CN110062691B - 基于挤出的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于3D打印设备的打印机头(200、300、400)，包括喷嘴(210、310、450)，该喷嘴被布置成沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝以形成待生产的物体的至少一层。喷嘴包括至少一个外表面(220)，该至少一个外表面被配置成与至少一层的外围边缘(280)形成邻接接触，并且被配置成沿着至少一层的外围边缘并且以深入到至少一层中的预定距离来被引导。

Description

基于挤出的增材制造方法
技术领域
本发明一般涉及增材制造领域，其有时还被称为3D打印。更具体地，本发明涉及基于挤出的增材制造方法，该方法用于使用3D打印设备制造物体。本发明还涉及一种计算机程序和一种其上存储有计算机程序的计算机可读数据载体，其中计算机程序包括指令，当程序由3D打印设备执行时，该指令使得3D打印设备执行方法的步骤。
背景技术
增材制造(有时还被称为3D打印)是指用于合成三维物体的过程。3D打印正在迅速普及，因为它能够执行快速原型制作而无需组装或模制技术来形成所需的制品。
可以使用3D打印设备形成物体，该3D打印设备在通常由计算机模型控制的若干打印步骤中以三维构建物体。例如，可以提供物体的切片3D模型，其中每个切片由3D打印设备在分立打印步骤中重新创建。3D打印设备可以沉积来自分配器的可挤出材料的连续层，并且这些层可以在沉积之后被固化或以其他方式硬化(例如，使用激光以诱导固化过程)。
在US 2010/0327479 A1中公开了3D打印设备的一个示例。该3D打印设备是基于挤出的增材制造系统，其可以通过将可流动的消耗性建模材料丝由挤出头承载的挤出尖端挤出，并且通过将建模材料沉积在基底上，以用于以逐层方式从3D物体的数字表示来构建3D物体。这种基于挤出的增材制造方法还被称为熔融沉积建模、熔合层建模或熔合细丝制造。
用于执行上述基于挤出的增材制造方法的大多数消费3D打印机包括移动头，塑料细丝被馈送到该移动头中。然而，这种打印机可能遭受制造物体的缺点，这些物体通常由于沉积方法而显示出缺陷。例如，由于将单根细丝连续沉积到预先设定的细丝层上，这些缺陷可以包括脊和/或台阶结构(还被称为“阶梯”结构)。可能会产生脊，因为由于最小的表面张力，在其边缘处的沉积材料可以流动，从而产生圆形边缘。
脊和/或阶梯结构不仅可能对结构完整性(产生针对裂缝和分层的许多引发剂)和打印物体的整体部件公差有害，它们还可能在美学上令人不愉快。为了避免这种情况，已经提出了用于使表面平滑的方法，例如，通过溶剂蒸汽、涂漆和/或涂层。然而，这些方法的显著缺点是它们需要一个或多个附加的处理步骤。
因此，能够消除或减少3D打印物体的脊和/或阶梯结构的备选解决方案是令人感兴趣的，使得所产生的物体可以变得更稳定、更容易集成和/或更美观。
发明内容
本发明的一个目的是减轻上述问题并且提供一种用于通过基于挤出的增材制造(3D打印)来创建物体的方法，其中与根据现有技术的基于挤出的增材制造(3D打印)生产的物体相比，如此生产的物体具有改善的稳定性、集成和/或视觉特性。
根据本发明的第一方面，提供了一种使包括一个或多个相邻布置的打印材料细丝的一个或多个层的外围边缘平滑的方法。该方法是用于使用3D打印设备制造物体的基于挤出的增材制造方法，其中3D打印设备包括喷嘴，该喷嘴被布置成沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝，并且其中喷嘴至少包括一个外表面。方法包括沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝以形成物体的至少一层的步骤。方法还包括以下步骤：使喷嘴的至少一个外表面与至少一层的外围边缘邻接接触，以及沿着至少一层的外围边缘并且以深入到至少一层中的预定距离来引导喷嘴。
因此，本发明基于提供一种用于3D打印设备的打印机头的构思，该3D打印设备被配置为：打印包括一个或多个打印材料细丝的至少一层，然后使至少一层平滑。换句话说，在沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝之后，喷嘴本身被用于使(多个)层平滑化，因为在(多个)层已经被打印后，喷嘴的(多个)外表面可以沿着(多个)层的(多个)外围边缘来被引导。
