CN110177675A - 具有附加的调温器件的3d打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于3D打印机的打印头(10)，该打印头包括用于接收粘度变化的初始材料(20)的工作容积(17)，其中，所述工作容积(17)可以通过活塞(31,31a,31b)的运动变化并且具有排出开口(16)，通过运动所述活塞(31,31a,31b)，所述初始材料(20)能够通过所述排出开口挤出，其中，所述活塞(31,31a,31b)具有调温器件(36)。

Description

具有附加的调温器件的3D打印头
技术领域
本发明涉及一种用于3D打印机的打印头，该打印头用于选择性地局部输出初始材料的液相。
背景技术
用于粘度变化材料的3D打印机获得该材料的固相作为初始材料、由该固相产生液相并且将该液相选择性地施加到属于待制造对象的部位上。这样的3D打印机包括打印头，在该打印头中，初始材料被处理为准备打印的。此外，设置用于产生打印头和工作面之间的相对运动的器件，应在所述工作面上形成对象。在此，或者仅打印头、仅工作面能够运动，或者然而，不但打印头而且工作面都能够运动。
通常，为了转化为液相，初始材料被加热。US 2016/082 627 A1公开了将初始材料以颗粒形状供应并且借助输送蜗杆输送到加热区，初始材料以塑化形式从该加热区排出。
在此，根据DE 20 2015 006 748 U1一般存在以下目标冲突：初始材料不应在其以固相被供应的地方已经融化。
因此，在DE 10 2015 002 967 A1中提出，初始材料借助辐射加热装置和其它局部作用的加热装置直至在离开打印头之后的最后时刻，或者在到达待制造对象上时才被加热。
发明内容
在本发明的范畴内研发出一种用于3D打印机的打印头。该打印头包括用于接收粘度变化的初始材料的工作容积。该工作容积可通过活塞的运动变化，即可增大或减小。此外，工作容积具有排出开口，通过活塞的运动，初始材料的液相能够通过该排出开口挤出。
根据本发明，活塞具有调温器件，该调温器件尤其可以用于活塞本身和/或初始材料的调温。
已经认识到，对于活塞温度不但存在上极限而且存在下极限。即活塞保持在预给定的温度带内，例如借助冷却装置。活塞温度的上极限位于与活塞接触的初始材料例如不希望地融化或打印头以其它方式被过度加热的地方。另一方面，活塞也不应这样地被冷却，使得在活塞上形成冷凝水。冷凝水能够中断打印过程。如果冷凝水进入到由初始材料构成的熔融物中，冷凝水可以在那里继续蒸发并且导致初始材料的不受控的、爆炸式的挤出。为了遵守这两个极限，活塞温度相应地是决定性的。仅从工作容积外穿过其壁作用的温度调节仅间接地对活塞温度起作用。布置在活塞上的调温器件直接影响活塞温度并且因此确保更准确地遵守所述温度带。
打印头的过度加热例如可以引起活塞的驱动源的损坏。如果该驱动源例如是液压缸，则热可以从活塞经由将活塞耦合到驱动源上的活塞杆输入到驱动源的液压油中。由此能够损坏液压油和/或所使用的润滑脂，这在最坏的情况下导致危害打印质量或甚至导致3D打印机故障。
就此而言重要的是，从初始材料到活塞中的热输入在打印过程期间不是稳定的，而是非常强烈地波动。如果活塞朝排出开口的方向移动并且施加压力到初始材料上，则到活塞中的热输入最大。相反地，如果活塞被拉回并且失去与初始材料的接触，则到活塞中的热输入最小。因此，对于活塞的温度调节而言，在打印过程期间总是存在介入的机会。
在本发明的一个特别有利的构型中，活塞具有至少一个用于引导调温介质穿过的通道。然后，热可以通过调温介质朝所希望的方向传递，例如从活塞朝热沉的方向，或者为了加热初始材料，也从热源朝活塞的方向。调温介质例如可以是水、热油、压缩空气、热气或也可以是深冷的液化气体，例如液氮。因此，活塞例如可以被用作预加热装置或也可以被用作初始材料的唯一加热装置，当初始材料是高熔点材料和/或关注高打印速度而要求初始材料的大质量流时，这尤其是有利的。如果初始材料具有低熔点，则活塞的调温可以被用于将初始材料的温度有意识地保持在该熔点以下。这与根据到目前为止的现有技术的仅能够提高温度的解决方案相比，是反直觉的(kontra-intuitiv)。
