TW201922461A - 操作添加式製造噴嘴的設備、系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明描述提供熱量以啟用具有改進之列印控制及增強之列印速度的一FDM添加式製造噴嘴的設備、系統及方法。該加熱元件可包括：至少一個護套，其大小係設定成可環繞該FDM印表機噴嘴之一外周邊配合地接合；至少一個線圈，其至少部分地接觸該護套之一內徑；以及至少一個能量接收器，其與該至少一個線圈相關聯。

Description

操作添加式製造噴嘴的設備、系統及方法

本發明係關於添加式製造，且更具體而言，係關於一種操作用於添加式製造之材料熔融沈積(fused deposition ofmaterial；FDM)噴嘴的設備、系統及方法。

作為實例，包括三維(3D)列印之添加式製造不僅在列印技術之開發方面，而且在產品研究及開發能力、原型製作能力及實驗能力之開發方面已取得非常顯著的進步。在可用的添加式製造(統稱為「3D列印」)技術當中，材料熔融沈積(「FDM」)列印係已開發之最重要的3D列印類型中之一者。

FDM係添加式製造技術，其允許藉由加熱熱塑性長絲及將熱塑性長絲擠壓成連續層來逐層地建立3D元件，自經列印元件之基層或底層開始且列印至頂層或最後層。為達成此等結果，FDM系統至少包括：列印頭，熱塑性列印長絲自其饋送至FDM印表機噴嘴；X-Y平面控制形式(form)，其使列印頭在X-Y平面中移動；及列印平台，在其上列印基座且在列印連續層時，該列印平台在Z軸上移動。

FDM印表機噴嘴將自列印頭接收之熱塑性列印長絲加熱至半液體狀態，且沿著為建構元件之各連續層所提供的X-Y平面擠壓路徑計劃沈積呈大小變化之珠粒形式的半液體熱塑性長絲。經列印珠粒/跡線大小可基於正列印之部分或部分之態樣而變化。另外，若需要對部分之態樣進行結構支撐，則藉由FDM印表機列印之跡線可包括可移除材料以充當一種支架，從而支撐需要支撐之部分之態樣。因此，FDM可用以在使用習知方法製造此物件將花費之時間的一部分內建構實驗或功能性部分的簡單或複雜的幾何結構，諸如用於原型製作、小批量生產、製造輔助裝置及其類似者中。

然而，歸因於影響FDM，且尤其影響FDM程序之列印速度、品質及效率的數個因素，FDM在諸如中等至大批量生產之廣泛應用中的使用嚴重受限。如所提到的，在FDM列印中，典型地將熱塑性長絲加熱至熔融狀態且接著將其自FDM列印噴嘴向外擠出至列印板/平台或正生產之部分的前一層上。FDM印表機噴嘴根據預先鍵入之幾何形狀藉由列印頭之機器人X-Y平面調整而來回移動，諸如可鍵入至處理器中以控制FDM列印頭移動從而形成所要部分。

因為機器人技術之進步及可用的高處理速度，用於FDM列印程序之「阻塞點」一般係FDM印表機噴嘴自身。特定而言，對FDM印表機噴嘴之加熱及冷卻速度的控制，且尤其為由對噴嘴之加熱及冷卻的進階控制提供的在列印之控制及開始/停止時序上之改進將實現由FDM技術提供但目前在已知技術中未涵蓋的列印之顯著改良。因此，能夠提供與FDM列印相關聯的諸如列印材料之加熱及冷卻、列印材料上之壓力及液態以及其類似者的各種態樣之改進控制及感測將實現FDM程序之改進及改良。

儘管如前所述，當前可用的噴嘴大部分仍係金屬的且因此本質上傳導，且具有與其相關聯之大的加熱塊(諸如，可包括用於加熱與其相關聯之噴嘴的熱電偶)，該加熱塊具有顯著的熱質量。因此，因為加熱塊之大的熱質量，對噴嘴之加熱及冷卻的改進控制由於熱量滲透至金屬噴嘴之不合需要的態樣而當前受限制。此外，當前噴嘴設計使得難以將熱量集中至噴嘴之區域，此通常係因為噴嘴之傳導性質及由與噴嘴相關聯之加熱塊的大熱質量引起的噴嘴之加熱及冷卻的緩慢性，自該加熱塊提供對加熱(及冷卻)之控制。

