CN106256535B - 配置成使用高粘度材料再填充喷嘴区域的打印头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种打印头，其配置成喷射高粘度材料并且用高粘度材料再填充打印头中的歧管。所述打印头包括层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器，以及至少一个构件，所述至少一个构件定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内。所述至少一个构件具有安装到所述构件的电活性元件，并且电信号发生器电连接到所述电活性元件。控制器操作所述电信号发生器以用第一电信号选择性地启动所述电活性元件以移动所述至少一个构件并且稀化邻近所述至少一个构件的高粘度材料从而使稀化材料能够移动远离所述至少一个构件。
Description
技术领域
本文中公开的设备涉及喷射高粘度材料的打印头，并且更特别地，涉及用这样的材料产生三维物体的打印机。
背景技术
数字三维物体制造也称为数字增材物体制造，是从数字模型制造实质上任何形状的三维固体物体的过程。三维物体打印是增材过程，其中一个或多个打印头在衬底上以不同形状喷射材料的连续层。衬底典型地支撑在平台上，通过可操作地连接到平台的致动器的操作三维地移动平台。附加地或替代地，一个或多个致动器可操作地连接到一个或多个打印头以便控制一个或多个打印头的运动以产生形成物体的层。三维打印与主要依赖通过减材过程从工件去除材料的传统物体形成技术(如切割或钻孔)可区分。
在一些三维物体打印机中，具有喷嘴的阵列的一个或多个打印头用于喷射形成物体的一部分的材料(通常称为构建材料)，并且喷射形成支撑结构以允许物体形成的材料(通常称为支撑材料)。多数多喷嘴打印头包含填充有将由打印头喷射的材料的类型的腔。这些腔被加压以喷射材料滴，但是它们只能打印具有粘度的很有限范围的材料。典型地，这些材料具有在5-20cP范围内的粘度。认为理想地用于制造物体的一些材料具有大于可以在目前已知的打印头中使用的材料的粘度。
为了克服与高粘度材料关联的限制，单喷嘴打印头已用于喷射材料以形成物体。这些单喷嘴打印头太大以致于不能制造为阵列。因此，可以由这些打印头生产的物体的生产率被限制。能够允许更高粘度的流体流动通过打印头中的通道并且从打印头喷射的打印头将是有利的。
发明内容
一种打印头配置成促进稀化更高粘度的流体使得稀化流体流动通过打印头。所述打印头包括：层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；至少一个构件，所述至少一个构件定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内；安装到所述至少一个构件的至少一个电活性元件；以及电信号发生器，所述电信号发生器电连接到所述至少一个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动所述至少一个电活性元件以移动所述至少一个构件并且稀化邻近所述至少一个构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离所述至少一个构件。
一种打印机包含打印头，所述打印头配置成促进稀化更高粘度的流体使得稀化流体流动通过打印头。所述打印机包括：台板；打印头，所述打印头定位成将材料喷射到所述台板上以形成物体，所述打印头包括：层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；至少一个构件，所述至少一个构件定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内；安装到所述至少一个构件的至少一个电活性元件；以及电信号发生器，所述电信号发生器电连接到所述至少一个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动所述至少一个电活性元件以移动所述至少一个构件并且稀化邻近所述至少一个构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离所述至少一个构件。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种打印头，所述打印头包括：
层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；
彼此成角地定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内的多个构件，所述多个构件中的每个构件具有安装到所述构件的至少一个电活性元件；
