CN110430990A - 用于3d打印装置的打印机单元以及方法 - Google Patents

用于3d打印装置的打印机单元以及方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于沉积打印材料的3D打印装置的打印机单元(100)，以及3D打印的方法。打印机单元包括打印机头(105)，打印机头(105)包括喷嘴(110)。打印机头通过至少一个弹性部件(120)在竖直方向上被弹性地悬挂在打印机单元中，从而允许打印机头在沉积打印材料期间竖直移动。在沉积之前，处于其平衡态的悬挂的打印机头可定位在下面的材料上方的竖直距离(Δz1)处。在沉积打印材料期间，至少一个弹性部件被配置为由喷嘴上的竖直力(F3)偏置，喷嘴上的竖直力(F3)来自下面的材料上的打印材料，使得打印机头从其平衡态移动到距下面的材料所需竖直距离(Δz1)处的位置中。

Description

用于3D打印装置的打印机单元以及方法
技术领域
本发明一般涉及3D打印领域。更具体地，本发明涉及用于3D打印装置的打印机单元和打印方法。
背景技术
增材制造(有时也被称为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物品。
通过使用3D打印装置，可以在通常由计算机模型控制的多个打印步骤中以三维方式建造物品或物体。例如，可以提供物体的切片3D模型，其中每个切片由3D打印装置在离散打印步骤中重新创建。
最广泛使用的3D打印工艺之一是熔丝制造(FFF)。FFF打印机通常使用热塑性细丝，该热塑性细丝在熔融状态下从打印机的喷嘴喷出。然后逐层放置材料，以创建三维物体。FFF打印机相对较快并且可以用于打印各种物体，甚至是具有相对复杂结构的物体。
在3D打印期间，期望提供打印材料与下面的材料的充分粘附，并且期望沉积的打印材料层具有可预测的层厚度和层宽度。结果，沉积层可以作为相对平滑、均匀的表面提供。
应当注意，当前的FFF打印机头通常刚性地(机械/竖直固定)安装，这使得难以提供打印材料层的有利的上述特性。为了克服这一点，一些现有技术布置建议通过提供包括可铰接机器臂的布置而在打印期间增加多功能性。然而，这些类型的布置相对复杂和/或易于出错，因此可能导致打印期间的精确度较低。
因此，感兴趣的是能够沉积具有可预测的层厚度和层宽度的一层或多层打印材料的替代解决方案，从而产生相对平滑、均匀的层表面。
发明内容
本发明的一个目的是减轻上述问题，并提供一种能够沉积具有可预测的层厚度和层宽度的一层或多层打印材料的打印机单元和方法，从而产生相对平滑、均匀的层表面。
通过提供具有独立权利要求中的特征的打印机单元和方法来实现该目的和其他目的。优选实施例在从属权利要求中限定。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于沉积打印材料的3D打印装置的打印机单元。打印机单元包括打印机头，打印机头包括喷嘴。喷嘴被布置为在竖直方向和在下面的材料上沉积提供给喷嘴的打印材料的至少一个细丝。打印机头通过至少一个弹性部件在竖直方向上被弹性地悬挂在打印机单元中，从而允许打印机头在沉积打印材料期间竖直移动。在沉积之前，处于其平衡态的悬挂的打印机头可定位在下面的材料上方的一竖直距离处。在沉积期间，至少一个弹性部件被配置为由喷嘴上的竖直力偏置，喷嘴上的竖直力来自下面的材料上的打印材料，使得打印机头从其平衡态移动到距下面的材料所需竖直距离的位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种3D打印方法。方法包括提供根据本发明的第一方面的打印机单元的步骤。方法还包括在将打印材料沉积在下面的材料上之前，将处于平衡位置的悬挂的打印机头定位在下面的材料上方的一竖直距离处的步骤。方法还包括以下步骤：通过喷嘴，将提供给喷嘴的打印材料的至少一个细丝沉积在下面的材料上，由此至少一个弹性部件被配置为由喷嘴上的竖直力偏置，喷嘴上的竖直力来自下面的材料上的打印材料，使得打印机头从其平衡态移动到距下面的材料所需竖直距离的位置。
