CN111629849B - 用于3d打印的打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头(1)，所述打印头包括壳体(3)、用于供应金属(14)的装置(28)、储存器(7,27)、喷嘴装置(2)和活塞(5)，其中，所述喷嘴装置(2)具有导向套筒(11)、具有排出开口(10)的喷嘴板(9)和夹紧装置(4)。喷嘴板(9)和导向套筒(11)通过夹紧装置(4)彼此弹性夹紧，并且导向套筒(11)和储存器(7,27)通过夹紧装置(4)彼此弹性夹紧。

Description

用于3D打印的打印头
技术领域
本发明涉及一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头。
背景技术
用于热塑性材料的3D打印机获得该材料的固相作为初始材料，由此产生液相并且将该液相选择性地带到属于待制造对象的部位上。这样的3D打印机包括打印头，初始材料被熔化到该打印头中。此外，设置用于在打印头和工作面之间产生相对运动的器件，在所述工作面上要产生对象。在此，可以仅使打印头或仅使工作面运动，或者也可以不但使打印头而且使工作面运动。
打印头具有第一运行状态和第二运行状态，在所述第一运行状态中，液体材料从打印头排出，在所述第二运行状态中，没有液体材料从打印头排出。如果朝工作面上的另一位置移动并且在到那里的路径上不应沉积材料，则例如占据第二运行状态。例如可以在打印头的两个运行状态之间切换，其方式是：打开或关闭固态初始材料的进给。
与热塑性塑料相比，金属具有明显更高的熔点并且同时在液态下具有明显更低的粘度。
在本申请的时间点还未公开的文献DE102016224047示出一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头，所述打印头包括壳体、用于供应金属的装置、活塞、具有排出开口的储存器和用于移动活塞的促动器装置。
所述打印头的特点在于，储存器具有熔化区域和用于金属液相的挤出室，其中，熔化区域邻接到惰性气体氛围上并且与挤出室这样地连接，使得通过活塞的移动能够促使金属液相用于穿过排出开口流出。
此外，排出开口构造为用于排出金属液相的液滴，其中，排出开口具有喷嘴的形状并且可以与熔化坩埚固定连接，或排出开口具有可更换的插入件，该插入件允许使用不同的喷嘴几何形状。
对于插入件在打印头上的固定或者说连接不再详细论述。
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种用于3D打印机的打印头，该打印头具有喷嘴装置，所述喷嘴装置是过程可靠的且可更换的，其中，喷嘴装置在打印头上的连接部也应承受>1000℃的温度。
该任务通过根据本发明的打印头来解决。
根据本发明的用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头包括壳体、用于供应金属的装置、储存器、喷嘴装置和活塞，其中，喷嘴装置具有导向套筒、喷嘴板和夹紧装置，所述喷嘴板具有排出开口，其中，喷嘴板和导向套筒通过夹紧装置彼此弹性夹紧，并且导向套筒和储存器通过夹紧装置彼此弹性夹紧。
有利地，喷嘴装置具有多个构件如导向套筒、喷嘴板和夹紧装置，由此，喷嘴装置的不同功能在构件上分开，并且喷嘴装置的制造或者说喷嘴装置的各个构件的制造可以有利地保持。此外，各个构件可以视3D打印机的应用情况而定分别被更换。
例如，当使用活塞的改变的活塞几何形状时，更换导向套筒是有利的。有利地，在需要不同喷嘴几何形状或排出开口的不同几何形状时，喷嘴板能够以简单的方式更换。视构件相对彼此所需的弹性预紧而定，匹配或相应地更换夹紧装置是有利的。
导向套筒接收喷嘴板，其中，该喷嘴板通过夹紧装置彼此弹性夹紧，并且此外，导向套筒布置在储存器中并且通过夹紧装置与储存器弹性夹紧。
由此可以实现，以有利的方式补偿构件的公差。附加地可以在构件之间布置补偿盘。构件通过夹紧装置的弹性夹紧以有利的方式补偿构件彼此间的不同膨胀，由此一方面构件过程可靠地相互连接并且另一方面在支承面上具有优化的密封作用。这是必需的，因为液态金属通常具有非常小的粘度并且不允许在密封部位上出现间隙，金属可以通过该间隙流动或者说被压出。
