CN216610065U - 用于在增材制造系统中驱动弹性体丝线的丝线驱动机构 - Google Patents

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CN216610065U CN201990001142.6U CN201990001142U CN216610065U CN 216610065 U CN216610065 U CN 216610065U CN 201990001142 U CN201990001142 U CN 201990001142U CN 216610065 U CN216610065 U CN 216610065U
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彼得·舒勒
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Abstract

本实用新型涉及用于通过材料挤出技术来打印或者构建3D部件的增材制造系统，尤其涉及一种用于在增材制造系统中驱动弹性体丝线的丝线驱动机构。所述丝线驱动机构包括：第一驱动器，包括：第一可旋转轴；第二可旋转轴，其与所述第一可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；以及多个齿，其位于每个可旋转轴上并且被定位于所述丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度。

Description

用于在增材制造系统中驱动弹性体丝线的丝线驱动机构
背景技术
本公开涉及用于通过材料挤出技术来打印或者构建3D部件的增材制造系统。特别地，本公开涉及用于基于挤出的3D打印机中的丝线驱动机构。
增材制造(也称为3D打印)通常是通过添加材料以形成部件来构建三维(3D)物体的过程，而不是像传统机械加工中那样去除材料。使用一种或多种增材制造技术，可以通过增材制造系统(通常称为3D打印机)从该物体的数字模型中打印出几乎任何形状的三维实体。典型的增材制造工作流程包括将三维计算机模型切成薄的横截面以定义一系列层，将结果转换为二维位置数据，然后将数据提供给3D打印机，该3D打印机以增材制造的方式制造三维结构。增材制造需要多种不同的制造方法，包括材料挤出、喷墨、选择性激光烧结、粉末/粘结剂喷射、电子束熔化、电子照相成像和立体光刻工艺。
在典型的基于挤出的增材制造系统(例如，由明尼苏达州伊登普雷里市(EdenPrairie) 的斯特拉塔斯公司(Stratasys，Inc.)开发的熔融沉积建模系统)中，可以通过以受控的挤出速率沿着工具路径从打印头挤出粘性的、可流动的热塑性材料或填充的热塑性材料由打印部件的数字表示打印出3D物体。挤出的材料流会按照一系列的路径沉积到基材上，并在此处与先前沉积的材料融合并在温度下降时固化。打印头包括：接收以柔性丝线形式的热塑性材料的供应的液化器，以及用于分配熔融材料的喷嘴头。丝线驱动机构，例如通过驱动轮和轴承表面，或者一对齿轮，接合丝线，并将丝线供应至液化器中，在液化器中丝线被熔融。丝线的未熔化部分基本上充满了液化器管的直径，提供了活塞流式泵送作用，将熔融的丝线材料从尖端挤出到液化器中更下游的位置，以打印部件，从而形成连续的流或树脂材料的工具路径。挤出速率不受限制，仅仅基于丝线进入液化器的进给速率，并且如在Comb的美国专利号6,547,995中公开的那样，丝线是以计算出的进给速率前进以实现目标挤出速率的。
在材料以平面层的方式沉积的系统中，在每一层形成后，打印头相对于基板的位置沿着轴线(垂直于构建平面)递增，然后重复该过程以形成类似于数字表示的打印部件。在通过沉积部件材料的层来制造打印部件的过程中，支撑层或支撑结构通常构建在悬垂部分的下方或正在构建的打印部件的空腔中，而不是由部件材料本身支撑。可以利用与沉积部件材料相同的沉积技术来构建支撑结构。主计算机产生附加的几何形状，该几何形状用作所形成的打印部件的悬垂部分或自由空间部分的支撑结构。然后在打印过程中根据产生的几何形状沉积支撑材料。支撑材料在制造过程中会粘附到部件材料上，并且在完成打印过程后可以从完成的打印部件上移除。
多轴增材制造系统可被用于通过采用融合沉积建模技术来打印3D部件。多轴系统可包括可在六个自由度上移动的机械臂。多轴系统还可以包括构建平台，该构建平台可在两个或多个自由度上移动，并且独立于机械臂的移动来定位正在被构建的3D部件，以基于部件的几何形状来抵消重力的影响。挤出机可以安装在机械臂的一端，并且可以配置为以多种流速挤出材料，其中机械臂和构建平台的运动与挤出物料的流速同步以构建3D部件。多个运动轴可以利用复杂的工具路径来打印3D部件，包括用于几乎整个部件的单个连续3D工具路径，或配置为构建单个部件的多个3D工具路径。3D工具路径的使用可以减少传统的平面工具路径3D打印的问题，例如阶梯(层锯齿)、接缝、支撑要求等。无需将要构建的部件切成多层，每个层都打印在同一构建平面中，则部件的几何形状可用于确定打印方向。
不管使用哪种打印系统架构，用于熔融沉积建模的打印操作都取决于丝线在进给速率以可预测和受控的方式进入液化器中，其中，该进给速率将实现以目标挤出速率挤出材料。因此，在以基于挤出的增材制造技术的打印3D部件的工艺中，提高丝线进给和传送的可靠性是持续的需要。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于在增材制造系统中驱动弹性体丝线的丝线驱动机构。所述丝线驱动机构包括：第一驱动器，包括：第一可旋转轴；第二可旋转轴，其与所述第一可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；以及多个齿，其位于每个可旋转轴上并且被定位于所述丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度。
