CN113382844A - 用于增材制造打印头中的丝材熔融的温度保持的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的装置、系统和方法可以包括至少两个滚刀，其适于在其间接收和挤出用于增材制造的打印材料丝材；材料引导件，其适于接收挤出的打印材料丝材；至少一个加热器元件，所述至少一个加热器元件联接到沿着所述材料引导件远离所述至少两个滚刀的转变点，其中所述转变点包括通过所述至少一个加热器元件使所述材料引导件内的所述打印材料至少部分液化，以允许打印所述至少部分液化的打印材料；至少一个珀尔帖装置，所述至少一个珀尔帖装置至少部分地围绕所述转变点的上部，并且适于至少从所述转变点的所述上部散热，从而防止所述打印材料在所述上部上方的部分液化；以及打印喷嘴，其与至少部分液化的打印材料流体连通并且适于打印至少部分液化的打印材料。

Description

用于增材制造打印头中的丝材熔融的温度保持的设备、系统 和方法

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：“用于增材制造打印头中的丝材熔融的温度保持的设备、系统和方法”的美国临时申请62/782,468的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文，如同其全部内容被阐述一样。

背景技术

技术领域

本公开涉及增材制造，并且更具体地涉及用于增材制造打印头中的丝材熔融的温度保持的设备、系统和方法。

背景说明

包括三维打印的增材制造已经在开发方面，不仅打印技术，而且例如产品研究和开发能力、原型制作能力和实验能力方面构成了非常显著的进步。在可用的增材制造(统称为“3D打印”)技术中，熔融沉积材料(“FDM”)打印是已经开发的最重要类型的3D打印之一。

FDM是一种增材制造技术，其允许在逐层的基础上创建3D元件，从打印元件的基础层或底层开始，并且通过使用例如加热和将热塑性丝材挤出到连续层中来印刷直到顶层或最后层。简单地说，FDM系统包括打印头、X-Y平面控制器和打印平台，打印材料丝材从打印头通过材料引导件进给到加热的喷嘴，X-Y平面控制器用于在X-Y平面中移动打印头，基底打印在打印平台上，并且当打印连续层时打印平台另外在Z轴中移动。

更特别地，FDM打印机喷嘴将通过材料引导件从打印头接收的热塑性打印丝材加热到半液态，并且通常将半液态热塑体沿着为构建元件的每个连续层而提供的X-Y平面挤出打印路径平面沉积成可变尺寸的珠粒(bead)。打印的珠粒/迹线尺寸可以基于部件或部件的(多个)方面而变化，然后被打印。此外，如果需要用于部件的方面的结构支撑，则由FDM打印机打印的轨迹可包括可移除的材料以充当一种脚手架(scaffolding)来支撑需要支撑的部件的方面。因此，FDM可用于构建实验或功能部件的简单或复杂几何形状，例如用于原型制作、小批量生产、制造辅助等。

然而，由于影响FDM，特别是影响FDM工艺的打印速度、质量和效率的多种因素，FDM在更广泛的应用中的使用受到严重的限制，例如中等到大批量生产。如所提及的，在FDM打印中，通常将热塑体从打印头挤出，然后加热至半液态，并在根据打印计划操作的控制下从打印喷嘴向外推到打印板/平台或正被生产的部件的先前层上。喷嘴根据预先输入的打印计划的几何形状，通过打印头的机器人X-Y平面调整来回移动，以控制机器人移动来形成期望的部件，所述预先输入的几何形状例如可以被输入到处理器中。

然而，由于已知打印头、材料引导件、喷嘴和丝材加热器(在本文中可统称为“打印头”)的性质，经常发生FDM增材制造的成本、效率和性能的当前局限。简而言之，在典型的已知打印头中，打印材料从卷轴通过两个(或更多个)打印滚刀进给，打印滚刀用于通过材料引导件朝向打印机的“热端”(即，加热器和打印喷嘴输出)挤出打印材料。在已知的实施方式中，电机转动其间具有打印材料的两个滚刀中的任一者或两者，以便将打印材料从卷轴通过材料引导件进给到包括打印喷嘴的“热端”。

