CN106853683A - 用于三维物体打印机的挤出打印头 - Google Patents

Abstract

一种多喷嘴挤出打印头，其包括具有进口以接收挤出材料的腔室和流体地联接至腔室的多个出口。打印头还包括控制挤出材料通过流体出口流动至打印头中的喷嘴的多个阀。每个阀包括构件和机电致动器，机电致动器构造成使构件运动至阻止挤出材料流过流体出口和喷嘴之一的第一位置和使挤出材料能够流过流体出口和喷嘴的第二位置。

Description

用于三维物体打印机的挤出打印头

技术领域

本公开涉及用于三维物体打印机的打印头和挤出机，更具体地涉及通过两个或更多喷嘴挤出挤压材料的挤出打印头。

背景技术

三维打印，也称为增材制造，是从实质上任何形状的数字模型制造三维实体物体的方法。许多三维打印技术利用增材方法，其中增材制造装置在之前沉积层的顶部上形成零件的连续层。这些技术中的一些利用其中的挤出打印头以预定模式喷射熔化建造材料的挤出打印，熔化建造材料比如为加热和软化的ABS塑料。打印机一般操作挤出打印头以形成建造材料的连续层，建造材料的连续层形成具有各种形状和结构的三维打印物体。当打印三维打印物体的每一层时，挤出打印头喷射在从打印头挤出之后冷却和硬化的建造材料以形成三维打印物体的另一层。三维打印有时被称作增材制造并且不同于传统的物体成形技术，传统物体成形技术大多数依靠通过比如为切割或钻削的减法处理从工件去除材料。

许多现有三维打印机利用通过单个喷嘴挤出材料的单个打印头。打印头在预定路径中运动以基于用于三维打印物体的模型数据将建造材料喷射到支承构件的选定位置上或三维打印物体的在前沉积层上。然而，利用具有仅单个喷嘴来喷射建造材料的打印头通常需要相当长的时间以形成三维打印物体。另外，具有较大喷嘴直径的打印头能够更加快速地形成三维打印物体，但是失去了喷射对于更加高度细节的物体的更精细形状的建造材料的能力，而具有更窄直径的喷嘴能够形成更精细的细节结构，但需要更多时间来建造三维物体。

本领域已知的用于提高打印机生产量以及提供高分辨率打印的一种方案包括具有可移除喷嘴的单个打印头，可移除喷嘴具有用于更高生产量或更高精度操作的多个直径，但是这种解决方案需要用于切换喷嘴并且仍仅提供单个喷嘴以喷射建造材料的单元。本领域已知的另一种方案采用单个打印机中的多个独立打印头。然而，多个独立打印头增大了打印机的复杂性并且每个打印头在操作期间需要独立的建造材料供给源。此外，现有挤出打印头需要激活和停用加热器并且驱动马达以起动和停止建造材料的挤出，这降低了在操作期间挤出建造材料的精度或降低了打印头形成建造材料的不同布置时的速度。因此，改进挤出打印头以及用于在三维物体形成过程期间操作挤出打印头的方法将是有益的。

发明内容

在一个实施例中，已经开发了用于三维物体打印机的挤出打印头。该打印头包括具有进口以接收挤出材料的腔室，流体地联接至腔室的多个流体出口，多个阀，每个阀与多个流体出口中的一个流体出口对准，多个阀中的每个阀包括构件，以及机电致动器，其构造成使构件运动至阻止挤出材料流过多个流体出口中的相应的流体出口的第一位置和使挤出材料能够流过多个流体出口中的相应的流体出口的第二位置。

在另一个实施例中，已经开发了具有挤出打印头的三维物体打印机。该打印机包括构造成存储挤出材料的材料供给源，挤出打印头和操作地连接至挤出打印头的控制器。挤出打印头包括多个阀，每个阀与多个流体出口中的一个流体出口对准。多个阀中的每个阀包括构件和机电致动器，机电致动器构造成使构件运动至阻止挤出材料流过多个流体出口中的相应的流体出口的第一位置和使挤出材料能够流过多个流体出口中的相应的流体出口的第二位置。控制器被构造成操作多个阀的第一部分以在三维物体打印操作期间阻止挤出材料流过多个流体出口的第一部分，以及操作多个阀的第二部分以在三维物体打印操作期间使得挤出材料能够流过多个流体出口的第二部分，同时阻止多个流体出口的第一部分。

附图说明

在结合附图的以下说明书中阐述挤出打印头和具有多个喷嘴的挤出机的上述方面和其他特征。

图1是包括多喷嘴挤出打印头的三维物体打印机的示意图。

图2A是位于第一定向中的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图2B是位于第二定向中的图2A的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图3是围绕表面上的区域的周缘形成挤出材料的轮廓的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图4是向由表面上的挤出材料的轮廓包围的区域施加挤出材料的图3的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图5是形成挤出材料的两个同轴轮廓的多喷嘴挤出打印头的示意图，两个同轴轮廓之间具有第一距离。

图6是形成挤出材料的两个同轴轮廓的多喷嘴挤出打印头的示意图，两个同轴轮廓之间具有第二距离。

图7是多喷嘴挤出打印头的示意图，该多喷嘴挤出打印头利用振荡运动形成挤出材料的曲线布置以增加由一个喷嘴形成的内部曲线的布置的线性长度，以便对应于由另一个喷嘴形成的外部曲线。

图8是利用喷嘴的间歇操作形成挤出材料的曲线布置的多喷嘴挤出打印头的示意图，挤出材料的曲线布置形成内部曲线以便形成具有与由打印头中的另一个喷嘴形成的外部曲线相似的挤出材料密度的内部曲线。

图9A是具有同时操作以填充表面上的区域的喷嘴阵列的第一部分的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图9B是由挤出材料的两个线性行幅和曲线行幅形成角部的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图10是具有同时操作以填充表面上的区域的喷嘴阵列的第二部分的图9A的多喷嘴挤出打印头的示意图。

图11A是用于三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的挤出材料供给源和分配器的示意图。

图11B是用于三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的挤出材料供给源和分配器的另一个实施例的示意图。

图11C是用于三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的挤出材料供给源和分配器的再一个实施例的示意图。

图11D是用于三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的挤出材料供给源和分配器的又一个实施例的示意图。

图12A是向三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的不同的喷嘴供给多个挤出材料的多挤出材料供给源和分配器的示意图。

图12B是向三维物体打印机中的多喷嘴挤出机或多喷嘴打印头的不同的喷嘴供给多个挤出材料的多挤出材料供给源和分配器的另一个实施例的示意图。

图13A是包括存储熔化挤出材料的腔室的多喷嘴挤出打印头的示意图，该腔室在三维物体打印操作期间利用控制熔化挤出材料的挤出的阀向一个或更多个出口提供熔化挤出材料。

图13B是图13A的挤出打印头中的喷嘴的另一个示意图，其描绘了用于单个挤出打印头中的不同的喷嘴的打开和关闭阀。

图14是另一个挤出打印头的示意图，该挤出打印头包括存储熔化挤出材料的腔室、向多个喷嘴提供熔化挤出材料的流体出口以及控制单独喷嘴的阻塞或使得挤出材料流动通过单独喷嘴的阀的阵列。

图15是用于操作多喷嘴挤出打印头的方法的框图。

具体实施方式

为了大致理解本文中公开的对于装置的环境以及对于装置的细节，对附图做出参照。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

如本文中所使用的，术语“挤出材料”指的是挤出打印头中的一个或更多个喷嘴喷射以形成材料层的材料，材料层形成物体或在三维物体打印机的操作期间提供用于物体的结构支承。挤出材料包括但严格限于“建造材料”和“支承材料”两者，“建造材料”形成三维打印物体的永久部分，“支承材料”形成临时结构以在打印处理期间支承建造材料的部分并且在完成打印处理之后被选择性地去除。建造材料的示例包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)塑料、聚乳酸(PLA)、脂肪族或半芳香聚酰胺(尼龙)、包括悬浮碳纤维或其他骨料材料的塑料、导电聚合物、其他热塑塑料以及适用于通过挤出打印头的喷嘴以液体或半液体形式喷射并且然后凝固以形成耐久的三维打印物体的任何其他形式的材料。支承材料的示例包括但不限于高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚乙烯醇(PVA)以及其他可挤出材料。在一些挤出打印机中，挤出材料以被称作“细丝”的连续延长材料芯线供给。一般地说，打印机以固相接收挤出材料，比如固态细丝、固态颗粒或固态粒状粉末。挤出材料细丝具有足够的柔性以从卷轴或其他供给源展开并且供给至打印头内的加热器。加热器使挤出材料细丝熔化，打印头中的喷嘴在三维物体打印操作期间挤出挤出材料。如本文所使用的，如施加到挤出材料上的术语“熔化”指的是用于挤出材料的任何温度升高，温度升高使挤出材料软化以便能够在三维物体打印机的操作期间通过打印头中的一个或更多个喷嘴挤出。熔化的挤出材料也被称为被液化以便能够通过喷嘴挤出，虽然本领域技术人员将认识到某些非晶体挤出材料在打印机的操作期间并不真正地转变成完全液态。

