CN205661044U - 用于增材制造系统的液化器组件以及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于增材制造系统的打印头，所述打印头包括：驱动机构，所述驱动机构被配置为以多种供应速率供应消耗材料；液化器管，所述液化器管被配置为接收供应的消耗材料；和至少一个板式加热器组件，所述至少一个板式加热器组件包括多个导电迹线和与导电迹线接触的多个加热元件，其中所述导电迹线被配置为接续电功率至加热元件以沿液化器管产生多个加热区，所述多个加热区与消耗材料的供应速率的改变相关地独立地进行温度调节。所述加热器组件可以被操作为提供动态热流控制。

Description

用于增材制造系统的液化器组件以及其使用方法

技术领域

本公开涉及用于打印或者不然制造三维(3D)零件和支撑结构的增材制造系统。具体地，本公开涉及用于以逐层方式使用增材制造技术打印3D零件和支撑结构的打印头液化器组件。

背景技术

增材制造系统被用于使用一种或多种增材制造技术用3D零件的数字表示(例如，AMF和STL格式文件)打印或者不然建造3D零件。商业上可用的增材制造技术的示例包括基于挤出的技术、喷射、选择性的激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔炼和立体光刻处理。对于这些技术中的每一技术，3D零件的数字表示首先被切成多个水平层。然后为每个切层生成工具路径，所述工具路径为特定的增材制造系统提供指令以打印给定的层。

例如，在基于挤出的增材制造系统中，3D零件可以通过挤出可流动的零件材料以逐层方式用3D零件的数字表示被打印。该零件材料通过由系统的打印头承载的挤出尖端被挤出，并且以平面层方式被沉积为在压盘上的一系列路线。挤出的零件材料熔融在先前沉积的零件材料上，并且在温度下降后固化。打印头相对于基板的位置然后被递增，并且重复该处理以形成类似数字表示的3D零件。

在通过沉积零件材料的层制作3D零件的过程中，支撑层或结构通常被建造在外悬部分下面或者在建造中的3D零件的空腔内，它们不被零件材料本身支撑。可以利用相同的沉积零件材料的沉积技术建造支撑结构。主计算机产生附加的几何形状，该附加的几何形状充当用于正被形成的3D零件的外悬或自由空间区段的支撑结构。然后在打印过程中支撑材料按照该产生的几何形状被沉积。支撑材料在制作过程中粘附在零件材料上，并且当打印过程完成后可从完成的3D零件上移除。

发明内容

本公开的一个方面针对一种用于增材制造系统的液化器组件。所述液化器组件包括刚性构件(例如夹块或壳块)，所述刚性构件来自一种或多种导热材料，并且具有沿纵向轴线延伸的间隙。所述液化器组件还包括：液化器管，所述液化器管布置在所述间隙内，并且具有沿纵向轴线偏置的入口端和出口端；和加热器组件，所述加热器组件布置在所述间隙内并且与液化器管接触，其中所述加热器组件被配置为沿纵向轴线以逐区方式加热所述液化器管。所述液化器组件还包括：热敏电阻，所述热敏电阻在刚性构件和加热器组件之间布置在所述间隙内，其中所述热敏电阻被配置为将一部分热量从加热器组件传导至刚性构件；和热管(或其它散热器装置)，所述热管与刚性构件耦接，以从刚性构件吸走传导的热量。

本公开的另一方面针对一种用于增材制造系统的液化器组件，所述液化器组件包括一个或多个加热器组件(例如，一对加热器组件)，所述一个或多个加热器组件被配置为接收液化器管，其中该对加热器组件与保持的液化器管的相反侧配合接触，并且布置在保持的液化器管的相反侧上。液化器组件还包括一个或多个热敏电阻(例如，一对热敏电阻)，所述一个或多个热敏电阻抵靠该对板式加热器地布置在保持的液化器管的相反侧。液化器组件还包括被配置为保持热敏电阻(或多个热敏电阻)的刚性构件、加热器组件或多个加热器组件和在压迫下保持的液化器管，其中刚性构件还被配置为从热敏电阻(或多个热敏电阻)传导热量。在一些实施例中，液化器组件还包括优选地可替换的液化器管。

本公开的另一方面针对一种用于从增材制造系统中的液化器组件中挤出材料的方法。所述方法包括：将细丝供应至液化器组件的液化器管；使用与液化器管接触的加热器组件产生热量；以及将产生的热量的第一部分传导给液化器管以加热供应的细丝。所述方法还包括：将产生的热量的第二部分吸取至与加热器组件接触的、在液化器管的相反侧的热敏电阻，以及可选地，将吸取的产生的热量的第二部分传导至热管(或其它散热器装置)。

本公开的另一方面针对一种用于增材制造系统的液化器组件。所述液化器组件包括：液化器管，所述液化器管具有沿纵向轴线偏置的入口端和出口端；和板式加热器组件。所述板式加热器组件包括：板状部；多个导电迹线，所述多个导电迹线布置在板状部上，并且被配置为从增材制造系统中可操作地接收具有独立受控的瓦特数等级的电功率。所述板式加热器组件还包括多个加热元件，所述多个加热元件布置在板状部上，并且每一个加热元件都与导电迹线中的一个或多个导电迹线接触以从所述一个或多个导电迹线接收电功率，其中独立受控的瓦特数等级导致加热元件沿着纵向轴线独立地加热液化器管的不同区。

本公开的另一方面针对一种用于增材制造系统的液化器组件，其中所述液化器组件包括：液化器管，所述液化器管具有沿纵向轴线偏置的入口端和出口端；以及第一加热器组件和第二加热器组件。第一加热器组件包括多个第一导电迹线和多个第一加热元件，所述多个第一加热元件与第一导电迹线接触以从第一导电迹线接收电功率。第二加热器组件包括多个第二导电迹线和多个第二加热元件，所述多个第二加热元件与第二导电迹线接触以从第二导电迹线接收电功率，其中第一和第二加热元件沿纵向轴线对称地布置在液化器管的相反侧上，以便以逐区方式加热液化器管。

本公开的另一方面针对一种用于增材制造系统的打印头。所述打印头包括：驱动机构，所述驱动机构被配置为以多种供应速率供应消耗材料；液化器管，所述液化器管被配置为接收供应的消耗材料；和至少一个板式加热器组件。所述至少一个板式加热器组件包括多个导电迹线和与导电迹线接触的多个加热元件，其中所述导电迹线被配置为接续电功率至加热元件以沿液化器管产生多个加热区，所述多个加热区与消耗材料的供应速率的改变相关地独立地进行温度调节。

本公开的另一方面针对一种用于使用增材制造系统打印3D零件的方法。所述方法包括：多种供应速率将消耗材料供应至由增材制造系统保持的液化器管；以及加热在多个加热区上的液化器管以熔融接收在液化器管中的消耗材料。所述方法还包括至少部分基于供应至液化器管的消耗材料的供应速率动态调节在多个加热区上的液化器管的加热；和从由液化器管保持的喷嘴中挤出熔融的消耗材料。

本公开的另一方面针对一种用于使用增材制造系统打印3D零件的方法，其中所述方法包括：以第一供应速率将消耗材料供应至由增材制造系统保持的液化器管；以及在以第一供应速率供应消耗材料的同时沿多个加热区加热液化器管以提供沿液化器管的大致均匀的温度曲线。所述方法还包括：将供应至液化器管的消耗材料的供应从第一供应速率调节至比第一供应速率更快的第二供应速率；以及在以第二供应速率供应消耗材料的同时对于多个加热区调节液化器管的加热以提供沿液化器管的第二温度曲线，其中第二温度曲线包括多个加热区之间的至少一个温度差。所述方法还包括从由液化器管保持的喷嘴中挤出消耗材料。

本公开的另一方面针对一种用于使用增材制造系统打印3D零件的方法，其中所述方法包括：将细丝供应至由增材制造系统保持的液化器管；以及通过多个导电迹线可控地将电功率供应至加热元件，以便以独立方式加热加热元件。所述方法还包括：使用独立加热的加热元件加热在多个区上的液化器管，以熔融接收在液化器管中的细丝；以及调节接续至多个导电迹线中的一部分的电功率，以与细丝被供应至液化器管的速率的改变相关地调节加热元件的加热。所述方法还包括从由液化器管保持的喷嘴中挤出熔融的细丝材料。

本公开的另一方面针对一种用于以逐层方式打印3D零件的增材制造系统。所述系统包括：驱动机构，所述驱动机构由所述系统保持并且被配置为供应消耗材料；液化器管，所述液化器管由所述系统保持并且被配置为接收供应的消耗材料；和加热器组件，所述加热器组件由所述系统保持并且被配置为加热液化器管以熔融接收的消耗材料。所述系统还包括喷嘴，所述喷嘴由液化器管保持并且被配置为将熔融的消耗材料挤出为挤出物；和至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为可操作地测量液化器管内的压力。所述系统还包括控制器组件，所述控制器组件被配置为基于测量的压力使用驱动机构调节消耗材料的供应速率，以便以闭环方式控制挤出物的材料流速。

