CN111655405B - 用于3d打印机的打印头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D打印机，尤其金属打印机的打印头(1)，包括壳体(3)、用于供应金属(14)的装置(28)、用于所述金属(14)的液相(8)的储存器(7，27)、具有导向套筒(11)和喷嘴板(9)的喷嘴装置和活塞(5)，其中，所述冲头(18)、所述导向套筒(11)和所述喷嘴板(9)形成挤出室(21)，其中，所述冲头(18)和所述导向套筒(11)形成至少一个用于在所述储存器(27)和所述挤出室(21)之间引导所述液相(8)的区域(40)。

Description

用于3D打印机的打印头

技术领域

本发明涉及一种用于3D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。

由现有技术中已知具有平坦表面的活塞形状。该活塞形状具有以下缺点：在表面下方或在表面的中间可能形成所谓的“死水区”。在这些区中，熔融物不再相对于活塞运动。对于在熔融物中形成气体或者说空气夹杂物的情况，所述气体或者说空气夹杂物不能从冲头的表面移走，而是形成不希望的压缩区。

因为金属熔融物具有非常高的表面应力，空气和熔融物之间的非常大的密度差经常不足以允许气体或者说空气夹杂物向上上升。

此外，在打印头开始运行时，气体夹杂物滞留在冲头的表面或者说下侧上，并且需要费事的的工作步骤，以便减少或去除气体夹杂物。

如果在3D打印机运行时气体夹杂物处于挤出室中，则这些气体夹杂物作为可压缩的介质起作用并且阻尼冲头的压力冲击，使得打印过程可能不精确或甚至停顿。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供一种用于3D打印机的打印头的活塞和一种打印头，该打印头减小了挤出室中的气体夹杂物的影响，并且提供一种打印头，该打印头能够实现将气体夹杂物从挤出室适当地导出。

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的活塞包括活塞杆和冲头，其中，所述冲头具有挤压侧，所述挤压侧具有凸形的或变尖的表面。

冲头挤压侧的凸状或变尖的表面负责冲头的几何形状，通过该几何形状能够以有利的方式实现，在金属液相中出现的气体夹杂物可以在表面上滑下并且不在冲头的表面上聚积。在3D打印机运行时或者说在活塞竖直运动时，出现的气体夹杂物从冲头表面旁向上被驱赶。视金属或者说熔融物的液相的粘度和气体或者说空气夹杂物的浮力而定，这些气体或者说空气夹杂物可以从冲头表面旁滑过并且从该表面被导出。此外，由冲头的几何形状得到，部分金属液相被该几何形状代替并且因此以有利的方式使较少的金属液相掺入气体夹杂物。

在一个优选的实施方式中，冲头的表面构造为锥形。该几何形状能够以有利的方式实现，气体夹杂物可以在冲头的表面上滑下并且不会对打印头的功能产生负面影响。

锥形可以视金属液相的粘度而定具有不同的角度。

在另一实施方式中，冲头的表面构造为球形。球形可以视金属液相的粘度而定具有不同的半径。

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、用于金属液相的储存器、具有导向套筒和喷嘴板的喷嘴装置以及根据本发明的活塞，其中，冲头、导向套筒和喷嘴板形成用于接收金属液相的挤出室。根据本发明，冲头和导向套筒形成至少一个用于在储存器和挤出室之间引导液相的区域。

用于在储存器和挤出室之间引导金属液相的区域以有利的方式不但负责液相的交换而且负责将气体夹杂物从挤出室运送或者说导出到储存器中。在挤出室中的气体夹杂物的比例决定性地确定整个打印头功能的质量和打印结果的可重复性。

此外，根据本发明的打印头支持在挤出室中形成均匀的压力，由此能够实现改进的促动碰撞或金属液相的改进的排出。因此明显改善了打印结果的可重复性。

在一个扩展方案中，用于引导液相的区域这样地构造，使得在挤出室内在液相中出现的气体夹杂物能够在活塞朝喷嘴板的方向的行程期间从冲头的挤压侧旁通过该区域被排挤或者说导出到储存器中。

由此能够以有利的方式实现，在活塞的行程运动中能够实现液相或者说熔融物沿着冲头表面的相对运动。通过行程运动产生的该流动又使气体夹杂物沿着冲头的表面运动或者说移动并且将该气体夹杂物引导至所述区域。尤其，在打印头开始运行时，当冲头下降到熔融物中时，冲头的挤压侧的表面将熔融物从冲头的中心分离，并且熔融物沿着冲头的表面移动，使得气体夹杂物以有利的方式从挤出室朝储存器的方向被排挤。

