三维地施加材料的打印装置的打印头、打印装置和方法与流程

本发明涉及一种用于三维地施加材料的打印装置的打印头。打印头包括用于熔化材料和用于输出已熔化的材料的加热的喷嘴。在此，打印头构造用于，在打印头沿着预定的行进方向移动时，已熔化的材料作为线束涂覆在至少部分硬化的之前涂覆的材料上和/或基板上。此外，本发明涉及用于利用这样的打印头三维地施加材料的打印装置。最后，本发明涉及用于三维地施加材料的方法。

背景技术：

从现有技术已知了大量附加的制造方法或三维打印方法。当前特别关注的是所谓的flm方法(flm-(fusedlayermanufacturing/modeling)熔化分层制造/成型)，该方法作为挤线法的特征为，已熔化的塑料迹线相互重叠地放置。在此，在待制造的部件中通过制造过程首先在建造方向上产生机械的各向异性。这由此实现，即之前涂覆的材料或者紧接之前打印的迹线在新的迹线融化在其上之前就已经冷却。这不仅表现为部件的形变，还首先表现为建造方向上的较弱的机械负载性。通过高温梯度仅使得塑料迹线相互不充分地焊接，这导致层间的附着仅能够次优地实现。在此，能够部分地在水平的负载可能方面产生40％至60％的机械特性的减小。理想的是将两层熔合而没有任何可见差异的边界面或焊缝。

当前，在附加制造中几乎没有直接解决该问题的手段。通过加热不仅打印头以及已经涂覆的材料所在的整个建造空间，来部分地改进了形变和层间的附着。通过加热整个建造空间，所有的机械部件同样地暴露在直接的热量面前，这例如在马达或其它电子构件上能够导致故障。仅通过复杂的绝缘方案能够间接地保护附件不受热对流的影响。也不能低估在整个建造过程期间在聚合物的分子链中的分解反应。虽然普遍上利用该原理改进了附着和形变，但其有效功率受到限制。因此，不能转化为在边界层中的实际的“焊接”。

此外，来自传统的制造的、所谓的激光透射焊接是被证实的用于塑料的接合的方案。在此，组合传送和吸收的塑料，传送和吸收的塑料共同形成接合区或者边界面。在此，透明的塑料被激光射线透射而没有明显加热。激光射束只在靠近表面的层的吸收塑料中被完全吸收，其中，激光能量转换为热量并且因此熔化塑料。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给出一种在如开头所述类型的三维打印方法的解决方案，能够改进制造部件的机械特性。

根据本发明，该目的通过具有根据独立权利要求所述的特征的打印头、打印装置以及方法实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的用于三维地施加材料的打印装置的打印头包括用于熔化材料和用于输出已熔化的材料的加热的喷嘴。在此，打印头构造用于，在打印头沿着预定的行进方向移动时，将已熔化的材料作为线束涂覆在至少部分硬化的之前涂覆的材料上和/或基板上。此外，打印头包括熔化装置，熔化装置构造用于在打印头移动期间连续局部地加热之前涂覆的材料的相应的区域。

该打印头能够在用于三维地施加材料的打印装置中应用。特别地，能够利用该打印装置执行所谓的flm法。借助于该方法能够制造构件。在此，首先材料能够在固态下被供应给喷嘴。特别地，材料能够是热塑性材料、例如是相应的塑料。材料例如能够以单纤维的形式提供并且被供应给喷嘴。还能够设置为，使得材料以颗粒材料的形式供应给喷嘴。喷嘴能够具有相应的加热装置，借助于加热装置能够加热材料并且因此熔化材料。在喷嘴内能够输送材料，其中，已熔化的材料在喷嘴的开口处喷射出。因此，借助于喷嘴能够输出融化的材料。在此，喷嘴能够相对于基板移动。

例如，喷嘴能够沿着两个相互垂直的空间方向移动。还能够设置为，使得喷嘴附加地沿着第三空间方向移动。替代于此地，能够在第三空间方向上调节基板或者调节在其上布置有基板的能调节高度的工作台。在此，喷嘴沿着行进方向移动，该行进方向之前被限定用于部件的制造。在此，已熔化的材料作为线束或者迹线输出。此外，这些迹线在建造方向上相互叠加地布置。在此，已熔化的材料通常涂覆到之前涂覆的材料上或者之前涂覆的迹线上，其中，之前涂覆的材料至少部分地硬化或固化。