本公开的另一方面针对一种用于以逐层方式打印3D零件的增材制造系统。所述系统包括：驱动机构，所述驱动机构由所述系统保持并且被配置为供应消耗材料；和液化器组件。所述液化器组件包括液化器管，所述液化器管由所述系统保持并且被配置为接收供应的消耗材料；和加热器组件，所述加热器组件由所述系统保持并且被配置为加热液化器管以熔融接收的消耗材料，其中所述液化器管被配置为在熔融接收的消耗材料同时膨胀。所述液化器组件还包括：刚性构件，所述刚性构件被配置为稳固地保持液化器管和加热器组件，其中所述刚性构件被配置为在液化器管的膨胀作用下挠曲；和至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为可操作地测量液化器管的挠曲。所述系统还包括控制器组件，所述控制器组件被配置为基于测量的挠度使用驱动机构调节消耗材料的供应速率，以便以闭环方式控制材料流速。

本公开的另一方面针对一种用于使用增材制造系统打印3D零件的方法。所述方法包括：将消耗材料供应至由增材制造系统保持的液化器管；以及在供应消耗材料的同时加热液化器管，其中液化器管的加热和消耗材料的供应在液化器管内产生压力。所述方法还包括：在产生的压力下使液化器管膨胀；可操作地测量液化器管的膨胀；以及响应于测量的液化器管的膨胀调节供应至液化器管的消耗材料的供应，以便以闭环方式控制材料流速。

定义

除非另有说明，下面的用在本文中的术语具有下面提供的含义：

术语“优选的”和“优选地”是指本发明的在某些情形下可以提供某些优点的实施例。然而，在相同的或其它情形下，其它实施例也可以是优选的。此外，一个或多个优选的实施例的引用并不暗示其它实施例不是有用的，并且并非意在从本公开的范围中排除其它实施例。

术语“可操作地测量”等等是指可以为直接测量和/或间接测量的测量。例如，可操作地测量液化器管内的压力可以通过直接测量液化器管内的压力执行，和/或通过利用直接测量基于液化器管内的压力的另一个效果(例如，液化器管的膨胀等等)而间接测量液化器管内的压力执行。

参照3D零件的打印层方向确定诸如“在……上面”、“在……下面”、“顶部”、“底部”等等的方向性定向。在下面所示的实施例中，打印层方向为沿着竖直z轴向上的方向。在这些实施例中，术语“在……上面”、“在……下面”、“顶部”、“底部”等等基于该竖直z轴。然而，在3D零件的层被沿不同轴线打印的实施例中，例如沿着水平x轴或y轴，术语“在……上面”、“在……下面”、“顶部”、“底部”等等是相对于该给定的轴线。

术语“提供”，例如对于“提供材料”，当在权利要求书中被引用时，并非意在需要所提供的项目的任何特定的传递或接收。相反，术语“提供”仅仅用于为清楚和易读目的引入将在权利要求(或多项权利要求)的后续元素中提及的项目。

除非另有说明，本文提到的温度基于大气压力(即，一个大气压)。

由于对本领域技术人员已知的预期的变化(例如测量中的局限性和变化性)，在本文中关于可测量的值和范围使用术语“约”和“大致”。

附图说明

图1为增材制造系统的正视图，所述增材制造系统被配置为利用一个或多个本公开的打印头液化器组件打印3D零件和支撑结构；

图2为保持本公开的液化器组件的打印头的分解视图；

图3为液化器组件的右后立体图；

图4为液化器组件的左后立体图；

图5为液化器组件的分解视图；

图6为液化器组件的顶部立体图，其中为观察方便省略了液化器组件的电阻块中的一个；

图7为液化器组件的液化器管、电阻块和加热器组件的右后立体图，图示了用于动态控制热流的多个加热区布置；

图8A和8B为随着细丝穿过液化器管细丝厚度的横截面和相关的热剖面的示意图，图示了为适应材料流速的改变在液化器管中对加热区进行的动态调整；

图9为液化器组件的顶部立体图，图示了用于基于液化器管的膨胀和夹块的挠曲和压缩可操作地测量液化器组件的液化器管内的压力的技术；

图10为挤出物速度和编码器信号的图形，图示了材料流的加速度和减速度响应时间；

图11是本公开的替代的液化器组件的俯视图，其包括圆柱形的液化器管；

图12是来自夹块的替代的刚性构件的顶部立体图，所述夹块包括多个、单独的C形夹的刚性构件。

具体实施方式

本公开针对一种用于基于挤出的增材制造系统的打印头液化器组件，以便使用增材制造技术以逐层方式打印3D零件和支撑结构。如下所述，液化器组件被独特地设计以改善在消耗材料的熔融和挤出上的热控制。在第一实施例中，液化器组件使用多区加热机构以及可选的一个或多个散热器部件运行，所述一个或多个散热器部件一起形成用于液化器组件的推拉式(push-pull)热驱动器。使用这种设计，液化器组件可以产生可控的和精确的热流，由此在打印操作过程中提供快速的响应时间和大流速。

在第二实施例中，液化器组件包括一个或多个板式加热器组件，所述板式加热器组件被配置为以逐区方式将热能传递给液化器管。在该实施例中，每一个板式加热器组件优选地包括端接加热元件的多个导电迹线，其中每一个加热元件限定用于液化器管的加热区。在操作过程中，电功率以受控和独立的方式通过板式加热器组件的导电迹线被从增材制造系统接续到加热元件。在一些优选的方面中，液化器组件包括布置在液化器管的相反侧上的一对的板式加热器组件，其中板式加热器组件可以具有相同数量的导电迹线和加热元件以沿着液化器管的长度保持对称的加热区。

在第三实施例中，本公开针对一种用于动态控制经过多个加热区传递向液化器管和从液化器管传递的热流的方法。具体地，该技术允许对沿液化器管的长度的温度曲线进行动态调整，以适应材料流速的改变以及在打印操作期间发生的其它不稳定状态条件(例如，启动、停止、加速和减速)。具体地，该动态控制方法可以例如通过首先超过材料的目标表面温度、随后低于该温度而相对于材料流速改变上游和下游加热区之间的温度差。这允许获得较高的材料流速，同时还降低热降解消耗材料的风险。

在第四实施例中，本公开针对一种用于监测和控制液化器管内的材料流的闭环方法。如下所述，已经发现长的标准液化器(例如，1.5英寸长)可以非常快速地(例如在约10毫秒或更少时间内)加速零件或支撑材料的流动。然而，这些液化器也呈现了复杂的流动减速，所述流动减速包括快速衰减部分(例如，小于约20毫秒)和缓慢衰减部分(例如，大于约100毫秒)。这些缓慢衰减部分是不期望的问题，其组合了以下事实，即在一些情况下，它们在连续减速方面不可重复。该流动减速的不可预见性降低了对材料流的响应时间控制，例如当减速至路线转角处和停止在路线终点时。

为了补偿流动减速的不可预见性，液化器组件可以被配置为可操作地测量液化器管内的压力。这允许液化器组件使用一个或多个过程控制环路以闭环方式运行，以至少针对相对缓慢的时间响应部件提供流动控制反馈。补偿流动减速的不可预见性也可以提高打印操作过程中(例如，转弯和停止事件过程中)的响应时间。

本公开的液化器组件可以与任何合适的基于挤出的增材制造系统一起使用。例如，图1示出了与两个消耗组件12一起使用的系统10，其中每一个消耗组件12为可容易装载、可移除并可替换的容器装置，所述容器装置保持用于使用系统10进行打印的消耗细丝的供应。通常地，消耗组件12中的一个包含零件材料细丝，并且另一个消耗组件12包含支撑材料细丝。然而，两个消耗组件12可以在结构上相同。

在所示的实施例中，每一个消耗组件12包括容器部14、引导管16和打印头18，其中每一个打印头18优选地包括本公开的液化器组件20。容器部14可以保持例如在Mannella等人的美国公开号2013/0161432和2013/0161442以及Batchelder等人的美国专利申请号13/708,145中讨论的消耗细丝的线轴或线圈。引导管16相互连接容器部14和打印头18，其中打印头18的(或者系统10的)驱动机构从容器部14拉动连续段的消耗细丝通过引导管16至打印头18的液化器组件20。

在该实施例中，引导管16和打印头18是消耗组件12的子部件，并且可以和每一个消耗组件12一起互换到系统10中和从系统10中互换下来。在替代实施例中，引导管16和/或打印头18可以为系统10的部件，而不是消耗组件12的子部件。在这些替代实施例中，打印头18(具有液化器组件20)可以可选地被改造到现有的增材制造系统中。

系统10为用于使用基于层的增材制造技术分别用消耗组件12的零件和支撑材料细丝打印3D零件或模型和对应的支撑结构(例如，3D零件22和支撑结构24)的增材制造系统。用于系统10的合适的增材制造系统包括由Stratasys公司、Eden Prairie、MN开发的商标为“FDM”和“FUSEDDEPOSITION MODELING(熔融沉积成型)”的基于挤出的系统。

