CN109476064A - 用于3d打印机挤出头的温度控制系统 - Google Patents

Abstract

用于3‑D打印机的挤出机（100）的温度控制系统包括鼓风机（120）和挡板系统，使用同一个鼓风机通过将所述鼓风机的空气流引导到布置在所述鼓风机的出口处的两个通道（172，180）中以冷却所述挤出机的不同部件。

Description

用于3D打印机挤出头的温度控制系统

技术领域

本发明总体涉及用于三维（“3-D”）打印机的挤出机的温度控制系统，并且更具体地，涉及使用一个冷却风扇或鼓风机能够控制挤出机的多个部件的温度的温度控制系统的配置。

背景技术

3-D打印或增材制造是基于由数字文件提供的蓝图制作三维实体物体的工艺。通过在3-D打印机的平台上的图案中策略性地生成添加材料的连续层来实现所期望的3-D实体物体的合成，直到整个物体被创建。3-D物体的合成由数字文件驱动，数字文件提供描述如何创建层的模式和用于生成物体的材料的规范。指定设计的数字文件是由用户提供的，并且由3-D打印机读取的数字文件的示例包括G代码（G-code）文件、计算机辅助设计（“CAD”）文件、立体光刻（“STL”）CAD文件、以及通常用于增材制造工艺的其它文件类型。在一些情况下，数字文件涉及新物体的3-D模型，但是可替代地，数字文件可以涉及从3-D扫描仪的使用所导出的物体的副本。

添加材料的连续层的生成能够例如根据以下任何一种进行：（1）容器内光聚合，（2）材料喷射，（3）粘合剂喷射，（4）方向能量沉积，（5）粉末床熔合，（6）片材层压，或（7）材料挤出。用于生成连续层的材料挤出的具体工艺可涉及使用熔融沉积成型（“FDM”），熔融长丝制造（“FFF”），或直接墨水书写（“DIW”）进行有顺序的沉积。

用作生成3-D物体的3-D打印机的“墨水”的材料能够包括例如以下任何材料：粉末材料，聚合物材料，热塑性塑料，共晶金属，可食用材料，橡胶，造型粘土，橡皮泥，金属粘土，陶瓷材料，金属合金，纸张，由陶瓷和金属材料组成的复合材料（“金属陶瓷”），金属基体复合材料，陶瓷基体复合材料，光聚合物，石膏，不锈钢，铝，塑料薄膜，以及金属箔。

对于一些添加剂工艺，墨水被称为长丝，并且长丝被保持在被称为线轴的筒中。长丝通常以具有小直径的长股的方式被提供，并且它们以卷轴的形式缠绕在线轴周围，在长丝被送入长丝引导器或长丝管之前，线轴确保长丝就位。在长丝被送入长丝引导器后，由挤出机将长丝拉过给料管并进入挤出机头。然后挤出机的步进马达夹住长丝并开始拉长丝，使得长丝从线轴展开。在挤出机的步进马达开始将长丝拉过给料管并进入挤出机头后，挤出机头中的加热器将长丝加热至由3-D打印机设置的温度，并且经加热的长丝通过挤出机头的喷嘴端部释放。经加热的长丝在3-D打印机的平台上的图案中的连续层中策略性地释放，从而创建实体物体。

关于3-D打印，关于被熔化并挤出用于构建实体物体的长丝，具有良好的温度控制是至关重要的。长丝的不适当加热，例如过热和欠热，会导致长丝在挤出机（特别是给料管和喷嘴）中堵塞。

发明内容

以下阐述本发明的一些示例性实施例的概述。应当理解，提出这些方面仅仅为了向读者提供这一些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本发明的范围。实际上，本发明能够包括可能未在下面阐述的各种方面。

3-D打印机的挤出机能够包括热交换器，绝缘管和轴向风扇作为温度控制系统。然而，这种系统使用多个部件（例如多个冷却风扇）来冷却挤出机的多个部件中的相应部件，例如给料管和喷嘴，从而导致系统不具有成本效益。此外，多个冷却部件的存在导致大的、笨重的挤出机。