因此，在一些打印机中，例如FDM打印机，存在“转变点”(transition point)，在该“转变点”处，材料引导件中的“冷的”，即未熔融的丝材被加热到用于打印的液化点。然而，提供到热端的“转变点”，即“冷”丝材在加热下开始软化以便允许打印的点，温度控制必须高度精确，至少因为材料的进给速度必须与待打印的每层的不同方面所需的打印速度良好匹配，并且进给速度取决于许多因素，包括：进入转变点的冷丝材的熔融速度；并且避免了当冷的丝材进入转变点时的堵塞。即，如果冷的丝材在转变点之前由于非故意地“早期”暴露于热或暴露于熔融而熔融或软化，或直到转变点之后才熔融，则丝材可在转变点不期望地硬化，并从而形成可引起打印停止的阻塞。此外，一旦在转变点的冷侧产生阻塞，在现有技术中很难清除，至少部分是因为打印头组件通常在打印头的冷端不包括加热器。

因此，在已知技术中，典型的是，在转变点附近在其“冷侧”上包括一个或多个散热器，例如可以另外包括空气或水冷却。这种包含旨在防止“向上”热泄漏到打印头的冷侧，并由此防止丝材的无意的部分熔融，如上所述，丝材的无意的部分熔融通常导致在转变点处或附近的阻塞形成。然而，就例如在过渡区上方的区域处采用水冷却的程度而言，需要各种配件和管道来将冷却剂运送到冷侧，这阻碍了打印头周围的工作空间，增加了打印头制造和集成的复杂性，并且因此使得打印头低效且制造和部署昂贵。

当然，如本领域技术人员将理解的，存在对冷却打印头的方面的附加挑战。例如，在转变点周围的材料引导件的薄壁不是特别坚固，该薄壁设置成减少到冷侧的热传递，并且因此不适于具有这种特征的打印头的高水平生产。

因此，需要将“冷”丝材保持在未熔融状态直到其通过FDM系统中的转变点，从而避免堵塞并提高可用的打印速度和打印效率。

发明内容

本公开是用于增材制造的打印头的至少一种设备、系统和方法，并且包括用于增材制造的打印头的至少一种设备、系统和方法。该设备、系统和方法可包括至少两个滚刀，其中一个滚刀可被驱动，适于在其间接收和挤出用于增材制造的打印材料丝材；材料引导件，其适于接收挤出的打印材料丝材；至少一个加热器元件，所述至少一个加热器元件联接到沿着所述材料引导件远离所述至少两个滚刀的转变点，其中所述转变点包括通过所述至少一个加热器元件使所述材料引导件内的所述打印材料至少部分液化，以允许打印所述至少部分液化的打印材料；至少一个珀尔帖(peltier)装置，所述至少一个珀尔帖装置至少部分地围绕所述转变点的上部，并且适于至少从所述转变点的所述上部散热，从而防止所述打印材料在所述上部上方的部分液化；以及打印喷嘴，其与至少部分液化的打印材料流体连通并且适于打印至少部分液化的打印材料。

附图说明

所公开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是增材制造打印机的图示；

图2是示例性增材制造系统的图示；

图3示出了示例性珀尔帖装置系统；

图4示出了示例性珀尔帖装置系统；

图5示出了示例性珀尔帖装置系统；

图6示出了示例性珀尔帖装置系统；

图7A和7B示出了示例性珀尔帖装置系统；

图8示出了示例性珀尔帖装置系统；

图9示出了示例性计算系统。

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设备、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域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设备、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已知的，并且因为它们不促进对本公开的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供实施方式，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施方式。因此，实施方式不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能不详细描述公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不是旨在进行限制。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。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，除非另外清楚地指出，否则其可以直接在另一元件或层上、接合到、连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”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)。此外，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。

此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、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、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。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当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

简单地说，实施方式中的一个或多个珀尔帖装置可以将增材制造打印机的打印头中的丝材保持在预定温度或以下，诸如给定丝材的玻璃化转变温度。上述珀尔帖装置可以经受一个或多个控制器，以便最佳地进行这种温度保持。

