摘要：
一种3D打印的高尔夫球，包括利用3D打印机形成的球芯，和通过注塑成型和压缩成型中的至少一个模制并包围球芯设置的覆盖层。球芯可通过打印第一球芯部分、打印第二球芯部分、和将第一球芯部分和第二球芯部分熔接在一起以形成球芯形成。第一和第二球芯部分的每个可分别包括多个按顺序构建的同心壳体。
技术问题语段：
如何通过3D打印技术生产具有不同运动特性的高尔夫球，以平衡多层高尔夫球中的柔软手感和良好的弹性，同时保持球的“手感”和耐久性？
技术功效语段：
本实用新型提供了一种3D打印的高尔夫球，旨在解决现有高尔夫球手感不佳、弹性不好的问题。该技术方案可以提高高尔夫球的手感和弹性，使其更适合于高尔夫运动。
权利要求：
1.一种3D打印的高尔夫球，其特征在于，包含：
由多个同心壳体形成的球芯；
其中，多个同心壳体包括：
定义球芯的内部的第一组同心壳体；
设置在第一组同心壳体径向外部并定义球芯的中间部分的第二组同心壳体；和
设置在第二组同心壳体径向外部并定义球芯的外部的第三组同心壳体；和
包括多个凹坑的覆盖层，该覆盖层以包围球芯的方式设置，该覆盖层通过注塑成型和压缩成型中的至少一个形成；和
其中，多个同心壳体包括从9个壳体至55个壳体。
2.根据权利要求1所述的3D打印的高尔夫球，其特征在于，第一组同心壳体由第一种热塑性材料形成；
其中，第三组同心壳体由第二种热塑性材料形成；和
其中，第二组同心壳体由热塑性材料的不同的混合物形成。
3.根据权利要求2所述的3D打印的高尔夫球，其特征在于，用于形成第二组同心壳体的热塑性材料的混合物随径向距离变化。
4.根据权利要求2所述的3D打印的高尔夫球，其特征在于，第一组同心壳体、第二组同心壳体、和第三组同心壳体的每个壳体具有各自同质的材料成分。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的3D打印的高尔夫球，其特征在于，球芯进一步包括设置在第一组同心壳体径向内部的同质的内芯。
6.根据权利要求5所述的3D打印的高尔夫球，其特征在于，内芯通过注塑成型、压缩成型、或铸造形成。
技术领域：
[0001]本实用新型大体上涉及一种通过3D打印工艺形成的高尔夫球。
背景技术：
[0002]高尔夫球运动是一项在业余级别和专业级别都越来越流行的体育运动。考虑到各种各样的运动风格和能力，理想的是生产具有不同运动特性的高尔夫球。
[0003]已经尝试通过赋予球横跨两至五个非连续的层的硬度分布来平衡多层高尔夫球中的柔软手感和良好的弹性，以这种方式来保持两种特性。更硬的高尔夫球通常将实现更长的距离但更少的旋转，并因此更有利于发球但更难控制更短的击球。另一方面，更软的高尔夫球通常将经历更多的旋转并因此更容易控制，但将缩短距离。此外，某些设计特性可能会在击球时影响球的“手感”和球的耐久性。
[0004]三维(3D)打印是一种从数字模型制作三维固体物体的方法。打印是一种加法过程，其中连续层建立在之前的层上以“长出”物体。3D打印不同于可依靠填充模具或移除材料——例如，通过切削或钻孔——的其它的成型或制造工艺。
发明内容：
[0005]为了解决上述技术问题，获得具有更好手感和良好弹性的高尔夫球，本实用新型提供一种3D打印的高尔夫球。本实用新型所采用的技术方案如下：
[0006]一种3D打印的高尔夫球，包含：由多个同心壳体形成的球芯；其中，多个同心壳体包括：定义球芯的内部的第一组同心壳体；设置在第一组同 心壳体径向外部并定义球芯的中间部分的第二组同心壳体；和设置在第二组同心壳体径向外部并定义球芯的外部的第三组同心壳体；和包括多个凹坑的覆盖层，该覆盖层以包围球芯的方式设置，该覆盖层通过注塑成型和压缩成型中的至少一个形成；和其中，多个同心壳体包括从9个壳体至55个壳体。
[0007]进一步地，第一组同心壳体由第一种热塑性材料形成；其中，第三组同心壳体由第二热塑性种材料形成；和其中，第二组同心壳体由第一种热塑性材料和第二种热塑性材料的不同的混合物形成。
[0008]进一步地，用于形成第二组同心壳体的第一种热塑性材料和第二种热塑性材料的混合物随径向距离变化。
[0009]进一步地，第一组同心壳体、第二组同心壳体、和第三组同心壳体的每个壳体具有各自同质的材料成分。
[0010]进一步地，球芯进一步包括设置在第一组同心壳体径向内部的同质的内芯。
[0011]进一步地，内芯通过注塑成型、压缩成型、或铸造形成。
[0012]一种高尔夫球，包括利用3D打印机形成的球芯，和通过压缩成型和注塑成型中的至少一种在球芯的周围位置模制的覆盖层。球芯可通过打印第一球芯部分、打印第二球芯部分、和将第一球芯部分和第二球芯部分熔接在一起以形成球芯来形成。第一和第二球芯部分的每个可分别包括多个按顺序构建的同心壳体。