因此，本发明的示例性实施例提供了一种温度控制系统，其使用具有挡板系统的单个鼓风机或风扇以冷却给料管和周围的散热器两者以及喷嘴，从而允许有效的、两部分冷却。通过将温度控制系统中的部件数量减少到单个鼓风机，但保持用挡板系统冷却多个挤出机部件的能力，所得到的温度控制系统成本较低，并且还允许减小挤出机尺寸。这种系统还导致减少从挤出机外部的电子控制，因为在挤出机内存在空间以包含电路系统。其它优点包括更高质量的产品，简化的组装和制造，以及隔离的冷却区域。

根据示例性实施例，提供了一种挤出机，其包括含有长丝入口的挤出机盖；给料管；围绕给料管的散热器；围绕给料管并且位于散热器下方的加热块；构造成围绕加热块并包含多个出口槽的热防护装置（heat guard）；在给料管的远端上并从加热块突出的喷嘴；具有空气入口和空气出口的鼓风机；以及被至少一个挡板分成至少两个空气通道的渠道，该至少两个空气通道中的每一个具有其自己的相应入口，其中渠道定位在鼓风机的空气出口下方，使得来自鼓风机的空气出口的空气流进入渠道，其中该至少两个空气通道中的第一空气通道构造成引导来自鼓风机的一部分空气流穿过散热器并通过出口，并且其中该至少两个空气通道中的第二空气通道构造成引导来自鼓风机的另一部分空气流通过热防护装置中的多个出口槽并且穿过喷嘴。

在一些示例性实施例中，热防护装置中的多个出口槽包括四个出口槽。

在一些示例性实施例中，四个出口槽布置在热防护装置中以围绕喷嘴，使得四个槽中的两个彼此平行，并且四个槽中的另外两个彼此平行。

在一些示例性实施例中，加热块包含加热器和热电偶。

在一些示例性实施例中，挤出机还包括电路系统，多个微型开关，带状电缆，多个伺服马达，调平臂和步进马达，其中电路系统配置成将操作信息中继至带状电缆以控制鼓风机，多个微型开关，多个伺服马达，调平臂，步进马达和加热块。

在一些示例性实施例中，带状电缆附接至母板，例如，在挤出机的底面。

在一些示例性实施例中，多个微型开关中的一个是配置用于检测长丝跳动度的传感器。

在一些示例性实施例中，挤出机还包括长丝引导器，其中长丝引导器集成到挤出机盖中并构造成将长丝引导到长丝入口中。

在一些示例性实施例中，鼓风机安装在挤出机的一侧上。

在一些示例性实施例中，鼓风机的空气入口包括具有多个翅片的风扇。

在一些示例性实施例中，挤出机还包括遮板，其中遮板构造成至少部分地关闭到至少两个空气通道中的一个的入口。

在一些示例性实施例中，遮板构造成完全关闭到第一空气通道的入口，并引导来自鼓风机的全部空气流通过第二空气通道，通过热防护装置中的多个槽并穿过喷嘴。

在一些示例性实施例中，遮板构造成完全关闭至第二空气通道的入口，并引导来自鼓风机的全部空气流通过第一空气通道，穿过散热器并通过出口。

在一些示例性实施例中，遮板构造成在以下两个位置中移动：在其中一个位置中，遮板完全关闭至第一空气通道的入口，并引导来自鼓风机的全部空气流通过第二空气通道，通过热保护装置中的多个槽并且穿过喷嘴，且在其中另一个位置中，遮板完全关闭至第二空气通道的入口，并引导来自鼓风机的全部空气流通过第一空气通道，穿过散热器并通过出口。在一些示例性实施例中，遮板构造成也移动到各种中间位置，以控制引导到第一空气通道的空气流的量和引导到第二空气通道的空气流的量以设置各种比率。

当参考附图阅读某些示例性实施例的以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中相同的附图标记在所有附图中表示相同的部分。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的挤出机和挤出机盖的局部透视图。

图2A是图1的根据本发明的示例性实施例的挤出机的局部透视图，没有挤出机盖。

图2B是图2A的根据本发明的示例性实施例的挤出机的局部透视图，有更多的部件被移除。

图3是图1的根据本发明的示例性实施例的挤出机的另一局部透视图，没有挤出机盖和其它部件。

图4是根据本发明的示例性实施例的挤出机的底面的局部透视图。

图5是根据本发明的示例性实施例的挤出机的鼓风机的局部透视图。

图6是根据本发明的示例性实施例的挤出机的鼓风机的另一局部透视图。

具体实施方式

图1示出了挤出机100，其包括挤出机盖104，长丝引导器108，长丝入口112和鼓风机120。长丝116示出为固定在长丝引导器108中并通过长丝入口112进入挤出机100。长丝引导器108集成进或模制成挤出机盖104的一部分并将长丝116引导至长丝入口112中。鼓风机120安装在挤出机100的一侧上。

