用于3D打印的打印机头的制作方法

本发明总体上涉及3d打印领域。更具体地，本发明涉及用于3d打印装置的打印机头和用于控制这种打印机头的方法。

背景技术：

增材制造(有时还被称为3d打印)是指用于合成三维物体的过程。3d打印正在迅速普及，因为它能够执行快速原型制作而无需组装或模制技术来形成所需的制品。

通过使用3d打印装置，可以在通常由计算机模型控制的多个打印步骤中以三维方式构建制品或物体。例如，可以提供物体的切片3d模型，其中每个切片由3d打印装置在分立打印步骤中重新创建。3d打印装置可以从分配器挤出可挤出材料的连续层，并且层在挤出(沉积)之后可以被固化或以其他方式硬化，例如使用激光来诱导该固化过程。在us2010/0327479a1中公开了这种3d打印装置的一个示例。

最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(fdm)的过程。将理解，fdm的其他术语是“熔丝制造”(fff)或“丝3d打印”(fdp)，它们被认为等同于fdm。fdm是一种增材制造技术，通常用于成型、原型制作和生产应用。fdm根据“增材”原理通过分层铺设材料来工作：塑料丝或金属线可以从线圈松开并被沉积以生产物体。可能地，例如对于热塑性塑料，可以在沉积之前将丝熔化并挤出。通常，fdm打印机使用热塑性丝，其被加热到其熔点，然后逐层(或丝接丝地)挤出，以创建三维物体。

ep-3168029公开了一种用于挤出材料的挤出工具。挤出工具包括：用于接收材料流的入口、以及用于允许材料流的输出的出口。挤出工具还包括中空工具本体，该中空工具本体具有：允许材料进入中空工具本体的入口端、以及允许材料从中空工具本体流出的出口端。中空工具本体还具有至少部分位于中空工具本体内并延伸到挤出工具的出口的针。多个臂将针机械地联接到中空工具本体。

fdm是一种快速原型制作技术，这意味着fdm打印机相对较快、具有成本效益，并且可以用于打印相对复杂的物体。fdm技术还在led灯具和照明解决方案的生产中得到进一步发展。

然而，这种类型的打印机可能遭受制造物体的缺点，物体由于沉积方法而经常显示出缺陷。例如，由于将各个丝相继沉积到先前沉积的丝层上，这些缺陷可能包括脊和/或台阶结构，也被称为“罗纹”结构。换句话说，在材料的挤出期间，材料可能会侧向流动，从而导致圆化的边缘。将理解，脊不仅不利于结构完整性(产生引起裂纹和分层的许多引发剂)和打印物体的整体零件公差，而且它们也不美观。为了避免这种情况，已经提出了用于使表面光滑的方法，例如，借助于溶剂蒸汽、涂料和/或涂层。但是，这些方法的显著缺点是它们需要一个或多个额外的处理步骤。

因此，感兴趣的是能够高效且方便地消除或减少3d打印物体的脊和/或阶梯结构的出现的备选解决方案，从而使产生的物体变得更稳定、更易于集成和/或更美观。

技术实现要素：

本发明的一个目的是减轻上述问题，并且提供一种用于通过3d打印创建物体的打印机头，其中如此产生的物体具有改善的表面纹理。因此，与通过根据现有技术的3d打印产生的物体相比，这可以导致物体的改善的视觉性质。

通过提供具有独立权利要求中的特征的打印机头和3d打印机来实现该目的和其他目的。优选实施例在从属权利要求中限定。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于3d打印装置的打印机头。打印机头包括喷嘴，喷嘴被布置成沿着喷嘴的主轴线挤出打印材料。喷嘴包括开口，开口与主轴线垂直，并且允许打印材料流从中穿过。另外，喷嘴包括元件，该元件关于打印材料流的方向被布置在开口的下游，并且被布置在沿着主轴线的一个位置处，其中元件具有椭圆体形状或球形形状。而且，开口具有第一区域，并且该元件具有与第一区域平行的截面的第二区域，其中在沿着主轴线的方向上、在第一区域上的投影中，第二区域由第一区域限定，使得在打印机头的操作期间，喷嘴允许沿着主轴线、穿过开口并且在该元件周围的打印材料流。

因此，本发明是基于提供用于3d打印装置的打印机头的构思，其中喷嘴被配置成沉积打印材料。在该沉积期间，打印材料被布置成穿过喷嘴的开口的第一区域，并且在被布置在开口的下游的元件周围流动。由于元件在其截面中具有第二区域，该第二区域在主轴线的方向上看时由第一区域限定(即小于第一区域)，因此来自喷嘴的开口的打印材料流的中心部分被在开口的下游布置的元件阻碍或阻挡，并且来自开口的打印材料流据此被配置成在该元件周围流动。因此，形成了打印材料的中空管，该打印材料的中空管沉积在下面的材料(例如，构建平台或先前沉积的层)上。将理解，中空管最终被配置成在沉积之后塌陷，即中空管变得相对平坦。