本发明的优点在于：打印机头的喷嘴既可以用作挤出机，还可以用作平滑化元件。换句话说，可以通过打印机头打印物体，并且由此可以在打印之后在没有任何附加的处理步骤(包括溶剂蒸汽，涂漆和/或涂层)的情况下使任何出现的脊和/或阶梯结构平滑化。由此，本发明通过提供了打印机头节省成本和/或时间的操作。
本发明的进一步优点在于：在打印之后通过打印机头可以方便地消除或减少3D打印物体的脊和/或阶梯结构，使得由3D打印设备生产的物体可以变得更稳定、更容易集成和/或更美观。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的打印机头包括喷嘴，该喷嘴被布置成沉积一个或多个相邻布置的打印材料的细丝以形成待生产的物体的至少一层。因此，层可以包括一个打印材料细丝(即，线)以形成层，或者层可以包括多个打印材料细丝相邻布置以形成层。“打印材料”在这里是指可以被挤出的材料，例如，挤出塑料材料。喷嘴包括至少一个外表面，该至少一个外表面被配置成与至少一层的外围边缘邻接接触。“外表面”在这里指的是喷嘴的外侧表面或侧面部分。此外，喷嘴被配置成沿着(多个)层的外围边缘而被引导。“外围边缘”在这里是指(多个)层的外(侧)边缘。此外，喷嘴被配置成以深入到至少一层中的预定距离而被引导。换句话说，喷嘴被配置成被引导和/或压入到要被平滑化的(多个)打印材料层中。
至少一层的外围边缘的至少一部分可以包括在至少一层的平面中突出的半球形形状，并且预定距离可以对应于半球形形状的半径。因此，在该方法中，可以沿着至少一层的外围边缘引导喷嘴，使得具有半球形形状的层的半径被平滑化。这是有利的，因为喷嘴沿着(多个)层边缘以深入到层材料中的适当距离来被引导，使得层边缘可以方便地平坦化。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的喷嘴可以沿着第一轴线伸长，并且在执行方法时，喷嘴可以沿着第一轴线被引导以预定距离。换句话说，方法包括在与其伸长相同的方向上(通常是在垂直方向上)引导喷嘴的步骤。这是有利的，因为(多个)层的外围边缘可以(例如，在垂直方向上)方便地被平滑化。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的喷嘴可以沿着第一轴线伸长，并且至少一个外表面可以包括与第一轴线平行的至少一个平面。因此，在执行方法时与(多个)层的外围边缘邻接接触的喷嘴的外表面可以包括一个或多个平面。这是有利的，因为喷嘴通过其一个或多个平面侧面部分高效且方便地使(多个)层边缘平滑化。
喷嘴的至少一个外表面可以包括喷嘴的球形扇形的至少一个表面区域。这是有利的，因为喷嘴由此被配置成高效且方便地使层的外边缘平滑化，该外边缘还相对于喷嘴的伸长倾斜。换句话说，喷嘴被配置成在使向内和/或向外斜坡壁平滑化时提供更大的自由度。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的喷嘴可以沿着第一轴线伸长并且可以具有圆柱形状。这是有利的，因为喷嘴由此被配置成高效且方便地平滑化其外围边缘被圆化的层的(多个)外边缘。
根据本发明的方法可以进一步包括至少在沿着至少一层的外围边缘并且以深入到至少一层中的预定距离来引导喷嘴的步骤期间冷却喷嘴的步骤。为此目的，在该方法中使用的3D打印设备的打印机头可以包括冷却单元，该冷却单元与喷嘴热接触并且被配置为冷却喷嘴。术语“冷却单元”在此基本上是指任何冷却单元、装置等，其进一步配置成冷却喷嘴。这是有利的，因为在沿着(多个)层的外围边缘引导喷嘴期间，喷嘴的冷却可以减小喷嘴和打印材料之间的粘附。由此可以更高效地执行(多个)层的外围边缘的平滑化。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的喷嘴可以包括涂层，该涂层被布置成减小喷嘴和至少一层的外围边缘之间的粘附。这是有利的，因为喷嘴可以以更高效的方式沿着(多个)层的外围边缘被引导。涂层可以包括聚四氟乙烯、特氟龙等。