根据本发明的基本方面，打印头附加地具有熔化装置。在此，熔化装置构造用于在打印头移动期间连续局部地加热之前涂覆的材料的相应的区域。借助于熔化装置，能够局部地加热以及因此局部地熔化至少部分硬化的、已经涂覆的材料或者已经涂覆的迹线。因此，熔化装置与喷嘴的加热装置是不同的，喷嘴的加热装置用于熔化喷嘴或打印头内的材料。此外，尤其没有设置借助于熔化装置完全加热整个已经涂覆的材料或已经涂覆的材料所在的建造空间。借助于熔化装置应当局部地熔化已经硬化的材料的各个区域。在打印装置的运行中，打印头连续地沿着行进方向移动。在打印头移动期间，能够利用熔化装置连续或依次加热或熔化相应的之前限定的区域。由此，例如能够改进局部熔化的材料与随后从喷嘴中输出的已熔化的材料的连接。以这种方式能够改进构件的机械特性。

在一个实施方式中，熔化装置构造用于在涂覆已熔化的材料之前局部地加热预加热区域，该预加热区域作为之前涂覆的材料的相应的区域，该预加热区域沿行进方向位于喷嘴之前。换句话说，能够借助于熔化装置在已熔化的材料从喷嘴输出之前正好在该区域上进行已经涂覆的材料的预加热。还能够设置为，熔化装置具有预加热单元，借助于预加热单元能够加热沿行进方向在喷嘴之前的区域。为了由材料制造该部件预定行进方向。此外，尤其已知在哪个时间点喷嘴位于哪个位置上。还已知，当喷嘴处在预定的位置上时，喷嘴接下来要移动到哪个位置。喷嘴接下来移动到的位置表示借助于熔化装置局部地加热或熔化的区域。在此，预加热区域的宽度能够至少对应线束的宽度。在该局部熔化的区域上，已熔化的材料能够随后从喷嘴输出。因此，在硬化之后能够实现这两个材料层或迹线之间的改进的机械连接。由此，能够减少部件中的机械的各向异性。能够实现的是，使得部件具有改进的机械特性。然而，首先能够更好地预估部件的机械特性。由此能够实现部件的准确的尺寸确定，由此能够避免昂贵的过大尺寸。

在另一个实施方式中，熔化装置构造用于在涂覆已熔化的材料之后加热在涂覆的已熔化的材料与之前涂覆的材料之间的边界面处的边界面区域作为相应的区域。替代于或附加于已经涂覆的材料的之前所述的预加热，还能够借助于熔化装置在热学方面影响在之前涂覆的材料与刚刚涂覆的已熔化的材料之间的边界面。如上所述，已经涂覆的材料能够至少部分地硬化或固化。直接在涂覆来自于喷嘴的已熔化的材料之后，该材料至少部分地仍是液态的。在该状态下，熔化装置能够用于局部加热刚刚涂覆的已熔化的材料的边界面处的已经涂覆的材料或者硬化的材料。以这种方式能够局部地熔化边界面处或在边界面区域中的已经涂覆的材料。因此，这两个材料迹线能够类似于在透射焊接中那样相互连接。通过透射焊接与flm方法的组合能够实现改进的整个过程，由此能够尽可能地消除机械各向异性。

在此，尤其设置的为，熔化装置构造用于为了加热边界面区域而将辐射耦合进涂覆的已熔化的材料中，使得辐射穿透已熔化的材料并且在之前涂覆的材料处被吸收。优选地，能够利用激光源提供该辐射。因此，在flm方法中能够集成激光源，激光源的辐射光学穿透刚刚涂覆的熔化的材料之后才浸入下面的迹线或者之前涂覆的硬化的材料的边界面中。由此，得到热影响区域，在热影响区域中边界层面通过近似相同的温度被焊接到一起。由此，能够分解热学压力。此外，通过局部的热排放实现了部件中的更小的形变。在此，通过激光首先光学穿透最上面的迹线或者已熔化的涂覆的材料并且随后在该处进行边界面处的耦联。

