CN107521101B - 用于三维打印设备的喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种用于三维打印装置的喷嘴，该喷嘴包括主喷嘴体(2)，该主喷嘴体(2)包括入口端(4)、出口端(6)和布置在所述入口端(4)和所述出口端(6)之间的中心导管(8)，其中，所述主喷嘴体(2)由非导电体材料制成。所述主喷嘴体(2)设置有围绕所述主喷嘴体(2)布置的导电的第一层(10)和/或非导电的第二层(12)。

Description

用于三维打印设备的喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于三维打印设备的喷嘴。
背景技术
美国专利申请US2014/0044822A1公开了一种具有可移除和可更换的挤出喷嘴的三维打印机。该打印机可以包括由金属制成的挤出头，并且该挤出头具有输出喷嘴，该输出喷嘴通过设置在挤出头和输出喷嘴上的相互配合的喷嘴连接器可移除地连接至挤出头。加热元件可以热连接至挤出头的腔室的一个或者多个壁上。在一些实施方式中，可移除和可更换的输出喷嘴可以由包括塑料、陶瓷、金属(包括形状记忆合金)、聚合物、工程玻璃(包括PYREX) 的材料构成。
中国专利申请CN103395973A公开了一种用于挤出玻璃的喷嘴。该喷嘴包括由刚玉制成的管状体，该管状体设置有用于供给玻璃的中心通道。在操作中，玻璃经过喷嘴的预热部分、膨胀软化部分和熔化部分，其中，通过围绕管状体缠绕的加热丝层来提供热量。
发明内容
本发明旨在提供一种用于三维打印设备的喷嘴或者挤出头，其中喷嘴或者挤出头允许改进喷嘴与一个或者多个传感器和/或致动器之间的接口，所述一个或者多个传感器和/或致动器用于监控和/或控制喷嘴温度、喷嘴尺寸和/ 或喷嘴位置以及在三维打印过程中打印材料(a build material)通过喷嘴时的挤出情况。
根据本发明，提供了一种根据前叙部分所定义的类型的喷嘴，该喷嘴包括主喷嘴体，该主喷嘴体包括入口端、出口端和布置在入口端和出口端之间的中心导管，其中主喷嘴体由非导电体材料制成，并且其中主喷嘴体设置有围绕主喷嘴体布置的导电的第一层和/或非导电的第二层。
根据本发明，非导电的主喷嘴体提供电阻喷嘴体，以允许在三维打印过程中改进的打印参数的测量和控制。更具体地，非导电的主喷嘴体允许改进的由喷嘴分配的打印材料的热管理，以及改进的一个或多个传感器和/或致动器与喷嘴之间的接口，所述一个或多个传感器和/或致动器用于例如喷嘴温度、喷嘴位置等的打印参数的测量和控制。
另外，围绕主喷嘴体布置的导电的第一层和/或非导电的第二层各自提供功能层，以便于并且提供用于优化三维打印过程中的喷嘴性能的任何认为必要的打印参数的测量和/或控制。
导电的第一层可以有助于测量和/或控制一个或多个打印参数，其中第一层的电导率是用于该目的的主要特性。
非导电的第二层可以有助于测量和/或控制一个或多个打印参数，其中第二层的非导电性或电阻是用于该目的的主要特性。
因此，本发明的喷嘴可以通过将用于主喷嘴体的所期望的非导电体材料和用于一个或者多个功能层(即用于导电的第一层和/或非导电的第二层)的所期望的材料结合起来进行选择，来实现功能上的适配。主喷嘴体与一个或者多个功能层的组合有助于各种打印参数(例如喷嘴的热和/或位置参数)的测量和/或控制，以改进最终打印产品的整体质量。
可以选择非导电体材料、导电的第一层和/或非导电的第二层，以便关于发射率、磁导率、光学透明度和/或RF透明度以及/或者反射率来适应喷嘴的部分，从而针对所需的三维打印过程来优化喷嘴。
在示例性的实施方式中，非导电体材料至少部分地是光学透明的和/或至少部分地是RF(射频)透明的。该实施方式允许主喷嘴体本身用作用以传送用于测量和/或控制目的的信息的介质。例如，至少部分光学透明的主喷嘴体不仅对于通过该主喷嘴体本身的光学测量是有利的，并且对于由喷嘴打印或挤出的打印材料的光学测量也是有利的。此外，至少部分为RF透明的主喷嘴体可以有利于部署电磁波，例如无线电频率，用以各种测量目的。