根据本实用新型的一实施例，其特征在于，每个轴上的所述多个齿是同相位的。
根据本实用新型的一实施例，其特征在于，所述丝线驱动机构进一步包括：与所述第一驱动器隔开的第二驱动。所述第二驱动器包括：第三可旋转轴；第四可旋转轴，其与所述第三可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；多个齿，其位于所述第二驱动器的每个可旋转轴上，并被定位在丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度；以及第一桥轴，其被构造成可旋转地联接所述第一驱动器和所述第二驱动器。
根据本实用新型的一实施例，其特征在于，所述第二驱动器与所述第一驱动器以第一选定距离间隔开，所述第一选定距离导致所述第二驱动器中的所述多个齿在与所述第二驱动器中的所述多个齿中的基本相同的多个位置处与所述丝线接合。
根据本实用新型的一实施例，其特征在于，所述丝线驱动机构进一步包括：与所述第二驱动器间隔开的第三驱动器。所述第三驱动器包括：第五可旋转轴；第六可旋转轴，其与所述第一可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；多个齿，其位于所述第三驱动器的每个可旋转轴上，并被定位在丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度；以及第二桥轴，其被构造成可旋转地联接所述第二驱动器和所述第三驱动器，使得所述第一驱动器、所述第二驱动器和所述第三驱动器以基本相同的速率旋转。
根据本实用新型的一实施例，其特征在于，所述第一驱动器的所述齿是彼此同相位的，所述第二驱动器的所述齿是彼此同相位的，并且所述第一驱动器的所述齿与所述第二驱动器的所述齿是异相的。
定义
除非另有说明，否则本文使用的下列术语具有以下含义：
诸如“以上”、“以下”、“顶部”、“底部”等方向取向指示沿3D部件的打印轴线的方向。以下示出的实施例中，层打印方向是沿垂直的z轴向上的方向。在这些实施例中，术语“以上”、“以下”、“顶部”、“底部”等是基于垂直的z轴。然而，在沿着不同的轴(例如沿着水平的x轴或y轴)打印3D部件的层的实施例中，术语“以上”、“以下”、“顶部”、“底部”等是相对于给定的轴。
当在权利要求中叙述时，术语“提供”，例如“提供打印头”等，并不旨在要求所提供的物品的任何特定的传送或接收。而是为了清楚和易于阅读的目的，术语“提供”仅用于叙述将在权利要求的后续部分被提及的信息。
由于本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量中的限制和可变性)，本文对可测量的值和范围使用了术语“约”和“基本上”。
术语“双驱动器”是指具有一对反向旋转轴的丝线驱动机构，每个轴具有接合表面，该接合表面包括多个被构造成接合丝线的丝线接合齿，并且其中，每个轴被被构造成直接地或间接地由单个电源驱动并具有相同的旋转速率。
术语“四驱动器”是指具有两对反向旋转轴的丝线驱动机构，该两对反向旋转轴被构造成用于接合丝线，每个被构造成用于接合丝线的轴，都具有包括多个丝线接合齿的接合表面，其中，每个被构造成用于接合丝线的轴都被被构造成由单个电源直接或间接地驱动并且具有相同的旋转速率。。
术语“六驱动器”是指具有三对反向旋转轴的丝线驱动机构，该三对反向旋转轴被构造成用于接合丝线，每个被构造成用于接合丝线的轴，都具有包括多个丝线接合齿的接合表面，其中，每个被构造成用于接合丝线的轴都被被构造成由单个电源直接或间接地驱动并且具有相同的旋转速率。
附图的简要说明
图1是采用本公开的丝线驱动机构的基于挤出的增材制造系统的前示意图。
图2在打印头托架上的一对打印头的透视图。
图3是本公开的四驱动器的实施例的透视图。
图4是本公开的四驱动器的实施例的齿轮的侧视图。
图5是本公开的四驱动器的齿轮的局部分解透视图，其具有在第一位置附接到齿轮的驱动器。
图6是本公开的四驱动器的前视示意图，其具有在第一位置的驱动齿轮。
图7是本公开的四驱动器的驱动块的剖视图，其中示出了丝线路径，该丝线路径在第一位置具有驱动齿轮。
图8是本公开的四驱动器的前视示意图，其在第二位置具有驱动齿轮。
图9是本公开的六驱动器的前示意图。
图10是六驱动器的驱动块的剖视图，其中示出了丝线路径。
图11A是现有技术的双驱动器的示意图，其通过异相位接合齿与刚性丝线接合。
图11B是现有技术的双驱动器的示意图，其通过异相位接合齿与弹性体丝线接合。
图12A是与弹性体丝线接合的四驱动器的示意图。
图12B是与弹性体丝线接合的六驱动器的示意图。
图13A是与刚性丝线接合的四驱动器的示意图。
图13B是与刚性丝线接合的六驱动器的示意图。
图13C是由图13A和13B的丝线驱动系统所驱动的丝线的视图。
图14A是四驱动器的示意图，其通过同相位接合齿与弹性体丝线接合，其中，同相位接合齿相对于每对中的齿以及两对之间的齿而言是同相位的。
图14B是六驱动器的示意图，其通过同相位接合齿与弹性体丝线接合，其中，同相位接合齿相对于每对中的齿以及多对之间的齿而言是同相位的。
图15A是双驱动器的示意图，其通过同相位的平坦接合齿与弹性体丝线接合。
图15B是四驱动器的示意图，其通过每对反向旋转驱动器上的同相位的平坦接合齿与弹性体丝线接合。
图15C是六驱动器的示意图，其通过平坦的接合齿与弹性体丝线接合。
图16A是双驱动器的示意图，其通过尖锐的接合齿与刚性丝线接合。
图16B是四驱动器的示意图，其通过尖锐的接合齿与刚性丝线接合。
图16C是六驱动器的示意图，其通过尖锐的接合齿与刚性丝线接合。