如本文中所使用的，术语“挤出打印头”或“打印头”可互换地使用，以及指代在三维打印操作期间打印机的熔化单个流体腔室中的挤出材料并且以所需方式向多个喷嘴提供熔化的挤出材料以形成挤出材料行幅的部件。如以下更详细地描述的，打印头中的阀组件使得多个喷嘴能够同时操作以在打印操作期间在不同的时间挤出挤出材料。多喷嘴打印头采用在三维物体打印过程期间同时或在不同时间挤出挤出材料的两个或更多个喷嘴。如本文中所使用的，术语“喷嘴”指的是挤出打印头中的在三维打印操作期间挤出液体或半液体挤出材料的孔口，以形成挤出材料的对应于打印头与图像接收表面之间的相对运动路径的挤出图案。在操作期间，喷嘴沿着打印头的处理路径挤出基本连续线性排列的熔化材料。挤出打印头控制喷嘴挤压挤出材料的速度，以及如以下更具体地说明的，打印头可选择地包括阀以触发和停用挤出材料从喷嘴的喷射。喷嘴中的孔口的直径影响挤出材料的挤出线路的宽度。不同的打印头实施例包括具有一定范围孔口尺寸的喷嘴，其中较宽孔口生产较宽布置的挤出材料，而较窄孔口生产更窄布置的挤出材料。如以下更详细地说明的，一些多喷嘴挤出打印头实施例包括板或其他平面构件，其他平面构件包括线性一维或二维布置的喷嘴。以下更详细地说明包括多喷嘴阵列的挤出打印头。

如本文中所使用的，术语“压力腔室”指的是形成在打印头的壳体内的空腔，该空腔容纳一定量的液化挤出材料并且在三维物体打印操作期间向打印头中的一个或更多个喷嘴供给液化挤出材料。压力腔室进一步构造成在液体挤出材料上保持预定水平的压力，以控制一个或更多个喷嘴将挤出材料挤出到图像接收表面上的速度。在一些实施例中，用于建造材料的在压力腔室的进口处连接的外部供给系统在压力下供给液化建造材料，以在打印头的操作期间保持压力腔室内的预定压力水平。如以下更详细地说明的，因为一些挤出打印头包括利用阀逐个地触发和停用的多个喷嘴，因此压力腔室供给液化挤出材料以便打印头中的任何触发喷嘴即使在触发喷嘴的数目在打印操作期间改变时也以基本恒定速度挤出挤出材料。

如在此使用的，术语“多喷嘴挤出机”指的是打印机中的通过两个或更多个喷嘴喷射挤出材料的装置，两个或更多个喷嘴中的每一个均接收一定量的固态挤出材料。联接至一个或更多个喷嘴的加热器在挤出材料排出每个喷嘴时熔化挤出材料。比如为辊子或螺旋的机械控制器将固态挤出材料推入喷嘴内以在打印操作期间供给挤出材料。与打印头不同，多喷嘴挤出机不向多个喷嘴供给来自单个流体腔室的挤出材料并且不包括触发和停用单独的喷嘴的操作的阀组件。

如本文中所使用的，术语“挤出材料的布置”指的是挤出打印头在三维物体打印操作期间形成在图像接收表面上的挤出材料的任何形式。挤出材料的一般布置包括挤出材料的直线线性布置和挤出材料的曲线布置。在一些结构中，打印头以连续方式挤出挤出材料以形成具有连续质量的挤出材料的布置，而在其他结构中，打印头以间歇式方式操作以形成沿着线性或曲线路径布置的较小组的挤出材料。三维物体打印机利用挤出材料的不同布置的组合形成各种结构。另外，三维物体打印机中的数字控制器在操作挤出打印头以形成挤出材料的每个布置之前确定对应于挤出材料的不同布置的图像数据和打印头路径数据。如下所述，控制器可选择地调整多喷嘴挤出打印头的操作以在三维打印操作期间利用多个喷嘴形成挤出材料的多个布置。

如本文中所使用的，术语“行幅”指的是打印头在形成区域周围的轮廓的挤出材料的边界内挤出到图像接收表面的区域上的挤出材料的直线或曲线线性布置。如以下更详细地说明的，打印头利用两个或更多个挤出喷嘴以形成挤出材料行幅，从而在三维物体打印操作期间形成一层或更多层挤出材料。

如本文所使用的，术语“处理方向”指的是打印头与接收来自打印头中的一个或更多个喷嘴的挤出材料的图像接收表面之间的相对运动的方向。图像接收表面是在增材制造过程期间保持三维打印物体的支承构件或部分地形成的三维物体的表面。在本文中说明的说明性实施例中，一个或更多个致动器使打印头在打印区域中运动，但是可选择的打印机实施例使支承构件运动以在打印头保持固定的同时产生沿处理方向的相对运动。

如本文中所使用的，术语“横向处理方向”指的是垂直于处理方向的轴线。处理方向和横向处理方向指的是挤出打印头和接收挤出材料的表面的相对运动路径。在一些构造中，打印头包括沿着横向处理方向延伸的喷嘴阵列，喷嘴阵列在打印头中的相邻喷嘴之间沿横向处理方向具有预定距离。如以下更详细地说明的，在一些结构中，打印机使挤出打印头旋转以调整分离打印头中的不同喷嘴的有效横向处理方向距离，从而调整将从打印头中的喷嘴挤出的挤出材料的布置分离的相应的横向处理方向距离。

如下所述，挤出打印头在处理方向上相对于在三维物体打印处理期间接收挤出材料的表面沿着直线和曲线路径运动。另外，打印机中的致动器可选择地使打印头围绕Z轴旋转，以调整分离打印头中的喷嘴的有效横向处理距离，从而使得打印头能够以每个挤出材料布置之间的预定距离形成两个或更多个挤出材料的布置。挤出打印头沿着外部周缘运动以形成打印物体层中的二维区域的外壁，并且在周缘内运动以利用挤出材料填充二维区域的全部或一部分。

图1描绘了构造成操作挤出打印头以形成三维打印物体140的三维物体打印机100。打印机100包括支承构件102、多喷嘴挤出打印头108、打印头支承臂112、控制器128、存储器132、X/Y致动器150、可选择的Zθ致动器154和Z致动器158。在打印机100中，X/Y致动器150使打印头108沿着X轴和Y轴运动至二维平面(“X-Y平面”)中的不同位置，以挤出形成比如为在图1中描绘的物体140的三维打印物体中的一层的挤出材料的图案。例如，在图1中，X/Y致动器150使支承臂112和打印头108沿着导轨113平移以便沿着Y轴运动，同时X/Y致动器150使打印头108沿着支承臂112的长度平移以使打印头沿着X轴运动。挤出图案包括层中的一个或更多个区域的轮廓以及填充在挤出材料图案的轮廓内的区域中的挤出材料的挤出行幅。Z致动器158控制打印头108与支承构件102之间沿着Z轴的距离，以确保打印头108中的喷嘴保持在适当的高度处以在打印处理期间形成物体时将挤出材料挤出到物体140上。尽管一些打印头实施例在打印处理期间不需要旋转，但是对于围绕Z轴旋转以控制打印头108中的喷嘴之间的分离的打印头108的一些实施例而言，Zθ致动器154控制打印头108围绕Z轴的旋转角(在图1中参考为Zθ)。如以下更详细地说明的，打印头相对于处理方向的旋转角影响分离在打印操作期间由打印头108中的多个喷嘴挤出的不同的挤出材料组的距离。在打印机100中，X/Y致动器150、Zθ致动器154和Z致动器158具体为机电致动器，比如电动机、步进电机或任何其他适当的机电装置。在图1的示例性实施例中，在由多层挤出材料形成的三维打印物体140的形成期间描绘三维物体打印机100。

支承构件102是在打印处理期间支承三维打印物体140的平面构件，比如玻璃板、聚合物板或泡沫表面。在图1的实施例中，Z致动器158还在施加每层挤出材料之后使支承构件102沿远离打印头108的方向Z运动，以确保打印头108与物体140的上表面保持预定距离。打印头108包括多个喷嘴，每个喷嘴将挤出材料挤出到支承构件102的表面或比如为物体140的部分形成物体的表面上。在图1的示例中，挤出材料供给源110包括一卷ABS塑料或从卷轴展开以向打印头108供给挤出材料的另一个适当的挤出材料细丝。在图1的示例性实施例中，单个挤出材料供给源110向打印头108中的每一个喷嘴提供挤出材料。在以下更详细地说明的不同实施例中，两个或更多个挤出材料供给源可选择地向多喷嘴打印头中的选定的喷嘴供给不同类型或颜色的挤出材料。