[0013]第一组同心壳体以顺序方式从配置在径向最内侧的位置处的壳体开始打印。在一种配置中，第一组同心壳体包括第一壳体和第二壳体。第一和第二壳体的每个可分别具有同质的材料成分。而且，第一壳体的材料成分可以与第二壳体的材料成分不同。第二球芯部分可与第一球芯部分具有相同的结构和成分。
[0014]第一组同心壳体的每个可设置在第一球芯部分内部的不同的径向位置。第一球芯部分的打印可包括使每个各自的壳体的材料成分随该壳体的径向位置变化。在一种配置中，第一球芯部分包括径向向内部分、径向向 外部分、和径向设置在径向向内部分和径向向外部分之间的中间部分。以这种方式，径向向内部分可由第一种材料形成，径向向外部分可由第二种材料形成，以及中间部分可以是第一种材料和第二种材料的不同的混合物。
[0015]在一种配置中，将第一球芯部分和第二球芯部分熔接包括将第一球芯部分和第二球芯部分以相对配置的方式设置在模具内部，和加热该模具至超过各自的第一球芯部分和第二球芯部分的每个的熔点的温度。可选择地，两个球芯部分可通过将第二球芯打印在第一球芯部分上来熔接。
[0016]结合附图通过以下对实施本实用新型的最佳方式进行的详细说明，本实用新型的以上特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。
[0017]“一个”、“这”、“至少一个”以及“一个或多个”可互换地使用以便指示存在至少一个物项；除非上下文另有清楚指示，可以存在多个此物项。在本说明书——包括所附权利要求书——中的所有参数(例如，数量或条件)的数值在所有实例中应理解为由术语“大约”修饰，无论“大约”是否实际上出现在数值之前。“大约”是指规定的数值允许一些轻微的不精确(非常接近该值的精确值；大约或合理地接近该值；几乎)。如果由“大约”提供的不精确性在本领域中另外不以这种常规的意思理解，那么“大约”在此可用于指示至少可由测量以及使用这样的参数的普通方法引起的变化。此外，范围的公开包括对所有值以及在整个范围内进一步划分的范围的公开。在范围内的每个值以及范围的端点由此作为单独实施例被全部公开。在本实用新型的说明书中为了方便起见，“聚合物”和“树脂”可互换地使用以包括树脂、低聚物、以及聚合物。术语“包含”、“含有”、“包括”以及“具有”是包容性的并且因此指定所述物项的存在，但是不排除其它物项的存在。如在本说明书中所使用的，术语“或”包括一个或多个所列出物项中的任一个或所有组合。当术语第一、第二、第三等用于区分彼此不同物项时，这些指定仅仅是为了方便但并不限制这些物项。
具体实施方式：
[0032]参照附图，其中相同的附图标记在不同的视图中用于标识相似或相同 的组件，图1示意性地举例说明了高尔夫球10，其包括热塑性球芯12、和包围球芯12的覆盖层14。虽然举例说明的球10具有两件式结构(即，球芯12和覆盖层14)，在其它实施例中，球10可以是三件式或多于三件式的结构，具有设置在覆盖层14和球芯12之间的附加的中间层(包括，例如，交联的热固性层)。在举例说明的两件式的实施例中，球芯12可具有，例如，从大约22mm至大约42mm范围的直径。在三件式球中，球芯12可具有，例如，从大约22mm至大约32mm范围的直径。应该注意的是，为了本说明书的目的，如果一层“径向包围”另一层(例如，覆盖层径向包围球芯)，不应推断出这两层必然相互接触，因为其它中间层可设置在这两层之间。
[0033]通常，覆盖层14可定义球10的最外部分16，并且可包括任何期望数量的凹坑18，包括，例如，在280和432个总凹坑之间，并且在一些实例中，在300和392个总凹坑之间，并且典型地在298至360个总凹坑之间。如本领域已知的，具有凹坑通常会降低球的空气动力阻力，当球被恰当地击中时，其可提供更远的飞行距离。
[0034]在组装完毕的球10中，覆盖层14可基本上与球芯12同心，这样，它们共享一个公共的几何中心。此外，覆盖层14和球芯12的质量分布可以是均匀的，这样，它们各自的质量中心、和球10的质量中心整体上与几何中心一致。
[0035]覆盖层14可大体上由热塑性材料形成，其可围绕球芯12被压缩成型或注塑成型。在一种配置中，覆盖层14可由具有高至约1000psi的弯曲模量的热塑性聚氨酯形成。在其它实施例中，覆盖层14可由离聚物形成，例如，购自杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Company)的商标名为 的商品。当使用热塑性聚氨酯时，覆盖层14可具有以肖氏D硬度计在球上测得的上至约65的硬度。在其它的实施例中，热塑性聚氨酯覆盖层可具有以肖氏D硬度计在球上测得的上至约60的硬度。如果其他离聚物被用于形成覆盖层，覆盖层可具有以肖氏D硬度计在球上测得的上至约72的硬度。
