CN113518702A - 操作增材制造喷嘴的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供热以实现具有精细打印控制和增强的打印速度的FDM增材制造喷嘴的设备、系统和方法。加热元件可包括至少一个护套，其尺寸适于配合地接合在FDM打印机喷嘴的外圆周；至少一个导线线圈，所述至少一个导线线圈至少部分地接触所述护套的内径；以及与所述至少一个导线线圈相关联的至少一个能量接收器。

Description

操作增材制造喷嘴的设备、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：“操作增材制造喷嘴的设备、系统和方法”美国申临时申请62/783,062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，并且更具体地涉及操作用于增材制造的熔融沉积材料(FDM)喷嘴的设备、系统和方法。

背景说明

包括三维(3D)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，并且通过加热和挤出热塑性丝材到连续层中来打印到顶层或最后一层。为了实现这些结果，FDM系统至少包括打印头、X-Y平面控制模板和打印平台，热塑性打印丝材从打印头进给到FDM打印机喷嘴，打印头在X-Y平面中移动，基底打印在打印平台上，并且当打印连续层时打印平台在Z轴中移动。

FDM打印机喷嘴将从打印头接收的热塑性打印丝材加热到半液态，并且沿着为构建元件的每个连续层而提供的X-Y平面挤出路径平面以可变尺寸的珠粒(bead)沉积半液态热塑体。打印的珠粒/迹线尺寸可以基于被打印的部件或部件的方面而变化。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可以用于在使用常规方法制造这种物体所花费的时间的一部分中为实验或功能部件构建简单或复杂的几何形状，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，通常将热塑性丝材加热到熔融状态，然后从FDM打印喷嘴向外挤压到打印板/平台或正在生产的零件的先前层上。FDM打印机喷嘴通过打印头的机器人X-Y平面调节器根据预先输入的几何形状来回移动，例如可以输入处理器以控制FDM打印头的移动，从而形成所需的部件。

由于机器人技术的进步和高可用处理速度，FDM打印过程的“瓶颈”通常是FDM打印机喷嘴本身。特别地，对FDM打印机喷嘴的加热和冷却速度的控制，以及特别改良地通过对喷嘴的加热和冷却的先进控制而提供的打印的控制和开始/停止定时间的改进，将允许FDM技术提供的打印的显著改进，但是目前在已知技术中没有考虑。因此，提供对与FDM打印相关联的各个方面(例如打印材料的加热和冷却、打印材料上的压力和打印材料的液态等)的精细控制和感测的能力将允许对FDM工艺的精细和改进。

尽管如上所述，目前可用的喷嘴大部分是金属的，因此本质上是导电的，并且具有与其相关联的大加热块(例如可包括用于加热与其相关联的喷嘴的热电偶)，该加热块具有显著的热质量。因此，由于加热块的大热质量，喷嘴的加热和冷却的精确控制目前由于热量渗透到金属喷嘴的不期望方面而受到限制。此外，由于喷嘴的典型的传导特性，以及由与喷嘴相关联的通过其提供加热(和冷却)控制的加热块的大热质量引起的喷嘴的加热和冷却的缓慢，当前的喷嘴设计使得难以将热量集中到喷嘴的区域。

因此，当前的喷嘴设计存在阻碍改善FDM打印过程的能力的显著问题。这些障碍中的主要障碍是不能对打印喷嘴或其特定方面提供精确的加热和冷却控制。缺乏加热和冷却控制可能导致例如热塑性材料的熔化不一致，这可能导致低打印速度和喷嘴堵塞。缺乏冷却控制可能导致由于不能快速和准确地控制喷嘴的温度而发生斑点(blob)、短节(nipple)或误打印。

因此，需要一种用于提供具有精细打印控制和增强打印速度的FDM增材制造喷嘴的设备、系统和方法。

发明内容

所公开的示例性设备、系统和方法至少提供热量输送以使得FDM打印机喷嘴能够用于具有精细打印控制和增强打印速度的增材制造。加热输送元件可包括至少一个护套，其尺寸适于配合地接合在FDM打印机喷嘴的外圆周；至少一个导线线圈，所述至少一个导线线圈至少部分地接触所述护套的内径；以及至少一个能量接收器，其与至少一个导线线圈相关联以增加FDM打印机喷嘴的效率。