本发明的优点在于，可以减少沉积的打印材料的边缘的圆化或“鼓起”。这由本发明的打印机头来实现，其中与现有技术中的装置相比，喷嘴的元件被配置成：以更精确的方式限定在打印机头的操作期间从喷嘴流出的打印材料的几何形状。更具体地，由于在打印机头操作期间，该元件被定位在打印材料流中，因此在已经通过本发明的打印机头的喷嘴沉积打印材料之后，沉积的打印材料的层的鼓起轮廓可以减小。

据此，本发明可以避免与去除在打印物体上出现的打印材料的脊或鼓起有关的任何附加处理步骤。将理解，附加处理步骤可能包括对3d打印物体的表面的机械后处理和/或将溶剂蒸气、涂料和/或涂层施加到物体表面，这可能导致制造成本和/或时间上的增加。相比之下，在另一方面，本发明的打印机头导致节省成本和/或节省时间的操作。

本发明的另外的优点在于，可以通过打印机头方便地减少3d打印物体的打印材料的脊或鼓起，使得由3d打印装置产生的物体可以变得更稳定、更容易集成和/或更美观。

3d打印装置的打印机头包括喷嘴，喷嘴被布置成沿着喷嘴的主轴线沉积打印材料。例如，喷嘴可以沿着作为喷嘴的主轴线的竖直轴线延伸，使得可以竖直向下地沉积打印材料。术语“打印材料”在这里是指可以挤出的材料，例如塑料材料。另外，术语“打印材料”可以是指单个类型的可打印材料，但是还可以是指多种不同的可打印材料。因此，术语“打印材料”还可以是指两种以上材料的组合。

喷嘴包括垂直于主轴线的开口。换句话说，开口具有垂直于主轴线的截面，并且开口允许打印材料流从中穿过。

另外，喷嘴包括关于打印材料流的方向布置在开口的下游的元件，并且该元件还被布置在沿着主轴线的一个位置处。而且，该元件在垂直于主轴线的平面中具有截面，该截面限定第二区域。该第二区域与第一区域平行。在沿着主轴线的方向的第一区域上的第二区域的投影中，第二区域在垂直于喷嘴的主轴线的平面中由第一区域限定。因此，在打印机头的操作期间，喷嘴允许打印材料沿着主轴线、穿过开口并且在元件周围流动。因此，在主轴线的方向上看，元件的第二区域小于开口的第一区域，并且由开口的第一区域限定。因此，在打印机头的操作期间，穿过喷嘴的开口的打印材料流至少部分地被该元件阻碍。

根据本发明的一个实施例，开口为圆形。因此，喷嘴的开口的截面为圆形，导致在打印机头的操作期间从喷嘴挤出的打印材料的圆形截面。

关于打印材料流的方向布置在开口的下游的元件具有椭圆体形状或球形形状。这是有利的，因为元件的(外)表面的圆形形状可以允许打印材料在元件周围的便利流动，该打印材料随后可以沉积在构建平台或一个或多个先前沉积的层上。

将理解，在打印机头的操作期间，元件的椭圆体形状或球形形状可以实现相对较低的压力下降和/或实现对打印材料的层流的最小干扰。另外，通过提供椭圆体形状的元件，可以实现打印材料的相对稳定的流动。

根据本发明的一个实施例，元件相对于打印机头的预期移动方向倾斜。换句话说，元件可以围绕垂直于喷嘴的主轴线并且垂直于打印机头的预期移动方向的轴线倾斜。本实施例的优点在于，椭圆体相对于打印机头的预期移动方向成一定角度的布置可以防止分层。根据本发明的一个实施例，元件相对于打印机头的预期移动方向的倾斜的角度α为0°＜α＜60°。

根据本发明的一个实施例，元件的中心被布置成在与打印机头的预期移动方向相反的方向上与喷嘴的主轴线偏移一定距离。本发明的优点在于，可以改善在元件周围的打印材料的流动。

根据本发明的一个实施例，打印机头还包括用于保持元件的紧固装置。本实施例的优点在于，在打印机头的操作期间，紧固装置可以方便地将元件保持在来自喷嘴的打印材料流中。

根据本发明的一个实施例，紧固装置包括被布置在开口与元件之间的至少一个连接元件，其中至少一个连接元件的至少一部分包括圆化的表面，该至少一部分被布置成在打印机头的操作期间与沿着主轴线的打印材料流接触。因此，元件经由一个或多个连接元件连接到开口，并且(多个)连接元件具有一个或多个部分或区域，该一个或多个部分或区域在打印机头的操作期间面向沿着主轴线的打印材料流。本实施例的优点在于，打印材料可以在连接元件周围顺畅地流动，使得在打印机头的操作期间，连接元件对打印材料流的干预最小。

