用于与增材制造系统一起使用的打印头喷嘴的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种使用基于层的增材制造技术的用于构建三维（3D)零件的增材制 造系统。特别地，本公开涉及一种用于与基于挤出的增材制造系统一起使用的打印头喷嘴 以及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 增材制造系统被用来采用一种或多种增材制造技术从3D零件的数字表示（例如，AMF和STL格式文件）构建3D零件。商业上可获得的增材制造技术的示例包括基于挤出的 技术、油墨喷射、选择性激光烧结、粉末/粘结剂喷射、电子束熔化和立体平面打印工艺。对 于这些技术中的每一种，3D零件的数字表示最初分成多个水平层。对于每个分成的层，随后 产生一个或多个工具路径，其提供用于特定增材制造系统的指令以打印给定层。
[0003]例如，在基于挤出的增材制造系统中，可以通过挤出可流动零件材料，从3D零件 的数字表示以逐层方式打印3D零件或模型。零件材料通过由该系统的打印头携带的挤出 端或喷嘴挤出，并且作为一系列道路沉积在x-y平面中的基板上，同时打印头沿工具路径 移动。挤出零件的材料熔合至先前沉积的零件材料上，并在温度下降时凝固。打印头相对 于基板的位置然后沿着z轴（垂直于x-y平面）递增，并且随后重复该过程以形成类似所 述数字表示的3D零件。
[0004]在通过沉积零件材料层制造3D部件时，支撑层或支撑结构通常被构建在突出部 的下面或在所构建的3D零件的空腔中，其未被零件材料本身支撑。可以利用沉积零件材料 所采用的相同的沉积技术来构建支撑结构。主机产生用作用于正被形成的3D零件的突出 或自由空间部分的支撑结构的附加几何结构。随后在打印工艺期间根据所产生的几何结构 从第二喷嘴沉积支撑材料。支撑材料在制造期间粘附至零件材料，并且在打印工艺完成时 能够从所完成的3D零件上去除。
【发明内容】
[0005]本公开的一个方面涉及一种用于在基于挤出的增材制造系统中与打印头一起使 用的喷嘴。该喷嘴包括：入口端，该入口端被构造为紧固到所述打印头的流动通道上，顶端， 该顶端从所述入口端纵向地偏移，顶部管，该顶部管在所述入口端与所述顶端之间至少部 分地纵向地延伸。该喷嘴还包括位于所述顶端处的内环，其中所述内环在所述顶部管处具 有内径；外环，位于所述顶端处并且围绕所述内环延伸，以及至少一个环形的凹槽，该至少 一个环形的凹槽位于所述顶端处，并且圆周向地位于所述内环与所述外环之间。
[0006] 本公开的另一方面涉及一种用在基于挤出的增材制造系统中的打印头。该打印 头包括：流动通道，该流动通道具有入口端和出口端，该流动通道的入口端被构造为接收可 消耗材料。该打印头还包括加热元件，该加热元件用于将所述流动通道中的可消耗材料加 热到一温度，在该温度下，所述可消耗材料是可流动的，以及喷嘴。该喷嘴包括：入口端，该 喷嘴的入口端被连接到所述流动通道的出口端或与所述流动通道的出口端一体地形成，顶 端，该顶端从所述喷嘴的入口端纵向地偏移，以及顶部管，该顶部管用于挤出从所述流动通 道接收的能够流动的材料。该喷嘴还包括内环，该内环在所述喷嘴的顶端处围绕所述顶部 管圆周向地延伸，外环，该外环围绕所述内环圆周向地延伸，以及至少一个环形的凹槽，该 至少一个环形的凹槽圆周向地位于所述内环与所述外环之间。
[0007] 本公开的另一方面涉及一种使用基于挤出的增材制造系统以逐层方式打印三维 零件的方法。所述方法包括如下步骤：将可消耗材料供给至由所述基于挤出的增材制造系 统保持的打印头，其中所述打印头包括流动通道和喷嘴。所述喷嘴包括内环、围绕所述内环 圆周向地延伸的外环和圆周向地位于所述内环与所述外环之间的至少一个环形的凹槽。所 述方法还包括在所述流动通道中熔化所述可消耗材料，以第一流动速率从所述喷嘴挤出熔 化的材料，以产生具有第一路径宽度的挤出材料的第一路径，其中用于产生所述第一路径 的挤出材料向下拉并且不与所述外环接触。所述方法还包括以大于所述第一流动速率的第 二流动速率从所述喷嘴挤出熔化的材料，以产生挤出材料的第二路径，其中所述第二路径 具有大于所述第一路径的第一路径宽度的第二路径宽度。
[0008] 本公开的另一方面涉及一种使用基于挤出的增材制造系统以逐层方式打印三维 零件的方法，该方法基于所述三维零件的至少一层的外缘路径和内部填充路径。所述方法 包括将能够流动的材料供给至打印头喷嘴的步骤，其中所述打印头喷嘴包括内环、围绕所 述内环圆周向地延伸的外环和圆周向地位于所述内环与所述外环之间的至少一个环形的 凹槽。所述方法还包括从所述打印头喷嘴挤出能够流动的材料以产生所述三维零件的所述 层的外缘路径的步骤，其中所述外缘路径具有第一路径宽度并且限定所述层的内部区域的 至少一部分。所述方法还包括从所述打印头喷嘴挤出能够流动的材料以产生所述三维零件 的所述层的内部填充路径的步骤，其中所述内部填充路径具有大于所述第一路径宽度的第 二路径宽度，并且填充所述层的内部区域的至少一部分。
[0009] 定义
