CN113508025A - 具有温度调节装置的用于施加打印材料的3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

所提出的解决方案尤其涉及一种3D打印设备，其具有至少一个打印喷嘴(10)，打印喷嘴用于沿着施加方向(R)分层地施加被设置成用于制造要打印的构件的打印材料(50、51)。3D打印设备(1)具有温度调节装置(4)，该温度调节装置被设立和设置成用于在打印喷嘴(10)的区域中例如经由分别具有多个流出开口(41a‑41e、42a‑42e、43a‑43e)的多个环形的载体(41、42、43)冷却和加热已经施加的打印材料(50、51)。

Description

具有温度调节装置的用于施加打印材料的3D打印设备
技术领域
所提出的解决方案涉及一种具有至少一个打印喷嘴的3D打印设备，该打印喷嘴用于分层施加用于制造要打印的构件的打印材料。
背景技术
在3D打印中，三维构件通常分层地由一种或多种材料构建而成。在此例如将塑料、树脂、陶瓷和/或金属用作材料。例如，在这方面中，所谓的熔层方法或熔融沉积成型方法(英文：“Fused Deposition Modeling(熔融沉积成型)”，简称FDM)是已知的。在此，构件或工件分层地由能熔化的塑料或熔化的材料构建而成。
为了分层制造各自的构件，经由例如形式为所谓的3D打印机的打印设备的至少一个打印喷嘴沿(多个可能的施加方向中的)一个施加方向将打印材料施加在打印板上。在此，经计算机辅助地，通过在打印喷嘴处逸出的打印材料分层地构建各自的构件。
在这方面例如由WO 2018/039261 A1所公知，将位于施加方向上的且已经施加的第一层打印材料预先加温，然后经由打印喷嘴施加另外的第二层印刷材料。对已经施加的打印材料层进行相应的预先加温在此被用于改善新施加的打印材料在已经存在的层的附着。WO 2018/039261 A1在此例如描述了使用激光或热气流对位于施加方向上的已经事先施加打印材料的加热。
发明内容
在此背景下，所提出的解决方案的任务是进一步改善3D打印设备。
该任务利用根据权利要求1的3D打印设备以及根据权利要求13的3D打印设备来解决。
根据第一方面，所提出的解决方案在此设置的是，3D打印设备具有温度调节装置，该温度调节装置被设立和设置成用于在打印喷嘴的区域中对已经施加的打印材料进行冷却和加热。因此，如果需要，可以经由温度调节装置来对存在于环境中并且因此例如局部地位于打印喷嘴之下的打印材料进行冷却或加热。
所提出的解决方案在此尤其包括以下变型方案，其中，加热例如位于施加方向上的打印材料，以便改善后续施加的打印材料的附着。在这方面例如可以确保，将已经施加的打印材料设定到能连接的温度，并且/或者(尤其是在填充有玻璃纤维的材料的情况下)可以仍然将已经施加的打印材料加热到使得之后从打印喷嘴新施加的打印材料可以渗入到已经施加的打印材料中。在时间上与加热打印材料错开地，例如在利用同一3D打印设备的情况下在不同制造流程中使用不同的打印材料时或为了构成要打印的构件的特定的、尤其是薄壁的区段时，或者与加热打印材料同时地，利用所提出的温度调节装置也能够实现冷却先前恰好才由打印喷嘴施加的打印材料。这种冷却例如被用于防止所施加的打印材料流走或熔化，并且支持打印材料的硬化。也可以设置的是，依赖于当前层的打印材料的构建时间并且/或者依赖于要制造的构件的区段、例如桥部或悬臂，在打印喷嘴的区域内在冷却与加热之间进行切换。
因此，经由所提出的3D打印设备原则上可以提高在制造要打印的三维构件时的灵活性。
相应地，温度调节装置可以例如被设立和设置成用于对通过喷嘴要将新的打印材料施加到其上的、位于施加方向上的已经施加的打印材料进行加热。因此，温度调节装置在此被设立和设置成用于在通过打印喷嘴将新的打印材料施加到已经施加的打印材料上时，对该已经施加的打印材料进行加热。