支承臂112包括支承构件和在打印操作期间使打印头108运动的一个或更多个致动器。在打印机100中，一个或更多个致动器150使支承臂112和打印头108在打印操作期间沿着X轴和Y轴运动。例如，致动器150之一使支承臂112和打印头108沿着Y轴运动，同时另一个致动器使打印头108沿着支承臂112的长度运动以便沿着X轴运动。在打印机100中，X/Y致动器150可选择地使打印头108沿着X轴和Y轴同时沿着直线路径或曲线路径运动。控制器128控制打印头108沿线性路径和曲线路径的运动，使得打印头108中的喷嘴能够将挤出材料挤出到支承构件102上或物体140的之前形成的层上。控制器128可选择地使打印头108沿着X轴或Y轴以栅格化动作运动，但是如下所述，X/Y致动器150还使打印头108沿着X-Y平面中的任意线性或曲线路径运动。

控制器128是数字逻辑装置，比如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或构造成操作打印机100的任何其他数字逻辑。在打印机100中，控制器128操作地连接至一个或更多个致动器，一个或更多个致动器控制支承构件102，支承臂112的运动以及从供给轴146到收容轴148的卷144的运动。控制器128还操作地连接至打印头108以控制打印头108中的多个喷嘴的操作。

控制器128还操作地连接至存储器132。在打印机100的实施例中，存储器132包括比如为随机存取存储(RAM)装置的易失数据存储装置和非易失数据存储装置，比如固态数据存储器、磁盘、光盘或任何其他适当的数据存储器。存储器132存储程序指令数据134和三维(3D)物体图像数据136。控制器128执行存储的程序指令134以操作打印机100中的部件，从而形成三维打印物体140并且在物体140的一个或更多个表面上打印二维图像。3D物体图像数据136包括例如对应于在三维物体打印处理期间打印机100形成的每层挤出材料的多个二维图像数据图案。打印头路径控制数据138包括一组几何数据或致动器控制命令，控制器128处理该数据或致动器控制命令以利用X/Y致动器150控制打印头108的运动路径以及利用Zθ致动器154控制打印头108的定向。控制器128操作致动器以使打印头108运动，以及激活和停用打印头108中的不同的喷嘴以在三维打印物体140的每一层中形成挤出材料的布置。

图2A和图2B描绘了多喷嘴挤出打印头208的一个实施例。打印头208包括各自在操作期间挤出挤出材料的三(3)个挤出喷嘴212、216和220。单个流体腔室和阀组件(未示出)控制在打印头208的操作期间通过喷嘴212、216和220的挤出材料流。在打印头208中，喷嘴212、216和220分别形成通过平面构件245的开口，开口形成具有均匀表面的打印头面。如以下更详细地说明的，在一些实施例中打印头208包括使得打印头208能够控制挤出材料以选择方式从喷嘴212–220挤出的阀。在打印机100中，控制器128操作地连接至打印头208以在三维物体打印处理期间操作喷嘴212–220中的一个或更多个。

在打印头208中，喷嘴212–220沿着横向处理方向轴线CP以相邻喷嘴之间的预定间距线性地布置。图2A描绘了处于以下构造的打印头208，其中打印头208沿着处理方向P以打印头208中的相邻喷嘴之间的最大横向处理方向间距运动。在图2A中，尺寸线232描绘了喷嘴212与216之间的横向处理方向间距。在图2A的构造中，打印头208中的相邻喷嘴以布置之间的对应于喷嘴之间沿横向处理方向的间距的间隙形成挤出材料的挤出布置。

图2B描绘了处于另一定向的打印头208，该另一定向改变来自图2A的定向的喷嘴之间的横向处理方向距离。在图2B中，打印头208围绕由旋转Zθ描绘的Z轴旋转，以沿着横向处理方向CP调整喷嘴212–220的相对位置。在打印机100中，控制器128操作致动器154以使打印头108围绕Zθ轴线旋转，从而调整喷嘴之间的横向处理方向间距。由于处理方向P指的是相关打印头与比如为支承构件102或三维打印物体140的上表面的图像接收表面的相对运动方向，因此喷嘴之间的沿着横向处理方向的相对间距受到打印头的定向和相对运动方向的影响。再次参考图2B，打印头208关于处理方向轴线CP旋转。在图2B中，与图2A的定向相比，更窄的横向处理方向间距252分离喷嘴212和216。

图2A和图2B描绘了打印头208的两个定向。更一般地，在沿处理方向运动时打印头208中的任何两个喷嘴之间的距离利用以下等式表示：DCP＝M(cos(φ))，在此M是两个喷嘴之间的最大横向处理方向间距，其为打印头中的喷嘴的尺寸和布置的物理参数，以及φ指的是关于Z轴相对于处理方向轴线的旋转角。尽管打印头也可以旋转至其他角，但是(φ＝0)并且处理方向轴线(φ＝1/2π)。

如上所述，打印机100中的多喷嘴打印头108接收来自单个挤出材料供给源110的挤出材料。定位在三维物体打印机100中的打印头108内或打印头108的外部的挤出材料分配器在打印机100的操作期间将来自挤出材料供给源110的挤出材料提供至打印头108中的喷嘴。

图11A描绘了接收来自挤出材料供给源中的卷轴1102的挤出材料细丝1108的挤出材料分配器1120的一个实施例。分配器1120向多个通道供给挤出材料，多个通道供给多喷嘴挤出机中的不同的喷嘴，在图11A中进行了描绘，或者将挤出材料供给至打印头中的单个流体腔室，这在以下描述的图11D的实施例中更详细地进行描绘。在图11A中，分配器1120包括导辊1140和圆盘1121或其他旋转构件，导辊1140接收挤出材料细丝，圆盘1121或其他旋转构件具有接收挤出材料细丝的进入开口1122和分配挤出材料的排出开口1124。分配器1120还包括位于进口1122与出口1124之间的导辊1142以及固定位置切割器1132。导辊1140和1142操作地连接至致动器，致动器控制从挤出材料供给源1102通过分配器1120并且在不同时间到达多喷嘴挤出机中的不同通道的细丝1108的运动。

分配器1120向位于多喷嘴挤出机中的通道提供挤出材料并且向多喷嘴挤出机中的比如为喷嘴1136的单独喷嘴供给细丝的部分。排出开口1124每次与一个通道对准以向该一个通道提供细丝的一部分。分配器中的致动器使出口1124运动以在不同的时间与不同的通道对准，从而利用两个或更多个通道将来自单个挤出材料供给源的不同的细丝节段提供至多喷嘴挤出机中的两个或更多个喷嘴。例如，通道1128接收挤出材料细丝的一部分并且将细丝提供至喷嘴1136，分配器使出口1124运动以与其他通道对准从而将挤出材料供给至不同的喷嘴。注意到为了简化附图11A至附图12B的示意图，导向通道1128示出为在其达到辊子1146时停止，然而在一些分配器实施例中导向通道1128延伸经过辊子1146和1147并且接合熔化器1136。

在图11A中，辊子1144和1146控制通过通道1128到达喷嘴1136的细丝的运动。在图11A中，喷嘴中的每一个均包括加热器，加热器熔化细丝中的靠近每个喷嘴的出口的挤出材料，以便将熔化的挤出材料挤出到图像接收表面上，尽管在其他实施例中，单个加热器熔化用于多喷嘴挤出机中的每个喷嘴的挤出材料。

在操作期间，挤出材料供给源向分配器1120提供预定长度的挤出材料细丝1108。例如，在一个构造中，圆盘1121接收从进口1122延伸至出口1124的一定长度的细丝。分配器中的致动器使圆盘1121旋转以使细丝运动至与切割器1132接触，这将占据图11A的实施例中的固定位置。切割器1132将细丝的位于圆盘1121内的部分与挤出材料供给源中的细丝1108的剩余部分分离。在一些结构中，圆盘1121的旋转相对于切割器1132中的固定刀片驱动细丝以切割细丝。致动器然后使圆盘1121旋转以使细丝在出口1124处与对应于多喷嘴挤出机中的一个喷嘴的通道之一对准。例如，在图11A中，圆盘1121使出口1124旋转以便使切割细丝的部分与通道1128的开口对准。圆盘1121中的辊子1142旋转以使细丝的切割部分运动到通道1128内，在此辊子1144和1146接合细丝以控制细丝向喷嘴1136的运动。在分配器1120中，致动器使圆盘1121中的进口1122返回以在辊子1140处与细丝的自由端对准，以便接收用于多喷嘴挤出机中的另一个通道和喷嘴的另外的细丝。在另一个实施例中，分配器可选择地接收来自两个或更多个挤出材料供给源的不同类型的建造材料。致动器使进口122在圆盘1121上运动以便与不同挤出材料供给源的出口对准，从而在分配器1120的操作期间在不同的时间接受来自一个以上供给源的挤出材料节段。在操作期间，控制器128操作分配器1120以对于多喷嘴挤出机中的每个喷嘴保持来自一个或更多个挤出材料供给源的一定量的挤出材料。

图11B描绘了分配器1120的另一种构造。在图11B中，分配器1120包括邻近出口1124安装至圆盘1121的切割器1133。致动器1134使切割器1133运动以在分配器1120使预定长度的细丝运动通过出口1124并且进入通道之一内之后切割细丝，通道之一比如为图11B中的通道1128和1129。每个通道中的辊子，比如辊子1146和1147，接收来自分配器1120的细丝并且控制细丝向多喷嘴挤出机中的对应的喷嘴的运动。在图11B的构造中，在切割器1133使细丝的提供至每个喷嘴的部分与细丝1108的剩余部分分离之后，细丝保持在圆盘1121内的导管中。