对此，尤其设置为，使得最上面的迹线或者涂覆的已熔化的材料在专门的温度区域中对于辐射是能透过的并且存在边界面。这是可行的，例如，当辐射穿透直接喷出并且因此仍是热的材料并且随后射入到之前涂覆并且冷却的材料上时。在此，已熔化的或者液态的材料能够具有无定形的特性并且之前涂覆的材料或者硬化的材料能够具有(部分)晶体的特性。

边界面的之前描述的局部的加热明显与已知的激光透射焊接不同。在激光透射焊接中主要接合不同的塑料，其双方都已经处于冷却的状态。此外，在阶段过渡的基础上不使用根据温度的光学特性，而是原则上使用待接合的塑料(无定形部分结晶)的不同的结晶度。这导致随后应用不同的塑料、即传送的塑料和吸收的塑料。在根据本发明的方法中使用一种相同的物质，其仅基于其阶段状态并且因此根据温度来传送和吸收。

在另一个实施方式中，熔化装置包括用于发射激光的光源和/或用于引导激光的光学元件。熔化装置能够包括至少一个光源，利用光源能够发射激光。该光源能够是激光、激光二极管或类似的。特别地，能够利用还能够被称为辐射源的光源发出高能辐射。光源例如能够直接布置在喷嘴处。此外，熔化装置能够具有光学元件，例如透镜，借助于透镜能够引导激光或能够使激光成束。通过用于光源的光学元件的布置和/或通过光学元件的设计例如能够预定激光辐射的焦点或者燃点。还能够设置为，使得光源与喷嘴有间距地布置。在该情况下，利用光源发射的激光例如能够经由光导体引导至喷嘴的区域。因此，激光能够在光导体的出射端解耦。在该情况下，还能够应用相应的光学元件。通过激光辐射或者激光能够局部或者范围性地加热涂覆的材料。以该方式能够以较小的花费和较小的成本改进打印头。

还能够设置为，使得熔化装置构造用于输出相应的热气流用于局部地加热已经涂覆的材料。利用这样的热气喷嘴能够输出具有预定温度的相应的保护气体或者惰性气体。替代于此地，能够设置为，使得熔化装置具有相应的等离子喷嘴。热气喷嘴或等离子喷嘴尤其能够用于局部地熔化预加热区域。

在另一个实施方式中，打印头具有作为光学元件的环形的透镜，透镜包围喷嘴。对此，有利地设置为，使得经由相应的光导体给环形的光学系统或者透镜输送辐射或者激光。通过该环形的喷嘴能够实现，使得能够熔化环绕着喷嘴的材料所有的区域。通过环形的光学元件能够调节激光的焦点，使得焦点位于已经涂覆的材料与刚刚排出的已熔化的材料之间的边界面的区域中，或者使得焦点位于已经涂覆的材料的表面上。通过该环形的光学系统能够一方面实现已经涂覆的材料的预加热并且另一方面实现边界层处的两个材料层的熔化。通过借助于该光学系统加热环绕着排出的喷出射线的区域，一方面实现沿行进方向在喷嘴之前的预加热并且沿行进方向在喷嘴之后在边界面的区域中实现加热。此外，通过应用环形的光学系统得到的优点为，使得控制器简化。在此，边界面的预加热和加热与喷嘴处的移动不匹配。在此，通过环形喷嘴加热的另外的区域的附加的加热对材料接合不产生负面影响。

在另一个实施方式中，打印头具有用于调节热能的控制装置，熔化装置提供该热能用于区域的局部加热。换句话说，能够借助于控制装置调节利用熔化装置提供的热功率。如上所述，熔化装置能够具有光源或者激光源。为了匹配热能或者热功率，能够调节辐射的强度。因此，能够实现例如使得能够利用熔化装置提供的热能匹配应用的材料。

根据另一个实施方式，打印头包括用于连续检测相应的区域的当前的温度的检测装置。检测装置例如能够具有相应的传感器，利用传感器能够检测应该利用熔化装置加热的区域的当前的温度。例如，检测装置能够具有相应的红外线传感器。因此，能够借助于检测装置确定刚刚输出的已熔化的材料和/或已经涂覆的并且至少部分硬化的材料的相应的温度。基于检测到的温度能够监视打印方法并且在适当情况下调节该打印方法。