在根据本发明的方法中使用的3D打印设备的喷嘴可以是可偏斜的。换句话说，喷嘴可以被配置成被偏斜、倾斜等。这是有利的，因为可偏斜喷嘴可以高效地使倾斜的一个或多个层边缘(例如，弯曲的物体的那些层边缘)平滑化。
在本发明的第二方面，提供了一种包括指令的计算机程序，当程序由3D打印设备执行时，使得3D打印设备执行根据本发明的第一方面的方法的步骤。
在本发明的第三方面，提供了一种计算机可读数据载体，其上存储有根据本发明第二方面的计算机程序。
当研究以下详细公开内容、附图和所附权利要求时，本发明的进一步目的，特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，可以组合本发明的不同特征以创建除下面描述的实施例之外的实施例。
附图说明
现在将参考示出本发明的(多个)实施例的附图更详细地描述本发明的该方面和其他方面。
图1是根据现有技术的打印机头和通过这种打印机头沉积打印材料的示意图，
图2是根据本发明的示例性实施例的打印机头和由打印机头沉积的打印材料的平滑化的示意图，
图3是适用于在本发明的方法中使用的打印机头的示意图，和
图4是根据本发明的示例性实施例的打印机头和通过打印机头对物体的层的平滑化的示意图，以及
图5是根据本发明的示例性实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1是根据现有技术的通常打印机头100和通过这种打印机头沉积打印材料110的示意图。打印机头100的喷嘴120的形状为锥形。打印材料(例如熔融塑料)从喷嘴120的底部被挤出并且被提供为构成一个或多个层110的细丝。
图2是可以在本发明的方法中使用的3D打印设备(未示出)的打印机头200的示意图。打印机头200包括喷嘴210，喷嘴210被布置成沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝，以形成待由3D打印设备生产的物体的至少一层250。在图2中沿着第一轴线A伸长的喷嘴210包括至少一个外表面220。这里，外表面220包括平面B的形式，平面B平行于第一轴线A。在打印机头200已经将打印材料沉积到层250中(类似于图1所示的沉积)之后，喷嘴210被配置成与层250的外围边缘280邻接接触。应当理解，在该过程期间，喷嘴210不被配置为分配任何打印材料。打印机头200获得与打印材料的邻接接触的移动由箭头E表示，箭头E垂直于轴线A。因此，如箭头E所例示的打印机头200的移动平行于层250的平面。喷嘴210还被配置为沿着层250的外围边缘280并且以深入到层250中的预定距离d来被引导。因此，在已经打印了每个层250之后，喷嘴210再次越过打印路径，并且喷嘴210向内移动(由箭头E指示)并向下移动(由箭头F指示)。在图2中，层250的外围边缘280包括在层250的平面中突出的半球形形状，并且预定距离d对应于该半球形形状的半径。换句话说，预定距离d可以对应于层250的外围边缘280的圆形轮廓的振幅。此外，喷嘴210可以被配置成在由箭头F所指示的方向上(即平行于第一轴线A)被引导以预定距离c。这里，距离c对应于层250的厚度，但是应该注意，c可以基本上对应于任何距离，例如，多个层250的厚度。因此，打印机头200可以被配置为首先打印至少一层250，并且随后通过喷嘴210在一个或两个方向(如箭头E和F所指示)上的移动中的至少一个移动来平滑化至少一层250。换句话说，喷嘴210既可以用作挤出机，还可以用作平滑化元件。喷嘴210可以用于平滑化所沉积的(多个)层250，其中在已经打印了(多个)层250之后，可以沿着(多个)层250的(多个)外围边缘280引导喷嘴210的(多个)外表面220。
可以理解的是，此外，打印机头200可以包括圆柱形状的轮子，该轮子旋转地被耦合到喷嘴210，并且被配置成围绕喷嘴210和第一轴线A旋转。换句话说，沿着第一轴线A伸长的喷嘴210的至少一部分可以被圆柱形轮子包围，该圆柱形轮子被配置为围绕喷嘴210旋转。打印机头100的轮子可以被配置成在打印机头200的操作期间与至少一层的至少一个外围边缘280邻接接触，并且因此打印机头100的轮子在沿着至少一层250的至少一个外围边缘280被引导时，可以旋转。应当理解，轮子可以包括一种或多种材料或者由一种或多种材料组成，该一种或多种材料的性质有益于轮子使所沉积的(多个)层250平滑化的能力。例如，轮子的(多种)材料可以在轮子和层250之间提供相对低的摩擦系数、相对低的表面能(即，非粘性表面)和/或相对高的耐热性。轮子的材料的示例可以是聚四氟乙烯(PTFE)、石墨等。