在本发明的一个特别有利的构型中，活塞被划分为面向初始材料的挤压部件和背离初始材料的、与所述挤压部件处于热接触中的调温部件。以这种方式，这两个部件可以分别根据其特定任务被优化。
例如，通道的至少一个部分区段可以穿过调温部件延伸。温调部件可以由特别良好地适合以这种形状被加工的材料制成。调温部件尤其能够以这样的技术制造，该技术特别良好地适用于制造复杂的并且同时精细的结构。为了制造介质紧密的三维结构，例如增材制造，在这里尤其3D打印是适合的。
有利地，挤压部件由比调温部件更硬的材料制成。挤压部件机械上更强地受磨损负荷，因为所述挤压部件密封工作容积以防初始材料漏出并且因此会在工作容积的内壁上摩擦。挤压部件例如可以由可硬化的或硬化的钢制成。调温部件例如可以由铝制成，铝廉价并且相对容易加工，同时具有良好的导热性。挤压部件和调温部件以组合的方式构成廉价且高效的复合件。
调温部件和挤压部件尤其可以具有用于调温介质的通道的彼此相对应的部分区段。用于调温介质流入的通道和用于调温介质回流的通道例如可以穿过调温部件延伸，并且两个通道可以共同通入到挤压部件中的孔中。该孔可以相对简单地制造。在调温介质通过回流又从活塞被引导出之前，在孔的内壁上，调温介质与挤压部件进行热交换。
替代地或也与用于引导调温介质穿过的通道组合地，活塞也可以通过热传导装置耦合到储热器上，例如通过由热传导良好的金属如铜制成的杆或软线。以这种方式，可以在没有不密封的风险和没有可运动部件的情况下传递热，其代价是：热传递的速度不能通过提高调温介质的流动速度来提高。
在最简单的情况下，冷却板材或冷却体例如可以作为储热器与周围环境空气耦合。
在本发明的另一特别有利的构型中，工作容积具有进料区和可加热的塑化区，所述进料区具有用于初始材料的供应部。在此，活塞能够导入到进料区中。
在该布置中，当活塞被拉回到供应部的区域之后，例如颗粒状的初始材料能够以周期性的方式从供应部涓流到工作容积中。如果活塞随后朝排出开口的方向运动，则初始材料被压缩并且被输送到塑化区中。该过程依赖于与活塞处于接触中的初始材料未被融化。初始材料的塑化相具有又稠又粘的稠度，该稠度具有高的表面附着倾向。如果活塞与该塑化相接触，则活塞能够与该塑化相粘连，由此可以在活塞拉回时防止或甚至完全中断新鲜初始材料的涓流。
因此，调温器件有利地构造为，当初始材料的液相从排出开口排出时，将进料区的温度TS也保持在初始材料开始塑化的温度TP以下。这尤其在高融化温度时和/或在12小时或更长时间的打印任务的情况下仅借助通过布置在工作容积外的冷却器件来冷却活塞是不能够始终被保证的。例如，塑料PES具有从320℃起的融化温度。
然而，进料区的布置在工作容积外的冷却装置有利地用于辅助穿过活塞的冷却。也可能的是，将这样的冷却装置与穿过活塞的调温装置组合，该调温装置仅构造为用于加热活塞。例如，当活塞被拉回到进料区之后，则可以停用这样的调温装置，并且当新鲜初始材料朝塑化区的方向被输送时，则可以再次激活所述调温装置。直接作用到活塞上的调温装置对用于停用和激活的要求足够快地做出反应。
打印头的这样的构型也是有意义的：所述构型也可以没有用于供应初始材料固相的进料区。例如，工作容积可以具有用于初始材料液相的供应部，当活塞已经被拉回到供应部之后时，初始材料例如总是从该供应部流到工作容积中。
在本发明的另一特别有利的构型中，活塞通过隔热的连接件与活塞的驱动源连接。以这种方式有利地避免到热敏感的驱动源、例如液压缸和压电式驱动源中的热输入。
在本发明的另一特别有利的构型中，用于活塞的驱动源构造为用于在初始材料中产生1000bar或更高、优选1500bar或更高的压力p。以这种方式，高粘度的初始材料的液相也可以被挤压穿过明显更小的排出开口，使得可以明显地改善精细地打印出的结构的分辨率。