[0036]球芯12可利用3D打印工艺形成，并且可具有随径向尺寸变化的成分。通常，3D打印是一种加法的部分成形技术，其通过涂覆多个连续的薄材料层逐步地构建物体。图2示意性地举例说明了可用于形成球芯12的3D打印机20的一实施例，其使用一种称为熔丝制造(Fused Filament Fabrication)的3D打印技术。
[0037]通常，3D打印机20包括：打印头22，其配置为可控地沉积/粘结原材料24至基板26上；和运动控制器28，其配置为在预定义的工作空间内部可控地平移打印头22。在熔丝制造中，打印头22可配置为接收来自于源头——例如，线轴30或料斗——的固体原材料24、熔化原材料24(例如，利用电阻加热元件32)、以及通过喷嘴34将熔化的原材料24挤出到基板26上。通常，喷嘴34可在其远侧尖端38定义孔口36，通过其熔化的材料24可离开打印头22。
[0038]一旦从喷嘴34离开，熔化的原材料24可开始冷却，并且可重新固化在基板26上。基板26可以是作为物体的底部的工作台面40，或者可以是之前形成/固化的材料层42。在熔化的原材料24涂覆在之前形成的材料层42上的情况下，熔化的原材料24的温度可导致在之前的材料层42中发生局部表面熔化。这样的局部熔化可有助于将新涂覆的材料与之前形成的层42接合。
[0039]在一种配置中，打印头22可被控制在笛卡尔坐标系统44内部，其中的三个致动器每个都可在各自的正交平面(其中，约定将X-Y平面定义为平行于工作台面40的平面，以及Z方向定义为垂直于工作台面40的维度)中引起打印头的合成运动。在另一种配置中，如图3所示，3D打印机20在球坐标系(即，径向位置、极角、和方位角(r、θ、φ))中可以是自身可控的。在任一配置(即，笛卡尔控制或球形控制)中，球芯12可通过打印增加尺寸的多个壳体以建立固体半球体或球体来形成。
[0040]为了实现球形控制，举例说明的3D打印机20包括弧形轨道50，其配置为支承活动滑架52。弧形轨道50通常设置在与工作台面40正交的轨道平面内部。此外，轨道50可具有从设置在邻近的工作台面40上的点58 延伸出的恒定的曲率半径56。
[0041]活动滑架52利用可允许其沿着轨道50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50上。第一马达60和驱动机构可以是与滑架52和/或轨道50关联的，以沿着轨道50可控地平移和/或定位滑架52。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40的轴64的方位角62。驱动机构可包括，例如，在一个或多个轨道元件内部的链条或皮带，或齿条小齿轮式齿轮传动装置。
[0042]滑架52可移动地支承伸长臂66，其可进而支承打印头22。伸长臂66可以相对于滑架52可控地平移，以完成打印头22的径向运动。在一种配置中，伸长臂66可利用例如与滑架52关联的第二马达68，在纵向上平移。第二马达68可配置为驱动可能与伸长臂66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66的平移可控制打印头22的径向位置70。
[0043]运动控制器28可以以电力连通第一马达60和第二马达68，以分别控制打印头22的方位角62和径向位置70。运动控制器28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控制器或中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、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)的-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28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22相对于工作台面40的位置。
[0044]虽然打印头22的方位角62和径向位置70可由马达60、68控制，但极角可通过轨道相对于工作台面40的旋转控制，或通过工作台面40相对于轨道50的旋转控制。