图2A示出了图1的挤出机100的剖视图，其中长丝116示出为固定在长丝引导器108中并通过长丝入口112进入挤出机100。在图2A中，挤出机100示出为没有挤出机盖，显示出连接至带状电缆128，给料管132，散热器136，出口140，热防护装置144和多个伺服马达148、152的电路系统124。与使用多于一个鼓风机的温度控制系统相比，所示实施例仅使用一个鼓风机120，允许电路系统124布置在其他方式中会已经被任何另外的鼓风机或风扇占据的空间中。另外，通过连接的带状电缆128，电路系统124可以通过将操作信息中继到带状电缆128从挤出机100内部来控制挤出机100的多个部件。通过将这种单个的，更稳定的带状电缆128连接到3-D打印机下面的母板以控制挤出机100的多个部件，消除了从3-D打印机下面的母板来运行用于每个部件的多个单独的电线的需要。电路系统124能够控制用于挤出机100，鼓风机120，多个微型开关，多个伺服马达148、152，调平臂，步进马达和加热块156（图3和图4中所示，包括加热器和热电偶）的功率。

图2B示出了图2A的挤出机100，没有电路系统124和带状电缆128，以便更清楚地看到给料管132和鼓风机120。

图3示出了挤出机100，其中移除了更多的部件，以便更清楚地看到给料管132，散热器136，加热块156和喷嘴160。散热器136示出为围绕给料管132的环的圆形散热器。加热块156也围绕给料管132并位于散热器136下方。喷嘴160在给料管132的远端上并从加热块156突出。如图4所示，热防护装置144围绕加热块156。长丝116穿过给料管132并进入由加热块156围绕的给料管132的部分。加热块156包含加热器和温度测量元件，例如热敏电阻或热电偶。加热块156加热由加热块156围绕的给料管132的部分，并且也加热喷嘴160，进而将热量传导到长丝116中，使得长丝116以经加热的、熔化的形式离开喷嘴160用于构建3-D物体。来自加热块156的热量从由加热块156围绕的给料管132的部分在给料管132上向上行进，这能够导致长丝116提前加热。当散热器136用于使热量从未由加热块156围绕的给料管132离开时，根据本发明的示例性实施例的温度控制系统提供了给料管132，散热器136和喷嘴160的额外的冷却和温度控制。

图4示出了挤出机100的底面。加热块156被热防护装置144围绕，热防护装置144包括多个出口槽164a、164b、164c、164d。热防护装置144中的多个出口槽能够包括任何数量的出口槽，图4中示出了四个出口槽164a、164b、164c、164d。如图4所示，四个出口槽164a、164b、164c、164d布置在热防护装置144中以围绕喷嘴160，其中第一出口槽164a与第二出口槽164b成90度角，第二出口槽164b与第三出口槽164c成90度角，第三出口槽164c与第四出口槽164d成90度角，导致第一出口槽164a与第三出口槽164c平行，第二出口槽164b与第四出口槽164d平行。可以使用在宽温度范围内保持稳定的任何类型的粘合剂或膜（例如聚酰亚胺膜）使热防护装置144保持就位。

图5示出了具有空气入口120a和空气出口120b的鼓风机120（在图6中更清楚地示出）。示出了一种挡板系统，其包括渠道168，渠道168被模制到挤出机100中并且被至少一个挡板172分成至少两个空气通道176、180，其中该至少两个空气通道176、180中的每一个具有其自己的相应入口176a、180a。渠道168定位在鼓风机120的空气出口120b下方，使得来自鼓风机120的空气出口120b的空气流进入渠道168。为清楚起见，图5中在渠道168和鼓风机120的空气出口120b之间示出了大的缝隙。

来自鼓风机120的空气流通过挡板系统被引导至挤出机的各个部件以冷却这些不同的部件。该至少两个空气通道中的第一空气通道176引导来自鼓风机120的一部分空气流穿过散热器136并通过出口140，冷却并向给料管132和散热器136提供温度控制。该至少两个空气通道中的第二空气通道180引导来自鼓风机120的另一部分空气流朝向并随后穿过热保护装置144中的多个槽164a、164b、164c、164d并穿过喷嘴160，冷却并向喷嘴160以及长丝116被放下以构建3-D物体的周围区域提供温度控制。因此，单个鼓风机120为挤出机100的多个部件提供有效的温度控制。