上述有助于避免熔融从转变点“向上”的“蠕变”，蠕变可导致堵塞。这种蠕变可能在来自加热元件的热量被向上传导到材料引导件中时发生，和/或来自在材料引导件内从“下方”的熔融打印材料向上传递的辐射热量。如果热量无意中到达转变点的“冷侧”，则没有经过加热器的材料可能熔融。不用说，这种无意的熔融不能很好地控制，因为它不经受加热器，因此存在冷却时，甚至稍微冷却，这种材料将形成堵塞的风险。

为了避免熔融的“蠕变”，在现有技术中，将液体和/或空气冷却集成以保持转变点的“冷”侧的温度是昂贵和困难的，并且具有几个显著的缺点。举例来说，在高度充满电子装置的环境中提供液体可能导致电子装置的灾难性故障，例如在泄漏或冷凝的情况下。当然，空气冷却器也是常见的地方，但是它们将空气流添加到必须是高度受控的环境中，这可能不利地影响其它打印过程参数。

应当注意，在本公开中，如本文所使用的“向上”、“下方”和类似的相对术语不一定指示实施方式的各方面的物理位置，而是指示在打印过程中一方面出现在何处，即，打印滚刀在典型FDM系统中在加热器的“向上”，至少因为滚刀在打印材料暴露于典型FDM系统中的加热器之前在打印材料上操作。相应地，本文中这些术语的使用明确地非限制于所公开的实施方式。

更具体地，实施方式提供主动冷却，例如以一个或多个珀尔帖装置的形式，其：使温度在转变点达到或低于Tg(玻璃化转变温度)，但具有减小的散热器面积；快速驱动到给定温度；允许以可变速度驱动打印材料；将过渡区域驱动到与标准散热器相比更冷的温度，例如至少10到20度的冷却；并且可以包括加热任选性，例如以帮助清洁入口塞。

因此，如本文所讨论的，提供了实施方式：其中可以提高打印头速度而没有所提到的有害影响，例如堵塞；其中可以提高在较高打印速度下的打印精度；其中改善了对打印计划中的变化的打印响应性；并且其中可以减小打印头中保持“冷”丝材所需的散热器的重量和尺寸，从而减小打印头本身的重量和尺寸。

图1是示出示例性FDM打印机100的框图。在该图示中，打印机包括X-Y轴驱动器102，其适于在二维平面中，即沿着X和Y轴移动打印头104，并因此移动打印喷嘴106。用于增材制造的打印机100中还包括前述打印头104，其包括材料引导件104a、加热器104b和打印喷嘴106。如从图1中明显看出的，在加热的打印材料相对于X-Y驱动器102的X-Y平面移动沿着Z轴从喷嘴106向外流动时，可以发生打印。由此，打印材料层110可以从喷嘴106沿着由X-Y驱动器102指示的路径提供到构建板111上以形成层113。

图2更具体地示出了用于示例性增材制造装置的打印头104、材料引导件104a、加热器104b和喷嘴106系统，所述增材制造装置例如3-D打印机，例如FDM打印机。如图所示，打印材料110经由头104的滚刀103从打印材料110a的卷轴挤出到材料引导件104a中，材料110通过该材料引导件到达转变点105，在该点处加热器104b将打印材料110加热到至少半液体状态，使得打印材料110可以通过喷嘴106打印。即，随着加热器104b加热打印材料110，打印材料至少部分地液化以穿过喷嘴106，以便在沿着远离打印头104的喷嘴的点处从喷嘴的端部端口106a输出。由此，挤出材料从端口106a沿着Z轴并且沿着由与打印头104相关联的控制器1100执行的打印计划1190确定的X-Y平面路径向外“打印”。