所公开的示例性设备、系统和方法可另外包括至少一个包括镍铬合金线的导线线圈。此外，所述至少一个导线线圈可以包括至少两个导线线圈。至少两个导线线圈可沿着FDM打印喷嘴的纵向轴线至少部分地交错。所述至少两个导线线圈可以分别嵌入在至少两个护套中。所述至少两个护套可以彼此同心。

因此，所公开的实施方式提供了一种用于提供用于增材制造的FDM打印机喷嘴的设备、系统和方法，其具有精细的温度控制、打印控制和增强的打印速度。

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是示例性FDM打印系统；

图2是示例性FDM打印系统；

图3是示例性的电阻喷嘴热端；

图4A示出了现有技术的FDM打印机喷嘴和相关的加热块；

图4B示出了示例性的电阻热端打印机喷嘴；

图5示出了向电阻式热端打印机喷嘴的示例性功率输送；

图6示出了示例性FDM热端打印机喷嘴；

图7说明具有嵌入式传感器的示范性热端打印机喷嘴；以及

图8示出了具有交错加热区的示例性热端打印机喷嘴。

图9示出了实施方式的各方面。

图10示出了实施方式的各方面。

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设备、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、设备和方法的示例，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、公知的器件结构和公知的技术。

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。

实施方式的方面可提供喷嘴加热例如FDM喷嘴加热的实时定位、控制和目标确定，例如以产生改进的打印控制，从而允许更高的打印速度和更大的打印精度。根据所提供的对现有技术的改进，可以提供这些和其它明显的优点，这些优点包括较低的喷嘴成本和打印成本；提供打印喷嘴作为消耗品/一次性物品；适用于使用已知半导体和铸造技术的喷嘴生产；内部和外部喷嘴特征的增强的设计自由度；以及对于喷嘴和打印材料的热和冷区域的极其精细的控制。

所公开的改进的打印设备、系统和方法可以应用于任何类型的3D打印，例如FDM打印，其使用热塑体、聚合物、金属、陶瓷、食品和蜡式打印，作为非限制性示例，作为打印材料。更特别地，增材制造可以经由包括前述FDM打印的各种已知方法中的任一种发生。例如，可以进行粉末的烧结以便增加性地构建层。此外，例如，可以进行基于树脂的添加打印。

特别地关于FDM打印，当前的方法对于增材制造通常是相当慢且低效的，并且目前在可以打印的材料的数量方面是有限的。这在很大程度上是由于在FDM系统中用于加热打印机喷嘴的已知设备、系统和方法的不足。在所公开的实施方式中的用于增材制造的加热元件及其等同物可以校正已知FDM系统的这些不足。作为非限制性示例，所公开的加热元件可包括电阻加热元件、感应加热元件(例如在喷嘴的孔口附近围绕喷嘴)、IR/辐射元件、RF耦合元件等。

更特别地，尽管公开的示例性实施方式可以加热和推动材料用于“3D”，例如FDM打印，如本领域已知的，但是它们也提供该材料的精确加热和精确推动，例如通过改进的加热定位。在FDM工艺中打印材料的加热是在改进FDM打印中的单个最重要因素，并且尽管期望快速打印以增强可用的FDM打印工艺，但是更快的打印速度需要增加的加热，并且增加的加热导致对已知喷嘴的加热区域的较少的精确控制，所述已知喷嘴诸如与大加热块结合使用的当前可用的金属喷嘴。这些已知的加热块和喷嘴的组合在提供停止打印所必需的有利冷却方面也存在极大的困难，特别是在高导热金属喷嘴中，该有利冷却对于精细加热控制以允许高速FDM打印是必需的。