如图所示，系统10包括系统壳体26、腔室28、压盘30、压盘架32、头台架34和头架36。系统壳体26为系统10的结构部件，并且可以包括多个子部件，例如支撑框架、外壳壁等等。在一些实施例中，系统壳体26可以包括被配置为接收消耗组件12的容器部14的容器间。在替代实施例中，可以省略容器间以减小系统10的整体占地。在这些实施例中，容器部14可以邻近系统壳体26，同时为引导管16和打印头18提供充足的移动范围。

腔室28为包含用于打印3D零件22和支撑结构24的压盘30的封闭环境。腔室28可以被加热(例如，通过循环加热空气)以降低在挤出和沉积之后零件和支撑材料固化的速率(例如，以减小变形和卷曲)。在替代实施例中，腔室28可以被省略和/或用不同类型的建造环境替换。例如，3D零件22和支撑结构24可以在朝向周围环境敞开的建造环境下被建造，或者可以用替代的结构(例如，柔性帷幔)封闭。

压盘30为平台，在该平台上3D零件22和支撑结构24以逐层方式被打印，并且压盘被压盘架32支撑。在一些实施例中，压盘30可以结合并支撑建造基板，所述建造基板可以为托盘基板，所述托盘基板为如在Dunn等人的美国专利号7,127,309中公开的、由塑料、瓦楞纸板或其它合适材料制作的，并且所述建造基板还可以包括柔性聚合物膜或衬垫、涂漆胶带、聚酰亚胺胶带(例如，为来自德国威明顿市的E.I.du Pont de Nemours and Company的KAPTON商标的)或者用于将沉积材料粘附在压盘30或建造基板上的其它可处理掉的制作。压盘架32为被配置为沿(或大致沿)竖直z轴移动压盘30的家组件。

头台架34为被配置为接收一个或多个可移除打印头(例如，打印头18)的单元，并且被头架36支撑。用于头台架34的合适装置和用于将打印头18保持在头台架34中的技术的示例包括在Swanson等人的美国专利号8,403,658和Swanson等人的美国公开号2012/0164256中公开的那些装置和技术。在一些优选的实施例中，每一个打印头18被配置为与头台架34结合以如下方式牢固地保持打印头18，即防止或限制打印头18相对于头台架34在x-y建造平面内移动，但是允许打印头18可控地移出x-y建造平面(例如，以线性或枢转方式被伺服、被拨动或者不然被切换)。

如上所述，在一些实施例中，引导管16和/或打印头18可以为系统10的部件，而不是消耗组件12的子部件。在这些实施例中，用于打印头18的合适的装置以及打印头18、头台架34和头架36之间的连接的附加的示例包括在Crump等人的美国专利号5,503,785、Swanson等人的美国专利号6,004,124、LaBossiere等人的美国专利号7,384,255和7,604,470、Batchelder等人的美国专利号7,896,209和7,897,074、以及Comb等人的美国专利号8,153,182中公开的那些装置和连接方式。

在所示的实施例中，头架36为带驱动的架组件，其被配置为沿(或大致沿)在腔室28上方的x-y水平面移动头台架34(以及保持的打印头18)。用于头架36的合适的架组件的示例包括在Comb等人的美国公开号2013/0078073中公开的那些组件，其中头架36还可以支撑限定用于腔室28的棚顶的可变性挡板(未示出)。

在替代实施例中，压盘30可以被配置为沿x-y水平面在腔室28内移动，并且头台架34(和打印头18)可以被配置为沿z轴移动。也可以使用其它类似的设置，使得压盘30和打印头18中的一个或两个可相对于彼此移动。压盘30和头台架34(和打印头18)还可以沿着不同轴线定向。例如，压盘30可以竖直地定向，并且打印头18可以沿x轴或y轴打印3D零件22和支撑结构24。

系统10还包括控制器组件38，控制器组件可以包括一个或多个控制电路(例如，控制器40)和/或一个或多个主计算机(例如，计算机42)，它们被配置为监测和操作系统10的部件。例如，可以以硬件、软件、固件等等或者其组合实施由控制器组件38执行的一个或多个控制功能，例如执行移动编译器功能；并且可以包括可以在系统10外部和/或内部的基于计算机的硬件，例如数据存储装置、处理器、存储器模块等等。

控制器组件38可以通过通信线44与打印头18、腔室28(例如，与用于腔室28的加热单元)、头台架34、用于压盘架32和头架36的电机、和各个传感器、校准装置、显示装置和/或用户输入装置通信。在一些实施例中，控制器组件38还可以与系统10的压盘30、压盘架32、头架36和任一其它合适的部件中的一个或多个通信。虽然被图示为单一的信号线，但是通信线40可以包括可以在系统10的外部和/或内部、允许与系统10的各个部件通信的一个或多个电的、光学的和/或无线的信号线。

在操作过程中，控制器组件38可以引导压盘架32以使压盘30移动至腔室28内的预定高度。然后，控制器组件38可以引导头架36以使头台架34(以及保持的打印头18)在腔室28上方的x-y水平面内移动。控制器组件38还可以引导打印头18以选择性地分别从容器部14并且通过引导管16拉动连续段的消耗细丝。

图2为示例性的打印头18的分解视图，其包括外壳46(具有外壳部件46a和46b)、驱动机构48、本公开的液化器组件20和散热器单元50，它们与细丝52一起被示出。用于外壳46和驱动机构48的合适的部件的示例包括在Batchelder等人的美国专利号7,896,209和7,897,074、Swanson等人的美国公开号2012/0164256、Koop等人的美国专利申请号13/708,116和Leavitt的美国专利申请号13/708,037中讨论的那些部件。

在本文中，液化器组件20被讨论为配置有带状细丝和带状液化器结构。本文使用的术语“带状细丝”是指沿着其纵向长度具有大致矩形、弓形和/或椭圆形横截面的细丝，其可以可选地包括例如在Batchelder等人的美国专利号8,236,227中公开的用于与驱动机构48结合的一个或多个表面轨道。相应地，本文使用的术语“带状液化器”是指沿着其纵向长度具有大致矩形、弓形和/或椭圆形内通道横截面的液化器(例如，液化器管)。

对于带状细丝和带状液化器中的每一个，横截面具有宽度和厚度，其中宽度的最大范围以至少约2.5倍的程度大于厚度的最大范围。对于具有大致矩形或弓形横截面的带状细丝或带状液化器，横截面可以具有锐角(即，90度角)和/或圆角。对于带状细丝具有椭圆形横截面的情况，椭圆形横截面优选地具有约0.8或更大的偏心率，并且更优选地具有约0.9或更大的偏心率。用于细丝52和液化器组件20的合适的带状细丝和带状液化器结构的示例包括在Batchelder等人的美国专利号8,221,669、8,236,227和8,439,665中讨论的那些结构，在不与本公开冲突的程度内，它们的内容通过引用全文引入本文。

通过本文的讨论显而易见的是，带状细丝和带状液化器结构为液化器组件20提供几个优点，例如用于可操作地测量液化器压力的方便的机构、以及改进的热流控制、快速的响应时间和快速的材料流速。然而，在替代实施例中，如下所述，液化器组件20可以被配置为与具有其它横截面几何形状的液化器和细丝、优选地为圆柱形细丝和液化器一起使用。

散热器单元50包括热管50a和散热器50b，并且为液化器组件20的将在操作过程中产生的热量移除的部件，如下所述。在所示的示例中，散热器50b为塔-翅片型散热器，其被配置为耗散来自热管50a的热量，并且可以位于打印头18的外壳46内部或外部。例如，塔-翅片型散热器50b可以包括多个翅片(例如，5-15个翅片)，每一个翅片具有合适的表面面积(例如，直径1-5英寸)。散热器50b还可以主动冷却单元(例如，吹向(或抽离)散热器50b的空气的强迫供应)结合运行。在替代实施例中，散热器50b可以呈现各种不同的翅片几何形状和布置。

如进一步所示的，驱动机构48位于液化器组件20的上游，并且被配置为在机动动力下从引导管16向液化器组件20供应连续段的细丝52。驱动机构48优选地还包括被配置为支撑细丝52的相对侧的滑动板或其它合适的支撑表面(例如，旋转支撑表面，未示出)，同时驱动机构48与细丝52结合。如本文所使用的，术语“上游”和“下游”是参照细丝供应方向的，如箭头53所示。

液化器组件20使接收的连续段的细丝52热熔融，其中细丝材料的熔融部分形成围绕细丝52的未熔融部分的弯月形。在熔融材料从液化器组件20挤出的过程中，细丝52的向下移动起到粘性泵的作用，以便挤出作为用于打印3D零件22或支撑结构24的挤出物的熔融材料。照此，挤出物的流速很大程度上基于液化器组件20内的压力，其中压力是由于粘性泵作用和熔融后的细丝材料的热膨胀。相应地，液化器组件20内的最大压力级趋于位于弯月形附近。