此外，温度调节装置可以被设立和设置成用于对通过打印喷嘴施加的打印材料进行冷却，该打印材料事先已经由打印喷嘴施加。因此，在打印材料由喷嘴施加之后并且必要时在打印喷嘴继续在施加方向上被调整来施加新的打印材料层期间，能通过温度调节装置对该打印材料进行冷却。因此，在一个实施变型方案中，例如可以借助温度调节装置朝刚刚由打印喷嘴施加的打印材料的方向产生进行冷却的流体流。在此，进行冷却的流体经由温度调节装置朝刚由打印喷嘴施加的打印材料的方向吹出。
原则上，可以经由温度调节装置产生具有经加热或进行冷却的流体的至少一个流体流，以用于加热和/或冷却所施加的打印材料。尤其可以设置的是，经由温度调节装置能以有选择的方式将经加热或进行冷却的流体用于流体流，并且例如为此存在不同的流体储备器，或者温度调节装置具有至少一个加热和冷却元件，以便有针对性地加热或冷却要吹出的流体。
在一个可能的改进方案中，温度调节装置具有至少一个载体，该载体具有用于流体的至少一个流出开口。相应的载体因此限定了用于要产生的流体流的流体路径，从而使得在载体的至少一个流出开口处的流体流被朝要冷却或要加热的打印材料的方向导引。至少一个载体在此可以至少部分地设置在打印喷嘴的区域中，从而使得从至少一个流出开口流出的流体在打印喷嘴的紧邻环境处汇聚到已经打印的打印材料上。
一个实施变型方案例如设置的是，在至少一个载体上具有至少一个用于产生被设置成用于加热打印材料的流体流的第一流出开口和至少一个用于产生被设置成用于冷却打印材料的流体流的第二流出口开口。在这方面中，因此可以在至少一个载体上存在不同的流出开口，根据应用情况，将经加热的流体或进行冷却的流体输送给这些不同的流出开口。当然，载体的至少一个流出开口也可以被设立和设置成用于允许不同的流体和/或具有不同温度的一种流体经由它们流出。
替选地或补充地，至少两个载体可以是温度调节装置的一部分。在此，在3D打印设备上也可以设置不同的载体用于产生不同的流体流和/或用于不同的流体。根据应当有针对性地流出什么类型的流体流(在温度和/或流出方向方面)或什么类型的流体、尤其是什么类型的气体地，例如可以使用一个或其他的载体。
在一个实施变型方案中，温度调节装置具有至少一个阀，尤其是多路阀，其用于控制不同流体的流入和/或用于控制流体经由不同流体路径的流入。在后一种提到的变型方案中，温度调节装置提供了不同的流体路径，例如以便允许经加热的流体流经第一流体路径并且允许进行冷却的流体流经第二流体路径，并最终朝所施加的打印材料的方向导引。在此可以经由至少一个阀相应地调节流入，从而例如依赖于阀的位置使得一个流体路径不能被利用，而另一个流体路径可用。
尤其地，具有至少一个阀的温度调节装置可以被设立和设置成用于控制经加热的流体经由与进行冷却的流体流入不同的流体路径的流入。经由至少一个阀在此例如可以控制：流体流向多个不同载体中的哪一个或哪几个载体和/或流向载体的哪个流出开口。向哪个载体和/或哪个流出开口供应流体在此尤其可以依赖于要利用哪种流体和/或该流体被设置成用于加热还是用于冷却。
作为流体流的产生的替选或补充地，温度调节装置可以具有用于加热已经施加的打印材料的至少一个发射器。这种发射器例如包括激光器、LED或红外辐射器，经由它们可以在打印喷嘴区域中局部地经由辐射热对打印材料进行加热。
原则上，温度调节装置可以电子式与至少一个传感器装置耦合，以便依赖于至少一个传感器信号电子式(并且因此至少部分地或完全地自动化地)控制加热或冷却的程度(并且因此例如控制所利用的流体的温度或控制可能的发射器的射出的辐射热的量，该传感器信号是要加热或要冷却的打印材料的温度的指示。在该实施变型方案中，因此设置有反馈，以便将能量输入或冷却效果限制在特定尺度，这依赖于打印材料的温度。
