CN107000316B - 打印头、打印装置、打印方法及打印的物品 - Google Patents

Abstract

公开了用于3D打印设备的打印头(100)，打印头(100)包括：喷嘴(110)，被布置为在接收表面(130)上打印打印材料的层(140)；以及纹理构件(120)，被布置为在所述层的打印期间，将所述层或接收表面纹理化。喷嘴包括出口，出口包括纹理化构件(120)，并且出口被成形为形成突起(145)，突起从层(140)的主表面延伸，用于与随后的层互锁。纹理化构件确保与打印头形成的接触层由于层之间增大的接触表面面积而展现出改善的粘合性。这产生以该方式打印的更坚固的3D物品。还公开了包括打印头的打印装置、打印方法以及根据打印方法打印的物品。

Description

打印头、打印装置、打印方法及打印的物品

技术领域

本发明涉及用于3D打印装置的打印头，打印头包括喷嘴，喷嘴被布置为在接收表面上打印打印材料的层。

本发明进一步涉及包括这种打印头的3D打印装置。

本发明还进一步涉及使用这种打印装置的打印方法。

本发明仍然进一步涉及由这种打印方法打印的物品。

背景技术

有时还被称为3D打印的叠层制造是使用3D打印装置形成物品的技术，3D打印装置在通常由待制造物品的3D计算机模型(例如，3D CAD数据)控制的若干打印步骤中三维地构建物品。例如，可以提供物品的切片3D模型，其中每个切片由打印装置以离散的打印步骤重新创建。为此，打印装置可以沉积一个或多个打印材料的多个层，在沉积之后，这些层可以被固化(例如，使用激光以诱导固化工艺)或以其他方式被硬化。US2010/0327479A1中公开了这种打印装置的示例。

因为叠层制造技术在不需要形成期望物品的组装或成型技术的情况下执行快速成形的能力，所以它们快速受到了欢迎。然而，与这种技术相关联的基本问题是由此制造的物品的强度通常不如使用传统组装方法形成的对应物品的强度。这是因为邻接材料(例如，层、纤维和/或颗粒)之间的粘合性可能较差。

例如，在基于粉末烧结的叠层制造技术中，所打印的对象由被烧结的颗粒组成，其中，颗粒之间的颈状部分经常展示出低断裂强度。在颗粒或纤维嵌在诸如喷墨打印机或纤维打印机中的基质中的叠层制造技术中，颗粒或纤维与基质材料的粘附力可能较弱。在熔融沉积建模(FDM)或分配技术的情况下，材料层沉积在彼此的顶部上，以形成结构。经常是这种情况：在层的界面处，特别地，当下层对于FDM是冷的或与顶部上的层不兼容时，层之间的粘合性较弱。因此，获得了具有差的机械特性的物品。此外，在多材料打印的情况下，不同的打印材料可能展现差的粘合性。这导致了进一步弱化的机械特性，甚至导致不可能生产所期望的物品。

US2014/0134335A1公开了用于生产在挤压成形3D打印工艺中使用的涂覆长丝的工艺，在挤压成形3D打印工艺中，长丝在打印之前被涂覆有叠层，以改进层间粘合性。然而，这改变了打印材料(这里为长丝)的组成，这可能是不期望的。将期望能够使用标准打印材料来改进这样的层间粘合性。

发明内容

本发明力图提供可以改进打印的3D物品的接触层之间的粘合性的打印头。

本发明进一步力图提供包括这样的打印头的打印装置。

本发明还进一步力图提供使用这样的打印头打印3D物品的方法。

本发明仍然进一步力图提供根据这样的打印方法打印的经打印的物品。

根据一个方面，提供了用于3D打印装置的打印头，打印头包括被布置为在接收表面上打印打印材料的层的喷嘴。喷嘴包括出口，出口包括纹理化构件，纹理化构件被布置为在由所述喷嘴打印所述层期间，将层或接收表面纹理化。出口被成形为形成突起，突起从层的主表面延伸，用于与随后的层互锁。纹理化构件向出口提供多边形轮廓，并且多边形轮廓包括具有小于90度的角度的多个拐角。这样的打印头增大了以该方式打印的物品的相邻层之间的表面面积，这增强了层之间的粘合强度，从而增强了物品的总体强度。此外，增大层的表面面积，从而增强层与沉积在其上的随后的层之间的粘合性。