在一个扩展方案中，所述区域具有用于将气体夹杂物从挤出室导出到储存器中的间隙。通过该间隙以有利的方式简化了将气体夹杂物沿着冲头的表面导出到储存器中。尤其在打印头开始运行时，当冲头下降到熔融物中时，冲头的挤压侧的表面将熔融物从冲头的中心分离，并且熔融物沿着冲头的表面移动，使得气体夹杂物以有利地方式从挤出室通过间隙朝储存器的方向被排挤。

在间隙的一个实施方式中，该间隙构造为环形间隙。环形间隙的形状能够以有利的方式实现气体夹杂物以360°从冲头旁导出到储存器中。

在另一实施方式中，间隙在布置在冲头挤压侧上的第一平面内构造为环形间隙，而在第二平面内构造为至少一个轴向的槽口。通过该布置，优化了将气体夹杂物从挤出室排挤到储存器中。此外，以有利的方式改进了将金属液相或者说熔融物引导通过间隙。

在一个扩展方案中，喷嘴板在其朝向挤出室构造的表面上具有槽口，该槽口相应于冲头的表面构造。因此，喷嘴板中的槽口具有冲头的挤压面的凹形，使得冲头可以以其表面贴靠在喷嘴板的表面上。通过喷嘴板与冲头相结合的该构造，打印头以有利的方式提供了以下可能性：通过使冲头运动直至与喷嘴板止挡的方式，将气体夹杂物完全从挤出室除去。在这种情况下，冲头和喷嘴板的表面轮廓彼此匹配。

随后，在冲头运动至喷嘴板之后，该冲头又被拉回到导向套筒内的工作位置中。为了防止空气后续流过喷嘴板的排出开口，在活塞向上运动期间，排出开口例如可以通过受控的冻结被关闭。为此，例如通过减小电感器的加热功率使储存器中的温度降低或将电感器完全关断。因为喷嘴板相对于储存器明显更多地暴露并且具有较大的对流和辐射面，金属液相或者说熔融物的凝固通常从喷嘴板开始。替代地，也可以通过外部喷嘴将氮气受控地引导到喷嘴板上，由此使熔融物逐点地冷冻。

通过本发明的上述特征减小或防止由于挤出室中的气体夹杂物而在3D打印时在液滴形成方面的负面影响。通过导出气体夹杂物引起挤出室的足够的排气。一方面在开始运行时并且另一方面在出现夹杂气体物时，这些气体夹杂物在打印头工作期间通过活塞的例如非最优的促动，当空气在回程中经由喷嘴板被吸入时而出现。防止了部分或完全中断液滴形成的后果所述液滴形成用于通过3D打印产生物体。

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在一个实施方式中的根据本发明的打印头的剖视图，

图2在另一实施方式中的具有导向套筒的根据本发明的活塞的细节示图，

图3打印头中的压力波的示图，和

图4在另一实施方式中的具有导向套筒的根据本发明的活塞的细节示图。

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8也称为熔融物8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27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8的边界相应于液态金属8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。这用作相对于通过熔融物8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8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。活塞5的冲头18以挤压侧19处于熔融物8中或者说被熔融物8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8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的在该实施方式中是尖端或者说锥形的挤压侧19或者说表面39朝排出开口10的方向对挤出室21中的熔融物8施加压力并且引起液滴15通过喷嘴装置或者说喷嘴装置的排出开口10喷出。喷嘴装置、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。示出了具有平坦的上侧49的喷嘴板9，在该上侧中布置有用于排出开口10的槽口。在一个对于该实施例未示出的扩展方案中，喷嘴板9在其朝向挤出室21构造的表面49上具有槽口，该槽口相应于冲头18的表面39构造。

图2示出根据本发明的活塞的细节视图，所述活塞具有在另一实施方式中的导向套筒11，其中，冲头18的挤压侧19具有凸出的表面39、特别是锥形表面39。在一个未示出的实施例中，冲头的表面39也可以构造为球形。此外，图2示出根据本发明的打印头1的局部，其中，冲头18和导向套筒11形成至少一个区域40，用于在储存器27和挤出室21之间引导液相8。

区域40这样地构造，使得在挤出室21内在液相8中出现的气体夹杂物在活塞朝喷嘴板9方向的行程期间能够从冲头18的挤压侧19旁通过区域40排挤到储存器7,27中。区域40具有用于将气体夹杂物从挤出室21导出到储存器7,27中的间隙46，并且在布置在冲头18的挤压侧19上的第一平面41内构造为环形间隙，而在第二平面42内构造为至少一个轴向的槽口。

在一个简单的、未示出的实施方式中，间隙46可以仅构造为环形间隙。

有利的是，第二平面具有未示出的子区域，冲头18通过该子区域在圆形导向套筒11中同心地被导向。

示出具有平坦的上侧49的喷嘴板9，在该上侧中布置有用于排出开口10的槽口。在一个对于该实施例未示出的扩展方案中，喷嘴板9在其朝向挤出室21构造的表面49上具有槽口，该槽口相应于冲头18的圆锥形表面39构造。