挤出物的材料流速的改变，例如当启动、停止、加速和减速、或者当需要较快或较慢的打印速率时，通过基于来自控制器组件38的驱动指令使用驱动机构48改变细丝52的供应速率而被控制。然而，挤出物流出液化器组件20的流速并不总是立刻同样地响应于细丝52的供应速率的改变，并且在供应速率改变之后呈现响应时间延迟。例如，对于给液化器组件20的细丝52的相同的瞬时供应速率，挤出物可以以不同的速率从液化器组件20流动。这是由于液化器组件20内的许多不稳定状态条件，例如，细丝材料的熔融流动特性的改变，细丝供应速率和挤出物流速的先前的改变(例如，在先前的启动、停止、加速和/或减速过程中)、响应时间延迟等等。

在开环设计中，没有任何挤出物的反馈测量，控制器组件38通常基于挤出物将如何流动的预测模型操作打印头18。然而，由于可以使用系统10打印的实际上不受限制的3D零件的几何形状，很难预测打印头18在每一种情况下将如何运行。此外，开环设计将不检测打印头18随时间的逐渐变化，例如液化器的尺度变换、材料的积聚等等。局部尖端阻塞可能改变液化器的性能，不会导致其不工作。

相反，如下所述，液化器组件20可以基于来自液化器组件20内的压力测量以闭环方式操作。这允许控制器组件38补偿液化器组件20内的压力变化，由此更精确地控制挤出物流出液化器组件20的流速。附加地，液化器组件20可以与沿着多个加热区的温度测量一起运行，这也可以被用于防止液化器组件20内的温度波动，并且动态控制沿液化器组件20的温度曲线。这些反馈控制可以辅助减小响应时间延迟并改善零件质量和材料流速。

在现有的液化器组件20上，产生的挤出物可以被沉积在压盘30上作为一系列路线，用于以逐层方式打印3D零件22或支撑结构24。在打印操作完成后，产生的3D零件22和支撑结构24可以从腔室28中移除，并且支撑结构24可以从3D零件22上移除。然后，3D零件22可以经历一个或多个附加的后处理步骤。

图3-6还图示了与细丝52一起使用的液化器组件20，其中为了观察方便省略了驱动机构48和散热器50a。如图3和4所示(以与图2相反的视角示出)，液化器组件20包括夹块54、一对加热器组件56a和56b、液化器管58、一对相对的热敏电阻60a和60b(热敏电阻60b最好地示出在下面的图5和6中)、尖端护罩62、喷嘴64和传感器66。

夹块54为示例性的刚性构件，其包括一对相对的臂68a和68b，它们彼此平行地从基部70上延伸。基部70和臂68a和68b共同限定U形间隙72，所述U形间隙沿着夹块54和液化器管58的纵向轴线73延伸。在所示的设置中，液化器管58布置在间隙72内，在相对的加热器组件56a和56b之间。加热器组件56a和56b分别布置在热敏电阻60a和60b之间，其中热敏电阻60a和60b分别通过臂68a和68b抵靠在加热器组件56a和56b上而被保持。臂68a和68b优选地在足够的压迫下夹持液化器管58、加热器组件56a和56b和热敏电阻60a和60b，以保持部件之间的良好的面间接触，并且防止它们滑动分开，虽然优选的是液化器管58在组件中是可替换的。

夹块54可以用提供坚固和刚性结构并且优选地为导热的一种或多种材料制作，例如一种或多种金属(例如，不锈钢和铝)。附加地，夹块54优选地能够在保持在间隙72内的部件上保持压紧，同时也能够承受在液化器管58内产生的膨胀压力(当细丝52被熔融并挤出时)，而不会破碎或破裂。

夹块54的基部70包括轴74(最好地示出在下面的图5和6中)，轴优选地通过基部70的长度平行于间隙72延伸，用于接收热管50a。热管50a为被配置为通过蒸发冷却从夹块54吸走热能的密封的导热管。如上所述，热管50a的顶端与散热器50b连接(图2所示)。热管50a的下部可以压配合入轴74内以保持与基部70的良好的面间接触。在一些实施例中，导热中空套可以布置在基部70和热管50a之间，例如考虑顺从目的。在替代实施例中，热管50a可以与基部70一体形成，使得轴74用作热管50a的一部分。

热管50a还优选地沿着基部70的整个长度延伸，并且延伸到尖端护罩62。这允许热管50a沿着夹块的整个长度从夹块54并且从尖端护罩62吸取热量。如下所述，当需要时，热管50a对于辅助从液化器组件20快速移除热量以迅速冷却液化器管58的一个或多个加热区是有利的。此外，热管50a可以从液化器管58的位于加热器组件56a和56b上方的入口端吸走热量，以防止细丝52在入口端处软化和屈曲。

在所示的实施例中，加热器组件56a和56b为一对镜像的板式加热器，其被配置为向液化器管58传递热能。如图3所示，加热器组件56a包括片状或板状部76a，片状或板状部包含由槽分开的多个导电迹线78a，所述槽起到热屏障的作用。类似地，如图4所示，加热器组件56b包括片状或板状部76b，片状或板状部包含由槽分开的多个导电迹线78b，所述槽起到热屏障的作用。

片状部76a和76b为多层板，每一个板优选地包括用一个或多个玻璃层和/或其它介电层涂覆的刚性基层(例如，410级不锈钢)。片状部76a和76b的合适的板厚度具有从约2密耳到约20密耳的范围。在一些实施例中，片状部76a和76b可以例如以合上的书状形式在液化器管58的相反侧处连接。该设置可以辅助保持液化器管58。

导电迹线78a和78b为沿着片状部76a和76b的最外侧布线的导电材料的迹线。如下所述，导电迹线78a和78b分别端接位于液化器管58的相反侧上的加热元件82a(在下面的图5和7中示出)和加热元件82b(在下面的图6中示出)。附加地，片状部76a和76b的最顶部分可以与打印头18和/或头台架34的电连接器(未示出)结合，这将电功率通过导电迹线78a和78b从系统10接续至加热元件82a和82b。

在所示的示例中，加热器组件56a和56b每个都包括七个导电迹线78a和78b和六个加热元件82a和82b，以产生沿液化器管58的长度延伸的六个加热区。在替代实施例中，加热器组件56a和56b可以包括不同数量的导电迹线78a和78b和加热元件82a和82b，例如三个或更多个导电迹线78a和78b(和两个或更多个加热元件82a和82b，用于两个或更多个加热区)，更优选地从三个至十一个的导电迹线78a和78b(和两个至十个加热元件82a和82b)，并且甚至更优选地从五个至十一个的导电迹线78a和78b(和四个至十个加热元件82a和82b)。正如可以领会的，加热器组件56a和56b优选地具有相同数量的导电迹线和加热元件(例如，每个具有七个导电迹线和六个加热元件)，以保持沿液化器管58的长度对称的加热区。

在所示的示例中，液化器管58为具有用于接收细丝52的大致矩形横截面的带状液化器管。如上面简要提到的，在替代实施例中，液化器管58可以具有任何合适的几何形状，优选地为圆柱形管几何形状。液化器管58优选地用一种或多种刚性的、导热材料(例如不锈钢)制作，并且可以以多种不同方式制作。在第一示例中，液化器管58的横截面尺寸可以通过平整或者不然压扁或挤压围绕片状插入件的圆柱形液化器而得到。

替代地，液化器管58可以通过冲压一对金属板成半截面而制造，然后半截面可以被焊接或者不然被密封在一起以得到需要的横截面尺寸。在进一步的示例中，U形沟槽可以被激光切割或者不然被机加工到金属块中以形成液化器管58和喷嘴64的侧壁，然后液化器管和喷嘴可以用一个或多个金属膜覆盖，所述一个或多个金属膜包住沟槽以形成内通道。

液化器管58的大致矩形的横截面限定相反的面58a和58b，在所示的实施例中，相反的面58a和58b为夹在相对的加热器组件56a和56b之间的大致平坦面。这允许加热器组件56a和56b传导地将热能传递给液化器管58。

液化器管58还具有沿着纵向轴线73彼此偏置的入口端80a和出口端80b。入口端80a被配置为从驱动机构48接收细丝52，其中入口端80a和细丝52优选地具有互补的横截面几何形状，例如在Batchelder等人的美国专利号8,221,669和8,439,665中讨论的。出口端80b为液化器管58的下游部，并且终止于喷嘴64。

液化器管58的合适尺寸包括在Batchelder等人的美国专利号8,221,669和8,439,665中讨论的那些尺寸。在一些优选的实施例中，液化器管58具有范围从约0.3英寸至约5英寸的长度，更优选地从约2英寸至约4英寸。液化器管58的平坦面58a和58b之间的合适的中空的、内通道厚度具有从约10密耳至约100密耳的范围，并且在一些实施例中，从30密耳至约50密耳。液化器管58的横向端部(垂直于内通道宽度)之间的合适的中空的、内通道宽度具有从约100密耳至约300密耳的范围，并且在一些实施例中，从180密耳至约220密耳。液化器管58的合适壁厚具有从约5密耳至约20密耳的范围。圆柱形的液化器管58的合适尺寸在下面讨论。