图17是具有比率为2:1的丝线接合齿的六驱动器的示意图。
图18是使用图17中的驱动器在丝线上的凹痕的图示。
详细描述
本公开内容涉及一种与熔融沉积建模增材制造系统或3D打印机一起使用的丝线驱动机构，用于以丝线形式拉伸和进给消耗性原料材料。丝线驱动机构通常是打印头或挤出机的子组件，该子组件将丝线在液化器中加热到熔融状态并通过喷嘴或液化器尖端挤出熔融材料以打印3D部件。本公开的丝线驱动机构包括在丝线路径中与丝线的改进的接合点。在一些实施例中，多个驱动器沿着丝线路径按顺序地排列放置，从而提供延长的长度和与丝线路径中的丝线的接合点。当使用多个按顺序排列的驱动器时，该顺序排列中的每个驱动器被配置为以由系统控制器控制的基本相同的速率旋转，以将丝线推进液化器。
本公开的丝线驱动机构可以与由多种材料中的任何一种形成的丝线一起使用以产生良好效果，但是特别适合用于进给需要更大拉力(例如来自大线轴或重型线轴)是丝线或者是使用现有技术的典型丝线驱动机构，例如硬或软丝线，进给是很有难度的丝线。已经发现具有额外的接合点和/或延伸长度的丝线驱动机构在进给相比传统的热塑性3D打印丝线(例如，由低硬度形成的更柔软的丝线或者含有结合颗粒或纤维的更硬的丝线)而言更为柔韧或更为刚硬的丝线，产生了特别的优势。
低硬度材料包括但不限于弹性体材料、聚氨酯、聚酯纤维、聚乙烯嵌段酰胺、硅酮、橡胶和硫化橡胶。建模丝线可以例如由以下低硬度材料中的一种或多种形成：硅酮、橡胶和/或热塑性聚氨酯。例如，丝线材料可以由具有硬度在肖氏A标度上为小于约95的材料形成。另外，丝线材料可以是聚合物材料的混合物，并且可以基本上由热塑性弹性体例如聚氨酯形成。这种低硬度材料倾向于具有发粘的表面，因此该材料，相对于用于熔融沉积建模3D打印的典型材料(例如ABS、PC和PLA)而言，通常具有较高的摩擦系数。已经发现，低硬度材料的弹性、降低的刚度和粘性会在现有技术的打印头中引起进给速率误差、拥堵和不准确的挤出速率，因为低硬度的丝线往往在现有技术的丝线驱动机构中会拉伸、打滑、扭结、撕裂、碎裂和/或堵塞。这些误差和不准确性会导致部件质量差和/或打印3D部件过程中的失败。
结合颗粒丝线可以由金属、陶瓷、矿物、玻璃泡、玻璃球或这些颗粒在聚合物基质中的组合和混合物形成。结合颗粒丝线例如在Heikkila的美国专利号9,512,544中有所描述。如其中所描述的，示例性的结合丝线包括：约1-70wt.％的热塑性聚合物；以及约30-99wt.％的分散在聚合物中的颗粒，该颗粒的粒径小于500微米，并被构造成为实现颗粒分布的密集堆积。其他类型的颗粒丝线包括复合丝线，例如在Priedeman的美国专利号7,910,041中所描述的那样。如其中所描述，将纳米纤维添加到载体材料中以操纵丝的性质。结合颗粒丝线比典型的熔融沉积建模丝线更坚硬，并且已证明能在用于进给较软丝线的驱动轮上滑动。
在一些实施例中，本实用新型的丝线驱动机构包括多个驱动器，每个驱动器提供一对反向旋转的驱动轮，从而增加一次穿透并接合丝线的接合齿的数量，并增加施加在丝线上的驱动力。丝线驱动器的增加的驱动力和延长的长度有助于从原料供应或原料源中供给丝线，并以目标进给速率将丝线驱动到液化器中。增加的驱动力足以克服原料供应和/或原料源与液化管之间的摩擦力，同时避免或最小化打滑、拉伸和扭结。在一些实施例中，考虑驱动器的半径、直径或周长，每个驱动器上的齿数以及驱动器之间的距离都考虑进来，以使得连续驱动器的齿与丝线中先前(通过在先的成对的反向旋转的驱动轮)生成的凹口接合。在使用较软的材料进行打印时，在丝线中采用相同的凹口可以减少打印头中堆积的碎屑，从而提高打印头的可靠性。凹口的利用可以有利地用在驱动其他材料，以及，例如减少丝线驱动器上的磨损方面。
本公开可以与任何合适的基于挤出的3D打印机一起使用。例如，图1示出了示例性3D打印机10，该示例性3D打印机10具有基本水平的打印平面，其中当使用两个打印头 18逐层打印该部分时，该部分被打印并在基本垂直的方向上分度式移动。所示的3D打印机10使用两个消耗性组件12，其中每个消耗性组件12是易于装载、可移除且可更换的容器设备，其中保留了用于系统10打印的消耗性丝线的供应。通常，消耗性组件12中的一个包含部件材料丝，而另一个消耗性组件12包含支撑材料丝线，每根供应丝线向一个打印头18供应。然而，两个消耗性组件12的结构可以相同。每个消耗性组件12可将消耗性丝线保持在缠绕的线轴、无线轴的线圈或其他供应装置上，例如在Turley等人的美国专利号 7,063,285、Taatjes等人的美国专利号7,938,356以及Mannella等人的美国专利号8,985,497 和9,073,263中所讨论的。
如图2所示，每个打印头18是一个包含壳体的设备，该壳体保持具有喷嘴尖端14的液化器20。导管16互连每个消耗性组件12和打印头18，并将丝线从丝线供应提供给打印头。导管16可以是系统10的组件，其中在所示的实施例中，打印头18包括端部件17，该端部件在一端附接导管16并且在另一端接合打印头18。在所示的实施例中，端部件17 足够坚硬以保持具有一定半径的弓形构造，其中，该半径防止丝线弯曲得太厉害而导致丝线断裂或在丝线中产生折痕引发丝线被误供给到打印头的情况。在其他实施例中，导管16 是消耗性组件和/或打印头的子组件，并且可以与每个消耗性组件和/或打印头在系统10之间来回互换。导管通常具有最小的长度，以减小丝线与导管的内表面之间的摩擦力。导管中的弯曲的数量和程度通常也被最小化，以最小化导管的内表面和丝线之间的接触面积。但是，无法消除丝线和导管之间的摩擦力，并且在某些打印机构造和使用某些材料类型的情况下，无法完全得以解决从而确保在丝线上施加足够的拉力，或避免打滑、旋出和打印头的挤出损耗问题。