至少一个传感器装置在此例如可以包括一个或多个热成像相机，其图像数据借助计算机辅助被评估以用于计算打印材料温度，并且被用于产生传感器信号。替选地或补充地，可以设置一个或多个能运动的传感器，其能直接在喷嘴头上以电子受控方式被调整。替选地或补充地，可以在喷嘴头的区域中设置固定的或仅能略微调整的传感器，该传感器可以借助以能运动的方式支承且能以电子控制的方式调整的反射镜来检测所施加的打印材料的温度。
在一个实施变型方案中，温度调节装置具有控制电子器件，其被配置成依赖于打印喷嘴被调整到的那个施加方向来控制加热或冷却。因此，在这样的实施变型方案中，根据打印喷嘴恰好相对于打印平台被调整到多个可能的施加方向中的哪一个施加方向而定地，能改变的是，经由温度调节装置对打印喷嘴附近的打印材料进行加热还是冷却，并且/或者是否只有温度调节装置一部分被用于加热或冷却且哪个部分被用于加热或冷却。如果温度调节装置例如具有多个载体和多个流出开口，则控制电子器件例如被配置成仅向如下载体进而仅向如下流出开口供应流体，经由它们能(在施加方向上)在打印喷嘴之前产生流体流用于加热打印材料，或者经由它们能(与该施加反向相反地)在打印喷嘴之后产生流体流用于冷却打印材料。
在一个变型方案中，控制电子器件例如被配置成依赖于施加方向地控制加热或冷却，其方式是：通过控制电子器件使能被调整的载体(例如环形喷嘴)有针对性地随着施加方向(即打印轨迹)转动。以这种方式，使得冷却射流可以始终朝打印物之后取向或相对于施加方向向后取向，以便冷却刚刚施加的打印材料。同时，热源可以在前并因此指向施加方向，以便加热即将施加打印材料的区域。
所提出的解决方案的另一方面涉及具有温度调节装置的3D打印设备，该温度调节装置包括多个用于冷却已经施加的打印材料的温度调节元件和/或多个用于加热已经施加的打印材料的温度调节元件，其中，温度调节元件设置在温度调节装置的载体的至少部分地围绕打印喷嘴延伸的区段上。
温度调节元件可以例如是用于加热已经施加的打印材料的发射器，并且因此例如是激光器、LED和/或红外辐射器。温度调节元件也被理解为如下流出开口，它们用于具有加热的、尤其是加温的流体或具有进行冷却的流体的流体流。
在根据第二方面提出的3D打印设备中，相应的温度调节元件位于载体的如下区段上，该区段至少部分地围绕打印喷嘴延伸并因此覆盖沿打印喷嘴的周边的、用于局部加热或冷却打印材料的限定的区域。例如，载体可以围绕打印喷嘴圆弧形或环形延伸地构造。载体的具有温度调节元件的、至少部分地围绕打印喷嘴延伸的区段因此可以遵循围绕打印喷嘴的圆形线的走向。
在一个实施变型方案中，温度调节装置具有控制电子器件，该控制电子器件被配置成依赖于打印喷嘴被调整到哪个施加方向上地利用不同的温度调节元件。这例如包括，控制电子器件被配置成根据施加方向利用多个温度调节元件中的仅一个温度调节元件或仅一些温度调节元件，以便有针对性地加热或冷却(例如相对于施加方向)在打印喷嘴之前或之后的打印材料。
温度调节元件在此也可以位于不同的载体上，这些载体例如同时形成流动产生元件，例如围绕打印喷嘴的环形喷嘴。
上面讨论的3D打印设备的两个方面当然也可以在唯一3D打印设备中实现。
附图说明
附图示范性地说明了所提出的解决方案的可能的实施变型方案。
其中：
图1从打印喷嘴的视角截段地示出所提出的3D打印设备的第一实施变型方案，在该打印喷嘴上设置有具有多个温度调节元件的环形环绕的载体，温度调节元件用于根据需要对所施加的打印材料进行冷却或加热；
图2示出所提出的3D打印设备的另外的实施变型方案，其具有两个同心的、环形的载体，载体具有用于在载体上的被构造为流出开口的温度调节元件的可选的阀控制部；
图3在与图1和2相一致的视图中示出所提出的3D打印设备的另外的实施变型方案，其具有三个彼此同心布置的、均是环形的载体；
图4示意性地且截段地示出一种3D打印设备，其可以配备有根据图1、2或3之一的打印喷嘴，以及示意性地说明了与相应的温度调节装置耦合的传感器件。
具体实施方式
图4示意性地示出了具有打印喷嘴10的3D打印设备1，经由打印喷嘴可以将打印材料施加到打印平台2上以用于分层构建部件或工件。打印喷嘴10在此示范性地沿着施加方向R调整。