简而言之，在某些实施方式中提供的高速、高质量的FDM打印要求以最大质量流率向打印材料传送尽可能多的可控能量，从而允许期望的增加的打印速度。因此，本文公开的改进的加热系统和方法提高了FDM打印机中的打印速度和控制。例如，作为非限制性示例，实施方式可至少提供电感或电阻线圈加热，这可通过使用湿绕组和/或半导体制造工艺围绕喷嘴缠绕的线圈来提供，并且例如可缠绕在电介质、金属、陶瓷或玻璃喷嘴上，和/或缠绕在施加到喷嘴的衬底层上。

也就是说，所公开的实施方式的方面可在非导电或导电喷嘴上采用，例如金属喷嘴。例如，可以例如通过真空沉积、CVD、PVD或溅射将诸如玻璃的(多个)电介质层沉积到金属喷嘴上，从而提供导电层和/或线圈可以放置在其上的中间电介质衬底。

除了上述精确加热的优点之外，所公开的系统和方法还可提供其它迄今为止未知的优点。例如，所公开的实施方式及其等同物可有助于防止喷嘴堵塞。更具体地说，在已知技术中促进堵塞的主要动力学之一是传统喷嘴必须在显著的温度升高下运行，该温度升高超过热塑体的熔点。一旦打印材料流动停止，打印材料和(过)加热的喷嘴就达到平衡，这使得打印材料接近现有技术中的喷嘴温度。这使打印材料劣化，使其变脆，从而导致堵塞。在某些公开的实施方式中，提供诸如分区加热的“慢”和“快”允许使用“慢”模式以将喷嘴内部温度保持在打印材料的降解温度以下，并且“快”模式的使用可以仅在流动条件下使用。因此，当在所公开的实施方式中打印材料流停止时，“快速”模式可以被快速地关闭，从而防止温度上升到劣化温度以上。

图1是示出示例性FDM打印机100的框图。在图示中，FDM打印机100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，从而移动打印喷嘴106。用于增材制造的FDM打印机100中还包括前述打印头104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可以沿着由X-Y驱动器102指示的路径从喷嘴106提供到构建板111上。

图2更具体地示出了用于诸如FDM打印机的增材制造设备的打印头104和喷嘴106系统。如图所示，打印材料110经由打印头104从打印材料110a的卷轴挤出到喷嘴106中并通过该喷嘴。当喷嘴106加热打印材料110时，打印材料110至少部分地液化，以便在远离打印头104的点处从喷嘴106的端部端口106a输出。由此，挤出的打印材料110从端口106a经由Z轴沿着由与打印头104连接地相关联的X-Y驱动器102(参见图1)确定的X-Y平面路径向外“打印”。

图3示出了示例性喷嘴106。喷嘴106可以例如由钢、陶瓷、玻璃或任何其它合适的材料构成，以实现期望的热特性。例如，玻璃喷嘴可能降低局部热容量。例如，对于玻璃的Cp*Rho*V＝0.75*2.2*0.05＝0.0825J/C，但对于钢，同样的计算得到0.46*7.8*0.05＝0.1794J/C，其代表对于钢喷嘴根据玻璃喷嘴所需的每摄氏度的加热或冷却所需的焦耳的两倍以上。

为了加热喷嘴106，喷嘴106可以被缠绕在一个或多个导线绕组204中。喷嘴106可以另外包括围绕喷嘴106的一个或多个护套202。喷嘴106还可以包括在导线绕组204和喷嘴106外径之间和/或在护套202(如果存在)和绕组204之间的附加层或多层，例如以便增强热耦合、重新分布热量、与过热隔离等。

如所提及的，护套202可以围绕喷嘴106，并且可以在导线绕组204之上、之下或具有嵌入其中的导线绕组。在将护套202施加到喷嘴106的柄部上时，其可以是压配合、等离子体气相沉积(plasma vapor deposit)或电镀、轧制箔(rolled foil)等。在图3的图示中并且通过非限制性示例的方式，护套202包围一个或多个线圈204。

