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：

1、用于在其粘度方面可变的材料的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施加在属于待产生的对象的部位处。这样的3d打印机包括打印头，在所述打印头中以准备好打印的方式预处理初始材料。此外，设置有用于产生打印头与工作面之间的相对运动的器件，对象应在该工作面上形成。在此可以或者仅使打印头运动、仅使工作面运动，或者不但使打印头而且使工作面运动。

2、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中，液态材料从打印头出来，在所述第二运行状态中，没有液态材料从打印头出来。例如，当应移动到工作面上的其它位置并且在到那里的路径上不应输出材料时，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：固态初始材料的推进被接通或关断。

3、最广泛应用的是“熔融沉积建模(fused deposition modeling，fdm)”，其中由初始材料构成的细丝在电加热的挤出器喷嘴中熔化并且层状地施加到平台上。呈这种细丝形式的初始材料是非常昂贵的。

4、在us2016/082 627a1中提出，初始材料以颗粒材料形式供应并且借助螺旋输送器输送至被加热的区，该初始材料以经塑化的形式从所述被加热的区出来。一方面，颗粒材料明显更便宜，另一方面，由不同热塑性材料组成的混合物能够以这种方式简单制造。

5、此外，由de 102016222306 a1已知一种打印头，其中，在该打印头中，通过活塞和经加热的路段使颗粒材料塑化。如果将活塞压到颗粒材料上，则该颗粒材料被压缩并且输送至在打印头的下部区域中的塑化区。在此，出现如下力：该力对活塞和打印头的柱体壁产生强烈负荷并且能够导致在打印头壳体的柱体壁上的增加的磨损。此外，公开一种具有热传导结构的复杂的熔化几何形状，其中，该熔化几何形状将加热元件的加热功率引入到被塑化的材料中，以便使该材料进入到材料的液相中。

技术实现思路

1、本发明所基于的任务在于，提供一种用于3d打印机的紧凑的打印头，该打印头能够实现高动态性和稳定的打印过程。

2、在本发明的范畴内开发出一种用于3d打印机的打印头。

3、用于3d打印机的打印头包括打印头包括促动器装置、供应装置、法兰、喷嘴头和喷嘴，所述促动器装置布置在打印头的壳体中，用于操控活塞；所述供应装置用于能打印的材料；所述法兰布置在壳体和供应装置上，所述法兰具有冷却装置；所述喷嘴头具有加热元件，用于将材料从固相经由塑相转化为液相；所述喷嘴用于将材料的液相从喷嘴头中输出。根据本发明，在喷嘴头内布置有肾形件。

4、用于操控活塞的促动器装置可以是电动马达、例如具有机械传动装置的电动马达或具有液压压力源的液压驱动器。与液压驱动器相比，作为促动器装置的电动马达具有较小的重量并且由此以有利的方式引起整个打印机和打印过程的高动态性，因为须加速的质量很小。液压驱动器以有利的方式在操控活塞时实现大的力。

5、用于可打印的材料的供应装置尤其可以设置为用于作为颗粒材料存在的材料或者说初始材料的供应装置。初始材料尤其可以是热塑性材料。已认识到，与使用由热塑性材料构成的细丝的打印头相比，通过使用颗粒材料作为初始材料尤其在用于打印机的初始材料的成本方面实现特别的优点。

6、与借助螺旋输送器运输颗粒材料的打印头相比，根据本发明的打印头能够更紧凑地构造。这又导致打印头能够更轻便且更简单地运动。当打印头要非常快速地、尤其以100mm/s或更高的速度运动时，这尤其是有利的。

7、法兰包括冷却装置，由此，在供应装置的区域中实现优化的热管理，使得有利地避免材料或者说颗粒材料在活塞上的粘连。此外，喷嘴头具有加热元件，用于将材料从固相、尤其是颗粒材料转化为液相。喷嘴头中的加热元件以有利的方式引起将加热功率有针对性地引入到待熔化的材料中。随后，液相或者说熔体能够由于活塞运动而通过喷嘴头的喷嘴输出。