因此，當前噴嘴設計存在顯著的問題，其阻礙了改良FDM列印程序之能力。此等阻礙中之主要一者係不能夠提供對列印噴嘴或其特定態樣上之加熱及冷卻的改進控制。舉例而言，缺少加熱及冷卻控制可引起對熱塑性材料之不一致熔融，其可導致低列印速度及噴嘴堵塞。由於不能迅速且準確地控制噴嘴之溫度，缺少冷卻控制可導致斑點、突起或誤印。

因此，需要一種用於提供具有改進之列印控制及增強之列印速度的FDM添加式製造噴嘴的設備、系統及方法。

所揭示之例示性設備、系統及方法至少提供熱量遞送以啟用具有改進之列印控制及增強之印刷速度的用於添加式製造之FDM印表機噴嘴。一種加熱遞送元件可包括：至少一個護套，其大小係設定成可環繞該FDM印表機噴嘴之一外周邊配合地接合；至少一個線圈，其至少部分地接觸該護套之一內徑；以及至少一個能量接收器，其與該至少一個線圈相關聯以提高該FDM印表機噴嘴之效率。

所揭示之例示性設備、系統及方法可另外包括至少一個線圈，其包含一鎳鉻合金線。另外，該至少一個線圈可包含至少兩個線圈。至少兩個線圈可沿FDM列印噴嘴之縱向軸線至少部分地交錯。至少兩個線圈可各別地嵌設於至少兩個護套中。至少兩個護套可彼此同心。

因此，所揭示實施例提供一種用於提供具有改進之溫度控制、列印控制及增強之列印速度的用於添加式製造之FDM印表機噴嘴的設備、系統及方法。

本文中所提供之諸圖及描述可能已簡化以說明為了清楚理解本文中描述之設備、系統及方法而相關的態樣，同時出於清晰之目的，去除可見於典型的類似裝置、系統及方法中的其他態樣。一般熟習此項技術者因此可認識到，其他元件及/或操作可為實施本文中所描述之裝置、系統及方法所需要及/或所必要的。但因為此等元件及操作在此項技術中已知，且因為其並不促進對本發明之較佳理解，所以出於簡潔起見，本文中可能不提供對此等元件及操作之論述。然而，本發明仍然被認為包括將為一般熟習此項技術者已知的所有此等元件、變化及對所描述態樣之修改。

貫穿本文提供實施例使得本發明將為充分透徹的，且將向熟習此項技術者充分傳達所揭示實施例之範圍。闡述眾多特定細節，諸如特定組件、裝置及方法之實例，以提供對本發明之實施例的透徹理解。然而，熟習此項技術者將顯而易見，無需使用某些特定揭示細節，且實施例可以不同形式體現。因而，實施例不應被視為限制本發明之範圍。如上文所提到的，在一些實施例中，可能未詳細地描述熟知程序、熟知裝置結構及熟知技術。

本文中所使用之術語僅用於描述特定實施例之目的且並不意欲為限制性的。舉例而言，如本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否則單數形式「一(a/an)」及「該」可意欲亦包括複數形式。「包含(comprises、comprising)」、「包括」及「具有」等詞為包括性的，且因此指定所陳述特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件的存在，但並不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組的存在或添加。除非特定地識別為較佳或需要之執行次序，否則本文中所描述之步驟、程序及操作不被視為一定需要其按所論述或說明之特定次序的各別執行。亦應理解，代替或結合所揭示態樣，可使用額外或替代步驟。

除非另外清楚地指示，否則當一元件或層被稱作「在」另一元件或層「上」、「接合至」、「連接至」或「耦接至」另一元件或層時，該元件或層可直接在另一元件或層上、接合、連接或耦接至另一元件或層，或可存在介入元件或層。對比而言，當元件被稱作「直接在」另一元件或層「上」、「直接接合至」、「直接連接至」或「直接耦接至」另一元件或層時，可能不存在介入元件或層。應以類似方式解譯用於描述元件之間的關係的其他詞(例如，「在……之間」對「直接在……之間」、「鄰近」對「直接鄰近」，等等)。另外，如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯的所列項目中之一或多者的任何及所有組合。

又另外，儘管本文中可使用術語第一、第二、第三等以描述各種元件、組件、區、層及/或區段，但此等元件、組件、區、層及/或區段不應受此等術語限制。此等術語可僅用以將一個元件、組件、區、層或區段與另一元件、組件、區、層或區段區別。除非上下文清楚地指示，否則諸如「第一」、「第二」及其他數值術語之術語在本文中使用時並不暗示順序或次序。因此，可在不脫離實施例之教示的情況下將下文所論述的第一元件、組件、區、層或區段稱為第二元件、組件、區、層或區段。

