用于三维打印机的打印头组件的制作方法
【专利摘要】一种用于以押出为基础的三维打印机的打印头组件，该打印头组件包括：流体分配头，该流体分配头包括集合管和具有不同尺寸的至少两个流体分配喷嘴，该喷嘴安装为与集合管中的熔化腔连通。喷嘴的出口分别通过各自的阀部件关闭。摇动装置用于枢转两个喷嘴至它们的最低的喷嘴操作位置并且驱动阀部件，允许喷嘴之间的迅速转换，以使得较小的喷嘴能够用于高分辨率的工作，而较大的喷嘴用于大量填充。
【专利说明】用于三维打印机的打印头组件
【技术领域】
[0001] 本发明大致涉及一种用于以叠层方式构建三维（3D)部件的添加式制造系统，也称 为三维打印机。本发明尤其涉及用于押出可流动部件材料的三维打印机用打印头。
【背景技术】
[0002] 在以押出为基础的添加式制造系统中，三维部件是由数字表象通过押出可流动的 部件材料采用叠加的方式构建该部件而形成。将细丝供给至打印头中的押出喷嘴并在该处 使其熔化，继而以流体形式喷射至基材上，与此同时，打印头在水平面内移动从而描绘出一 层。押出的材料与之前沉积的材料融合并迅速凝固。
[0003] 这种工具上的打印头需要是结构紧凑的，从而使生产对象的尺寸尽可能大，且需 要是重量较轻的，从而使得该打印头能够快速移动并准确定位而没有不利的惯性作用。在 打印头上设置多个押出喷嘴能够提高灵活性，例如在喷嘴不移除和移位的情况下容易地改 变押出材料或者颜色的能力。然而，现有的设计没有实现最佳效果，需要摆脱过重、尺寸过 大或者结果复杂的缺陷且具有改善的灵活性的打印头。
[0004] 以押出为基础的添加式制造的优点之一是工具的资本和生产成本与竞争技术(例 如立体平板印刷)相比较低。然而，以前已经认识到的是在使用这项技术时必须提供高分辨 率以获得合理的操作速度。因此，需要能够提供更高的分辨率和更快的操作速度的以押出 为基础的添加式制造工具，并且该需要尚未满足。本发明的目的是解决上述需要，或者更一 般地说，是提供一种改进的三维打印机。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的一方面，提供了一种用于三维打印机的打印头组件，该打印头组件 包括：
[0006] 流体分配头，该流体分配头包括集合管；
[0007] 第一喷嘴和第二喷嘴，该第一喷嘴和第二喷嘴安装在所述集合管上，且该第一喷 嘴和第二喷嘴中的每一个均具有由各自的阀部件关闭的出口；
[0008] 连接件，该连接件将所述流体分配头连接至支承体上，以允许所述流体分配头的 移动，通过所述流体分配头的移动，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的每一个能够移动至 各自的喷嘴操作位置和从各自的喷嘴操作位置移动，其中当所述第一喷嘴和所述第二喷嘴 中的一者位于其喷嘴操作位置时，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的另一者的出口在所述 第一喷嘴和所述第二喷嘴中的所述一者的出口下方延伸；
[0009] 摇动装置，该摇动装置安装为围绕摇动装置轴线摆动，该摇动装置具有至少一个 凸轮表面，该至少一个凸轮表面与各自的固定件接合，以驱动所述流体分配头的移动，所述 摇动装置还包括第一接合部和第二接合部，该第一接合部和第二接合部分别与所述阀部件 中的一个接合，以打开或者关闭处于喷嘴操作位置的各个喷嘴的喷嘴出口，以及
[0010] 驱动器，该驱动器控制所述摇动装置的角度位置。 toon] 优选地，该打印头组件包括枢轴，并且所述流体分配头枢转，以将所述第一喷嘴和 所述第二喷嘴移动至它们的喷嘴操作位置。作为一种选择，例如，所述连接件可以包括弧形 或线形的导轨，沿着该导轨，所述流体分配头可以通过摇动装置相对于支承体移动，从而使 所述流体分配头位于它们的喷嘴操作位置。优选地，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴具有不 同的尺寸并且彼此流体连通。可选择地，每个喷嘴可以从单独的供料部喂料，从而使得喷嘴 之间不连通。