喷嘴包括出口，出口包括纹理化构件，使得喷嘴被布置为沉积打印材料的非平面层(即，包括突起的层)，使得不必单独形成这些突起。为此，为了在由喷嘴沉积的层中创建期望的突起，纹理化构件提供具有多边形轮廓的出口。多边形轮廓包括具有小于90度的角度的多个拐角。这样，沿这样的拐角从喷嘴排出的材料被预成形为突起。

在一个实施例中，出口限定多个夹持特征，多个夹持特征被布置为使得打印材料层包括将随后的层夹持到该层的多个夹持特征。这样，提供了两个相邻层之间特别强的粘合性。

在一个实施例中，打印材料具有黏性，使得打印材料的大部分在底层的特征周围流动。

在一个实施例中，为了增大经打印的层的表面面积，喷涂构件被布置为在打印期间处于喷嘴的下游，并且被布置为在沉积层上沉积颗粒材料。这例如具有以下优点：实际表面面积可以根据期望的粘合性要求来调整，因为颗粒材料的沉积速率可以相应地变化。喷涂构件有利地在沉积层之上以特别均匀的方式沉积颗粒材料。

根据另一方面，提供了包括上述实施例中任一实施例的打印头的3D打印装置，其中，装置被布置为将打印头在接收表面之上横向地移动。归因于由打印头的纹理化构件创建的这些层之间的增加的接触表面面积，通过生产具有由于相邻层之间增强的粘合性而改进的层间强度的3D物品，这样的3D打印装置受益于本发明的打印头。

在特别有利的实施例中，装置被配置为使打印头旋转，以促进打印方向的变化。这具有以下优点：因为可以(使用打印机头)改变打印方向，所以在打印机头由于其固定定向而仅可以在单个方向上移动的场景中，不需要将打印机头返回到特定的开始位置。因此，该实施例提高了打印速度。

根据又一个方面，提供了打印物品的方法，该方法包括：通过跨接收表面横向移动包括纹理化构件的打印头来在接收表面上沉积打印材料的纹理化层，该层包括从层的主表面突起的特征。喷嘴包括出口，出口被成形为形成特征，以用于与随后的层互锁，并且纹理化构件向出口提供多边形轮廓，多边形轮廓包括具有小于90度的角度的多个拐角。由该打印方法生产的物品借助如上面说明的更佳的层间粘合性而受益于增强的强度。另外，因为不需要调整在该方法中使用的打印材料，所以可以使用现有打印材料来应用本方法，从而在不需要调整现有打印处理和装置的情况下促进其广泛应用。此外，这避免需要单独地操纵正在进行打印的层或该层的接收表面。

接收表面可以是另一打印材料的之前沉积的层。

另外，纹理化步骤可以包括在沉积层的一部分上沉积颗粒材料。为了进一步增大待打印物品的接触层之间的有效接触表面面积，颗粒材料可以包括具有纹理化表面的颗粒。

根据又一个方面，提供了打印的物品，打印的物品包括根据前述方法的实施例中的任一个打印的层的堆叠。这样的打印的物品的特征在于，物品的相邻层之间存在纹理化界面，如先前所述，这给出了打印的物品的增强的强度。