實施例之態樣可提供諸如FDM噴嘴加熱之噴嘴加熱的即時定位、控制及定向，以便產生改良之列印控制從而實現較高列印速度及較大列印準確度。可根據對已知技術之所提供改良而提供此等及其他相異優點，此等優點包括：較低噴嘴成本及列印成本；將列印噴嘴提供為可消耗性/拋棄式物品；適合於使用已知的半導體及鑄造技術進行噴嘴生產；增強內部及外部噴嘴特徵之設計自由度；以及極精細地控制噴嘴及經列印材料兩者之熱及冷分區。

所揭示之改良的列印設備、系統及方法可應用於諸如FDM列印之3D列印，作為非限制性實例，其使用熱塑性物質、聚合物、金屬、陶瓷、食品及蠟列印作為列印材料。更特定而言，可經由包括前述FDM列印之各種已知方法中之任一者進行添加式製造。作為實例，可執行粉末燒結以便添加地建構層。另外，例如，可執行基於樹脂之添加式列印。

尤其關於FDM列印，當前方法對於添加式製造一般相當緩慢及低效，且目前在可列印之材料的數目上受限制。此在很大程度上歸因於用於加熱FDM系統中之印表機噴嘴的已知裝置、系統及方法的不足。在所揭示實施例及其等效例中用於添加式製造的加熱元件可糾正已知FDM系統之此等不足。作為非限制性實例，所揭示之加熱元件可包括電阻性加熱元件、電感性加熱元件(諸如，環繞噴嘴接近於噴嘴之孔口)、IR/輻射元件、RF耦合元件等。

更特定而言，儘管所揭示之例示性實施例可加熱及推送用於如此項技術中已知之「3D」(諸如，FDM)列印的材料，但其亦諸如經由改良之加熱定位來提供對彼材料的改進加熱及改進推送。FDM程序中之列印材料的加熱係改進FDM列印之單個最重要因素，且雖然需要快速列印來增強可用的FDM列印程序，但較快速列印速度需要增加的加熱，且增加的加熱導致對諸如結合大加熱塊使用之目前可用金屬噴嘴的已知噴嘴之加熱面積的改進較少的控制。此等已知加熱塊及噴嘴之組合亦在提供停止列印所必要之便利冷卻方面呈現極大困難，尤其在高導熱金屬噴嘴中，該便利冷卻係改進加熱控制以實現高速FDM列印所必要的。

簡言之，在某些實施例中提供之高速、高品質FDM列印需要以最大質量流率將儘可能多的可控制能量傳送至列印材料，以藉此實現所要的增加的列印速度。因此，本文中所揭示之改進的加熱系統及方法改良FDM印表機中之列印速度及控制。舉例而言，實施例可至少提供電感性或電阻性線圈加熱，此可藉由使用濕繞及/或半導體製造程序纏繞噴嘴之線圈來提供，且作為非限制性實例，諸如可纏繞於介電、金屬、陶瓷或玻璃噴嘴及/或施加至噴嘴之基板層上。

亦即，可在非傳導或傳導(諸如，金屬)噴嘴上使用所揭示實施例之態樣。舉例而言，諸如玻璃之介電層可諸如經由真空沈積、CVD、PVD或濺鍍沈積至金屬噴嘴上，藉此提供中間介電基板，傳導層及/或線圈可置放至該中間介電基板上。

除改進加熱之前述優點外，所揭示之系統及方法亦可提供至今仍未知的其他優點。舉例而言，所揭示實施例及其等效例可有助於防止噴嘴堵塞。更具體而言，已知技術中促成堵塞之主要動力因素中的一者係傳統的噴嘴必須在上升至高於熱塑性物質之熔點的溫度下運行。一旦列印材料流停止，列印材料及經加熱(過熱)噴嘴接著達到平衡，其使列印材料接近當前技術中之噴嘴溫度。此使列印材料降解，從而使其具有脆性且藉此引起堵塞。在某些所揭示實施例中，提供「緩慢」及「快速」(諸如，分區)加熱允許使用「緩慢」模式來維持噴嘴內部溫度低於列印材料之降解溫度，且可僅在流動條件下使用對「快速」模式之使用。因此，當在所揭示實施例中，列印材料流停止時，可迅速斷開「快速」模式，因此防止溫度上升至高於降解溫度。