在本发明的一个扩展方案中，夹紧装置由喷嘴夹紧螺母和用于将导向套筒与储存器弹性夹紧的单独的弹簧元件组成。
通过单独的弹性的弹簧元件能够以有利的方式实现，使构件在公差和必要的轴向预紧方面相协调。
此外，在另一实施方式中，喷嘴夹紧螺母由用于将喷嘴夹紧螺母固定在导向套筒上的固定器件和用于将导向套筒与喷嘴板轴向地弹性夹紧的至少一个弹性部段组成。
通过固定器件，喷嘴螺母能够以有利的方式被接收在导向套筒上并且轴向的弹性预紧可以通过喷嘴夹紧螺母的所述至少一个弹性部段以有利的方式实现。
在一个扩展方案中，导向套筒和储存器通过喷嘴夹紧螺母的固定器件和通过单独的弹簧元件彼此轴向地弹性夹紧。
此外，在另一实施方式中，弹簧元件具有用于贴靠在储存器上的弹簧罐(Federtopf)和用于贴靠在喷嘴夹紧螺母上的弹簧板，其中，弹簧板布置在弹簧罐的内凸肩中，并且弹簧罐以其与弹簧板对置布置的一侧布置在储存器上。
与喷嘴夹紧螺母分开实施的弹簧元件以有利的方式将导向套筒相对于储存器或熔化坩埚轴向地固定并且使导向套筒附加地相对于储存器密封。弹簧元件由弹簧罐和弹簧板构成，其中，弹簧板布置在弹簧罐的内凸肩中。导向套筒与储存器通过弹簧元件和喷嘴夹紧螺母的轴向夹紧以有利的方式保证，导向套筒不在活塞的复位行程中时被一起拉动。附加地，弹簧元件也补偿熔化坩埚和导向套筒之间的不同的轴向温度膨胀。此外，也能够通过弹簧元件的弹性实现构件的公差补偿。
在一个扩展方案中，喷嘴板和导向套筒通过固定器件和通过喷嘴夹紧螺母的至少一个弹性部段彼此弹性夹紧。喷嘴夹紧螺母的至少一个弹性部段例如实施为径向的弯曲梁。所述至少一个弹性部段负责将喷嘴板朝导向套筒轴向地弹性夹紧，其中，以有利的方式一方面补偿喷嘴板与导向套筒之间的公差并且另一方面补偿喷嘴板与喷嘴夹紧螺母之间的公差。附加地，可以有利的是，例如在喷嘴板和导向套筒之间放入轴向的补偿盘。此外，通过由弹性部段产生的轴向弹性预紧以有利的方式发生喷嘴板相对于导向套筒的轴向密封。
在一个优选的实施方式中，喷嘴夹紧螺母的固定器件与导向套筒形成卡口式连接，其中，喷嘴夹紧螺母的固定器件由向喷嘴夹紧螺母的中心轴线突出的至少一个突出部组成，并且导向套筒具有优选在外周侧布置的、用于接收喷嘴夹紧螺母的突出部的槽和用于被喷嘴夹紧螺母的至少一个突出部引导穿过的至少一个槽口。固定器件不但夹紧单独的弹簧元件而且夹紧喷嘴夹紧螺母和导向套筒之间的至少一个弹性部段。因为陶瓷的导向套筒上的螺纹不是最优的，所以优选卡口式连接，因为该卡口式连接能够以有利的方式作为陶瓷构件而良好地制造。
在一个扩展方案中，导向套筒构造为用于接收活塞，其中，该活塞在导向套筒中沿轴向方向被导向并且在活塞的挤压侧、导向套筒的内表面和喷嘴板之间形成用于金属液相的挤出室。
在一个优选的扩展方案中，形成挤出室的构件由陶瓷材料构成，而夹紧装置由金属材料构成。形成挤出室的构件是活塞，尤其是活塞的挤压侧、导向套筒的内侧和喷嘴板，所述活塞的挤压侧由活塞的冲头形成。
由于高达约1000℃的温度，夹紧装置应是耐高温的。因为在构件的连接部位上难以获得构件的相同的膨胀系数，所以必须保留补偿。该补偿以有利的方式通过轴向的弹性预紧实现，该轴向的弹性预紧可以通过夹紧装置的金属材料实现。陶瓷具有非常有限的弹性并且在其膨胀系数方面具有许多明显的不同。因此，金属是有利的，金属在高达约1000°的较高温度下也能够承受足够的应力。
附图说明
从附图说明得到本发明的另外的有利构型，在附图说明中详细说明了本发明的在附图中所示的实施例。附图示出了：
图1根据本发明的打印头的剖视图，
图2打印头的喷嘴装置的实施例的细节示图，
图3喷嘴装置的弹簧元件的弹簧罐的细节示图，
图4喷嘴装置的弹簧元件的弹簧板的细节示图，
图5喷嘴装置的喷嘴夹紧螺母的细节示图
图6喷嘴装置的导向套筒的细节示图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于3D打印机的打印头1的实施例。