[0010] 除了另外指明，如本文中使用的下述术语具有下文中提供的含义：
[0011] 术语"大约"和"基本上"在本文中是关于起因于本领域技术人员已知的预期变化 (例如，测量中的限制和可变性）的可测量值和范围而被使用的。
[0012] 诸如"上方"，"下方"，"顶部"，"底部"等之类的方向方位是以3D零件的层打印的方 向为参考的。在下面示出的实施例中，层打印方向是沿着垂直z轴的向上方向。在这些实 施例中，术语"上方"，"下方"，"顶部"，"底部"等基于垂直Z轴。然而，在其中诸如沿着水平 X轴或y轴的沿着不同的轴线打印3D零件的层的实施例中，术语"上方"，"下方"，"顶部"， "底部"等与给定轴线相关。
[0013] 术语"提供"，例如用于"提供打印头"，当在权利要求中被引述时，不是意图要求所 提供的项目的任何特别的传递或接收。而是，出于清楚和容易阅读的目的，术语"提供"仅 仅用来列举在权利要求的后续元件中将被涉及的项目。
【附图说明】
[0014] 图1A是打印3D零件的一层的路径的传统的窄顶端喷嘴的主视图。
[0015] 图1B是图示用于路径的挤出材料的流动轮廓、打印稳定路径的传统的窄顶端喷 嘴的仰视图。
[0016] 图1C是图示路径的无波纹侧壁、打印路径的传统的窄顶端喷嘴的俯视图。
[0017] 图2A是打印3D零件的所述层的路径的传统的宽顶端喷嘴的主视图。
[0018]图2B是图示用于路径的挤出材料的流动轮廓、打印路径的传统的宽顶端喷嘴的 仰视图。
[0019] 图2C是图示路径的有波纹侧壁、打印路径的传统的宽顶端喷嘴的俯视图。
[0020] 图3是包括本公开的喷嘴的基于挤出的增材制造系统的主视图。
[0021] 图4是包括本公开的喷嘴的基于挤出的增材制造系统的打印头的主视图。
[0022] 图5是联接到打印头的液化器管上的本公开的喷嘴的主视图。
[0023] 图6是沿图5中的6-6截取的本公开的喷嘴的剖视图。
[0024] 图7A是本公开的喷嘴的底部的放大剖视图。
[0025] 图7B是本公开的喷嘴的仰视图，其中为了便于看见，喷嘴的凹槽用交叉影线描绘 出。
[0026] 图8A是本公开的喷嘴的底部的放大剖视图，其中喷嘴正打印3D零件或支撑结构 的狭窄路径。
[0027] 图8B是本公开的喷嘴的仰视图，其中为了便于看见，喷嘴的凹槽用交叉影线描绘 出，并且喷嘴正在打印狭窄路径。
[0028] 图9A是本公开的喷嘴的底部的放大剖视图，其中喷嘴正打印3D零件或支撑结构 的较宽路径。
[0029] 图9B是本公开的喷嘴的仰视图，其中为了便于看见，喷嘴的凹槽用交叉影线描绘 出，并且喷嘴正在打印较宽路径。
[0030] 图10是由本公开的喷嘴产生的路径的路径稳定性与路径宽度相对的图例。
[0031]图11是本公开的第一替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括突出于其外环之外 的内环。
[0032] 图12是本公开的第二替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括平面的外环。
[0033] 图13是本公开的第三替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括平面的外环。
[0034] 图14是本公开的第四替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括刀刃形内环。
[0035] 图15是本公开的第五替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括被两个凹槽分隔开 的三个环。
[0036]图16是本公开的第六替代喷嘴的底部的放大剖视图，其包括可拆卸外环。
[0037] 图17是用本公开的喷嘴打印的薄壁3D零件的切断区域的透视图，其中薄壁3D零 件的每一层都具有狭窄外缘路径和较宽的内部填充路径。
[0038] 图18A是薄壁3D零件的一层的俯视图，图示了从本公开的喷嘴打印所述层的外缘 路径，其中外缘路径限定所述层的内部区域。
[0039] 图18B是薄壁3D零件的所述层的俯视图，图示了为了填充所述层的内部区域在由 传统喷嘴打印时通常使用的光栅式工具路径。
[0040] 图18C是薄壁3D零件的所述层的俯视图，图示了从本公开的喷嘴打印所述层的内 部填充路径，其中所述内部填充路径填充所述层的内部区域。
[0041] 图19是用本公开的示例性喷嘴打印的3D零件的照片。
[0042] 图20和21是用传统的宽顶端喷嘴打印的3D零件的照片，示出了表面波峰。
【具体实施方式】
[0043] 本公开涉及一种用于与增材制造系统一起使用的打印头喷嘴。本公开的喷嘴包括 具有内端环和外端环的底面，以及在内端环与外端环之间的至少一个凹槽。这允许单个喷 嘴产生具有不同路径宽度同时维持打印的3D零件和/或支撑结构的良好的表面质量的挤 出路径。如上所述，这对打印狭窄外缘路径和较宽的内部填充路径是特别有益的，由此允许 基于面板的3D零件以增加的生产率被打印，同时维持良好的零件质量。
[0044]