示例性3D打印机10通过沿工具路径挤出熔融材料的路径，分别从消耗性组件12的部件材料丝线和支撑材料丝线打印部件或模型以及相应的支撑结构(例如3D部件22和支撑结构24)。在构建操作过程中，消耗性丝线的连续段被驱动到打印头18中，在此处它们被加热并在液化器20中熔化。熔化的材料以分层的方式通过喷嘴头14挤出以产生打印部件。合适的3D打印机10包括由明尼苏达州伊登普雷里市(Eden Prairie)的斯特拉塔斯公司(Stratasys，Inc.)开发的冠以商标“FDM”的熔融沉积建模系统。
如图所示，3D打印机10包括系统柜或框架26、腔室28、台板30、台板托台32、打印头托架34和打印头托台36。柜26可包括被构造成容纳消耗性组件12的容器舱。在替代实施例中，可以省略容器舱以减少3D打印机10的总占地面积。在这些实施例中，消耗性组件12可以紧邻打印机10放置。
腔室28包含用于打印3D部件22和支撑结构24的台板30。腔室28可以是封闭的环境，并且可以被加热(例如，用循环的热空气)以降低部件材料和支撑材料在被挤出和沉积之后固化的速率(例如，以减少变形和卷曲)。在替代实施例中，腔室28可以被省略和 /或被不同类型的构建环境所代替。例如，3D部件22和支撑结构24可以被构建在对环境条件开放的构建环境中，或者可以被替代性结构(例如，柔性窗帘)包围。
台板30是一个平台，在该平台上以逐层方式打印3D部件22和支撑结构24，并由台板托台32支撑。在一些实施例中，台板30可以接合并支撑构建基板，其可以是如Dunn 等人的美国专利号7,127,309中所公开的托盘基板，其由塑料、波纹纸板或其他合适的材料制成，并且还可以包括柔性聚合物膜或衬里、画家的胶带、聚酰亚胺胶带或者用于将沉积的材料粘附到台板30或构建基板上的其他一次性构造物。台板托台32是被构造成使台板 30沿(或基本上沿)垂直z轴移动的托台组件。
打印头托架34是被构成用于接收和保持打印头18并且由打印头托台36所支撑的单元。在所示的实施例中，打印头托台36是被构造成在台板30上方的水平x-y平面中(或基本在其内)移动打印头托架34(以及被保持的打印头18)的机构。合适用于打印头托台 36的托台组件的示例包括：在Swanson等人的美国专利号6,722,872以及Comb等人的美国专利号9,108,360中公开的那些，其中，打印头托台36也可以支撑可变形的挡板(未显示)，该挡板限定了腔室28的天花板。打印头托台36可以利用任何合适的桥式托台或自动机构来移动打印头托架34(以及被保持的打印头18)，例如，其带有一个或多个电机(例如，步进电机和编码的DC电机)、齿轮、皮带轮、皮带、螺钉、机械臂等。
在替代实施例中，台板30可被构造成在腔室28中的水平x-y平面内移动，并且打印头托架34(和打印头18)可被构造成沿z轴移动。也可以使用其他类似的布置，以使台板 30和打印头18中的一个或两个相对彼此移动。台板30和打印头托架34(以及打印头18) 也可以沿着不同的轴线定向。例如，台板30可以垂直地定向，并且打印头18可以沿着x 轴或y轴打印3D部件22和支撑结构24。
图2示出了两个打印头18的示例性实施例，所述两个打印头包括本公开的丝线驱动机构。所示的打印头18类似地被构造成接收消耗性的丝线，在液化器20中熔化丝线以产生熔融材料，并且从液化器20的喷嘴尖端14沉积熔融的材料。电动机(未示出)被配置成通过电连接方式接收来自打印机10的电力，以用于旋转电动机的螺纹表面齿轮。电动机的旋转齿轮(未示出)与本实用新型的丝线驱动机构(例如图3所示的丝线驱动机构100) 接合以传递旋转动力。电动机(未示出)可以装在打印头18内或可以是打印机10的一个组件。合适的用于打印头18的液化器组件的示例包括在Swanson等人的美国专利号 6,004,124以及Batchelder等人的美国专利号8,439,665中公开的那些。在其他实施例中，打印头18是可互换的单喷嘴打印头，合适的用于每个打印头18的设备的示例以及打印头 18和打印头托台之间的连接件的示例包括：在Swanson等人的美国专利8,419,996、 8,647,102以及Barclay等人的美国专利申请号US20180043627中公开的那些。
3D打印机10进一步包括控制器组件38，其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)，其被配置为监视和操作3D 打印机的组件10。例如，可以由硬件、软件、固件等或其组合来实现由控制器组件38执行的一个或多个控制功能，例如执行移动编译器功能。并且可以包括基于计算机的硬件，例如数据存储设备、处理器、存储器模块等，它们可以设置在系统10的外部和/或内部。
控制器组件38可以通过通信线路44与打印头18、丝线驱动机构100、腔室28(例如，具有用于腔室28的加热单元)、打印头托架34、用于台板托台32和打印头托台36 的电动机以及各种传感器、校准设备、显示设备和/或用户输入设备进行通信。在一些实施例中，控制器组件38还可以与台板30、台板托台32、打印头托台36以及3D打印机10 的任何其他合适的组件中的一个或多个通信。尽管示出为单信号线，但是通信线44可以包括一个或更多的电、光和/或无线信号线，它们可以设置在3D打印机10的外部和/或内部，以允许控制器组件38与3D打印机10的各种组件进行通信。
在操作期间，控制器组件38可以引导台板托台32将台板30移动到腔室28内的预定高度。控制器组件38然后可以引导打印头托台36在腔室28上方的水平x-y平面内移动打印头托架34(和被保持的打印头18)。控制器组件38还可以引导打印头18，以将消耗性丝线的连续段从消耗性组件12选择性地推进从而通过导管16并进入液化器20中。