图11C描绘了分配器1164的另一个实施例。分配器1164包括枢转构件1122，枢转构件1122使具有进口1122和出口1124的导管1162枢转以使出口1124与多喷嘴挤出机中的通道对准，多喷嘴挤出机中的通道向多喷嘴挤出机中的喷嘴提供细丝。在操作期间，枢转构件1122使导管1162的出口运动以便与通道之一的开口对准，分配器1164使来自供给源1102的细丝1108运动至通道以向多喷嘴挤出机中的喷嘴之一提供挤出材料。致动器1134操作切割器1133以使已被供给至多喷嘴挤出机的通道的细丝与供给源中的剩余细丝分离，分配器继续操作以向用于多喷嘴挤出机中的每个喷嘴的通道提供挤出材料。在图11C中，辊子1140和1142控制挤出材料细丝1108通过分配器1164的运动。多喷嘴挤出机中的辊子，比如辊子1146和1147，控制细丝的通过通道到达分别比如为通道1128和喷嘴1136的相应的喷嘴的运动。

图11D描绘了分配器1172的另一个实施例。在图11D中，分配器1172包括具有进口1122、出口1124和导辊1142的运动构件1166。分配器1172中的致动器使构件1166沿着线性路径运动以使进口1122与来自穿过导辊1140的挤出材料供给源1102的细丝1108对准。致动器还使构件1166沿着线性路径运动以使出口1124与多个通道中的每一个中的开口对准，比如为向喷嘴1136提供细丝的通道1128。分配器1172包括位于固定位置处的切割器1132。构件1166接收细丝1108的一部分，致动器使构件1166和细丝运动以与切割器1132接触，从而使构件1166中的细丝部分与挤出材料供给源1102中的细丝的剩余部分分离。

图12A描绘了向单个多喷嘴挤出机中的不同喷嘴提供两种不同类型的挤出材料的两个分配器。图12A包括分配器1120和1124。分配器1120接收来自第一挤出材料供给源1202的第一挤出材料1208，分配器1224接收来自第二挤出材料供给源1204的第二挤出材料1212。分配器1220和1120中的每一个的构造均与图11B的分配器1120相似，尽管可选择结构包括图11A–图11D中的任一实施例的两个或更多个分配器。在操作期间，第一分配器1220向多喷嘴挤出机中的通道和相应的喷嘴的第一部分供给第一挤出材料，比如图12B的示例中的通道1228和喷嘴1236。多喷嘴挤出机中的加热器在挤出材料接近喷嘴时熔化挤出材料，触发喷嘴中的一个或更多个将熔化的挤出材料挤出到图像接收表面上。第二分配器1224将来自第二挤出材料供给源1212的第二挤出材料1212供给至多喷嘴挤出机中的通道和喷嘴的第二部分，比如通道1232和喷嘴1238。

图12B描绘了向多喷嘴挤出机中的喷嘴供给两种类型的挤出材料的多个分配器的另一个实施例。在图12B中，两个分配器1266和1268由单个构件形成，单个构件沿着预定路径线性地运动以接收分别来自挤出材料供给源1202和1206的两种类型的挤出材料。在操作期间，分配器1266接收来自挤出材料供给源1202的挤出材料1208的一部分，分配器1268接收来自挤出材料供给源1206的挤出材料1212的一部分。致动器使分配器1266和1268沿两个线性方向运动以利用切割器1231切割挤出材料1208的细丝以及利用切割器1233切割挤出材料1212的细丝。分配器1266和1268然后运动以使挤出材料的细丝与和挤出多喷嘴挤出机中的喷嘴的不同部分相关的通道对准。例如，在图12B中，分配器1266使细丝运动以便与通道1228和喷嘴1236对准以分配挤出材料1208的细丝。致动器使分配器1266和1268沿着线性路径运动，以使分配器1268与通道1232和喷嘴1238对准以便分配挤出材料1212的细丝。图12B的实施例包括类似于图11D的分配器1172的两个分配器1266和1268。在可替代实施例中，单个分配器接收来自两个或更多个卷轴的挤出材料并且向用于多喷嘴挤出机中的不同喷嘴的选择的通道分配不同的挤出材料。另外，单个旋转分配器可选择地通过简单地停止在适当的位置处来接收来自多个材料卷轴的材料，然后将材料分配至多个通道和熔化器。

图12A和图12B的实施例使得三维物体打印机能够向单个多喷嘴挤出机中的不同的喷嘴供给多种类型的挤出材料。例如，利用多种颜色的挤出材料形成一些三维打印物体，图12A和图12B的分配器结构使得喷嘴第一部分能够挤出具有第一颜色的挤出材料并且喷嘴的第二部分挤出具有第二颜色的挤出材料以便形成多色物体。在其他实施例中，三维物体打印机利用两种不同类型的挤出材料来形成三维打印物体中的不同结构，分配器向选择的喷嘴提供不同类型的挤出材料以使单个挤出多喷嘴挤出机能够利用多种类型的挤出材料形成物体。

在一个构造中，每个分配器向多喷嘴挤出机中的有效喷嘴中的一半提供一种类型的挤出材料，用于使用大致相等量的挤出材料的打印操作。然而，在其他构造中，分配器向更大部分的喷嘴提供一种类型的挤出材料。同时一个喷嘴或更少数量的喷嘴接受第二种类型的挤出材料。例如，在一个构造中，分配器向多喷嘴挤出机中的大多数喷嘴提供形成物体的内部体积的大部分的挤出材料，同时更小数量的喷嘴接受形成物体的外部部分的另一种类型的挤出材料。另外，在喷嘴已经用尽相应的通道中的一定量的一种类型的挤出材料之后，分配器可选择地向通道提供不同类型的挤出材料，以使一个喷嘴能够在三维物体打印操作期间在不同的时间挤出不同类型的挤出材料。

虽然图11A–11D和图12A–12B描绘了利用各种辊子组以控制细丝的运动的挤出材料分配器，但是这些例示仅是一些辊子构造的示例。可替代实施例包括控制细丝的通过通道到达喷嘴的运动的一个或更多个导辊组。特别地，分配器以最小长度切割挤出材料的细丝并且将辊子布置成确保细丝不在分配器或多喷嘴挤出机中的通道内变得堵塞。

虽然图12A和12B描绘了向一个或更多个多喷嘴挤出机中的喷嘴供给两种不同的挤出材料的分配器，但是其他实施例包括另外的分配器和挤出材料供给源以向多喷嘴挤出机提供三种或更多种类型的挤出材料。三维物体打印机以与图1中描绘的打印头108相似的方式采用多喷嘴挤出机，以在图像接收表面上形成挤出材料的图案。另外，本文中说明的分配器也能够向加热器和压力腔室组件提供挤出材料，压力腔室组件向挤出打印头中的多个喷嘴供给液化挤出材料。如图11D中所述，分配器1172可替代地向辊子1184和熔化器组件1186提供挤出材料，以便向用于挤出打印头中的一个或更多个喷嘴1192的压力腔室1190供给挤出材料。分配器1172向三维物体打印机内的两个或更多个打印头提供挤出材料。每个打印头包括具有辊子1184和加热器1186的进口，该进口接收来自分配器1172的出口1124或本文中说明的其他分配器中的任一者的相应的出口的挤出材料。在操作期间，分配器向不同的打印头的进口提供挤出材料细丝1108的部分，比如包括两个打印头的打印机的构造中的第一打印头和第二打印头。图11D中描绘的构造也适用于图11A–图11D和图12A–12B中的在本文中公开的其他分配器实施例中的任一者。

图13A和图13B描绘了挤出打印头1300的实施例，挤出打印头1300包括压力腔室和至少一个阀以控制液化挤出材料通过一个或更多个喷嘴的挤出。打印头1300是适用于打印机100和采用挤出打印头的其他三维物体打印机的打印头108的一个实施例。打印头1300包括熔化器组件1312和壳体1304，熔化器组件1312熔化经由驱动辊1342供给至熔化器组件1312的挤出材料细丝1308，壳体1304包括压力腔室1320、至少一个喷嘴1326、至少一个阀构件1330、阀密封件1344和至少一个致动器1336。

在图13A的实施例中，熔化器组件1312由不锈钢形成并且包括熔化流体通道1318中的挤出材料1308的细丝的一个或更多个加热元件1316，比如电阻加热元件。熔化器组件1312接收固相的挤出材料，比如固态细丝1308，或者在可替代的实施例中，接收固相粉末或粒化挤出材料。熔化器组件1312控制固相挤出材料通过通道的运动，以将挤出材料供给至熔化挤出材料并且将熔化的挤出材料供给至压力腔室1320的加热器1316。在邻近进口的流体通道1318中通过驱动辊1342保持固态的挤出材料的一部分形成流体通道1318中的密封，该密封防止液化的挤出材料从除压力腔室1320的连接之外的任何其他开口排出熔化器组件。在图13A的示例中，驱动辊1342使挤出材料1308的部分运动到熔化器组件1312内，以将一定量的挤出材料保持在压力腔室1320中。流体通道1318流体地联接至形成在壳体1304中的压力腔室1320。压力腔室1320接收熔化的挤出材料，壳体1304中的另外的加热元件1316保持压力腔室1320内的升温，以在壳体内保持挤出材料处于液化状态。在一些实施例中，热绝缘体覆盖壳体1304的外部部分以保持压力腔室1320内的温度。

