CN114761203A - 短长度且高效的液体冷却分配器 - Google Patents

Abstract

本文提供了一种用于制造物体的分配器（100）。所述分配器（100）包括材料供给部分（108），所述材料供给部分（108）被构造成提供打印材料。所述分配器（100）进一步包括冷端部分（104），所述冷端部分（104）被构造成冷却所述打印材料的温度。所述系统进一步包括冷却剂源（304），所述冷却剂源（304）被构造成使用液体作为冷却剂并向所述打印材料提供冷却。所述分配器（100）进一步包括热端部分（102），所述热端部分（102）被构造成将所述打印材料转换为融化形态并通过分配器出口（116）输出所述打印材料用于打印。

Description

短长度且高效的液体冷却分配器

技术领域

本发明的实施方案一般涉及一种分配器，并且特别涉及一种液体冷却分配器方法。

背景技术

挤出器是三维（3D）打印机的部件，其将原材料分配到构建表面上。挤出器在其热端融化材料，并且然后将材料从喷嘴挤出到构建表面。通常，挤出器通过在相对于基座在三维中移动挤出头的同时，从挤出头选择性地挤出融化热塑性塑料，来执行三维物体的快速成型。挤出头相对于基座的移动是在计算机控制下执行的。为了进行有效的挤出，冷端的温度应该比热端低得多。

保持挤出器的热端中的较低温度的常规方法依赖于通过在冷端旁边放置风扇来空气冷却冷端。然而，由于空气的热容量较小，空气冷却不是很有效，当热端温度很高（>260°C）时，空气冷却甚至无效。此外，例如当在加热环境中使用时，空气冷却可能仅将冷端冷却到可能不是有效的环境温度。

常规上，已设计水冷却挤出器来应对上述问题并且维持较高的热端温度，但它们也非常无效，因为它们只是用水代替空气作为冷却剂。在常规水冷却挤出器中，水只是绕着冷端流动来吸收热量。在常规挤出器中，热传递量是有限的，尽管它比空气冷却挤出器更高。此外，由于冷端可能从环境中吸收热量，水冷却的常规方法在沉积高融化温度材料所需的较高环境温度下执行地并不很好。

因此，需要一种改进的挤出器或分配器，其能够解决上述与常规挤出器/分配器相关联的问题。

发明内容

根据本公开的一个方面，本文提供了一种用于打印的分配器（100）。该分配器（100）包括材料供给部分（108），该材料供给部分（108）被构造成提供打印材料。该分配器（100）进一步包括冷端部分（104），该冷端部分（104）被构造成冷却打印材料的温度。该分配器（100）进一步包括冷却剂源（304），该冷却剂源（304）被构造成使用液体作为冷却剂，并向打印材料提供冷却。该分配器（100）进一步包括热端部分（102），该热端部分（102）被构造成将打印材料转换成融化形态并通过分配器出口（116）输出打印材料用于打印。可以注意到，该材料可以是任何形态或形状或尺寸，诸如具有圆形长丝横截面、矩形带横截面等。

前文是提供对本发明的实施方案的一些方面的理解的简化概述。此概述并非本发明及其各个实施方案的扩展也并非详尽综述。该概述以简化的形式呈现本发明的实施方案的选定概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。

如将明白，本发明的其他实施方案可单独或组合利用上文陈述或下文详述的特征中的一个或多个。

附图简要说明

在尤其结合附图考虑本发明的实施方案的以下具体实施方式之后，本发明的以上和又其他特征和优点将变得显而易见，且其中：

图1示出了根据本发明的方面的打印机的实施方案；

图2示出了根据本发明的方面的分配器的横截面；

图3示出了根据本发明的实施方案的分配器的横截面，其示出了分配器的热端部分；

图4示出了根据本发明的实施方案的分配器横截面，其示出了分配器的冷端部分；

图5示出了根据本发明的实施方案的分配器的横截面，其示出了渠道；

图6示出了根据本发明的实施方案的分配器的壳体的横截面；

图7示出了根据本发明的实施方案的通过液体冷却分配器的方法的流程图；

图8示出了根据本发明的实施方案用于分配器的循环液体冷却剂的方法的流程图；

图9示出了根据本发明的实施方案的完整分配器的横截面；并且

图10示出了根据本发明的实施方案的用于原材料的固定横截面的替代实施方案。

为了促进理解，酌情使用相同参考数字来指代图示所共有的相同元件。

具体实施方式

如本申请全文使用，用词“可”以许可意义使用（即，意谓可能），而不是强制意义（即，意谓必须）。类似地，词字“包括（include、including和includes）”意指包括但不限于。

