴24的温度保持在 或超过热塑性塑料的熔点。在另一实施例中，次级加热元件102可以是细长形薄壁喷嘴本 身，例如，如果其由铁磁金属形成并利用一个或多个外部设置的磁场发生器感应加热。
[0039] 如上所指出的，喷嘴24也可包括在其远侧尖端的锥度，也被称为拔模角度93。当 相对于正交于喷嘴的纵轴的平面进行测量时，其中90度是没有锥度（即，完美的圆柱形）， 拔模角度93为大约45度至大约90度的角，或更优选地为大约75度至大约90度的角。该 陡峭的拔模角度可特别适用于制作近似半球形的物体，并且相比于传统的喷嘴非常陡，传 统喷嘴包括大约15度至大约45度的拔模角度。锥形部分的纵向长度92为大约IOmm至大 约20mm，甚至为大约IOmm至大约30mm。如图6大体上举例说明了具有90度拔模角度的喷 嘴24,锥形部分的纵向长度92将被定义为整个圆柱长度，如所示。
[0040] 在一个利用薄膜加热元件的配置中，喷嘴的外表面104可以是次级加热元件102 的径向外面。在一个拔模角度是90度的配置中，外表面104可具有大约0. 7mm至大约5mm 的直径，和大约0. 15mm至大约Imm的壁厚90。在一个具有小于90度的拔模角度的配置中， 在最尖端的壁厚为大约〇. 15至大约1_，以及孔口 26的直径可为大约0. 4至大约I. 2_。
[0041] 图7-9举例说明了三个不同的打印头110、112、114，其可用于创建混合了两种不 同的聚合物的固体半球形物体。如图所示，每个实施例11〇、112、114包括第一进给机构120 和第二进给机构122,其每个被分别配置为将材料14连续地吸入至打印头中。每个进给机 构120、122被分别配置为接收不同的原材料124、126。那么，通过孔口 26的熔化的材料的 总流量将是由各自的进给机构接收的材料的总和。进给机构120、122可因此通过指定所期 望的构成比和所期望的输出流量来控制。
[0042] 第一和第二进给机构120、122可被单独控制，例如，通过进给控制器130,如图7所 示的。在一种配置中，进给控制器130可被整合到上述运动控制器18中，其中，指定打印头 运动的数控程序进一步用于指定各自的进给速率。每个进给机构120、122可包括，例如，可 用于以相反的方向驱动进给轮98 (例如，通过一个或多个齿轮或类似的力传递元件）的相 应的马达132、134。在一种配置中，马达132、134可具有环形形状，其中，细丝可通过中空型 芯（hollow core)136。
[0043] 当每个各自的细丝进入打印头110的主体部分94时，其可被各自的初级加热元件 138熔化。在一种配置中，每个细丝可具有不同的初级加热元件，例如，其能够根据各自的 细丝的进给速度和熔点调节其热输出。在另一种配置中，两个初级加热元件138可互相关 联，这样它们都输出类似数量的热能。初级加热元件138可包括，例如，电阻丝、电阻薄膜、 或电阻片，其可缠绕在打印头110的主体内部94