因此，本发明是基于提供一种用于3D打印装置的打印机单元的构思，该打印机单元被配置为沉积打印材料以生成在相对较大的区域上平滑的均匀表面。喷嘴在竖直方向上被弹性地安装，并且这种移动的自由允许喷嘴跟随下面的材料(例如，构建板或之前沉积的打印材料)的起伏。因此，即使在下面的材料具有不均匀形貌的情况下，本发明也可以保持喷嘴和下面的材料之间的距离相对恒定，这确保了打印材料粘附到下面的材料并获得预测的层厚度和宽度。应当注意，具有相对较大的区域的构建板通常可能包括诸如凸块、波浪等的不规则性，并且当构建板被加热时尤其如此。因此，本发明是非常有利的，因为沉积在构建板上作为下面的材料的打印材料可以作为平滑和均匀的层提供。
将理解，当前的FFF打印机头通常被刚性安装，喷嘴在竖直方向上没有任何移动的能力，例如，移动是为了跟随下面的材料的不平整度。对于相对较小的3D打印装置和/或布置，这并不总是必需的，因为打印床组件小且相对柔性，这允许在喷嘴推压构建板时，构建板被动地从喷嘴弯曲。然而，相对较大的3D打印装置和/或布置通常被更加刚性地构造以解决构建板的显著重量，并且因此当喷嘴遭遇任何起伏时，构建板不总是能够远离喷嘴弯曲。因此，由于喷嘴到构建板的距离不一致，所得到的表面光洁度可能较差。另一方面，本发明克服了这个问题，因为喷嘴在竖直方向上被弹性地安装，从而允许喷嘴跟随下面的材料的起伏，从而改善表面光洁度。
将理解，本发明的第一方面的打印机单元的所述优点也适用于根据本发明的第二方面的方法。
本发明的打印机单元包括打印机头，打印机头包括喷嘴。喷嘴布置为在竖直方向和在下面的材料上沉积提供给喷嘴的打印材料的至少一个细丝。术语“下面的材料”在这里意指构建板(平台)、一个或多个之前沉积的打印材料层等。
打印机头通过至少一个弹性部件在竖直方向上被弹性地悬挂在打印机单元中。术语“弹性地悬挂”在这里意指着打印机单元以弹性的方式安装、布置或类似。术语“弹性部件”在这里意指一个或多个弹簧、线圈、橡皮筋、气动活塞、磁性设备、气压/液压缸等。
在沉积之前，处于平衡态的悬挂的打印机头可定位在下面的材料上方的竖直距离处。术语“平衡态”在这里意指悬挂的打印机头在竖直方向上的力平衡。在沉积期间，至少一个弹性部件被配置为由喷嘴上的竖直力偏置，喷嘴上的竖直力来自下面的材料上的打印材料，使得打印机头从其平衡态移动到距下面的材料所需竖直距离的位置。换句话说，由于打印材料的非零粘度，打印材料在下面的材料上施加向下的力。另外，打印材料的力在竖直方向上向上偏置弹簧，从而在竖直方向上向上推动喷嘴。
根据本发明的一个实施例，至少一个弹性部件包括至少一个弹簧。本实施例的有利之处在于，弹簧提供了一种方便的方式来保持向下施加的力恒定，从而保持喷嘴和下面的材料之间的相对恒定的距离。
根据本发明的一个实施例，打印机头还包括第一控制单元，第一控制单元被配置为控制弹性部件的力常量。因此，第一控制单元可以在打印期间调整弹性部件的力常量。本实施例的有利之处在于，第一控制单元可以在打印期间有效地调整弹性部件的弹性，从而有助于打印材料的表面更加平滑和/或更均匀。
根据本发明的一个实施例，至少一个弹性部件的力常量根据打印材料的粘度、下面的材料的形貌和打印材料的沉积的流速中的至少一个来确定。换句话说，弹性部件的力常量可以基于打印材料的粘度、下面的材料的形貌和打印材料的沉积的流速中的一个或多个来确定。因此，力常量可以补偿所使用的不同打印材料、下面的材料的变化和/或沉积流速。本实施例的有利之处在于，可以更高程度地实现沉积层的平滑度。
根据本发明的一个实施例，打印机单元还可以包括第一致动器，第一致动器被配置为至少部分地阻碍打印机头的竖直移动。因此，第一致动器可以配置为在需要时限制打印机头的竖直移动。另外，根据本发明的一个实施例，第一致动器可以被配置为阻挡打印机头的竖直移动。本实施例的有利之处在于，通过阻碍打印机头的竖直移动或通过阻挡移动而使竖直移动可选，打印机单元在打印期间变得更加多功能。
根据本发明的一个实施例，第一致动器通过电磁、液压和气压中的至少一种可操作。另外，根据本发明的一个实施例，第一致动器可以包括至少一个阻尼部件。
根据本发明的一个实施例，可以提供一种3D打印装置，包括根据前述实施例中任一个的打印机单元，以及被配置为在竖直方向上使打印机单元位移的第二致动器。因此，在该实施例中，包括弹性悬挂的打印机头的打印机单元可以附加地配备有例如步进电机或伺服电机的(电)致动器。本实施例的有利之处在于致动器可以竖直地(即上下)精确地移动打印机单元。结果，主动控制打印机头的高度位置的可能性被使能，并且可以主动地控制下面的材料和喷嘴之间的距离。