短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是在操作中既是连词又是析词的开放式表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”中的每一个表述意指单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。

术语“一个（a或an）”实体是指该实体中的一个或多个。因此，本文术语“一个（a或an）”、“一个或多个”和“至少一个”可以互换使用。还应注意的是，术语“包括（comprising、including）”和“具有”可以互换使用。

如本文所用，术语“自动”及其变型是指在执行工艺或操作时，在没有实质性人力投入的情况下进行的任何工艺或操作。然而，如果一个实质性或非实质性的人力投入是在该工艺或操作的执行之前接收的，那么即使该工艺或操作的执行使用了投入，该工艺或操作仍可以是自动的。如果这种人力投入影响工艺或操作的执行方式，则认为人力投入是实质性的。同意工艺或操作执行的人力投入不被认为是“实质性”的。

图1示出了打印机10的示意图。如图1所示，打印机10包括底盘11、泵12、冷却剂贮存器13和散热器/过滤器14。打印机10进一步包括X台架15、Y台架16和Z台架17。打印机10进一步包括材料供给马达18、材料供给管19和材料供给20。打印机10进一步包括作为输出的打印平台21和打印部件22。根据本发明的实施方案，打印机10进一步包括液体冷却挤出器100。

图2示出了液体冷却挤出器/分配器100的示意图。如图2所示，分配器100包括热端部分102、冷端部分104、冷却剂源304（图2中未示出）和材料供给部分108。

图3示出了分配器100的热端部分102的示意图。根据本公开的实施方案，热端部分102是在分配器中通过将打印材料（例如，塑料）加热到其融化温度而将其转换为融化形态的区域。

如图3所示，热端部分102包括热块110，其被构造成熔化打印材料。在一个实施方案中，热块110可以由具有高热导率的材料（例如，铝）制成。此外，热块110包括用于附接另一热端组件的设置。热端部分102进一步包括热源112，其被构造成提供用于熔化热块110中的材料的加热源。在一个实施方案中，热源112可以是电阻加热盒，该电阻加热盒具有足够的功率以将热块升到如PEEK、ULTEM这样的高性能材料所需的温度，如450 C。

此外，在一个实施方案中，热端部分102包括温度测量单元114，其被构造成测量热块的温度并将该值发送到控制器。控制器被构造成将热块的温度维持到设定值。在一个实施方案中，温度测量单元114可以是能够测量高达900摄氏度的高温的热电偶。热端部分102进一步包括喷嘴116，其被构造成用作融化塑料的出口。在一个实施方案中，喷嘴116可以是分配/分配器出口，其具有基于要沉积的原材料的尺寸和形态的所需出口横截面。此外，分配出口可以由导热材料（例如，用于均匀加热的黄铜）制成。在另一个实施方案中，喷嘴可以互换以处理不同的纤维类型、尺寸和横截面。

热端部分102进一步包括材料通道插入件127的一部分。在一个实施方案中，插入件127被构造成将热端部分102连接到冷端部分104。在另一实施方案中，插入件127直接连接到材料供给部分108。插入件127可由材料与热端中由铝等高导电性材料制成的部分的组合制成。热端和冷端之间的部分可以由具有非常低热导率的材料（例如，钛、陶瓷）制成，以限制从热端部分102到冷端部分104的热传递。最后，冷端中的部分可以由铝等高导电材料制成，以有效地将热从插入物传递到芯部。

此外，在一个实施方案中，热端部分102包括热套120（图中未示出），该热套120被构造成充当热块110上的绝缘层，以防止热损失到环境中。在一个实施方案中，热块110可由热套120覆盖。热套120可以由绝缘材料制成，以减少向周围环境的热损失。本领域技术人员将理解，热块110可与不同的材料交换，以获得更高的热导率，并用于处理其他种类的温度传感器和加热单元。

图4示出了分配器100的冷端部分104的示意图。根据本公开的一个实施方案，冷端部分104被构造成保持打印材料冷却并防止材料过早地从分配器出口熔化。

在一个实施方案中，如图4所示，冷端部分104包括芯部122和壳体124。在一个实施方案中，冷端部分104的芯部122具有用于原材料通过其中的导管126。此外，冷端部分104由于其靠近而受到来自热端部分102的热。根据本发明的一个实施方案，该热通过热端部分102和冷端部分104之间的材料通道插入件127传递。

