CN113329862B - 用于改进熨烫的3d打印液化器喷嘴挠曲件 - Google Patents

Abstract

一种用于提供液化器喷嘴挠曲件以至少能够熨烫3D打印的装置、系统和方法，从而提高打印质量。所述装置、系统和方法可以包括：用于提供3D打印的可控打印头；能够液化沉积材料以提供所述3D打印的液化器；以及安装在打印头和液化器之间的液化器喷嘴挠曲件，当打印喷嘴尖端处遇到阻力时，所述挠曲件允许打印头和液化器之间的距离改变。

Description

用于改进熨烫的3D打印液化器喷嘴挠曲件

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月20日提交的名称为：“用于改进熨烫的3D打印液化器喷嘴挠曲件”的美国临时申请62/782,065的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文，如同将其全部内容进行阐述。

背景技术

技术领域

本发明涉及增材制造，并且更具体地涉及提供用于改进熨烫和打印质量的3D打印液化器喷嘴挠曲件(flexure)的装置、系统和方法。

背景说明

3D打印是一种增材制造类型。与减材制造相反，在减材制造中，是从材料的起始质量去除材料，增材制造是递增地添加材料以形成物体。增材制造具有许多益处，随着该技术被应用于新领域和最终产品，增材制造工业也在不断发展。

熔丝制造(FFF)是一种利用长丝(filament)作为原材料的增材制造类型。长丝通常是热塑性的，这意味着长丝在环境温度下是固体，并且当加热到特定温度时变成液化或部分液化。FFF打印机利用这种特性在构建板或部分打印的物体上的特定位置顺序沉积液化或部分液化的长丝。在冷却时，新沉积的长丝固化并且成为印刷物体的一部分。

FFF打印机利用可以在X、Y和Z方向上移动的打印头沉积材料。打印头通常在X和Y方向上打印第一基层。然后，打印头在Z方向上向上移动并打印第二层。该过程继续进行，直到完成3D打印部件，如打印计划软件所示的。可以打印支架以支撑3D打印部件，例如在部件悬垂并且不受其下方的材料支撑的区域处。支架的使用防止了悬垂材料在3D打印期间从打印物体上脱落。

FFF打印机以珠的形式沉积液化或部分液化的长丝。为了实现最佳的打印质量，重要的是在整个3D打印期间具有一致的长丝珠沉积速率。具有变化长丝沉积速率可不期望地导致在打印品的一个部分中长丝较多和在另一个部分中长丝较少。

FFF打印对于低速、低生产量应用已经非常成功。为了将FFF用于大批量生产，需要提高打印速度。当提高打印速度时，必须解决几个挑战。需要解决的挑战之一是在高打印速度下的均匀长丝沉积。例如，当以高打印速度打印时，在填充运动期间存在材料不均匀沉积的趋势。

填充运动涉及打印头通常在先前沉积的材料周界内来回移动，以填充3D打印部件的中心部分。当执行填充运动时，打印头在一个方向上沉积材料，然后在相反方向上沉积材料之前经历180度的转动。当以高速执行填充运动时，非挠曲的打印头倾向于在180度转弯的位置处留下额外的材料。此外，非挠曲的打印头易于留下不期望的脊，所述不期望的脊在沉积熔融长丝时形成。在打印期间引入“熨烫”效果可以减轻上述两个问题。

因此，需要提供3D打印液化器喷嘴挠曲件以改善熨烫和打印质量的装置、系统和方法。

发明内容

本发明涉及并且包括至少一种提供3D打印液化器喷嘴挠曲件以改善熨烫和打印质量的装置、系统和方法。所述装置、系统和方法可以包括允许液化器相对于打印头移动的挠曲件。例如，挠曲件可以安装在打印头和液化器之间，使得当喷嘴尖端遇到阻力时允许打印头和液化器之间的距离改变。所述阻力可能由喷嘴尖端接触过量沉积材料或由喷嘴尖端与3D打印物体中的缺陷碰撞而引起。