打印头1包括壳体3、用于供应处于固相中的金属14的装置28、储存器7,27、具有排出开口10的喷嘴装置2和活塞5。此外，打印头包括用于移动活塞5的促动器装置12。储存器7,27具有熔化区域20和用于金属14的液相8的挤出室21，其中，熔化区域20邻接到惰性气体氛围22上并且与挤出室21这样地连接，使得通过活塞5的移动能够促使金属14的液相8用于穿过排出开口10流出。金属14的液相8或者说液态金属也称为熔融物并且惰性气体氛围22通过将惰性气体22引入到储存器7,27中形成。惰性气体氛围22优选经由打印头1的冷区域被引入到储存器7,27中。
储存器7,27构造为熔化坩埚，其中，在熔化坩埚外布置有电感器35，而在熔化坩埚内布置有传感器36、尤其是温度传感器。在熔化坩埚和电感器35或者说电感器线圈35之间还可以可选地存在未示出的绝缘体。
惰性气体氛围22与液态金属的边界相应于液态金属在储存器7,27中的液位。
此外，壳体3构造为多件式，其中，该壳体包括至少一个冷却凸缘25、隔绝板26和储存器7,27。
因此，测量装置的温度敏感的构件可以有利地被屏蔽。
活塞5构造为多件式，其中，该活塞包括至少一个由金属材料制成的活塞杆17和由陶瓷制成的冲头18。活塞杆17从促动器装置12出发穿过冷却凸缘25和隔绝板26伸入到储存器7,27中，在那里，该活塞杆过渡到冲头18中。
冷却凸缘25具有用于接收促动器装置12的槽口30，所述促动器装置构造为压电促动器12。压电促动器12在运行期间这样地固定在槽口30中，使得压电促动器在施加电压时将工作行程施加到活塞5上、尤其施加到活塞5的活塞杆17上。活塞杆17将工作行程传递到冲头18上，使得该冲头促使金属14的液相8用于穿过排出开口10流出。活塞5在无促动器12促动的情况下能够通过弹簧13复位到初始位态中，其中，弹簧13在冷却凸缘25的槽口30中布置在凸肩24和促动器12之间。弹簧13构造为碟形弹簧。
此外，冷却凸缘25具有用于冷却的冷却通道31。冷却通道31布置在冷却凸缘25和隔绝板26之间并且被冷却介质彻底冲洗。这用作相对于熔融物的加热而进行冷却并且用于在运行中冷却促动器12。冷却凸缘25由金属材料构成。
在冷却通道31一侧上贴靠在冷却凸缘25上的隔绝板26由隔热材料构成并且这样地构造，使得该隔绝板减少从储存器7,27到冷却凸缘25的热传递。
用于供应金属14的装置28或者说补充单元通到储存器7,27中并且布置在冷却凸缘25和隔绝板26中。补充单元穿过冷却凸缘25和隔绝板26伸出，并且金属14或者说待打印的材料14能够从外部通过装置28供应。优选地可以使用预配量的材料块或者说粒状物。在隔绝板26到储存器7,27的过渡处具有开口29，材料14通过该开口到达储存器7,27中。开口29能够被装置32关闭，使得该装置优选仅在供应材料14时打开，由此减少能量或气体从惰性气体氛围22逸出。
金属14以固相14到达熔化坩埚的熔化区域20中并且被电感器35加热，直至转化为液相8。在达到熔融物的所希望的过程温度时，打印头1可以开始运行，所述过程温度由温度传感器36感测。液相8或者说熔融物由于熔融物的重力压力或由于重力压力与惰性气体22的气体氛围压力结合而从冲头18旁到达挤出室21中。活塞5的冲头18以挤压侧19处于熔融物中或者说被熔融物包围，而在与活塞杆17的连接侧上处于惰性气体氛围22中或者说被惰性气体氛围22包围。活塞杆17由过程决定而不与熔融物接触。
冲头18的陶瓷有利地是非常良好地导热的，以便能够将通过电感器35产生的热良好地传递到挤出室21中。
在压电促动器12促动时，冲头18的挤压侧19朝排出开口10的方向对挤出室21中的熔融物施加压力并且引起液滴15通过喷嘴装置2或者说喷嘴装置2的排出开口10喷出。喷嘴装置2构造为用于喷出金属14的液相8的液滴15，其中，喷嘴装置2具有导向套筒11、具有排出开口10的喷嘴板9和夹紧装置4，其中，喷嘴板9和导向套筒11通过夹紧装置4彼此弹性夹紧，而导向套筒11和储存器7,27通过夹紧装置4彼此弹性夹紧。喷嘴装置2、尤其是喷嘴板9是可更换的，由此能够使用不同的喷嘴几何形状。