在一个实施方案中，芯部122和壳体124由不同的材料制成。此外，壳体124是绝缘的或由绝缘材料制成，以限制热从环境传递到芯部。

此外，冷端部分104设置有主动冷却机构。冷却剂通过冷却剂入口端口（129）进入热端（102）。在一个实施方案中，芯体122的外部被构造成用作冷却剂流动以保持低温的通道。在围绕芯体流动之后，冷却剂通过冷却剂出口端口（125）离开。在一个实施方案中，冷却剂可以是任何具有高热容量的流体。本领域技术人员将明白，与冷却剂的更高表面积接触是有效传热所必需的。

此外，与插入件127接触的部件可以由具有更高热导率的材料制成，以将热有效地传递到芯部的表面。此外，与环境接触的部件（例如，壳体124）可以由绝缘材料制成，以限制来自环境的热量传递。根据本发明的一个实施方案，从热端部分102传递到冷端部分104的所有热被耗散到冷却剂中。此外，不允许来自环境的热进入冷端部分104中。

此外，在一个实施方案中，芯部122是螺旋芯部，即，芯部122是螺旋形的，如图5所示。在一个实施方案中，螺旋芯部中的渠道128的几何形状被构造成影响芯部122与冷却剂的接触面积，以及冷却剂在壳体124内的停留时间，从而影响了冷却的效率。本领域技术人员将明白，如图6所示的螺旋芯部几何形状将向冷却剂提供螺旋流，从而为冷却剂液体提供高接触面积和高停留时间，以吸收最大热量并增加冷却效率。螺旋冷却确保材料在热块上方的任何部分保持在熔点以内或以下。在优选实施方案中，分配器进一步与泵12连接，泵12可以控制螺旋芯部122中的冷却剂的流率，以将打印材料的温度保持在热块上方的熔化温度以下。泵可以基于从中间温度传感器123接收到的反馈来控制流率，该中间温度传感器123可以被放置在过渡区130中的材料通道插入件中，并且该温度传感器123与泵连通并将过渡区的最新温度传送到基于设定熔点控制流率的泵。

本领域技术人员将明白，芯部122和壳体124的双部件系统用于两个目的。第一，它使螺旋流的渠道制造更容易、更经济。其次，它允许使用不同的材料作为芯部和壳体。在一个实施方案中，如图6所示，壳体124包括主体、顶盖、底盖、进水口、出水口和密封件。壳体124被构造成用作冷端部分104的套，并防止冷却剂从冷端部分104流出。此外，壳体124被构造成消除冷端部分104和可能处于高温下以处理某些材料的外部环境之间的热传递。

此外，如图7所示的分配器100的冷却剂源304可以包含处于最佳条件下的冷却剂，例如，适当的温度、pH和纯度。此外，冷却剂源304可具有冷却剂输送机构，该冷却剂输送机构可包括泵和入口/出口管道。在一个实施方案中，分配器100被构造成使冷却剂通过冷端部分104。

图8示出了冷却剂循环。冷却剂源304被构造成通过使用输送系统406中的控制机构（例如，流控制阀）来维持所需的冷却剂流率。此外，被构造成从冷却剂中移除热的冷却系统410可以是主动或被动系统，以保持较低的冷却剂温度，其可以包括散热器、热电冷却器等。此外，过滤系统404被构造成移除可能进入冷却剂循环的任何污染物。此外，材料供给部分108被构造成提供材料以促进打印（例如，3D打印）。

此外，根据本发明的一个实施方案，分配器100被构造成以适当的对准和快速释放机构牢固地安装到机器（例如，打印头）上。在一个实施方案中，快速释放机构被构造成允许快速组装/拆卸分配器100以进行维护。此外，在一个实施方案中，管道可以连接到分配器100，并且管道可以使用气动连接器用于快速释放以快速组装和拆卸。此外，在一个实施方案中，用于加热器和温度传感器的电线也可以通过卡扣连接器连接。此外，在一个实施方案中，如图9所示，材料通道插入件127可以容易地与分配器分离，并替换为对于通道和出口具有不同的横截面的替代插入件和热块。本领域技术人员将明白，这使得能够使用相同的分配器和机器来沉积具有不同横截面和尺寸的原材料。

图10示出了可用于沉积固定横截面的原材料的另一实施方案，其中连接杆118被构造成将热端连接到冷端。在一个实施方案中，连接器杆可以由热绝缘材料制成，如钛，以防止热从热端传递到冷端。在这种构造中，原材料的横截面是固定的，并且无法改变。

分配器100有利地提供可用于三维（3D）打印设备的先进冷却。分配器100能够通过使用液体冷却剂（而不是常规分配器使用的空气）以更高效和更有效的方式获得更高的挤出温度。此外，分配器100有利地确保有效的热传递，因为水开始从最热区的芯部底部流动，并在相对较少热的芯部顶部处离开，同时保持螺旋轨迹。本领域技术人员将明白，当冷水与芯部的最热部分接触并且与芯部具有最高表面接触时，此确保了最大的热传递。