在一种实施方式中，非导电体材料包括第一玻璃、第一陶瓷或者第一矿物材料，或者这些材料的任何组合。该实施方式提供了合适材料，该材料提供高等级的非导电性或者高电阻。例如，第一玻璃材料允许光信号至少部分地通过主喷嘴体，但要提供良好的电绝缘。第一陶瓷材料可以选择成允许高的或低的导热性，但要具有高电阻。第一矿物材料可以选择成例如天然石、宝石等，用以获得所期望的主喷嘴体与非导电性相关的热性能。
在一种实施方式中，导电的第一层包括金属材料或者石墨材料，或者它们的组合。该实施方式允许例如感应加热主喷嘴体。
在一种实施方式中，非导电的第二层包括第二玻璃、第二陶瓷或者第二矿物材料，或者这些材料的任何组合。第二层可以适于向第二层提供特定的热、发射率和/或RF透明度。
附图说明
下面将参考附图基于多个示例性实施方式来更详细地讨论本发明，其中
图1显示了根据本发明的喷嘴的实施方式的横截面图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的喷嘴的实施方式的横截面图。在所示的实施方式中，喷嘴包括主喷嘴体2，该主喷嘴体2包括入口端4、出口端6和布置在入口端4和出口端6之间的中心导管8。中心导管8连接入口端4和出口端6，用于在打印过程中分配打印材料。主喷嘴体2由非导电体材料制成，因此主喷嘴体2呈现高电阻。
主喷嘴体2设置有围绕主喷嘴体2布置的导电的第一层10和/或非导电的第二层12。
非导电的主喷嘴体2允许在三维打印过程中改进打印参数(例如喷嘴的热参数和/或位置参数)的测量和/或控制。更具体地，非导电的主喷嘴体2 允许改进喷嘴的热管理，以及改进一个或者多个传感器和/或致动器与喷嘴之间的接口。
另外，导电的第一层10和/或非导电的第二层12围绕主喷嘴体2布置，导电的第一层10和非导电的第二层12分别提供功能层，以便于并且提供任何认为必要的打印参数的测量和/或控制的改进。
在有利的实施方式中，第一层10和/或第二层12可以作为薄层(涂层) 沉积到主喷嘴体2的外表面3上。在另一实施方式中，第一层10和/或第二层12可以是围绕主喷嘴体2布置或者夹紧的套筒或者套管元件，从而允许喷嘴的方便的组装。
在有利的实施方式中，非导电体材料至少部分地光学透明和/或至少部分地RF透明。
该实施方式允许主喷嘴体2本身用作传送信息的介质，例如，用于测量和控制目的。至少部分光学透明的主喷嘴体2不仅有利于主喷嘴体2本身的光学测量，还有利于由喷嘴分配的打印材料的光学测量。另外，至少部分 RF透明的主喷嘴体2可以便于部署电磁波，例如无线电频率，用于喷嘴的测量和控制目的。
在一种实施方式中，非导电体材料包括第一玻璃、第一陶瓷、第一矿物材料，或者这些材料的任何组合。该实施方式提供了呈高等级的非导电性或者高电阻的材料。例如，第一玻璃材料允许光信号至少部分地通过主喷嘴体 2，但要提供良好的电绝缘。光信号可以部署成用于测量例如喷嘴位置的喷嘴参数。光信号也可以用于测量由喷嘴分配的打印材料的状态。
第一玻璃材料还允许应用于高效的模制或者铸造技术用以制造主喷嘴体2，其中，主喷嘴体2易于设置有光滑的表面，例如中心导管8的平滑的内表面9，打印过程中打印材料可以通过中心导管8传送。第一玻璃材料还在主喷嘴体2的不同表面之间提供平滑的角，例如位于诸如位于主喷嘴体2 的出口端6的喷嘴尖端6a的平滑的角。主喷嘴体2的平滑表面和不同表面之间的平滑的角改善并促进打印材料通过喷嘴(例如通过中心导管8)的流动，并且进一步减少打印材料对主喷嘴体2、出口端6或者其喷嘴尖端6a 的粘附。
可以选择第一陶瓷材料，以便根据其组成允许高的或者低的热导率，但提供例如良好的RF透明度。在各种实施方式中，第一陶瓷材料可以包括无定形陶瓷(amorphous)、多晶态陶瓷(polymorphous)、单晶陶瓷和陶瓷合金。其它实施方式允许第一陶瓷材料包含锆，例如氧化铝增强的 (alumina-reinforced)氧化锆。