根据另一个实施方式，控制装置构造用于根据借助于检测装置检测到的温度调节利用熔化装置输入的热能。当例如应当借助于熔化装置实施预加热的时候，能够检测已经涂覆的材料的温度并且调节利用熔化装置输出的用于预加热该区域的热能。因此，例如能够确定，为了预加热而应当将材料加温到哪个额定温度。该额定温度能够事先计算或者在相应的试验中确定。还能够设置为，使得确定当前涂覆并且仍已熔化的材料的温度，以便因此能够检查材料对于辐射是能穿透的。因此，能够有效地控制或调节边界面的加热或者边界面处的材料的焊接。

根据一个替代的实施方式能够设置为，使得熔化装置能够相对于喷嘴移动。特别地，熔化装置能够根据预定的行进方向或者喷嘴的计划的移动迹线来移动。因此，在预加热时，能够相应地加热将要在其上涂覆已熔化的材料的区域。这以相同的方式适用于已经硬化的材料和刚刚排出的已熔化的材料之间的边界面的加热。

根据本发明的用于三维地施加材料的打印装置包括根据本发明的打印头。此外，打印装置能够具有相应的驱动器，借助于驱动器能够移动打印头。还能够设置为，使得之前描述的检测装置和/或之前描述的控制装置是打印装置的一部分。

根据本发明的方法用于借助于打印头三维地施加材料。在此，借助于加热的喷嘴熔化材料并且输出已熔化的材料。此外，打印头沿着预定的行进方向移动。在此，已熔化的材料作为线束涂覆在至少部分硬化的之前涂覆的材料上和/或基板上。在此，设置为，使得在打印头移动期间借助于打印头的熔化装置连续地局部加热之前涂覆的材料的相应的区域。

如之前结合打印头描述的那样，能够在涂抹已熔化的材料之前实施预加热，和/或能够加热在当前涂覆的已熔化的材料与已经硬化的位于其下的材料之间的边界面。尤其设置为，使得熔化装置具有激光源，借助于激光源能够局部地加热或熔化涂覆的材料。为了尤其实现边界面的加热，能够应用塑料作为材料，塑料在已熔化的状态中具有无定形的特性并且在硬化的状态中具有(部分)晶体的特性。特别地，能够涉及热塑性的塑料。在硬化的材料与在其上涂覆的已熔化的材料之间得到自然的边界面。该自然的边界面能够通过加工温度和加工引导进一步成形。替代地或附加地，能够在涂覆已熔化的材料之后或在每层之后涂覆改进激光辐射的吸收的相应的添加物，使得在各个层或者迹线之间形成激光深层。添加物例如能够是液态、粉状、气溶胶状、薄膜形式或气体形式的类型。此外，激光射线的焦点能够调节为，使得焦点或者燃点位于边界面的区域中。因此，能够保证能量输入仅在边界面中进行。

之前结合根据本发明的打印头示出的实施方式和其优点相应地适用于根据本发明的打印装置以及适用于根据本发明的方法。

本发明的另外的特征由权利要求、附图和附图说明得出。上述在说明书中提到的特征和特征组合以及接下来在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能应用在分别给出的组合中，也能应用在其它的组合中，而不脱离本发明的保护范围。

附图说明

现在根据优选的实施例并且参考附图更加详细地阐述本发明。在此，示出：

图1示出了根据现有技术的用于三维地施加材料的打印装置的示意图；

图2示出了具有根据第一实施方式的打印头的打印装置的示意图；

图3示出了具有根据第二实施方式的打印头的打印装置的示意图；并且

图4示出了具有根据第三实施方式的打印头的打印装置的示意图；

在附图中相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的打印装置1的示意图。利用该打印装置1能够实施所谓的flm方法。打印装置1包括打印头2，该打印头具有加热的喷嘴3。喷嘴3输送例如单纤维形式的材料。然后，借助于喷嘴3能够加热并且熔化材料。以该方式能够借助于喷嘴3输出已熔化的材料4。在此，已熔化的材料4作为线束或者迹线输出。在此，已熔化的材料4涂覆在之前涂覆的材料5上，材料5至少部分地硬化。在该方法开始时，材料涂覆在基板6上。随后，将多个层或迹线沿着建造方向a相互叠加地涂覆。每个迹线具有厚度d，其中，每个迹线的厚度d相等。打印头2借助于在此未示出的驱动器沿着行进方向v移动。