此外，由分配器100提供的冷却效果允许冷端部分104中有相对较短的芯部122，并且因此有缩短的冷端部分104。此外，因为可以向热端提供更多的热，分配器100提供更快的沉积速率/更高的打印速度。此外，由于冷端缩短，打印喷嘴由于蠕变失效而阻塞的机会最小化。此外，由于有效的热传递，冷却分配器由于需要较低压力的泵而更加经济。此外，冷端部分的绝缘外壁被构造成防止在高环境温度下打印时将热从环境传递到打印材料，而高环境温度可能是高性能热塑性塑料如PEEK、PEI等所需要的。这使得即使在高环境温度下打印，分配器的芯部仍保持较冰凉。

出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的示例性实施方案的前述讨论。无意将本发明限制于本文所公开的一种或多种形式。在前述具体实施方式中，出于简化本公开的目的，例如，本发明的各种特征在一个或多个实施方案、构造或方面中被分组在一起。实施方案、构造或方面的特征可组合在除上述所讨论的实施方案、构造或方面之外的替代实施方案、构造或方面中。本公开方法不应被解释为反映本发明需要比每一权利要求中明确论述的特征更多的特征的意图。正相反，由于以下权利要求所反映，发明方面所依赖的特征小于单个前述公开的实施方案、构造或方面的全部特征。因此，据此将以下权利要求并入具体实施方式中，就此点而论，每一权利要求均可作为本发明的个别实施方案。

此外，尽管本发明的描述已经包括了对一个或多个实施方案、构造或方面的描述以及某些变化和修改，但是其他变化、组合和修改都在本发明的范围内，例如，在理解本公开之后，可以在本领域技术人员和知识范围内。其目的是获得包括允许范围内的替代实施方案、构造或方面的权利，包括所要求保护的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤，无论此替换的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文公开，并且无意公开致力于任何可专利主题。

Claims (14)

1.一种分配器（100），其包括：

材料供给部分（108），其被构造成提供打印材料；

冷端部分（104），其包括螺旋芯部（122），所述螺旋芯部（122）具有用于冷却剂通过的导管（126），并且所述冷端部分被构造成冷却所述打印材料的温度；和

冷却剂源（304），其被构造成使用液体作为冷却剂，并向所述打印材料提供冷却。

2.根据权利要求1所述的分配器，其进一步包括热端部分（102），所述热端部分（102）被构造成将打印材料转换成融化形态并通过分配器出口（116）输出所述打印材料用于打印。

3.根据权利要求1所述的分配器（100），其中所述热端部分（102）包括连接器杆（118），所述连接器杆（118）被构造成将所述热端部分（102）与所述冷端部分（104）连接起来。

4.根据权利要求1所述的分配器（100），其中所述热端部分（102）包括热块（110），所述热块（110）被构造成熔化所述打印材料。

5.根据权利要求3所述的分配器（100），其中所述热端部分（102）包括热套（120），所述热套（120）被构造成覆盖所述热块（110）。

6.根据权利要求1所述的分配器（100），其中所述分配器出口（116）是喷嘴，所述喷嘴被构造成处理多种尺寸和横截面的原材料。

7.根据权利要求6所述的分配器（100），其中所述喷嘴是可互换的。

8.根据权利要求1所述的分配器（100），其中所述热端部分（102）包括温度测量单元（114），所述温度测量单元（114）被构造成测量热块（110）的温度。

9.根据权利要求1所述的分配器（100），其中所述螺旋芯部（122）包括用于原材料通过的导管（126）。

10.根据权利要求8所述的分配器（100），其中，所述螺旋芯部被构造成增加所述芯部（122）与所述冷却剂的接触面积，并且增加冷却效率。

11.根据权利要求9所述的分配器（100），其中所述冷端部分（104）进一步包括壳体（124），所述壳体（124）被构造成用作所述冷端部分（104）的套。

12.根据权利要求1所述的分配器，其进一步包括泵，所述泵用于控制所述螺旋芯部（122）中的所述冷却剂的流率。

13.根据权利要求12所述的分配器，其进一步包括在过渡区130中的温度传感器123，其中所述温度传感器与所述泵连通，以基于所述打印材料的所需温度来控制所述流率。

14.根据权利要求13所述的分配器，其中所述打印材料的所需温度低于所述热块上方任何地方的熔点。

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