根据本发明的一个实施例，3D打印装置还可以包括多个打印机头。术语“多个打印机头”在这里意指3D打印装置具有安装在装置上的至少两个打印机头，或者安装在装置上的打印机头可以更换为另一个打印机头。将理解，第二致动器在竖直方向上使打印机单元位移的可能性对于包括多个打印机头的3D打印装置特别有用，因为每个打印机头可以具有与喷嘴和/或打印机头有关的其自己的单独的调平(levelling)校准，和/或与构建板到喷嘴高度有关的校正。
根据本发明的一个实施例，提供了一种3D打印布置。3D打印布置包括根据前述实施例中任一个的打印机单元，以及布置在水平平面中的构建板，其中喷嘴被布置为在构建板上沉积打印材料的至少一个细丝。应当注意，在构建板表面上可能经常出现诸如凸块、波浪、突起等的不规则性。因此，本发明因此非常有利，因为沉积在构建板上作为下面的材料的打印材料可以作为平滑和均匀的层提供。
根据本发明的一个实施例，可以提供被配置为加热构建板的至少一个加热单元。本实施例的有利之处在于，加热单元提供了沉积在构建板上的打印材料的更好的粘附性。另外，由于加热的构建板可能因(不均匀的)热膨胀而更易受平坦度变形的影响，与未加热的构建板相比，本发明在下面的材料的起伏的情况下，允许喷嘴提供平滑的层的可能性更加重要。
当研究以下详细公开内容、附图和所附权利要求时，本发明的另外的目的、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了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实施例的附图更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。
图1a-图1c和图2a-图2d是用于根据本发明的示例性实施例的3D打印装置的打印机单元的示意图，
图3是根据本发明的一个示例性实施例的3D打印装置的示意图，
图4是根据本发明的一个实施例的3D打印布置的示意图，以及
图5是根据本发明的一个示例性实施例的方法的示意图。
具体实施方式
图1a示出了用于3D打印装置的打印机单元100的示意图。将理解，打印机单元100可以包括附加元件、特征等。然而，为了增加理解，在图1a中省略了这些元件、特征等。打印机单元100包括打印机头，打印机头包括喷嘴110，喷嘴110被布置为在竖直方向和在下面的材料上沉积提供给喷嘴110的打印材料的至少一个细丝115。下面的材料被例示为略微起伏的构造板130，但可以备选地由至少一层(之前沉积的)打印材料构成。应当注意，构建板130可以在几个点处被支撑和调平，点通常与构建板130的尺寸成比例，以最小化构建板130的翘曲。在调平之后，构造板130通常存在某些非平坦剩余。这导致喷嘴110和构建板130之间的距离的变化，并且可以进一步生成表面外观的变化。
打印材料从锥形喷嘴110的底部挤出。为了能够产生打印材料层的相对平滑的表面，通常利用0.1mm-0.2mm的相对较小的层厚度来打印第一层打印材料。将理解，喷嘴110和下面的材料130之间的距离需要被很好地控制以产生相对平滑的表面。喷嘴110可以被加热器加热，由此温度保持在打印材料可以容易地流动的水平。在图1a中，在喷嘴110从左至右(即沿x轴)的移动方向上提供打印材料的细丝115的沉积。将理解，单独的细丝115可以由打印机单元100在彼此之上沉积，或者备选地，相邻地布置，使得细丝115构成一个或多个层。
打印机头通过一个或多个弹性部件120在竖直方向(z)上被弹性地悬挂在打印机单元100中。在图1a中，弹性部件被例示为弹簧120，但可以备选地采用其他形式。在打印材料的沉积期间，弹性部件120允许打印机头的竖直移动。
图1b示出了弹性悬挂的打印机头处于平衡态。应当注意，弹簧120相对于喷嘴110的布置仅作为示例提供，以用于说明的目的和/或用于增加理解。这里，来自打印机头100的向下的力F1(在负z方向上)被来自弹簧120的向上的竖直力F2(在z方向上)抵消，使得F1+F2＝0。在沉积打印材料之前，被拉伸(偏置)的弹簧120具有长度l1，而未被偏置的弹簧120的长度为10<11。因此，喷嘴110的尖端可定位在下面的材料130上方的竖直距离Δz1处。将理解，弹簧120可以以压缩或延伸的方式安装。