图6示出了具有空气入口120a和空气出口120b的鼓风机120。在示例性实施例中，鼓风机120的空气入口120a是具有多个翅片的风扇。空气通过空气入口120a流入鼓风机120，通过空气出口120b离开鼓风机120，并进入挡板系统的渠道168，第一空气通道176和第二空气通道180，以同时冷却挤出机100的多个部件。

在示例性实施例中，挤出机100包括遮板，遮板可以改变至该至少两个空气通道176、180的入口176a、180a的开口尺寸。在一个示例性实施例中，遮板可以至少部分地关闭入口176a以引导较少的空气流进入第一空气通道176和更多的空气流进入第二空气通道180以向喷嘴160提供更多的冷却。在示例性实施例中，遮板可以至少部分地关闭入口180a以引导较少的空气流进入第二空气通道180和更多的空气流进入第一空气通道176中以向给料管132和散热器136提供更多的冷却。在示例性实施例中，遮板可以完全关闭至第一空气通道176的入口176a，并引导来自鼓风机120的全部空气流通过第二空气通道180，通过热防护装置144中的多个槽164a、164b、164c、164d并穿过喷嘴160。在示例性实施例中，遮板可以完全关闭至第二空气通道180的入口180a，并引导来自鼓风机120的全部空气流通过第一空气通道176，穿过散热器136和给料管132，并从出口140出去。提供关于对挤出机100的特定部件的冷却量的特定控制的能力可以适应需要更热或更冷温度的长丝材料。

本发明的示例性实施例涉及处理电路，其配置为输出控制信号，控制信号根据操作状态（例如，在各个部件处的所检测到的温度）和/或根据正被使用的当前的长丝来控制马达将遮板移动到合适的位置。在示例性实施例中，处理电路例如包括一个或多个处理器，其可以使用任何传统处理电路和设备或其组合来应用，例如，个人计算机（PC）的中央处理单元（CPU）或其它工作站处理器，以执行例如在包括任何常规存储器设备的非暂时性计算机可读介质上所提供的代码，以进行控制。一个或多个处理器可以实施在服务器或用户终端或其组合中。用户终端可以实施为例如台式电脑，笔记本电脑，手持设备，个人数字助理（PDA），电视机顶盒互联网设备，移动电话，智能电话等，或者作为其一个或多个的组合。存储器设备可以包括任何常规的永久存储器电路和/或临时存储器电路或其组合，其非穷举列表包括随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），压缩盘（CD），数字通用盘（DVD）和磁带。

本发明的示例性实施例涉及一个或多个非暂时性计算机可读介质，例如，如上所述，其上存储有指令，指令是可由处理器执行的并且当由处理器执行时进行控制。

本发明的示例性实施例涉及一种例如硬件部件或机器的、发送可由处理器执行以进行控制的指令的方法。

以上说明旨在是说明性的而非限制性的。本领域技术人员从前面的描述中可以理解，本发明可以以各种形式实施，并且各种实施例可以单独实施或组合实施。因此，虽然已经结合本发明的特定示例描述了本发明的实施例，但是本发明的实施例和/或方法的真实范围不应受如此限制，因为通过研究附图，说明书和所述权利要求书，其它修改对于本领域技术人员而言将变得明显。

Claims (15)

1.一种挤出机，包括：

给料管；

布置用于将长丝从所述挤出机的外侧送入给料管中的长丝入口；

在所述长丝入口下方并且围绕所述给料管的一部分的散热器；

在所述散热器下方并且围绕所述给料管的一部分的加热块；

围绕所述加热块的至少一部分并且包括一个或多个出口槽的热防护装置；

在所述给料管的远端上并且从所述加热块突出的喷嘴；

具有空气入口和空气出口的鼓风机；

至少一个挡板；和

渠道，所述渠道位于所述鼓风机的所述空气出口下方，使得来自所述鼓风机的所述空气出口的空气流进入所述渠道，并且所述渠道被至少一个挡板分成至少两个空气通道，所述至少两个空气通道中的每一个具有其自己的相应入口，其中：

