沉积式打印头的制作方法

本发明涉及沉积式打印头、沉积式打印头组件、沉积式打印机和控制沉积式打印头的方法。

背景技术：

已知在打印机中用于使流体材料沉积到固体表面上的沉积式打印头。众所周知的示例是三维打印机中的沉积式打印头，该沉积式打印头将待沉积的熔融材料沉积到相同或相似材料的固结体上。当控制沉积式打印头在空间中所处的位置时，沉积式打印头例如可以用于创建三维物体。

本领域已知的沉积式打印头可以包括加热元件、与加热元件相连接的用于使材料(例如，塑料材料)沉积的进料件以及与加热元件相连接的喷嘴。加热元件可以包括热源、加热器主体和从进料件到喷嘴通过加热器主体的丝线通道，以用于对引导通过丝线通道的沉积材料进行加热。

这种沉积式打印头的问题在于加热元件主体需要维持在适当的温度，使得沉积材料获得合适的稠度。加热元件主体具有一定的热容，并且在打印时甚至在间歇地打印时，加热元件需要处于恒定的加热状态。这导致熔融丝线材料不期望地渗出，从而污染包括沉积式打印头的沉积式打印机。此外，持续加热丝线材料可能引起材料劣化。

此外，该加热器的间歇操作将导致对沉积式打印头操作的延迟，这是因为如果为了节能在打印期间关闭加热器，那么需要重新对加热器进行加热。由于加热元件主体的热容，因此这将需要一些时间。

此外，加热元件主体需要一定的热容来维持其工作温度，这导致用于加热元件的尺寸最小，从而限制沉积式打印头支撑件上的沉积式打印头的数量。期望多个沉积式打印头，以允许在不手动干预更换打印头的情况下以不同的颜色和/或材料打印物体。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服本领域的沉积式打印头中的缺点。

该目的在如下所述的沉积式打印头中得以实现：该沉积式打印头包括不敏感或低敏感套筒、具有丝线通道的敏感元件，敏感元件布置在套筒内，其中，敏感元件对磁场敏感。丝线通道用于使热塑性丝线沿进给方向进给。沉积式打印头还包括围绕敏感元件布置的激励件，其中，激励件被布置用于产生与敏感元件相适应的磁场。沉积式打印头还包括附接到敏感元件的一端的喷嘴。

通过向激励件施加交流电流或交流电压，激励件被激活。激励件将产生与敏感元件相适应的交变磁场。

磁场允许敏感元件在不直接与电源进行有线接触的情况下被加热。

在实施例中，敏感元件包括具有场磁阻的铁磁材料，该铁磁材料响应于交变磁场而引起磁滞，从而导致敏感元件升温。受热的敏感元件随后使热塑性丝线升温。通过向激励件供应足够的能量，敏感元件达到用于熔化热塑性材料的丝线的温度。通过使丝线进给通过丝线通道，熔融丝线材料通过喷嘴开口挤出。挤出的熔融丝线材料可以沉积到待创建的物体上，丝线材料在该物体上固化或凝固。

敏感元件的热容较低，从而允许快速地响应于激励件的激励。因此，可以间歇地进行沉积式打印，而未持续地加热热塑性丝线材料。在进给丝线时对敏感元件的激励可以被精确地定时，从而防止渗出或其他丝线材料损失。

在根据本发明的实施例中，敏感元件包括低导电材料。通过敏感元件材料中的涡流实现加热。磁场的使用允许有利地利用敏感元件材料上的集肤效应，使得敏感元件在其表面处升温。

在另一个实施例中，低导电材料被施加到敏感元件的内壁处，从而允许所产生的热量传递到丝线通道中的丝线。

在根据本发明的实施例中，激励件围绕套筒布置。这允许激励件不与受热的敏感元件相接触，即绝缘。

在根据本发明的实施例中，激励件包括绕套筒缠绕的感应线圈。这允许在线圈的绕组内产生磁场，以用于激励与激励件相对应的磁性敏感元件。

在根据本发明的实施例中，套筒包括耐热冲击性高的、隔热的低敏感材料。这允许沉积式打印头间歇操作，从而将敏感元件间歇地激励到较高的温度。

优选地，套筒的低敏感材料包括石英玻璃。

在根据本发明的实施例中，套筒包括至少一个附加敏感元件，激励件与至少一个附加敏感元件重叠。多个敏感元件允许丝线材料经受温度分布。这例如允许将丝线材料逐渐增加到熔化温度。

在根据本发明的实施例中，沉积式打印头还包括位于每对敏感元件之间的间隔元件。这允许对热塑性丝线材料进行缓冲。间隔元件充当缓冲件，以保持丝线材料持续稳定地朝喷嘴流动。