8、在本发明的一个扩展方案中，肾形件具有中央延伸的、用于接收活塞的活塞针的孔。

9、活塞包括用于附接在促动器装置上的第一活塞件、用于附接在第一活塞件上并且用于接收活塞针的活塞头。优选地，第一活塞件构造为铝空心活塞，由此，冷却剂可以通过第一活塞件引导并且由此以有利的方式实现活塞冷却。活塞头在面向喷嘴的一侧上具有下侧，其中，活塞针从该下侧的中间伸出。活塞头的下侧的面减去活塞针的虚拟面形成活塞面，用于产生作用到材料上的压力。活塞头的下侧通过活塞冷却装置被一起冷却，并且由此局部地减小在活塞底部上的熔体或者说塑性材料的粘度。由此防止液态熔体能够朝驱动装置的方向流入，由此，以有利的方式防止活塞在打印头、尤其活塞套筒中卡住，而且防止熔体侵入到驱动装置中。此外，在拉回时，材料更容易地从活塞底部或者说活塞头的下侧脱离，使得在达到活塞的起始点或者说初始点时能够容易地再填充在固相中的材料或者说颗粒材料，而剩余材料不粘附在活塞底部上。优选地，在活塞头的下侧上或者说在活塞底部上安装有温度传感器。由于温度传感器的该布置能够实现打印头的与活塞位置有关的热管理，由此实现材料的更快速的加热，而熔体不与活塞头的下侧接触。由此，能够以有利的方式实现打印头的填充过程的加速。活塞头实施为柱形构件并且优选由耐热性材料制造。第一活塞件由铝并且活塞头例如由钢实施的实施方案的组合经证明为有利的，因为活塞因此具有用于接收机械应力的弹性的上部区域并且在被加热的材料的区域中具有耐热的下部区域。根据活塞位置而定，活塞针仅部分地伸入到肾形件的孔中或完全穿过该孔，由此，活塞针以有利的方式在肾形件的中央孔中被引导。

10、在一个扩展方案中，肾形件具有同心布置的开口，其中，这些开口形成布置在肾形件上方的空腔与布置在喷嘴头的下部分中的熔化室之间的流体连接。

11、空腔布置在活塞套筒内并且通过如下体积形成：该体积的外侧面由活塞套筒的内侧、活塞针的外侧、肾形件的上侧和活塞的下侧形成。在空腔内，由于活塞的移动通过活塞头的下侧或者说活塞面压缩材料或者说颗粒材料。在压缩材料期间这样地调设打印头的热管理，使得在空腔内不形成材料的液相或者说熔体，而是将材料构造为塑相。由此以有利的方式实现，经塑化的材料不粘附在活塞的下侧上。然而，在压缩期间，熔化室中的液相的或者说熔体的一部分通过侵入到该熔化室中的活塞针而穿过肾形件的同心布置的开口从熔化室被挤压到活塞套筒的空腔中。在此，熔体的该部分与塑相的一部分混合。在此，熔体将能量释放到塑相中，由此以有利的方式产生更均匀的材料。因此，肾形件构成混合器或者说静态混合器，因为除了活塞运动外，有利地不需要另外的可运动的零件，用于将塑相与液相混合。

12、在本发明的一个优选扩展方案中，肾形件形成空腔中的塑相与熔化室中的液相之间的孔板(blende)。

13、因此，肾形件的构型以有利的方式引起孔板作用(blendenwirkung)，该孔板作用导致材料或者说熔体与经塑化的材料的更好的充分混合。肾形件将加热元件的加热能从喷嘴头不但传导到熔体中，而且传导到活塞针中，这以有利的方式引起在加热熔体时的改进的能量管理。

14、在一个扩展方案中，肾形件布置在喷嘴头的部分区段上，其中，该部分区段布置在喷嘴头的上部件与喷嘴头的下部件之间。

15、在一个扩展方案中，肾形件具有周边和下侧，其中，该周边和下侧形成与喷嘴头的接触面、尤其与喷嘴头的内壁和与喷嘴头的部分区段的接触面。

16、在一个扩展方案中，肾形件经由与喷嘴头的接触面接收喷嘴头的加热元件的加热能并且将该加热能释放到材料中，用于将材料的塑相转化为液相，或者说喷嘴头的加热元件的经由肾形件与喷嘴头的接触面接收的加热能能够被引入到材料中，用于将材料的塑相转化为液相。

17、在一个扩展方案中，肾形件经由与喷嘴头的接触面接收喷嘴头的加热元件的加热能并且将该加热能经由孔释放到活塞针上，或者说喷嘴头的加热元件的经由肾形件与喷嘴头的接触面接收的加热能能够经由肾形件的孔被引入到活塞针上。

