CN113246472A - 清洗熔融沉积制造式3d打印机的热端的方法 - Google Patents
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Abstract
一种清洗熔融沉积制造式3D打印机的热端的方法。所述方法包括:在所述热端的第一工作温度下,利用第一打印材料进行打印之后,设定所述热端处于第二工作温度,其中,所述第二工作温度等于或高于所述第一工作温度;以及在所述第二工作温度下,将清洗材料从所述热端底部的喷嘴挤出,其中,所述清洗材料在所述第二工作温度下呈高弹态。
Description
技术领域
本公开涉及3D打印技术,并且更具体地涉及一种清洗熔融沉积制造(FDM)式3D打印机的热端的方法。
背景技术
3D打印随着多年的发展,很多新型技术不断问世,例如熔融沉积制造(FDM)、立体光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、层片叠加制造(LOM)等,其中备受关注且应用最为广泛的就是FDM。FDM的原理如下:热端在计算机的控制下,沿零件截面轮廓和填充轨迹运动。热塑性打印材料由供料机构送至热端,并在热端中加热熔化成熔融态(又称为“粘流态”),然后被挤出,有选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,如此循环,最终形成三维产品零件。
在FDM-3D打印过程中,打印材料只有从固态转变成熔融态之后,才能被挤出从而完成3D打印。由于这个转变的过程是在热端完成的,因此热端的温度被设定为使得其中的打印材料呈熔融态以实现挤出。
在涉及多种颜色的FDM-3D打印过程中,当一种颜色的打印材料A打印完之后,需要清洗热端,以更换不同颜色的打印材料B。通常有两种选择。
第一种选择是直接将打印材料B挤到热端里面。此时在热端内部,打印材料B被加热至熔融态,会与之前残留的同样处于熔融态的打印材料A有一定程度的混合。该混合过程导致从热端下部挤出来的打印材料并不是期望的颜色(例如,打印材料A颜色为红色,打印材料B颜色为黄色,则挤出来的材料会有一段橙色),不能用于之后的FDM-3D打印,而需要将混色的材料挤出到“垃圾区”。这个挤出的过程会浪费很多原本可以用于打印的材料,且同时耽搁了打印时间。
第二种选择是在打印材料A打印完之后,将无色透明的清洗材料挤出到热端里面。此时在热端内部,清洗材料被加热至熔融态,依靠流动作用最终将残留的打印材料A清洗干净。然而,由于清洗材料呈熔融态,因此会与之前残留的同样处于熔融态的打印材料A有一定程度的混合,导致需要较长时间才能把打印材料A清洗干净。此外,随后挤出的打印材料B在热端也被加热至熔融态,因此会与残留的清洗材料有一定程度的混合。该混合过程导致从热端下部挤出来的材料并不是纯的打印材料B,这种材料组成变化可能会对打印出来的最终产品的性能有一定程度的影响,尤其是对于对材料均一性要求高的产品。因此,使用这种清洗材料时,同样会浪费很多原本可以用于打印的材料,并且清洗效果也没有明显改善。
发明内容
提供一种缓解、减轻或消除一个或多个上述问题的机制将是合乎期望的。
根据本公开的一方面,提供一种清洗FDM-3D打印机的热端的方法。所述方法包括:在所述热端的第一工作温度下,利用第一打印材料进行打印之后,设定所述热端处于第二工作温度,其中,所述第二工作温度等于或高于所述第一工作温度;以及在所述第二工作温度下,将清洗材料从所述热端底部的喷嘴挤出,其中,所述清洗材料在所述第二工作温度下呈高弹态。
根据在下文中所描述的实施例,本公开的这些和其它方面将是清楚明白的,并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
图1示出了一种典型的FDM-3D打印机的挤出机的示例结构的示意图。
图2示出了根据本公开实施例的清洗FDM-3D打印机的热端的方法的示意图。
图3示出了根据本公开实施例的图2的方法中将清洗材料从热端底部挤出的示例过程的流程图。
图4示出了根据本公开实施例的图2的方法中将清洗材料从热端底部挤出的另一示例过程的流程图。
具体实施方式
