CN109789636A - 提供fff打印喷嘴的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提供喷嘴的装置、系统和方法，通过在任何金属或非金属喷嘴的内部或外部或间隙基底层上提供适于支撑与FFF工艺相关的传感器的非导电表面，所述喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度。热、力、流动、应变、应力、挤压力传感器等可以设置在任何喷嘴的内侧或外侧，或者设置在任何喷嘴内侧或外侧的间隙基底层上。所述传感器可以设置在通过喷嘴的中心入口周围、沿着喷嘴的中心入口纵向设置、或者沿喷嘴的各个点设置，其中所述传感器的放置或形状可以根据将由主题传感器执行的感测的类型而变化。

Description

提供FFF打印喷嘴的装置、系统和方法

背景

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月5日提交的题为“Apparatus，System and Method ofProviding a FDM Printing Nozzle”的美国临时申请No.62/371,614的权益和优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及三维打印，并且更具体地，涉及提供适于材料熔融沉积(FFF)打印的喷嘴的装置、系统和方法。

背景说明

三维(“3D”)打印不仅在打印技术的开发方面，而且在产品开发能力、原型制作能力、实验能力等方面的开发中取得了非常显著的进步。在可用的3D打印技术中，材料熔融沉积或“FFF”打印是已经开发的最重要的3D打印类型之一。FFF是一种增材制造技术(additive manufacturing technology)，其允许通过例如将热塑性长丝加热并挤出成连续的层来逐层创建3D元件，从而从打印元件的基层或底层开始，打印到顶层或最后层。也就是说，FFF打印机喷嘴将热塑性塑料加热到半液态，并沿着为元件构建而设置的挤出路径平面将半液态热塑性塑料以可变尺寸的珠粒沉积。珠粒尺寸可以根据部件或部件的方面而变化，然后进行打印。此外，如果需要对部件的一个方面进行结构支撑，则FFF打印机可以存放可移除的材料以用作支撑部件的方面的一种脚手架。因此，FFF可用于构建用于实验或功能部件的简单或复杂几何形状，例如用于原型制造、小批量生产、制造辅助等。

然而，由于影响FFF的许多因素，特别是影响FFF工艺的打印速度，FFF在更广泛应用中的使用，例如中到大批量生产，受到严重限制。如所提到的，在FFF打印中，通常将加热的热塑性塑料从加热喷嘴向外挤压到板或正在生产的部件的前一层上。该喷嘴根据预先输入的几何形状(例如，可以输入处理器中以控制喷嘴的机械的运动)机械地移动，以形成所需的部件。由于机器人技术和加工速度的提高，FFF打印工艺的“瓶颈”通常是喷嘴本身。特别地，控制喷嘴的加热和冷却速度，特别是通过对喷嘴的加热和冷却的高级控制提供的打印的控制和开始/停止时机的改进将允许FFF技术提供的打印的显著改进。因此，提供与FFF打印相关的各个方面(例如，加热和冷却，打印材料上的压力等)的精确感测的能力，将允许增强的反馈，这将使FFF工艺的改进成为可能。

尽管如此，目前可用的喷嘴大部分是金属的，因此本质上是导电的。因此，由于喷嘴的典型导电性质，不仅由于热量渗透到金属喷嘴的不希望的方面而使得加热和冷却的精确控制变得不太可用，而且由于要求与喷嘴相关联的任何传感器是“螺栓连接”(bolt-on)传感器(因此它们不会受到干扰，因为它们与之相关联的喷嘴具有导电性)，所以即使不是不可能，进一步精确的感测也是困难的。也就是说，需要传感器的螺栓连接性质，因为与喷嘴相关联的任何传感器的操作必须保持与典型的导电金属喷嘴不同。

因此，已知技术存在两个阻碍改进FFF打印工艺能力的重要问题。这些阻碍中的第一个是不能提供对打印喷嘴或其特定方面的加热和冷却的精确控制。第二个阻碍是大量使用螺栓固定传感器作为检测可用金属喷嘴性能的唯一方法，这种方法限制了传感器的数量和所感测信息，从而限制了可通过当前使用的传感器提供的反馈。

因此，需要一种用于提供FFF打印喷嘴的装置、系统和方法，所述FFF打印喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度，例如，所述精确的打印控制和增强的打印速度是基于由基于喷嘴的传感器提供的改进的反馈。