在由同一申请人共同拥有的、Koop等人的美国专利号9,321,609的现有技术中，公开了一种丝线驱动机构，其将传统的消耗性丝线供给到液化器系统中。在Koop中描述的丝线驱动机构利用一对反向旋转驱动轮或双驱动器，它们通过彼此接合而被驱动，如图11A所示的驱动器138。在一个优选的实施例中，各个丝线接合齿交错或异相位位，使得在驱动丝线141的同时，丝线与至少三个齿接合至少90％的时间。Koop中的热塑性树脂丝线的物理性能被描述为在其长度上是柔性的，以允许其被供给以通过系统而不发生塑性变形或破裂，并且希望表现出低可压缩性，从而使其不被卡在液化器中。典型的示例有PLA、 ABS和PC等丝线。对于这种类型的丝线，可以在每个接触点上向丝线表面施加高水平的摩擦力，并且驱动齿可以刺入丝线或者在丝线上生成刻痕，而丝线在丝线路径中保持完整且笔直，从而前进到液化器而不发生打滑或扭结。
当使用Koop等人的单驱动丝线驱动机构(其采用的丝线类型具有更软、更易变形或具有弹性的特性，例如聚氨酯、聚酯纤维、聚乙烯嵌段酰胺和硫化橡胶)时，实验结果表明，可变形丝线趋向于在驱动轮对的齿之间顺应，如图11B所示，这导致驱动丝线驱动机构拥堵、丝线断裂、撕裂、弯曲或者阻碍软丝线以目标速率前进。同样，Koop等人的丝线驱动机构已经被证明，在将硬质的结合颗粒丝线供给到液化器内的过程中会发生中断、拥堵或“旋出”(即，丝线在驱动轮旋转时停留在原位)，因为此类材料倾向于抵抗驱动器引起的变形或压痕并且滑到丝线驱动轮上。在本公开的丝线驱动机构中，施加到丝线表面上的摩擦力的量得以改善，使得其可以将多种丝线供给到液化器中并克服摩擦力，而不发生旋转、中断或拥堵。
参照图3和图4，在100处示出了本公开的示例性打印头18内的四丝线驱动机构的实施例。丝线驱动机构100是打印头18(或3D打印机10)的组件，并且被构造成以相比现有技术的丝线驱动机构更高的可靠性和更大的力将消耗性丝线的连续段供给到打印头 18的液化器20。丝线驱动机构100包括多个串联驱动器，每个驱动器被构造成以基本相同的速率旋转，并且每个驱动器由相同的驱动系统和电动机提供动力。
四驱动器100包括：驱动块200，由驱动块200限定的丝线路径218，包括外齿轮部分104和内齿轮部分108的齿轮组件101，多个齿轮116、124和130，驱动轴110，传动轴120(这样的多个齿轮和轴由驱动块200保持并一起形成齿轮系)，以及两个通过桥轴 190互连的丝线驱动器160和170(图5-7最佳所示)齿轮组件101可旋转地固定到驱动轴 110，齿轮116和124不可旋转地固定到传动轴120，并且齿轮130不可旋转地固定到驱动轴110的花键140。齿轮组件101和齿轮116位于驱动块200的第一侧202附近，而齿轮 124和齿轮130位于驱动块200的第二侧204附近。齿轮系将动力从打印头中的电动机(未示出)传递至丝线驱动器160和170使丝线向液化器20内推进。
当参考图6时，齿轮组件101的外齿轮部分104具有周向嵌齿102，其与电动机(未示出)的驱动齿轮啮合，以使齿轮组件101绕驱动轴110沿顺时针方向旋转，其中内齿轮部分108上的嵌齿106与位于齿轮108正下方的齿轮116的嵌齿114啮合。齿轮116然后沿逆时针方向旋转传动轴120，这又使齿轮124逆时针旋转。齿轮124的嵌齿126与齿轮 130上的嵌齿128啮合，从而产生驱动轴110的顺时针旋转。通过这种方式，传动轴120 将动力通过驱动块200从第一侧202传递到第二侧204。
尽管齿轮系驱动系统被描述为以减小从电动机到输出轴的旋转速率的方式向驱动轴 140提供动力，从而相对于直接从电动机驱动驱动器的方式而言具有机械优势。本公开可以利用任何合适的传动系来将来自电动机(未示出)的动力提供给驱动轴110，包括但不限于将电动机直接联接至驱动轴110并使用皮带联接器。
如图5-7所示，四驱动器100包括两对具有类似构造并且间隔开的丝线接合驱动器160 和170以及桥轴190，其中，丝线接合驱动器160和170以及桥轴190由驱动轴110提供动力。丝线驱动器160包括驱动轴110和从动驱动器161。驱动轴110包括：齿轮142，以及由基本光滑的支承表面144隔开的丝线接合部分(例如，齿)146。从动驱动器161类似地包括：齿轮162，以及由基本光滑的支承表面164隔开的丝线接合部分(例如，齿)166。从动驱动器161位于驱动块200中的互补腔230内，其中，腔230位于丝线通道218的相对侧，并且与腔210的镜像相同。腔230被构造成与从动驱动器161的支承表面164接合。齿轮162与齿轮142啮合，使得当齿轮142在箭头145所示的旋转方向上被驱动时，齿轮 162在箭头165所示的相反的旋转方向上旋转。轴承表面144、164与驱动块的腔210、230 的接合保持齿轮和丝线接合表面的适当对准，使得驱动轴110和从动驱动器161绕平行的旋转轴旋转。
丝线接合驱动器170包括从动轴172和180，其结构与从动轴161的结构相同。轴172包括齿轮174，该齿轮174与轴180上的齿轮182啮合，从而从动轴180，如箭头185所示，在与从动轴172相反的旋转方向上移动。轴172位于腔250内，并且包括轴承表面和具有进入丝线路径218的齿的丝线接合部分178。轴172，如箭头175所示，在与驱动轴110 的旋转方向相同的方向上旋转。轴180位于腔260内，并包括轴承表面和丝线接合部分186，该丝线接合部分的齿进入丝线路径218。
桥轴190包括齿轮192，齿轮192的嵌齿与驱动轴110的齿轮142上的嵌齿相互啮合，从而导致箭头195的方向与驱动轴110的旋转相反，该方向由驱动轴110指示。桥轴190 通过齿轮192的嵌齿与从动轴172的齿轮174上的嵌齿的啮合作用而将动力从驱动轴110 传递至第二驱动器170，使得从动轴172在箭头175示出的方向上旋转，该旋转方向与驱动轴110的旋转方向相同。
