CN109070468B - 打印装置的冷却和打印材料的加热 - Google Patents

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Abstract

在一个示例中，打印装置包括：热泵(102)，其从流体源抽取热量以产生冷却流体，并且传递来自流体源的热量以加热打印材料(108)，其中，冷却流体用于冷却打印装置的部件(106)。

Description

打印装置的冷却和打印材料的加热
技术领域
由增材制造过程生成的3D对象可以以逐层方式形成。在增材制造的一个示例中，通过使构造材料的层的部分凝固来生成对象。在示例中，构造材料可以具有粉末、液体或者薄片材料的形式。
在一些这种过程中，能量被施加到构造材料。例如，可以施加能量以将构造材料预加热到接近其熔点的温度。还可以施加能量以引起熔化，使得构造材料的区域可以熔融以形成对象。
附图说明
现在将参考附图，借助于非限制示例描述示例，在附图中：
图1是打印装置的示例的简化示意图；
图2是用于在打印中使用的方法的示例的流程图；
图3是增材制造设备的示例的简化示意图；以及，
图4是增材制造设备的另一示例的简化示意图。
具体实施方式
增材制造技术可以通过构造材料的凝固来生成3D对象。在一些示例中，构造材料是粉末状颗粒材料，其可以例如是塑料、陶瓷或者金属粉末。所生成的对象的属性可以取决于所使用的构造材料的类型和凝固机制的类型。构造材料可以被沉积在例如打印床上，且例如在制作室内逐层处理。
在一些示例中，通过例如使用激光或者电子束(其导致构造材料被施加定向能量的位置的凝固)的能量的定向施加，获得所选择的凝固。在其他示例中，至少一种打印剂可以被选择性地施加至构造材料。例如，聚结剂(也称为“熔融剂”)可以以下述这样的图案被选择性地分布到构造材料的层的部分上，所述图案源自表示待生成的3D对象的切片的数据(其可以例如从结构设计数据生成)。聚结剂可以具有组分，使得当能量(例如，热量)被施加到层时，构造材料聚结和凝固，以根据图案形成3D对象的切片。在其他示例中，可以以一些其他方式实现聚结。
已经提出了利用“喷墨”技术以分散这种剂的用于增材制造的设备的示例。这种设备可以包括例如具有打印头的形式的打印剂分配器。打印剂分配器的示例包括一组喷嘴和用于通过喷嘴喷射所选择的剂作为流体(例如液体)的机构。
在使用能量源以产生熔融时，在一些示例中，预加热构造材料。这可以例如减少在引起熔融时所消耗的能量，或者可以减少诸如所生成的对象的收缩或者变形的不想要的效果。
图1是合并温度调节设备的装置100的示意图。
温度调节设备包括热泵102，其与空气源104热接触(直接或者间接)。热泵102从空气抽取热量以产生冷却空气。冷却空气然后用于通过使冷却空气在例如部件106上方经过，来冷却打印装置100的诸如电子部件的部件106。热泵102将热量从空气源传递到打印材料108，以便加热打印材料108。
图2是可以例如与图1的打印装置100一起在打印中使用的方法的示例的流程图。
在框202中，使用热泵从空气源抽取热量，以便产生冷却空气。在框204中，冷却空气然后用于冷却打印装置的部件。例如，冷却空气可以在部件上方经过、围绕其经过或者穿过其。此外，在框206中，来自空气源的热量通过使用热泵被传递到打印材料，以便加热打印材料。
在一些示例中，装置可以是基于乳液-墨水的打印机。热泵102可以用于加热乳液墨水，以固化或者以帮助固化墨水。冷却空气可以例如用于冷却打印机的打印头(笔)或者其他部件。
在其他示例中，装置可以是增材制造设备，将参考图3描述其一个示例。
图3是合并温度调节设备的示例增材制造设备300的示意图。