图2示出打印头1的喷嘴装置2的细节视图。示出喷嘴装置2，该喷嘴装置具有导向套筒11、具有排出开口10的喷嘴板9和夹紧装置4。夹紧装置4由喷嘴夹紧螺母50和单独的弹簧元件40组成，其中，夹紧装置4、尤其是单独的弹簧元件40和喷嘴夹紧螺母50由金属材料构成。
导向套筒11构造为用于接收活塞5，其中，该活塞、尤其是活塞5的冲头18在导向套筒11中沿轴向方向被导向并且在活塞5的挤压侧19、导向套筒11的内表面63和喷嘴板9之间形成用于金属14的液相8的挤出室21。
形成挤出室21的构件、尤其是活塞5或者说活塞5的冲头18、导向套筒11和喷嘴板9由陶瓷材料构成。
导向套筒11和储存器7,27通过喷嘴夹紧螺母50的固定器件52和弹簧元件40彼此弹性夹紧。
导向套筒11接收活塞5或者说活塞5的冲头18并且沿打印头1的轴向方向引导该活塞。此外，导向套筒11通过凸肩16支撑在储存器27或者说熔化坩埚内。导向套筒11由耐热的陶瓷材料构成，因为该导向套筒在其内表面63上与金属14的液相8接触。导向套筒11的在外周侧布置的槽61与喷嘴夹紧螺母50的固定器件52形成夹紧装置4的卡口式连接并且导向套筒11通过夹紧装置4弹性地夹紧在储存器27的外侧29上。
喷嘴夹紧螺母50由用于将喷嘴夹紧螺母50固定在导向套筒11上的固定器件52和至少一个弹性部段51组成。此外，喷嘴夹紧螺母50由耐高温材料、尤其是由金属材料构成。
喷嘴板9和导向套筒11通过固定器件52和喷嘴夹紧螺母50的至少一个弹性部段51彼此弹性夹紧。
固定器件52与导向套筒11的槽61一起形成喷嘴装置2的卡口式连接。通过喷嘴装置2的卡口式连接的锁紧，不但单独的弹簧元件40夹紧在储存器27和喷嘴夹紧螺母50的贴靠面53之间，而且喷嘴夹紧螺母50的至少一个弹性部段51也夹紧在喷嘴板9上。因为陶瓷的导向套筒上的螺纹不是最优的，所以优选卡口式连接，因为该卡口式连接作为陶瓷构件能够良好地制造。
喷嘴夹紧螺母50的固定器件52由向图5中所示的喷嘴夹紧螺母50的中心轴线55突出的至少一个突出部组成，并且导向套筒11具有在外周侧布置的、用于接收喷嘴夹紧螺母50的突出部的槽61和在图6中所示的用于将喷嘴夹紧螺母50的至少一个突出部引导穿过的至少一个槽口62。为了固定喷嘴装置2，喷嘴夹紧螺母50被插到导向套筒11上，其中，喷嘴夹紧螺母50的突出部通过导向套筒11的槽口62被导向并且随后被接收在导向套筒11的槽61中。通过旋转喷嘴夹紧螺母50，突出部嵌入到槽62中，并且由此使喷嘴夹紧螺母50朝储存器27的方向运动。通过该运动，一方面喷嘴板9在喷嘴夹紧螺母50和导向套筒11之间通过弹性部段51抵着导向套筒11轴向地弹性预紧，另一方面喷嘴夹紧螺母50的贴靠面53朝储存器27的方向压抵着弹簧元件40，由此该弹簧元件压抵着存储器27，并且由此，导向套筒11和储存器27彼此轴向地弹性夹紧。导向套筒11以其凸肩16插入到储存器27中并且通过拧紧喷嘴夹紧螺母50沿与喷嘴夹紧螺母50的运动相反的方向被拉到储存器27上。
与喷嘴夹紧螺母50分开实施的弹簧元件40将导向套筒11相对于储存器27或者说相对于熔化坩埚轴向地固定并且将导向套筒11附加地朝向存储器27密封。弹簧元件40由弹簧罐41和弹簧板45组成，其中，弹簧板45布置在图3所示的弹簧罐41的内凸肩43中。弹簧罐41用于贴靠在存储器27上，而弹簧板45用于贴靠在喷嘴夹紧螺母50上。喷嘴夹紧螺母50的贴靠面53贴靠在图4中所示的弹簧板45的内部区域46上并且在卡口式连接锁紧时沿储存器27的轴向方向挤压。由此，在图4中所示的弹簧板45的外部区域47被挤压到弹簧罐41的内凸肩43中，弹簧板45弹性地变形或者说夹紧并且将弹簧罐41压到存储器27的外侧29上。
导向套筒11与储存器27通过弹簧元件40和喷嘴夹紧螺母50的轴向夹紧保证，导向套筒11在活塞5的复位行程时不被一起拉动。附加地，通过弹簧元件40也可以补偿储存器27或者说融化坩埚与导向套筒11之间不同的轴向温度膨胀。此外，也能够通过弹簧元件40的弹性实现构件的公差补偿。在公差较大的情况下，附加地可以借助未示出的轴向补偿盘工作。