发明内容

所公开的装置、系统和方法提供了一种适用于FFF打印的喷嘴，通过在任何金属或非金属喷嘴的内部或外部或间隙基底层上提供适于支撑与打印过程相关的传感器的非导电表面，所述喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度。例如，可以通过设置在任何喷嘴的内侧或外侧上，或任何喷嘴的内侧或外侧上的间隙基底层上的喷嘴集成传感器感测热、力、流动、应变、应力、挤压力和可以感测的任何其他方面。这种传感器可以围绕通过喷嘴的中心入口设置、沿着喷嘴的中心入口纵向设置，或者沿喷嘴的任意不同点设置，其中这种传感器的放置或形状可以根据将由主题传感器执行的感测类型而变化。

因此，所公开的实施方式提供了一种用于提供FFF打印喷嘴的装置、系统和方法，所述FFF打印喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度，例如，所述精确的打印控制和增强的打印速度是基于通过基于喷嘴的传感器提供的改进的反馈。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可以被简化以示出与清楚地理解在此描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚的目的而省略了可以在典型类似装置、系统和方法发现的其他方面。普通技术人员因此可以认识到，其他元件和/或操作对于实现在此描述的装置、系统和方法而言可能是期望的和/或必需的。但是因为所述元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不利于更好地理解本公开，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被视为仍然包括本领域普通技术人员已知的所描述各方面的所有这样的元件、变型和修改。

整个公开中提供了实施方式，以使本公开充分透彻并且将所公开的实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体零件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且实施方式可以以不同的形式来实施。因此，所公开的实施方式不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能不详细描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。

这里使用的术语只是为了描述特定实施方式的目的，不应理解为限制性的。例如，除非另有说明，单数形式“一种”、“一个”和“所述”应该还包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，因此指定所阐明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或零件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、零件和/或其组合的存在或添加。这里描述的步骤、工艺和操作不应被解释为必须按照所讨论或示出的特定顺序来对它们各自的性能进行解释，除非被明确地标识为优选或所需的性能顺序。还应该理解的是，可以采用附加的或替代的步骤代替或结合所公开的方面。

当元件或层被称为“在……上”、“接合到”、“连接到”或“连接到”另一元件或层时，其可直接在另一元件或层上、接合、连接或连接到另一元件或层元件或层，或者可能存在中间元件或层，除非另有明确说明。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到另一元件或层”、“直接连接到另一元件或层”或“直接耦合到另一元件或层”时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

另外，虽然术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件、零件、区域、层和/或部分，但是这些元件、零件、区域、层和/或部分不应该受这些术语限制。这些术语可能仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分。除非在上下文中明确指出，否则诸如“第一”、“第二”以及其他数字术语之类的术语在本文中使用时并不意味着顺序或次序。因此，在不脱离实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、零件、区域、层或部分可以被称为第二元件、零件、区域、层或部分。

适用于3D打印的喷嘴的公开实施方式可包括集成传感器。喷嘴可以是金属的，例如具有介电涂层，其中这种涂层可以包括一个或多个非导电“护套”，用于包含在喷嘴(例如，感应金属喷嘴)上、部分地在喷嘴上、在喷嘴内、或部分地在喷嘴内；或者可以是非金属的，例如玻璃或陶瓷。因此，一个或多个传感器可以与喷嘴、与喷嘴相关联的涂层、和/或配合在喷嘴上的上述护套集成。因此，迄今为止未使用或未充分利用的热源可用于为非导电喷嘴层和/或与其关联的细丝提供改进的加热局部性和开/关定时，并且具有导电方面的一个或多个传感器可以直接与喷嘴相关联。此外，在替代或另外的实施方式中，可以包括与喷嘴相关联的一个或多个夹头，所述夹头优选地在喷嘴的加热区域的外部，例如在喷嘴的远离喷嘴分配孔的远端，以提供集成传感器和一个或多个本地或远程计算机处理系统之间的电连接，所述处理系统利用从集成传感器生成的数据。作为非限制性示例，喷嘴上的信号迹线可以与作为喷嘴组件的发送/接收单元的夹头上的弹簧触点连接地相关联，所述信号迹线可以使用例如PVD或HTCC制造到喷嘴非导电区域，或者可以以其他方式与喷嘴相关联，例如使用导电墨水。