虽然图13A描绘了利用机电致动器和驱动器辊子1342来控制细丝1308向熔化器组件1312内的运动的供给系统，但是，可替代实施例利用一个或更多个致动器来操作旋转绞龙或螺旋，以控制固相挤出材料向熔化器组件内的运动，在此挤出材料熔化并流入压力腔室内。例如，旋转绞龙或螺旋使比如为粉末或颗粒的挤出材料的固相挤出材料运动到熔化器通道1318内。更一般地，熔化器组件1312包括控制挤出材料的运动的机械驱动构件以及一个或更多个致动器，比如电动机，一个或更多个致动器操作驱动构件以使挤出材料运动并且在打印头中保持一定量的挤出材料。

为了在压力腔室1320内保持预定水平的流体压力，控制器128调整供给速度以在压力腔室1320中保持一定量的熔化挤出材料。在一些构造中，控制器基于开口以便能够挤出挤出材料的阀组件1326中的阀的数量或基于在压力腔室1320内检测的流体压力水平调整供给速度。在另一个实施例中，DC电动机控制驱动辊1342的旋转，控制器128调整供给至DC电机的电流的水平以便在材料挤出期间以预定水平保持用于电机和辊子的扭矩水平。DC电机在基本恒定水平的扭矩处的操作提供压力腔室内的受控水平的压力，并且对于系统中的开口喷嘴的数目的变化提供自动补偿。

在打印头1300中，压力腔室1320流体地联接至一个或更多个出口喷嘴1326。在图13A和图13B的示例性实施例中，喷嘴1326直接联接至压力腔室1320，尽管可替代实施例可选择地包括位于压力腔室与喷嘴出口之间的更长的流体路径。为了控制挤出材料的挤出，控制器128操作阀致动器1336和阀构件1330以打开和关闭喷嘴1326。在打印头1300中，阀密封件1344使得阀构件1330能够通过压力腔室1320的外壁并且在压力腔室1320内运动，同时防止任何液化挤出材料通过除喷嘴1326以外的任何开口排出压力腔室1320。

在打印头1300的操作期间，当出口流体地联接至压力腔室1320并且不被阀构件1330之一阻塞时，来自压力腔室1320的液化挤出材料通过喷嘴出口1326中的任一个挤出。阀构件1330中的每一个例如是具有圆角或倒角端部的细长形铝制或钢制销，圆角或倒角端部符合压力腔室1320与打印头1300中的相应的喷嘴1326之间的流体开口的形状和尺寸。每个阀构件1330与打印头1300中的单个喷嘴1326对准。致动器1336使阀构件1330运动以打开和关闭通过喷嘴1326的流体路径，从而控制挤出材料从打印头1300的挤出。在打印头1300中，机电致动器1336是响应于电流经由电磁力使阀构件1330运动的电磁致动器，而在另一个实施例中，机电致动器是响应于电流产生使构件运动的机械力的压电致动器。在打印头1300中，机电致动器1330位于压力腔室1320的外部并且与压力腔室1320和熔化器组件1312热隔离。致动器1336以比压力腔室1320和熔化器组件1312更低的温度操作，这改进了致动器的可靠性和使用寿命，同时细长形阀构件1330通过阀密封件1344延伸到打印头1300的更高温区域内。致动器1336使阀构件1330在压力腔室1320内的至少两个位置之间运动。在第一位置中，阀构件1330阻碍挤出材料流过相应的喷嘴1326，从而阻止挤出材料流并且有效地“停用”喷嘴。

图13B描绘了打印头1300中的喷嘴和阀构件的选项。在图13B中，阀构件1330A定位在阀构件1330A接合压力腔室1320与喷嘴1326A之间的流体开口的第一位置中。阀构件1330B和1330C各自位于压力腔室1320内的第二位置中，分别从喷嘴1326B和1326C的流体开口去除这些阀构件。压力腔室1320中的加压的熔化挤出材料在打印操作期间流过出口和相应的喷嘴1326B和1326C，同时阀构件1330A和1330B保持在图13B的第二位置中。在打印操作期间，致动器1336使包括阀构件1330A–1330C的阀构件1330在相应的第一位置与第二位置之间运动，以使得挤出材料能够或不能通过打印头1330中的选择的喷嘴挤出。在打印机100中，控制器128操作致动器1336以控制打印操作期间挤出材料的挤出。当打印头1330沿处理方向运动以形成三维打印物体的每一层时，控制器128控制致动器1336以利用打印头1330中的喷嘴的全部或选择部分形成挤出材料的布置。

喷嘴阵列1326包括通过平面构件1340形成的喷嘴开口。在图13A和图13B的实施例中，平面构件1340是具有外表面的金属板，该外表面可选择地涂覆有比如为聚四氟乙烯的低表面能量材料。在其他实施例中，平面构件1340由壳体1304的一部分形成，可替代实施例由陶瓷或具有适当的机械和热特性的另一种材料形成构件。平面构件1340提供光滑表面，触发的喷嘴1326在打印操作期间通过光滑表面挤出挤出材料。在其他实施例中，平面构件包括形成在喷嘴之间的凹槽或其他特征，或每个喷嘴通过分离的升高平面构件形成。平面构件1340还吸收来自打印头壳体1304中的加热器1316的热的一部分。

在一些操作模式中，打印头1300紧靠着图像接收表面定位，液化的挤出材料在打印操作期间形成平面构件1340与图像接收表面之间的薄层。例如，图13B描绘了从触发喷嘴1326B和1326C挤出到图像接收表面上的挤出材料1348的布置，图像接收表面被描绘为图1的用于例示目的的三维打印物体140的上表面。在图13B中，挤出的挤出材料1348填充物体140的表面与平面构件1340的表面之间的间隙。加热的平面构件1340使得挤出的挤出材料1348变平并且使得挤出材料1348能够在短时间内保持液化，同时打印头1300和平面构件1340沿着处理方向运动以在同时操作两个或更多个喷嘴时形成挤出材料行幅。平面构件1340还防止喷嘴之间的过量挤出材料在打印头1300的表面中的不希望的累积。彼此邻近定位的挤出材料的布置可以合并以形成基本连续的布置，比如为包括从喷嘴1326B和1326C挤出的挤出材料的合并布置的挤出材料1348的布置。

在一些打印头构造中，挤出打印头中的两个或更多个喷嘴可以沿处理方向彼此部分或完全地重叠，比如当打印头沿着曲线路径运动或形成处理方向路径的线性部分之间的拐角时。喷嘴挤出挤出材料的重叠布置，这将形成比在仅单个喷嘴挤出挤出材料时的其他区域更厚的层，这否则将产生具有不均匀厚度的一层三维打印物体。然而，在打印头1300中，平面构件1340展开并平整挤出材料的重叠布置，以便即使在多个喷嘴挤出重叠布置的挤出材料的区域中也能产生具有均匀厚度的挤出材料的布置。

图14描绘了挤出打印头1400的另一个实施例，挤出打印头1400包括存储通过至少一个喷嘴挤出的液化挤出材料的压力腔室。打印头1400是适用于打印机100和采用挤出打印头的其他三维物体打印机的打印头108的另一个实施例。多喷嘴挤出打印头1400包括多个喷嘴1426，多个喷嘴1426各自流体联接至单个压力腔室1420和控制挤出材料流从压力腔室1420流动至单独的喷嘴1426的阀组件1430。在图14中，阀组件1430以沿着线1450截取的剖视图更详细地示出，压力腔室1420和喷嘴1426以沿着线1454截取的另一个剖视图更详细地示出。

打印头1400包括构造成接收来自单个挤出材料供给源的挤出材料的压力腔室1420和阀组件1430。打印头1400包括形成压力腔室1420的壳体1404，压力腔室1420包括多个阀，多个阀使得挤出材料流能够或不能流过使压力腔室与挤出打印头1400中的多个喷嘴1426联接的单独的流体导管。

在挤出打印头1400中，壳体1404包括使得挤出材料1408能够进入压力腔室1420内的开口1410。壳体1404可选择地包括集成的或安装在外部的散热器(未示出)，散热器防止压力腔室1420的过热并且当打印头1400停用时控制打印头1400的冷却。在图14的示例性实施例中，挤出材料1408是固体ABS塑料的细丝1408或来自挤出材料供给源1402的其他适当的挤出材料。