替代地，用于活塞的驱动源有利地构造为用于在初始材料中产生350bar至750bar之间的压力。在该压力区域中，能够在相对适度的设备成本的情况下处理足够大类别的塑料作为初始材料。
在以纤维作为初始材料的3D打印中，通过纤维的进给产生将液态材料从打印头的排出开口挤出的压力。因此，可达到的最大压力由原理决定地相对较低。该压力位于60-70bar的数量级内。在更高的压力的情况下，融化的材料朝向后的方向在纤维旁流过并且因此在错误的位置处从打印头排出。因此，当前在商业规格中可以使用从约0.4mm起的喷嘴直径和因此从约0.4mm起的横向结构分辨率。当前研究的内容是将该极限改进到0.2mm或更小的值。一些塑料完全不能被处理或仅能以不令人感兴趣的喷嘴直径被处理，因为这些材料在液态状态中对于可提供的压力而言也太粘稠。打印出的结构的精度位于相同的数量级内。
相反地，如果由活塞的使用而定提供明显更高的压力，则可使用0.1mm的喷嘴直径，并且可以将结构精确地打印到约±50μm。此外，原则上可以使用所有热塑性材料以及也可以使用一定的热固性材料和弹性体。也可以使用低熔点焊料，例如锡或具有任何类型填料的材料。必要时，在使用这些材料时需要不同的喷嘴直径。打印头能够以任何喷嘴直径工作，因为初始材料借助活塞的输送能够任意缩放。该缩放仅须匹配具体的材料。
用于活塞的驱动源例如可以是具有机械传动装置的电动机，例如通过机械的螺杆。在这样的传动装置中，力增强和因此压力增强伴随着行程延长，使得压力建立相应地持续更久并且打印头由于更低的力密度变得更重。替代地，驱动源可以是液压的压力源，在这里尤其是伺服液压的压力源。在这里，通过有效面的面积比实现传动比。
此外，在下面根据附图与本发明的优选实施例的说明一起详细地示出改进本发明的措施。
在本发明的另一特别有利的构型中，设置用于活塞位置s的位移测量系统，和/或设置用于由活塞施加到颗粒物上的力F或用于施加到活塞上的液压压力PH的传感器。活塞的进给是用于从排出开口排出的初始材料量Q的量度。该量可以通过位移测量系统来控制。此外，力F与初始材料中的压力直接相关。
在本发明的另一特别有利的构型中，在打印头和/或在包含打印头的3D打印机中设置用于活塞驱动源的主动调节装置，该主动调节装置设置为用于将由活塞施加到颗粒物上的力F调节到预给定的额定值FS上。由此，初始材料中的压力可以被保持在预给定的值上。尤其，当周围环境空气从颗粒物填料逸出并且该填料因此被压缩时，所述压力能够以这种方式自动平衡。活塞的进给尤其可以通过过程调节与行程和力相关地在微米范围内被调节。
在本发明的另一特别有利的构型中，在排出开口的区域中布置有用于压力PL的压力传感器，和/或布置有用于初始材料液相的温度TL的温度传感器。压力PL是原始参数，该参数决定初始材料从排出开口排出的质量流Q。温度TL的附加测量能够实现，在确定质量流Q时也考虑初始材料粘度的温度相关性。通过活塞进给可以精确地调节待计量的量Q。对于制造对象的质量而言，温度TL的控制，尤其呈恒定和准确调节形式的控制，甚至更重要，以便避免初始材料的热降解。就此而言，例如在打印头的有利变型中可以省去压力传感器。
在本发明的另一特别有利的构型中设置分析评估单元，该分析评估单元构造为用于由压力PL和/或温度TL分析评估初始材料的液相在通过排出开口卸压时的体积增加ΔV+。发明人认识到，对于施加到待制造对象上的结构的精度而言，离开排出开口的准确的材料量不是决定性的。相反地，到达待制造的对象上的材料量才是决定性的。因为本发明能够实现，与根据到目前为止的现有技术相比，初始材料能够以明显更高的压力通过小的排出开口挤出，所以体积增加ΔV+由于卸载所述高的压力而导致对于实际制造的结构大小至关重要的效果。例如根据分析评估单元的安排，可以将活塞进给减少一个量，该量与体积增加ΔV+对应。以这种方式，例如可以在待制造的对象上沉积由初始材料组成的束，该束具有100μm±5μm的直径。