圖1係說明例示性FDM印表機100之方塊圖。在圖示中，FDM印表機100包括X-Y軸驅動器102，該驅動器適合於在二維平面中，亦即沿X軸及Y軸移動列印頭104且因此移動列印噴嘴106。前述列印頭104及列印噴嘴106進一步包括於用於添加式製造之FDM印表機100中。如自圖1顯而易見，在經加熱列印材料相對於X-Y驅動器102之X-Y平面移動自噴嘴106沿Z軸向外流動時，可進行列印。藉此，多層經列印材料110可沿由X-Y驅動器102規定之路徑自噴嘴106提供至建構板111上。

圖2更詳細地說明用於諸如FDM印表機之添加式製造裝置的列印頭104及噴嘴106系統。如所說明，列印材料110自列印材料捲筒110a經由列印頭104擠壓至噴嘴106中且穿過噴嘴。在噴嘴106加熱列印材料110時，列印材料110至少部分地液化以自噴嘴106之在遠離列印頭104之點處的末端通口106a輸出。藉此，被擠壓之列印材料110沿X-Y平面路徑經由Z軸自通口106a向外「列印」，該平面路徑由與列印頭104以連接方式相關聯之X-Y驅動器102 (參見圖1)判定。

圖3說明例示性噴嘴106。舉例而言，噴嘴106可由鋼、陶瓷、玻璃或任何其他合適的材料構成以達成所要熱性質。舉例而言，玻璃噴嘴可減小局部熱容量。舉例而言，對於玻璃，Cp*rho*V=0.75*2.2*0.05 = 0.0825 J/C，但對於鋼，以上計算得出0.46*7.8*0.05 = 0.1794 J/C，此表示對於鋼噴嘴，加熱或冷卻所需的每攝氏度焦耳數大於玻璃噴嘴所需的兩倍。

為加熱噴嘴106，可用一或多個線繞組204纏繞噴嘴106。噴嘴106可另外包括圍繞噴嘴106之一或多個護套202。噴嘴106亦可包括在線繞組204與噴嘴106外徑之間及/或在護套202 (在存在之情況下)與繞組204之間的一額外層或多個層，諸如以便增強熱耦合、重新分佈熱量、隔離過熱或其類似者。

護套202可如所提到般圍繞噴嘴106，且可在線繞組204上方、下方或在其中已嵌設有線繞組。護套202可在將其施加至噴嘴106之柄部時經壓入配合、電漿氣相沈積或鍍敷、輥壓箔或其類似者。在圖3之圖示中且作為非限制性實例，護套202包含一或多個線圈204。

作為非限制性實例，噴嘴106可包含由鋼構成之柄部106b及通口尖端106a，其具有至少部分地圍繞其的一或多個線繞組204，諸如纏繞其的鎳鉻合金線繞組，其中繞組204可至少部分圍封於護套202內。線繞組204可充當加熱線圈以加熱噴嘴106之內徑內的列印材料110。值得注意的，由加熱線圈204遞送熱量可改變加熱線圈204之電阻。因此，可感測加熱線圈204之電阻改變以便評估遞送至噴嘴106之加熱程度。另外，護套202可用以將來自線圈204之熱量重新集中回至噴嘴106中。

線圈204及/或多個線圈態樣或線圈以及彼等線圈204與噴嘴106之接近性諸如結合護套202之小的熱質量可實現對遞送至經由噴嘴106列印之列印材料的熱量之高度改進且定向的控制。此可實現加快的加熱及冷卻，諸如幾乎立即加熱及冷卻/切斷，此提供相比已知技術中可推送之列印材料將顯著更多量的列印材料110推送通過噴嘴通口106a。

更具體而言，列印材料110在通口106a處排出噴嘴106之熱端的速度及量可藉由多種因素判定。作為非限制性實例，此等因素可包括列印之材料、擠壓速率、X-Y驅動器之運動速率及施加至擠壓材料之熱量。在諸如使用繞組204之某些實施例中，可選擇性地使用後一因素，亦即施加至擠壓材料之熱量，以便鑒於前述列印因素中之其他者獲得實質上最佳且高效的列印。

圖4A及圖4B說明先前技術噴嘴(展示於圖4A中)與根據實施例之例示性電阻性熱端302的比較，該例示性電阻性熱端諸如可由噴嘴106、繞組204及/或護套202構成，如圖4B中所展示。更特定而言，圖4之比較說明圖4A之先前技術加熱塊310與圖4B之熱端302的護套202及繞組204之組合之間的差異，諸如熱質量之顯著差異。