构件，所述构件安装到具有所述开口的所述层以形成所述储存器的底板，安装到所述层中的所述构件具有多个通道，每个通道在所述多个构件中的相邻构件之间延伸以及所述通道流体地连接到位于安装到与所述储存器相对的层的构件的一侧的室；
多个突起，所述多个突起在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件；
多个电活性元件，所述多个电活性元件在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件，每个电活性元件定位成响应电信号移动所述多个突起中的相应突起；
多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴与相应突起相对地定位；以及
电信号发生器，所述电信号发生器电连接到安装到所述多个构件中的每个构件的每个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动每个电活性元件以移动安装有所述电活性元件的构件并且稀化邻近安装有启动的电活性元件的构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离安装有启动的电活性元件的构件；并且
所述电信号发生器电连接到安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以使所述控制器能够操作所述电信号发生器并且用第二电信号选择性地启动安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以移动在接收所述第二电信号的电活性元件和相应突起之间的形成所述储存器的所述底板的所述构件的一部分从而稀化邻近相应突起的高粘度材料并且使稀化材料能够通过相应喷嘴喷射。
2.根据条款1所述的打印头，其中每个电活性元件是压电的。
3.根据条款1所述的打印头，其中每个电活性元件是热的。
4.根据条款1所述的打印头，其中每个电活性元件是静电的。
5.根据条款1所述的打印头，其中每个电活性元件是电容的。
6.根据条款1所述的打印头，所述多个突起中的每个突起具有梯形。
7.一种打印机包括：
台板；
打印头，所述打印头定位成将材料喷射到所述台板上以形成物体，所述打印头包括：
层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；
彼此成角地定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内的多个构件，所述多个构件中的每个构件具有安装到所述构件的至少一个电活性元件；
构件，所述构件安装到具有所述开口的所述层以形成所述储存器的底板，安装到所述层中的所述构件具有多个通道，每个通道在所述多个构件中的相邻构件之间延伸以及所述通道流体地连接到位于形成所述储存器的所述底板的所述构件的与所述储存器相对的一侧的室；
多个突起，所述多个突起在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件；
多个电活性元件，所述多个电活性元件在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件，每个电活性元件定位成响应电信号移动所述多个突起中的相应突起；
多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴与相应突起相对地定位；以及
电信号发生器，所述电信号发生器电连接到安装到所述多个构件中的每个构件的每个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动每个电活性元件以移动安装有所述电活性元件的构件并且稀化邻近安装有启动的电活性元件的构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离安装有启动的电活性元件的构件；并且
所述电信号发生器电连接到安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以使所述控制器能够操作所述电信号发生器并且用第二电信号选择性地启动安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以移动在接收所述第二电信号的电活性元件和相应突起之间的形成所述储存器的所述底板的所述构件的一部分从而稀化邻近相应突起的高粘度材料并且使稀化材料能够通过相应喷嘴喷射。
8.根据条款7所述的打印头，其中每个电活性元件是压电的。
9.根据条款7所述的打印头，其中每个电活性元件是热的。
10.根据条款7所述的打印头，其中每个电活性元件是静电的。