因此，本发明的实施方式提供了一种提供3D打印液化器喷嘴挠曲件以改善熨烫和打印质量的装置、系统和方法。

附图说明

本发明的非限制性实施方式是关于附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是未熨烫的长丝珠(filament bead)和熨烫的长丝珠的图示。

图2是与在没有喷嘴挠曲件的情况下打印时的打印质量相比，在具有喷嘴挠曲件的情况下打印时的改进的打印质量的图示。

图3是安装在3D打印机打印头和液化器之间的喷嘴挠曲件的图示。

图4是配置成无挠曲设计的喷嘴的图示。

图5是挠曲组件的俯视图的图示。

图6是挠曲组件的侧视图的图示。

图7示出了本发明的实施方式的各方面。

图8示出了本发明的实施方式的各方面。

图9示出了本发明的实施方式的各方面。

图10示出了本发明的实施方式的各方面。

图11示出了本发明的实施方式的各方面。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似装置、系统和方法中发现的其它方面。本领域的普通技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的装置、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是公知的，并且因为它们不促进对本发明的更好理解，所以在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本发明被认为固有地包括本领域普通技术人员将已知的对所描述的方面的所有这样的元素、变化和修改。

本文所使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，且不希望为限制性的。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非明确地确定为执行顺序，否则这里描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。

当将元件或层称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接耦合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当将元件称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。也就是说，除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语在本文使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分。

本文公开了处理器实现的模块和打印系统，其可以提供对多种类型的数字内容的访问和转换，所述多种类型的数字内容包括但不限于打印计划和数据流，并且本文应用的算法可以跟踪、传递、操纵、转换、收发和报告所访问的内容。这些模块、应用程序、系统和方法的所述实施方式旨在是示例性的而非限制性的。

作为非限制性示例，用于与实施方式结合使用的示例性计算处理系统能够执行软件，例如操作系统((OS)、应用/应用程序、用户界面和/或一个或多个其它计算算法，例如本文讨论的打印配方、算法、决策、模型、程序和子程序。示例性处理系统的操作主要由非瞬性计算机可读指令/代码来控制，诸如存储在诸如硬盘驱动器(HDD)、光盘、固态驱动器等计算机可读存储介质中的指令。这些指令可以在中央处理单元(CPU)内执行以使系统执行本发明的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、移动设备、个人计算机等中，CPU在称为处理器的集成电路中实现。

应当理解，尽管示例性处理系统可以包括单个CPU，但是这样的描述仅仅是说明性的，因为处理系统可以包括多个CPU。这样，本发明的系统可以通过通信网络或一些其他数据通信手段来利用远程CPU的资源。

在操作中，CPU从计算机可读存储介质中获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在软件中。诸如计算机指令和其它计算机可读数据的信息经由系统的主数据传输路径在系统的组件之间传输。

此外，处理系统可以包含外围通信控制器和总线，其负责从CPU向诸如3D打印机和/或操作者交互元件的外围设备传送指令和/或从所述外围设备接收数据，以配制打印，如本文通篇所讨论的。外围总线的一个例子是相关领域中公知的外围组件互连(PCI)总线。

操作员显示器/图形用户界面(GUI)可以用于显示由处理系统生成的或应处理系统请求生成的视觉输出和/或呈现数据，例如响应于前述计算程序/应用的操作。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。

此外，处理系统可以包含网络适配器，所述网络适配器可以用于耦合到外部通信网络，所述外部通信网络可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络可以利用电子地通信和传送软件和信息的方式来为处理系统提供访问。网络适配器可以使用任何可用的有线或无线技术与网络进行通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、红外等。

