CN113631355B - 用于增材制造打印头中清除堵塞物的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的设备、系统和方法可以包括：至少两个滚刀，所述至少两个滚刀适于在其间接收和挤出用于所述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；以及至少一个次级加热器，至少部分地围绕转变点的上部，并且适于至少加热在材料引导件中的阻塞物上的上部，以液化阻塞物。

Description

用于增材制造打印头中清除堵塞物的设备、系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月19日提交的名称为：“用于增材制造打印头中的清除堵塞物的设备、系统和方法”的美国临时申请62/782,076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清除堵塞物的设备、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打印直到顶层或最后层。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、制造次级等。

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，当前由于已知打印头、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个或两者，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”，在该“转变点”处，材料引导件中的“冷的”，即未熔化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的温度控制必须高度精炼，至少以避免冷丝材进入转变点时的阻塞。即，如果冷的丝材挤出太快并且直到转变点之后才充分熔融，则丝材可能在转变点不期望地硬化，从而形成可能导致打印停止的阻塞物。此外，一旦在转变点的冷侧产生阻塞物，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。

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。打印头可以包括：至少两个滚刀，所述至少两个滚刀适于在其间接收和挤出用于所述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；以及至少一个次级加热器，至少部分地围绕转变点的上部，并且适于至少加热在材料引导件中的阻塞物上的上部，以液化阻塞物。

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示出了用于增材制造的示例性次级加热器系统；

图4示出了用于增材制造的示例性次级加热器系统；以及

图5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。

简言之，实施方式中的一个或多个加热器可以消除增材制造打印机的打印头中的阻塞物。上述堵塞物移除加热器可以由一个或多个控制器控制，以便最佳地执行该功能。更特别地，实施方式可包括在转变点的“冷侧”处的次级加热元件，使得如贯穿全文所讨论的阻塞物/堵塞物可被控制以在转变点或附近选择性地将丝材加热到熔化/再熔化的点。

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设备的打印头104、材料引导件104a、加热器104b和喷嘴106系统，所述增材制造设备例如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，在转变点105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104a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馈送速度变为零速度，以及从零变为显著的丝材馈送速度，并且在转变点105处或附近没有阻塞物形成。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维持为冷的直到转变点，在该过渡区域之后，熔化的材料可以穿过喷嘴106以用于从打印端口106a排出熔化的丝材。

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时熔化。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化能力，则打印丝材110的未熔化部分将穿透转变点105并且可能阻塞喷嘴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的熔化打印丝材110以进行打印的熔化能力的物理和算法关联。该算法关联可另外包括贯穿全文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，并且例如可指示阻塞物，作为非限制性示例。

图3示出了打印头104，其具有在喷嘴106的上部方位附近的主加热器104b、邻近转变点105的具有高热质量302的可选块、以及在转变点105的“冷侧”沿着材料引导件104a的次级加热器310。如上所述的打印头的其它方面的情况，次级加热器310可以根据由控制器1100执行的控制算法1190来操作。

更特别地，控制器1100可以仅在某些情况下致动次级加热器310，例如在开始增强熔化过程期间，和/或仅在阻塞的情况期间。这样，控制器1100可以在打印计划中的某个时间致动次级加热器310，例如在打印计划开始时，以增强初始熔化；或者，次级加热器310可以在触发发生时被致动，例如可以由传感器107或来自系统硬件的反馈来指示。

作为非限制性示例，可基于如由电机驱动器和/或经由传感器107所反映的在进给丝材时存在过大的电机电流来检测入口堵塞物312。因此，如果电机电流超过限定的阈值，则次级加热器310可由控制器1100通电，以基于超过控制算法阈值的电流清除假定存在的入口堵塞物312。

次级加热器310的启动可以变化，并且可以是由控制算法1190实施的更广泛的协议的一部分。例如，挤出机可重复尝试驱动丝材110，同时连续地或周期性地感测丝材驱动电机电流，直到感测的电流指示入口堵塞物312已被清除。一旦堵塞物312被清除，即一旦满足控制算法1190中的用于次级加热器310的致动标准，就可以使次级加热器310断电，并且打印头104可以通过控制算法1190返回到标准模式操作。