作为非限制性示例，喷嘴106可包括由钢构成的柄部106b和端口末端106a，其具有至少部分地围绕其的一个或多个线绕组204，诸如围绕其缠绕的镍铬合金线绕组，其中绕组204可至少部分地包封在护套202内。导线绕组204可以用作加热线圈以加热喷嘴106的内径内的打印材料110。值得注意的是，通过加热线圈204的热量的输送可以改变加热线圈204的电阻。因此，加热线圈204中的电阻变化可以被感测，以便评估被输送到喷嘴106的加热水平。此外，护套202可用于将来自线圈204的热量重新集中回到喷嘴106中。

线圈204和/或多个线圈方面或线圈，以及这些线圈204与喷嘴106的接近程度，例如结合护套202的小热质量，可以允许对输送至通过喷嘴106打印的打印材料的热量进行高度精确和有针对性的控制。这可以允许加速加热和冷却，诸如接近立即加热和冷却/关闭，这提供了比现有技术中可以推动的量大得多的量的打印材料110通过喷嘴端口106a的推动。

更具体地，打印材料110在端口106a处离开喷嘴106的热端的速度和量可以由各种因素确定。作为非限制性示例，这些因素可包括打印的材料、挤出速率、X-Y驱动器的运动速率、以及施加到挤出材料的热量。后一因素，即施加到挤出材料的热量，可以选择性地用于某些实施方式中，例如使用绕组204，以便根据上述打印因素中的其它因素获得基本上最佳和有效的打印。

图4A和4B示出了现有技术喷嘴(图4A所示)与根据实施方式的示例性电阻热端302的比较，例如可包括如图4B所示的喷嘴106、绕组204和/或护套202。更具体地说，图4的比较是图4A的现有技术加热块310与图4B的热端302的护套202和绕组204的组合之间的差异的说明，例如热质量的显著差异。

如图4A所示，现有技术包括集成了加热筒320和热电偶322的大加热块310，它们中的每一个都插入加热块320中。在热电偶322的致动时，加热块310开始加热，并且将热量通过加热块310传递到喷嘴的所谓的“热端”，该热端继而加热喷嘴330的接收所输送的热量的刚好在喷嘴330的远侧尖端上方的部分内的打印材料110。如图所示，喷嘴330螺纹连接到加热块310中或以其它方式与其连接地集成。

总之，在已知技术中，前述形成了具有显著热质量的“热端”。该热质量对应于特征热动量，该特征热动量随其携带特定的加热和冷却斜率。由于该斜率，已知技术的加热块既不能快速且有效地打开也不能快速且有效地关闭，从而导致打印材料路径中的隆起和短节，以及喷嘴渗出和堵塞。

与现有技术形成鲜明对比，如图4B所示，所公开的实施方式的热端302的热质量明显小于现有技术提供的热质量。因此，所公开的热端302的实施方式比已知技术更方便地加热，并且比已知技术更方便地冷却。也就是说，由热端302的某些公开实施方式提供的最小热容量提供比已知技术低的温度容量，并且因此明显地更响应于对热端302的能量施加或移除。

在某些实施方式中，为了优化上述现有技术中的低温能力，一个或多个绕组204可根据绕组204沿热端302的几何形状的位置而在类型、长度和/或致动定时和方式方面变化。例如，高密度绕组可以放置在接近端口106a的喷嘴锥形处，以便在出口端口106a处为打印材料提供最大热量和最大加热控制。

另外，尽管图4B中所示的示例可包括加热块，例如护套202的形式，其可包括热电偶，但本领域技术人员将理解，作为非限制性示例，这种加热块可或可不与本文提供的加热方法一起存在。也就是说，绕组204可以直接位于喷嘴106上，例如湿绕在其上，可以在绕组204和喷嘴106之间具有一个或多个层。此外，绕组204可以被或不被护套202包围。

图4B中所示的实施方式和其他类似实施方式因此可以允许向挤出的打印材料的热施加的更快的斜坡变化，并且可以允许以比现有技术显著更快的速率来切断打印材料的挤出。这部分地是由于由导线绕组204围绕喷嘴提供的精细控制，以及因此在从导线绕组204可获得的热量与喷嘴106内的打印材料110之间提供的改进的热耦合。应当注意，热质量问题也可以通过控制软件来解决，并且在示例性实施方式中，伺服驱动器，例如2.5kHz伺服驱动器，其至少部分地向电线绕组204提供能量。