11.根据条款7所述的打印头，其中每个电活性元件是电容的。
12.根据条款7所述的打印头，所述多个突起中的每个突起具有梯形。
附图说明
在结合附图进行的以下描述中解释稀化更高粘度的流体以便移动通过打印头的打印头或打印机的前述方面和其它特征。
图1是三维物体打印机中的一对打印头和台板配置的方块图。
图2是图1中所示的打印头中的喷射器的横截面图。
图3是用于图2中所示的打印头中的喷射器的一对板的一个实施例的透视图。
图4是用于图2中所示的打印头中的喷射器的一对板的替代实施例的透视图。
图5是描绘阻碍打印头中的高粘度流体的行进的流体路径的现有技术的打印头的横截面图。
具体实施方式
为了本文中公开的打印头和打印机的环境以及打印头和打印机的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相似的附图标记标示相似的要素。
图1显示打印机100中的打印头、控制器和台板的配置，所述打印机在台板112上产生三维物体部件。打印机100包括支撑台板112，两个打印头104由框架108承载在所述台板上。尽管图显示两个打印头，但是单个打印头或两个以上打印头可以用于配置用于形成三维物体的打印机。打印头104中的一个可以可操作地连接到构建材料的供给并且另一个可操作地连接到支撑材料的供给。两个打印头104安装到其上的框架108可操作地连接到致动器116，所述致动器可操作地连接到控制器120。控制器配置有电子部件和编程指令，所述编程指令存储在可操作地连接到控制器的存储器中以操作所述致动器并且在X-Y平面和Z平面中相对于静止台板移动框架。X-Y平面平行于与打印头104相对的台板112的表面并且Z平面垂直于台板的表面。替代地，台板112可以可操作地连接到致动器116和控制器120以使控制器能够在X-Y平面和Z平面中相对于静止框架108和打印头104移动台板。在又一替代实施例中，框架108和台板112可以可操作地连接到不同致动器以使控制器120能够在X-Y平面和Z平面中移动台板和框架两者。
尽管图1的台板112显示为平面构件，但是三维物体打印机的其它实施例包括作为圆盘、旋转圆筒或鼓的内壁或旋转圆锥的台板。这些打印机中的台板和(一个或多个)打印头的运动可以用极坐标描述。使更高粘度的材料能够用于打印头104中的下面所述的打印头的内部结构可以与替代台板中的任何一个一起使用。
在图5中提供现有技术的打印头的一部分的横截面图。与单个喷嘴504关联的喷墨器500包括进给通道508，所述进给通道形成U形转弯以连接歧管512和压力室516，所述压力室又连接到与喷嘴504连通的出口520。通常称为隔膜的挠性构件524邻近压力室516的一个表面。压电致动器528结合到隔膜524并且电极532结合到致动器528。电极532由电导体电连接到触发信号发生器(未显示)。由导体输送到电极532的触发信号启动致动器528，所述致动器弯曲并且将隔膜524扩张到压力室516中。隔膜的扩张将墨从压力室516通过出口520推动到喷嘴504之外。一旦触发信号已消散，致动器528和隔膜524返回其初始位置。压力室516中的墨的减小体积生成抽吸，所述抽吸将墨从歧管512通过进给通道508牵引到压力室516中。以该方式，墨在压力室516内被补充。
墨喷射和补充循环的上述操作可以用具有20cP或更小的粘度的流体执行。对于具有大于20cP的粘度的流体，致动器528和隔膜524的操作不足以从喷嘴推动滴并且流体不容易沿着进给通道508的U形路径流动。因此，在打印头中需要不同的结构来促进更高粘度的流体流动通过打印头。当在本文中使用时，“更高粘度的材料”指的是在打印头的操作温度下具有大于20cP的粘度并且具有所谓的剪切稀化的性质的材料。“剪切稀化”表示材料的粘度响应剪切应力而减小。具有剪切稀化的材料的类型是假塑性体。假塑性体的稀化是时间无关的。另外，可以在物体制造过程中使用的许多材料是触变的，其指示材料的稀化是时间相关的。也就是说，当材料受到剪切应力的时间增加时，材料的粘度继续减小。
在图2中显示配置成与高粘度流体一起使用的流体喷射器。层204配置有开口208以形成储存器，所述储存器用作保持用于通过层258中的多个喷嘴250喷射的流体的室240的歧管。一对进给板212在歧管内，在所述实施例中所述进给板是相对于歧管的底部并且相对于彼此成角定位的构件。尽管板212在图中描绘为平面构件，但是板也可以是弯曲的或者具有其它非线性形状。在一个实施例中，板212是金属衬底。在所示的实施例中，板212相对于彼此成直角定向，但是可以使用其它角。换能器216在每个进给板212的一侧。每个换能器216是电活性元件，当在本文中使用时，其表示通过改变其在至少一个维度上的长度对电信号作出反应的任何材料。电活性元件可以是压电的、电容的、热的、静电的，等等。每个换能器包括电导体220，所述电导体将换能器电连接到由控制器228操作的电信号发生器224。层204中的开口208的侧部和形成歧管的底板236的平面构件232保持高粘度流体的体积。响应控制器228操作电信号发生器224以生成高频信号，换能器216振动并且导致板212也振动。板的振动将足够的能量施加到高粘度流体以稀化区域248中的流体并且使稀化流体能够比高粘度流体更容易地流动。可以呈如图3中所示的槽的形式的平面构件232中的通道308使稀化流体能够流动通过构件232中的通道308并且进入在平面构件232的另一侧的压力室240。