实施方式的上述和其他方面提供了：在打印过程中材料的实时表征；改进了喷嘴加热的定位、控制和目标选择；可以以各种不同方式使用的反馈，例如创建改进的打印控制以允许更高的打印速度和更高的打印精度；实时过程监控和纠错；改进的工艺窗口，允许打印以前不可打印的材料；监测与目前监测的那些不同的工艺参数的能力，这可以允许根据特定材料、喷嘴孔尺寸、所需打印速度或打印应用来定制打印喷嘴以进行不同的打印操作；在打印过程中表征打印材料(即动态粘度等)的能力-用于调整打印参数，以及用于打印材料供应器的质量控制；超快速加热和冷却打印材料；针对打印作业的特定区域或要打印的特定材料的加热模式，例如测量和单独控制表面与内部产品温度的加热模式；超高温材料加工；涂层的应用，以允许摩擦、温度、静摩擦、改善释放、磨损和寿命监测的控制；以及测量打印材料温度而不仅仅是外部喷嘴温度的能力。根据前述对已知技术的改进，可以提供这些和其它明显的优点，这些优点包括较低的喷嘴成本和较低的打印成本；提供打印喷嘴作为消耗品/一次性产品；改善污染检查；使用已知的半导体和铸造技术适用于喷嘴生产；增强内部和外部喷嘴功能的设计自由度；以及对喷嘴和打印材料的热区和冷区进行极其精确的控制。

可以使用集成感测进行监测或进行改进监测的因素不仅包括喷嘴和/或打印材料的温度，还包括材料的内部压力；当打印材料被分配时，打印材料和喷嘴孔处的轴向和X-Y力；以及改善的轴向位置和打印材料极限控制。这些改进的方面可以由集成感测直接提供或由根据集成感测的反馈提供，并且可以通过使用针对喷嘴或打印材料本身的迄今未充分利用的热源进一步改进(如通过非导电喷嘴壁促进)，例如感应加热、红外加热、传导加热、超声波加热以及它们的组合。这种改进的感测和改进的加热允许在打印时对材料进行实时表征，并且允许对打印作业的每个方面进行实时表征，这允许反馈以改进伺服控制，其中包括决定材料挤出过程的伺服控制。所公开的改进的打印装置、系统和方法可以应用于任何类型的FFF打印，作为非限制性实例，包括热塑性塑料、聚合物、金属、陶瓷、食品和蜡染。

本领域技术人员将理解已知喷嘴所遭受的缺陷，这些喷嘴通常由金属(例如黄铜)形成，并且因此通常仅包括螺栓固定温度传感器，例如热敏电阻。本文提供的集成解决方案不需要提供螺栓固定以进行期望的感测，因为与所公开的实施方式的喷嘴相关联的非导电壁、层或多个层允许导电传感器直接与喷嘴集成。

更具体地，将允许最佳打印材料分布控制的高级温度感测需要快速、紧密耦合和高度灵敏的感测元件，因此只有使用集成传感器才能满足所有这些要求。直接连接在喷嘴壁上；喷嘴壁上的涂层(例如，厚度在0.001mm和1mm之间)上；或者围绕喷嘴壁设置的护套上的集成传感器将感测元件放置在靠近喷嘴的位置，并因此允许对喷嘴的操作具有最快的反应。

因此，如图1所示，至少一个非导电区域102与喷嘴100相关联地设置。非导电区域102可以是非导电喷嘴，或者与非导电喷嘴100相关联的非导电基底(substrate)或护套。也就是说，喷嘴100可以是、基本上是、或至少在其内表面或外表面上是介电喷嘴，例如玻璃或陶瓷喷嘴；或者可以是金属喷嘴，该金属喷嘴具有与之相关联的一个或多个非导电基底，例如电介质基底，例如玻璃或陶瓷基底。也就是说，非导电区域102可以是集成护套，或者可以是涂覆的涂层。非导电区域102可以允许直接在喷嘴100上实现感测元件104和/或与打印材料124紧密关联，例如通过使用已知半导体工艺形成。作为非限制性示例，这样的工艺可以包括，例如，通过掩蔽(masking)和沉积工艺(例如，化学气相或真空沉积工艺)形成感测元件104；通过层压提供感测元件；提供感测元件作为微机电元件；通过半导体平面工艺提供感测元件；提供采用微电子互连(例如，引线接合、桩、掩蔽/PVD或微焊料)的感测元件。由此可以提供许多集成传感器104，例如热电偶、热电阻装置(RTD)、负温度系数热敏电阻(NTC)、中心金属氧化物、以及根据本文的讨论对于本领域技术人员显而易见的其他传感器类型。