在根据本发明的另一个实施例中，间隔元件包括温度传感器。温度传感器允许使用控制电路来控制沿热塑性丝线的进给方向在间隔元件之前或之后的敏感元件的温度。

在根据本发明的实施例中，激励件根据每个敏感元件被分为部分。这允许控制激励件的每个部分的能量传递，使得实现预定义的温度分布。

在根据本发明的实施例中，激励件具有用于激励件的每个部分的不同的能量传递比。激励件可以被提供为单个单元，其中，每个部分将预定量的能量传递给各自的相应的敏感元件。

在根据本发明的实施例中，激励件具有用于激励件的每个部分的不同数量的绕组。这对于将激励件制成感应线圈的、感应敏感元件和激励件的组合是有利的。较少的绕组导致较低的能量传递，较大数量的绕组导致较高的能量传递水平。

在根据本发明的实施例中，每个激励件部分与另一个激励件部分相分离。这允许用于每个部分的单独的能量传递控制。因此，在不改变打印机的硬件构造的情况下，可以使丝线在进给通过沉积式打印头时产生不同的温度分布。

在根据本发明的实施例中，每个激励件部分具有单独可控的电源。能够易于通过改变电流、电压和电源的频率中的至少一者来控制感应线圈。

在根据本发明的实施例中，喷嘴包括与敏感元件的敏感材料相同的敏感材料。这允许喷嘴由激励件的延伸部分加热或者由单独的激励件加热。这有助于使熔融丝线材料保持在熔融状态，直到其从喷嘴中挤出。当丝线材料已经固化时，这也允许通过使喷嘴内的丝线材料在长时间的不活动状态之后熔化来启动沉积式打印头。

在根据本发明的实施例中，喷嘴附接到敏感元件的一端。这防止熔融丝线材料朝套筒的内部泄漏和/或泄漏到沉积式打印头的外部。

在本发明的另一方面，该目的在如下所述的沉积式打印头中得以实现：该沉积式打印头包括支撑结构和如上所述的至少一个沉积式打印头。

在本发明的另一方面，本发明的目的在沉积式打印机中得以实现，该沉积式打印机包括用于保持待沉积式打印的物体的保持装置、定位装置、用于控制定位装置的位置的控制装置以及如上所述的沉积式打印头组件。沉积式打印机还包括用于控制至少一个丝线通道元件温度的温度控制器。

该目的在根据本发明的另一个目的的沉积式打印方法中也得以实现，该方法包括以下步骤：当在如上所述的沉积式打印头中沿进给方向进给热塑性丝线时，间歇地激活激励件。

在根据本发明的实施例中，沉积式打印头包括多个敏感元件。该方法还包括以下步骤：以不同的能量水平激活用于每个敏感元件的各个激励件。

在根据本发明的实施例中，该方法还包括以下步骤：根据温度分布以不同的能量水平激活用于每个敏感元件的各个激励件。

在根据本发明的实施例中，温度分布沿进给方向具有上升的温度斜率并且随后具有下降的温度斜率。这允许逐渐均匀地加热丝线材料。

在根据本发明的实施例中，该方法还包括以下步骤：将热塑性丝线第一次预加热至凝胶温度，将热塑性丝线第二次预加热至比熔化温度高的温度，将热塑性丝线第三次加热至熔化温度。最后一步将热塑性丝线维持在熔化温度。

在根据本发明的实施例中，该方法还包括以下步骤：在第二次预加热和第三次加热之间对热塑性丝线进行缓冲。这允许热塑性材料的丝线在经过敏感元件时在一部分丝线通道中升温，以在间隔元件中获得均匀且适当的稠度。这补偿了可能不恒定的热塑性丝线的横截面的不规则性。

在根据本发明的另一个实施例中，该方法还包括以下步骤：控制丝线通道温度。这允许精确地实现沿丝线通道的温度分布。这使得根据本发明的沉积式打印头通用于、适合于并适用于不同的丝线材料。

附图说明

图1a示出了根据本发明的实施例的沉积式打印头的剖视图。

图1b示出了根据本发明的沉积式打印头的侧视图。

图2a示出了根据本发明的实施例的敏感元件。

图2b示出了根据本发明的实施例的敏感元件和喷嘴。

图2c示出了根据本发明的实施例的间隔元件。

图2d示出了根据本发明的实施例的套筒。

图3a示出了根据本发明的实施例的沉积式打印头。

图3b示出了根据本发明的实施例的图3a的沉积式打印头的侧视图。

图4a示出了根据本发明的沉积式打印头的另一实施例的剖视图。

图4b示出了根据本发明的实施例的图4a的沉积式打印头的侧视图。

图5示出了根据本发明的实施例的沉积式打印头组件。

图6a和图6b示出了根据本发明的实施例的温度分布。

图7a示出了根据本发明的实施例的沉积式打印头的构件的布置。

图7b示出了图7a的布置的侧视图。

图8示出了根据本发明的实施例的沉积式打印头的温度控制的框图。

具体实施方式

图1a示出了沉积式打印头100的剖视图，该沉积式打印头100包括套筒102、敏感元件103、激励件105和喷嘴106。敏感元件103布置在套筒102内。敏感元件103呈预留通道104的管状形，以允许热塑性丝线进给通过。激励件105围绕敏感元件103布置。喷嘴106优选地可以附接到敏感元件103，但也可以附接到套筒102。激励件105能够连接到诸如电源之类的能量源，并且激励件105在被供能时产生与敏感元件103相适应的场。