增材制造设备300包括打印床302。打印床302经由进料器306连接到容器304。容器304包含颗粒构造材料(例如，粉末)，其被进料器306供应到打印床302。具体而言，进料器306将粉末从容器304输送到粉末分配区域，且粉末从分配区域扩散到打印床上方，以在打印床上形成粉末的层。
进料器306可以具有螺旋输运器(即，阿基米德螺旋)的形式，其具有可旋转地安装在中空柱形管内的带有螺旋形刮板的螺旋钻。容器304位于打印床302下方，且螺旋钻的旋转沿着管向上朝构造材料沉积的打印床302抽构造材料。
可以使用辊等横跨打印床302分配构造材料。
增材制造设备300还包括能量源308，诸如灯。能量源308用于使熔融剂已经被施加在其上的构造材料熔融。
现在将描述增材制造设备的温度调节设备的示例。温度调节设备包括热泵310。热泵310包括制冷剂回路312，在其中提供制冷剂流体。制冷剂回路312包括热源换热器314a和热沉换热器314b。制冷剂回路312还包括压缩器316和膨胀阀318，所述压缩器316在制冷剂回路312的第一侧上设置在热源和热沉换热器314a、314b之间，所述膨胀阀318与压缩器316相对，在制冷剂回路312的第二侧上设置在热源和热沉换热器314a、314b之间。
温度调节设备还包括进气道320。进气道320设有进气风扇322，其将外界空气抽到进气道320中。进气道320的一部分与热源换热器314a热接触(直接或者间接)。
在进入热源换热器314a时，制冷剂处于相对低的压力和温度，且处于液相。制冷剂从外界空气抽取热量，从而引起制冷剂蒸发成气体。热源换热器314a可以因此还被称为蒸发器。从外界空气抽取热量因此减少了空气的温度。
冷却空气被进气道320馈送到能量源308，在那里，其用于在能量源308用于预加热构造材料时冷却能量源308。
能量源308可以被容纳在容器324内，且进气道320可以将冷却空气供应到容器中，以便改善传热。如图所示，容器324包括排气端口326，在空气已经从能量源吸收热量之后，空气被从排气端口326释放。
通过将排气端口326连接到进气道320以便形成闭环(如通过虚线箭头描绘地)，已经被能量源308暖热的空气可以被循环到进气道320。
在离开热源换热器314a之后，气态制冷剂进入压缩器316。压缩器316压缩气态制冷剂，这增加其压力和温度。高压、高温气态制冷剂随后进入热沉换热器314b。热沉换热器314b与进料器306热接触(直接或者间接)。例如，热沉换热器314b可以与中空柱形管和/或螺旋形刮板接触或者与其一体地形成。结果，来自制冷剂的热量被传递到正在被供应到打印床302的构造材料。因此，构造材料在升高的温度下被供应到打印床302，且因此在熔融之前被预加热。这可以例如减少在引起熔融时所消耗的能量，和/或可以减少诸如所生成的对象的收缩或者变形的不想要的效果。从制冷剂抽取热量引起制冷剂冷凝成液体。热沉换热器314b因此还可以被称为冷凝器。
热泵310因此能够调节能量源308和构造材料的温度。温度调节设备还包括控制器328，其控制热泵310的操作，以便调节能量源308和构造材料的温度。例如，控制器328能够通过调节压缩器316的操作以及还使用进气风扇322调节通过进气道320的空气的流动速率，来控制在热源和热沉换热器314a、314b中的制冷剂的温度。控制器328因此能够适应处于不同的温度的进入的外界空气，且仍然提供适当量的能量源308的冷却和构造材料的加热。
控制器328可以设有用户界面，其允许用户输入用于构造材料和/或能量源308的设定温度。控制器328可以然后控制热泵310的参数，以便获得和维持(多个)设定温度。控制器328可以包括PID(比例-积分-微分)控制器等。控制器328可以相反包括工厂-设置的温度，使得不需要用户界面。
热泵310可以被设计大小，以便在增材制造设备的正常工作条件期间，确保能够维持能量源308和构造材料的适当操作温度。然而，可以提供辅助热源和/或热沉，其能够在不能获得设置温度时，由控制器328激活。辅助热源或者热沉可以直接作用于构造材料和能量源308上，或者可以相反作用于外界空气或者制冷剂上。