继续参考图2，压力室240与出口250和喷嘴板258中的喷嘴254流体地连通。电活性元件264安装到构件232。突起272在与出口250和喷嘴254相对的位置处也安装到构件232。突起272描绘为具有梯形，但是可以使用有效用于稀化高粘度流体的其它形状。电活性元件264由电导体(未显示)电连接到电信号发生器224以使电信号能够施加到元件264，其响应信号而弯曲元件264和构件232。在一些实施例中，构件232具有的弯曲模量不同于电活性元件264的弯曲模量使得电活性元件和构件232之间的接合部用作双层压电片。构件232和突起272响应电活性元件264的弯曲而移动。控制器(如控制器228)可操作地连接到电信号发生器224以选择性地启动电活性元件264。作为响应，构件232和突起272相对于压力室240中的高粘度材料移动以在邻近突起的区域280中的材料中产生剪切应力。该剪切应力将材料的粘度减小到使材料能够移动通过出口250并且从喷嘴254喷射的水平。
在一个实施例中，电活性元件264是压电材料并且构件232是金属的衬底。响应电活性元件264的启动，超出元件264延伸到突起272的构件232的部分用作悬臂并且上下移动构件232的突起272。突起272的上下运动用作压力室240中的高粘度流体中的锤击。该锤击作用将剪切应力施加到邻近突起272的区域280中的高粘度流体并且减小该区域中的流体的粘度。粘度的该减小和由突起272提供的能量通过喷嘴254喷射稀化高粘度材料的一部分。电活性元件264和构件232的附近的高粘度流体的稀化与邻近板212的区域248中的高粘度流体的稀化一起使板212处的稀化材料能够通过通道308迁移到邻近突起272的体积中。稀化流体的该运动补充压力室240中的稀化材料的量。实际上，区域248和280中的材料的稀化形成稀化流体的通道，其不仅允许从打印头喷射材料，而且也允许打印头中的材料的补充。
图3提供图2中所示的结构的透视图。板212彼此成角地定位并且每个板的一个端部邻近构件232定位。构件232形成用于由层204中的开口形成的歧管的底板。将在图3的前景中存在的层204的一部分已被去除以允许查看板212和通道308的关系。构件232中的通道308从在构件232的相对侧的突起272偏移以使稀化流体能够在邻近突起的位置处流动到压力室240中。电活性元件264显示为安装到构件232的相对侧。
图4是图3中所示的歧管和板212的替代实施例的透视图。对于结构使用相同的附图标记，除了板212包括狭缝404之外，图4的实施例是与图3中所示的实施例相同的视图。狭缝404形成板212中的挠性构件408。电活性元件安装到板212中的挠性构件408的下侧，如图2中的电活性元件216所示。再次地，如图2中所示，电导体将电信号发生器224连接到电活性元件，因此控制器228可以操作信号发生器224并且选择性地启动安装到挠性构件408的相对侧的电活性元件216。电活性元件的启动以比在图3的实施例中产生的板212的幅度更大的局部幅度振动高粘度流体中的挠性构件404以产生区域248中的高粘度流体的更有效稀化。
上面参考图2、图3和图4描述的材料喷射器可以使用类似于在生产喷墨打印头中使用的技术容易地制造。也就是说，它们可以形成有镍电化成型部分，其与光化学蚀刻不锈部分或激光切割聚合物膜层合。另外，也可以使用MEMS技术用硅、玻璃和光聚合物(如SU8或BCB)的光刻、沉积和蚀刻构造许多这些喷射器。另外，尽管上述实施例描绘为位于进给压力室的歧管中，但是类似于安装到电活性元件的板的结构可以在其它流体通路中使用以稀化高粘度流体并且促进流体移动通过喷射器头。
Claims (12)
1.一种打印头，所述打印头包括：
层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；
彼此成角地定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内的多个构件，所述多个构件中的每个构件具有安装到所述构件的至少一个电活性元件；