更特别地，打印头104用于以由与打印头104相关联的滚刀103的旋转所规定的并且由控制系统1100控制的速度将打印丝材110挤压到材料引导件104a中，并且因此挤压到转变点105的功能。更具体地讲，期望打印头104能够容易地从显著的丝材进给速度变为零速度，以及从零变为显著的丝材进给速度，并且在转变点105处或附近没有阻塞形成。更具体地，丝材110可以由打印头104通过材料引导件104a进给并且进入热端106中，使得可以存在“冷”和“热”区域，这使得能够将冷丝材保持为冷的直到转变点，在该过渡区域之后，熔融的材料可以穿过喷嘴106以用于从打印端口106a排出熔融的丝材。

关于本文通篇的讨论，转变点105(以及在其“任一侧”上的)的位置和温度可以随着喷嘴/打印头类型和/或打印材料110的类型而变化。还应当注意，转变点可以随着打印系统的相邻几何形状而变化。

如图所示，打印头104将打印材料丝材110进给到材料引导件104a的上部部分中，并且由加热器104b施加到丝材110的热量导致丝材110的一部分在其穿过转变点105时熔融。将理解的是，如果打印头104的滚刀103将丝材110进给到加热器104b的速度超过系统的熔融能力，则打印丝材110的未熔融部分将穿透转变点105并且可能堵塞喷嘴106。由此，在所公开的实施方式中可以采用滚刀的旋转速率与加热器104b的熔融打印丝材110以用于打印的熔融能力的物理和算法关联104a。该算法关联104a可另外包括在全文中讨论的其它温度控制，其可包括对由一个或多个传感器107产生的数据的评估，例如可与控制系统1100通信地关联。

珀尔帖装置203是一种热电装置，其利用珀尔帖效应在两种不同类型材料的接合处之间产生热流。珀尔帖装置203是固态有源热泵，其将热量从装置的一侧205A传递到另一侧205b，根据电流的方向消耗电能。也就是说，珀尔帖装置203进行的热传递可以通过极性的反转而反转。因此，如全文所述，珀尔帖装置203可以有利地用于加热或冷却，因此适合用作温度控制器。应当注意，使用珀尔帖热电偶移动的热量越多，其可能变得越低效，至少因为热电偶必须耗散正被移动的热量和由珀尔帖装置自身的功率消耗产生的热量两者。图2中示出了具有至少一个与其相关联的珀尔帖装置203的增材制造打印头104。

更具体地，现在还参考图3，当作为冷却器操作时，电压被施加在装置上，并且基于向构成装置的结施加功率，在两侧205a、205b之间建立温度差。例如，当作为加热器操作时，在装置的一侧205a上施加功率时，被电加热到高于另一侧205b的温度，并且因此充当该另一侧的热沉。

珀尔帖装置203提供了优于其它类型冷却的显著优点，例如上面讨论的那些类型和在3D打印中常规使用的类型，并且包括没有移动部件、污染打印环境的气流、或者可能泄漏或冷凝的循环液体。因此，部分地通过使用转变点105的冷侧的珀尔帖冷却，实施方式提供了更长的寿命、不易泄漏、更小的尺寸、灵活的形状和增强的可制造性。

更特别地，再次参考图3，实施方式中的珀尔帖装置203包括两个独特的半导体209、211，一个是n型，一个是p型。半导体209、211彼此热并联并且电串联，并且与P-N半导体栅209、211的每侧上的导热板205a、205b相关联。

当电压最终经由电连接213施加到半导体栅极209、211时，存在跨半导体209、211的P-N结209a的DC电流的流动，该电流流动引起温度差。因此，装置的冷却板面205b吸收热量，然后热量越过半导体热电偶209、211移动到装置203的另一侧205a，从而产生热沉。装置的导电板205a、205b可进一步夹在外陶瓷板215之间。

可由珀尔帖装置203吸收的热量与通过其中的电流和暴露时间成比例。更特别地，所吸收的热量Q与电流I和时间t有关，由珀尔帖系数P表示如下：

Q＝PIt

其中珀尔帖系数P取决于温度和构成P-N热电偶的材料。

图4示出了可用于实施方案中的示例性珀尔帖装置203。如图所示，电可通过导线(+)和(-)302供应，例如供应到上面关于图3所讨论的电导体205a、205b，因此，珀尔帖装置203的极性可使用这些导线302控制，例如当受到控制器1100的控制时，以控制供应的电，如本文所讨论的。