[0012] 优选地，所述至少一个凸轮表面包括第一凸轮表面和第二凸轮表面，该第一凸轮 表面和第二凸轮表面分别与第一固定件和第二固定件接合，以使得所述第一凸轮表面和所 述第一固定件的接合沿第一方向枢转所述流体分配头，并且所述第二凸轮表面和所述第二 固定件的接合沿与所述第一方向相反的第二方向枢转所述流体分配头。
[0013] 优选地，所述摇动装置安装于所述流体分配头上，并且所述第一固定件和所述第 二固定件设置于所述支承体上。优选地，所述第一凸轮表面和第二凸轮表面为所述摇动装 置的外表面，并且所述第一接合部和所述第二接合部包括以下表面中的一者：a)位于所述 摇动装置中的环状长槽的端部的表面，或者b)位于所述摇动装置的叶状体的外围的表面。
[0014] 优选地，所述枢轴包括与所述集合管连通的至少一个延伸通道。可选择地，所述枢 轴包括多个延伸通道。优选地，所述集合管包括加热部件，并且所述延伸通道适于传输供消 耗的细丝。优选地，该打印头组件还包括安装件，旋转式驱动器安装于该安装件上，并且其 中在与所述集合管邻近的所述枢轴上设置有颈部，以提供热桥，使得所述集合管与所述安 装件分离开。
[0015] 优选地，所述阀部件包括能够从所述喷嘴开口缩回的针。优选地，所述第一接合部 和所述第二接合部分别与所述针中的一者接合，以用于打开所述喷嘴出口，并且单独的弹 簧分别与所述针中的一者合作，以用于关闭所述喷嘴出口。
[0016] 优选地，所述枢轴的枢轴轴线位于大体上对称地平分所述集合管的中心平面内， 并且所述喷嘴设置在所述中心平面的相对侧。优选地，所述摇动装置的摇动装置轴线大致 平行于所述枢轴轴线并且位于所述中心平面内。
[0017] 优选地，该打印头组件还包括风扇，该风扇安装于支承体上以用于将冷空气气流 导向邻近所述喷嘴，从而提高凝固速度。优选地，所述风扇和所述集合管大致设置在所述打 印头组件的相对侧。
[0018] 优选地，所述支承体适于沿限定三维打印机的三个正交轴线中的一者的导轨线性 地往复运动，并且最优选地，所述支承体支承线性轴承，以用于接合该导轨。优选地，支承 体通过环形带沿导轨线性地往复运动，并且支承体包括用于夹紧所述环形带的至少一个钳 口。在本发明的另一方面中，提供了一种三维打印机，该三维打印机具有根据前述权利要求 中任意一项所述的打印头组件，其中，所述三维打印机的三个正交轴线中的一者通过导轨 限定，所述支承体包括孔，并且所述导轨容纳于所述孔中，以使得所述打印头沿所述导轨呈 直线地往复运动。
[0019] 根据本发明的流体分配头用于两个喷嘴，能够容易地切换至操作从而提高灵活 性，而不带来过重的重量、过大的尺寸或者复杂的结构。设置为较大和较小的喷嘴能够容易 地交换，允许根据需要选择喷嘴，以实现最大速度和最高分辨率，例如，通过使用较小的喷 嘴以准确地生产暴露的加工表面，较大的喷嘴用于大量填充。通过单个摇动装置控制两个 喷嘴位置和喷嘴驱动，提供了一种简单、可靠、紧凑并且轻质的机械装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 现在将通过参考附图的实施例来描述本发明的优选形式，其中：
[0021] 图1是根据本发明的头组件的第一种实施方式的等距视图；
[0022] 图2是表示本发明的打印头组件的工作过程的示意图；
[0023] 图3是沿穿过流体分配头的枢轴轴线的坚直中心平面的图1的打印头组件的剖面 图；
[0024] 图4是沿图3的4-4线的剖视图；
[0025] 图5是根据本发明的头组件的第二种实施方式的等距视图；
[0026] 图6和图7是沿垂直于流体分配头的枢轴轴线的平行的坚直平面的图5的打印头 组件的剖面图；
[0027] 图8和图9分别是图5的打印头的转子的侧视图和端视图；