在图4所示的变型方案中，打印平台上已经存在一层打印材料50，通过打印喷嘴10将第二层打印材料51施加到该第一层打印材料上。例如，所示的3D打印设备在此例如根据熔层方法或熔融沉积成型方法(英文：“Fused Deposition Modeling(熔融沉积成型)”，简称FDM)工作。随着打印材料50第一次施布在打印平台2上，同时开始对所施加的打印材料50进行冷却，因此当3D打印设备1的打印头和打印喷嘴10再次来到同一个位置时，先前所施加的打印材料50比要施加的新的打印材料51冷得多。这会对两个材料束的连接以及用它制造的构件的强度产生负面影响。
在此背景下，图4的实施变型方案设置的是，经由激光器4a局部加热先前施加的层50的位于施加方向R上的打印材料50。通过借助激光器4a(或其他发射器，例如红外辐射器，或借助具有经加热的流体的流体流)和相关的到打印材料50中的能量输入实现的这种局部加热，对已经施加的打印材料50进行加热，之后将新的打印材料51施加到其上。由此，可以改善新施加的打印材料51在先前施加的打印材料50上的附着。以此也能够更有效地实施混合的打印方法，其中，给塑料材料打印金属粉末。通过有针对性的热输入，在此可以实使得被打印的金属粉末随后熔化，以便例如在经打印的塑料之内构成金属结构，例如该金属结构形式为至少一个导体迹线。
经由与具有激光器4a的温度调节装置4耦合并具有一个或多个传感器装置的传感器件3，使得依赖于所获知的打印材料50的温度来控制输入到已经施加的打印材料50中的能量。传感器件3在此例如包括光学测量器件和/或至少一个温度传感器。例如，作为温度传感器的替选或附加地，传感器件3包括一个或多个热成像相机，并被配置成借助计算机辅助计算在打印喷嘴10的区域内的打印材料50的温度并且依赖于该借助计算机辅助获知的温度来驱控激光器4a。
在根据图1的实施变型方案中，在打印喷嘴10的区域中设置有环形环绕的载体41。该环形的载体41是温度调节装置4的一部分，经由该温度调节装置可以有针对性地加热在先前循环中施加的第一层的打印材料50并且/或者经由该温度调节装置可以有针对性地冷却刚刚施加到该层上的后续层的打印材料51。
为此，多个温度调节元件41a至41e在载体41上彼此间隔开，尤其是彼此等距间隔开并且分布在环形的载体41的外周上。每个温度调节元件41a至41e在此可以由用于产生辐射热的发射器或由用于流体的流出开口形成，从而使得载体41可以尤其被构造为发射器环或环形喷嘴。根据为了分层施加新的打印材料51而要冷却还是要加热打印材料50、51并且打印喷嘴10沿哪个施加方向R调整而定地，仅激活其中单个温度调节元件41a至41e或仅激活其中一部分温度调节元件41a至41e。
如果例如在环形的载体的周边侧上分布地设置有多个流出开口41a至41e，则经加热的流体可以例如从位于施予方向R上的流出开口41d和41e处流出，以便对已经存在的层的位于打印喷嘴10之前和之下的打印材料50局部进行加热、尤其是被预先加温，然后将在打印喷嘴10处散布出的用于后续层的打印材料51与该打印材料50接触。替选地或补充地，进行冷却的流体可以从位于与施予方向R相反的流出开口41a、41b处流出，从而可以朝刚刚施加的打印材料51的方向产生进行冷却的流体流，以便防止该打印材料51熔化。因此，利用所示的温度调节装置4，可以有选择地加热或主动加温或冷却被施加的打印材料50、51。在此，依赖于当前层的构建时间和/或依赖于要制造的构件区段，可以有针对性地控制：是加热还是冷却，并且应当尤其是朝哪个方向并在沿着打印喷嘴10的周边的哪一个位置处/在哪几个位置处产生流体流。
为了自动化，温度调节装置4包括控制电子器件40。该控制电子器件40于是例如也可以与传感器件3耦合，以便依赖于相应的打印材料50或51具有什么温度来控制加热和/或冷却的程度。