在本发明的另一有利构型中，分析评估单元附加地构造为用于由温度TL分析评估初始材料的液相在从排出开口排出之后凝固时的体积收缩ΔV-。因此，例如可以在对象上沉积由初始材料组成的束，该束首先具有105μm的直径并且在凝固时精确地收缩到所希望的100μm的直径。
在本发明的另一特别有利的构型中，分析评估单元附加地构造为用于分析评估初始材料的穿过排出开口排出的液相所传递的能量流E。以这种方式可以总体上监控待制造对象中的热平衡，使得可以匹配打印头的其它打印策略和轨迹运动。例如在制造扩展的对象时可能需要在一位置处中断打印过程并且在打印头移动到另一位置处之后继续打印过程。如果分析评估能量流E，则例如可以识别出：应继续打印过程的位置由于热效应已经移动并且应相应地做出反应。在此，尤其也可以考虑由于热传导和/或热辐射而从对象中的能量流出。
在本发明的另一特别有利的构型中，分析评估单元附加地构造为用于：在考虑活塞位置s的情况下和/或根据由活塞施加的压力F来分析评估初始材料穿过排出开口排出的质量流Q。以这种方式还可以进一步改进计量的精度、尤其在对象上制造的结构尺寸的精度。
为了由传感器测量出的或者由分析评估单元分析评估的参量最终反映到待制造对象的结构的更精确制造中，这些参量尤其可以反馈到主动的过程调节中。
通过对打印头上的材料进行定性和特征描述可以在必要时建立参数组，该参数组允许以高精度单纯控制地、即无主动反馈地制造结构。
所说明的几何形状、温度和其它值能够任意地针对不同材料或者材料组进行调整。
附图说明
在下面根据附图与本发明的优选实施例的说明一起详细地示出改进本发明的措施。
附图示出了：
图1在打印状态中的根据本发明的打印头10的实施例；
图2在未打印状态中的打印头10的另一瞬间记录。
具体实施方式
根据图1，打印头10包括壳体19，该壳体具有在其中导向的活塞31。活塞31由调温部件31a和挤压部件31b组成。由硬化的钢制成的挤压部件31b相对于初始材料密封地在壳体19的中心孔19a中被导向。该挤压部件阻止初始材料20的固相21漏出并且将该固相21从进料区11挤压到压缩区11a中，在该压缩区中形成与初始材料20的液相22的边界层11b。在此留出排气间隙54，气体可以通过该排气间隙从壳体19逸出。由铝制成的调温部件31a邻接到挤压部件31b上并且在壳体19的中心孔19a中更松动地被导向。因此，调温部件31a比挤压部件31b经受更少的机械磨损。通过隔热的连接件37，活塞31与其驱动源38连接，该驱动源在图1中未进一步详细示出。在活塞31朝打印头10的排出开口16方向运动时，初始材料20的液相22从排出开口16被排出。图1是在打印头10恰好能够准备打印的状态中的瞬间记录。在该状态中，在打印头10的壳体19中的中心孔19a内的工作容积17相对较小。
用于调温介质35的流入通道32和回流通道33穿过调温部件31a。流入通道32和回流通道33通到挤压部件31b中的中心孔34中。因此，该中心孔34使用于调温介质35的循环回路闭合并且该中心孔与流入通道32、回流通道33和调温介质35一起构成用于活塞31的调温器件36。在中心孔34中，调温介质35与挤压部件31b进行热交换，并且因此与初始材料22的固相21进行热交换。
在图1所示的实施例中，初始材料20的固相21通过漏斗12被供应并且一旦活塞31被拉回到进料区11之后，则所述固相涓流到打印头10中的进料区11中。为了能够实现涓流，在进料区11中仅允许存在初始材料的固相21。该固相21尤其不允许融化和粘连。因此，进料区11通过冷却器件13从外部冷却。冷却器件13包括具有冷却介质的主动冷却装置13a和具有冷却肋的被动冷却装置13b。附加地，用于活塞31的调温介质35同样是冷却介质并且因此有助于将进料区中的温度TS保持在初始材料20的固相21开始塑化的温度TP以下。