[0028] 图10是包括沿图11中的10-10线的断面的图5的打印头组件的侧视图；以及
[0029] 图11是沿穿过流体分配头的枢轴轴线的水平面的图5的打印头组件的剖面图。
【具体实施方式】
[0030] 本公开涉及用于以押出为基础的三维打印机中使用的且在图1至图4的第一种实 施方式中显示的打印头组件。参见图1和图2,打印头组件通常包括结构支承组件或支承件 10,流体分配头11可以通过枢轴12连接至该结构支承组件或支承件10,枢轴12允许流体 分配头11相对于支承件10关于枢轴轴线13旋转。流体分配头11包括集合管26,集合管 26可以固定于枢轴12,且第一喷嘴14和第二喷嘴15可以安装于集合管26。
[0031] 流体分配头11通常在图2中由11a表示的第一位置和由lib表示的显示为虚线 轮廓的第二位置之间枢转。在位置11a，第一喷嘴14处于其喷嘴操作位置，在该位置可以 喷出可流动材料，喷嘴14的出口 70延伸至第二喷嘴15的出口 71下方以确未使用的第二 喷嘴离开押出的水平层。喷嘴14, 15的顶端是平面，且在位置11a，11b，喷嘴14, 15的顶端 水平以使得喷出物的顶部是平滑的。通过使流体分配头11在位置11a，lib之间旋转，第一 喷嘴14或第二喷嘴15中的任意一者可以准确地运动至它的喷嘴操作位置。在该实施方式 中，第一喷嘴14可以比第二喷嘴15小，第一喷嘴14可以用于细节设计，第二喷嘴15可以 用于大量填充，如此允许三维打印机根据所需选择喷嘴，例如，基于算法确定生产给定产品 所需的最佳打印速度和分辨率。
[0032] 图1显示了直立的打印头组件。支承件10提供了打印头的主要结构和外壳件， 且包括框架l〇a和一对外壳壳体10b，10c (图1中省略了壳体10c以显示流体分配头11)。 进口开口 18设置在外壳壳体10b，10c的顶部，进口开口 18内安装有风扇19,以通过进口 开口 18将空气引入，并将空气从外壳壳体10b的底部的相对的出口开口 20喷出。外壳壳 体10b通常包围枢转流体分配头11且可以通过紧固件(未图示）彼此连接以及连接至框架 l〇a。为了在笛卡尔坐标系统中使用，打印头适于沿直导轨(未图示）线性地往复运动，该直 导轨限定三维打印机的三个正交轴中的一者。为了这个目的，导轨容纳孔24可以穿过框架 10a水平地延伸。框架10a可以承载用于接合导轨的直线轴承(未图示)。至少一个钳口（未 图示）可以设置在框架上，用于抓住环形带，通过环形带打印头组件可以沿导轨线性地往复 运动。固定于框架l〇a的安装轮23位于打印头组件的后侧。
[0033] 流体分配头11是包括集合管26、喷嘴14, 15、安装件34、摇动装置30和传动装置 21的组件。图1中显示的传动装置21与安装件34上的套筒22分离，套筒22通过紧固件 (未图示）安装于安装件34。传动装置21设置成邻接打印头组件的前侧。
[0034] 尤其参见图3和图4,固定有喷嘴14和15的集合管26用于将流体引入喷嘴 14, 15。可以被支承在轴承27内的枢轴12容纳在框架10a内，且枢轴12位于外壳壳体10b， l〇c之间且可以包括轴线延伸的进入通道28,进入通道28适于将供消耗的细丝(未图示)传 递至集合管26内的熔化腔63中，熔化腔63与喷嘴14, 15连通。集合管26还可以包括嵌 入的电热元件29,用于熔化细丝。喷嘴14, 15的相邻的喷嘴出口 70, 71可以分别被各自的 阀针32, 33关闭，阀针32, 33控制流体从打印头的分配。安装件34可以固定至枢轴12,从 而使安装件34固定于集合管26,使得安装件34相对于支承件10关于集合管26摆动。安 装件34大致在枢轴12以上延伸且用于安装传动装置21，摇动装置30连接至安装件34,且 安装件34还可以支承阀件。