在某些实施方式中，可以采用不同的功率形式来向导线绕组204提供热能。例如，如图5所示，某些电源350可以特别地与某些类型的导线绕组204、某些类型的喷嘴106等匹配。例如，牛顿加热，即向导线绕组提供电流以产生热量，可以与任何各种类型的喷嘴和/或各种类型的导线绕组204，例如嵌入图5的护套202中的导线绕组204结合进行，可以采用其它能量类型350向导线绕组204提供热激励，例如辐射、射频激励、超声波、微波或本领域技术人员理解的任何其它功率提供技术。此外，如上所述，某些类型的电源350可具体地匹配某些类型的导线绕组204和喷嘴106，诸如其中红外激发可与玻璃喷嘴一起使用以用于改善的热耦合和斜坡时间，或诸如其中导线绕组包括体元件而不是单独的绕组。

在另外的替代和示例性实施方式中，例如图6中所示的实施方式，不同的线绕组可以不被提供为线绕组204，而是不同的特性可以围绕喷嘴106提供或嵌入其中以有效地用作绕组204，如该术语在此所使用的。作为示例，护套202可设置在喷嘴106周围，以提供与特定加热源的热耦合，例如接收用于加热的微波能量。也就是说，护套202可嵌入或以其它方式形成有通过使用微波的轰击而热激发的特征材料，这将由此允许护套202将热量直接赋予喷嘴106。

当然，绕线或类似的加热元件204，不是缠绕或以其它方式直接施加到喷嘴106上，而是可以与喷嘴106分开并分开地驻留在护套202内。从喷嘴106提供作为第二物理元件但作为与其的主要热耦合的护套202允许在形成喷嘴106之后将热耦合元件装配到喷嘴106上，即，其中具有绕组204或其等效物的护套202可作为“螺栓固定”到喷嘴106的制造后部件提供。

作为非限制性示例，绕组204可以采取如图6所示的体元件204的形式，该体元件可以经受也嵌入在护套202内的结构606，以便将体元件204保持在距喷嘴106给定距离处，从而保持一定的加热水平。此外，护套202可包括例如嵌入的反射腔608，以便将来自元件204的热量重新引导回到喷嘴106，以用于优化加热。

图7特别示出了具有热耦合元件402的示例性喷嘴106。在图示中，热耦合元件402包含在护套202中，并且还包含嵌入其中的电阻线圈204。这样，电流可以“插入”护套202中以电阻地和热地激励护套202，从而使元件402在邻近元件402的位置处加热喷嘴106内的打印材料110。

更具体地，作为非限制性示例，用于接收能量和热耦合以将热量输送到喷嘴106的绕组204或其等同物因此可以被设置在喷嘴106上、在围绕喷嘴106的环/护套中、或在这两个位置处，以便提供集中在喷嘴106和其中的打印材料110上的对流、传导和/或辐射加热。作为示例，导线绕组204可以是如上所述的镍铬合金电阻导线，并且可以使用陶瓷(硅酸盐)粘合剂。此外，如本文所引用的，各种绝缘体，例如玻璃纤维，可以被包括在喷嘴上作为对绕组204或护套202的屏蔽，或者作为绕组204和护套202之间的屏蔽，或者绕组204或护套202和外部环境之间的屏蔽。作为非限制性实例，这种绝缘体还可包括反射器，并且因此可在护套202的内径上使用，以将热量重新引导回到喷嘴106。作为特定示例，集成在喷嘴上或作为单独的护套的外表面或多个外表面可以是高度反射的，使得对于在喷嘴106处产生的IR功率，否则将损失的IR功率通过绝缘层被重新引导回到喷嘴106中。