图1示出了“熨烫”的效果。“当通过熔融长丝制造生产3D打印物体时，液化或部分液化的长丝可在喷嘴尖端101处没有熨烫效果的情况下离开喷嘴100。在没有熨烫的情况下，喷嘴产生具有小宽度的珠101。喷嘴102示出了如果挤出的材料的体积大于喷嘴内径(ID)和层高105时的珠宽的形状。将附加材料挤出并熨烫成宽的扁平珠。如果进料过量，则材料将变平，如103所示。如果喷嘴是刚性的，则距离105保持不变。通过挠曲件设计，105处的尺寸允许向上弯曲，从而为材料分配提供空间，并且为分配的材料在挠曲件的力的作用下平坦流动提供时间。

在高打印速度下，例如在160毫米/秒下，当打印具有和不具有挠曲件时，部件外观存在视觉上可观察到的差异。图2示出了没有挠曲件的打印的部件104具有更明显的脊105，并且在部件104的中心106也明显缺少材料。在没有挠曲件的情况下，来自非常快速的180度移动的额外材料留在转向点107处。相反，在安装了挠曲件的情况下打印的部件108在转向点109周围180度的转弯处更平坦。此外，更多的材料沉积在部件的中部110，由部件108的中部110存在更多熨烫的事实所证明的。

图3示出了安装在3D打印机打印头112和液化器113之间的喷嘴挠曲件111。喷嘴挠曲件111可以是测力传感器，或者它可以是本领域技术人员已知的任何其它挠性材料。

如图3所示，挠曲安装件114可以安装到打印头112。挠曲安装件114可以例如通过连接件115a和115b连接到打印头112。挠曲件111可以通过一个或多个连接件连接到挠曲安装件114。例如，挠曲件111可以通过挠曲安装件连接部116a和116b连接到挠曲安装件114。

液化器安装件117可以在液化器安装件连接部118处连接到挠曲件111。液化器113可以连接到液化器安装件117。液化器113可连接到喷嘴119。当喷嘴119遇到阻力或没有阻力时，喷嘴119可以进一步远离和靠近打印头112移动。例如，阻力可能由喷嘴尖端接触过量沉积材料或由喷嘴尖端与3D打印物体中的缺陷碰撞而引起。挠曲件111可以在挠曲安装件连接部116A和116B处枢转。

通过在位置120处用刚性连接将喷嘴安装件117紧固到打印头112，喷嘴119可以设置在距打印头112固定距离处。这种配置在图4中示出。

图5示出挠曲组件121的俯视图。如图5所示，挠曲安装件114可以通过挠曲安装件连接部116a和116b连接到挠曲件111。长丝可以通过长丝进料口122进料。从图5中可以明显看出，挠曲件111仅在挠曲安装件连接部116a和/或116b处连接到挠曲安装件114。因此，在打印期间，允许液化器113和喷嘴119相对于打印头112上下浮动。例如，当在喷嘴尖端处遇到阻力时，喷嘴110可以向上浮动(朝向打印头112)。所述阻力可能由喷嘴尖端接触过量沉积材料或由喷嘴尖端与3D打印物体中的缺陷碰撞而引起。喷嘴100在遇到3D打印物体中的缺陷时向上浮动的能力可以防止喷嘴100破坏3D打印物体。

图6示出了一个实施方式的侧视图，其中挠曲件111是连接到挠曲安装件114的测力传感器。还可包括加热的喷嘴119。

因此，实施方式包括液化器和打印头的硬安装之间的挠曲件集成到X-Y运动。设计变化可以包括总是起作用的挠曲件；可以开启和关闭的挠曲件；以及挠曲件，其可以经由执行打印计划或其方面的计算机控制系统程序而经受挠曲速率的改变，因此，在打印期间，允许取决于头部的过程细节的不同挠曲量。例如，图7示出了挠曲件，所述挠曲件能够通过在挠曲件703的左侧枢转而挠曲。通过将挠曲件固定到打印头的静止的、非挠曲的部分，可以关闭挠曲件。挠曲件可以手动或自动关闭。挠曲件可以在打印之前或打印期间启动或关闭。

