用于3D打印机的打印头的制作方法

本发明涉及一种用于3d打印机的打印头。

背景技术：

用于粘度可变材料的3d打印机获得该材料的固相作为初始材料、由此产生液相并且将该液相选择性地带到在属于待产生的对象的位置处。这样的3d打印机包括打印头，在该打印头中，初始材料被准备好用于打印。此外，设置有用于在打印头和应产生对象的工作面之间产生相对运动的器件。在此，可以仅使打印头运动、仅使工作面运动，或者可以既使打印头运动而且使工作面运动。

打印头具有第一运行状态和第二运行状态，在所述第一运行状态下，液态材料从打印头排出，在所述第二运行状态下，没有液态材料从打印头排出。例如当应移动到工作面上的另一位置并且在到那里的路径上不应沉积材料时，则占据第二运行状态。例如可以在打印头的两个运行状态之间切换，其方式是：接通或关闭固态初始材料的推进装置。

“熔融沉积成型”(fdm)是最广泛使用的，其中，由初始材料构成的丝在电加热的挤出机喷嘴中被熔化并且逐层地被施加到平台上。呈这种丝形式的初始材料是非常昂贵的。在us2016/082627a1中提出，将初始材料以颗粒材料形式供应并且借助输送螺杆输送至加热区，该初始材料以塑化的形式从所述加热区中排出。一方面颗粒材料明显更便宜，另一方面可以以这种方式简单地制造由不同热塑性材料组成的混合物。

此外，由在本申请的时间点尚未公开的申请de102016222306已知，通过活塞和被加热的部段使颗粒材料塑化。当活塞压到颗粒材料上时，该颗粒材料被压缩并且被输送至塑化区。在此，出现对活塞和打印头的缸壁强烈地负载的力。

技术实现要素：

本发明所基于的任务是，提供一种打印头，该打印头能承受出现的力并且能够实现稳定的打印过程。

在本发明的范畴内已经开发出一种用于3d打印机的打印头。该打印头包括进料区、塑化区以及输送装置，所述进料区具有用于粘度可变的初始材料的供应部，所述塑化区具有加热装置和用于初始材料液相的排出开口，所述输送装置用于将颗粒材料从进料区输送到塑化区中，其中，输送装置包括可导入到进料区中的活塞。

在此，尤其可以设置用于当前作为颗粒材料的初始材料的供应部。所述初始材料尤其可以是热塑性材料。

与借助输送螺杆运送颗粒材料的打印头相比，根据本发明的打印头可以更紧凑地构造。这又导致打印头能够更容易且更简单地运动。当打印头应非常快速地、尤其以100mm/s或更大的速度运动时，这尤其是有利的。

此外，已经令人惊讶地发现，借助活塞输送初始材料比借助输送螺杆输送获得更好的材料质量。

一方面，可以明显减少材料在其熔化温度以上停留的持续时间，使得该材料在较小程度上热退化。由于过高的热负荷产生裂解产物、首先是气体，该气体通过在系统中存在的压力加速材料的进一步分解并且也直接影响材料的质量。这例如表现为被挤出体积的波动或者也通过被挤出材料的变色、表面烧伤或发泡来表现。此外，在系统中形成覆层，该覆层脱落并且堵塞系统或作为松散的颗粒到达待制造的对象中。此外，由于气态裂解产物的压力也可能意外地挤出材料。如果排出开口被阀封闭，则在这里甚至可能形成过压并且打印头可能爆炸。如果排出开口被固态裂解产物封闭，则也能够在打印头中形成压力，该压力能够在爆炸式挤出热材料时释放。由于余热，当通过安全系统已经切断用于加热打印头的能量供应时，这也可能发生。

另一方面，分解材料聚合物链的剪切力也不施加到材料上。这些聚合物链越长，最终获得的对象的相对于例如拉应力、压应力和弯曲应力的机械强度越大。聚合物链越长，对象对化学介质的耐受性也越好。

此外，可以使任意小的体积塑化，与此相反地，在借助输送螺杆输送时总是必须使一定最小量的材料塑化。输送螺杆需要这种最小量，以便形成推力，所述推力对于输送螺杆的功能而言是强制必需的。

根据本发明，活塞具有面向塑化区的第一活塞区段，该第一活塞区段具有导向面，活塞通过该导向面在打印头的孔中被导向。

活塞导向面的这种布置以有利的方式防止活塞在打印头的孔中卡住和倾斜，由此能够实现打印头的几乎无磨损的运行。本发明保证活塞总是优化地在打印头的孔中被导向并且该活塞在冲击到颗粒材料时不偏移。由此，能够实现打印头的连续和持久的运行。