附图说明

参考附图更详细地且用非限制性示例的方式描述了本发明的实施例，其中：

图1示意性描绘了包括打印头的打印设备的一个方面；

图2示意性描绘了根据一个实施例的、包括打印头的打印设备的一个方面；

图3示意性描绘了根据另一个实施例的、包括打印头的打印设备的一个方面；

图4示意性描绘了使用图3的打印设备获得的打印的物品；

图5示意性描绘了根据又一个实施例的、包括打印头的打印设备的一个方面；

图6是打印方法的流程图；

图7是根据一个实施例的打印方法的流程图；以及

图8是根据另一实施例的打印方法的流程图。

具体实施方式

应当理解，附图仅是示意性的且不是按比例绘制。还应理解，除非另外特别提及，否则，贯穿附图，相同的附图标记用于指示相同或类似的部分。

本发明的方面涉及提供用于叠层制造的打印装置(此后被称为3D打印装置)的打印头。本发明的至少一些实施例的具体益处是新型打印头可以结合现有打印装置一起使用(例如，改装到现有打印装置)，使得本发明可应用于这样的打印头可以嵌合到其中的任意3D打印装置。合适的3D打印装置包括采用熔融沉积建模或分配技术的打印装置、采用粉末烧结技术的打印装置、连续长丝制造打印机、或采用物品以分层方式被打印的任何其他技术的打印装置。为了本发明的目的，可以考虑可以通过包括根据下面更详细描述的实施例中的一个实施例的打印头来变化的任何合适的3D装置。如先前所述，这样的打印装置通常由计算机控制，计算机评估待打印物品的CAD文件等，并且根据所执行的评估来控制打印装置的打印头。由于使用描述待打印物品(的层)的文件的这样的计算机控制本身众所周知，所以仅为了简单起见，这里不进一步详细地说明这一点。

类似地，本发明的教导可以应用于可以嵌入在合适的基质材料中的任何合适的打印材料，例如，在叠层制造工艺中通常使用的打印用油墨，例如，打印材料包括可(辐射)固化的聚合物、粉状的可烧结材料(例如，热塑性聚合物或其他颗粒可烧结材料)、纤维材料等或由其组成。可以预期可以根据本发明的一个或多个方面被纹理化的任何打印材料。

在参考表面纹理化的本发明的上下文中，旨在覆盖增大表面的表面面积的机械表面处理(例如，机械粗糙化或图案化)，而且旨在覆盖以以下方式沉积打印材料的某些沉积技术：产生的沉积层展现来自打印层的上主表面(即，暴露的表面)的突起，这些突起充当用于打印层之上待打印的随后的层的锚固件，从而将相邻层互锁。

图1示意性地描绘了包括喷嘴110的打印头100，喷嘴用于在接收表面130(例如，另一打印材料的先前打印的层)上沉积打印材料的层140，另一打印材料可以是与打印材料不同的材料或可以是相同材料。打印头100还包括纹理化构件120，纹理化构件120相对于喷嘴110横向地移位，并且通常被定位为使得在通常以块箭头所指示的方向沿接收表面130移动打印头100的打印期间，纹理化构件被定位于喷嘴110的上游，使得纹理化构件120可以在打印材料由喷嘴110沉积在接收表面130的一部分之前与该部分接触。

纹理化构件120通常包括多个边缘125(优选地为锐利边缘，例如，齿状边缘)，多个边缘在与接收表面130接触时，将接收表面130粗糙化，从而增大接收表面130与在其上待沉积的打印材料140之间的接触面积。这在图1中由接收表面130上的纹理135示意性地指示，该纹理由纹理构件120与接收表面130之间的接触而引起。

纹理构件120的边缘125可以在层140的打印期间与接收表面130持续接触，使得边缘125在打印头100如由块箭头指示的相对于接收表面130移位时，在接收表面130之上拖拽。这样，在静态边缘125的情况下，边缘125可以在接收表面130中形成由喷嘴110沉积的打印材料填充的沟槽。备选地，如果期望非线性的纹理化图案，则纹理构件120可以包括旋转头，旋转头包括边缘125。旋转头可以在期望随机化纹理化图案的情况下，在打印过程期间，以不同速度来旋转。