例如，图8示出了可以移动辊805以调节辊和液化器之间的距离(B)的致动器803。通过调节距离(B)，调节挠曲件的刚度。例如，减小距离(B)导致更硬的挠曲件。距离(B)可以在打印之前或打印期间调节，并且移动辊的致动器可以是自动的。自动致动器可以在打印期间改变挠曲件的刚度。

图9示出了可用于调节挠曲件的刚度的致动器903。致动器可以是气动的，并且改变空气压力以改变/变化施加到挠曲件上的向下力。当使用气动致动器时，力与空气压力有关。致动器可以利用伺服机构或伺服电机来改变施加到挠曲件上的力，从而改变挠曲件的刚度。当使用伺服机构或伺服电机时，力由伺服机构或伺服电机控制。伺服机构或伺服电机可以是线性伺服机构。致动器可以利用压电致动器来向挠曲件施加可变力，从而改变挠曲件的刚度。当使用压电致动器时，电压用于扩展压电致动器的尺寸，从而改变施加到挠曲件上的力并改变挠曲件的刚度。

挠曲件的关键数值是在X-Y运动的任何加速和减速期间。随着打印速度加快和减慢，从喷嘴挤出的材料的体积将大于在减慢时理想的珠所需的体积，并且小于打印头加速时所需的体积。任何速度的快速变化将从本发明的实施方式中获益。

当X-Y减速一匝时，挤出机不能足够快速地减慢材料流，并且系统过度挤出，产生比珠宽度所需的材料更多的材料。在没有挠曲件的情况下，喷嘴尖端的Z高度保持不变且材料围绕所述喷子尖端流动。如果在所述喷子尖端旁边有珠，则材料将在喷嘴周围沿Z方向向上流动，从而沿珠的路径产生尖锐特征。这在图10和11中示出。

如图所示，挠曲件允许喷嘴在Z方向上向上移动，从而允许材料停留在喷嘴下方并允许其被干净地熨烫。结果是珠高度略高，但是材料不会被推到喷嘴的侧面。因此，最终的打印品在顶部上要平滑得多。

在上述详细描述中，可以看出，为了本发明的清楚和简洁，将在单个实施方式中的各种特征组合在一起。本发明的这种方法不应解释为反映实施方式需要比本文明确叙述的更多的特征的意图。相反，本发明将涵盖本领域技术人员根据本发明将理解的对本发明的实施方式的所有变化和修改。

Claims (19)

1.一种用于提供液化器喷嘴挠曲件以至少能够熨烫3D打印的系统，包括：

用于提供所述3D打印的可控打印头；

能够液化沉积材料以提供所述3D打印的液化器；

所述液化器喷嘴挠曲件安装在所述打印头和所述液化器之间，当打印喷嘴尖端处遇到阻力时，所述液化器喷嘴挠曲件允许所述打印头和所述液化器之间的距离改变，其中，所述挠曲允许所分配的材料在来自所述挠曲件的力的作用下平坦地流动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻力包括接触过量的所述沉积材料。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阻力包括所述喷嘴尖端与3D打印件中的缺陷的碰撞。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述挠曲件包括测力传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述挠曲件包括紧固到所述打印头的挠曲安装件。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述挠曲件在所述挠曲安装件处枢转。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述枢转使得所述液化器能够相对于所述打印头上下浮动。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述喷嘴能够加热。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述打印头还包括所述打印头到X-Y轴运动控制器的硬安装，并且其中所述挠曲件在所述液化器和所述打印头到所述X-Y轴运动控制器的硬安装之间。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述挠曲件能够被开启和关闭。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述关闭包括将所述挠曲件固定到所述打印头。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述开启是自动的。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述挠曲件受到挠曲率控制。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述挠曲率控制包括致动器。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述致动器包括辊。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述致动器是气动的。

17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述致动器包括伺服电机。

18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述致动器包括压电元件。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述材料的珠高度在所述挠曲件操作时更高。

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