如圖4A中所展示，當前技術包括整合加熱匣320及熱電偶322之大的加熱塊310，加熱匣及熱電偶中之各者插入至加熱塊320中。在致動熱電偶322後，加熱塊310即刻開始加熱且經由加熱塊310將熱量傳遞至噴嘴之所謂的「熱端」，該熱端又加熱在噴嘴330之遠尖端正上方的接收所遞送熱量的噴嘴330之彼部分內的列印材料110。如所展示，噴嘴330螺擰至加熱塊310中或以其他方式與加熱塊連接性地整合。

總之，前述內容在已知技術中形成具有顯著熱質量之「熱端」。此熱質量對應於特性熱動量，其伴隨特定加熱及冷卻斜變率。因為此斜變率，既不能迅速且高效地接通亦不能斷開已知技術之加熱塊，藉此引起經列印材料路徑中之凸塊及突起以及噴嘴滲出及堵塞。

與已知技術形成強烈對比且如圖4B中所說明，熱端302之所揭示實施例的熱質量相比已知技術提供之熱質量顯著減小。因此，熱端302之所揭示實施例相比已知技術更便利地加熱且相比已知技術更便利地冷卻。亦即，由熱端302之某些所揭示實施例提供的最小熱容量提供比已知技術低的溫度容量，且因此對能量至熱端302之施加或能量移除更明顯地作出回應。

在某些實施例中且為最佳化優於已知技術之前述較低溫度容量，一或多個繞組204之類型、長度及/或致動時序及方式可根據繞組204沿熱端302之幾何形狀的位置而變化。舉例而言，高密度繞組可放置於接近通口106a之噴嘴漸縮部處，以便提供在排出通口106a處對列印材料之最大熱量及最大加熱控制。

另外，儘管圖4B中所說明之實例可包括諸如呈護套202形式之可包括熱電偶的加熱塊，但熟習此項技術者將瞭解，作為非限制性實例，伴隨貫穿本文所提供之加熱方法，此加熱塊可能或可能不存在。亦即，繞組204可直接駐留於噴嘴106上，諸如濕繞於其上，可具有在繞組204與噴嘴106之間的一或多個層。此外，繞組204可能或可能不由護套202包圍。

圖4B中所說明之實施例及其他類似實施例可因此實現對經擠壓列印材料之熱量施加的較快速斜變，且可實現相比在已知技術中以明顯更快的速率切斷列印材料之擠壓。此部分地係歸因於由圍繞噴嘴之線繞組204提供的改進控制，及因此提供於可自線繞組204獲得之熱量與噴嘴106內之列印材料110之間的改良熱耦合。應注意，亦可藉由控制軟體且在例示性實施例中，藉由至少部分地將能量提供至線繞組204之諸如2.5 kHz伺服驅動器的伺服驅動器來解決熱質量問題。

在某些實施例中，可使用不同功率格式以將加熱能量提供至線繞組204。舉例而言，如圖5中所說明，某些電源350可更詳細地與某些類型之線繞組204、某些類型之噴嘴106等匹配。作為實例，可結合各種類型之噴嘴及/或各種類型之線繞組204中的任一者，諸如嵌設於圖5之護套202中的線繞組204，執行牛頓(Newtonian)加熱，亦即，將電流提供至線繞組以產生熱量。可使用其他能量類型350以將諸如輻照、射頻激發、超音波、微波或熟習此項技術者所理解之任何其他功率提供技術的熱激發提供至線繞組204。此外且如上文所提到，某些類型之電源350可特定地與某些類型之線繞組204及噴嘴106匹配，諸如其中紅外線激發可與玻璃噴嘴一起使用以用於改良熱耦合及斜變時間，或諸如其中線繞組包含塊體元件而非個別繞組。

在額外替代及例示性實施例中，諸如圖6中所說明之實施例，可能不提供相異的線繞組作為線繞組204，而是可環繞噴嘴106提供相異特性或將相異特性嵌設於噴嘴中以有效地充當繞組204，如彼術語在本文中所使用的。作為實例，可圍繞噴嘴106設置護套202以提供至特定加熱源之熱耦合，以便接收用於加熱之微波能量。亦即，護套202可嵌設有或以其他方式形成有藉由使用微波進行轟擊來熱激發的特性材料，其將藉此允許護套202將熱量直接賦予噴嘴106。

