TW201924808A - 用於3d列印機列印頭之活塞及用於3d列印機之列印頭 - Google Patents

用於3d列印機列印頭之活塞及用於3d列印機之列印頭 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於一3D列印機(特別是一金屬列印機)之一列印頭(1)的活塞(5)，該活塞包含一活塞桿(17)及一柱塞(18)，該柱塞(18)具有一具有一表面(39)的壓力側(19)，該表面(39)為凸面或漸縮至一點。
此外，本發明係關於一種用於一3D列印機特別是一金屬列印機)之列印頭(1)，該列印頭包含一殼體(3)、用於進料一金屬(14)之一設備(28)、用於該金屬(14)之一液相(8)的一儲存槽(7、27)、具有一導引套管(11)及一噴嘴板(9)之一噴嘴設備(2)，及如前述請求項中任一項之一活塞(5)，該柱塞(18)、該導引套管(11)及該噴嘴板(9)建構一置換器空間(21)，該柱塞(18)及該導引套管(11)建構用於在該儲存槽(27)與該置換器空間(21)之間導引通過該液相(8)的至少一個區域(40)。

Description

用於3D列印機列印頭之活塞及用於3D列印機之列印頭
本發明係關於用於3D列印機之列印頭的活塞，及3D列印機。
用於熱塑性材料之3D列印機獲得所述材料之固相作為起始材料，自其產生液相，並在屬於待產生之物件的該等位置處選擇性地傳送該液相。此類型之3D列印機包含列印頭，起始材料經熔融進入該列印頭。此外，提供用於產生列印頭與工作表面之間的相對移動的裝置，物件將在該工作表面上產生。此處，僅僅列印頭、僅僅工作表面，抑或列印頭及工作表面兩者可被移動。
列印頭具有第一操作狀態及第二操作狀態，在該第一操作狀態中液態材料自該列印頭離開，在該第二操作狀態中無液態材料自該列印頭離開。舉例而言，第二操作狀態假設為在欲移動至工作表面上之另一位置、且無材料沿途沈積於該處時。舉例而言，可藉由接通及斷開固體起始材料之推進裝置，在列印頭之兩個操作狀態之間進行轉換。
與熱塑性塑膠相比，金屬基本上具有較高熔點，且同時在液態時基本上具有較低黏度。
在本申請案之時尚未公開的文件DE102016224047揭示一用於3D列印機(特別是金屬列印機)之列印頭，該列印頭包含殼體、用於進料金屬之設備、活塞、具有出口開口之儲存槽，及用於移位該活塞之致動器設備。
區別在於該儲存槽具有用於金屬之液相的熔融區及置換器空間，熔融區鄰接惰性環境並以一種方式連接至置換器空間，該方式使得金屬之液相可藉由活塞之移位而被促使通過出口開口。
自先前技術已知具有平整表面之活塞形狀。該等活塞形狀具有被稱為「死水區域」之物可建構於表面下方或在表面之中間的缺點。熔融物在所述區域中不再相對於活塞移動。在氣體或空氣內含物形成於熔融物中的情況下，其不能自柱塞之表面遷移並形成非所要壓縮區域。
由於金屬熔融物具有極高表面張力，所以空氣與熔融物之間的極大密度差經常不足以使氣體或空氣內含物向上爬升。
此外，氣體內含物在列印頭啟動期間留在柱塞之上部表面及/或下側上，且需要複雜的工作步驟來減少或移除氣體內含物。
若氣體內含物在3D列印機操作期間位於置換器空間中，則其充當可壓縮媒介並抑制柱塞之壓力波動，結果列印程序可變得不精確或可甚至停止。
本發明係基於提供用於3D列印機列印頭之活塞，及減少置換器空間中之氣體內含物之影響的列印頭之目的，及提供使氣體內含物自置換器空間合適排出方法成為可能的列印頭之目的。
該目的係藉助於根據本發明之具有如請求項1所述之特徵的用於3D列印機列印頭之活塞、及如請求項4所述之列印頭來達成。
根據本發明之用於3D列印機(特別是金屬列印機)之列印頭的活塞包含活塞桿及柱塞，該柱塞具有具有一表面的壓力側，該表面為凸面或漸縮至一點。