喷嘴夹紧螺母50的至少一个弹性部段51在该实施方式中由四个弹性部段51组成，其中，这些弹性部段通过图6中所示的狭缝54彼此分开并且可以向喷嘴夹紧螺母50的中心或者说中心轴线55轴向地弯曲。这些弹性部段实施为径向的弯曲梁。弹性部段51负责将喷嘴板9朝导向套筒11轴向地弹性夹紧。
在这里也适用一方面补偿喷嘴板9的陶瓷和导向套筒11之间的公差，而另一方面补偿喷嘴板9的陶瓷和金属喷嘴夹紧螺母50之间的公差。附加地，可以将未示出的轴向补偿盘例如放入在喷嘴板9和喷嘴夹紧螺母50的弹性部段51之间。通过该布置防止补偿盘与熔融物接触。

Claims (9)

1.一种用于3D打印机的打印头(1)，所述打印头包括壳体(3)、用于供应金属(14)的装置(28)、储存器(7,27)、喷嘴装置(2)和活塞(5)，
其特征在于，
所述喷嘴装置(2)具有导向套筒(11)、喷嘴板(9)和夹紧装置(4)，所述喷嘴板具有排出开口(10)，所述夹紧装置(4)由喷嘴夹紧螺母(50)和单独的弹簧元件(40)组成，并且所述喷嘴夹紧螺母(50)由固定器件(52)和至少一个弹性部段(51)组成，所述固定器件用于将所述喷嘴夹紧螺母(50)固定在所述导向套筒(11)上，其中，所述喷嘴板(9)和所述导向套筒(11)通过所述固定器件(52)和通过所述喷嘴夹紧螺母(50)的至少一个弹性部段(51)彼此弹性夹紧，并且所述导向套筒(11)和所述储存器(7,27)通过所述喷嘴夹紧螺母(50)的固定器件(52)和通过所述弹簧元件(40)彼此弹性夹紧。
2.根据权利要求1所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述弹簧元件(40)具有用于贴靠在所述储存器(7,27)上的弹簧罐(41)和用于贴靠在所述喷嘴夹紧螺母(50)上的弹簧板(45)。
3.根据权利要求2所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述弹簧板(45)布置在所述弹簧罐(41)的内凸肩(43)中，并且，所述弹簧罐(41)借助该弹簧罐的与所述弹簧板(45)对置布置的一侧布置在所述储存器(7,27)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述喷嘴夹紧螺母(50)的固定器件(52)与所述导向套筒(11)形成卡口式连接，其中，所述喷嘴夹紧螺母(50)的固定器件(52)由向所述喷嘴夹紧螺母(50)的中心轴线(55)突出的至少一个突出部组成，并且，所述导向套筒(11)具有槽(61)和至少一个槽口(62)，所述槽用于接收所述喷嘴夹紧螺母(50)的突出部；所述槽口用于被所述喷嘴夹紧螺母(50)的至少一个突出部引导穿过。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述导向套筒(11)构造为用于接收所述活塞(5)，其中，所述活塞在所述导向套筒(11)中沿轴向方向被导向，并且，在所述活塞(5)的挤压侧(19)、所述导向套筒(11)的内表面(63)和所述喷嘴板(9)之间形成用于金属(14)的液相(8)的挤出室(21)。
6.根据权利要求5所述的打印头(1)，
其特征在于，
形成所述挤出室(21)的构件(5,11,9)由陶瓷材料构成。
7.根据权利要求1、2、3和6中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述夹紧装置(4)由金属材料构成。
8.根据权利要求1所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述打印头(1)构造为用于金属打印机。
9.根据权利要求4所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述槽(61)布置在所述导向套筒的外周侧上。
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