通过进一步的示例，线圈204(例如镍铬合金线)直接缠绕在喷嘴106上，可以用前述的硅酸盐粘合剂固化，无论是否通过放置周围的护套202而进一步在结构上得到支撑。此外，多个层可被卷绕到喷嘴上以形成绕组204，并且可被玻璃织物的薄层分开，这也可提供附加的强度和稳定性。此外，加热元件204周围的基质材料，无论加热元件204是否嵌入在护套202中，例如上面的硅酸盐粘合剂，都可以被着色，例如用黑色，以增加发射率，从而增加IR发射功率。值得注意的是，尽管是快速加热方法，但是IR通常具有很小的加热能力，因此可最好地用于提供流动的调节，除非以本文所讨论的方式增强，即，使用增加的发射率和/或与喷嘴内径的物理分离以允许最大IR功率输送。

在实施方式中，护套202的长度可以变化，喷嘴106的相对长度也可以变化。喷嘴长度的变化可以适应不同的元件402，以便允许不同的元件402用于不同的目的，从而允许特定打印材料的最有效的加热。作为非限制性示例，实施方式中的喷嘴106可以比现有技术中的更长，并且可以在喷嘴尖端106a处包括特定的锥形，以便增强可以采用的加热元件402的加热特性，特别是以便改善由元件402向喷嘴106提供的温度梯度，以相应地增强喷嘴106中的特定打印材料110的最大馈送速率。

如上所述，关于测量基于绕组204中的电阻(或其它电特性)变化而输送的热量，元件402的特性，例如其电阻或电导，可容易地被感测，以便评估被输送到喷嘴106的热量。更特别地，元件402和/或护套202可以设置有嵌入护套202中或以其它方式与护套相关联的传感器520。与例如护套202的电阻或电导的变化相关的数据可接着直接或间接指示元件402在所测量的一个或多个点处的温度，从而允许在喷嘴尖端106a处的非常精确的温度感测和控制。

更特别地，传感器520可以嵌入在围绕打印喷嘴106放置的护套202中或其上，或者以其他方式与其物理地相关联。护套202可在其中包括加热线圈204。因此，传感器520可以直接或间接地接收由加热线圈204输送到喷嘴106的热量读数。除了所示的传感器520之外，传感器可以包括嵌入的迹线或其他内部或内部连接元件，如本领域技术人员将理解的。

在另外的和替代的实施方式中，热电偶(未示出)也可以包括在围绕喷嘴106设置的护套202中，如可以是一个或多个加速冷却机构。例如，图7通过非限制性示例示出了冷却管530，其中，被压入管530中或从管530排出的少量空气(或另一种气体)可以增加或减小热量被输送到喷嘴106的速率。冷却管530可包括一个或多个阀(未示出)，以允许限制释放或接收的空气或其它气体。此外，可以使用管530采用其他冷却方法。例如，可以提供入口管和出口管以实现闭环冷却系统，例如其中冷却液体或气体，例如水或空气，可以循环到一个管中并从另一个管中出来。

经验上，L＝70mm的4-up 0.065mm镍铬合金线绕组在7mmOD/3mmID玻璃管内的3mmPLA中在250℃摆动上给出～21.6欧姆和0.3欧姆摆动，每温度增加的电阻为0.00115欧姆/C，通过增加标称线圈电阻可以实现更高的增益，尽管这也需要更高的电压。因此，在实施方式中，可以基于安培数来辨别温度，即，可以基于线圈电阻来跟踪线圈的温度测量。当然，在实施方式中，评估加热的机载热电偶、RTD或其它接触感测技术和/或光学感测技术可用作(一个或多个)传感器520。

图8示出了喷嘴106的加热可以在一个或多个“区域”或“阶段”中提供。例如，可以提供用于加热喷嘴106内的打印材料熔体110的长度的第一加热区702；用于“高速”熔体的第二加热区704，例如对于较高的熔体可能需要增加功率；以及特别用于喷嘴尖端106a的第三加热区706，在该点处，需要最高功率密度以使熔体离开端口106a进入图案中。此外，可以通过提供重叠绕组204a、204b、204c和/或通过提供一个或多个同心或交错的护套202a、202b、202c来提供区域702、704、706，所述护套各自包括离散绕组。或者，可以在多个重叠区域绕组上提供一个或多个交错或同心护套，即，这些层可以包括绕组1、绕组2，然后是护套1；或者可以同心地连续设置在每个绕组上，即，这些层可以包括绕组1、护套1、绕组2、护套2等。