激励件105可以是与作为敏感元件103的铁磁管状元件相组合的感应线圈。用于敏感元件103的铁磁材料包括铁、铁合金。也可以使用诸如钢、碳、锡、钨之类的低导电材料，这些材料借助于由激励件105的磁场所感应的涡流而引起升温。

当利用交流电压源或交流电流源激活时，激励件产生交变磁场。敏感元件103捕捉交变磁场。由于敏感元件103的铁磁材料的磁滞和/或如上所述的涡流，敏感元件103升温。由此升温的敏感元件103将通过丝线通道104进给的热塑性丝线加热至热塑性材料的丝线的熔化温度。进给引起足够的压力以使熔融丝线被压向喷嘴106，并在喷嘴处被挤出。通过根据预定图案连续地定位沉积式打印头100，挤出可用于使熔融热塑性材料沉积，熔融热塑性材料在固化时在待形成的物体上形成较小的部分，即层。通过逐渐地形成这些层，就可以形成完整的物体。

敏感元件103与套筒102之间的间隔109允许减少从敏感元件103向套筒102的热传递。感应线圈105例如由铜线的绕组制成。在替代实施例中，线圈105可以集成在套筒中。

图1b示出了图1的沉积式打印头100的侧视图。

图2a示出了敏感元件103的轮廓图。敏感元件103包括呈管筒状的主体，主体包括管状部201并且在管状部201的两端处包括凸缘202。丝线通道104具有内径d1。管状部201具有外径d2，并且凸缘202具有外径d3，使得d1<d2<d3。

管状部201和凸缘202可以由诸如石英玻璃或陶瓷材料之类的耐冲击性隔热材料制成，并具有如上所述的铁磁材料和/或低导电材料的内层。或者，管状部201和凸缘202可以由如上所述的铁磁材料和/或低导电材料制成。

图2b示出了图2a的敏感元件103，其中喷嘴106附接到敏感元件103的下端。这防止熔融热塑性丝线材料泄漏到套筒102中。

图2c示出了用于将套筒102中的两个敏感元件103隔开的间隔元件108。间隔元件呈环形并且可以由与套筒102相同的材料制造。间隔元件108的内径与敏感元件103的内径d1相匹配，而间隔元件108的外径与套筒102的内径d3相匹配。

图2d示出了套筒102，该套筒102呈管状并且具有用于容纳至少一个敏感元件103的内径d3。当多个敏感元件103插入到套筒102中时，这些敏感元件可以被处于敏感元件103之间的间隔元件108分离并隔开。

套筒102具有外径d4，d4>d3，该外径提供了足够的壁厚，以用于对敏感元件103进行隔热，从而保护套筒102的周围。

套筒102由隔热和耐热冲击性高的材料制成。优选使用石英玻璃。可能的替代物包括陶瓷材料。

图3a示出了沉积式打印头100，该沉积式打印头100具有被间隔元件108分离的多个敏感元件103。敏感元件103、间隔元件108、套筒102、激励件105和喷嘴106以同一丝线通道104为中心。图3c中的激励件105可以分成多个部分，每个部分与敏感元件103相对应。

图3b以侧视图示出了图3a的沉积式打印头100以及与沉积式打印头100的激励件105的各个部分301相连接的驱动电路302。当电分离时，激励件105的部分301允许独立地激励这些部分。在激励件105由感应线圈形成的情况下，可以借助于专属驱动电路302以不同的能量水平激活与部分相对应的每个线圈。这种驱动电路302可以是用于放大rf信号的放大器。放大的rf信号经由电连接引线供应给激励件105的部分301。供应给激励件105的各个部分301的rf信号的能量水平可以由控制装置(未示出)根据温度分布来进行控制。

用于激励铁磁敏感元件103的rf信号的频率可以在几百千赫兹至几兆赫兹或几十兆赫兹的较宽的范围内，rf的频率范围取决于材料和层厚和/或敏感元件材料的电阻率。

图4a示出了具有三个敏感元件103的沉积式打印头100的替代构造的剖视图。图4b示出了图4a的沉积式打印头100的侧视图。如在图3a和图3b的沉积式打印头中一样，敏感元件103布置在同一套筒102中并且被间隔元件108分离。在图4a和图4b中显而易见的是，激励件105可以是绕同一套筒102缠绕的单个线圈。感应线圈显示出针对每个敏感元件103，围绕套筒102的绕组密度改变。这允许通过单个激励件105使得用于每个相应的敏感元件103的能量水平不同。