将理解的是,尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分,但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个区、层或部分相区分。因此,下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“顶部”、“底部”、“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是,这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如,如果翻转图中的器件,那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的,单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式,除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是,术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在,但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的,术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合。
除非另有定义,本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是,诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义,并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释,除非本文中明确地如此定义。
FDM-3D打印机目前使用的打印材料为热塑性材料,例如PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯)、PA(聚酰胺)等高分子聚合物。这些打印材料主要存在三种物理形态:玻璃态、高弹态和熔融态,这些物理形态与温度密切相关。同种材料在不同温度下可呈不同物理状态,例如随着温度不断升高,从玻璃态转变为高弹态,继而转变为熔融态。不同材料的物理形态与温度的对应关系是不一样的,即在同一温度下,一种材料呈熔融态,但另一种材料可以呈高弹态。
在本文中使用时,术语“玻璃态”是指在一定温度下,材料为刚性固体状,基本不可压缩、不可变形,此状态即为“玻璃态”。
在本文中使用时,术语“高弹态”是指在一定温度下,材料在外部应力作用下,会产生一定的弹性应变,外力撤掉之后,可恢复部分应变,此状态即为“高弹态”。高弹态也称为“橡胶态”。
在本文中使用时,术语“熔融态”是指在一定温度下,在外部应力作用下,会产生很大的变形,且该变形不可恢复,材料呈粘性的流体,此状态即为“熔融态”。熔融态也称为“粘流态”。
在本文中使用时,术语“第一工作温度”是指第一打印材料进行打印时热端的温度,第一打印材料在该温度下呈熔融态。
在本文中使用时,术语“第二工作温度”是指第一打印材料打印结束后、加入清洗材料期间热端的温度,第一打印材料在该温度下呈熔融态,清洗材料在该温度下呈高弹态。
如上文所述,在目前的FDM-3D打印过程中,当需要切换打印材料的颜色时,所采用的常规操作会导致浪费很多原本可以用于打印的材料,且同时耽搁了打印时间。究其原因,在于无论是主流的FDM-3D打印材料(例如PLA、ABS、PETG、PA)还是目前使用的清洗材料(例如,聚乙烯),在FDM-3D打印机的热端温度下,均呈熔融态。在熔融态下,分子链比较容易流动,从而导致随后的打印材料或者清洗材料与在先的打印材料混在一起,从而导致将在先的打印材料清洗干净需要较长时间,通常需要600mm或者更长的材料才能实现较好的清洗效果,不仅增加了物料成本,还提高了时间成本。
因此,本领域始终期望提高FDM-3D打印机热端的清洗效率,缩短清洗时间,减少材料的浪费。
图1示出了一种典型的FDM-3D打印机的挤出机100的示例结构的示意图。如图1所示,挤出机100包括冷端110和热端120。热端包括喷嘴125和诸如热敏电阻121、加热器筒(cartridge)122和加热器块123之类的加热组件。固态的打印材料(未示出)被供料机构挤入冷端110,并从热端120的顶部进入热端120。在热端120中,打印材料在加热组件提供的工作温度下被熔化成熔融态,并最终从热端120底部的喷嘴125挤出。
图2示出了根据本公开实施例的清洗FDM-3D打印机的热端的方法200的示意图。如图2所示,方法200包括步骤210和步骤220。下面结合图1和2来描述方法200。