在一个有利的扩展方案中，导向面在其轴向延伸尺度上比供应部的通向孔的开口面的最大轴向延伸尺度更长。

供应部的通向孔的开口面的尺寸对于从供应部供应到打印头的孔中或者说打印头的进料区中的颗粒材料量是重要的。

活塞导向面的通过本发明能够实现的相对于供应部开口面的超出部以有利的方式负责活塞在孔中的稳定导向。

本发明的特别有利的扩展方案在于，活塞导向面的轴向延伸尺度处于开口面的最大轴向延伸尺度的1.1倍至1.3倍之间。如果导向面选择得更长，则活塞的使用寿命减小，因为该活塞被过于刚性地导向并且由此不再能够补偿公差。

特别地，当活塞导向面的轴向延伸尺度为开口面的最大轴向延伸尺寸的1.2倍时，以有利的方式实现，活塞被优化地导向并且提高了打印头的使用寿命。

在本发明的一个扩展方案中，活塞导向面的轴向延伸尺度处于第一活塞区段的活塞直径的1倍至2.5倍之间。

该范围能够以有利的方式实现活塞在孔中的最优导向，由此提高打印头的使用寿命。在更小值的情况下打印头失效的概率提高，而在更大值的情况下需要非常精确地制造且彼此协调的构件，所述构件一方面是昂贵的并且可能具有较小的强度并且由此更易受干扰。

特别地，当活塞导向面的轴向延伸尺度为第一活塞区段的活塞直径的1.25倍时，以有利的方式实现，活塞被优化地导向并且提高了打印头的使用寿命。

在一个扩展方案中，活塞具有第二活塞区段，该第二活塞区段的活塞直径小于第一活塞区段的活塞直径，由此，活塞在该区段中以有利的方式不被导向。

在本发明的另一实施方式中，活塞具有环槽，该环槽布置在第一活塞区段和第三活塞区段之间，其中，在一个扩展方案中，第三活塞区段布置在第一活塞区段和第二活塞区段之间，其中，第一活塞区段和第三活塞区段具有相同的活塞直径。

通过将环槽布置在分别具有相同活塞直径的第一和第三活塞区段之间，能够以有利的方式评价打印头或者说挤出机的状态，其方式是：在维护间隔期间对该环槽进行污染物检查。如果环槽没有污染物或者没有初始材料的覆层，则例如正确地调整用于加热初始材料的温度和活塞的导向。

附图说明

下面根据附图与本发明的优选实施例的说明一起详细地示出其它改进本发明的措施。

附图示出了：

图1根据本发明的打印头；

图2在打印状态下的打印头的剖视图；

图3在非打印状态下的打印头的剖视图；

图4打印头的第一实施例；和

图5打印头的第二实施例。

具体实施方式

图1示出打印头10的立体的外部视图。打印头10具有壳体19，该壳体具有用于呈颗粒材料21形式的初始材料21的漏斗形供应部12。壳体19向上过渡到中间件38中。该中间件38包括缸37，活塞31在该缸中被导向。活塞31在图1所选择的立体视图中被缸37遮盖并且因此仅标出。活塞31的运动通过电动机32a被驱动，该电动机的旋转运动通过机械主轴32b被转换成线性运动。活塞31和驱动源32共同形成用于输送颗粒材料21的输送装置30。

借助位移测量系统33测量活塞31的位移s。借助力传感器34测量将活塞31压到颗粒材料21上的力f。所述力f和位移s被供应给主动调节装置35，该主动调节装置还获得用于力f的额定值fs作为输入并且以如下方式操控电动机32a，即保持实际的力f与额定值fs一致。在此，通过测量位移s保证遵守边界条件，使得活塞31应仅与初始材料20的完全固态的颗粒材料21接触，但不与至少部分塑化的、粘连活塞31的相接触。

在面向供应部12的上部区域中，壳体19由冷却器件13构成，该冷却器件包括具有冷却介质的主动冷却装置13a和具有冷却肋的被动冷却装置13b。相反地，在面向排出开口16的下部区域中，壳体16在其外周上被加热带15包围，该加热带提供用于使初始材料21塑化的加热能。

图2示出在打印的工作循环部分中的打印头10的内部。进料区11位于打印头10的壳体19中，颗粒材料21或者说初始材料21能够经由漏斗形供应部12被供应到所述进料区中。活塞31将颗粒材料21从进料区11输送到塑化区14中，该塑化区也称为计量区，因为在那里发生对初始材料21的按份量取。进料区11经由压缩区11a邻接到塑化区14上。在压缩区11a内，边界层11b位于一方面被强烈压缩的、但还始终是固态且无粘性的颗粒材料21和另一方面已经开始液化的材料22之间。在图2所示的位态中，活塞31的前端部恰好位于该边界层11b中。