第一矿物材料可以设想成也提供高等级的非导电性，但是根据所选择的组分可以具有不同程度的热导率。此外，第一矿物材料可以为主喷嘴体2提供不同等级的或者光学的透明度，以用于测量和控制目的。在一种实施方式中，第一矿物材料可以包括石制或者宝石材料，例如蓝宝石、红宝石等的材料。这样的第一矿物材料也提供了改进的美观性。
在一种实施方式中，导电的第一层10包括金属材料(例如镍)或者石墨材料(例如热解石墨)，或者其组合。该实施方式向主喷嘴体2提供了功能层，能够用于打印过程的测量和/或控制目的。例如，金属材料或者石墨材料允许喷嘴(尤其是其主喷嘴体2)的感应加热，从而例如熔化由喷嘴分配的打印材料。
在一种实施方式中，本发明的喷嘴还可以包括围绕主喷嘴体2布置的线圈元件14，用于提供与导电的第一层10的非接触式感应连接。导电的第一层10可以选择为包括金属材料或者石墨材料。
关于布置在主喷嘴体2上的第二功能层，在一种实施方式中，非导电的第二层12可以包括第二玻璃、第二陶瓷或者第二矿物材料，或者这些材料的任何组合。该实施方式允许选择第二玻璃、第二陶瓷或者第二矿物材料，以便与用于主喷嘴体2的第一玻璃、第一陶瓷或者第一矿物材料相比，提供相同或者不同的物理特性。作为示例的上述第一玻璃、第一陶瓷或者第一矿物材料的各种物理特性和优点可以类似于用于非导电的第二层12的第二玻璃、第二陶瓷或第二矿物材料的物理特性和优点。
鉴于上述各种实施方式，有利且可能经常使用的实施方式是，主喷嘴体 2由包括玻璃和/或陶瓷材料的非导电体材料制成，其中主喷嘴体2设置有围绕主喷嘴体2布置的导电的第一层10，包括金属材料和/或石墨材料。由于金属材料和/或石墨材料，第一层10允许主喷嘴体2的感应加热。主喷嘴体 2的玻璃材料和/或陶瓷材料允许良好的热管理，而不会干扰感应过程，用于优化对由中心导管8传送的打印材料的加热。如上所述，导电的第一层10 可以是沉积在主喷嘴体2上的涂层，但是也可以是围绕主喷嘴体2附着或者夹紧的套筒或者套管。
进一步到图1所示的实施方式，在一种实施方式中，喷嘴还可以包括布置在主喷嘴体2的外表面3上的、位于中心导管8的内表面9上的或者位于主喷嘴体2的非导电体材料内的(例如嵌入)第一传感器致动器元件16。该实施方式允许喷嘴处的感觉和/或致动能力。例如，在一种实施方式中，第一传感器致动器元件16是光传感器和/或光源，从而使得在打印过程中喷嘴处直接地光学测量和控制能够实现。在非导电体材料包括第一玻璃材料和/或透明的第一矿物材料的情况下，例如，第一传感器致动器元件16可以利用穿过主喷嘴体2的光信号来用于测量和/或控制目的。在可替代的实施方式中，第一传感器致动器元件16是与主喷嘴体2热感应连接的热传感器元件。
在进一步的实施方式中，喷嘴还可以包括路径18，该路径18在中心导管8和主喷嘴体2的外表面3之间至少部分地延伸通过主喷嘴体2。路径 18还提供用于测量和/或控制目的的功能。例如，在一种实施方式中，路径 18包括次级(中空)导管，用于容纳例如电信号电缆23、光纤电缆23等类似的电缆，可选地具有连接到电缆23的接近主喷嘴体2的出口端6的端部的传感器致动器构件24。电缆23也可以在相对于出口端6远端连接至上述的第一传感器致动器元件16。当然，在其它实施方式中，次级导管也可以是空的，并且用于直接在那里发送光学信号。
在可替代的实施方式中，路径18还可以包括光学路径，允许光信号通过其中，以用于测量和控制目的。值得注意的是，在该实施方式中，光学路径18不必是导管或者孔，而是可以是“实心的”，可选地表现出与主喷嘴体 2的材料结构不同的材料结构。例如，在一种实施方式中，非导电体材料可以包括具有第一玻璃结构的第一玻璃材料，其中路径18包括第二玻璃材料，该第二玻璃材料具有不同于第一玻璃结构的第二材料结构。该实施方式可以例如采用信号通信领域中已知的布拉格光栅(Bragg grating)。当然可能的是，第一玻璃材料和第二玻璃材料实际上是相同的，但是其中光学路径18至少局部地具有不同的材料结构以有利于布拉格光栅。