包括如图1中所示的且如上所述的打印头100的3D打印装置可以实现如由图6的流程图示意性地描绘的打印方法200。方法200在步骤210中开始，在步骤210中，开始打印过程，如上所述，打印过程可以包括评估描述由打印装置打印的物品的各个层的计算机文件。在物品的层中的一个层的打印期间，与步骤230同时，方法执行步骤220，在步骤220中，由纹理化构件120将接收表面130的上游部分纹理化，在步骤230中，喷嘴110在接收表面130的纹理化部分上沉积打印材料。换言之，纹理化步骤220与沉积步骤230在空间上分离，但在时间上不分离，因为纹理化和沉积同时发生。

接着，在步骤240中检查是否已经完成对层140的打印。如果不是这种情况，方法返回到步骤220和230，其中如之前说明的，接收衬底130的随后部分被纹理化和打印。一旦在步骤240中确定已经完成对层140的打印，则方法进行到步骤250，在步骤250中，检查物品的另一层是否需要打印。如果是这种情况，则方法进行到步骤260，在步骤260中，例如通过将打印头100移动到如由3D打印装置的控制单元指定的先前打印的层140的适当初始位置来发起新的层的打印(例如，计算机如先前所述的根据CAD文件等控制打印过程)。在以该方式发起对下一层的打印之后，方法可以返回到如前所述的步骤220和230。另一方面，如果在步骤250中确定没有另外的层需要打印，则方法进行到步骤270，在步骤270中，终止打印过程。

在图2中示意性地描绘了打印头100的一个实施例。在该实施例中，除了喷嘴110之外，打印头100还包括纹理化构件120，纹理化构件120相对于喷嘴110横向移位，使得在打印头100通过3D打印装置以如块箭头指示的方向在接收表面130之上移位时，纹理化构件120相对于喷嘴110位于下游位置。换言之，纹理构件120被布置为将由喷嘴110沉积的层140的一部分纹理化。纹理化构件120是喷涂构件，喷涂构件将颗粒材料122喷涂在层140上，从而在层140上实现颗粒材料122的均匀散布。

如图2所示，纹理化构件120被布置为在打印材料的新近沉积的层140上沉积颗粒材料122，从而增加层140的粗糙度(即，接触表面面积)。为了该目的，可以考虑任何合适的颗粒材料122，例如，金属颗粒、硅颗粒、玻璃颗粒等。颗粒材料可以分散在液体中，以促进其沉积。优选地，具有不超过100℃的沸点的液体(例如，水、酒精等)用于该目的，使得液体在沉积后可以被容易地蒸发。为了在必要的情况下在液体中分散颗粒材料，可选地还可以存在分散剂。合适的分散剂本身是众所周知的，使得足以表示可以使用任何合适分散剂。

在一个实施例中，为了增大颗粒材料的表面面积，颗粒材料122可以具有纹理化表面，由此进一步增大层140的表面粗糙度。颗粒材料可以以任何合适的方式(例如，机械纹理化)被纹理化。这样的(机械)纹理化的颗粒材料还可以在层140的沉积之后增强待烧结颗粒之间的粘合性或增强颗粒到基质材料的粘合性，这使得该选项特别适于采用激光或电子束粉末烧结技术或喷墨技术的3D打印装置。

如图2所示，为了减小颗粒材料122与层140的冲击力，纹理化构件120可以被定向为使得颗粒材料122以与层140成非垂直角度被沉积，从而确保颗粒材料122保持在层140的表面上。然而，技术人员将容易理解，代替纹理化构件120的非垂直定向，可以通过调整(例如，减小)层140与纹理化构件120的出口之间的距离来实现相同效果。纹理化构件120的非垂直定向可以有利地实现颗粒材料122在层140之上的均匀散布。

包括如图2所示的且如上所述的打印头100的3D打印装置可以实现如由图7的流程图示意性地描绘的打印方法200。图7的打印方法200与图6的打印方法200的不同在于：步骤220由步骤220’代替，在步骤220’中，通过在如上更详细说明的步骤230中打印的层140的一部分上沉积颗粒材料122来实现表面的纹理化。在图7中，因为步骤220现在在沉积步骤230的下游执行(即，在已沉积的层140的一部分上执行)，所以与图6相比，步骤220’和230的顺序已被反转。换言之，纹理化步骤220’与沉积步骤230在空间上分离但在时间上不分离，因为纹理化和沉积在接收表面130上的不同位置中同时发生。