当已熔化的材料涂覆在材料5上的时候，之前涂覆的材料5至少部分地硬化。之前涂覆的材料5具有比已熔化的材料4明显更低的温度。基于该温度差，能够在两个迹线之间产生机械应力。这能够导致，在已熔化的材料4与之前涂覆的材料5之间或在建造方向a上相互叠加布置的迹线之间的边界层7处无法实现充分的连接。

图2示出了具有根据第一实施方式的打印头2的打印装置1的示意图。在此，打印头2同样具有加热的喷嘴3。此外，打印头2包括熔化装置10。熔化装置10用于局部或范围性地加热之前涂覆的材料5。在本实例中，熔化装置10包括预热单元11。借助于预热单元11能够加热之前涂覆的材料5的预热区域12，其中，预热区域12沿行进方向v位于喷嘴3之前。因此，随后借助于喷嘴3将已熔化的材料4涂覆在该预热区域12中。通过局部的加热预热区域12，能够局部地熔化之前涂覆的硬化的材料5。由此，能够改进之前涂覆的材料5和在材料5上涂覆的已熔化的材料4之间的连接。

熔化装置10或者预加热单元11包括光源15，借助于光源15能够发射激光辐射。在此，能够借助于光源15加热之前涂覆的材料5的表面9。在此，能够调节光源15的焦点，使焦点位于之前涂覆的材料5的表面9上。此外，打印头2包括控制装置8，借助于控制装置能够调整光源15的运行。例如，能够调节利用光源15发出的激光辐射的辐射功率。此外，打印头2包括检测装置16，借助于检测装置能够确定之前涂覆的材料5的当前的温度。根据当前的温度能够借助于控制装置8驱控光源15。以该方式能够将激光辐射的辐射功率与当前的温度匹配并且因此确定如何加热之前涂覆的材料5。因此能够实现，将预热区域12调节到预定的额定温度。特别地，能够以该方式提供调节回路，以便将预热区域12的温度调节到额定温度。控制装置8和检测装置16是打印头2的现有部分并且布置在喷嘴3处。还能够设置为，使得控制装置8和/或检测装置16与喷嘴3有间距地布置和/或是打印装置1的一部分。

图3示出了具有根据第二实施方式的打印头2的打印装置1的示意图。在此，打印头2也具有加热的喷嘴3。此外，打印头2具有熔化装置10，熔化装置在该实例中具有透射单元13。借助于透射单元13能够加热边界面区域14。该边界面区域14与之前涂覆的材料5与当前涂覆的已熔化的材料4之间的边界面7相关联。此外，边界面区域14沿行进方向v布置在喷嘴3之后。透射单元13也包括光源15，借助于光源能够发射激光辐射。在此，焦点调节到边界面7上。借助于透射单元13能够在涂抹已熔化的材料4之后直接加热边界面区域14。

材料能够是热塑性的塑料。该材料在已熔化的状态中对于光源的辐射能够是能透过的。在已熔化的状态中，材料能够具有无定形的特性。至少部分硬化的之前涂覆的材料5能够具有部分晶体或晶体特性并且吸收辐射。因此，能够实现加热边界面区域14。在预热区域12中，辐射直接照射到之前涂覆的材料5的表面9上。因此，能够改进这两个层的连接并且几乎实现层的焊接。打印头2也能够具有控制装置8和/或检测装置16。

图4示出了具有根据第三实施方式的打印头2的打印装置1的示意图。该打印头2同样具有加热的喷嘴3。此外，打印头2具有熔化装置10。在该情况下，熔化装置10具有环形的透镜18的形式的光学元件17，其中，环形的透镜18环绕喷嘴3。此外，熔化装置10包括光源15，光源与喷嘴3有间距地布置。在此，光源15的光或者辐射经由光导体19引导至光学元件17。通过光学元件17或者环形的透镜18不仅实现了预热单元11还实现了透射单元13。通过环形的透镜18加热环绕着喷嘴3的整个区域。在此，沿行进方向v在喷嘴3之前加热预热区域12并且沿行进方向v在喷嘴3之后加热边界面区域14。

在此，光学元件17或环形透镜18的焦点选择为，使得焦点位于边界面7上。因此，焦点还位于之前涂覆的材料5的表面9上，因为该表面9关于建造方向a具有与边界面7相同的高度。借助于光学元件17能够不根据行进方向v，不仅加热或熔化预热区域12，还加热或者熔化边界面区域14。打印头2还能够具有控制装置8和/或检测装置16。