在另一实施方式中，第一玻璃材料和第二玻璃材料也可以是不同的，以便允许用于通过主喷嘴体传递的改进的光信号。在另一种实施方式中，主喷嘴体2的非导电体材料可以包括第一陶瓷或者第一矿物材料，并且其中路径 18包括第一玻璃材料，从而即使非导电体材料可能不够透光，也允许通过主喷嘴体2的光信号通信。
如图1所示，可以提供一种实施方式，其中喷嘴包括导电的第一层10 和非导电的第二层12，其中导电的第一层10和非导电的第二层12沿着喷嘴的纵向方向彼此相邻布置。在本实施方式中，沿着主喷嘴体2并排设置有多个功能层，从而允许沿着主喷嘴体2的喷嘴参数的测量和/或控制。
作为替代，在另一实施方式中，喷嘴包括导电的第一层10和非导电的第二层12，其中导电的第一层10和非导电的第二层12彼此重叠。以这种方式提供多个功能层，以沿着主喷嘴体2在共享位置处用于特定参数(例如，温度)的复合测量和控制。因此，可以想到一种实施方式，其中第一层10 可以至少部分地布置在第二层12的下方，或者相反地，第二层12可以至少部分地布置在第一层10的下方。
本发明的喷嘴不限制使用在打印过程中用于测量和控制喷嘴性能的其它传感器和/或致动器元件。例如，在一种实施方式中，喷嘴还可以包括第二传感器元件20，该第二传感器元件20布置在主喷嘴体2与导电的第一层 10和/或非导电的第二层12之间。该实施方式允许主喷嘴体2的直接接触测量，而不干扰导电的第一层10和/或非导电的第二层12。例如，在一种实施方式中，第二传感器元件20可以是热传感器。在一种实施方式中，热传感器20可以是具有连接器22的热电偶，其中连接器22可以布置在导电的第一层10和/或非导电的第二层12下方。
如上所述，本发明提供了一种用于三维打印设备的喷嘴，其中喷嘴包括由非导电主体材料制成的主喷嘴体2，并且导电的第一层10和/或非导电的第二层12围绕主喷嘴体2布置。第一层10和/或第二层12构造成提供用于测量和/或控制喷嘴性能(例如热、尺寸和位置性能等)的功能层。
非导电体材料可以选择成包括第一玻璃、第一陶瓷、第一矿物材料或者这些材料的任何组合。导电的第一层10可以选择成包括金属材料或者石墨材料或者其组合，以及非导电的第二层12可以选择成包括第二玻璃、第二陶瓷或者第二矿物材料，或者这些材料的任何组合。应该强调的是，喷嘴可以仅包括导电的第一层10或者非导电的第二层12，但是喷嘴也可以同时包括第一层10和第二层12。
由于使用上述材料，使得通过这些材料之间的适当选择向三维打印装置提供高质量的喷嘴成为可能。本发明对所使用的材料的特定组合没有明确的限制，并且在需要时可以进行任何材料的组合。当然，材料的组合将取决于喷嘴被期望实现什么目的以及该喷嘴在实践中应该如何实施。
例如，在一种实施方式中，非导电体材料可以包括第一陶瓷材料，并且非导电的第二层12可以包括第二陶瓷材料。第一陶瓷材料和第二陶瓷材料可以适配和构造成相对于例如喷嘴的热管理和性能进行相互补充。可以想到，第二陶瓷材料可以相对于第一陶瓷材料提供不同的发射率、RF透明度、热容量等。在另一种实施方式中，同样可以想到，非导电体材料包括第一玻璃材料，非导电的第二层12包括第二玻璃材料。该实施方式将允许例如通过光信号、通过不同的折射率等对喷嘴性能进行测量。
从上述可以清楚的是，用于非导电体材料的材料构造的数量，导电的第一层10和/或非导电的第二层12实际上是无限的，以允许用于目标功能以便于在打印过程中喷嘴的性能(例如热、尺寸和位置性能)的测量和控制。
可以特别地选择所使用的每种材料和材料构造，以实现喷嘴的发射率、热容量、磁导率、光学透明度和/或RF透明度、以及/或者美观表面性能的期望的水平。