為凸面或漸縮至點的柱塞之壓力側之該表面確保柱塞之幾何形狀，藉由該幾何構型有利地使得出現在金屬液相中之氣體內含物可滑離柱塞之表面且不在柱塞之表面上聚集成為可能。在3D列印機操作期間，及/或活塞之垂直移動期間，出現的氣體內含物經向上驅動經過柱塞之表面。取決於金屬或熔融物之液相黏度及氣體或空氣內含物之浮力，空氣內含物可滑動經過柱塞之表面並自其排出。
此外，柱塞之幾何形狀導致金屬之液相的部分藉由該幾何構型而移位，且因此有利地金屬之較少液相富含氣體內含物的事實。
在一個較佳實施方式中，柱塞之表面具有圓錐形構形。該幾何形狀有利地使得氣體內含物可滑離柱塞之表面且不會對列印頭之功能有負面影響成為可能。圓錐形形狀可依據金屬之液相的黏度而具有不同角度。
在另一實施方式中，柱塞之表面具有球形構形。球形可一句金屬之液相的黏度而具有不同半徑。
根據本發明之用於3D列印機(特別是金屬列印機)的列印頭包含殼體、用於進料金屬之設備、用於金屬液相的儲存槽、具有導引套管及噴嘴板之噴嘴設備，及根據本發明之活塞，該柱塞、該導引套管及該噴嘴板建構一用於接收金屬之液相的置換器空間。根據本發明，柱塞及導引套管建構用於在儲存槽與置換器空間之間導引通過液相的至少一個區域。
用於在儲存槽與置換器空間之間導引通過金屬之液相的區域不僅有利地確保液相之交換，而且確保氣體內含物自置換器空間輸送及/或排出至儲存槽中。置換器空間中之氣體內含物的比例決定性地定義整個列印頭之功能品質及列印機結果之再現性。
此外，根據本發明之列印頭有助於置換器空間中均勻壓力建立，因此金屬液相的改良之致動波動及/或改良之噴射成為可能。列印機結果之再現性因此得以顯著改良。
在一個開發中，用於導引通過液相之區域以此以下方式建構：出現在置換器空間內之液相中的氣體內含物可在活塞衝程期間，在噴嘴板的方向上通過柱塞之壓力側、經由該區進入儲存槽中而被移位或排出。結果，有利地使得在活塞往復移動之情況下，可實現液相或熔融物沿柱塞表面之相對移動。藉由按順序往復移動產生的該流動，沿柱塞之表面移動或推送氣體內含物，並將其導引至該區域。在列印頭啟動期間，特別是當柱塞下降至熔融物中時，柱塞之壓力側的表面自柱塞之中心分散熔融物，且沿柱塞表面推送熔融物，結果氣體內含物有利地在儲存槽之方向上自置換器空間移位。
在一個開發中，該區域具有用於自置換器空間排出氣體內含物至儲存槽中的空隙。藉由此空隙有利地簡化氣體內含物沿柱塞表面至儲存槽中的排出。在列印頭啟動期間，特別是當柱塞下降至熔融物中時，柱塞之壓力側的表面自柱塞之中心分散熔融物，且沿柱塞表面推送熔融物，結果氣體內含物有利地在儲存槽之方向上通過該空隙自置換器空間移位。
在空隙之一個實施方式中，其經建構為環形空隙。
環形空隙之形狀有利地使氣體內含物以360°通過柱塞之排出至儲存槽中成為可能。
在另一實施方式中，空隙經建構為在配置於柱塞之壓力側的第一平面中之環形空隙，及第二平面中之至少一個軸向凹槽。氣體內含物自置換器空間至儲存槽中之移位藉由該配置而最佳化。另外，經由空隙導引金屬之液相或導引熔融物經有利地改良。
在一個開發中，噴嘴板在經建構朝向置換器空間的其表面上，具有一凹槽，該凹槽具有相對於柱塞表面之對應配置。噴嘴板中之凹槽因此具有柱塞之壓力面的負形狀，結果柱塞可藉由其表面靠在噴嘴板之表面上。
藉由噴嘴板結合柱塞之該配置，列印頭有利地提供藉由柱塞移動直到與噴嘴板接觸、自置換器空間完全移除氣體內含物的可能性。在此情況下，柱塞及噴嘴板之表面輪廓彼此適應。
隨後，在其已移動至噴嘴板之後，柱塞再次縮回至導引套管內之工作位置中。為了防止空氣經由噴嘴板之出口開口流入，出口開口可例如藉由控制冷凍在活塞向上移動期間關閉。為此目的，儲存槽或電感器中之溫度例如藉助於電感器之熱輸出的降低而完全斷開。由於噴嘴板相對於儲存槽曝露於顯著較大範圍，且具有一大、相對對流及輻射區域，所以金屬液相或熔融物的固化將通常自噴嘴板開始析出。作為替代方案，氮氣可經由噴嘴板上之外部噴嘴以控制方式傳導，而熔融物可因此以點狀方式冷凍。