在步骤210处,在热端120的第一工作温度下,利用第一打印材料进行打印之后,设定热端120处于第二工作温度。在该实施例中,第二工作温度等于或高于第一工作温度。将理解的是,在第一工作温度下,第一打印材料呈熔融态以进行正常的打印操作,并且在等于或高于第一工作温度的第二工作温度下,第一打印材料也将呈熔融态。
在步骤220处,在第二工作温度下,将清洗材料从热端120底部的喷嘴125挤出。清洗材料在第二工作温度下呈高弹态。
由于清洗材料在热端120的第二工作温度下呈高弹态,而不是熔融态,因此当第一打印材料打印结束后,将清洗材料从热端120挤出时,高弹态的物理特性(内部分子链流动比较困难)使得清洗材料能够对热端120内壁产生一个物理上“刮”的动作(类似于用橡皮擦进行擦除)。与常规的熔融态清洗材料的清洗效果(类似于用液体进行冲洗)相比,可以实现对附着于内壁的第一打印材料的更完全的清理,并且高弹态的清洗材料与熔融态的第一打印材料在热端120内部的混合长度将变得更短。而且,处于高弹态的清洗材料也能产生变形,意味着清洗材料把第一打印材料挤出去之后,自身也能顺利地从热端底部挤出,而不会影响随后的打印过程。因此,利用根据本公开实施例的技术方案,使用较短的清洗材料就能实现良好的清洗效果。在示例中,仅需100-300mm或者甚至更短的清洗材料,从而减少了材料浪费,节省了打印时间,提高了打印效率。此外,利用根据本公开实施例的清洗方法,不仅可以在切换多种颜色的打印材料的过程中用于清洗热端内部残留的在先打印材料,而且可以用于打印机的日常清洗和维护。无论哪一种情况,均能实现减少浪费、提高效率的有益技术效果。
在一些实施方式中,清洗材料可以为聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。在一些实施方式中,清洗材料可以为聚碳酸酯。
在一些实施方式中,第二工作温度可以高于180℃且低于或等于200℃。在一些实施方式中,第二工作温度可以高于180℃且低于或等于220℃。
在一些实施方式中,第一打印材料可以为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯中的一种或多种。
在一些实施方式中,热端120的温度可以保持不变,即第一工作温度和第二工作温度可以相同。
在一些实施方式中,第一打印材料可以为聚乳酸,清洗材料可以为聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
在一些实施方式中,第一打印材料可以为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,清洗材料可以为聚碳酸酯。
在一些实施方式中,第一打印材料可以为聚酰胺,清洗材料可以为聚碳酸酯。
在一些实施方式中,第一打印材料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯,清洗材料可以为聚苯硫醚。
图3示出了根据本公开实施例的图2的方法200中将清洗材料从热端底部挤出(步骤220)的示例过程的流程图。参考图3,步骤220包括步骤310至330。下面结合图1和3来详细描述步骤310至330。
在步骤310处,从热端120顶部向热端120中加入清洗材料。在示例中,清洗材料可以由与挤出机100一起使用的供料机构(未示出)馈送到冷端110中,并且随着馈送的进行,穿过冷端110而从热端120顶部进入热端120中。替代地,清洗材料可以被直接投喂到冷端110并且然后进入热端120,如稍后还将进一步描述的。
在步骤320处,紧接清洗材料的加入,从热端120顶部向热端120加入第二打印材料。第二打印材料可以不同于第一打印材料。在实践中,第二打印材料通常为丝状体(filament)的形式。在示例中,供料机构(未示出)可以向冷端110中馈送第二打印材料的细丝。随着馈送的进行,第二打印材料将穿过冷端110,并且从热端120的顶部进入热端120中。
在步骤330处,向热端120底部挤压第二打印材料,以使得清洗材料在第二打印材料的挤压下从喷嘴125被挤出。在示例中,随着供料机构向冷端110中持续馈送第二打印材料,进入热端120内的第二打印材料将挤压下方的清洗材料,并最终将清洗材料从热端120底部的喷嘴125挤出。
在一些实施方式中,清洗材料可以采用丝状体或球状体的形式。在清洗材料为丝状体的实施方式中,加入一段清洗材料之后,需要执行切料操作来切断清洗材料的细丝。在清洗材料为球状体的实施方式中,可以将清洗材料的球丸直接投喂进热端120,上料简单,不用切料。另外,球状体的形状使得清洗材料不易卡在冷端110或热端120内部。