[0045]在一种配置中，3D打印机20(以球面坐标、笛卡尔坐标控制的或通过其它控制方式控制的)可通过在递增的径向距离打印多个同心壳体/层来 创建球形固体。在一种配置中，这些壳体可以是普遍的，然而，更独特的几何结构也可通过将一个或多个空隙或材料镶嵌物散布在壳体层中来创建。在一种配置中，每个壳层可由多个材料环形成，其每个都处于90度和0度之间的不同的方位角62中。在另一种配置中，每个壳层可由从工作台面40延伸出的多个材料弧形成(例如，在X-Z平面中，弧沿着Y轴增加)。
[0046]再次参照图2，在一种配置中，打印头22可以以热塑性细丝80的形式接收固体原材料24，热塑性细丝80可通过供给机构82被吸入到打印头22中。供给机构82可包括，例如，一对轮84，其设置在细丝80的相对两侧，并可以可控地以相反的方向(并以大致相等的边缘速度)旋转。
[0047]一旦在打印头22中，原材料24可经过能够熔化热塑性塑料的加热元件86(即，初级加热元件86)。在一种配置中，初级加热元件86可位于打印头的主体部分88内部，并可包括，例如，电阻加热元件。
[0048]虽然图2举例说明了打印头22能够打印单一的材料，图4-6示意性地举例说明了三个不同的打印头100、102、104，其每个都能够形成混合了两种不同的聚合物的固体物体。如图所示，每个实施例100、102、104包括第一进给机构110和第二进给机构112，其每个被分别配置为将材料连续地吸入至打印头中。每个进给机构110、112被分别配置为接收——例如，从不同的材料线轴获得的——不同的原材料114、116。那么，通过孔口36的熔化的材料的总流量将为由各自的进给机构110、112接收的材料的总和。进给机构110、112可因此通过指定所期望的构成比和所期望的输出流速来控制。
[0049]第一和第二进给机构110、112可被单独控制，例如，通过进给控制器120，如图4所示的。在一种配置中，进给控制器120可被整合到上述运动控制器28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110、112可包括，例如，各自的马达122、124，其可用于以相反的方向驱动进给轮84(例如，通过一个或多个齿轮或类似的力传递元件)。在一种配置中，马达122、124可具有环形形状， 其中，细丝可通过中空型芯(hollow core)126。
[0050]当每个各自的细丝进入打印头100的主体部分88时，其可被各自的初级加热元件128熔化。在一种配置中，每个细丝可具有不同的初级加热元件，其例如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128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128可包括，例如，电阻丝、电阻薄膜、或电阻片，其可缠绕打印头100的主体内部88中的材料通道。
[0051]一旦通过初级加热元件，熔化的材料可进入混合腔130，混合腔130可部分或全部设置在喷嘴34内部。在一种配置中，如图4所示，混合腔130可以是光滑侧面的圆柱体，其中，熔化的材料可凭借它们的合并了的流动路径混合。在完全光滑侧壁的设计基础上的轻微变体中，进入混合腔130的入口(即，两个流动路径合并的位置)可定义一喷嘴部分，该喷嘴部分可增加湍流流动以进一步混合两种材料。
[0052]在又一种配置中，例如大体上在图5示出的，混合腔130可包括一个或多个表面特性以促进混合的增强。例如，混合腔130可包括沿着部分或沿着整个长度的内螺纹132。当熔化的材料通向孔口36时，内螺纹132(或其它混合特性)可有助于波动地搅拌和/或混合熔化的材料。以这种方式，混合腔的几何结构可对两种原材料的均匀混合提供帮助。
[0053]在另一种配置中，两种熔化的材料可利用主动的方法混合。例如，如图6所示，传动螺杆134可设置在混合腔130内部以将两种材料主动地混合在一起。传动螺杆134(或其它混合元件)可由单独的搅拌马达136或负责进给原材料至打印头中的马达中的一个或两个驱动。除了提供混合作用之外，传动螺杆也有助于材料混合物流经喷嘴。虽然图4-6仅示出了包括两个进给机构的打印头实施例，但这些设计可容易地扩展到三个或更多的进给机构以适合所需的应用。配置为通过多个打印的壳体打印固体半球的3D打印机的附加的细节和实施例可参见同时提交的发明名称为“3D打印头”、申请号为14/144,905的美国专利，其全部内容通过引用的方式合并于此。