由於置換器空間中之氣體內含物對於3D列印中液滴形成的負面影響藉由本發明之上述特徵而得以減小或防止。氣體內含物之排出確保置換器空間之充足放氣；首先在啟動期間，及其次由於例如活塞之非最佳致動(若空氣在返回衝程期間經由噴嘴板抽吸)在列印頭操作期間出現的氣體內含物之情況下。藉由3D列印產生物件的液滴形成之部分或全部終止的後果得以防止。
本發明之其他有利改進可自圖式之描述收集，其中圖式中展示的本發明之例示性實施方式被更詳細地描述。
圖1展示根據本發明用於3D列印機的列印頭1之一個例示性實施方式。
列印頭1包含殼體3、用於進料固相金屬14的設備28、儲存槽7、27、具有出口開口10之噴嘴設備2，及活塞5。此外，列印頭包含用於活塞5之移位的致動器設備12。儲存槽7、27具有用於金屬14之液相8的熔融區20及置換器空間21，熔融區20鄰接惰性環境22，並以一種方式連接至置換器空間21，該方式使得金屬14之液相8可藉由活塞5之移位而被促使通過出口開口10。金屬14之液相8或液態金屬8亦稱為熔融物8，且惰性環境22係藉由惰性氣體22引入至儲存槽7、27中而形成。惰性氣體22之引入較佳地經由至儲存槽7、27中的列印頭1之冷區域發生。
儲存槽7、27經配置為坩堝27、配置於坩堝27外部的電感器35，及配置於坩堝內的感測器36，特別是溫度感測器。絕緣體(圖中未示)亦可視情況位於坩堝27與電感器35或電感器線圈35之間。
惰性氣體22相對於液態金屬8的邊界對應於儲存槽7、27中液態金屬8之填充位準。
此外，殼體3以多個部件建構，該殼體3包含至少一個冷卻凸緣25、絕緣板26及儲存槽7、27。量測設備之熱敏元件可有利地以此方式屏蔽。
活塞5以多個部件建構，該活塞5包含由金屬材料製成的至少一個活塞桿17，及由陶瓷製成的柱塞18。自致動器設備12開始，活塞桿17突出穿過冷卻凸緣25及絕緣板26，直到進入儲存槽7、27中，其中該活塞桿合併至柱塞18中。
冷卻凸緣25具有用於容納經建構為壓電致動器12之致動器設備12的凹槽30。壓電致動器12在操作期間以一種方式固定於凹槽30中，該方式使得若施加電壓，則壓電致動器施加工作衝程於活塞5上，特別是施加於活塞5之活塞桿17上。活塞桿17傳輸工作衝程至柱塞18，結果柱塞誘發金屬14之液相8通過出口開口10。活塞5可在無驅動致動器12情況下，藉由彈簧13經重設至起始位置中，彈簧13配置於肩部24與致動器12之間的冷卻凸緣25之凹槽30中。彈簧13經建構為碟形彈簧。
此外，冷卻凸緣25具有用於冷卻之冷卻導管31。冷卻導管31經配置於冷卻凸緣25與絕緣板26之間，並經由冷卻媒介沖洗。此藉由熔融物8相對於加熱作為冷卻，並在操作期間冷卻致動器12。冷卻凸緣25由金屬材料形成。
在冷卻導管31之一側、靠在冷卻凸緣25上的絕緣板26係由熱絕緣材料形成，且以其減少自儲存槽7、27至冷卻凸緣25之熱傳遞的方式建構。
用於進料金屬14之設備28或補給單元28朝向儲存槽7、27打開，且配置於冷卻凸緣25及絕緣板26中。補給單元28突出穿過冷卻凸緣25及絕緣板26，且待列印之金屬14或材料14可藉由設備28自外部進料。可較佳地使用預計量材料片段或顆粒。開口29位於絕緣板26至儲存槽7、27之過渡區處，材料14經由開口29傳遞至儲存槽7、27中。開口29可藉由設備32關閉，結果該開口29較佳地僅於材料14進料時才打開，因此能量及/或氣體自惰性環境22的洩漏得以減小。
金屬14以固相14形式傳遞至坩堝之熔融物區20中並藉由電感器35加熱，直至其傳遞至液相8中為止。當達到熔融物8之所需製程溫度(此製程溫度由溫度感測器36判定)時，列印頭1可同時開始操作。活塞5之柱塞18的壓力側19在熔融物8中，及/或柱塞18被熔融物8環繞，且在至活塞桿17之連接側在惰性環境22中及/或被惰性環境22環繞。活塞桿17由於生產製程不與熔融物8接觸。