尽管本发明的喷嘴包括围绕主喷嘴体2布置的导电的第一层10和/或非导电的第二层12。当然可能的是，喷嘴可以包括围绕主喷嘴体2布置的多个导电的第一层10和/或多个非导电的第二层12。多个第一层10和/或第二层12可以并排布置，和/或至少部分重叠布置，以在层间和/或在所述层与主喷嘴体2之间实现特定的相互作用。
在具体示例中，可以提供一种实施方式，其中喷嘴可以包括主喷嘴体 2，该主喷嘴体2由第一玻璃、第一陶瓷或者第一矿物材料、或者这些材料的组合制成。可以围绕主喷嘴体2布置多个导电的第一层10，每个导电的第一层10具有不同的特性，例如感应特性。可以将多个导电的第一层10设置为沿着主喷嘴体2的纵向方向并排定位的涂层或者套筒/套管。每个导电的第一层10可以包括金属材料和/或石墨材料。通过围绕主喷嘴体2布置的线圈元件14，每个导电的第一层10可以通过线圈元件14感应地连接，用于每个第一层10的感应加热，从而加热主喷嘴体2并最终加热由喷嘴分配的打印材料。
由于沿着主喷嘴体2设置多个导电的第一层10，所以可以实现打印过程中的热控技术，例如对入口端4附近的打印材料进行感应预热，以及将出口端6附近的打印材料感应加热到工作温度。
鉴于上述公开内容，现在可以通过以下实施方式总结本发明：
实施方式1.一种用于三维打印装置的喷嘴，该喷嘴包括主喷嘴体(2)，该主喷嘴体(2)包括入口端(4)、出口端(6)和设置在入口端(4)和出口端(6)之间的中心导管(8)，其中，主喷嘴体(2)由非导电体材料制成，并且其中
主喷嘴体(2)设置有围绕所述主喷嘴体(2)布置的导电的第一层(10) 和/或非导电的第二层(12)。
实施方式2.根据实施方式1所述的喷嘴，其中，非导电体材料至少部分地光学透明和/或至少部分地RF透明。
实施方式3.根据实施方式1或2所述的喷嘴，其中，非导电体材料包括第一玻璃材料、第一陶瓷材料、第一矿物材料或者这些材料的任何组合。
实施方式4.根据实施方式1-3中任一项所述的喷嘴，其中，所述导电的第一层(10)包括金属材料或者石墨材料，或者包括金属材料和石墨材料的组合。
实施方式5.根据实施方式1-4中任一项所述的喷嘴，其中，所述非导电的第二层(12)包括第二玻璃、第二陶瓷、第二矿物材料或者这些材料的任何组合。
实施方式6.根据实施方式1-5中任一项所述的喷嘴，其中，在所述主喷嘴体(2)的外表面(3)上、在中心导管(8)的内表面(9)上或者位于主喷嘴体(2)的非导电体材料内设置有第一传感致动元件(16)。
实施方式7.根据实施方式6所述的喷嘴，其中，所述第一传感器致动器元件(16)是光传感器和/或光源和/或热传感器。
实施方式8.根据实施方式1-7中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括导电的第一层(10)和非导电的第二层(12)，其中，导电的第一层(10)和非导电的第二层(12)沿着喷嘴的纵向方向彼此相邻布置。
实施方式9.根据实施方式1-8中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括导电的第一层(10)和非导电的第二层(12)，其中，导电的第一层(10)和非导电的第二层(12)彼此重叠。
实施方式10.根据实施方式1-9中任一项所述的喷嘴，其中，喷嘴还包括第二传感器致动器元件(20)，该第二传感器致动器元件(20)设置在主喷嘴体(2)与导电的第一层(10)和/或非导电的第二层(12)之间。
实施方式11.根据实施方式10所述的喷嘴，其中，所述第二传感器致动器元件(20)是热传感器。
实施方式12.根据实施方式1-11中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还包括路径(18)，该路径(18)在中心导管(8)和主喷嘴体(2) 的外表面(3)之间延伸通过主喷嘴体(2)。