热敏电阻60a和60b为一对相对的分段块或组件，由具有适度的导热率以从液化器管58和加热器组件56a和56b吸取热量的一种或多种材料制成。照此，在加热器组件56a和56b加热液化器管58的同时，热敏电阻60a和60b从加热器组件56a和56b吸走一部分产生的热量，然后传导入夹块54的臂68a和68b中。因为夹块54优选地用一种或多种导热材料制作，吸走的热量传导给基部70，基部将热量传递给热管50a。相应地，热管50a从液化器组件20吸走热量。这形成推拉式热驱动器设置。

当加热器组件56a和56b在一个或多个区处减小或中止加热液化器管58时，该推拉式热驱动器设置是特别可辨认的。当这发生时，热敏电阻60a和60b迅速吸走余热以在这些区处快速冷却液化器管58。这以快速热响应时间和冷却速率提供了对沿液化器管58的温度曲线的高等级的控制。

用于热敏电阻60a和60b的合适的材料包括页硅酸盐材料，例如云母片。已经发现用诸如云母片的材料制造热敏电阻60a和60b提供了合适等级的热移除，同时也提供了较好的电绝缘。而且，云母片是相对柔软和顺从的，在夹块54的臂68a和68b和加热器组件56a和56b之间提供了较好的接合界面。

附加地，云母片的沿材料的解理面的导热率以约十倍的程度大于沿垂直于解理面的方向的导热率。照此，热敏电阻60a和60b的云母片优选地被定向为使得解理面被设置为与加热器组件56a和56b的平坦面平行。这允许热敏电阻60a和60b提供足够等级的热阻，同时也允许合适数量的热量从加热器组件56a和56b传递到夹块54。

例如，如果加热器组件56a和56b和液化器管58内的细丝材料的核心区域之间的全部热阻为R，那么对于提供加热器组件56a和56b和夹块54之间的R热阻的热敏电阻60a和60b将获得最快的热响应。然而，在许多实施例中，液化器组件20的推拉式热驱动器设置可以与减小量的废热一起运行。相应地，热敏电阻60a和60b可以呈现范围从约R至约20R的加热器组件56a和56b和夹块54之间的热阻，更优选地从约R至10R，并且甚至更优选地从约R至约5R。

在替代实施例中，热敏电阻60a和60b可以源自一种或多种正温度系数(PTC)材料，例如钛酸钡和/或钛酸铅。PTC材料在小的温度范围上显著增大其电阻，由此提供沿液化器管58的自调节温度区。照此，单块的PTC材料可以模仿用于液化器管58的无限数量的温度区。在这种情况下，夹块54优选地电接地，并且加热器组件56a和56b的加热元件82a和82b优选地被省略。相反，导电迹线78a和78b与源自一种或多种PTC材料的热敏电阻60a和60b之间的受控和独立的相互作用可以有效地提供无限区的液化器，其中各自的区可以选择性地被关闭。

在替代实施例中，液化器组件20可以具有仅使用一对加热线的一个或多个加热区，每一个加热区具有由PTC材料的热敏电阻60a和60b限定的固定的工作温度范围。在这种情况下，可以可选地省略加热器组件56a和56b。

虽然以一对加热器组件56a和56b和一对热敏电阻60a和60b图示，但是在一些实施例中，例如在圆周地围绕液化器管58的周围具有足够量的导热性的实施例中，可以可选地使用的单一的加热组件56a和单一的热敏电阻60a。照此，液化器组件20可以包括一个或多个加热器组件(例如，加热器组件56a和56b)和一个或多个热敏电阻或电阻块(例如，热敏电阻60a和60b)。

在液化器组件20的底部，尖端护罩62与夹块54和热管50a的下游端连接。尖端护罩62通过空气层或类似的绝缘体与喷嘴64和液化器管58热隔离。尖端护罩62的暴露于构建中的零件的表面应当相对较冷，以降低其表面能量和倾角以吸引挤出物。

喷嘴64在出口端80b处为液化器管58的小直径喷嘴，并且被配置为以需要的路线宽度挤出熔融材料。喷嘴64的优选的内尖端直径包括高达约760微米(约0.030英寸)的直径，并且更优选地具有从约125微米(约0.005英寸)至约510微米(约0.020英寸)的范围。在一些实施例中，喷嘴64可以包括一个或多个内凹的槽，以产生具有不同路线宽度的路线，如在Swanson等人的美国专利申请号13/587,002中公开的。

如在Swanson等人的美国专利申请号13/587,002中进一步讨论的，喷嘴64可以具有轴向通道，该轴向通道具有任何合适的长度直径比。例如，在一些实施例中，喷嘴64可以具有产生高流阻的长度直径比的轴向通道，例如，约2∶1至约5∶1的比率。在其它实施例中，喷嘴64可以具有产生较低流阻的长度直径比的轴向通道，例如，小于约1∶1的比率。相应地，用于喷嘴64的轴向通道的合适的长度直径比可以具有从约1∶2至约5∶1的范围，其中在一些低流阻的实施例中，范围从约1∶2至约1∶1的比率可以是优选的。

在所示的实施例中，传感器66为固定在夹块54的基部70上的应变仪。如下所述，传感器66被配置为测量在操作过程中由于液化器管58的充气膨胀导致的基部70的压缩。这允许在沿着液化器管的长度的一个或多个区域处可操作地测量液化器管58内的压力。每一个传感器66优选地使用一个或多个电的、光学的和/或无线通信线路与打印头18的控制板、头台架34的控制板通信和/或与控制器组件38通信，以便以实时方式传播压力测量值。例如，每一个传感器66可以形成在柔性线缆上或者不然附接在柔性线缆的触点上，其中柔性线缆然后可以与打印头18的控制板可操作地连接。

传感器66被图示为沿着基部70的长度彼此偏置，其中第一传感器66位于基部70的上半部，并且第二传感器66位于基部70的下半部。然而，液化器组件20可以包括位于沿夹块54的长度的任何合适的位置处的一个或多个传感器66。例如，液化器组件20可以包括位于或接近基部70的下游端的单一的传感器66，以便可操作地测量液化器管58内的邻近喷嘴64的出口端80b的压力。附加地，液化器组件20可以包括位于或接近基部70的上游端的第二传感器66，以便可操作地测量液化器管58内的邻近入口端80a的压力。此外，液化器组件20可以包括位于基部70的中点位置的第三传感器66，以便可操作地测量液化器管58内的在其中点区域的压力。多于一个压力传感器的优点可以是能够推断弯月形区域的轴向位置。

图5和6还图示了液化器组件20，其中为观察方便图6中省略了热敏电阻60b。如图所示，加热元件82a(图5中示出)为在相邻的导电迹线78a之间布置在片状部76a上的第一薄膜加热器，并且加热元件82b为在相邻的导电迹线78b之间布置在片状部76b上的第二薄膜加热器。加热元件82a和82b为加热器组件56a和56b的利用通过导电迹线78a和78b受控地和独立地施加电功率以逐区方式产生热量的部分。

如图5和6进一步示出的，热敏电阻60a和60b分别包括与导电迹线78a和78b对准的一组内面缺口84a和84b和一组外面缺口86a和86b。内面缺口84a和84b为导电迹线78a和78b提供间隙，允许由夹块54施加的压迫使热敏电阻60a和60b座靠在加热元件82a和82b上。类似地，外面缺口86a和86b减小了沿热敏电阻60a和60b的纵向长度(即，沿纵向轴线73)的热传播，以进一步使加热区彼此热隔离。

在所示的示例中，热敏电阻60a和60b每个都为分段块，所示分段块由内面缺口84a和84b和外面缺口86a和86b分开。具体地，外面缺口86a和86b分别将热敏电阻60a和60b分成隔热段87a和87b。然而，在替代实施例中，热敏电阻60a和60b每个都可以为物理上彼此分开的不同段87a和87b的集合。

如图7所示，加热器组件56a和56b和热敏电阻60a和60b的这种设置提供沿液化器管58的长度延伸的六个加热区88。每一个加热区88在相邻的导电迹线78a之间和相邻的导电迹线78b之间纵向延伸，其中加热元件82a和82b与热敏电阻60a和60b的短87a和87b接触。如上所述，这将每一个加热区88与相邻的加热区88热隔离，同时也允许热敏电阻60a和60b从对应的加热区88吸取热量。在替代实施例中，导电迹线78a和78b和加热元件82a和82b可以向内面向液化器管58的面58a和58b。

加热器组件56a和56b优选地基于在每一个加热区88中的加热元件82a和82b的电阻用作为每一个加热区88的加热器组件自身的温度传感器。这允许控制器组件38以独立和闭环的方式控制每一个加热区88的温度。例如，每一个加热区88可以使用半H-桥驱动器被控制，所述半H-桥驱动器可以为每一个加热区88提供脉冲宽度调制驱动加上温度感测。在每一个加热区88中的该高等级的温度控制减小了细丝材料和加热元件82a和82b热降解的风险，甚至在高材料流速的情况下，并且允许引导动态加热，如下所述。相比利用分开的温度传感器，这减少了所需要的电迹线的数量，并且提高了抗干扰度，因为温度被测量为大电流的改变。