柱塞18之陶瓷有利地能極高度傳導溫度，以使藉由電感器35產生的熱能夠令人滿意地傳輸至置換器空間21中。
在壓電致動器12致動後，柱塞18之壓力側19或表面39 (其壓力側19或表面39在此實施方式中為尖的或圓錐形)在出口開口10的方向上對置換器空間21中之熔融物8施加壓力及/或衝程，且藉由噴嘴設備2或噴嘴設備2之出口開口10確保液滴15之噴射。噴嘴設備2 (特別是噴嘴板9)係可替換的，因此不同噴嘴幾何形狀之使用係可能的。噴嘴板9展示為具有平坦上部側49，用於出口開口10之凹槽配置於平坦上部側中。在用於此例示性實施方式之一個開發中(圖中未示)，噴嘴板9可在朝向置換器空間21建構的其表面49上具有一凹槽，該凹槽具有相對於柱塞18之表面39的對應形狀。
圖2展示根據本發明之活塞17、以及另一實施方式中之導引套管11、具有凸表面39 (特別是圓錐形表面39)的柱塞18之壓力側19的詳細說明。在一個例示性實施方式(圖中未示)中，柱塞之表面39亦可具有球形構形。此外，圖2展示根據本發明之列印頭1、配置用於在儲存槽27與置換器空間21之間導引液相8之至少一個區域40的柱塞18及導引套管11的細節。
區域40係以出現在置換器空間21內之液相8中之氣體內含物可在活塞衝程期間，在噴嘴板9的方向上經由區域40移位經過柱塞18之壓力側19、至儲存槽7、27中的方式建構。區域40具有用於將氣體內含物自置換器空間21排出至儲存槽7、27中的空隙46，且經建構為在配置於柱塞18之壓力側19上的第一平面41中之環形空隙、及配置在第二平面42中之至少一個軸向凹槽。
在一個簡單實施方式(圖中未示)中，空隙46可僅僅建構為環形空隙。
若第二平面具有部分區域(圖中未示)，經由該部分區域，柱塞18同心地在圓形導引套管11中導引，則此係有利的。
噴嘴板9展示為具有平坦上部側49，用於出口開口10之凹槽配置於平坦上部側中。在用於此例示性實施方式之一個開發中(圖中未示)，噴嘴板9可在朝向置換器空間21建構的其表面49上具有一凹槽，該凹槽具有相對於柱塞18之圓錐形表面39的對應配置。
圖3展示在列印頭1之置換器空間21中的壓力波45之說明，該壓力波45係藉由活塞5或柱塞18之往復移動而產生。
柱塞18之表面39或表面輪廓對於在噴嘴板9之方向50上的致動或壓力波動沒有影響，此係由於壓力波45繼續在噴嘴板9之軸向方向50上被致動。壓力波45之傳播以相對於活塞運動之共線方式發生。
實情為，柱塞18之表面39的形狀具有以下目標：藉由柱塞18之流線型輪廓或表面39，熔融物8可在推入期間或甚至在高頻致動之情況下直接沿表面39遍部，結果儘可能達成熔融物8之層流。出現的氣體內含物至少在操作期間滑離柱塞18之表面39，並藉由在柱塞18與導引套管11之間的區域40中之空隙46傳遞至儲存槽27中。
若在置換器空間21之熔融物8中存在非所要氣體內含物，則整個柱塞18可例如拉出熔融物8，且可隨後再次緩慢降低，以使現有氣體內含物被允許藉由柱塞18穿透至熔融物8中而滑離柱塞18之表面39。
圖4展示列印頭1之另外實施方式，具有一凸面(詳言之圓錐形表面39)之壓力側19的活塞5之柱塞18。此外，柱塞18及導引套管11形成用於在儲存槽27與置換器空間21之間導引液相8的區域40，空隙46經建構為在配置於柱塞18之壓力側19的第一平面41中的環形空隙，與經配置為第二平面42中之至少一個軸向凹槽。
噴嘴板9在朝向置換器空間21建構的其表面49上，具有一凹槽，該凹槽具有相對於柱塞18之表面39之對應配置。噴嘴板9中之凹槽因此具有柱塞18之壓力面19的負形狀，結果柱塞18可藉由其表面39靠在噴嘴板9之表面49上或完全浸漬至表面49中。