虽然没有示出，但是当能量源308在设定温度时，控制器18可以将冷却空气重新引导到其他系统(例如，到滑架冷却系统)，或者简单地将冷却空气排出到周围环境。类似地，在构造材料处于最佳温度时，多余的热量可以被浪费。
虽然已经描述了冷却空气被用于冷却能量源308，但是将理解，冷却空气可以被用于冷却增材制造设备300的其他元件，尤其是其他电子部件。
此外，代替使用进气风扇322，空气可以被动地抽到进气道320中。
此外，在构造材料已经被沉积到打印床302上之后，而不是在构造材料通过进料器306期间，热沉换热器314b可以将热量传递到构造材料。
控制器328可以被实施为两个单独的控制器，其分别专用于加热和冷却。
可以使用任何形式的构造材料进料器，且进料器306不受限于先前描述的螺旋输运器(阿基米德螺旋)。
图4是合并温度调节设备的另一增材制造设备300的示意图。
根据增材制造设备300，增材制造设备400包括打印床402，其从容器404以逐层方式接收颗粒构造材料(例如，粉末)。
增材制造设备400包括加热回路406，其穿过容器404，且经过热泵410的热沉换热器414b。加热回路406包括风扇407，其使空气围绕加热回路406流通。
增材制造设备400还包括能量源408，诸如灯，其用于选择性地使构造材料熔融。
在冷却回路420的路径中提供能量源408。冷却回路420穿过热泵410的热源换热器414a。
冷却回路420包括风扇422，其使空气围绕冷却回路420流通。
在冷却回路420中，能量源408在紧接着热源换热器414a的上游处。围绕冷却回路420流动的空气因此从能量源408吸收热量，由此减少能量源408的温度。热量然后经由热源换热器414a传递到在热泵410的制冷剂回路412内的制冷剂。结果，在空气被重新流通到能量源408之前，冷却空气。空气因此能够再次从能量源408抽取热量。
通过冷却回路420抽取的来自能量源408的热量被传递到热泵410的热沉换热器418b。此处，热量借助加热回路406抽取。在加热回路406内流通的空气穿过容器404，使得构造材料被夹带在空气流内。容器404在紧接着热沉换热器414b的下游处。带有夹带的构造材料的空气流动经过热沉换热器414b，使得通过空气流吸收热量，由此加热构造材料。在构造材料使用能量源408的熔融之前，预加热的构造材料被随后沉积在打印床402上。在将构造材料沉积在打印床404上之后，空气被重新流通回到容器404，在那里，其被用于将新的构造材料运输到打印床404。
将理解，通过能量源406生成的热量通过热泵410经由冷却和加热回路420、406传递到构造材料，以便提供预加热功能。
冷却回路420可以设有阀430a，其允许冷却空气从冷却回路420释放，且由外界空气取代以调节围绕冷却回路420的空气流的温度。类似地，加热回路406可以设有阀430b，其允许加热空气从加热回路406释放，且由外界空气取代，以便控制多余的热量。
根据增材制造设备300，增材制造设备400还可以设有控制器，其调节热泵410以及阀430a、430b(当提供时)的操作，以便提供合适量的能量源408的冷却和构造材料的加热。
虽然设备已经被描述为使用空气源，但是将理解，可以使用其他气体和液体(即，流体)。
例如，设备400的加热回路406和/或冷却回路420可以使用液体，诸如油或者水。将理解，构造材料将需要与液体隔离，且因此，除了可以将构造材料运输到打印床402的基于气体(例如，基于空气)的加热回路，可以提供基于液体的加热回路。