珀尔帖装置203可以放置在打印组件中，例如在转变点105处或附近。因此，当能量施加到与转变点105相邻的珀尔帖装置203时，珀尔帖装置可以通过从恰好在转变点105上方的区域散热而主动地“冷却”。

可以采用包括图3和4所示的珀尔帖装置203的多种几何形状，以便与打印头104的设计最好地结合。实施方式可以包括例如在其中心具有开口304的圆盘或块珀尔帖装置(block peltier device)，材料引导件104a和转变点105可以穿过该开口。图5中说明了这样的实施方式。

如图5的实例所示，一个或多个盘或块珀尔帖装置203可以围绕材料引导件104a邻近转变点105放置。在与“冷侧”相对的转变点的一侧上示出了加热器104b。就包括多个珀尔帖装置203a、b而言，一个装置203b，例如最靠近转变点105的“热侧”的装置，可以用作加热器，而一个装置203a，例如在转变点105的“冷侧”的装置，通常可以用作冷却器。当然，在这个或类似的实施方式中，在堵塞发展的情况下，与堵塞的转变点105相关的所有珀尔帖装置203a、b可以被控制为加热，使得堵塞熔融。

图6A和6B示出了在整个讨论的转变点105处的珀尔帖冷却的实施方式。在图6A所示的横截面图中，珀尔帖冷却器203是具有中心孔304的块状冷却器，打印材料引导件104A穿过该中心孔，即，珀尔帖冷却器203在/刚好在转变点105的上方围绕材料引导件104A放置。还示出了具有高热质量的加热块607和具有低热质量(low thermal mass)的打印喷嘴106。在图6B中，图示包括放置在转变点105旁边的珀尔帖冷却器203A、203B，而不是如图6A中完全围绕转变点105。

不用说，将加热和冷却集中在转变点105，即集中在材料引导件104a与热端加热器104b的接触点处，优化了珀尔帖冷却器203或多个冷却器防止和清除堵塞的能力。因此，如全文所引用的，优化到该接触点的几何形状的珀尔帖冷却器可以最适合于执行本文所讨论的冷却和加热。

因此，实施方式可包括一个或多个珀尔帖冷却器203，其径向地围绕接触点位于转变点105的正上方。这种径向实施方式可包括珀尔帖装置203或如上所述在其中心302具有孔的装置，或者可包括多个小的珀尔帖装置503，它们围绕其中具有中心孔502的传热连接板505径向连接，以将装置固定在接触点105周围。

作为非限制性的例子，图7A和7B示出了多个珀尔帖装置503，它们围绕接触点105在其中心处径向放置。注意，尽管图7中示例性地提供了八边形珀尔帖装置503，但是根据这里的讨论，可以理解，可以提供其它数量的较小径向珀尔帖装置503，例如作为非限制性实例的四个、六个或十个。

更具体地说，图7A示出八个珀尔帖装置503，它们围绕中心点径向放置，以执行本文讨论的功能。应当注意，图7A中的珀尔帖装置503与接触点105周围的传热板505共用顶面。

相反，图7B再次示出了八个珀尔帖装置503，它们围绕接触点105径向布置，但是在该实施方式中珀尔帖装置503从平行平面到传热板505的顶面向下倾斜。应当理解，在这种实施方式中，从所示的装置503的上部，即在传热板505的上平面处传递的热在该图中很好地指向转变点105的下部。也就是说，在该图示中，热量被更好地传递到打印材料行进通过喷嘴的期望点，即，熔点，并且远离“冷端”。

可以理解，这里公开的珀尔帖装置，包括图3-7的装置，可以使用已知的方法制造，例如包括或不包括上面讨论的P-N掺杂区。作为例子，所公开的珀尔帖装置可以通过3D打印、注射成型等制造。