实施方式13.根据实施方式12所述的喷嘴，其中，所述路径(18)是次级导管或者光学路径。
实施方式14.根据实施方式1-13中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还包括线圈元件(14)，在喷嘴的操作过程中，线圈元件(14) 与导电的第一层(10)感应连接。
以上已经参照附图所示和所描述的多个示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述。一些部件或元件的修改和替代实施方式是可能的，这些修改和替代的实施方式包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于三维打印装置的喷嘴，该喷嘴包括主喷嘴体(2)，该主喷嘴体(2)包括入口端(4)、出口端(6)和布置在所述入口端(4)和所述出口端(6)之间的中心导管(8)，其中，所述主喷嘴体(2)由非导电体材料制成，并且其中
所述主喷嘴体(2)设置有围绕所述主喷嘴体(2)布置的导电的第一层(10)和非导电的第二层(12)，并且其中，所述非导电体材料包括第一玻璃材料、第一陶瓷材料、第一矿物材料或者所述第一玻璃材料、所述第一陶瓷材料和所述第一矿物材料的组合，并且其中，所述导电的第一层(10)和所述非导电的第二层(12)沿着所述主喷嘴体(2)的纵向方向以不重叠的方式并排排布。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述非导电体材料至少部分地光学透明和/或至少部分地RF透明。
3.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，所述导电的第一层(10)包括金属材料或者石墨材料，或者包括所述金属材料和所述石墨材料的组合。
4.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，所述非导电的第二层(12)包括第二玻璃、第二陶瓷、第二矿物材料或者这些材料的任何组合。
5.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，在所述主喷嘴体(2)的外表面(3)上、在所述中心导管(8)的内表面(9)上或者在所述主喷嘴体(2)的所述非导电体材料内设置有第一传感器致动器元件(16)。
6.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述第一传感器致动器元件(16)是光传感器和/或光源和/或热传感器。
7.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还包括第二传感器致动器元件(20)，该第二传感器致动器元件(20)设置在所述主喷嘴体(2)与所述导电的第一层(10)和/或所述非导电的第二层(12)之间。
8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中，所述第二传感器致动器元件(20)是热传感器。
9.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还包括路径(18)，该路径(18)在所述中心导管(8)和所述主喷嘴体(2)的外表面(3)之间延伸通过所述主喷嘴体(2)。
10.根据权利要求9所述的喷嘴，其中，所述路径(18)是次级导管或者光学路径。
11.根据权利要求1或2所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还包括线圈元件(14)，在所述喷嘴的操作过程中，所述线圈元件(14)与所述导电的第一层(10)感应连接。
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