另外，可以提供加热元件106，例如导电迹线，以与非导电基底102物理关联。作为非限制性示例，这种加热元件可以包括电阻加热元件、感应加热元件(例如围绕喷嘴，靠近喷嘴孔口)、IR/辐射元件、RF耦合元件等。

因此，尽管所公开的喷嘴100的实施方式可以加热和推动材料以进行本领域中已知的3D打印，例如FFF打印，但是它们还提供精确加热和精确推动该材料，例如通过改进的局部加热和集成传感器技术。这些集成传感器允许正在进行的打印过程中的反馈。这允许正在进行的过程更快且更受控制，并且可以另外允许记录和分析反馈以便改进后续过程。

在FFF工艺中加热打印材料124是改善FFF打印中最重要的一个因素。虽然快速打印需要向前移动FFF处理，但是更快的打印速度需要增加加热，并且增加的加热导致对已知金属喷嘴中的加热的降低的精确控制，而且增加了有利于冷却以停止打印的难度，特别是在高导热金属喷嘴中。简而言之，高速、高质量的FFF打印需要以最大质量流速将尽可能多的可控能量传递给打印材料124，以允许所需的打印速度。因此，精确的加热方法将提高FFF打印机的打印速度和控制。感应加热现在超过电阻加热，是中低性能FFF打印机的最简单方法。在实施方式中可以容易地提供感应加热106，例如使用上面讨论的半导体制造工艺在应用于喷嘴的电介质喷嘴/基底上缠绕在喷嘴周围的线圈。然而，尽管感应加热允许更有利的热传递到打印材料124，但是它仍然不能提供显著加速的冷却，这是为了在高速打印过程中提供增强的控制所需的。

因此，可以提供额外的加热元件110以将能量(例如用于加热)传递到打印材料124或喷嘴100。这些额外的加热元件110可以是、或包括射频/微波加热，其是快速加热方法，仅为某些打印材料124提供可接受的耦合，仅在某些材料中具有良好的热穿透性，但是噪声很大并且难以控制；超声波加热，其是快速加热，提供良好的耦合和穿透性，这提供了纯粹的能量注入和边界迁移的直接方法，但是使用现有的喷嘴技术很难实现；红外辐射，其提供快速加热、充分耦合，但穿透性相对较差；和等离子体加热，这可能是昂贵的，但相比已知加热方法也提供了改进的热传递，耦合和穿透性。如本领域技术人员所理解的，所有前述改进的方法都通过非金属(例如玻璃)喷嘴以局部方式很好地接收。

更具体地，与超声波加热相结合的玻璃喷嘴可以为某些打印材料124提供高速、高质量、高度控制和局部的加热打印。此外，来自上述热传递方法列表的一系列不同的所选热传递类型可以最佳地执行快速打印、改进的耦合和穿透，并且易于在各种打印材料124上实现。因此，可以提供特定的加热方法用于缓慢、稳定的加热，同时可以提供另一种更快且更好控制的加热方法，例如超声波加热，用于高速加热和冷却、和/或用于控制频率下的负载均衡。

此外，诸如超声波换能器之类的加热源110可以物理地关联、机械地保持在与喷嘴100相邻的机械支架中，或者作为喷嘴100的支架，当位于喷嘴100的旁边时，非导电喷嘴可以允许从超声换能器中最佳地传递能量。此外，用于喷嘴100的机械支撑112还可以允许在输送打印材料124期间，具有非导电特征102的喷嘴100比金属喷嘴更不“粘”，例如通过喷嘴支架的轻微摇动(例如通过机器人移动喷嘴)。在输送打印材料124期间喷嘴100的这种移动可以优化输送和层粘合。

更具体地，FFF打印中的层的粘合/熔合经常在打印过程中存在困难。这种熔合困难通常在零层或基底层与沉积在零层顶上的第一沉积层之间最显著。当使用某些能量源(例如，超声波能量)时，可以改善熔合，部分是因为一旦施加到打印材料124，该能量即使在从喷嘴孔口130分散之后也将继续在打印材料124内共振。可以理解，这种额外的共振能量通过增强层之间的熔合能来提供改善的熔合。此外，喷嘴100在一个或多个方向上的摇动也将改善粘附性，至少在于摇动为分散体增加了动能，从而改善了粘合性。根据实施方式，本领域技术人员将理解，所公开的任何可控电源和能量递增方法可以如所讨论的那样单独或组合地实现能量的递增输送，以改善层粘附性。