腔210、230、250和260与丝线通道218相交，丝线通道218从顶部边缘220延伸到驱动块200的底部边缘222附近，使得丝线齿可以接合丝线并在丝线上施加力，以从材料源中拉出丝线，并将丝线驱动到液化器中进行挤出以构建3D部件和/或支撑结构。在示例性丝线驱动机构100中，桥接轴190位于与腔210和230的腔类似的腔240内。然而，腔 240与丝线通道218间隔开，使得桥接轴190不与丝线接合。
驱动轴110和从动驱动器161沿箭头145和165的反向旋转导致丝线接合齿146和166旋转到丝线通道218中。桥轴190的齿轮192上的嵌齿与第二丝线接合驱动器170的从动轴172的齿轮174上的嵌齿接合，从而进一步驱动从动轴180。反向旋转轴172和180 的运动分别引起齿179和186与丝线接合并且刺入丝线中，从而驱动丝线进入液化器。
在操作中，四驱动器100利用第一和第二丝线驱动器160和170，其中，第一和第二丝线驱动器160和170被同步以接合丝线，从而将丝线从源中拉出，并以相同的速率将丝线驱动到液化器中。由于动力通过多个外齿轮提供给驱动轴110，因此丝线驱动机构160 和170以相同的速率可旋转地移动。
驱动轴110沿箭头145的旋转方向旋转，由于齿轮142和162相互啮合，导致从动驱动器161沿箭头165的旋转方向进行反向旋转。第一驱动器160的驱动轴110和从动驱动器161的反向旋转导致丝线接合部分146和166中的齿接合并刺入丝线的相对侧，并推动丝线穿过驱动块200。
丝线驱动器可以以异相位方式被配置，驱动轮齿彼此交错，例如在Koop的'609专利中所公开的那样，或者可替代地，也可以以同相位的方式被配置，相对的齿一致地与丝线想接合，或者，可以被配置成以其他方式，所有这些都在本公开的范围内。
利用驱动轴110上的单个驱动力来为驱动器160和170提供动力。由于仅利用了一个驱动力，因此驱动器160和170是同步的，并且在从源22通过导管26拉动丝线时，不会互相干扰，如图1所示。如果驱动器160和170不同步，则丝线可能会在二者之间遭受弯曲或拉伸。
参照图8，在100A处示出了四驱动器100的替代版本，其中，在实施例100A中，与驱动器100共有的特征由相同的数字紧跟“A”表示。如果丝线驱动器100A中的特征在此处未做描述，则该特征与实施例100中所描述的相同。
四驱动器100A包括间隔开的反向旋转驱动器160A和170A。然而，桥轴192A是驱动反向旋转驱动器160A和170A的从动轴。桥轴192A在镜像角位置处接合轴110A和172，使得桥轴192A同时向驱动器160A和170A供应相等的动力，这有助于维持驱动器160A 和170A的同步性。另外，从动桥轴192A具有比丝线驱动器100中的驱动齿轮142更大的直径的齿轮，这相对于实施例100中的从动轴140施加的转矩而言，增加了施加到驱动器 160A和170A的转矩。增加的扭矩增加了输入到丝线中的功率，这有助于将丝线可靠地驱动到液化管中。
参照图9和10中，六驱动器，驱动丝线驱动机构在300处示出。其中，在实施例300中，与驱动器100共有的特征由相同的数字紧跟“B”表示。如果六驱动器300中的特征在此处未做描述，则该特征与实施例100中所描述的相同。
六驱动器300与四驱动器100的相似之处在于，上方的五个轴是相同的，使得丝线驱动机构300包括驱动器160和170，但也包括第三驱动器310。然而，在实施例300中，驱动轴的位置从轴110移动到驱动轴172B，并且轴110B是从动轴，以便将动力源定位在中心并且向每个驱动器提供相等的功率。
驱动轴172B通过第二桥轴312向第三驱动器310提供动力，第二桥轴312具有齿轮314，该齿轮314与驱动轴172B的齿轮374相互啮合并且导致沿箭头315的旋转，该箭头 315的方向与驱动轴172B的如箭头175所示的旋转方向相反，并且该箭头315的方向与第一桥轴190的旋转方向相同。第二桥轴312将动力传递给第三驱动器310，该第三驱动器 310具有与第二驱动器170相同的构造。
第二桥轴312的齿轮314与丝线接合驱动器310的从动轴330上的齿轮332啮合。从动轴330定位在驱动块350中与腔210间隔开的腔360中，并且腔360具有与腔210相同的构造。从动轴330在结构上与第一从动轴340相同，并且包括：齿轮332，轴承表面，以及具有齿的丝线接合部336，其中，该齿进入丝线路径218。从动轴330在如箭头335 所示的且与驱动轴372相同的旋转方向上旋转。
第三丝线接合驱动器310包括：从动轴340，该从动轴340具有与从动轴330和从动轴161相同的构造。从动轴340在齿轮342上具有嵌齿，该嵌齿与齿轮314上的嵌齿接合。使得从动轴340沿着如箭头345所示的与从动轴330相反的旋转方向运动。从动轴340位于腔370内，该腔370与腔360具有相同的构造，并且与腔360间隔开。从动轴340包括：轴承表面以及具有齿的丝线接合部分346，其中，该齿进入丝线路径218内。
这样，驱动器300包括三组间隔开的驱动器160、170和310，它们增加了与丝线的接触点的数量，从而增加了某些材料的驱动力。可以通过增加额外的桥轴和与丝线相对侧接合的成对轴来增加驱动器的数量。
参照图12A，示出了本实用新型的四驱动器，其具有异相位的丝线接合齿，并且示出了低硬度丝线143与丝线驱动机构100的接合。丝线143与驱动器160的丝线接合部分146和166的齿149和167之间的路径相适应。丝线143也与丝线齿179和187之间的路径相适应。与单个驱动器实施例相比，接合丝线143的齿的数量增加，从而增加了接合丝线143 的牵引力和力。但是，低硬度材料继续具有从接合表面伸展、弯曲和移动的趋势。