壳体1404包括一个或更多个加热器1412，比如电阻加热器，加热器加热压力腔室1420并且使固体挤出材料1408熔化以形成腔室1420中的熔化挤出材料的流体储存器。比如为辊子1442的一个或更多个辊子包括致动器，致动器控制挤出材料1408的细丝向挤出打印头1404中的压力腔室1420内供给的速度。控制器128基于被打开以能够挤出挤出材料的阀组件1430中的阀的数量、在压力腔室1420内检测的流体压力水平或基于打印头1404挤出到图像接收表面上的挤出材料的预期体积调整供给速度，以在压力腔室1420中保持一定量的熔化挤出材料。打印头1404与图像接收表面之间的三维体积取决于由预定形式的挤出材料覆盖的侧面面积，控制器128可选择地基于在操作期间触发的喷嘴的数目和打印头1404的表面与图像接收表面之间的z轴距离确定上述侧面面积。在另一个实施例中，控制器128基于打印头与图像接收表面之间沿处理方向的相对运动速度调整细丝的供给速度。在另一个实施例中，DC电动机驱动细丝驱动辊，通向DC电机的电流被控制成在材料挤出期间将电机和辊子的转矩水平保持在预定水平上。DC电机在基本恒定水平的扭矩处的操作提供压力腔室内的受控水平的压力，并且对于系统中的开口喷嘴的数目的变化提供自动补偿。

挤出打印头1400将单个挤出材料供给源联接至喷嘴阵列1426中的多个喷嘴。壳体1404中的多个流体出口将压力腔室1420设置成与喷嘴1426流体连通。例如，流体出口1424将压力腔室1420设置成与喷嘴1428流体连通。熔化的挤出材料通过重力或通过施加到压力腔室1420的正压力通过保持与腔室1420流体连通的喷嘴挤出，从而通过喷嘴1426排出熔化的挤出材料。然而，在操作期间，打印头1400在选定时间仅通过喷嘴中的一个或更多个挤出挤出材料，以便形成特定布置的挤出材料。在打印头1400中，阀组件1430包括多个阀，每个阀控制挤出材料流从压力腔室1420向喷嘴1426之一的流动。阀组件1430包括横向于压力腔室1420与喷嘴1426之间的流体出口布置的多个阀。每个阀包括机电致动器(未示出)和可移动构件，比如图14中描绘的包括销1432和1434的金属销。金属销由不锈钢、铝或适用于与液化挤出材料接触使用以及在打印头的工作温度范围内使用的任何其他金属或合金形成。机电致动器使可移动构件在第一位置与第二位置之间的线性路径上运动，在第一位置处构件阻止挤出材料流过流体出口，在第二位置处构件使得挤出材料能够流过流体出口。在一个实施例中，机电致动器是响应于电流经由电磁力使金属销运动的电磁致动器，而在另一个实施例中，机电致动器是响应于电流产生使构件运动的机械力的压电致动器。

在图14的实施例中，喷嘴1426通过平面构件1429形成。平面构件1429的结构和功能与如上结合打印头1300所述的平面构件1340相似。在打印头1400的操作期间，触发喷嘴1426将挤出材料挤出到图像接收表面上，平面构件1429接合挤出的挤出材料以填充从打印头1400中的附近喷嘴挤出的挤出材料的布置之间的间隙以及对于每层挤出材料保持均匀厚度。

在图14中示出的构造中，阀组件1430中的一个机电致动器使可移动构件1134运动至阻碍流体流过流体出口1425的第一位置。在第一位置中，阀构件1434的一部分运动到流体出口1425内以阻止挤出材料流过流体出口1425。在另一个阀中，机电致动器使构件1432运动至第二位置，第二位置打开流体出口1424以使挤出材料能够从压力腔室1420流过喷嘴1428。在第二位置中，构件1432从流体出口1424退出以使流体挤出材料能够流过出口1424。

在采用打印头1300或1400的打印机100的实施例中，控制器128操作地连接至阀组件1430的每个阀中的机电致动器。在操作期间，控制器128操作阀以便能够或不能挤出来自打印头1400中的不同喷嘴的挤出材料，从而形成对应于三维打印物体140的每层中的三维物体图像数据136的挤出材料的布置。更具体地，控制器128操作机电致动器以使一个或更多个阀构件运动至关闭第一组选定阀的第一位置内，同时机电致动器使其他阀构件运动至第二位置内以打开剩余阀中的一个或更多个。控制器128打开和关闭阀以在打印操作期间在不同的时间触发或停用打印头中的喷嘴中的一些或全部。

虽然打印头1300和1400描绘为具有一维线性排列的单排喷嘴和相应的阀，但是可替代的打印头构造包括用于二维阵列喷嘴的多排喷嘴和阀，二维阵列喷嘴沿横向处理方向基本覆盖打印头的宽度。二维阵列喷嘴的示例在图9A、图9B和图10中进行了描绘。在一些构造中，多喷嘴挤出打印头中的喷嘴中的任一者可被用于打印给定层的轮廓，控制器128在喷嘴中的一些或全部上分配轮廓的成形部分的操作，以便平衡喷嘴的磨损并且确保材料流在整个打印头上的均匀分布。以升高的温度保持比预定时间更长的聚合物挤出材料可能经历材料性能的衰减。如上所述的打印头实施例确保整个挤出打印头的平衡材料流，以减少或消除挤出材料的衰减。

图15描绘了用于操作比如为图1的打印机100的三维打印机以利用多喷嘴挤出打印头形成三维打印物体的一部分的处理1500。处理1500适用于采用本文中说明的多喷嘴挤出打印头实施例中的任一者的打印机，当然处理1500并不唯一地受限于用于本文中说明的多喷嘴打印头构造。三维物体打印机执行处理1500以形成三维打印物体的一层的至少一部分，并且在许多构造中，打印机执行处理1500多次以形成多层三维打印物体。在以下描述中，对执行功能或动作的处理1500的称谓指的是对执行存储的程序指令的控制器的操作，以便利用三维物体打印机中的一个或更多个部件执行功能或动作。处理1500与图1的打印机100一起说明，以用于说明目的。

在打印机沿着用于三维打印物体的一层的区域的外周缘在挤出打印头与图像接收表面之间产生沿着处理方向的相对运动时开始处理1500(块1504)。在打印机100中，控制器128操作X/Y致动器150以使打印头108沿着围绕支承构件102的表面和三维打印物体140的上部层上的区域的周缘的线性路径和曲线路径运动。在其他打印机构造中，不同组的致动器使得支承构件运动以产生相对运动或使打印头和支承构件两者运动以产生相对运动。如上所述，在打印机100中，控制器128从存储器132中的3D物体数据138中检索对应于3D打印物体的一层的图像数据。在一个实施例中，控制器128处理图像数据以产生打印头路径控制数据138，打印头路径控制数据138包括用于挤出打印头与图像接收表面之间的相对运动以形成挤出材料的布置的一系列路径。更具体地，控制器128操作X/Y致动器150以使打印头在限定用于三维打印物体140的一层的区域周缘的路径中运动。例如，如图3中所描绘的，具有三个挤出喷嘴312、316和320的打印头108沿着周缘路径332运动，同时操作仅单个喷嘴312以沿着区域的外周缘形成挤出材料的布置。在一些打印头构造中，单个喷嘴312的直径小于打印头中的其余喷嘴的直径。因此，从更小直径喷嘴312的孔口喷射的挤出材料的形式占据更小空间并且能够比具有更大喷嘴孔口直径的其余喷嘴复制更精细细节。在形成轮廓之后，打印机操作打印头中的喷嘴中的一些或全部，包括具有更大直径的喷嘴，以填充轮廓内的区域。用于打印头的运动路径的不同部分包括线性(直线)节段和曲线节段。在可替代实施例中，比如为个人电脑或其他适当的计算系统的外部计算装置产生打印头路径控制数据138并且通过比如为USB的外围输入-输出(I/O)接口或通过数据网接口将打印头路径控制数据138提供至控制器128。

在处理1500期间，控制器128操作打印头中的多个喷嘴中的至少一个喷嘴，以便在打印机产生打印头与图像接收表面之间的沿着轮廓的路径的相对运动时在围绕区域的周缘的轮廓中形成挤出材料的布置(块1508)。在其他实施例中，控制器128操作具有更窄出口直径的一个喷嘴或一组喷嘴，以形成具有更窄挤出材料布置的轮廓，从而形成具有高空间分辨率的轮廓。例如，在图3中，如果喷嘴312具有比喷嘴316和320更窄的直径，则控制器128操作喷嘴312以形成轮廓332。在其他实施例中，控制器128操作打印头中的多个喷嘴，以便围绕区域的周缘以及在区域内形成挤出材料的多个布置，从而提高三维物体打印机的有效生产速度。另外，控制器128停用打印头中的定位在轮廓的外部的位置处的喷嘴，同时其余喷嘴中的一个或更多个形成挤出材料的轮廓。在图1的实施例中，控制器128基于打印头路径控制数据138和多喷嘴打印头108中的喷嘴的预定几何形状确定位于区域内部或外部的喷嘴。控制器128关闭打印头中的阀或停止向单独的喷嘴供给挤出材料，以防止停用的喷嘴喷射挤出材料。