将非导电材料用于喷嘴100的这些优点不仅可以与超声波加热一起提供，而且可以用于其他类型的热源，例如红外线。例如，本领域技术人员将理解，由于通过金属的不受控制的热传导，红外热源可能不方便地与金属喷嘴一起使用，但是作为非限制性示例，可以容易地与二氧化硅或石英喷嘴一起使用。简而言之，作为所公开实施方式的一个方面，喷嘴100的成分可以与用于加热打印材料124的加热源110的透射光谱相匹配，和/或与使用动能赋予的接受性相匹配，以改善粘附性。

对于FFF打印机的增强的打印速度和控制的另一个显著限制是在打印材料124上的期望的力和压力水平下的流动阻力。流动阻力可能由于某些表面(例如金属)的表面粘附产生的粘性剪切而发生，通常与现有技术中的喷嘴100的内腔120相关联。显然，随着剪切损失减小，更多的打印材料124可以以更高的速率被推动通过喷嘴100的内腔120，因此将改善通过喷嘴孔130输送打印材料124的速度和控制。事实上，在已知技术中，在FFF打印中需要更换打印工具的最大提示是内部喷嘴室的黏糊、堵塞或磨损。

因此，喷嘴100的内腔120的最期望的特征是坚硬且耐用的表面、高度光滑的表面和较低的导热率。后一种理想的特性，即较低的导热性，是因为通过具有低导热率的薄壁提供了改善的热传递控制。这部分地因为加热仅发生在其目标位置，而不是如现有技术中的金属喷嘴那样沿着工具长度的部分分布。因此，举例来说，加热可以更靠近实施方式的喷嘴的尖端，以便在喷嘴孔口130处输送更精确的珠粒，而如果需要从喷嘴孔口130输送更厚的珠粒，则加热可以从喷嘴尖端更远地发生。

防止堵塞和磨损的喷嘴特性可以由玻璃、陶瓷或类似陶瓷的硬金属材料来形成喷嘴或涂覆喷嘴100的内腔120而提供。在使用涂层的程度上，可以使用本文所讨论的半导体涂层和制造工艺来涂覆涂层，例如用于递送其上可以施加传感器104的涂覆基底的那些。

也就是说，所公开的实施方式的各方面可以在非导电或金属喷嘴内或不在其中使用。例如，可以在金属喷嘴内或不在金属喷嘴内沉积诸如玻璃的介电层，例如通过真空沉积、CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)或溅射，从而提供中间介电基底，在该中间电介质基底上可以设置导电层，例如用于形成传感器。不用说，当打印材料124通过喷嘴孔口130时，可以发生经由前述或其他已知方法的电介质沉积，以便构建传感器或降低打印材料124在内室120内的粘附。

此外，所公开的多个热能输送机构有助于防止堵塞。更具体地说，促进堵塞的主要动力之一是传统喷嘴必须在高温下运行-超过热塑性塑料的熔点。当打印材料124停止流动时，塑料和(过)加热的喷嘴然后达到平衡，这导致打印材料朝向喷嘴温度加热，这使聚合物降解，使其变脆并因此导致堵塞。通过实施方式提供的“慢速”和“快速”加热允许使用“慢”方法来维持低于打印材料的降解温度，并且仅在流动状态下使用“快速”模式。因此，当流动停止时，可以快速切断“快速”方法，防止温度升高到降解温度以上。