图1c示出了在从打印机单元100的喷嘴110沉积打印材料期间的打印机头。弹簧120进一步被喷嘴110和/或打印机头上的向上的竖直力F3(即，在z方向上)偏置，竖直力F3来自下面的材料130上的打印材料，使得F1+F2+F3＝0。这里，被拉伸(偏置)的弹簧120具有长度l2，其中l2<l1。力F3导致打印机头从图1b的平衡态移动到在z方向上距下面的材料130所需竖直距离Δz2处的位置。由此，打印机头可以方便地跟随下面的材料130(例如，构建板)，即使下面的材料130起伏、不规则和/或不平坦，并且产生相对平滑的打印材料表面。
打印机单元100可以包括第一控制单元(未示出)，其被配置为控制弹性部件120的力常量(k)。力常量可以根据打印材料的粘度来确定。因此，如果打印材料例如相对较厚(高粘度)，或者备选地相对较薄(低粘度)，则可以对应地确定(设置)力常量。另外，力常量可以根据下面的材料130的形貌来确定。例如，如果下面的材料130(例如，构建板)相对平坦，或者备选地相对起伏、不规则、凹陷、损坏等，则可以对应地确定(设置)力常量。
打印机单元100可以包括联接到弹性部件120的第一致动器(在图2b-图2d中例示)。第一致动器可以被配置为至少部分地阻碍打印机头的竖直移动。例如，第一致动器可以被配置为(完全)阻挡打印机头的竖直移动。将理解，第一致动器可以通过例如电磁和/或气压而可操作。第一致动器还可以包括一个或多个阻尼部件(例如，一个或多个阻尼器)。例如，阻尼器可以被配置为生成与打印机头在竖直方向上的负速度成比例的力F4(未示出)。
图2a是根据本发明的示例性实施例的打印机单元100的示意图。这里，打印材料170被进给器180进给到喷嘴110。呈弹簧形式的弹性部件120联接到托架185和进给器180的壳体190。在托架185和壳体190之间，提供了可以在竖直方向上移动的固定装置200(例如导轨)。因此，被例示为喷嘴110的打印机头105、进给器180和壳体190通过弹簧120在竖直方向上被弹性地悬挂在打印机单元100中，从而在沉积打印材料170期间，允许打印机头105的竖直移动。
图2b是打印机单元100的示意图，其类似于图2a中例示的打印机单元。然而，在这里，第一致动器210联接到弹簧120的一端和托架185，即第一致动器210与弹簧120串联联接。第一致动器210因此被配置为至少部分地阻碍打印机头105的竖直移动。例如，第一致动器210可以构成用于主动阻碍控制的装置。
在图2c中，其例示了打印机单元100的又一示意图。这里，第一致动器220联接在壳体190和托架185之间，并且与弹簧120并联联接。在该示例性实施例中，第一致动器220可以构成用于阻尼和/或中断打印机头105的竖直移动的主动阻尼器和/或制动器。
图2d是打印机单元100的又一示意图，其类似于图2a-图2c中所例示的那些打印机单元。这里，托架185形成为订书针，其中弹簧120联接在订书针形的托架185的第一凸缘和壳体190之间，并且其中第一致动器230联接在壳体190和订书针形的托架185的第二凸缘之间。
图3是根据本发明的一个实施例的3D打印装置300的示意图。3D打印装置300包括根据图1a-图1c和/或图2的打印机单元100。另外，3D打印装置300包括第二致动器310，第二致动器310被配置为使打印机单元100在竖直方向(z方向)上位移。更具体地，第二致动器310包括被配置为作用在推杆320上的电机，推杆320又可以向下或向上移动打印机单元100。第二(电)致动器310可以是步进电机或伺服电机。如图所示的3D打印装置300可以精确地控制打印机单元100的竖直(即，上下)移动。结果，主动控制打印机头的高度位置的可能性被使能，并且可以主动地控制下面的材料和喷嘴110之间的距离。
尽管未示出，但图3中的3D打印装置300还可以包括多个打印机头，即安装在装置上的至少两个打印机头或一组可更换的打印机头。
图4是根据本发明的一个实施例的3D打印布置400的示意图。3D打印布置400包括根据前述实施例中任一个的打印机单元，以及布置在水平平面中的构建板130，其中喷嘴110被布置为在构建板130上沉积打印材料的一个或多个细丝。另外，3D打印布置400包括(示意性指示的)加热单元410，加热单元410被配置为加热构建板130以使沉积在构建板130上的打印材料具有更好的粘附性。