當然，替代捲繞至噴嘴106上或以其他方式直接施加至噴嘴上，線繞組或類似加熱元件204可與噴嘴106分離且隔開地駐留於護套202內。自噴嘴106設置護套202作為次要實體元件但作為其主要熱耦合件允許在產生噴嘴106之後將熱耦合元件裝配至噴嘴106上，亦即，具有繞組204或其等效物之護套202可作為「栓接」之製造後組件而設置至噴嘴106。

作為非限制性實例，繞組204可採取塊體元件204的形式，如圖6中所展示。此塊體元件可能受亦嵌設於護套202內之結構606影響，以將塊體元件204維持在距噴嘴106給定距離處，以便維持一定程度的加熱。此外，護套202可包括例如嵌設式反射空腔608，以便將來自元件204之熱量朝向噴嘴106重新導引回以用於最佳化加熱。

圖7詳細地說明具有熱耦合元件402之例示性噴嘴106。在圖示中，熱耦合元件402包括於護套202中，且亦包括嵌設於其中之電阻性繞線204。因而，電流可「插入至」護套202中從而以電阻及熱方式激發護套202，藉此使元件402加熱噴嘴106內在鄰近於元件402之位置處的列印材料110。

更特定而言，作為非限制性實例，用於接收能量且熱耦合以將熱量遞送至噴嘴106之繞組204或其等效物可因此設置於噴嘴106上、設置於環繞噴嘴106之環/護套中或在兩個位置處，以便提供集中於噴嘴106及其中之列印材料110上的對流、傳導及/或輻射加熱。作為實例，線繞組204可為如上文所提及之鎳鉻合金電阻線，且可使用陶瓷(矽酸鹽)黏著劑。此外且如本文中所提到，諸如玻璃織物之各種絕緣體可機載地包括於噴嘴上作為繞組204或護套202之屏蔽物，或作為繞組204與護套202之間或繞組204或護套202與外部環境之間的屏蔽物。作為非限制性實例，此等絕緣體亦可包括反射體，且可因此用於護套202之內徑上以將熱量朝向噴嘴106重新導引回。作為特定實例，整合於噴嘴上或作為單獨護套之一或多個外表面可為高度反射的，使得對於在噴嘴106處產生之IR功率，否則將損失之IR功率藉由絕緣層重新導引回至噴嘴106中。

作為其他實例，直接捲繞至噴嘴106上之線圈204，諸如鎳鉻合金線可藉由前述矽酸鹽黏著劑固化，而不管其是否由置放包圍護套202來在結構上進一步支撐。此外，多個層可捲繞至噴嘴上以形成繞組204，且可藉由薄的玻璃織物層分離，該玻璃織物層亦可提供額外強度及穩定性。又另外，不管加熱元件204是否嵌設於護套202中，環繞加熱元件204之諸如上文之矽酸鹽黏著劑的基質材料皆可諸如著黑色以增加發射率，藉此增加IR發射功率。值得注意的，儘管係快速加熱方法，但IR一般具有小的加熱容量且因此可最佳地用以提供對流量之調整，除非以本文中所描述之方式增強，亦即，使用增加之發射率及/或與噴嘴內徑之實體分離以實現最大IR功率遞送。

在實施例中，護套202之長度可變化，噴嘴106之相對長度亦可變化。噴嘴長度之變化可適應不同元件402，以便允許不同元件402用於不同目的，從而允許對特定列印材料之最高效加熱。作為非限制性實例，實施例中之噴嘴106可長於已知技術中之噴嘴，且可在噴嘴尖端106a處包括特定漸縮部，以便增強可使用之加熱元件402的加熱性質，尤其以便改良由元件402提供至噴嘴106之溫度梯度，從而對應地增強噴嘴106中之特定列印材料110的最大饋送速率。

如上文關於量測基於繞組204中之電阻(或其他電氣特性)改變而遞送之熱量所提及，可易於感測元件402之諸如其電阻或電導的特性以便評估正遞送至噴嘴106之熱量。更特定而言，元件402及/或護套202可具備嵌設於護套202中或以其他方式與護套相關聯之感測器520。與護套202之例如電阻或電導改變相關的資料可接著直接地或間接地指示在所量測之一或多個點處的元件402之溫度，藉此實現噴嘴尖端106a處之極精確溫度感測及控制。