图2A和2B示出了根据所公开实施方式的由玻璃或陶瓷形成的绝缘体柄204上的感应护套202。在应用于和喷嘴100关联的绝缘体柄204时，图示的电感器护套202可以是压入配合的卷箔、等离子体气相沉积或电镀的卷箔等。电感器护套202接近喷嘴100可以允许对通过喷嘴100输送的打印材料124进行高度精确的控制，例如允许加快的加热和冷却，例如几乎立即加热和冷却/关闭，允许通过喷嘴孔口130推动大量的打印材料124。值得注意的是，虽然一些打印材料124可能需要较长的横向距离加热区来输送这些打印材料124，但这可以通过增强图2A和2B中所示的电感器护套202的纵向长度来容易地解决。显然，随着电感器护套202的纵向长度增加，接近喷嘴孔口130的加热区域相应地增加。此外，在所示的内腔120和绝缘体柄204是电介质(例如玻璃或陶瓷材料)的程度上，喷嘴100的围绕喷嘴孔130的面210可以是大的和低的角度，这减少了起泡(globbing)并且改善了许多打印材料124的打印痕迹的细化。图2C示出了类似于图2A和2B的喷嘴，但是具有围绕喷嘴100的外部绝缘杆204施加的附加的部分非导电区域102。这些非导电区域102可以提供附加功能，例如提供如本文所述的传感器，或者诸如提供基底，在基底上可以应用互连(例如迹线)以在例如加热护套202、任何传感器104和喷嘴从孔口130的远端处的发送和接收单元(未示出)之间移动数据和/或在其间传递数据和激活命令。值得注意并且如下所示，发送和接收单元可以包括夹头，该夹头可以包括与迹线、导线相关联的专用或标准互连，或用于与位于喷嘴周围的全部或部分护套/导电区域相关联的互联。

图3A和3B是使用图2C的喷嘴的基本感应装置的图解说明。如图所示，在所示实施方式中，对于给定的功率密度输入，在加热区域输送更高的温度。此外，在图2A-2C的实施方式中使用玻璃时，由于玻璃的低导热率，因此提供了增强的冷热冷梯度。此外，通过使用所公开的实施方式，更好地控制热区，包括经受整体功率传递的喷嘴的长度，以及用于冷热冷梯度的沿着喷嘴的经度的垂直位置。简而言之，当与所公开的实施方式一起使用感应加热时，性能与FFF喷嘴感应加热常用的有损耗渗透金属相似但有所改善。

图4示出了具有部分护套/非导电区域102b、102c(其类似于图2C中所示的那些)的实施方式，其中视图中的两个这样的部分区域102b、102c是金属化的外部贴片SFC。这些外部SFC贴片可以提供低发射率，即辐射热损失。因此，这些非导电区域102b、102c的作用可以类似于太空毯。这些非导电区域102b、102c可以施加到柄部204，例如，作为沉积在玻璃贴片上的掩蔽等离子体气相。图4B和4C示出了图4A的设计的性能。值得注意的是，图4B示出了在E＝0.9的外部辐射下的性能，并且图4C示出了没有外部辐射的性能。应注意，与图4B相比，图4C中出现相同功率输送的稍高温度。

图5示出了具有护套502的喷嘴100，护套502具有非导电区域102，并且具有专用的集成温度传感器504。在图5的图示中，作为示例，长的纵向部分护套504是集成的RTD元件，其允许温度感测。该RTD元件可以使用掩蔽PVD在玻璃基底(例如柄508)上形成，部分原因是玻璃基底提供绝缘体。如本领域技术人员将理解的，该RTD元件的电阻随着喷嘴100的温度变化而改变。

此外，并且如全文所讨论的，在现有技术中，温度传感器504通常包括具有导线的半导体芯片组，所述导线将作为螺栓连接提供给喷嘴。相反并且在图5的实施方式中，迹线或其他互连元件510可以沿着喷嘴100的柄部508提供，并且可以提供到接近于或位于工具架上的发送/接收单元的连接，例如前面提到的夹头。进一步且值得注意的是，图5所示的RTD元件也可以用作近感应套管。

图6A示出了包括护套602的实施方式，护套602可以是感应喷嘴机构，并且另外包括温度504和应变604传感器。更具体地，在该图示中，可以包括微应变仪604作为图5中所示的RTD传感器504的一部分。在这样的实施方式中，与RTD传感器504相关联的信号的DC分量，即低频分量与作为温度传感器的性能相关，并且与RTD传感器504相关联的信号的AC分量，即高频分量与由应变传感器604感测的应变相关。因此，传感器可以被构建为绝缘体上的掩蔽PVD金属。应变仪604提供力在工具上的力反馈，特别是在横向方向上。

因此，除了如全文所述的温度传感器之外，力和压力传感器可以作为制造到喷嘴的表面或涂覆的基底上的一种应变仪微型。该应变仪可以通过感测喷嘴内部或外部的变形来操作，并且由此可以或可以另外感测打印材料的支出压力。由于喷嘴内的压力可以达到30PSI或更高，因此可以在非金属喷嘴的外部容易地感测到这种压力。