图5是根据本发明的示例性实施例的方法500的示意图。方法包括提供根据本发明的第一方面的打印机单元的步骤510。方法还包括在将打印材料沉积在下面的材料上之前，将处于平衡位置的悬挂的打印机头定位在下面的材料上方的步骤520。方法还包括以下步骤530：通过喷嘴，将提供给喷嘴的打印材料的至少一个细丝沉积在下面的材料上，由此至少一个弹性部件被配置为由喷嘴上的竖直力偏置，喷嘴上的竖直力来自下面的材料上的打印材料，使得打印机头从其平衡态移动到距下面的材料所需竖直距离的位置。
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化。例如，将理解，图仅仅是根据本发明的实施例的打印机单元的示意图。因此，打印机单元100的任何元件/组件(诸如喷嘴110、弹簧120等)可具有与所描绘和/或描述的那些不同的尺寸、形状和/或大小。例如，喷嘴110和/或弹簧120可以比图中例示的更大或更小。

Claims (13)

1.一种用于沉积打印材料的3D打印装置的打印机单元(100)，包括：
打印机头(105)，包括喷嘴(110)，所述喷嘴(110)被布置为在竖直方向(z)上以及在下面的材料上沉积提供给所述喷嘴的打印材料的至少一个细丝，
其中所述打印机头通过至少一个弹性部件(120)在所述竖直方向上被弹性地悬挂在所述打印机单元中，从而允许在所述打印材料的沉积期间所述打印机头的竖直移动，
其中在沉积之前，处于其平衡态的悬挂的所述打印机头能定位在所述下面的材料上方的竖直距离(Δz1)处，
并且其中在沉积期间，所述至少一个弹性部件被配置为通过所述喷嘴上的来自所述下面的材料上的所述打印材料的竖直力(F3)而变得偏置，使得所述打印机头从其平衡态移动到距所述下面的材料所需的竖直距离(Δz2)处的位置中。
2.根据权利要求1所述的打印机单元，其中所述至少一个弹性部件包括至少一个弹簧。
3.根据权利要求1或2所述的打印机单元，还包括第一控制单元，所述第一控制单元被配置为控制所述弹性部件的力常量(k)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的打印机单元，其中所述至少一个弹性部件的所述力常量根据以下中的至少一个被确定：
所述打印材料的粘度，
所述下面的材料的形貌，以及
所述打印材料的所述沉积的流速。
5.根据前述权利要求中任一项所述的打印机单元，还包括第一致动器(210，220，230)，所述第一致动器(210，220，230)被配置为至少部分地阻碍所述打印机头的所述竖直移动。
6.根据权利要求5所述的打印机单元，其中所述第一致动器被配置为阻止所述打印机头的所述竖直移动。
7.根据权利要求5或6所述的打印机单元，其中所述第一致动器是通过电磁、液压和气压中的至少一种可操作的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的打印机单元，其中所述第一致动器包括至少一个阻尼部件。
9.一种3D打印装置(300)，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的打印机单元(100)，以及
第二致动器(310)，被配置为在竖直方向上使所述打印机单元位移。
10.根据权利要求9所述的3D打印装置，还包括多个打印头。
11.一种3D打印装置(400)，包括：
根据前述权利要求1至8中任一项所述的打印机单元(100)，以及
布置在水平平面中的构建板(130)，
其中所述喷嘴被布置为在所述构建板上沉积打印材料的至少一个细丝。
12.根据权利要求11所述的3D打印装置，还包括至少一个加热单元(410)，所述至少一个加热单元(410)被配置为加热所述构建板。
13.一种方法(500)，包括以下步骤：
提供(510)根据权利要求1至8中任一项所述的打印机单元；
在将打印材料沉积在下面的材料上之前，将处于其平衡位置的悬挂的所述打印机头定位(520)在所述下面的材料上方的竖直距离(Δz1)处，
通过所述喷嘴，将提供给所述喷嘴的打印材料的至少一个细丝沉积(530)在所述下面的材料上，由此所述至少一个弹性部件被配置为通过所述喷嘴上的来自所述下面的材料上的所述打印材料的竖直力(F3)而变得偏置，使得所述打印机头从其平衡态移动到距所述下面的材料所需的竖直距离(Δz2)处的位置中。
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