参考图12B，示出了本公开的六驱动器，其具有丝线驱动器160、170和310。驱动器160、170和310被示出为具有异相位的丝线接合齿，并且描述了低硬度丝线143的接合，该低硬度丝线143与驱动器160、170、310的齿之间的路径相适应。
参照图13A和13B，当基本刚性的丝线243与四驱动器(图13A)的驱动器160和 170的齿或六驱动器(图13B)的驱动器160、170和310的齿接合时，丝线243保持基本笔直。图12A、12B，当与图13A和13B相比时，示出了相同的丝线驱动器可以对不同硬度或硬度的丝线产生不同的影响。
在图13C中示出了通过两驱动机构160和170以及三驱动机构160、170和310驱动的丝线243。由于两驱动机构160和170以及三驱动机构160、170和310的异相位构造，丝线243包括异相位凹痕245和247。考虑了半径R，连续轴的中心点之间的长度L和每个轴的齿数，使得驱动器接合由上驱动器160以及用于三重驱动系统的上驱动器160和中驱动器170产生的相同切口或凹口。驱动器的对准防止了过多的碎屑堆积，并提高了打印头的可靠性。
图14A和图14B示出了由与图12A和12B所示的相同的驱动器所驱动较低硬度丝线143。然而，在图1和图2中，相对于图12A和12B所示的异相位齿，图14A和图14B示出的齿是同相位的。如图14A和14B所示，同相位齿在接合时使低硬度丝线143变形或刺入丝线143中，但是保持基本笔直的构建，这对于提高将较低硬度的丝线驱动进入到液化管中以用于挤出的效率是有利的。考虑半径R，连续轴的中心点之间的长度L和每根轴的齿数，以使驱动器啮合由上驱动器160以及三驱动系统的上驱动器160和中驱动器170产生的相同切口或凹口。驱动器的对准防止了过多的碎屑堆积，并提高了打印头的可靠性。
取决于用于构建3D部件和/或支撑结构的原料材料的类型，丝线接合部分的构造可以改变。当用弹性体(诸如肖氏A硬度低于95，或更优选地在约85至约95之间的肖氏A 硬度的柔软的柔性材料)进行打印时，丝线接合部分可以利用较少的齿，这些齿具有基本平坦的表面和更大的深度。
在图15A-C中，示出了反向旋转驱动器，其可以用作双驱动器或与驱动器100、100A(四驱动器)或驱动器300(六驱动器)一起使用，其中，组件相对于驱动器100、100A 和300具有不同的组件将被赋予相同的参考符号，并带有符号(C)。驱动器160C具有带有齿146C和166C的轴110C和161C，齿146C和166C具有基本平坦的接合表面449和 467。齿146C、166C的数量以及槽脊宽度449、467的尺寸可以根据用于丝线的特定材料和特定打印机而变化。
参照图15B中，160C和170C示出了四驱动器。驱动器160C与关于图15A所提及的相同。然而，轴110可以被驱动，或者轴110A可以是从动件。驱动器170C包括：反向旋转轴178和180，反向旋转轴178和180具有齿178C和186C，齿178C和186C具有槽脊宽度479和487。同样，齿178C、186C的数量以及槽脊宽度479、487的尺寸可以根据用于丝线的特定材料和特定打印机而变化，但是具有基本上与轴110/110A和161相同的齿数量和平坦表面的尺寸。在图15B中，第一驱动器160C的齿是彼此同相位的，第二驱动器 170B的齿是彼此同相位的，并且第一驱动器160C的齿与第二驱动器170C的齿异相位。
参照图15C，以160C、170C和310C示出的四驱动器。驱动器160C和170基本上类似于图15B中所描述的。不同之处在于，轴110A不被驱动，而轴172B被驱动。驱动器 310C包括带有齿336C和346C的反向旋转轴330、340，齿336C和346C具有基本平坦的表面489和491。同样，齿336C、346C的数量以及槽脊宽度489、491的尺寸可以根据用于丝线的特定材料和特定打印机而变化，但具有与轴110、161和172A、180大致相同的齿数和平面尺寸。在图15C中，第一驱动器160C和第三驱动器310C与第二驱动器170B 的齿是彼此同相位的，并且第一驱动器160C和第三驱动器310C的齿与第二驱动器170C 的齿异相位。
考虑半径R，连续轴的中心点之间的长度L和每个轴的齿数，以使驱动器啮合由四驱动器中的上驱动器160C以及六驱动器中的上、中驱动器160C和170C产生的相同切口或凹口。驱动器的对准防止了过多的碎屑堆积，并提高了打印头的可靠性。
作为非限制性示例，丝线接合部分可包括十六个齿，其深度约为0.020英寸，槽脊宽度W约为0.08英寸至0.15英寸。更特别地，槽脊宽度449、467具有的槽脊宽度W，其在约0.08英寸至约0.12英寸的范围内，甚至更特别地在约0.09英寸至约0.11英寸的范围内。槽脊宽度449、467可以是平坦的或基本平坦的。
无论是作为双驱动器160C、四驱动器160C和170C和/或六驱动器160C、170C和310C，具有槽脊宽度449、467的齿16C、166C可以与较低硬度的丝线材料(例如硬度在肖氏A标度上小于约95，并且肖氏A大于约60的那些丝线材料)一起使用。特别地，丝线材料的硬度在肖氏A标度上可以在约75至约95之间，或者在肖氏A标度上约85至约95之间。如图所示，齿446、466的槽脊宽度449、467是同相位的，但是可以是异相位的。
在同相位齿的槽脊宽度449、467的情况下，低硬度的丝线143被对准的平坦的接合齿抓握，从而减少或弯曲，从而保留在丝线路径中。接合齿444、166的平坦轮廓避免或最小化了低硬度丝线443的表面的刺穿，并且如果被刺穿，利用了与通过连续驱动器驱动的丝线相同的刺穿，因为已经发现，在刺破软材料时，不需要的材料在驱动器中累积并且会导致阻塞和拥堵。