图6B以类似于图6A的方式示出了温度传感器504，其也充当应变传感器604，但是图6B的实施方式充当多重应变传感器。简而言之，RTD传感器504提供温度感测，而传感器604和606包括沿纵向通路提供应变的应变元件，并且通过差分对，沿着围绕喷嘴柄的通路提供应变。

此外，迹线670可以可选地在图6B的实施方式中作为环向应变元件提供，以提供对喷嘴压力的感测。如本领域技术人员将理解的，温度和压力的感测以及打印材料124的知识和喷嘴特性允许计算流量。此外，在诸如图6B的多传感器实施方式的公开内容中，可以通过以下方式来优化信噪比，例如由应变传感器产生的信噪比：使用用于喷嘴和/或喷嘴柄的软玻璃、使用更长的迹线以形成传感器、以及在喷嘴上放置应变感测迹线，其中应变可能是与前述因素最大的相关。

实施方式还可以提供其他方面，以便消除或降低过程噪声，从而允许增强的过程控制。例如，当加热的打印材料124从喷嘴100释放时，红外能量在喷嘴的尖端处和周围(围绕孔口130)发射。因此，所公开的非金属喷嘴100和/或本文所讨论的护套涂层可以着色，例如使用深色或黑色涂料，以最小化外来的红外发射，从而减轻红外过程噪声并改善本文所讨论的传感器的信号噪声比。

图7示出了一个实施方式，其中多模态能量被传递和/或耦合在一起以向一种或不同类型的打印材料124提供加热。即，设置在图7的喷嘴100从喷嘴孔口130远端处的超声波换能器702可以加热第一打印材料124，并且当打印材料124向下通过喷嘴100时，它可以在喷嘴100的靠近喷嘴孔130的端部处被电感、红外和/或射频发射器704进一步加热；或者，对于某些打印材料124，超声换能器702可以传递能量以加热打印材料124，并且感应、红外和/或射频发射器704可以对该材料不活动，但是对于第二种不同的打印材料124，可以发生相反的情况，即，超声换能器702可以是不活动的，同时一个或多个感应、红外和/或射频发射器704是活动的。

图8示出了具有若干替代和附加方面的喷嘴100的另一实施方式。在图示中，在喷嘴100从喷嘴孔口130的远端处提供夹头802，例如上面讨论的夹头802，作为喷嘴的发送/接收接口单元。此外，围绕喷嘴100设置绝缘护套(jacket)804，以使喷嘴100与外部热源或辐射源绝缘。此外，在绝缘护套804内可以设置围绕喷嘴100的腔体808，其允许腔体808中的热空气、冷空气、还原气体、惰性气体、等离子体等的流动。

图9具体示出了使用夹头802将喷嘴连接到打印头的实施方式。在图示中，在夹头802和打印头(没有显示)之间提供了夹头802形式的可重复连接的机械互连。所示夹头802的重复可移除性允许喷嘴等的重复电气和机械互换性，从而允许使用一次性喷嘴，并且允许专用的有限或单次发射或单次使用喷嘴，或用于特定于给定打印材料、热源、打印产品等的喷嘴。值得注意的是，图9的实施方式可以将打印头/打印头框架或任何推动/移动打印材料124的装置连接到用于打印材料124的输送系统，例如喷嘴，该输送系统可以包括熔化打印材料124的能量的系统。

图9A和9B示出了具有相关的板816的圆柱形夹头802a。该板可以配备有销、弹簧或类似物820，以便拾取喷嘴远端上的迹线垫。迹线和/或销互连可以是专有的或非专有的，和/或可以是或可以不是目的特定的。

图9C示出了具有与图9B的夹头类似的连接性的多用途夹头802b。在图9C的图示中，夹头802b可以设置有多个环830a、b、c，其中每个环包括销、弹簧或类似物832，其避开喷嘴上的所有迹线，除了指定用于连接到该夹头环的迹线。图10示出了在喷嘴上或喷嘴周围形成的非导电护套850的额外的替代的实施方式。在图示中，护套850可包括电阻丝860，以为喷嘴尖端提供加热源。另外，n护套850可包括在热源860和喷嘴812之间的高辐射率围绕材料858，从而根据需要向喷嘴提供最大的加热能量输送。