此外，所公开的珀尔帖系统不排除使用用于“冷侧”的已知技术冷却方法。例如，通过使用珀尔帖装置上的空气冷却710，珀尔帖装置系统可以进一步去除热量或热空气。然而，与空气冷却可能偏离仅在转变点处冷却而不适当地冷却转变点的受热侧的现有技术相比，实施方式可以结合珀尔帖装置使用空气冷却来提供高度定向的冷却。也就是说，与实施方式中可结合珀尔帖装置使用的空气流相比，在已知技术中需要冷却的空气的体积是显著的，并且在已知技术中的这种大体积的空气大大增加了已知技术中的一些空气将冷却偏离目标的可能性。

更具体地说，如图3-7所示，珀尔帖装置通过在精确的所需位置提供冷却表面，在精确的所需位置除去热量。在所提供的程度上，可以仅在珀尔帖装置的“热侧”提供上述空气冷却710，从而增强由珀尔帖装置的“冷侧”提供的冷却。因此，与现有技术相比，空气的目标性更高且体积更小，并且在材料引导件附近没有冷却空气流。此外，该被引导的气流在与材料引导件屏蔽的同时允许将气流封装在特别地围绕散热器区域的腔室中，这也允许从该特定腔室捕获和排出加热的空气。因此，实施方式可以消除杂散气流及其对3D打印过程的有害影响。

包括或不包括冷却气流的使用，所公开的珀尔帖装置203能够实现高精度的温度控制。作为示例，并且如图8所示，一个或多个温度传感器702可以设置在打印头104上或与其环境关联，诸如沿着材料引导件104a和/或在整个讨论的转变点105处。该传感器702可与采用一个或多个控制算法1190的一个或多个控制系统1100通信，所述控制算法控制例如供应给珀尔帖装置700(如上文在图3-7中所述)和/或在目前的程度上供应给关于图7所述的空气冷却系统的功率，以提供实时响应热控制系统。当然，其它方面可以由算法1190结合珀尔帖装置控制来控制，例如通过电机等致动滚刀103，这作为非限制性示例。

因此，所公开的珀尔帖冷却，例如与如上所述的空气冷却和/或实时控制相结合，提供了比现有技术中所提供的明显更低的温度和在转变点以上的更好的温度控制，以及加热块和转变点之间的明显更高的温度增量。将转变点的“冷侧”保持在玻璃化转变温度以下，例如在60℃而不是已知技术的100℃的能力，提供了优于已知技术的明显工艺优点。作为示例，由实施方式提供的增强的冷却使得能够针对打印材料可以被推动通过打印喷嘴的速度和功率实现改进的机械推动性质。

通过进一步的非限制性示例，实施方式允许控制器1100在打印计划处的前瞻，以及随后在转变点处的温度的调整，以允许基于打印计划中即将到来的打印动作来增加/减少打印材料推动压力。更特别地，如果转变点保持非常冷，加热块需要更多的能量来熔融液化器中的打印材料，并且如果转变点不太冷或由珀尔帖装置加热，则可以向打印丝材施加更大的力，这可以允许更高速的打印。

也就是说，利用本文讨论的增强的控制系统和珀尔帖冷却，过渡区域可以保持比现有技术中的冷却得多，例如在60℃的范围内，在正常运行时间期间加热到接近玻璃化转变温度，并且在高速运行时间和/或堵塞清除期间加热到更高的温度。此外，对于某些打印运行，操作参数可以具体地变化。作为示例，在特定丝材在例如由于该丝材的硬度而导致的增大的推力下不太可能形成堵塞的程度上，可以在转变点处实现更多的加热至玻璃化转变温度或以上，例如以允许更高速的打印。

在上述示例中，不仅可以特别地控制珀尔帖冷却，而且类似地并且如全文所讨论的，可以反转珀尔帖装置的极性以提供打印材料的加热，例如预加热，从而使得能够进行更高速的打印。例如，典型的珀尔帖装置可以加热到200℃或更高。