如上图2A和图2B中所述，在一些打印头实施例中，喷嘴在打印头108中的物理布局形成任何两个喷嘴之间沿横向处理方向的最大间距，控制器128可选择地操作Zθ致动器154以将喷嘴之间的距离调整成对应于3D图像数据中的预定距离。在包括在相邻的喷嘴之间具有变化的横向处理方向间距的多喷嘴打印头的打印机100的实施例中，控制器128确定参照用于三维物体的一层的3D物体图像数据136由打印头中的第一喷嘴形成的挤出材料的第一布置与由打印头中的第二喷嘴形成的挤出材料的第二布置之间的横向处理方向间距。

在一些打印机构造中，控制器128将打印头108定位在三维打印物体140的表面或其他适当的图像接收表面上，其中在喷嘴与图像接收表面之间沿着Z轴具有窄的间隙。例如，在一个实施例中，间隙为大约0.1mm，当然可替代打印机构造可以以更窄或更宽的间隙操作。在采用平面构件中的一个或更多个喷嘴的打印头中，比如上述打印头1300和1400，挤出的挤出材料填充图像接收表面与打印头之间的间隙。打印头上的平面构件接合并展开挤出材料，同时挤出材料保持在液体或半液体状态以使来自打印头中的喷嘴的挤出材料的不同布置并入挤出材料的单个布置内。另外，平面构件保持展开挤出材料，以便即使两个或更多个喷嘴在图像接收表面上形成挤出材料的重叠布置时保持挤出材料层的均匀厚度。

图5描绘了打印头108利用第一横向处理方向间距504形成的挤出材料332和532的两种布置。控制器128调整打印头108相对于横向处理方向轴CP的角度以便产生间距。图6描绘了具有分别由打印头108中的喷嘴312和316形成的两组挤出材料332和632的挤出材料的另一个布置。在图6的构造中，控制器128操作Zθ致动器154以使打印头108关于Z轴相对于横向处理方向轴CP旋转角度φ。打印头108的旋转减小了喷嘴312与316之间沿横向处理方向的间距，打印头108形成挤出材料332和632的平行布置，两种形式的挤出材料以挤出材料的两个布置之间基本没有间隙的方式彼此邻近地形成。

图9A描绘了包括二维阵列喷嘴的打印头904的另一种构造。在打印头904中，喷嘴交错以使打印头904能够以相邻喷嘴之间沿横向处理方向几乎没有空间的方式在平行布置中挤出挤出材料。在图9A的构造中，控制器128同时操作打印头904中的选定组的喷嘴，以形成轮廓的不同部分或在挤出材料的轮廓内形成行幅。例如，在图9A中，控制器128选择性地触发组908、912和916中的喷嘴，以在围绕图像接收表面的预定区域的轮廓中的图像接收表面上形成挤出材料的不同布置，比如在图9A中描绘的正方形区域上。另外，如果打印头904中的喷嘴定位在位于轮廓外部的位置处，则控制器128停用这些喷嘴。例如，虽然控制器128触发喷嘴组908以形成图9A中的轮廓的一部分，但是控制器128还停用设置在区域902的周缘外部的喷嘴组922。如图9A中描绘的，当打印头沿着处理方向运动至不同的位置以基于3D物体图像数据136和打印头路径控制数据138形成具有预定形状的轮廓时，控制器128选择性地触发和停用打印头中的不同的喷嘴。

如图9A中所描绘的，控制器128操作打印机100中的致动器以产生打印头904与图像接收表面之间的相对运动，从而使打印头904围绕区域902的轮廓沿处理方向路径P运动。控制器128操作打印头904中的不同子组的挤出喷嘴，以在包围区域902的轮廓中形成挤出材料的不同布置。在图9A的示例性实施例中，控制器128操作第一喷嘴组908、第二喷嘴组912和第三喷嘴组916以形成围绕区域902的三个不同的轮廓边。在图9A的示例中，打印头904中的交错的喷嘴形成基本彼此邻近的挤出材料的布置，在挤出材料的布置之间没有间隙。打印头904中的二维阵列喷嘴以交错构造布置，以便在打印头沿第一线性方向运动时以及在沿与第一方向正交的第二方向运动时，比如当形成图9A中描绘的轮廓的不同的边时，使得打印头904能够形成连续行幅。在另一个操作模式中，控制器128通过选择对应于挤出材料的打印布置之间的预定横向处理方向间距的不同组的喷嘴来调整挤出材料的平行布置之间的横向处理方向间距。

图9A的打印头904不构造成以与图3–图8中描绘的打印头相同的方式围绕Zθ轴旋转。替代地，喷嘴在打印头中的布置使得打印头能够在不需要旋转打印头的情况下形成挤出材料的线性行幅与挤出材料的曲线行幅之间的拐角。图9B描绘了包括两个喷嘴936A和936B的简化打印头实施例932。在一个构造中，控制器128操作X/Y致动器150以产生打印头932与图像接收表面之间的相对运动，从而形成两个线性行幅944和945。喷嘴936A和936B两者均挤出挤出材料以形成行幅。在行幅之间的拐角位置942处，两个喷嘴936A和936B在相对打印头运动的处理方向转向拐角时彼此简略重叠。在另一个构造中，X/Y致动器150沿着曲线行幅950产生相对打印头运动。当打印头932进入曲线时，喷嘴936A和936B分别形成曲线的外部部分和内部部分，但是喷嘴在位置948处和曲线的端部处简要地重叠，喷嘴936A形成曲线的内部，喷嘴936B形成曲线的外部。

即使如上描绘的两个行幅的一部分在来自两个不同的喷嘴的挤出材料的挤出布置之间包括重叠区域，打印机100也在打印操作期间形成具有均匀挤出材料宽度和厚度的两个行幅。即使行幅的部分包括挤出材料的重叠布置，液体挤出材料也在从喷嘴被挤出之后展开以形成具有均匀宽度和厚度的布置。另外，如上结合打印头1300和1400所述的，打印头上的保持喷嘴的平面构件还接合挤出材料以在每一行幅中形成均匀的挤出材料层。在一些构造中，包括具有直径d的喷嘴以及具有在相邻喷嘴之间布置有距离2d的最小间隔的喷嘴的打印头适用于处理1500。例如，在图9B中，打印头954包括极坐标构造中的五个喷嘴956A–956E，相邻喷嘴之间具有至少2d的距离。虽然打印头954是适当的多喷嘴挤出打印头的示例性实施例，但是可替代构造包括但不限于在相邻喷嘴之间具有至少2d间隔的多排网格或矩阵喷嘴。

再次参考图15，在处理1500期间，打印机100可以在围绕具有曲线形状的区域的周缘的轮廓中形成挤出材料的一些布置。在一些打印头实施例中，打印头中的喷嘴以大致相同的速度挤出挤出材料。控制器128可选择地参照打印头路径控制数据138确定用于打印头的运动路径的曲线部分，以及可选择地控制打印头的操作从而保持挤出材料在曲线的内部部分和外部部分两者中的均匀分布(块1512)。在结合图7更详细地说明的一个构造中，控制器128操作Zθ致动器154以使打印头振荡。在结合图8更详细地说明的另一个构造中，控制器128利用间歇地触发和停用内部曲线上的喷嘴的更短长度来操作曲线的内部部分上的喷嘴中的一些。

控制器128关于曲线路径调整打印头108的操作，这是因为挤出打印头108中的每个喷嘴以基本相同的容积流率(例如0.01cm³/秒)挤出挤出材料。为了包括给定角度的曲线，控制器128在打印头需要运动通过全圆角的单一持续时间内名义地操作多个喷嘴，即使由外部喷嘴覆盖的线性距离通常基本大于由内部喷嘴覆盖的线性距离。然而，形成挤出材料的更短线性布置的喷嘴以与形成更长的线性布置的喷嘴相同的速度挤出挤出材料，这潜在地产生粗糙表面，这是因为挤出材料在内部曲线中的更短的线性布置包括与外部曲线中的更长的线性布置基本相同量的挤出材料。相比而言，在如上所述的线性布置中，控制器128以比形成轮廓的外部部分的喷嘴在更短的持续时间内操作形成轮廓的内部节段的喷嘴，因此挤出材料的平行线性布置不会遇到与形成在挤出材料的内部布置中的更大体积的挤出材料相同的问题。

在图7中描述的实施例中，控制器128操作Zθ致动器154以使打印头108围绕Z轴振荡，以便形成挤出材料的具有均匀密度和表面的布置。Zθ致动器154在打印头108中产生摆动形式的运动，同时X/Y致动器使打印头108沿着曲线路径在处理方向上运动。打印头108的振荡提高了挤出材料的内部曲线布置的线性长度，以具有与挤出材料的外部曲线布置的线性长度相似的长度。图7示出振荡的打印头108的操作，以形成挤出材料704和708的两个曲线布置。在图7中，打印头108沿着曲线路径形成挤出材料704的布置，控制器128参照存储器132中的打印头路径控制数据138确定用于布置704的曲线路径的线性长度。控制器128还确定用于挤出材料708的内部布置的曲线的线性长度，以及确定用于打印头108的使内部布置708的总线性长度增大至与外部布置708的线性长度相似或相等的振荡的大小和频率。例如，在一个构造中，控制器128将正弦波形传入到用于挤出材料708的内部布置的曲线路径上。控制器128确定用于正弦振荡或产生内部曲线的其他形式的振荡的大小和频率，该振荡产生与挤出材料704的外部布置的长度相似的线性长度。