初始材料20的固相21在塑化区14中借助加热装置15被加热并且由此转化为液相22，该液相能够在加载压力的情况下从排出开口16排出。
在图1中右侧绘制出沿着壳体19的轴线19b的温度T的走势。
在图1中附加地绘制出在壳体19上的附加入口53，其中，在另一构型中，初始材料20的液相22可以直接被引入到塑化区14中。
图2示出在未打印状态中的打印头10的另一瞬间记录，在该状态中，活塞31已经被拉回到进料区11之后。这给初始材料20的固相21打开涓流到进料区11中的路径。同时，在活塞31拉回时突然中断与初始燃料20的固相21的热接触并且从而也突然中断到活塞31中的热输入。现在，可以快速适配、停用活塞31的调温或者甚至将其变换到加热中，以避免在活塞31上形成冷凝水。在图2所示的状态中，在打印头10的壳体19中的中心孔19a内的工作容积17是最大的。
附加地，在图2中还示例性地绘制出：活塞31如何能够通过传导热的软线39耦合到储热器40上。软线39和储热器40也属于用于活塞31的调温器件36。

Claims (11)

1.一种用于3D打印机的打印头(10)，所述打印头包括用于接收粘度变化的初始材料(20)的工作容积(17)，其中，所述工作容积(17)能够通过活塞(31,31a,31b)的运动变化并且具有排出开口(16)，通过所述活塞(31,31a,31b)的运动，所述初始材料(20)的液相(22)能够通过所述排出开口挤出，其特征在于，所述活塞(31,31a,31b)具有调温器件(36)。
2.根据权利要求1所述的打印头(10)，其特征在于，所述活塞(31,31a,31b)具有至少一个用于引导调温介质(35)穿过的通道(32,33)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述活塞(31)被划分为面向所述初始材料(20,21)的挤压部件(31b)和背离所述初始材料(20,21)的、与所述挤压部件(31b)处于热接触中的调温部件(31a)。
4.根据权利要求3所述的打印头(10)，其特征在于，所述通道(32,33)的至少一个部分区段穿过所述调温部件(31a)延伸。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述打印部件(31b)由比所述调温部件(31a)更硬的材料制成。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述调温部件(31a)通过增材制造、尤其通过3D打印制造。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述活塞(31,31a,31b)通过热传导装置(39)耦合到储热器(40)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述工作容积(17)具有进料区(11)和能加热(15)的塑化区(14)，所述进料区具有用于所述初始材料(20,21)的供应部(12)，其中，所述活塞(31,31a,31b)能够导入到所述进料区(11)中。
9.根据权利要求8所述的打印头(10)，其特征在于，所述调温器件(36)构造为，当所述初始材料(20)的液相(22)从所述排出开口(16)排出时，将所述进料区(11)的温度TS也保持在所述初始材料(20)开始塑化的温度TP以下。
10.根据权利要求9所述的打印头(10)，其特征在于，附加地设置有所述进料区(11)的布置在所述工作容积(17)外的冷却装置(13)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的打印头(10)，其特征在于，所述活塞(31,31a,31b)通过隔热的连接件(37)与该活塞的驱动源(38)连接。
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