更特定而言，感測器520可嵌設於環繞列印噴嘴106置放之護套202中或上或以其他方式與該護套實體地相關聯。護套202可在其內包括加熱線圈204。因此，感測器520可直接地或間接地接收由加熱線圈204遞送至噴嘴106之熱量的熱量讀數。除如所展示之感測器520外，感測器可包含嵌設式跡線或其他感測器間或感測器內連接元件，如熟習此項技術者將理解的。

在額外及替代實施例中，熱電偶(未圖示)亦可包括於環繞噴嘴106設置之護套202中，一或多個加快冷卻機構亦可包括於護套中。舉例而言，作為非限制性實例，圖7說明冷卻管530，其中被迫進入管530中或自管530排出的少量空氣(或另一氣體)可增加或減小熱量遞送至噴嘴106之速率。冷卻管530可包括一或多個閥(未圖示)以允許限制所釋放或接收之空氣或其他氣體。此外，可使用管530來使用其他冷卻方法。作為實例，可設置入口及出口管以實現閉環冷卻系統，諸如其中諸如水或空氣之冷卻液體或氣體可循環至一個管中及自另一管循環出。

根據經驗，在7 mm OD/3 mm ID玻璃管之3 mm PLA內部，具有L~=70 mm之4分0.065 mm鎳鉻合金線繞組產生~21.6 ohm及在250C擺動上之0.3 ohm擺動，其中每溫度電阻增益為0.00115歐姆/C。可藉由增加標稱線圈電阻來達成較高增益，但此亦需要較高電壓。因此，在實施例中，可基於安培數來辨別溫度，亦即，可基於線圈電阻追蹤之線圈的溫度量測結果。當然，在實施例中，可使用評估加熱之板載熱電偶、RTD或其他接觸感測技術及/或光學感測技術作為感測器520。

圖8說明可提供於一個或若干「分區」或「階段」中之噴嘴106加熱。舉例而言，可設置：第一加熱分區702，其用於加熱在噴嘴106內之列印材料熔融物110的長度；第二加熱分區704，其用於「高速」熔融物，諸如可能必需額外功率用於較高速熔融物；及第三加熱分區706，其特定地用於噴嘴尖端106a，在此點處需要最高功率密度以用於熔融物排出通口106a至圖案中。此外，可藉由設置重疊繞組204a、204b、204c及/或藉由設置各自包括離散繞組之一或多個同心或交錯護套202a、202b、202c來設置分區702、704、706。替代地，可在多個重疊分區繞組上設置一或多個交錯或同心護套，亦即，層可包含繞組1、繞組2，接著護套1；或可在各繞組上同心地連續設置，亦即，層可包含繞組1、護套1、繞組2、護套2，等等。

簡言之，具有不同功率密度之多個線圈分區允許向不同的熔融物區域呈現不同的功率位準。值得注意的，多個線圈分區之多個電阻器可共用一個共同的支腳，因此減少離開加熱器之線之數目。

如貫穿本文所論述，為實現最佳的控制及功率消耗影響，可能需要盡實際可能接近噴嘴內之列印材料來使用直接電阻加熱(及冷卻)。因此，加熱元件可係高度鄰近於噴嘴內之列印材料的繞組、薄片材料或塊體材料(除非另外指示，否則貫穿本文統稱為「繞組」)。

貫穿本文所論述之加熱元件可作為單獨的加熱元件或作為待裝配在噴嘴106上之護套202之部分被包括。在此等情況下，所提供之熱量可係傳導的(亦即，牛頓的)、對流的或輻射的(亦即，普朗克(Planck)/斯蒂芬-玻耳茲曼(Stefan-Bolzmann))。另外，作為非限制性實例，提供必需的加熱能量之熱電偶可濕繞有線圈結構。另外，在此等實施例中，可替換護套而無需替換噴嘴106。

在前述實施方式中，各種特徵有可能出於本發明之簡潔目的而在個別實施例中分組在一起。不應將此揭示方法解譯為反映以下意圖：任何隨後主張之實施例皆要求比明確敍述更多的特徵。

另外，提供本發明之描述以使任何熟習此項技術者皆能夠製作或使用所揭示實施例。熟習此項技術者將容易地顯而易見對本發明之各種修改，且本文中定義之一般原理可在不脫離本發明之精神或範圍的情況下應用於其他變體。因此，本發明並不意欲限於本文中所描述之實例及設計，而應符合與本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致的最廣泛範圍。