参照图16A-C，示出了反向旋转的丝线驱动器，其被用作如图16A所示的双驱动器，如图16B所示的驱动器100、100A(四驱动器)或者如图16C所示的驱动器300(六驱动器)，以有效和准确地拉伸较硬的丝线480，例如如前所述的结合颗粒丝线，其中,相对于驱动器100、100A和300具有不同组分的组分将被赋予相同的附图标记(D)。由于滑动，较硬的丝线480可能难以用标准的反向旋转驱动器夹紧，因为齿不能刺入丝线。图16A-C 所示的所公开的丝线驱动器包括：具有紧密间隔的齿的反向旋转驱动器，使得每个驱动器中有更多的齿与丝线接合。
如图所示，驱动器包括32个均匀间隔的齿。但是，公开的齿数不是限制性的。齿的尖锐边缘的非限制性范围在约0.001英寸至约0.003的范围内，其中齿可以是同相位的或异相位的。
在图16A中，示出了包括驱动器110和从动轴161的双驱动器160C。每个轴110和161分别包括多个间隔开的齿492和493。当丝线通过驱动器160A被驱动时，相邻齿492 和493的紧密邻接增加了与丝线480的接触点的数量。接触点的数量和齿的尖锐边缘增加了对丝线480的抓握力，这在驱动硬丝线时是有利的。
图16B示出了具有驱动器160D和170D的四驱动器。四驱动器160D在有关图16A 中进行了描述。然而，如上所述，轴可以是驱动轴110，也可以是从动轴110A。驱动器17D 包括具有多个齿494和495的反向旋转轴172和180，该多个齿494和495被被构造成与齿492和493类似。
图16C示出了具有驱动器160D、170D和310D的六驱动器。驱动器170D包括驱动轴172A，并且驱动器160D包括从动轴110A。驱动器310D包括反向旋转轴330和340，该反向旋转轴具有间隔开的，基本上均匀的齿496和497，其具有与齿492-495基本相同的构造。利用增加数量的驱动器，增加了与硬质丝线的接触点，这进一步提高了丝线向液化器的进料速率的可靠性。
图17示出了具有驱动轴110和从动轴161的双驱动器160E，其中驱动轴110和从动轴161分别具有不同数量的齿500和502。如图所示，从动轴161的齿数是驱动轴110的齿数的2倍或2:1。已经示出了该实施例通过减少从动轴161接合丝线143的周期性方式来减轻由从动轴161的稳定性小于驱动轴110(由电动机直接驱动)的稳定性而引起的胎圈宽度变化。减少胎圈宽度的可变性，可以更精确地打印部件。虽然在从动轴502上示出了双倍数量的齿502，而在驱动轴110上布置有较少数量的齿500(横齿)，但是也可以使用除2:1之外的其他变化，包括约1.5:1至约3.0:1范围内的比率，甚至更特别地，约1.8:1 至约2.2:1范围内的比率。
如图18所示，当使用具有2:1比率的齿的驱动器时，丝线中的来自从动驱动器的凹痕相对于驱动器160D从同相位到异相位交替。已经发现，从动轴161相对于驱动轴110 的交替减小了胎圈宽度变化。丝线510中的凹口示出了在同相位512、514和异相位512、 516和518之间的交替接合。虽然示出为双驱动器160E，但是串联的多个驱动器(例如四驱动器和六驱动器)可以如上所述将其添加到驱动器中。
尽管已经参考优选实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本公开的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于在增材制造系统中驱动弹性体丝线的丝线驱动机构，其特征在于，所述丝线驱动机构包括：
第一驱动器，包括：
第一可旋转轴；
第二可旋转轴，其与所述第一可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；以及
多个齿，其位于每个可旋转轴上并且被定位于所述丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度。
2.根据权利要求1所述的丝线驱动机构，其特征在于，每个轴上的所述多个齿是同相位的。
3.根据权利要求1所述的丝线驱动机构，其特征在于，所述丝线驱动机构进一步包括：
与所述第一驱动器隔开的第二驱动器，所述第二驱动器包括：
第三可旋转轴；
第四可旋转轴，其与所述第三可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；
多个齿，其位于所述第二驱动器的每个可旋转轴上，并被定位在丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度；以及
第一桥轴，其被构造成可旋转地联接所述第一驱动器和所述第二驱动器。
4.根据权利要求3所述的丝线驱动机构，其特征在于，所述第二驱动器与所述第一驱动器以第一选定距离间隔开，所述第一选定距离导致所述第二驱动器中的所述多个齿在与所述第二驱动器中的所述多个齿中的基本相同的多个位置处与所述丝线接合。
5.根据权利要求3所述的丝线驱动机构，其特征在于，所述丝线驱动机构进一步包括：
与所述第二驱动器间隔开的第三驱动器，所述第三驱动器包括：
第五可旋转轴；
第六可旋转轴，其与所述第一可旋转轴以反向旋转构造的方式啮合；
多个齿，其位于所述第三驱动器的每个可旋转轴上，并被定位在丝线路径的其间具有间隙的相对侧上，以便与设置在所述丝线路径中的丝线接合，其中，所述多个齿具有0.08英寸至0.15英寸范围内的槽脊宽度；以及
第二桥轴，其被构造成可旋转地联接所述第二驱动器和所述第三驱动器，使得所述第一驱动器、所述第二驱动器和所述第三驱动器以基本相同的速率旋转。
6.根据权利要求3所述的丝线驱动机构，其特征在于，所述第一驱动器的所述齿是彼此同相位的，所述第二驱动器的所述齿是彼此同相位的，并且所述第一驱动器的所述齿与所述第二驱动器的所述齿是异相位的。
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