在一个变型方案中，控制电子器件40被配置成依赖于施加方向地控制加热或冷却，其方式是：载体41以能围绕打印喷嘴10d转动的方式被支承并且能通过控制电子器件有针对性地随着施加方向(即打印路径)转动。以这种方式，冷却射流总是可以相对于施加方向向后取向，以便冷却刚刚施加的打印材料。同时，可以让加热指向施加方向，以便加热即将施加打印材料的区域。替选地或补充地，流出开口41a至41e可以有针对性地单独地或成组地经由阀、尤其是压电阀以电子控制的方式关闭和打开，以便能够有针对性地对冷却和/或加热进行取向，尤其是依赖于打印材料的当前施加方向进而是打印轨迹进行取向。
代替单个载体41地，图2的变型实施方案设置有温度调节装置4的两个围绕打印喷嘴10彼此同心地延伸的且环形的载体41和42。在此，例如经由内部的载体41及其流出开口41a至41e仅产生用于加热打印材料50的流体流。与之对应地，经由外部的载体42的流出开口42a至42e分别产生具有进行冷却的流体的流体流。例如，在这两种情况下都涉及相同的流体，例如空气。在此，空气可以有选择地经加热或不加热或者甚至附加地经冷却地输送到一个载体41或另一载体42，这根据空气是要被用于加热还是冷却以及该空气应该经由哪个载体41、42被吹出而定。例如，空气经由压缩空气接口提供。
为了控制到载体41、42的流入，可以可选地存在具有至少一个(多路)阀400的阀控制部。该阀400于是也经由温度调节装置4的控制电子器件40来控制。
在图3的实施变型方案中，设置了三个围绕打印喷嘴10同心延伸的环形的载体41、42和43。经由具有流出开口43a至43e的附加的外部的环形的载体43例如可以除了流出热的和冷的空气之外，如果需要，还可以流出替选的过程气体。例如，当要打印反应性的打印材料(例如碳纤维增强的塑料、玻璃纤维增强的塑料或特定的金属粉末或接合器件)时，这在用空气冷却或加热时会引起不期望的氧化，则可以利用这种用于冷却和/或用于加热的过程气体。
在图1、2和3所示的其中每个实施变型方案中，温度调节装置4可以具有合适的加热和/或冷却元件，以便在需要时加热或冷却各自的要使用的流体。此外，当然，使用空气作为用于产生进行加热或进行冷却的流体流的流体仅应示例性地理解。因此，例如，即使在图1或2的实施变型方案中也能使用过程气体，尤其是惰性的过程气体。
例如，利用所示的实施变型方案，能轻松有效地实现采用PA66GF35的熔层方法。在此，一方面(根据要制造的设计结构相关和/或受材料限制的要求)能使用具有热的(约150℃热的)空气对先前施加的打印材料50进行主动加温，以便实现良好的附着，另一方面，但例如在构件的区段具有小横截面和/或较小壁厚的情况下，也设置对刚刚施加的打印材料51进行冷却，以便防止该打印材料51流走或熔化。在此，经由温度调节装置4在打印喷嘴10的区域中进而在3D打印设备的打印头上整合了相应的对部件加温和冷却，例如根据图2的实施变型方案经由分别具有多个流出开口41a-41e、42a-42e的多个环形围绕打印喷嘴10环绕的载体41、42、43来实现。
附图标记列表
1 3D打印设备
10 打印喷嘴
2 打印平台
3 传感器件
4 温度调节装置
40 控制电子设备
41、42、43 载体
41a-41e 流出开口/发射器(温度调节元件)
42a-42e 流出开口/发射器(温度调节元件)
43a-43e 流出开口/发射器(温度调节元件)
4a 激光器
400 多路阀
50、51 打印材料
R 施加方向

Claims (14)

1.3D打印设备，所述3D打印设备具有至少一个打印喷嘴(10)，所述打印喷嘴用于沿着施加方向(R)分层地施加被设置成用于制造要打印的构件的打印材料(50、51)，
其特征在于，