图3示意性地描绘了根据本发明的打印头100，其中纹理化构件120被集成在喷嘴110中。在该实施例中，纹理化构件120限定喷嘴100的出口，该出口被成形为使得在接收表面130上由喷嘴110沉积的层140本质上是不规则的或被纹理化。图3中的右手插图示意性地描绘了由如图3所示的打印头100的喷嘴110产生的层140的一个示例截面，其中，层140包括从层140的主表面延伸的突起145(例如，尖状物等)。突起145充当用于待沉积到层140上的随后的层的锚固件，使得随后的层在突起145周围流动，从而创建经互锁的层的对。

图4示意性地描绘了可以以该方式形成的多个层140，其中，底层140的突起145以互锁的方式与上层140的接收部分接合，从而防止相邻层的容易分离，使得以该方式打印的物品由于形成物品的层堆叠的相邻层的互锁性质而展现良好的强度。

在返回到图3时，在一个实施例中，如图3的左手插图示意性地描绘的，为了创建经纹理化的层140，纹理化构件120可以限定具有多边形轮廓124的喷嘴出口。任何合适的多边形轮廓124(例如，包括多个尖锐的拐角的多边形轮廓，即，具有小于90°的角度的拐角)可以用于该目的，使得沿这样的拐角从喷嘴110排出的打印材料被预成形为突起145。打印材料优选地具有黏性，使得打印材料的大部分可以在底层中的特征(例如，3D物品的先前打印层的突起145)周围流动，但其中，突起145通常保持其总体形状足够长，以例如通过固化、干燥等使层140凝固。图3中示出的打印头100的实施例特别适于在诸如FDM和其他分配技术的打印工艺中使用，但技术人员将理解，实施例可以同样用于采用其他打印技术的3D打印装置中。

图5中示意性地示出了用作喷嘴出口的这样的纹理化构件120的另一示例实施例。在该实施例中，喷嘴出口的多边形轮廓124限定多个夹持特征126，多个夹持特征126使得纹理化层140包括多个夹持结构126，多个夹持结构126将随后打印的层夹持到纹理化层140，从而在两个相邻层之间形成特别强的粘合性。加强这样的粘合性的这种喷嘴出口的其他合适轮廓对技术人员是显而易见的。

在一个实施例中，打印头100可以附加地包括图2的纹理化构件120(即，被布置为在新近沉积的层140上沉积颗粒材料122的喷涂构件，以及提供包括如关于图3、图4以及图5描述的突起的非平面层的纹理化构件)，这进一步增强了以该方式打印的物品的相邻层之间的粘合性。

在一个实施例中，在期望减小层140的打印过程期间，打印头100与接收表面130之间的阻力的情况下，纹理化构件120可以可移动地安装在打印头100上，使得纹理化构件120可以例如以冲压方式等与接收表面130周期性地接触。这可以与如前所述的包括旋转头的纹理化构件120组合，其中纹理化构件例如可以通过持续旋转包括边缘125的头或仅在与接收表面130接触时旋转头来操作。

另一打印材料的先前打印的层可以是与打印材料不同的材料。这些材料可以在折射率或颜色或其组合方面不同。例如，先前打印的另一打印材料可以高度反射，而打印材料可以(部分)透明。在另一实施例中，先前打印的另一打印材料具有高折射率，而打印材料具有较低的折射率。这样的组合对于需要光发射、透射、折射或衍射的应用(例如，在照明应用中)是有意义的。