图9描绘了与本文描述的系统和方法结合使用的示例性计算系统1100。计算系统1100能够执行软件，诸如操作系统(OS)和/或一个或多个计算应用1190，诸如应用本文所讨论的打印计划/算法的应用，并且可以执行这样的应用，诸如以控制一个或多个滚刀103、加热器104b等，诸如通过向/从一个或多个传感器107发送或接收数据，和/或通过处理来自该一个或多个传感器的数据，诸如可以在所示的I/O端口处接收或通过所示的I/O端口发送。

作为示例，算法1190可控制贯穿讨论的珀尔帖冷却的操作。例如，算法可以仅在检测到上述蠕变时启动珀尔帖装置，或者可以在任何打印操作期间简单地完全启动珀尔帖冷却。此外，算法1190可另外操作一个或多个珀尔帖装置，以便如上所述可选地加热和冷却，例如在感测到堵塞并且必须熔融以便允许清除的情况下。当然，在这种情况下，一旦阻塞被感知为清除，则珀尔帖装置(一个或多个)可以通过算法1190返回到正常冷却操作。

示例性计算系统1100的操作主要由计算机可读指令控制，诸如存储在诸如硬盘驱动器(HDD)1115、诸如CD或DVD等光盘(未示出)、诸如USB“拇指驱动器”等固态驱动器(未示出)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)1110内执行，以使计算系统1100执行贯穿本文所讨论的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、个人计算机等中，CPU1110在称为处理器的集成电路中实现。

可以理解，尽管示例性计算系统1100被示为包括单个CPU1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个CPU1110。另外，计算系统1100可以例如通过通信网络1170或一些其它数据通信手段来利用远程CPU(未示出)的资源。

在操作中，CPU1110从计算机可读存储介质，例如HDD1115，获取、解码和执行指令。这些指令可以包括在诸如操作系统(OS)的软件、诸如算法1190的可执行程序等中。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计算系统1100的组件之间传输。主数据传输路径可以使用系统总线体系1105，尽管可以使用其他计算机体系结构(未示出)，诸如使用串行器和解串器以及纵横开关以通过串行通信路径在设备之间传送数据的体系结构。系统总线1105可以包括用于发送数据的数据线、用于发送地址的地址线、以及用于发送中断和用于操作系统总线的控制线。一些总线提供总线仲裁，该总线仲裁通过扩展卡、控制器和CPU1110来调节对总线的访问。

耦合到系统总线1105的存储器设备可以包括随机存取存储器(RAM)1125和/或只读存储器(ROM)1130。这种存储器包括允许存储和检索信息的电路。ROM1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在RAM1125中的数据可以由CPU1110或其它硬件设备读取或改变。对RAM1125和/或ROM1130的访问可以由存储器控制器1120控制。存储器控制器1120可以提供地址转换功能，其在执行指令时将虚拟地址转换成物理地址。存储器控制器1120还可以提供存储器保护功能，该功能隔离系统内的进程并且将系统进程与用户进程隔离。因此，在用户模式下运行的程序通常只能访问由其自身进程虚拟地址空间映射的存储器；在这种情况下，程序不能访问另一进程的虚拟地址空间内的存储器，除非已经建立了进程之间的存储器共享。

此外，计算系统1100可以包含外围通信总线1135，其负责将指令从CPU1110传送到外围设备和/或从外围设备接收数据，所述外围设备诸如外围设备1140、1145和1150，其可以包括打印机、键盘和/或本文通篇讨论的传感器、编码器等。外围总线1135的一个示例是外围组件互连(PCI)总线。

由显示控制器1155控制的显示器1160可以用于响应于诸如算法1190的前述计算程序的操作，显示由计算系统1100生成或应其请求而生成的视觉输出和/或呈现。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。显示器1160可以用基于CRT的视频显示器、基于LCD或LED的显示器、基于气体等离子体的平板显示器、触摸面板显示器等来实现。显示控制器1155包括产生发送到显示器1160的视频信号所需的电子组件。