所述至少两个空气通道的第一空气通道构造成引导所述空气流的一部分穿过所述散热器并且通过出口；和

所述至少两个空气通道的第二空气通道构造成引导所述空气流的另一部分朝向并且通过所述热防护装置中的一个或多个出口槽并且穿过所述喷嘴。

2.根据权利要求1所述的挤出机，其中，所述热防护装置中的一个或多个出口槽包括四个出口槽。

3.根据权利要求2所述的挤出机，其中，所述四个出口槽构造成在所述热防护装置中围绕所述喷嘴，使得所述四个出口槽中的第一对在所述喷嘴的相对侧上彼此平行布置，并且所述四个出口槽中的第二对在所述喷嘴的相对侧上彼此平行布置，所述第一对的槽中的每一个大致垂直于所述第二对的槽中的每一个。

4.根据权利要求1所述的挤出机，其中，所述加热块包括加热器和热电偶。

5.根据权利要求4所述的挤出机，还包括：

电路系统；

多个微型开关；

带状电缆；

多个伺服马达；

调平臂；和

步进马达；

其中，所述电路系统配置成将操作信息中继至所述带状电缆以控制所述鼓风机，所述多个微型开关，所述多个伺服马达，所述调平臂，所述步进马达和所述加热块。

6.根据权利要求5所述的挤出机，其中，所述带状电缆附接至母板。

7.根据权利要求5所述的挤出机，其中，所述多个微型开关中的一个是配置用于检测长丝跳动度的传感器。

8.根据权利要求1所述的挤出机，还包括挤出机外壳和长丝引导器，所述长丝引导器集成到所述挤出机外壳中并构造用于将长丝引导到长丝入口中。

9.根据权利要求1所述的挤出机，其中，所述鼓风机安装在所述给料管的纵向轴线的一侧上。

10.根据权利要求1所述的挤出机，其中，所述鼓风机包括具有多个翅片的风扇。

11.根据权利要求1所述的挤出机，还包括遮板，其中，对于所述至少两个空气通道中的至少一个的每一个，所述遮板构造成至少部分地关闭至相应空气通道的相应入口。

12.根据权利要求11所述的挤出机，其中，所述遮板构造成完全关闭至所述第一空气通道的入口，从而引导来自所述鼓风机的全部空气流通过所述第二空气通道，朝向并且通过所述热防护装置中的一个或多个出口槽并穿过所述喷嘴。

13.根据权利要求11所述的挤出机，其中，所述遮板构造成完全关闭至所述第二空气通道的入口，从而引导来自所述鼓风机的全部空气流通过所述第一空气通道，穿过所述散热器并通过所述出口。

14.根据权利要求11所述的挤出机，其中，所述遮板构造成移动至多个位置中，每个位置对应于被引导至所述第一空气通道中的空气流的量与被引导至所述第二空气通道中的空气流的量的不同的相应比率。

15.一种挤出机冷却控制系统，包括：

处理电路；和

非暂时性计算机可读介质，其包括指令，所述指令可由所述处理电路执行，并且当由所述处理电路执行时，导致所述处理电路进行挤出机的遮板的控制，所述处理电路配置成通信地联接至所述遮板，其中：

所述挤出机包括马达，用于从所述挤出机的外侧供给长丝朝向并且通过布置在给料管底端上的喷嘴的给料管，围绕所述给料管的一部分的散热器，在所述散热器下方并且围绕所述给料管的一部分的加热块，其中喷嘴从所述加热块突出，围绕所述加热块的至少一部分并且包括一个或多个出口槽的热防护装置，具有空气入口和空气出口的鼓风机，渠道，所述渠道位于所述鼓风机的所述空气出口下方，使得来自所述鼓风机的所述空气出口的空气流进入所述渠道，并且所述渠道被分成至少两个空气通道，所述至少两个空气通道中的每一个具有其自己的相应入口，所述至少两个空气通道的第一空气通道构造成引导所述空气流的一部分穿过所述散热器并且通过出口，并且所述至少两个空气通道的第二空气通道构造成引导所述空气流的另一部分朝向并且通过所述热防护装置中的一个或多个出口槽并且穿过所述喷嘴；以及

所述方法包括响应于所检测到的所述挤出机的操作状态和基于所接收的识别长丝材料的输入中的至少一个，向马达输出信号以移动所述遮板的位置，从而改变被引导至所述第一空气通道中的空气流的量与被引导至所述第二空气通道中的空气流的量的比率。