[0035] 套筒30用于使流体分配头11枢转，且支承在轴38上，轴38通过传动装置21关于 摇动装置轴线39摆动，摇动装置轴线39可以平行于枢轴12的轴线13。摇动装置30具有 与各自的固定件35, 36接合的第一凸轮表面40和第二凸轮表面41，固定件35, 36可以分别 与外壳壳体l〇b和10c形成为一体。第一凸轮表面40与第一固定件35的接合使摇动装置 30相对于支承件移动并且驱动流体分配头11沿第一方向枢转运动，而第二凸轮表面41和 第二固定件36的接合使流体分配头11沿与第一方向相反的第二方向枢转。在该方式中， 传动装置21的传动作用可以使喷嘴14, 15转动至其喷嘴操作位置。第一凸轮表面40和第 二凸轮表面41可以对称地设置在摇动装置30的相对的外表面上。第一接合部42和第二 接合部43可以形成为设置在摇动装置30内的环状长槽44, 45的端部的内邻接表面，第一 接合部42和第二接合部43与阀针32, 33中的各自的一个接合，用于打开或关闭喷嘴出口 70, 71。
[0036] 最好看图3,空气间隙46可以使安装件34与集合管26分离，颈部（neck)47可以 形成在枢轴12内，颈部47穿过空气间隙46,提供了使集合管26与安装件34分离的热桥 (thermal bridge)。
[0037] 参见图4,每一个阀针32, 33可以固定至各自的块48,使得各自的弹簧49保持在 块48和安装件34的凸缘50之间，弹簧49用于朝向喷嘴70, 71偏压阀针至它们的关闭位 置。阀针32, 33的细长的形式和块48和凸缘50之间的空间缩小了用于从集合管26向上 导热的的路径。阀针32, 33的上端穿过摇动装置30的下侧内的槽52,且圆形止挡件53, 54 邻近它们的端部固定，止挡件53, 54的尺寸形成为能够自由地滑入摇动装置30的槽44, 45 内。阀针32, 33的下端支承在喷嘴14, 15内，喷嘴14, 15位于集合管26的凹槽内。护罩56 通常可以围绕喷嘴14, 15的顶端。该护罩56可以由聚四氟乙烯或其它非粘性材料形成。
[0038] 风扇19安装至支承件10的外壳壳体10b，支承件10通常位于打印头的与集合管 26相对的一侧。开口 18, 20允许气流从风扇通过，开口 18, 20用于引导冷空气流动邻近喷 嘴14, 15以增加喷出物的凝固速度，且用于使冷空气途径安装件34,以保持流体分配头11 的冷侧的冷的程度并且增加安装件34和集合管26之间的热桥的热梯度。外壳壳体10b因 此有助于汇聚该气流18以邻近安装件34、集合管26和喷嘴14, 15流动。
[0039] 图5至图11显示了打印头组件的第二种实施方式，大致类似于第一种实施方式的 结构，且在适当的情况下，相同的附图标记表示相同的部件。如图5和图6所示，在第一种实 施方式中，该第二种实施方式中的摇动装置130既用于使流体分配头111在有角度位置11a 和lib之间枢转，又用于通过移动阀针32, 33打开和关闭阀。可以设置两个杠杆臂60, 61， 每一个杠杆臂安装至安装件134以关于平行于摇动装置130的轴线39的各自的轴旋转，圆 形套筒22同样接合紧固件以固定传动装置21。随着杠杆臂60, 61的外端在圆形套筒22上 枢转，杠杆臂60, 61的内端彼此邻接和重叠，但是杠杆臂60, 61沿轴线39的方向隔开，使得 它们可以彼此独立地自由枢转。固定在阀针32, 33的端部的圆形止挡件53, 54容纳在杠杆 臂60, 61的内端的互补的开口中。在该实施方式中，臂60, 61的枢转使阀针32, 33移动，打 开和关闭阀以控制打印过程中喷出物的分配。相比摇动装置30的接合部42, 43直接与圆 形止档件53, 54接合的第一种实施方式，这些臂60, 61的杠杆作用增加了由摇动装置产生 的用于使阀针32, 33移动的力。另一方面，摇动装置130的接合部142, 143通过臂60, 61 与圆形止挡件53, 54间接地接合。