次级加热器310可以包括本领域技术人员已知的任何合适的硬件。作为非限制性示例，次级加热器310可以是或包括在转变点的冷侧处围绕材料引导件104a/喷嘴106缠绕的一个或多个线，例如镍铬合金线。类似地，次级加热器310的成分可以是陶瓷或金属。次级加热器310可具有任何合适的形状以便加热阻塞点，例如径向形状或块形状；举例来说，可以是单个加热器、多个堆叠的加热器和/或在材料引导件的不同侧上的多个加热器；并且可以包括一个或多个入口孔320，以允许材料引导件104a例如从其中穿过。值得注意的是，所示的次级加热器可以另外包括冷却硬件，其可以如本文所讨论的被选择性地致动，并且本领域技术人员将理解，在次级加热器310能够加热和冷却的程度上，可以在次级加热器中存在另外的硬件。

作为示例，并且如图4所示，一个或多个温度传感器107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107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次级加热器310的功率(如上文在图3中所讨论的)，以提供实时的堵塞物清除系统。当然，通过非限制性示例，其他方面可以由算法1190结合次级加热器控制来控制，诸如滚刀103的致动速率、X-Y和Z轴打印计划等。

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，诸如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105对于打印计划的一个方面来说太冷，则加热器将需要更多的能量来熔化液化器中的打印材料，并且因此转变点105可以被次级加热器310“预加热”以因此允许更大的力被施加到打印丝材110，这可以允许更高速的打印。

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物的程度上，可以在转变点处实现次级加热至玻璃化转变温度或高于玻璃化转变温度，例如以允许较高速度的打印。

图5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、次级加热器310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I/O端口处接收或通过所示I/O端口发送。

此外，算法1190可另外操作一个或多个次级加热器以可选地加热，如上所述，例如在感测到阻塞物并且必须被熔化以允许清除的情况下。当然，在这种情况下，一旦检测到阻塞物被清除，则算法1190可使次级加热器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，CPU 1110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CPU 1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个CPU 1110。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，CPU 1110从计算机可读存储介质，例如HDD 1115，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CPU 1110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。ROM 1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在RAM 1125中的数据可以由CPU 1110或其它硬件设备读取或改变。对RAM 1125和/或ROM 1130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设备。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 (16)

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，所述至少两个滚刀适于在其间接收和挤出用于所述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所述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转变点，所述转变点沿着所述材料引导件远离所述至少两个滚刀，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；

至少一个次级加热器，所述至少一个次级加热器至少部分地围绕所述转变点的上部，并且适于至少加热所述材料引导件中的阻塞物的所述上部，以液化所述阻塞物；以及

控制器，所述阻塞物由驱动所述至少两个滚刀的驱动电机所汲取的电流指示，所述控制器至少与所述次级加热器相关联并且适于执行打印计划，所述控制器设置为在电流指示存在所述阻塞物时致动所述次级加热器加热所述转变点，在电流指示所述阻塞物已被清除时停用所述次级加热器。

2.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器包括径向形状，并且其中，所述材料引导件穿过端口，所述端口通过所述次级加热器的中心。

3.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器包括径向装置的堆叠，每个径向装置具有穿过其的端口，所述端口适于接收所述材料引导件。

4.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器包括沿着所述材料引导件的相对侧横向地设置的多个装置。

5.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述阻塞物包括预期阻塞物。

6.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器还适于在发生无阻塞触发时加热所述上部。

7.根据权利要求6所述的打印头，其中，所述无阻塞触发预先存储在打印计划中。

8.根据权利要求6所述的打印头，其中，所述无阻塞触发是温度。

9.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述控制器响应于预打印进程而致动所述次级加热器。

10.根据权利要求9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打印。

11.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器响应于感测到打印而加热所述转变点。

12.根据权利要求11所述的打印头，其中，所述感测指示阻塞物。

13.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器提供脉冲热量。

14.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器提供恒定的热量。

15.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。

16.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述次级加热器还提供冷却。