在打印操作过程中，控制器组件38可以管理打印头18以独立地通过导电迹线78a和78b接续电功率，以将加热元件82a和82b加热至每一个加热区88内的各自的设定点温度(或者浮动以限定绝热区域)。例如，加热元件82a和82b可以为每一个加热区88产生从零至约20瓦特(总共约120瓦特)，其中可以为每一个加热区88独立地控制瓦特数。

从加热元件82a和82b产生的热量的大部分被传递给液化器管58和保持在其中的细丝52。这产生期望的沿液化器管58的温度曲线，其可以迅速将细丝52的材料加热并熔融成用于挤出的熔融状态。有趣地，已经发现在液化器管58内细丝材料的热量摄取沿着纵向长度73是非均匀的。具体地，已经发现在等温壁情形下传递的热量的大部分正好位于半月形的下游。在半月形的上游，由于细丝52与液化器管58的壁面之间小的空气间隙，非常少的热量被传递。而且，在半月形的下游，传递的热量以近似指数方式下降。

在液化器管58内，带状结构最小化了在每一个加热区88处热量需要通过细丝52传递到达其核心区域的距离(例如，相比圆柱形细丝)。照此，传递的热量可以快速熔融细丝52。例如，基于熔融带状细丝52的零阶特征时间，对于具有40密耳厚度的带状细丝52和具有230密耳²/秒的扩散率的ABS材料构成来说，熔融时间为约0.44秒。照此，第一次近似法估算显示熔融ABS材料可以在约0.44秒内横穿2英寸长的加热的液化器管58。这对应于约4500微立方英寸(micro-cubic inches，mics)/秒的挤出物流速，而不会热降解ABS材料。

此外，当液化器组件20被冷却时，热管50a可以移除大量的热量。例如，当所有加热区88工作在约300℃下时，通过热敏电阻60a和60b、夹块54和热管50a吸取的热量可以以约12瓦特的通过热管50a的热量移除速率将夹块54保持在约80℃。因此，当接续至加热元件82a和82b的电功率停止时，加热区88可以在几秒内迅速冷却至约80℃。该迅速的热量移除可以实质上降低不然在冷却速率较慢时可能发生的喷嘴渗出的效果。

散热器单元50和夹块54的组合还提供用于确定被传递至液化器管58内的细丝材料的热量的量的独特设计。知道至细丝材料的热传递的量(例如，焦耳)可以辅助控制由细丝材料的热膨胀产生的挤出量。在输入侧上，从加热器组件56a和56b传递至细丝材料的热量的量容易地通过施加给每一个加热器组件82a和82b的电功率确定。

然而，为了确定传递至细丝材料的热量的量，也需要知道被吸取至夹块54的热量的量。当夹块54(或者其它刚性构件)保持在大致恒定的温度时这是可获得的，所述大致恒定的温度本身可使用散热器单元50获得。实际上，散热器单元50能够将夹块54保持在约几度的散热器50b温度内，有效地使夹块54热接地。相比之下，没有散热器单元50运行的液化器组件，在相同的条件下，夹块的温度可能以多达70℃的程度不同。照此，散热器单元50也提供了用于确定液化器管58中的细丝材料的热膨胀特性的独特的机制。相应地，这提供了在细丝材料的挤出速率上更大的控制。

如上所述，本公开的第二实施例针对用于动态控制在多个加热区88上被传递至液化器管58和从液化器管58传递的热流的方法。从历史上来说，液化器的温度控制趋于将液化器的整个长度保持在单一的设定点温度下，通常保持在期望的出口温度下。虽然这降低了消耗材料热降解的风险，但是其也限制了通过液化器的材料流速。

通常地，当细丝被供应至加热的液化器时，细丝的表面开始加热并熔融，然而细丝的核心区域仍保持相对冷。这是因为接收的热能需要足够量的时间来从细丝的表面传导以熔融细丝的核心区域。照此，如果细丝被以比该传导时间更快的速率供应至液化器，在细丝的给定段到达挤出喷嘴之前细丝的核心区域将没有充分熔融。如可以领会的，这可能导致对先前沉积的材料附着力较差的挤出物，或潜在的阻塞喷嘴。

用于增大通过液化器的材料流速的一种传统的技术涉及在液化器的顶部设定温度控制点。然而，在一些情形下，当细丝被快速供应给液化器时，热电偶趋于冷冻使得控制环路自然过热液化器的中部区域。因此，虽然该技术对于增大通过液化器的材料流速是有好处的，但是它也潜在地热降解了细丝材料。

然而，具有多个能够独立地被控制的加热区88的液化器组件20允许对沿着液化器管58的纵向长度的热剖面进行动态调节，以考虑在打印操作过程中发生的流速改变和其它不稳定状态条件(例如，启动、停止、加速和减速)。这可以进一步改善在打印操作过程中的响应时间和流速，同时也降低热降解零件或支撑材料的风险。

该动态加热方法涉及以开环或闭环方式(更优选地以闭环方式)基于期望的通过液化器管58的材料流速调节加热区88的温度。具体地，加热区88优选地在低流速下具有相似的或大致相同的温度。这产生沿液化器管58大致恒定的温度曲线。然而，随着流速增大，加热区88之间的温度优选地被改变以增大细丝材料在液化器管58内熔融的速率，同时也降低了热降解材料的风险。

例如，图8图示了低流速情形，其中右侧图形90a-90c表示随着细丝52的材料沿着箭头53的方向穿过液化器管58细丝52的材料的横截面温度曲线。横截面沿着在液化器管58的面58a和58b之间的细丝52的厚度截取，其中细丝52具有厚度d(范围从x＝0至x＝d)。

在这种情形下，加热区88可以被加热至大致相同温度，以产生沿液化器管58的大致恒定温度曲线92。优选地，如图8A所示，每一个加热区88可以被加热至细丝材料的目标温度T_m，例如用于从喷嘴64挤出材料的合适的熔融温度。例如，对于ABS细丝材料，每一个加热区88可以被加热至约240℃的目标温度T_m。

细丝52以初始温度T_i(例如，环境温度)被供应至液化器管58，如图形90a中的热剖面94所示。随着细丝52穿过液化器管58，在x＝0和x＝d处的细丝52的表面区域被加热至目标温度T_m。相比之下，由于延迟的热传递，材料的核心区域保持较冷。这导致图形90b所示的热剖面96。如图形90c所示，热量最后行进至材料的核心区域以提供在目标温度T_m下的均匀的热剖面98。因为通过液化器管58的流速较低，热能具有充足的时间从细丝材料的表面区域传导到核心区域，由此在其到达喷嘴64之前熔融整个细丝52。附加地，较低的温度(远低于细丝材料的热降解动力学极限(thermal-degradation kinetics threshold，TDKT))降低了热降解细丝材料的风险，尽管在液化器管58内的停留时间较长。

然而，当需要增大的材料流速时，沿液化器管58的温度曲线可以被改变以比恒定的温度曲线92更快地将热量赋予细丝52。这是可获得的，因为即使细丝52的消耗材料被加热至提升温度，在该提升温度下暴露的持续时间被减小，允许细丝材料保持在其TDKT以下。

TDKT是限定聚合材料的热降解速率的时间-温度参数，例如通过解聚作用、主链断链、侧基剥离和/或氧化过程。TDKT反应速率通常遵循一阶阿仑尼乌斯方程，其基本上随时间是线性的，并且随温度是指数的。作为一个示例，对于暴露于给定加热温度给定持续时间的细丝材料，增大暴露温度一小量(例如，约10℃)并且减小暴露持续时间约50％(即，两倍流速)可以在细丝材料上得到约相同的热反应速率，但是取决于细丝材料的成分，特定的净热效应可能不同。

通常，只要细丝材料保持在TDKT以下细丝材料将保持热稳定(即，基本上没有热降解)。应当理解，TDKT的大致线性的时间关系通常是累加的，其中多次暴露于短暂的温度增加(每次都可能低于材料的TDKT)将最终在持续时间上积累超过TDKT。然而，由于细丝52的消耗性质，这通常不会发生在液化器组件20中。换句话说，细丝52的材料在被挤出以产生3D零件22或支撑结构24之前通常仅暴露于液化器管58内的提升温度一次。偶尔，细丝材料在液化器组件20内可能被加热多于一次，例如在打印运行中间和/或在打印的层之间，其中加热区88可能被冷却并且被再次加热。然而，加热循环的数量保持较低，使得细丝材料保持在其TDKT以下。

为了实质上增大细丝材料通过液化器管58的流速，细丝52需要被加热至比目标温度T_m明显更高的温度，以驱动足够的热能给细丝52。例如，当约10mics/秒的材料流速被增大到约10000mics/秒的流速时(即增大约三个数量级)，温度增大可能超过目标温度T_m100℃或者更多。