[0040] 最好看图8和图9,摇动装置130的接合部142, 143为一体地形成在摇动装置130 上的叶状体，该叶状体具有邻接并且沿臂60, 61的装配面逐渐降低的凸面。接合部142, 143 彼此轴向隔开，且形成横向于轴线39对齐的凸轮表面40, 41。接合部142位于最内部且邻 接臂60的内端，接合部143位于最外部且邻接臂61的内端。
[0041] 图10和图11表示了第二种实施方式的枢轴112的结构，枢轴112支承轴承127 中的流体分配头111，轴承127与枢轴的轴部结合。轴承127可以固定在支承件10的外壳 壳体10b之间，且允许枢轴112关于轴线13旋转。枢轴112包括两个通道128, 228,两个供 消耗的细丝(未图示)可以沿通道128, 228供给进入集合管126的熔化腔63。通道128, 228 可以是弧形的以及大致对称地设置在平分枢轴112的平面的任意侧。穿过空气间隙46的 颈部47可以通过通道128, 228中的每一个的薄壁部分形成在枢轴112内，以提供使集合管 126与安装件134分离的热桥。
[0042] 通过两个主模束尾设定的螺栓65提供了限制有角度的位置11a，lib的可调止挡 件，止挡件在壳体外壳10b，10c的每一个上与固定于安装件134的顶部的磁体66接合。
[0043] 在工作中，流体分配头11，111可以通过间隔位置11a和lib之间等角度的图4、 图6和图7中描述的中间位置11c而在有角度的位置11a和lib之间枢转。流体分配头 11，111通过摇动装置30, 130的旋转（当从图、图6和图7的前侧看时为沿顺时针方向）从 位置11c逆时针地旋转至位置11a，在位置11a第一喷嘴14处于其喷嘴操作位置。摇动装 置30, 130的旋转使凸轮表面41与固定件36结合，因此摇动装置30, 130被偏移，并使得头 11，111和连接的喷嘴14, 15关于轴线13枢转。
[0044] 在该旋转运动中，在第一种实施方式中（图4)，止挡件53滑入弧形槽44直到它与 第一接合部42邻接。超过此位置的继续旋转要求止挡件53关于摇动装置30旋转，从而使 得针32缩回从而打开喷嘴14的出口 130。对应地，在第二种实施方式中（图7)，摇动装置 130的圆形面邻接臂60,直到它邻接接合部142的前缘。超过此位置的继续旋转将开始枢 转杠杆60,从而使得针32缩回，如此打开喷嘴14的出口 130。然后，三维打印机可以通过 转换打印头组件，安排一层或多层喷出物。
[0045] 在第一喷嘴14比第二喷嘴15小的第一种实施方式的情况下，第一喷嘴14可以首 先用于精确地确立被打印的物体的表面。一旦使用小喷嘴14完成了高分辨率的表面，然后 可以使用大喷嘴15完成在边界层后面的大量填充。例如，在单个0.3mm的填充层铺设之前， 可以使用小喷嘴14完成三个0. 1_边界层。这种改变可以通过颠倒传动装置输出和连接 的摇动装置30的旋转来完成，逆时针地旋转摇动装置30,颠倒了之前描述的操作，首先关 闭喷嘴出口，然后通过凸轮表面40和固定件35之间的相互作用，使流体分配头11关于枢 轴12顺时针枢转，通过位置11c到位置lib。同样地，由于摇动装置30继续旋转，止挡件 53和第二接合部43之间的接触用于提升针33,打开小喷嘴14的出口 70。
[0046] 本发明的方面仅通过实施例的方式进行了描述，可以理解的是在不脱离本发明的 范围的情况下，可以对本发明进行修改和增加。
【权利要求】
1. 一种用于三维打印机的打印头组件，该打印头组件包括： 流体分配头，该流体分配头包括集合管； 第一喷嘴和第二喷嘴，该第一喷嘴和第二喷嘴安装在所述集合管上，且该第一喷嘴和 第二喷嘴中的每一个均具有由各自的阀部件关闭的出口； 连接件，该连接件将所述流体分配头连接至支承体上，以允许所述流体分配头的移动， 通过所述流体分配头的移动，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的每一个能够移动至各自的 喷嘴操作位置和从各自的喷嘴操作位置移动，其中当所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的一 