此外，计算系统1100可以包含网络适配器1165，其可以用于将计算系统1100耦合到外部通信网络1170，其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1170可以向计算系统1100提供用户访问，其具有电子地通信和传送软件和信息的装置。另外，通信网络1170可以提供分布式处理，其涉及若干计算机以及在执行任务时的工作量或协作工作的共享。可以理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算系统1100和远程用户之间建立通信链路的其它手段。

网络适配器1165可以使用任何可用的有线或无线技术来与网络1170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。

可以理解，示例性计算系统1100仅示出了此处所描述的系统和方法可在其中操作的计算环境，并且不限制此处所描述的系统和方法在具有不同组件和配置的计算环境中的实现。也就是说，本文描述的概念可以使用各种组件和配置在各种计算环境中实现。

在上述详细描述中，为了本公开的简洁，各种特征可以在各个实施方式中组合在一起。这种公开方法不应被解释为反映了任何随后要求保护的实施方式需要比明确记载的特征更多的特征的意图。

此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施方式。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的理念或范围的情况下应用于其它变化。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种用于增材制造的打印头，所述打印头包括：

至少两个滚刀，至少一个所述滚刀是被驱动的，所述滚刀适于在其间接收和挤出用于增材制造的打印材料丝材；

材料引导件，所述材料引导件适于接收挤出的打印材料丝材；

至少一个加热器元件，所述至少一个加热器元件联接到沿着所述材料引导件远离所述至少两个滚刀的转变点，其中，所述转变点包括通过所述至少一个加热器元件使所述材料引导件内的所述打印材料至少部分液化，以允许打印所述至少部分液化的打印材料；以及

至少一个珀尔帖装置，所述至少一个珀尔帖装置至少部分地围绕所述转变点的上部，并且适于至少从所述转变点的所述上部散热，从而防止所述上部上方的所述打印材料的部分液化。

2.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置中的至少一个珀尔帖装置包括径向珀尔帖装置，并且其中，所述材料引导件穿过大致居中地穿过所述径向珀尔帖装置的端口。

3.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置中的至少一个珀尔帖装置包括块珀尔帖装置，并且其中，所述材料引导件穿过大致居中地穿过所述块珀尔帖装置的端口。

4.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置中的至少两个珀尔帖装置横向地沿着所述材料引导件的相对侧。

5.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置的至少一部分至少部分地被3D打印。

6.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置至少部分地注塑成型。

7.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置包括多个径向珀尔帖装置，所述多个径向珀尔帖装置围绕热传递中心板。

8.根据权利要求7所述的打印头，其中，所述多个包括五至八之间。

9.根据权利要求7所述的打印头，其中，所述多个径向珀尔帖装置包括从所述中心板的顶面向下的角。

10.根据权利要求7所述的打印头，其中，所述中心板包括大致居中地穿过所述中心板用以接收所述材料引导件的端口。

11.根据权利要求1所述的打印头，还包括与至少一个珀尔帖装置相关联并且适于执行打印计划的控制器。

12.根据权利要求11所述的打印头，其中，所述控制器根据所述至少一个珀尔帖装置的冷却能力来改变打印速度。

13.根据权利要求12所述的打印头，还包括与所述控制器通信的多个传感器，所述传感器用于感测所述珀尔帖装置的性能。

14.根据权利要求11所述的打印头，其中，所述至少一个珀尔帖装置适于加热所述转变点。

15.根据权利要求14所述的打印头，其中，所述珀尔帖装置加热被致动，用以清除所述材料引导件中的邻近所述转变点的堵塞物。

16.根据权利要求1所述的打印头，还包括空气冷却器。

17.根据权利要求16所述的打印头，还包括空气腔室，所述空气腔室紧邻所述至少一个珀尔帖装置的热面，用以接收来自所述空气冷却器的空气。

18.根据权利要求1所述的打印头，还包括空气抽空装置，所述空气抽空装置用于从所述空气腔室中去除加热的空气。

19.根据权利要求1所述的打印头，还包括打印喷嘴，所述打印喷嘴与所述至少部分液化的打印材料流体连通，并且适于打印所述至少部分液化的打印材料。

20.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述打印喷嘴具有低热质量。

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