18、肾形件的一个优选的任务是从喷嘴头的加热元件到材料或者说熔体的液相中的热传导或者说能量传递。这尤其通过增加与空腔的接触面和因而增加与材料的塑相的接触面实现。

19、活塞针在孔内的接触附加地引起活塞针的加热，由此以有利的方式实现将熔体温度加速至所需的过程温度。另一任务是引导活塞针，其中，活塞针在孔内的接触附加地引起将活塞针加热到所需的过程温度。第一加热元件的加热能能够经由肾形件被引入到孔内的活塞针中。

20、在一个实施方案中，肾形件平坦地构造。

21、在另一实施方案中，肾形件在中央延伸的孔上比在周边上更厚地构造。

22、此外，肾形件可以在一个优选构型中实施为单独的构件或在另一构型中与活塞套筒一体地构造。

23、单独的活塞套筒能够实现，活塞直接在活塞套筒中被引导并且不再在壳体或打印头的柱体中被引导。由此以有利的方式实现，可能的磨损不再直接出现在壳体的或柱体的内壁上，而是在活塞套筒内。作为单独构件的活塞套筒提供如下优点：该活塞套筒在需要时能够被更换。此外得到如下可能性：彼此相协调的活塞和活塞套筒可以在不同直径的情况下使用，而无需另外的设计结构上的改变，例如在法兰和喷嘴头上。

24、此外，活塞套筒具有伸入到法兰中的上部分区域和伸入到喷嘴头中的下部分区域。由此，上部分区域布置在法兰的冷却装置的冷却区的作用区域中，并且下部分区域布置在喷嘴头的加热区的作用区域中，由此，以有利的方式实现从在冷却区内的材料中有效地导出能量或将能量有效地供应到在加热区内的材料中。

25、在活塞套筒的上部分区域中布置有开口或者说开口横截面，该开口或者说开口横截面能够实现将材料从供应装置供应到活塞套筒中。在开口的下部区域上布置有切口，该切口构造为与活塞套筒的内表面成钝角。切口的区域是硬化的或替代地实施为单独的硬化的嵌入件。在通过活塞封闭开口时，材料或者说颗粒材料在切口处被活塞剪切(abscheren)，由此，强烈的机械负载作用到活塞套筒的该部分上。通过单独的活塞套筒和切口的硬化区域以有利的方式实现更长的使用寿命和故障构件的较快更换。

26、此外，活塞套筒在上部分区域与下部分区域之间具有止挡，法兰和喷嘴头通过该止挡彼此隔开。因此，活塞套筒和尤其止挡以有利的方式将被冷却的法兰与被加热的喷嘴头隔开，由此，所述法兰和所述喷嘴头不相互接触。

27、此外，打印头从活塞套筒的上部分区域出发经由肾形件直至喷嘴具有不同的状态区，其中，所述状态区呈现材料的与其温度ts相关的聚集态。在此，材料的聚集态能够在所述状态区上从固相经由塑相改变为液相。

28、打印头的状态区包括具有在固相中的材料的冷区、具有在塑相中的材料的塑化区、分别具有在液相中的材料的熔化区和过程区以及具有在塑相和液相中的材料的混合区。

29、此外，在法兰中的冷却装置和集成在活塞中的活塞冷却装置设置为用于将塑化区中的材料的塑相的温度ts然后也保持为小于玻璃化转变温度tg，自该玻璃化转变温度起，材料将塑化并且转变为液相。

30、这等同于活塞底部仅与材料的固相接触，而不与完全塑化的相接触。完全塑化的相具有韧的、粘的稠度，其具有高的表面粘附倾向。如果活塞与该相接触，则活塞能够与该相粘连，由此，例如妨碍在拉回活塞时新鲜的颗粒材料的再流淌。该效果以有利的方式被避免。

31、此外，喷嘴头包括两个加热区。在第一加热区中布置有塑化区的部分区域、混合区和熔化区的部分区域，其中，第一加热元件这样地布置在上喷嘴头中，使得加热能能够从第一加热元件经由活塞套筒的下部分区域、肾形件和上喷嘴头的部分区段引入到材料中。在第二加热区中布置有熔化区的部分区域和过程区，其中，第二加热元件这样地布置在下喷嘴头中，使得加热能能够从第二加热元件经由下喷嘴头引入到材料的液相中。