然而，该增大的加热防止关于细丝材料的TDKT的问题。一旦被加热至其提升温度，细丝材料的表面区域在其开始热降解(即，其将超过其TDKT)之前通常不具有充足的时间以绝热热扩散独自冷却。该问题阐明了使用液化器组件20可获得的动态热控制的优点之一。

如图8B所示，该增大的加热可以以热稳定的方式通过首先超过细丝52的表面温度、随后低于该温度而获得。具体地，上游加热区88中的一个或多个可以被加热到提升温度T_h，以限定被加热区域100。

例如，对于具有厚度d、初始环境温度T_i、热扩散系数κ并且正沿箭头53的方向以速度v_p供应给液化器管58的带状细丝52，热扩散可以一般地描述为由两个平行的平面界定的系统。照此，在被加热区域100内的温度分布T_region(x，t)可以被求解为均匀的初始温度和恒定的壁温度的相对简单的实例，如下：

其中T_h为被加热区域100内的加热区88的温度。

被传递到细丝材料的热功率密度P_h(z)相应地随着沿被加热区域100的位置z改变，如下：

其中位置z为时间t和细丝速度v_p的产物。结合等式1和2提供了如下等式：

传递给细丝材料的累积的热能J_h(z)可以被表达为如下等式：

结合等式3和4提供了如下等式：

足够加热细丝52使得如果热量随后被允许均匀分布(例如，在出口区域104中)整个厚度d将处于目标温度T_m所需的热能密度J_m可以被表达为如下等式：

J_m＝(T_m-T_i)d Cpρ

(等式6)

其中这里Cp为单位质量的热容，并且ρ为单位体积的质量。由于等式6可以被表达为：

相应地，所需要的热能以如下等式传递给细丝材料：

其中z_h为被加热区域100沿纵向轴线73的长度。相应地，为了预估被加热区域100的需要的长度z_h，等式8中的n＝0项可以被展开为：

相应地，对于具有宽度w的带状细丝52，由具有被加热区域100的液化器管58产生的最大体积流量为：

Q_flow＝w d z_h

(等式11)

等式10和11说明了被加热区域100的提升温度T_h和材料流速之间的关系。在被加热区域100内的该提升的加热随后跟随着被冷却区域102，在该被冷却区域中施加在相关的加热元件82a上的电流被实质上降低。这允许热敏电阻60a和60b在这些相关加热区域88处迅速从细丝材料的表面区域吸走热能。因此，这防止细丝材料由于细丝52仅暴露于提升温度T_h短暂的持续时间而热降解(即，细丝材料始终保持在其TDKT以下)。

相比之下，下游的加热区域88可以被设定为目标温度T_m以限定出口区域104。被加热区域100、被冷却区域102和出口区域104之间的这些温度调节可以通过改变接续给加热元件82a和82b的电功率的量而被控制，使得相比用于被冷却区域102和出口区域104的下游的导电迹线78a和78b，上游的导电迹线78a和78b接续更大量的电功率给被加热区域100处的加热元件82a和82b。在一些实施例中，在出口区域104中的加热区88的一个或多个以细丝材料的表面温度浮动，使得出口区域104用作绝热区域。

由被加热区域100、被冷却区域102和出口区域104获得的该热剖面通过图8B中的横截面图形106-112图示。例如，如图形106所示，当细丝52进入液化器管58，细丝52的材料具有以其初始温度T_i沿其厚度大致均匀的热剖面114。换句话说，图形106与图形90a(图8A中示出)相同。

然而，当穿过被加热区域100时，在x＝0和x＝d处的表面区域被加热至提升温度T_h。相比之下，由于延迟的热传递，材料的核心区域(即，在约x＝d/2处)保持较冷。如图形108所示，随着细丝材料的给定段离开被加热区域100并且进入被冷却区域102，这产生热剖面116。

如上简述的，在被冷却区域102内的加热区88优选地运行在较低温度(或者不被加热)下，以允许热敏电阻60a和60b从细丝材料迅速吸走过多量的热能。这快速冷却在x＝0和x＝d处的细丝材料边缘的表面区域，以确保细丝材料保持在其TDKT以下。然而，如图形110所示，该热传递也花费时间以穿过细丝材料，其产生作为细丝材料的横截面上的热波的热剖面118。具体地，该剖面118的热波在表面区域(即，x＝0和x＝d)和核心区域(即，x＝d/2)之间的位置处呈现温度峰值。

随着细丝材料穿过出口区域104，在热波中的温度峰值处保留的热量均匀(向内地和向外地)扩散至目标温度T_m，如图形112中的大致均匀的热剖面120所示。以这种方式使用被加热区域100和被冷却区域102允许细丝材料迅速熔融，同时也仅将材料暴露于提升温度T_h非常短暂的持续时间。具体地，被冷却区域102将细丝材料的表面区域冷却下来以降低热降解材料的风险。因此，这发动热波通过细丝材料并且允许获得较大的材料流速。

相应地，当需要通过液化器管58的材料流速增大时，在被加热区域100内的温度被增大，并且在被冷却区域102内的温度减小，其中被加热区域100和被冷却区域102之间的温度差可以随着材料流速的增大而增大。这相应地发动热波，如上所述。

另一方面，材料流速减小时(即，暴露时间增大)，优选地在被加热区域100内的温度同样减小以防止细丝材料超过其TDKT。在被冷却区域102内的温度也可以随着材料流速下降而增大，以进一步减小被加热区域100和被冷却区域102之间的温度差。该趋势可以继续直至在每一个区域100、102和104中的温度处在约目标温度T_m下。由于其能够以闭环方式独立于彼此地动态调节加热区88的温度的能力，加热器组件56a和56b特别适于产生这些类型的温度曲线。附加地，控制器组件38可以操作加热器组件56a和56b以产生各种不同的沿液化器管58的温度曲线，如具体的热需求可能指示的。

相比之下，如上所示，被静态加热的液化器通常可能以相对低的流速以热稳定的方式挤出消耗材料，或者以较高流速但是以弱热稳定或非热稳定的方式挤出消耗材料。然而，这些液化器通常不能获得这两种结果。然而，液化器组件20除了产生各种其它的闭环的、动态的沿液化器管58的温度曲线之外，可以获得这两种结果。照此，液化器组件20能够以较好的响应时间和最小化的或者不然降低的热降解的风险适应多种材料流速。

如上所述，由于在操作过程中的液化器管58的充气膨胀，夹块54的基部70可能压缩，这允许传感器66(例如，应变仪)可操作地测量液化器管58内的压力。如图9所示，在打印操作过程中，液化器管58的加热使连续段的细丝52熔融。相应地，该熔融部分形成围绕细丝52的未熔融部分的弯月形。随着驱动机构48将细丝52供应到液化器管58的入口端80a(由箭头122图示)，细丝52的向下移动起到粘性泵的作用以从喷嘴64挤出熔融材料用于打印3D零件22或支撑结构24。

然而，细丝52的熔融导致消耗材料在液化器管58内热膨胀。结合细丝52的粘性泵作用，这通常在半月形的位置处或以下按压液化器管58。事实上，液化器管58可能经受超过约7兆帕的压力，这可能导致液化器管58的面58a和面58b向外充气膨胀(取决于按压位置)，如箭头124所示。液化器管58的该充气膨胀效果沿相同的方向向外按压加热器组件56a和56b和热敏电阻60a和60b。这使夹块54的臂68a和68b向外挠曲，如箭头126所示。

如图9所示，基部70中的轴74的机加工减小了基部70的固体体积，并且提供相对薄的区域128。这些薄区域128反过来允许基部70在臂68a和68b挠曲时压缩，如箭头130所示。相应地，在基部70以这种方式压缩时，传感器66可以检测施加在基部70上的应变。

应当理解，臂68a和68b的挠曲和基部70的压缩相对较小，并且不会使夹块54弹性变形或破裂。然而，传感器能够检测基部70中的非常小的压缩变化，并且使这些压缩变化与液化器管58内的压力关联达到约一磅/平方英寸的精度。因为由于粘性泵作用和熔融后的材料膨胀挤出物流速很大程度上基于液化器组件20内的压力，这些测量的压力允许液化器组件20使用提供流动控制反馈的一个或多个过程控制环路以闭环方式运行。

如上简要讨论的，挤出物的材料流速的改变，例如在启动点的材料流动加速、在转角附近的材料流动减速和加速和在停止点的材料流动减速，通过基于来自控制器组件38的驱动指令利用驱动单元48改变细丝52的供应速率而被控制。然而，挤出物流出喷嘴64的流速并不总是同样地响应于细丝52的供应速率的改变，而是在供应速率改变之后呈现响应时间延迟。