图4示出了根据本公开实施例的方法200中将清洗材料从热端底部挤出(步骤220)的另一示例过程的流程图。参考图4,步骤220包括步骤410至430。下面结合图1和4详细描述步骤410至430。
在步骤410处,从热端120顶部向热端120中加入清洗材料。在示例中,清洗材料的细丝可以由供料机构馈送到冷端110中,并且随着馈送的进行,穿过冷端110而从热端120顶部进入热端120中。
在步骤420处,向热端120底部挤压清洗材料,以使得清洗材料的第一部分从喷嘴125被挤出。在示例中,随着供料机构向冷端110中持续馈送清洗材料,一部分清洗材料将进入热端120,并最终从热端120底部的喷嘴125被挤出。
在步骤430处,从热端120顶部拔出清洗材料的第二部分,第二部分不同于第一部分。在示例中,在一部分清洗材料已经从喷嘴125被挤出之后,供料机构可以被控制为反转,以将清洗材料的细丝从冷端110撤回。在这一过程中,冷端110和热端120内一部分清洗材料将与已经被从喷嘴125挤出的清洗材料相分离,并且从热端120顶部(然后冷端110)被拔出。
采用该实施方式,能够进一步减少第二打印材料和清洗材料的混合长度,并进一步减少清洗热端所需的时间,因为减少了清洗材料的用量并相应地缩短了挤出清洗材料的时间。
在一些实施方式中,清洗材料可以采用丝状体的形式。
上文针对本公开的方法所述的各种实施方式和选项可以相互组合(只要它们彼此之间不是内在矛盾的),由此组合而形成的各种实施方式都视为本公开的一部分。
以上参照一些实施方式以例证的方式更清楚、明确地阐述本公开的技术方案。应该理解的是,这些实施方式仅用于例证的目的,绝不旨在限制本公开的保护范围。本公开的保护范围仅通过权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种清洗熔融沉积制造式3D打印机的热端的方法,所述方法包括:
在所述热端的第一工作温度下,利用第一打印材料进行打印之后,设定所述热端处于第二工作温度,其中,所述第二工作温度等于或高于所述第一工作温度;以及
在所述第二工作温度下,将清洗材料从所述热端底部的喷嘴挤出,其中,所述清洗材料在所述第二工作温度下呈高弹态。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述将清洗材料从所述热端底部的喷嘴挤出包括:
从所述热端顶部向所述热端中加入所述清洗材料;
紧接所述清洗材料的加入,从所述热端顶部向所述热端加入第二打印材料;以及
向所述热端底部挤压所述第二打印材料,以使得所述清洗材料在所述第二打印材料的挤压下从所述喷嘴被挤出。
3.如权利要求2所述的方法,其中所述清洗材料采用从以下各项所组成的组中选择的形式:丝状体和球状体。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述将清洗材料从所述热端底部的喷嘴挤出包括:
从所述热端顶部向所述热端中加入所述清洗材料;
向所述热端底部挤压所述清洗材料,以使得所述清洗材料的第一部分从所述喷嘴被挤出;以及
从所述热端顶部拔出所述清洗材料的第二部分,所述第二部分不同于所述第一部分。
5.如权利要求4所述的方法,其中所述清洗材料采用丝状体的形式。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中所述清洗材料包括从聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯所组成的组中选择的至少一种。
7.如权利要求6所述的方法,其中所述第二工作温度高于180℃且低于或等于200℃。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中所述清洗材料为聚碳酸酯。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述第二工作温度高于180℃且低于或等于220℃。
10.如权利要求1至5中任一项所述的方法,其中所述第一打印材料包括从聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯所组成的组中选择的至少一种。
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- 2021-06-29 CN CN202110723515.4A patent/CN113246472A/zh active Pending
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