32、两个加热区布置在喷嘴头中引起打印头的更有效的热管理，因为第一加热区的加热能引起材料的有利的预塑化，而材料不转变为液相。由此，以有利的方式实现活塞在压缩时不粘连并且打印头无故障地正常工作。该效果在与法兰中的冷却装置的相互配合中被优化。此外，塑相中的材料被这样地预塑化，使得促动器装置在活塞进给时需要较小的力耗费，由此，能够以有利的方式使用较小的促动器用于使活塞进给。这降低了设备的成本并且导致打印头的改善的动态性，因为打印头的重量减小。由此，打印头可以在用于产生构件的所谓的轨迹控制期间更好地被加速和制动。在第二加热区中产生熔体，并且所输入的加热能引起在整个熔化室内的相对恒定的熔化温度。熔化温度可以在第二加热区内这样地被调节，使得材料不过强地加热。由此能够以有利的方式避免，通过过高的热负载例如产生裂变产物、主要是气体，所述裂变产物通过在系统中占优势的压力加速材料的进一步分解并且也直接负面地影响该材料的质量。

33、此外，在用于在过程区中制造材料的液相的压缩过程期间，封闭喷嘴并且将活塞针这样地沉入到熔化室中，使得由此将液相的部分从熔化室的上部区域经由肾形件的开口挤回到混合区中，由此，来自熔化区的液相的该部分与来自塑化区的塑相在混合区中混合。在混合期间，熔体将能量释放到塑相中，由此，以有利的方式产生更均匀的材料。混合区与布置在其中的部件在压缩过程期间构成混合器或者说静态混合器，因为除了活塞运动外，以有利的方式不需要其它可运动的部件用于混合塑相与液相。

34、此外，在熔化室中可以布置有用于液相的压力pl的压力传感器和/或用于液相的温度tl的温度传感器。对压力pl的测量是主要参数，该主要参数决定了输出或者说排出或从开口的熔体的质量流。对温度tl的附加测量能够实现，在确定质量流q时也考虑材料的粘度的温度相关性。通过活塞进给可以精确地调节待配量的量。对于所制造的构件或者说对象的质量而言，对温度tl的控制，尤其呈恒定且准确的调节形式的控制甚至是更重要的，以避免材料的热退化。

35、此外，在促动器装置上和/或在活塞上设置有用于活塞的位置s的位移测量系统和/或用于由活塞施加到材料上的力f的或用于施加到活塞上的液压压力ph的传感器。活塞的进给是用于待排出的材料的量的量度。该量还可以通过位移测量系统来控制。此外，力f与材料中的压力直接相关联。

36、此外，在活塞上、尤其在活塞的活塞头的下侧上可以布置有用于材料的塑相的温度tk的温度传感器。由于温度传感器的该布置能够实现打印头的与活塞位置有关的热管理，由此实现材料的更快速的加热，而熔体不与活塞头的下侧接触。由此能够以有利的方式实现对打印头的填充过程的加速或者说实现填充过程所需的时间的减少。

37、此外，可以设置有控制和调节单元，用于主动调节促动器装置以根据待实施的运行策略移动活塞以进行填充和打印并且用于主动调节打印头的加热元件的温度。

38、此外，可以设置分析处理单元，该分析处理单元构造为用于对传感器的测量值进行分析处理并且将结果传递给控制和调节单元，用于主动调节促动器装置和用于主动调节加热元件。通过检测和分析处理根据各运行状态的传感器值，能够检验打印头的功能性，由此能够有利地及早显示过程中的错误或偏差。此外，可以通过检测传感器值来操控定义的目标值。也可以是，计算校正系数并且将其传递给控制和调节单元。这些校正系数例如可以相加成额定值，以便有利地实现将熔体以希望的且恒定的方式从喷嘴中输出。对加热元件的主动调节能够实现温度的动态调节，该动态调节有利地不但影响加热，而且影响冷却。例如，如果通过控制和调节单元减小第一加热元件的加热能，则法兰中的冷却装置继续运行，并且该冷却装置从材料的塑相中吸收能量，由此，该塑相突然冷却。

39、所述方法能够以有利的方式实现自第一滴起就达到保持不变的、恒定的幅材厚度。

40、分析处理单元不但能够与控制和调节单元分开地实施，而且能够集成在该控制和调节单元中。