在图4b的示例中，激励件105的下部401具有用于相应的敏感元件103的最多的绕组，因此与中间部402和上部403相比，下部401具有最高的能量传递水平。本领域的技术人员应当清楚，对于每个部分401、402、403，每个部分401、402、403的能量传递水平也可以是相同的。能量传递水平被选择为适应于在沿着沉积式打印头100的纵向方向上产生的温度分布。

图5示出了具有安装在容器501中的多个打印头100的沉积式打印头组件。容器501允许冷却剂504经由入口502引入并经由出口503排出。冷却剂504包括水、油、任何其它液体。冷却剂也可以是诸如空气之类的气体。冷却剂504允许在长时间段内对沉积式打印头100进行操作。容器501可以安装到与沉积式打印机的定位系统相连接的平台上。

图6a示出了根据图3a、图3b、图4a和图4b的一者的沉积式打印头沿进给方向107(图6a中的x)的温度分布。图6a示出了当热塑性丝线材料经过第一敏感元件103时，丝线温度在阶段i中增加到所示的第一水平。这可以是预加热阶段。在阶段ii中继续到达第二敏感元件103，丝线温度允许进一步增加。在阶段iii中通过最后的敏感元件103，丝线温度达到最大水平。最大水平优选为比热塑性丝线材料的熔化温度tm高的温度，以允许丝线材料由沉积式打印头100的喷嘴106沉积。

通过改变激励件105对不同的敏感元件103的激励(即，能量传递)，温度水平可以如图6a中的虚线所示的那样变化。

图6b示出了沉积式打印头沿进给方向107(图6b中的x)的更为高级的温度分布。三个预加热阶段由i、ii和iii示出，以允许通过丝线通道104进给的热塑性丝线从温度t0开始达到凝胶温度tg。然后，在阶段iv中，热塑性丝线凝胶被加热至比熔化温度tm高的温度。这确保所有的热塑性丝线材料在到达最后阶段v时熔融，其中，最后阶段v允许温度下降至熔化温度tm。因此，在阶段v之后，热塑性丝线材料在离开喷嘴106之前均匀地熔融。通过在沿进给方向107朝着喷嘴出口的丝线路径中控制激励件部分和各个敏感元件103之间的能量传递水平，可以获得各种温度。可以通过将沉积式打印头的相应部分保持在预定温度来实现温度下降。还可以通过使丝线经过如下间隔元件来实现温度下降：该间隔元件允许从丝线通道104向套筒102的热传递。

图7a示出了敏感元件103的布置，其中在元件103与传感元件701之间插入两个间隔元件108。传感元件包括温度传感器702。所有元件通常布置在套筒102中，图6a中并未示出。

传感元件701包括环形体704和丝线通道104，环形体704例如由与间隔元件108相同的材料制成，并且传感元件701的丝线通道104与敏感元件103和间隔元件108的丝线通道104连通。温度传感器702被定位在腔体703内，使得传感器紧邻丝线通道104。温度传感器702可以是诸如pt100元件之类的电阻温度器件(rtd)。

传感元件701分别适于测量丝线温度t1和t2。

图7b示出了具有温度传感器702的传感元件701的剖视图。

图8示出了用于在如上所述的沉积式打印头中控制经过图7a的丝线通道104的丝线的温度(例如，t1)的过程的框图。

将设定温度801与温度传感器811所测量的温度812进行比较，其中，温度传感器811对应于图7a中的传感器702。将温差803发送给控制单元804，该控制单元804将温差转换为确定激励件806的能量水平的控制信号805。从激励件806向与图7a的敏感元件103相对应的敏感元件808的能量传递807引起敏感元件808对进给通过敏感元件808的丝线通道的热塑性丝线进行加热。与图7a的温度传感器702相对应的温度传感器811测量经过敏感元件的丝线的温度810(t1)。

上述实施例仅作为示例的目的，而并非限制所附权利要求的保护范围。

附图标记

100沉积式打印头

102套筒

103敏感元件

104丝线通道

105激励件

106喷嘴

107进给方向

108间隔元件

109间隔

201主体

202凸缘

203容纳空间

301附加加热元件

302驱动器

501容器

502输入

503输出

504冷却剂

601温度分布

602温度分布

701传感元件

702温度传感器

703腔体

704环形体

800温度控制过程

801设定温度值

802减法单元

803温差

804控制单元

805激励能量

806激励件

807热传递

808敏感元件

809热丝线进给

810丝线温度

811温度传感器

812测量温度值