者位于其喷嘴操作位置时，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的另一者的出口位于所述第一 喷嘴和所述第二喷嘴中的所述一者的出口上方； 摇动装置，该摇动装置安装为围绕摇动装置轴线摆动，该摇动装置具有至少一个凸轮 表面，该至少一个凸轮表面与各自的固定件接合，以驱动所述流体分配头的移动，所述摇动 装置还包括第一接合部和第二接合部，该第一接合部和第二接合部分别与所述阀部件中的 一个接合，以打开或者关闭处于喷嘴操作位置的各个喷嘴的喷嘴出口，以及 驱动器，该驱动器控制所述摇动装置的角度位置。
2. 根据权利要求1所述的打印头组件，其中，该打印头组件包括枢轴，并且所述流体分 配头枢转，以将所述第一喷嘴和所述第二喷嘴移动至它们的喷嘴操作位置，其中所述第一 喷嘴和所述第二喷嘴具有不同的尺寸并且彼此流体连通。
3. 根据权利要求2所述的打印头组件，其中，所述至少一个凸轮表面包括第一凸轮表 面和第二凸轮表面，该第一凸轮表面和第二凸轮表面分别与第一固定件和第二固定件接 合，以使得所述第一凸轮表面和所述第一固定件的接合沿第一方向枢转所述流体分配头， 并且所述第二凸轮表面和所述第二固定件的接合沿与所述第一方向相反的第二方向枢转 所述流体分配头。
4. 根据权利要求3所述的打印头组件，其中，所述摇动装置安装于所述流体分配头上， 并且所述第一固定件和所述第二固定件设置于所述支承体上。
5. 根据权利要求4所述的打印头组件，其中，所述第一凸轮表面和第二凸轮表面为所 述摇动装置的外表面，并且所述第一接合部和所述第二接合部包括以下表面中的一者： a) 位于所述摇动装置中的环状长槽的端部的表面，或者 b) 位于所述摇动装置的叶状体的外围的表面。
6. 根据权利要求2至5中任意一项所述的打印头组件，其中，所述枢轴包括与所述集合 管连通的至少一个延伸通道。
7. 根据权利要求6所述的打印头组件，其中，所述集合管包括加热部件，并且所述延伸 通道或每个延伸通道适于传输供消耗的细丝。
8. 根据前述权利要求中任意一项所述的打印头组件，其中，该打印头组件还包括安装 件，旋转式驱动器安装于该安装件上，并且其中在与所述集合管邻近的所述枢轴上设置有 颈部，以提供热桥，使得所述集合管与所述安装件分离开。
9. 根据前述权利要求中任意一项所述的打印头组件，其中，所述阀部件包括能够从所 述喷嘴开口缩回的针。
10. 根据权利要求9所述的打印头组件，其中，所述第一接合部和所述第二接合部分别 与所述针中的一者接合，以用于打开所述喷嘴出口，并且单独的弹簧分别与所述针中的一 者合作，以用于关闭所述喷嘴出口。
11. 根据权利要求2至10中任意一项所述的打印头组件，其中，所述枢轴的枢轴轴线位 于大体上对称地平分所述集合管的中心平面内，并且所述喷嘴设置在所述中心平面的相对 侧。
12. 根据权利要求11所述的打印头组件，其中，所述摇动装置的摇动装置轴线大致平 行于所述枢轴轴线并且位于所述中心平面内。
13. 根据前述权利要求中任意一项所述的打印头组件，其中，该打印头组件还包括风 扇，该风扇安装于支承体上，以用于将冷空气气流导向邻近所述喷嘴，从而提高凝固速度。
14. 根据权利要求13所述的打印头组件，其中，所述风扇和所述集合管大致设置在所 述打印头组件的相对侧。
15. -种三维打印机，该三维打印机具有根据前述权利要求中任意一项所述的打印头 组件，其中，所述三维打印机的三个正交轴线中的一者通过导轨限定，所述支承体包括孔， 并且所述导轨容纳于所述孔中，以使得所述打印头沿所述导轨呈直线地往复运动。
【文档编号】B41J2/01GK104057718SQ201410069790
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2013年2月27日
【发明者】C·T·艾尔斯沃斯 申请人:熙尔科技有限公司