已经发现材料流动加速的响应时间可以非常快速(例如，约10毫秒或更少)。照此，液化器组件20例如在启动点处的材料流动加速和在转角附近的材料流动加速过程中可以以较好的响应时间和流动控制运行。这由图10中的流动曲线132和编码器曲线134图示，其中流动曲线132为使用在Batchelder的美国专利申请号13/840,538中描述的速度测量方法测量的挤出物离开打印头喷嘴(例如，喷嘴64)的速度的曲线。

编码器曲线134为细丝驱动机构编码器的对应曲线，其中细丝驱动机构以步进方式被打开和关闭，以产生挤出物流动加速和减速的脉冲。具体地，编码器曲线134对应于用于向液化器供应细丝(例如，细丝52)的供应速率，其包括对应于当细丝供应速率被从零加速到给定的供应速率时的前缘134a和对应于当细丝供应速率被从给定的供应速率减速到零时的尾缘134b。

如图10进一步示出的，随着浸入液化器的细丝供应速率快速加速(即，在前缘134a处)，离开液化器的挤出物速度也非常快速地加速，如前缘132a所示。具体地，挤出物曲线132的前缘132a紧密吻合编码器曲线134的前缘134a。

然而，当细丝驱动机构停止并且进入液化器的细丝供应速率快速减速至零时(在尾缘134b处)，离开液化器的挤出物速度呈现延迟的并且复杂的流动减速，如尾缘132b所示。已经进一步意识到，这些复杂的流动减速包括快速衰减部分136(例如，小于约20毫秒)和缓慢衰减部分138(例如，大于约100毫秒)。

这些缓慢衰减部分138是不期望的，并且如图10所示，在连续减速上没有呈现完全可重复的模式。该流动减速的不可预见性因此降低了对材料流的控制，例如当在路线终点处减速和停止时。

为了补偿流动减速的不可预见性，液化器管58内的由传感器66可操作地测量的压力可以被用于使用一个或多个过程控制回路以闭环方式预测离开喷嘴64的挤出物流速。照此，当液化器组件20运行在稳定状态和不稳定状态条件下时，控制器组件38优选地以如下方式运行，即利用液化器管58内的测量压力提供流动控制反馈以预测挤出物流速的变化。例如，控制器组件38可以响应于可操作地测量的压力调节细丝52的供应速率(通过驱动机构48)和/或加热区88沿液化器管58的温度(通过加热器组件56a和56b)。这也可以提高打印操作过程中的响应时间，允许打印头18以高零件分辨率和快速打印速率制造3D零件22和/或支撑结构24。

如上所述，在替代实施例中，液化器组件20可以被配置为与具有其它横截面几何形状的液化器和细丝一起使用。例如，如图11所示，在一个优选实施例中，液化器组件20可以包括用于与圆柱形细丝52一起使用的圆柱形液化器管58。在该实施例中，因为液化器管58具有圆柱形几何形状，液化器组件20还可以包括传导垫片140a和140b，传导垫片具有被配置为与液化器管58匹配的弯曲内表面和与平坦的加热器组件56a和56b匹配的平坦外表面。

圆柱形液化器管58优选地为薄壁管，具有范围从约0.01英寸至约0.03英寸的壁厚度，并且更优选地从约0.015至约0.020。用于液化器管58的优选的内直径具有从约0.08英寸至约0.10英寸的范围，更优选地从约0.090英寸至约0.095英寸。用于圆柱形液化器管58的合适的尺寸的附加示例包括在Swanson等人的美国专利号6,004,124、Swanson等人的美国公开号2012/0018924和Leavitt的美国专利申请号13/708,037中公开的那些尺寸。

传导垫片140a和140b优选地每个用一个或多个导热材料(例如，铝)制作，以从加热器组件56a和56b向液化器管58传递热量。此外，传导垫片140a和140b可以包括缺口142a和142b，它们减弱了沿传导垫片140a和140b的纵向长度(即，沿纵向轴线73)的热传播，以进一步使加热区88彼此热隔离。

在一些实施例中，传感器66可以以与上面讨论的相同的方式检测在夹块54的基部70上的应变。然而，与上面的图2-9所示的带状液化器58相比，图11所示的液化器58的圆柱形几何形状通常具有更硬的结构，这减小了不然在带状液化器58中出现充气膨胀。照此，在该实施例中，传感器66通常被要求能够以比带状液化器58所需要的精度更高等级的精度检测应变。

替代地并且优选地，使用不同的技术可操作地测量圆柱形液化器管58内的压力。例如，在细丝52包括用于与驱动机构48结合的表面轨道的实施例中，例如在Batchelder等人的美国专利号8,236,227中公开的，驱动机构48和细丝52之间的牵引结合可以被用于在升起和下降状态之间拨动打印头18。在这种情况下，液化器组件20还可以包括位于液化器管的出口端80b(例如，在尖端护罩62或喷嘴64处)的一个或多个测力计传感器66，所述一个或多个测力计传感器被配置为测量细丝52施加在液化器组件20上多少力(挤出物多难地压在下面的3D零件上的负值)。

除了在打印操作过程中的反馈控制，闭环热和/或压力检测还可被用于在打印操作之间(或过程中)校准液化器组件20。例如，每一个加热区88的温度可以被监测和/或传感器66可以监测液化器管58内的压力，同时打印头18将细丝材料挤出至净化桶，例如在Turley等人的美国专利号7,744,364中公开的。这允许液化器组件20被校准以考虑制造公差和后续的随时间的逐渐变化，例如液化器的尺度变换、材料的积聚等等。

图12图示了夹块54的变形例。在该实施例中，夹块54可以用多个、单独的C形夹的刚性构件54替换，每一个具有与夹块54相同的横截面轮廓(即，每一个C形夹的刚性构件可以包括基部70和一对臂68a和68b)以限定间隙72。这些C形夹的刚性构件54可以以相同的方式用作夹块54，但是可以进一步辅助热隔离每一个加热区88，以及增大从液化器管58的热吸取(由于增大的暴露表面面积)。事实上，在C形夹的刚性构件54展现充分的热吸取以用作独立的散热器的一些实施例中，可以省略散热器单元50(和可选的轴74)。

此外，如果需要，C形夹的刚性构件54的一个或多个可以保持传感器66。在一些实施例中，C形夹的刚性构件54的基部70还可以与沿纵向轴线73延伸的脊状构件连接。该设置允许C形夹的刚性构件54保持沿纵向轴线73的其序列关系，并且更容易适应可替换的液化器管58的使用。

从上面的讨论可以看出，液化器组件20被独特地设计以改善在消耗材料(例如，细丝52)的熔融和挤出上的热控制。这可以使用来自加热器组件56a和56b以及热敏电阻60a和60b、导热的夹块54和散热器单元50的推拉式热驱动器效应获得。使用该设计，液化器组件20能够产生可控制的并且精确的热流，这在打印操作过程中提供了快速响应时间和高流速。

附加地，控制组件38可以动态地控制经过多个加热区88传递向液化器管58和从液化器管传递的热流，例如产生沿液化器管58的热波，其可以增大在打印操作过程中的流速，同时也减低了热降解消耗材料的风险。此外，液化器管58内的压力可以被可操作地测量，允许控制器组件38响应于测量的压力调节细丝52向液化器管58的供应，以便以闭环方式控制挤出物的材料流速。这特别适于补偿流动减速的不可预见性，例如对于具有大于约100毫秒的响应时间的缓慢衰减部分，这可以提高打印操作过程中的响应时间。

虽然已经参照优选实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将意识到在不偏离本公开的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面作出改变。

Claims (10)

1.一种用于增材制造系统的打印头，其特征在于，所述打印头包括：

驱动机构，所述驱动机构被配置为以多种供应速率供应消耗材料；

液化器管，所述液化器管被配置为接收供应的消耗材料；和

至少一个板式加热器组件，所述至少一个板式加热器组件包括多个导电迹线和与导电迹线接触的多个加热元件，其中所述导电迹线被配置为接续电功率至加热元件以沿液化器管产生多个加热区，所述多个加热区与消耗材料的供应速率的改变相关地独立地进行温度调节。

2.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述液化器管包括带状液化器管或圆柱形液化器管。

3.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述至少一个板式加热器组件包括布置在液化器管的相反侧上的两个板式加热器组件。

4.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述液化器管包括沿纵向轴线偏置的入口端和出口端。

5.根据权利要求4所述的打印头，其特征在于，所述多个导电迹线包括三至十一个导电迹线。

6.根据权利要求4所述的打印头，其特征在于，所述加热器组件被配置为基于加热元件中的至少一个加热元件的电阻可操作地测量沿液化器管的位置的温度。

7.根据权利要求4所述的打印头，其特征在于，还包括热敏电阻，所述热敏电阻抵靠板式加热器组件地布置在液化器管的相反侧。

8.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，还包括刚性构件，所 述刚性构件被配置为保持液化器管。

9.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述液化器管被配置为在熔融和挤出消耗材料的同时膨胀。

10.根据权利要求8所述的打印头，其特征在于，还包括应变仪，所述应变仪被配置为通过可操作地测量液化器管的膨胀或通过可操作地测量保持液化器管的刚性构件的挠曲可操作地测量液化器管内的压力。