100‧‧‧FDM印表機

102‧‧‧X-Y軸驅動器

104‧‧‧列印頭

106‧‧‧列印噴嘴

106a‧‧‧末端通口/通口尖端/噴嘴通口/噴嘴尖端

106b‧‧‧柄部

110‧‧‧列印材料/列印材料熔融物

110a‧‧‧列印材料捲筒

111‧‧‧建構板

202‧‧‧護套

202a、202b、202c‧‧‧同心或交錯護套

204‧‧‧線繞組/塊體元件/加熱線圈/加熱元件

204a、204b、204c‧‧‧重疊繞組

302‧‧‧電阻性熱端

310‧‧‧加熱塊

320‧‧‧加熱匣

322‧‧‧熱電偶

330‧‧‧噴嘴

350‧‧‧電源

402‧‧‧熱耦合元件/加熱元件

520‧‧‧感測器

530‧‧‧管

606‧‧‧結構

608‧‧‧嵌設式反射空腔

702‧‧‧第一加熱分區

704‧‧‧第二加熱分區

706‧‧‧第三加熱分區

關於附於本文且形成其部分的圖式來論述所揭示之非限制性實施例，其中類似數字指示類似元件，且其中：

圖1係例示性FDM列印系統；

圖2係例示性FDM列印系統；

圖3係例示性電阻式噴嘴熱端；

圖4A說明先前技術FDM印表機噴嘴及相關聯之加熱塊；

圖4B說明例示性電阻式熱端印表機噴嘴；

圖5說明電力至電阻式熱端印表機噴嘴之例示性遞送；

圖6說明例示性FDM熱端印表機噴嘴；

圖7說明具有嵌設式感測器之例示性熱端印表機噴嘴；及

圖8說明具有交錯之加熱分區的例示性熱端印表機噴嘴。

Claims (20)

1. 一種用於一3D印表機噴嘴之加熱元件，其包含： 至少一個護套，其包含一第一內徑及一第一外徑，該至少一個護套的大小係設定成可環繞該3D印表機噴嘴之一外周邊接合； 至少一個線圈，其至少部分地接觸該至少一個護套之該第一內徑；以及 至少一個能量接收器，其與該至少一個線圈相關聯。
2. 如請求項1之加熱元件，其中該至少部分接觸包含嵌設。
3. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個能量接收器包含至少一個電流接收線。
4. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個線圈包含一鎳鉻合金線。
5. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個線圈包含至少一第一線圈及一第二線圈。
6. 如請求項5之加熱元件，其中至少兩個線圈沿該3D印表機噴嘴之一縱向軸線至少部分地交錯。
7. 如請求項5之加熱元件，其中該第一線圈嵌設於第一護套中且該第二線圈嵌設於一第二護套中。
8. 如請求項7之加熱元件，其中該第二護套圍繞該第一護套同心地定位。
9. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個線圈係圍繞該3D列印噴嘴之該外周邊以附接方式盤繞，且其中該至少一個護套至少實質上在該至少一個線圈上滑動。
10. 如請求項1之加熱元件，其中該能量接收器包含一牛頓能量接收器、一對流能量接收器及一輻射能量接收器中之至少一者。
11. 如請求項1之加熱元件，其進一步包含：在該3D印表機噴嘴之該外周邊與該至少一個線圈之間的至少一個絕緣層。
12. 如請求項11之加熱元件，其中該絕緣層係在該至少一個線圈與該至少一個護套之一內徑之間。
13. 如請求項11之加熱元件，其中該絕緣層提供了增強熱耦合、重新分佈熱量及隔離過熱中之至少一者。
14. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個護套包含一壓入配合件、一電漿氣相沈積件、一鍍敷件及一輥壓箔中之一者。
15. 如請求項1之加熱元件，其進一步包含至少一個電阻感測器，該至少一個電阻感測器能夠感測該至少一個線圈中之一電阻改變，以指示出遞送至該3D印表機噴嘴之一加熱程度。
16. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個護套包含一減小之熱質量。
17. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個能量接收器包含一熱電偶。
18. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個線圈包含在該3D印表機噴嘴之一漸縮部分處的一高密度繞組，及沿該3D印表機噴嘴之一非漸縮部分的一較低密度繞組。
19. 如請求項1之加熱元件，其中該至少一個線圈包含一濕式繞組。
20. 如請求項1之加熱元件，其進一步包含：嵌設於該至少一個護套中之一噴嘴溫度感測器。