另外，在该实施方式中，可以部分地、基本上或完全地围绕护套850的外部提供低发射率(即“太空毯”)材料862，以便向内朝向喷嘴812反射IR能量。此外，为了优化在输送点处从喷嘴到打印材料124的热传递，图10的实施方式可包括具有良好IR透射率(例如，在3-5um范围内)的喷嘴材料和/或喷嘴尖端材料880。

因此，所公开的实施方式允许打印材料124和热源匹配所需或必要的热量，力，材料流量和打印速率。此外，可以根据所公开的实施方式自动地进行前述因素的调整，至少是因为与打印工具相关联的一个或多个处理器可以从本文讨论的一个或多个公开的传感器接收传感器数据，并且可以与包括通过处理器执行决策的编码算法的计算存储器相关联，，以通过处理器修改所使用的工具热源、伺服、打印材料124上的力、随后的流量等。

这在图11中的方法1100的流程图中具体说明。在步骤1102，提供具有集成在一个或多个非导电基底上的多个传感器的FFF打印喷嘴。这些传感器在步骤1104感测流量的至少两个方面。流动方面可包括例如温度、材料压力、应变、应力等。

在步骤1106，将所感测的数据提供给与一个或多个计算存储器相关联的一个或多个计算处理器，所述存储器上驻留有多个过程参数优化算法。在步骤1108，算法可以执行打印材料124与一个或多个热源、热水平、材料力、喷嘴力、喷嘴应变或应力以及流量的匹配中的一个或多个，以便优化工艺获得所需流量和/或打印速率。

在步骤1110，将步骤1108的输出提供给用于执行方法1100的系统的一个或多个机器人或其他机械或机电方面，以便执行步骤1108的输出以优化FFF打印过程。步骤1110可以自动执行，并且步骤1110处的指令接收或过程修改可以从本地或远程计算源发生，并且可以实时发生或者可以作为从较早的过程运行的学习发生以应用于后续过程运行。

也就是说，经由至少一个处理器执行上述决定的编码算法可以导致修改所使用的工具、热源、材料供给伺服、打印材料124上的力、随后的流量等，可以基本上实时地和在进行中引起那些修改，或者可以导致那些决定结果被存储。一旦存储，单个决策点可以作为后续过程修改的反馈，或者可能需要多个决策点以便具有作为可接受的反馈的统计显著性以指示过程修改。

简而言之，所公开的实施方式允许在内部或外部或间隙基底层上沉积与FFF工艺相关的任何传感器的任何金属或非金属喷嘴。例如，热、力、流动、应变、应力、挤压力和可以被感测的任何其他方面可以相应地具有传感器，该传感器沿着任何喷嘴的内部或外部或在其上的间隙基底层上感测该信息。这种传感器可以设置在通过喷嘴的中心入口周围，沿着喷嘴的中心入口纵向设置，或者沿喷嘴的任意不同点设置，其中这种传感器的放置或形状可以根据将由主题传感器执行的感测类型而变化。

在前面的详细描述中，出于简化本公开的目的，可以在各个实施方式中将各种特征组合在一起。这种公开方法不应被解释为反映任何随后要求保护的实施方式需要比明确叙述的更多特征的意图。

此外，提供本发明的描述是为了使所属领域的技术人员能够制作或使用所公开的实施方式。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。

Claims (10)

1.一种喷嘴，包括：

内腔，所述内腔封闭并直接接触打印材料，所述内腔终止于能够输出所述打印材料的孔口中；

外轴，所述外轴围绕所述内腔并包括所述孔口；

与所述内腔、所述外轴和所述孔口中的至少一个相关联的至少一个非导电基底；和

至少一个传感器，所述传感器位于所述非导电基底上，并且能够从所述孔口感测至少一个打印方面，所述方面影响打印过程中所述打印材料的流量。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述非导电基底包括电介质基底。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中所述电介质基底包括玻璃和陶瓷中的一种。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述内腔形成所述非导电基底。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述外轴形成所述非导电基底。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述非导电基底包括护套。

7.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述非导电基底包括膜。

8.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述非导电基底包括涂覆涂层。

9.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述涂覆涂层包括真空沉积、化学气相沉积、物理气相沉积和溅射涂覆涂层中的一种。

10.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述传感器是选自热传感器、压力传感器、应力仪、应变仪和流量计中的至少一种。