简而言之，具有不同功率密度的线圈的多个区域允许向熔体的不同区域提供不同水平的功率。值得注意的是，多个线圈区域的多个电阻器可以共享一个公共腿，从而减少离开加热器的导线的数量。

如通篇所讨论的，为了最佳控制和功率消耗影响，可能期望使用尽可能接近喷嘴内的打印材料的直接电阻加热(和冷却)。因此，加热元件可以是与喷嘴内的打印材料高度相邻的绕组、片材或块体材料(除非另外指出，否则整体上统称为“绕组”)。

在全文中讨论的加热元件可以作为单独的加热元件被包括，或者作为要被装配在喷嘴106上的护套202的一部分。在这种情况下，所提供的热量可以是传导的(即牛顿)、对流的或辐射的(即普朗克/斯蒂芬-玻尔兹曼)。另外，作为非限制性示例，提供必需的加热能量的热电偶可以与线圈结构一起湿缠绕。此外，在这些实施方式中，可以更换护套而不需要更换喷嘴106。

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精神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3D打印机喷嘴的加热元件，所述加热元件包括：

至少一个护套，所述护套包括第一内径和第一外径，所述至少一个护套的尺寸被设计成围绕所述3D打印机喷嘴的外圆周接合；

至少一个导线线圈，所述至少一个导线线圈至少部分地接触所述至少一个护套的所述第一内径；以及

至少一个能量接收器，所述至少一个能量接收器与所述至少一个导线线圈相关联。

2.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少部分地接触包括嵌入其中。

3.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个能量接收器包括至少一个电流接收导线。

4.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个导线线圈包括镍铬合金导线。

5.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个导线线圈至少包括第一导线线圈和第二导线线圈。

6.根据权利要求5所述的加热元件，其中，所述至少两个导线线圈沿着所述3D打印机喷嘴的纵向轴线至少部分地交错。

7.根据权利要求5所述的加热元件，其中，所述第一导线线圈嵌入在所述第一护套中，并且所述第二导线线圈嵌入在第二护套中。

8.根据权利要求7所述的加热元件，其中，所述第二护套围绕所述第一护套同心地定位。

9.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个导线线圈围绕所述3D打印喷嘴的所述外圆周附接地盘绕，并且其中，所述至少一个护套至少基本上在所述至少一个导线线圈上滑动。

10.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述能量接收器包括牛顿能量接收器、对流能量接收器和辐射能量接收器中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的加热元件，还包括至少一个绝缘层，所述至少一个绝缘层位于所述3D打印机喷嘴的所述外圆周与所述至少一个导线线圈之间。

12.根据权利要求11所述的加热元件，其中，所述绝缘层位于所述至少一个导线线圈与所述至少一个护套的内径之间。

13.根据权利要求11所述的加热元件，其中，所述绝缘层提供增强的热耦合、热的重新分布和过热绝缘中的至少一种。

14.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个护套包括压配合、等离子体气相沉积、电镀和轧制箔中的一种。

15.根据权利要求1所述的加热元件，还包括至少一个电阻传感器，所述至少一个电阻传感器能够感测所述至少一个导线线圈中的电阻变化，以作为被输送到所述3D打印机喷嘴的加热水平的指示。

16.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个护套包括减小的热质量。

17.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个能量接收器包括热电偶。

18.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个导线线圈包括高密度绕组和较低密度绕组，所述高密度绕组位于所述3D打印机喷嘴的锥形部分处，所述较低密度绕组沿着所述3D打印机喷嘴的非锥形部分。

19.根据权利要求1所述的加热元件，其中，所述至少一个导线线圈包括湿绕组。

20.根据权利要求1所述的加热元件，还包括喷嘴温度传感器，所述喷嘴温度传感器嵌入在所述至少一个护套中。

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