构件，所述构件安装到具有所述开口的所述层以形成所述储存器的底板，安装到所述层中的所述构件具有多个通道，每个通道在所述多个构件中的相邻构件之间延伸以及所述通道流体地连接到位于安装到与所述储存器相对的层的构件的一侧的室；
多个突起，所述多个突起在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件；
多个电活性元件，所述多个电活性元件在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件，每个电活性元件定位成响应电信号移动所述多个突起中的相应突起；
多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴与相应突起相对地定位；以及
电信号发生器，所述电信号发生器电连接到安装到所述多个构件中的每个构件的每个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动每个电活性元件以移动安装有所述电活性元件的构件并且稀化邻近安装有启动的电活性元件的构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离安装有启动的电活性元件的构件；并且
所述电信号发生器电连接到安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以使所述控制器能够操作所述电信号发生器并且用第二电信号选择性地启动安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以移动在接收所述第二电信号的电活性元件和相应突起之间的形成所述储存器的所述底板的所述构件的一部分从而稀化邻近相应突起的高粘度材料并且使稀化材料能够通过相应喷嘴喷射。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中每个电活性元件是压电的。
3.根据权利要求1所述的打印头，其中每个电活性元件是热的。
4.根据权利要求1所述的打印头，其中每个电活性元件是静电的。
5.根据权利要求1所述的打印头，其中每个电活性元件是电容的。
6.根据权利要求1所述的打印头，所述多个突起中的每个突起具有梯形。
7.一种打印机包括：
台板；
打印头，所述打印头定位成将材料喷射到所述台板上以形成物体，所述打印头包括：
层，所述层具有开口以形成保持高粘度材料的体积的储存器；
彼此成角地定位在由所述层中的所述开口形成的所述储存器内的多个构件，所述多个构件中的每个构件具有安装到所述构件的至少一个电活性元件；
构件，所述构件安装到具有所述开口的所述层以形成所述储存器的底板，安装到所述层中的所述构件具有多个通道，每个通道在所述多个构件中的相邻构件之间延伸以及所述通道流体地连接到位于形成所述储存器的所述底板的所述构件的与所述储存器相对的一侧的室；
多个突起，所述多个突起在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件；
多个电活性元件，所述多个电活性元件在所述室所定位的所述构件的一侧安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件，每个电活性元件定位成响应电信号移动所述多个突起中的相应突起；
多个喷嘴，所述多个喷嘴中的每个喷嘴与相应突起相对地定位；以及
电信号发生器，所述电信号发生器电连接到安装到所述多个构件中的每个构件的每个电活性元件以使控制器能够操作所述电信号发生器并且用第一电信号选择性地启动每个电活性元件以移动安装有所述电活性元件的构件并且稀化邻近安装有启动的电活性元件的构件的高粘度材料并且使稀化材料能够移动远离安装有启动的电活性元件的构件；并且
所述电信号发生器电连接到安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以使所述控制器能够操作所述电信号发生器并且用第二电信号选择性地启动安装到形成所述储存器的所述底板的所述构件的所述多个电活性元件中的每个电活性元件以移动在接收所述第二电信号的电活性元件和相应突起之间的形成所述储存器的所述底板的所述构件的一部分从而稀化邻近相应突起的高粘度材料并且使稀化材料能够通过相应喷嘴喷射。
8.根据权利要求7所述的打印头，其中每个电活性元件是压电的。
9.根据权利要求7所述的打印头，其中每个电活性元件是热的。
10.根据权利要求7所述的打印头，其中每个电活性元件是静电的。
11.根据权利要求7所述的打印头，其中每个电活性元件是电容的。
12.根据权利要求7所述的打印头，所述多个突起中的每个突起具有梯形。
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