包括如图3所示的且如上所述的打印头100的3D打印装置可以实现如由图8的流程图示意性地描绘的打印方法200。图8的打印方法200与图6的打印方法200的不同在于：步骤220和步骤230被单个步骤230”代替，在步骤230”中，通过如上面更详细说明的将接收衬底130的纹理化层140沉积来实现表面纹理化。换言之，分配步骤和纹理化步骤在组合步骤中同时执行，其中，打印材料以纹理化方式分配到接收衬底130上。

在3D打印装置的前述实施例中，打印头100可以被旋转地安装(例如，可反转地安装)为使得当以特定方向打印接收表面130的特定区域时，打印头的定向可以被调整为使得在不同的方向(例如，相反方向)上继续打印过程。这避免需要必须将打印头100返回到预定开始位置，从预定开始位置，以与使打印头100以固定定向安装来维持纹理化构件120相对于打印方向的所需定向时的情况相同的(单个)方向来打印接收表面130的所有区域。

应注意，上述实施例图示而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下，设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任意附图标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括/包含”不排除除了权利要求中列出的元素或步骤之外的元素或步骤的存在。元素之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元素的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件来实现。在列举了若干部件的设备权利要求中，这些部件中的若干可以由一个硬件和相同的硬件项来实施。在彼此不同的从属权利要求中记载特定措施的事实不表示不可以有利地使用这些措施的组合。

Claims (11)

1.一种用于3D打印装置的打印头(100)，包括：

喷嘴(110)，被布置为在接收表面(130)上打印打印材料的层(140)；

其中所述喷嘴包括出口，所述出口包括纹理化构件(120)，所述纹理化构件(120)被布置为在所述层(140)的打印期间将所述层(140)或所述接收表面(130)纹理化，

其中所述出口被成形为形成突起(145)，所述突起(145)从所述层(140)的主表面延伸，以用于与随后的层互锁，

其中所述纹理化构件(120)向所述出口提供多边形轮廓(124)，并且

其中所述多边形轮廓(124)包括具有小于90度的角度的多个拐角。

2.根据权利要求1所述的打印头(100)，其中所述出口限定多个夹持特征(126)，所述多个夹持特征(126)被布置为使得打印材料的所述层(140)包括将随后的层夹持到所述层(140)的多个夹持特征。

3.根据权利要求1或2所述的打印头(100)，其中所述打印材料具有黏性，使得所述打印材料的大部分在底层的特征周围流动。

4.根据权利要求1或2所述的打印头(100)，还包括喷涂构件，所述喷涂构件被布置为在打印期间处于所述喷嘴(110)的下游，并且被布置为在沉积的所述层(140)上沉积颗粒材料(122)。

5.一种3D打印装置，包括根据权利要求1至4中任一项所述的打印头(100)，其中，所述装置被布置为在接收表面(130)之上横向地移动所述打印头。

6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其中所述装置被配置为使所述打印头旋转，以便于打印方向的变化。

7.一种打印物品的方法(200)，包括：

通过跨接收表面横向地移动打印头(100)，在所述接收表面(130)上沉积打印材料的纹理化层(140)，所述纹理化层(140)包括从所述层的主表面突起的特征(145)，所述打印头(100)包括喷嘴(110)和纹理化构件(120)，

其中所述喷嘴(110)包括出口，所述出口被成形为形成所述特征(145)，以用于与随后的层互锁，并且

其中所述纹理化构件(120)向所述出口提供多边形轮廓(124)，所述多边形轮廓(124)包括具有小于90度的角度的多个拐角。

8.根据权利要求7所述的方法(200)，其中所述接收表面(130)是另外的打印材料的先前沉积的层。

9.根据权利要求7或8所述的方法(200)，还包括：在沉积的所述层(140)的一部分上沉积颗粒材料(122)。

10.根据权利要求7或8所述的方法(200)，其中所述打印材料具有黏性，使得在沉积打印材料的所述纹理化层之后，所述打印材料的大部分在底层的特征周围流动，并且所述方法(200)还包括步骤：使所述打印材料凝固。

11.一种打印的物品，包括根据权利要求7至10中任一项所述的方法(200)打印的层的堆叠。

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