图3是根据本发明的示例性实施例的打印机头300的示意图。这里，打印机头300的喷嘴310沿着第一轴线A伸长，其中喷嘴310的外表面的一部分具有与第一轴线A平行的平面B的形式。此外，喷嘴310的外表面包括喷嘴310的球形扇区的至少一个表面区域330，其中球形扇区具有角度α和半径r。
图4是根据本发明的示例性实施例的打印机头400和物体420的层410的平滑化的示意图。3D打印设备(未示出)的打印机头400沉积了多个相邻布置的打印材料细丝以形成多个层，该多个层又构成由3D打印设备产生的物体420。打印机头400的喷嘴450沿着第一轴线A伸长，并且基本上具有圆柱形状。在创建物体420的一个或多个层410之后，打印机头400的喷嘴450已经与物体420的至少一层410的外围边缘邻接接触。之后，喷嘴450在圆周方向G上沿着(多个)层410的外围边缘的至少一部分被引导。换句话说，通过将喷嘴450的光滑垂直表面压靠在打印物体420的外垂直壁上来使每个打印层410平滑。在该过程中，喷嘴450不分配任何打印材料。此外，喷嘴450可以被配置为穿透预定距离到至少一层410中。应当理解，可以至少在在圆周方向G上引导喷嘴450期间冷却喷嘴450。
图5是根据本发明的示例性实施例的方法500的示意性流程图。方法500包括步骤510：提供3D打印设备，该3D打印设备包括根据前述实施例中任一实施例的打印机头。方法500还包括步骤520：沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝，以形成待生产的物体的至少一层。方法500还包括步骤530：使喷嘴的至少一个外表面与至少一层的外围边缘邻接接触。此外，方法500包括步骤540：沿着至少一层的外围边缘的至少一部分并且以深入到至少一层中的预定距离d来引导喷嘴。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。例如，应当理解，附图仅是根据本发明的实施例的打印机头的示意图。因此，打印机头200、300、400和/或喷嘴210、310、450的任何元件/部件可以具有与所描绘和/或描述的那些不同的尺寸、形状和/或大小。

Claims (4)

1.一种基于挤出的增材制造方法(500)，其用于使用3D打印设备来制造物体，其中所述3D打印设备包括喷嘴(210、310、450)，所述喷嘴(210、310、450)被布置成沉积一个或多个相邻布置的打印材料细丝，其中所述方法包括以下步骤：
-沉积(520)所述一个或多个相邻布置的打印材料细丝以形成所述物体的至少一层，
-使(530)所述喷嘴(210、310、450)的外侧表面或侧面部分与所述至少一层的外围边缘邻接接触；以及
-沿着所述至少一层的所述外围边缘的至少一部分并且以在与所述至少一层的平面平行的方向上的、深入到所述至少一层中的预设距离(d)来引导(540)所述喷嘴(210、310、450)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷嘴(210、310、450)沿着第一轴线(A)伸长，并且其中所述方法还包括以下步骤：
-沿着第一轴线(A)引导所述喷嘴(210、310、450)以预定距离(c)。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
-至少在沿着所述至少一层的所述外围边缘并且以深入到所述至少一层中的预设距离(d)来引导所述喷嘴(210、310、450)的步骤期间冷却所述喷嘴(210、310、450)。
4.一种计算机可读介质，其上存储有包括指令的计算机程序，当所述程序由3D打印设备执行时，所述指令使得所述3D打印设备执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的所述步骤。
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