除了最佳化柱塞幾何形狀(藉助於其，置換器空間11之經改良除氣係可能的)之外，此處展示之實施方式使得在操作之前及/或在列印頭1之啟動期間除氣或放氣成為可能。
為了自置換器空間21之熔融物8移除氣體內含物，柱塞18可儘可能完全移動至噴嘴板9之凹槽中，直至接觸為止。此達成在柱塞18之表面39與噴嘴板9之表面49之間不再存在任何氣體內含物的情形。在柱塞18抽出至導引套管11內之工作位置中期間，藉由區域40以來自儲存槽27的金屬之液相8填充置換器空間21發生。
為了防止氣體往回流動穿過噴嘴板9之出口開口10至置換器空間21中，出口開口10可按以下方式關閉；以機械方式藉由閉合設備(圖中未示)或藉由圍繞出口開口10的區域之控制冷卻。
冷卻例如藉助於以下方式實現：儲存槽或坩堝中之溫度藉由電感器35之熱輸出的減小而減小。由於噴嘴板9相對於坩堝27曝露於顯著較大範圍且具有一大、相對對流及輻射區域，所以熔融物之固化將通常自噴嘴板9開始析出。
在另一變化中，噴嘴板9或出口開口10亦可以點狀方式，藉由液態氮之施加而冷凍。液態氮可例如藉由噴嘴(圖中未示)導引至噴嘴板上。在運用熔融物8填滿置換器空間21之後，冷凍之熔融物8在出口開口10內液化，結果列印頭準備再次操作。
無
圖1展示在一個實施方式中根據本發明之列印頭的截面圖，
圖2展示在另一實施方式中具有導引套管之根據本發明的活塞之詳細說明，
圖3展示在列印頭中之壓力波的說明，且
圖4展示在另一實施方式中之具有導引套管的根據本發明之活塞的詳細說明。

Claims (9)

  1. 一種用於一3D列印機(特別是一金屬列印機)之一列印頭(1)的活塞(5)，其包含一活塞桿(17)及一柱塞(18)，其特徵在於 該柱塞(18)具有一具有一表面(39)的壓力側(19)，該表面為凸面或漸縮至一點。
  2. 如請求項1所述之活塞，其中 該柱塞之該表面(39)具有圓錐形構形。
  3. 如請求項1所述之活塞，其中 該柱塞之該表面(39)具有球形構形。
  4. 一種用於一3D列印機(特別是一金屬列印機)的列印頭(1)，其包含一殼體(3)、一用於進料一金屬(14)之設備(28)、一用於該金屬(14)之一液相(8)的儲存槽(7、27)、一具有一導引套管(11)及一噴嘴板(9)之噴嘴設備(2)，及如前述請求項中任一項之一活塞(5)，該柱塞(18)、該導引套管(11)及該噴嘴板(9)建構一置換器空間(21)，其特徵在於 該柱塞(18)及該導引套管(11)建構用於在該儲存槽(27)與該置換器空間(21)之間導引通過該液相(8)的至少一個區域(40)。
  5. 如請求項4所述之列印頭(1)，其中 該區域(40)係以出現在該置換器空間(21)內之該液相(8)中之氣體內含物可在一活塞衝程期間，在該噴嘴板(9)的方向上經由該區域(40)移位通過該柱塞(18)之該壓力側(19)、至該儲存槽(7、27)中的此一方式建構。
  6. 如請求項4及5中之任一項所述之列印頭(1)，其中 該區域(40)具有用於自該置換器空間(21)排出氣體內含物至該儲存槽(7、27)中的一空隙(46)。
  7. 如請求項6所述之列印頭(1)，其中 該空隙(46)經建構為一環形空隙。
  8. 如請求項6所述之列印頭(1)，其中 該空隙(46)經建構為在配置於該柱塞(18)之該壓力側(19)的一第一平面(41)中之一環形空隙，及經配置為在一第二平面(42)中之至少一個軸向凹槽。
  9. 如前述請求項中任一項所述之列印頭(1)，其中 ， 噴嘴板(9)在朝向該置換器空間(21)建構的其表面(49)上，具有一凹槽，該凹槽具有相對於該柱塞(18)之表面(39)之對應形狀。
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