在操作期间，控制器128操作Zθ致动器154以在打印头108中产生确定的形状、幅度和振荡频率，以便形成图7中描绘的挤出材料704和708的布置。在图7的示例性示例中，喷嘴312定位在用于Zθ致动器154的旋转轴线上或附近，打印头108的振荡对于挤出材料704的外部曲线布置几乎没有影响。挤出材料708的内部曲线布置包括使建造材料708的内部布置的总线性长度增大至与外部布置704相似的振荡形式。挤出材料708的内部布置具有与外部布置704相似的密度，打印头108的振荡使得打印机100能够形成用于挤出材料的多个同轴曲线布置，挤出材料在三维打印物体的每层中具有均匀的密度和厚度。

图8描绘了在形成挤出材料的两个曲线布置期间用于挤出打印头108的另一个处理，两个曲线布置包括由喷嘴312形成的外部布置804和由喷嘴316形成的内部布置812。在图8描绘的处理中，控制器128确定挤出材料804的外部布置的第一线性长度和挤出材料812的内部布置的第二线性长度。控制器128然后确定第二线性长度与第一线性长度的比值，并且以对应于确定比值的预定频率和占空比的间歇方式操作喷嘴316。例如，如果挤出材料804的布置具有30mm的长度，挤出材料812的布置具有27mm的长度，则控制器128确定用于喷嘴316的操作占空比的比值(9/10)(90％)。控制器128利用喷嘴316在一系列预定时间间隔(例如0.1秒间隔)上操作喷嘴316，喷嘴316被触发以在间隔的90％的部分(例如0.09秒)期间挤出挤出材料，同时喷嘴316在间隔的另一部分(例如0.01秒)期间被停用并且不挤出挤出材料。由于喷嘴316挤出液态的挤出材料，因此液体挤出材料填充当停用喷嘴316时形成的间隙，挤出材料812的内部曲线布置具有与挤出材料804的外部布置基本相同的密度和高度。

处理1500继续，控制器128使挤出打印头沿着由挤出材料的布置的轮廓形成的区域内的直线或曲线行幅路径运动(块1516)，并且同时操作打印头中的两个或更多个喷嘴以形成挤出材料行幅，挤出材料行幅以挤出材料的预定形式填充区域的至少一部分(块1520)。在形成行幅期间，控制器128同时触发打印头中的两个或更多个喷嘴，以在轮廓内形成挤出材料行幅。另外，控制器128还选择性地停用喷嘴中的可以运动至交叠已经形成的挤出材料区域或运动至打印挤出材料的周缘的外部的位置的部分。例如，图4描绘了施加多行幅挤出材料以在由挤出材料332的布置形成的区域中形成挤出材料形式的打印头108，挤出材料332的布置包括分别来自喷嘴312、316和320的挤出线路336、338和340。

图10描绘了在填充操作期间形成挤出材料行幅的打印头904。在图10中，X/Y致动器150使打印头904沿着直线路径运动，以填充由挤出材料形成的轮廓内的区域。图10描绘了包括行幅1012和行幅1016的二行幅挤出材料的形成。图10描绘了打印头904中的处于触发结构以形成行幅的全部挤出喷嘴1008，但在一些构造中，控制器128响应于控制器128确定喷嘴已运动至包围区域的行幅区域或周缘的外部而停用喷嘴中的一些。在图1的实施例中，控制器128基于打印头路径控制数据138和多喷嘴打印头108中的喷嘴的预定几何形状确定位于区域内部或外部的喷嘴。控制器128关闭打印头中的阀或停止向单独的喷嘴供给挤出材料，以防止停用的喷嘴喷射挤出材料。在一些构造中，挤出打印头利用挤出材料填充整个区域以形成固体层，而在其他实施例中，打印头形成部分填充区域的网格、蜂窝或其他适当的形式。在打印机100中，控制器128独立地控制单独喷嘴的激发和停用，以使打印头能够形成挤出材料的布置，即使喷嘴布置成交错结构，挤出材料的布置也沿着处理方向P在预定位置处起动和停止。类似地，控制器128选择用于每个喷嘴的操作的定时以基于已经在在前打印的行幅中形成的挤出材料的布置来起动或结束给定行幅。

打印机100执行处理1500以形成一层三维打印物体的一个或更多个区域。对于多层物体，打印机100对于每一层执行处理1500一次或更多次，以由多层挤出材料形成三维打印物体。

Claims (10)

1.一种挤出打印头，包括：

腔室，所述腔室具有进口以接收挤出材料；

多个流体出口，所述多个流体出口流体地联接至所述腔室；以及

多个阀，每个阀与所述多个流体出口中的一个流体出口对准，所述多个阀中的每个阀还包括：

构件；以及

机电致动器，所述机电致动器构造成使所述构件运动至阻止所述挤出材料流过所述多个流体出口中的相应的流体出口的第一位置和使挤出材料能够流过所述多个流体出口中的相应的流体出口的第二位置。

2.根据权利要求1所述的挤出打印头，每个阀中的所述构件还包括：

金属销，所述金属销构造成在所述第一位置与所述第二位置之间运动。

3.根据权利要求1所述的挤出打印头，还包括：

多个喷嘴，所述多个喷嘴流体地联接至所述多个流体出口并且构造成喷射从所述多个流体出口接收的挤出材料，所述多个喷嘴中的每个喷嘴接收来自所述多个流体出口中的一个流体出口的挤出材料；以及

所述多个阀中的每个阀构造成响应于处于所述第一位置中的所述构件阻止所述挤出材料流过所述多个喷嘴中的相应的一个，以及响应于处于所述第二位置中的所述构件使所述挤出材料能够流过所述多个喷嘴中的相应的一个。

4.根据权利要求3所述的挤出打印头，还包括：

平面构件，所述平面构件定位在所述壳体的外部上，所述多个喷嘴在平面构件中形成有开口，以使所述平面构件的表面能够接合从所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴挤出的挤出材料。

5.根据权利要求1所述的挤出打印头，还包括：

加热器，所述加热器操作地连接至所述腔室并且构造成加热所述腔室和所述腔室中的挤出材料。

6.根据权利要求5所述的挤出打印头，每个阀中的所述机电致动器定位在所述腔室的外部，以便以低于所述腔室的第二温度的第一温度操作。

7.根据权利要求1所述的挤出打印头，还包括：

熔化器组件，所述熔化器组件包括：

至少一个驱动构件，所述至少一个驱动构件构造成使处于固相的挤出材料运动到通道内；

至少一个加热器，所述至少一个加热器构造成加热所述通道中的所述挤出材料以熔化所述挤出材料，并且向所述腔室的进口提供液化的挤出材料；以及

电动机，所述电动机操作地连接至所述至少一个驱动构件并且构造成基于所述多个阀中的数个阀调整通过所述通道的处于固相的所述挤出材料的运动速度，所述多个阀中的数个阀配置有处于所述第二位置中以使所述挤出材料能够流动的构件。

8.根据权利要求1所述的挤出打印头，还包括：

熔化器组件，所述熔化器组件包括：

至少一个驱动构件，所述至少一个驱动构件构造成使处于固相的挤出材料运动到通道内；

至少一个加热器，所述至少一个加热器构造成加热所述通道中的所述挤出材料以熔化所述挤出材料，并且向所述腔室的进口提供液化的挤出材料；以及

电动机，所述电动机操作地连接至所述至少一个驱动构件，并且构造成向至少一个驱动辊和处于固相的所述挤出材料施加恒定水平的转矩，以在所述腔室内保持预定压力水平。

9.一种三维物体打印机，包括：

材料供给源，所述材料供给源构造成存储挤出材料；

挤出打印头，所述挤出打印头包括：

多个阀，每个阀与所述多个流体出口中的一个流体出口对准，所述多个阀中的每个阀还包括：

构件；以及

机电致动器，所述机电致动器构造成使所述构件运动至阻止所述挤出材料流过所述多个流体出口中的相应的流体出口的第一位置和使挤出材料能够流过所述多个流体出口中的相应的流体出口的第二位置，以及

控制器，所述控制器操作地连接至所述挤出打印头，所述控制器构造成：

操作所述多个阀的第一部分以在三维物体打印操作期间阻止所述挤出材料流过所述多个流体出口的第一部分；以及

操作所述多个阀的第二部分以在三维物体打印操作期间使得所述挤出材料能够流过所述多个流体出口的第二部分，同时阻止所述多个流体出口的第一部分。

10.根据权利要求9所述的三维物体打印机，所述挤出打印头的每个阀中的所述构件还包括：

金属销，所述金属销构造成沿着所述第一位置与所述第二位置之间的线性路径运动。