所述3D打印设备(1)具有温度调节装置(4)，所述温度调节装置被设立和设置成用于在所述打印喷嘴(10)的区域中冷却和加热已经施加的打印材料(50、51)。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)被设立和设置成用于对要通过所述打印喷嘴(10)将新的打印材料施加到其上的、位于所述施加方向(R)上的已经施加的打印材料(50)进行加热。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)被设立和设置成用于在通过所述打印喷嘴(10)施加打印材料(51)之后对通过所述打印喷嘴施加的该打印材料(51)进行冷却。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，为了加热和/或冷却所施加的打印材料(50、51)，经由所述温度调节装置(4)能产生具有经加热或进行冷却的流体的至少一个流体流。
5.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有至少一个载体(41、42、43)，所述至少一个载体具有用于流体的至少一个流出开口(41a-41e、42a-42e、43a-43e)。
6.根据权利要求5所述的3D打印设备，其特征在于，在所述至少一个载体(41、42、43)上存在有用于产生被设置成用于加热打印材料(50)的流体流的至少一个第一流出开口(41a-41e)和用于产生被设置成用于冷却打印材料(50)的流体流的的至少一个第二流出开口(41a-41e)。
7.根据权利要求5或6所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有至少两个载体(41、42、43)。
8.根据权利要求7所述的3D打印设备，其特征在于，在所述3D打印设备上设置有不同的载体(41、42、43)用于产生不同的流体流和/或用于不同的流体。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有用于控制不同流体的流入和/或用于控制流体经由不同的流体路径的流入的至少一个阀(400)。
10.根据权利要求9所述的3D打印设备，其特征在于，具有所述至少一个阀(400)的温度调节装置(4)被设立和设置成控制经加热的流体经由与进行冷却的流体流入不同的流体路径的流入。
11.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有用于加热已经施加的打印材料(50)的至少一个发射器(41a-41e、42a-42e、43a-43e)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有控制电子器件(40)，所述控制电子器件被配置成依赖于所述打印喷嘴(10)被调整到的那个施加方向(R)来控制加热或冷却。
13.3D打印设备，所述3D打印设备具有至少一个打印喷嘴(10)，所述打印喷嘴用于沿着施加方向(R)分层地施加被设置成用于制造要打印的构件的打印材料(50、51)，
其特征在于，
所述3D打印设备具有温度调节装置(4)，所述温度调节装置具有多个被设置成用于冷却已经施加的打印材料(50、51)的温度调节元件(41a-41e；41a-42e；43a-43e)和/或多个被设置成用于加热已经施加的打印材料(50、51)的温度调节元件(41a-41e；41a-42e；43a-43e)，其中，所述温度调节元件(41a-41e；41a-42e；43a-43e)被设置在所述温度调节装置(4)的载体(41、42、43)的至少部分地围绕所述打印喷嘴(10)延伸的区段上。
14.根据权利要求13所述的3D打印设备，其特征在于，所述温度调节装置(4)具有控制电子器件(40)，所述控制电子器件被配置成依赖于所述打印喷嘴(10)被调节到哪个施加方向(R)地利用不同的温度调节元件(41a-41e；41a-42e；43a-43e)。
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