壳体19的内部空间在壳体19的上部区域中直至包含边界层11b构造为正圆柱，活塞31能够在所述内部空间中被导向。在更下方，所述内部空间过渡到熔化几何形状51中。该熔化几何形状51的特征一方面在于，其内部横截面向下不断变细，使得液态材料22或者说液相22的压力不断升高。另一方面，熔化几何形状51的内壁具有引起初始材料21的液相22混合的结构化部。该结构化部例如可以是肋状的，如在图2中示例性地所示的那样。在塑化区14中，在壳体19的外周上布置有加热带15，该加热带的加热功率通过布置在壳体19的内部空间中、即在液相22内的导热结构52(导热分流器)被均匀地分布到液相22上。代替在图1和2中示例性地示出的加热带15，也可以是任何其它类型的加热装置。在最靠近塑化区14的前部区域16a处的排出开口16中，液相22的压力pl借助压力传感器17测量，并且液相22的温度tl借助温度传感器18测量。区域16a仅几立方毫米大，使得没有多余的颗粒材料21被熔化。导热结构52负责使初始材料21的液相22在区域26a中始终具有尽可能高的粘度，而不过热。

pl和tl的测量值被传递给分析评估单元4，该分析评估单元附加地获得直接布置在塑化区14的上边界处的另外的温度传感器53的温度测量值t^*作为输入。

从初始材料21的液相22通过由活塞31产生的压力pl穿过打印头10的排出开口16挤出束状物23并且该束状物沉积在待制造的对象60上。分析评估单元4计算束状物23的体积一方面由于高压pl的卸压而增大的量δv+和该体积另一方面由于冷却了高温tl而减小了的量δv-。同时也计算通过积聚的材料23而输入到对象60中的能量输入e。

活塞31在壳体19中借助微小的排气间隙54被导向。通过该间隙54可以导出在颗粒材料21的填料中包含的环境空气，该环境空气在该填料压缩时被释放。以相同的方式也可以导出在初始材料21塑化或部分分解时形成的气体。

如在图1中已经示出的那样，壳体19在边界层11b和供应部12之间被冷却器件13冷却，该冷却器件由具有流动冷却介质的主动冷却装置13a以及由借助冷却肋的被动冷却装置13b构成。由此，在进料区11内从上向下不断升高的温度ts持续保持在初始材料21开始塑化的温度tp以下。恰好在边界层11b的下端部上达到tp。通过将进料区11永久地调温到合适的温度上，避免颗粒材料21的过早熔化、进料区11的堵塞和由于冷凝而引起的水进入。该调温也调节边界层11b的精确位置并且尤其可以将该边界层保持在恒定的位置中。

沿着打印头10的纵轴线10a从冷(-)到热(+)的温度曲线在右侧在打印头10旁定性地绘制出。

图3以与图2相同的视图示出相同的打印头10，其区别在于，活塞31在这里已经被向上拉回到进料区11之后。这一方面具有以下效果，即在图3所示的状态下没有初始材料21的束状物23从排出开口16排出。另一方面，进料区11对于新鲜的颗粒材料21的不断流入而言是空置的。当活塞31又下降时，如在图2中所示的那样，在新鲜的颗粒材料21作为束状物23从排出开口16排出之前，该新鲜的颗粒材料被压缩并且在塑化区14中被塑化。

图4以剖视图示出根据本发明的打印头10的第一实施例。活塞31具有面向塑化区14的第一活塞区段5，该第一活塞区段具有导向面9，活塞31通过该导向面在打印头10或者说壳体19的孔7中被导向。

导向面9在其轴向延伸尺度l2上比供应部12的通向孔7的开口面8的最大轴向延伸尺度l1更长。供应部12的通向孔7的开口面8这样地设计，使得被供应的颗粒材料21可以优化地被供应到孔中或者进料区11中。

在该实施方式中，活塞31的导向面9的轴向延伸尺度l2为开口面8的最大轴向延伸尺度l1的1.2倍。

此外，第一活塞区段5具有活塞直径d2，其中，活塞31的导向面9的轴向延伸尺度l2优选为第一活塞区段5的活塞直径d2的1.25倍。

所示的具有相应地设计尺寸的导向面9的活塞31避免了活塞31在孔7中的倾斜并且减少了变形的颗粒材料到导向面9和孔7之间的间隙中的侵入。

此外，活塞31具有第二活塞区段6，该第二活塞区段的活塞直径d1小于第一活塞区段5的活塞直径d2。

图5示出打印头10的第二实施例，其中，活塞31具有环槽40，该环槽布置在第一活塞区段和第三活塞区段41之间。

第三活塞区段41布置在第一活塞区段5和第二活塞区段6之间并且具有与第一活塞区段(5)相同的活塞直径d2。

环槽40用于评价打印头调整的质量，其方式是：在维护间隔期间对环槽40进行沉积物检查。

在该实施方式中，活塞31的导向面9的轴向延伸尺度l2为开口面8的最大轴向延伸尺度l1的1.2倍并且延伸到环槽40。

打印头10可以集成到任意的3d打印机中。