在示例中，这种设备可以包含本文未详细描述的更多部件。例如，设备可以包括用于施加打印剂的打印头，其可以被安装在滑架上等，且可以在一些示例中使用喷墨技术。设备还可以包括用于引导从能量源发射的能量的器件，和/或用于聚焦或者散焦由此发射的能量的器件。还可以在示例中提供用于控制增材制造设备的方面的构造材料和/或打印剂料斗、构造材料扩散设备、用户界面、额外的控制功能等。
在本文中描述的构思不受限于增材制造，且可以被实施。
虽然已经参考特定示例描述了方法、设备和相关方面，但是在不脱离本公开的精神的情况下，能够做出各种修改、改变、省略和替换。应当注意到，上述示例示出而不是限制本文中所述的内容，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以设计实施。关于一个示例描述的特征可以与另一示例的特征组合。
单词“包括”不排除除了在权利要求中列出的元件以外的元件的存在，“一个”或者“一种”不排除多个，且单一处理器或者其他单元可以满足在权利要求中提及的若干单元的功能。
任何从属权利要求的特征可以与任何独立权利要求或者其他从属权利要求的特征组合。

Claims (12)

1.一种增材制造装置，包括：
热泵，所述热泵包括热源换热器和热沉换热器，其中，所述热源换热器与流体源热接触，以从流体源抽取热量以产生冷却流体，所述热沉换热器与打印材料热接触，以传递来自所述流体源的热量以加热打印材料，其中，所述打印材料是构造材料，所述冷却流体用于冷却所述增材制造装置的用于使所述构造材料熔融的能量源。
2.根据权利要求1所述的增材制造装置，还包括打印床和进料器，所述打印床以逐层方式接收所述构造材料，所述进料器将所述构造材料从容器供应到所述打印床。
3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其中，所述热沉换热器与所述进料器热接触，以在所述构造材料被输运到所述打印床时加热所述构造材料。
4.根据权利要求1所述的增材制造装置，还包括进气道和风扇，以通过所述进气道经过所述热源换热器抽所述流体。
5.根据权利要求4所述的增材制造装置，其中，能量源被容纳在容器内，且所述进气道流体联接到所述容器，以将所述冷却流体供应到所述容器中。
6.根据权利要求5所述的增材制造装置，其中，所述容器包括排气端口。
7.根据权利要求6所述的增材制造装置，其中，所述排气端口连接到所述进气道，以便将所述流体循环到所述进气道。
8.根据权利要求1所述的增材制造装置，还包括控制器，其控制所述热泵的操作，并且由此调节能量源的温度和/或所述打印材料的温度。
9.根据权利要求8所述的增材制造装置，其中，当所述能量源或打印材料已经到达设置温度时，所述控制器将所述冷却流体或者所述热量从所述流体源重新引导到另一部件或者废弃。
10.根据权利要求1所述的增材制造装置，还包括冷却回路，在其中，所述流体源的流体流通经过所述能量源和所述热源换热器；其中，所述冷却回路布置成使得，在通过所述热源换热器抽取所述热量之前，通过所述能量源加热所述流体，使得所述热量被从所述能量源传递到所述打印材料。
11.根据权利要求1所述的增材制造装置，还包括加热回路，在其中，流体流通经过所述打印材料和所述热沉换热器；其中，所述流体将所述打印材料携带经过所述热沉换热器，使得所述打印材料从所述热沉换热器吸收热量。
12.一种用于增材制造装置的方法，包括：
使用热泵从流体源抽取热量，以便产生冷却流体，所述热泵包括热源换热器和热沉换热器，其中，所述热源换热器与流体源热接触，以从流体源抽取热量以产生冷却流体，所述热沉换热器与打印材料热接触，以传递来自所述流体源的热量以加热打印材料；
使用所述冷却流体以冷却增材制造装置的能量源；以及
使用所述热泵将所述热量从所述流体源传递到打印材料，以便加热所述打印材料，其中，所述打印材料是构造材料。
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