[0054]在一种配置中，高尔夫球芯12可通过单独打印两个聚合物球芯部分/半球并且随后将它们熔接在一起以形成实心球来形成。例如，如图7A所示，3D打印机可通过经由多个层142形成固体物体140开始。每个层142可通过将多个非连续的环144或弧模制为共同地形成壳体的配置而形成。
[0055]一旦两个相同的半球150、152形成，它们可被熔接或模制在一起，例如，在图7B和7C中示意性地举例说明的。如图7B所示，一对相对的半模154、156可配合以定义球形凹槽158，球形凹槽158的直径大约等于半球150、152的直径。半球150、152可嵌入在球形凹槽158内部，基于此，半模154、156可汇集在一起并被加热至聚合物半球150、152的熔点或更高的温度。由于聚合物通过模具加热，施加的热量可软化和/或部分熔化半球150、152。一旦半球150、152达到适当的温度，可允许模具冷却(或可主动冷却)，这可重新固化/硬化聚合物，导致半球150、152熔接在一起以形成球体。在一种配置中，这一过程可进一步包括压缩模制围绕球芯的中间层，其中，压缩模制过程的热量将半球150、152熔接在一起。在其它的实施例中，半模可通过其它接合的方法熔接在一起，例如，旋转焊接、超声波焊接、或激光焊接。
[0056]在另一种配置中，如图8A-8C所示，3D打印机20可通过将外芯材料170直接打印至预成型的内芯172上形成球芯12。在该方法中，内芯172可首先利用模制技术——例如，注塑成型、压缩成型、或铸造——形成。内芯172可在之后被放置在其他平面工作台面40的凹槽174中。凹槽174的直径可约等于内芯172的直径。3D打印机20可在之后将第一外芯部分176打印在内芯172上，如图8A所示。
[0057]一旦第一外芯部分176形成，部分形成的球芯总成178可被翻转并且外芯部分176可嵌入在工作台面40中的第二凹槽180中(如图8B所示)。3D打印机20可在之后通过将第二球芯部分182(等同于第一外芯部分176)打印在部分形成的球芯组件178上完成球芯12的组装，如图8C所示。
[0058]因此，如涉及图7A-7C和8A-8C大体上描述的，高尔夫球芯12可通 过打印第一球芯部分和打印第二球芯部分形成。每个各自的球芯部分可包括各自的多个同心壳体。该过程也可包括将第一球芯部分和第二球芯部分熔接以形成球芯。如图7A-7C所示，这可包括不同的过程，例如，通过加热的模具熔接，或者，如图8A-8C所示，熔接可凭借将第二球芯部分直接打印在第一球芯部分上发生(即，其中，熔化的材料可暂时熔化第一球芯部分的局部部分以使两部分熔接在一起)。
[0059]3D打印相比于其它模制/成型技术——例如，注塑成型或压缩成型——可具有某些明确的优势。尤其是，当利用能打印多股细丝的打印头时，如图4-6中示例性举例说明的，3D打印可提供一种创建具有不同材料成分的球芯12的经济的方法。
[0060]图9大体上举例说明了一个可能的双材料球芯的材料成分202随径向位置204变化的曲线200(其中，材料成分202是在0％和100％之间的百分数基础上测量的)。如图所示，3D打印机可使成分随每个连续的壳体变化，这样，半球的最里面的部分206完全由第一种材料208制成，半球的最外面的部分210完全由第二种材料212制成，以及中间部分214由第一种材料208和第二种材料212不同的混合制成。在一种配置中，这些曲线可具有略微阶梯状的外观，这归因于不同的层的非连续的厚度。一旦以这种方式形成，材料成分有可能利用一个或多个后处理工序实现更平滑的渐变，例如利用热处理，其可软化和/或熔化层以引起局部扩散(例如，在如图7B-7C所示的半球的熔接过程中)。在一种高尔夫球芯的配置中，打印的层厚度可从大约0.1mm至大约2mm的范围，或从大约0.1mm至大约1.2mm的范围，以及壳体/层的总数可从大约9至大约200或更多的范围(即，每个半球)。在另一种配置中，打印的层厚度可小于0.1mm，例如，从大约0.01mm至大约0.1mm的范围；然而，利用这种厚度可存在制造障碍，因为生产速度和打印分辨率成反比。为了提供速度与分辨率之间适当的平衡，层厚度可从大约0.4mm至大约1.2mm的范围，并且层的总数可从大约9至大约55的范围。
[0061]图10大体上举例说明了一个可能的三材料球芯的材料成分202随径向位置204变化的曲线220。该曲线220类似于图9提供的曲线200，除 了第三个过渡材料222已经包括在中间部分214的内部。
[0062]虽然通过径向堆叠三至五个非连续的材料层(例如，通过包覆成型或压缩成型连续的层)构建高尔夫球是很常见的，但多材料