图3示出打印头1的挤出室21中的压力波45的示图，所述压力波通过活塞5或者说冲头18的行程运动产生。

对于沿喷嘴板9的方向50的促动或者说压力冲击而言，冲头18的表面39或者说表面轮廓没有作用，因为压力波45继续沿喷嘴板9的轴向方向50被驱动。压力波45的传播与活塞运动共线地进行。

而冲头18的表面39的形状具有以下目标：通过冲头18的流线形轮廓或者说表面39在沉入时或者也在高频促动时熔融物8可以直接沿着表面39掠过，使得尽可能实现熔融物8的层流。出现的气体夹杂物至少在运行中在冲头18的表面39上滑下并且通过在区域40中的冲头18和导向套筒11之间的间隙46到达储存器27中。

如果在挤出室21的熔融物8中存在不希望的气体夹杂物，则例如可以将整个冲头18从熔融物8移出并且随后又缓慢地下降，以便使由于冲头18侵入到熔融物8中而存在的气体夹杂物在冲头18的表面39上滑下。

图4示出打印头1的另一实施方式，其中，活塞5的冲头18具有挤压侧19，该挤压侧具有凸出的、尤其是锥形的表面39。此外，冲头18和导向套筒11形成用于在储存器27和挤出室21之间引导液相8的区域40，其中，间隙46在布置在冲头18的挤压侧19上的第一平面41内构造为环形间隙并且在第二平面42内构造为至少一个轴向的槽口。

喷嘴板9在其朝向挤出室21形成的表面49上具有槽口，该槽口相应于冲头18的表面39地构造。因此，喷嘴板9中的槽口具有冲头18的挤压侧19的凹模，使得冲头18能够以其表面39贴靠在喷嘴板9的表面49上或者说完全沉入。

除优化的冲头几何形状外，通过该冲头几何形状能够实现挤出室11的改进的除气，在这里所示的实施方式能够在打印头1运行之前或者说运行期间实现除气或者说排气。

为了从挤出室21的熔融物8去除气体夹杂物，冲头18完全地、尽可能地运动直至贴靠到喷嘴板9的槽口中。在此实现了，在冲头18的表面39和喷嘴板9的表面49之间不存在气体夹杂物。在将冲头18拉回到在导向套筒11内的工作位置中时，用来自储存器27的金属液相8通过区域40充注挤出室21。

为了防止气体通过喷嘴板9的排出开口10后续流入到挤出室21中，可以关闭排出开口10。或者机械地通过未示出的关闭装置或者通过受控地冷却围绕着排出开口10的区域。

例如通过降低电感器35的加热功率来降低储存器或者说坩埚中的温度来实现冷却。因为喷嘴板9相对于坩埚27明显更多地暴露并且具有较大的对流和辐射面，所以熔融物的凝固通常从喷嘴板9开始。

在另一变型中，喷嘴板9或者说排出开口10也可以通过施加液态氮逐点地冷冻。液态氮例如可以通过未示出的喷嘴对准到喷嘴板上。在以熔融物8充注挤出室21之后，冻结的熔融物8在排出开口10内液化，使得打印头又准备运行。

Claims (3)

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)、用于金属(14)的液相(8)的储存器(7,27)、具有导向套筒(11)和喷嘴板(9)的喷嘴装置和活塞(5)，所述活塞包括活塞杆(17)和冲头(18)，其中，所述冲头(18)具有挤压侧(19)，所述挤压侧具有变尖的表面(39)，其中，所述冲头(18)、所述导向套筒(11)和所述喷嘴板(9)形成挤出室(21)，其中，

所述冲头(18)和所述导向套筒(11)形成至少一个区域(40)，所述区域用于在所述储存器(27)和所述挤出室(21)之间引导所述液相(8)，其中，

所述区域(40)这样地构造，使得在所述挤出室(21)内在所述液相(8)中出现的气体夹杂物能够在活塞朝所述喷嘴板(9)的方向的行程期间从所述冲头(18)的挤压侧(19)旁通过所述区域(40)被排挤到所述储存器(7,27)中，其中，

所述区域(40)具有用于将气体夹杂物从所述挤出室(21)导出到所述储存器(7,27)中的间隙(46)，其中，所述冲头的表面(39)构造为锥形，其特征在于，

所述间隙(46)在布置在所述冲头(18)的挤压侧(19)上的第一平面(41)内构造为环形间隙，而在第二平面(42)内构造为至少一个轴向的槽口。

2.根据权利要求1所述的打印头(1)，

其特征在于，

所述喷嘴板(9)在该喷嘴板的朝向挤出室(21)构造的表面(49)上具有槽口，所述槽口相应于所述冲头(18)的表面(39)构造。

3.根据权利要求1所述的打印头(1)，

其特征在于，所述3D打印机是金属打印机。

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