根据本发明的一个实施例，打印机头还包括布置在开口周围的板。可以被布置在垂直于喷嘴的主轴线(即，平行于打印机头的预期移动方向)的平面中的板，被配置成在操作期间与由打印机头沉积的打印材料接触。本实施例的优点在于，在打印机头的操作期间，在打印材料的沉积(挤出)之后，板可以据此方便地使打印材料的至少上部平坦。因此，打印机头的板可以进一步减小所沉积的打印材料的鼓起效应。

根据本发明的一个实施例，板包括在开口附近的表面。该表面被配置成在操作期间与由打印机头沉积的打印材料接触，其中该表面的第一部分相对于垂直于打印机头的预期移动方向并且垂直于喷嘴的主轴线的轴线倾斜。本实施例的优点在于，板的这种特定的“屋顶”形状可以有效地使所沉积的打印材料的侧面平坦。

根据本发明的一个实施例，在与打印机头的预期移动方向相反的方向上的板的表面的第二部分关于垂直于打印机头的预期移动方向并且垂直于喷嘴的主轴线的轴线平行。换句话说，板的表面的第二部分包括直边。本实施例的优点在于，它可以进一步使所沉积的打印材料的侧面平坦。

根据本发明的一个实施例，板的表面的第一部分的倾斜度在朝向板的表面的第二部分的方向上不断减小。

根据本发明的一个实施例，提供了一种3d打印装置，其包括根据前述实施例中的任一个的打印机头。

当研究以下详细公开内容、附图和所附权利要求时，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，可以组合本发明的不同特征以创建不同于下面描述的实施例的实施例。

附图说明

现在将参考示出本发明的(多个)实施例的附图更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。

图1是根据现有技术的3d打印装置的打印机头的示意图，

图2是根据本发明的示例性实施例的3d打印装置的打印机头的示意图，

图3是根据本发明的一个示例性实施例的喷嘴的元件的示意图，以及

图4是根据本发明的一个示例性实施例的3d打印装置的打印机头的操作的示意图。

具体实施方式

图1是根据现有技术的3d打印装置的打印机头10的示意图。打印机头10使用呈热塑性丝20的形式的打印材料，该打印材料被馈送到喷嘴30以用于沉积。丝20被加热到容易流动的温度，并且喷嘴30可以在层40中沉积(挤出)打印材料以创建3d物体。这种类型的3d打印装置相对较快、具有成本效益，并且可以用于打印相对复杂的3d物体。

在3d打印装置的操作期间，相对热的打印材料被按压通过打印机头10的喷嘴30，并且在构建板上或打印材料的先前固化的层上固化。如图1中示意性所示的，由于熔化的打印材料的层流，层40通常包括鼓起或圆化的边缘45。因此，鼓起的层40导致产生的3d物体的相对粗糙的表面光洁度。另外，鼓起的层40可能不利于3d打印物体的结构完整性和整体零件公差，因为它们可能产生引起裂纹和分层的引发剂。

图2是根据本发明的一个实施例的用于3d打印装置的打印机头100的示意图，其中打印机头100的目的是克服根据现有技术的3d打印的上述缺点。

打印机头100包括喷嘴110，喷嘴110被布置成熔化并挤出打印材料115。可以通过打印机头100的馈送装置118将打印材料115馈送到喷嘴110。这里，馈送装置118被例示为两个辊118a-118b，该两个辊118a-118b被配置成抵靠打印材料115并且在相反的方向上旋转，从而将打印材料115馈送到喷嘴110。将理解，可以是塑料的打印材料115可以具有丝的形式。

可以特别适合作为3d可打印材料的打印材料115可以选自由以下构成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅酮等。特别地，打印材料115可以包括选自由以下材料构成的组的(热塑性)聚合物：abs(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或聚酰胺)、乙酸盐(或纤维素)、pla(聚乳酸)、对苯二甲酸酯(诸如，pet聚对苯二甲酸乙二醇酯)、丙烯酸(聚丙烯酸甲酯、有机玻璃(perspex)、聚甲基丙烯酸甲酯pmma)、聚丙烯(polypropylene)(或聚丙烯(polypropene))、聚苯乙烯(ps)、pe(诸如，发泡高抗冲聚乙烯(polythene)(或聚乙烯(polyethene))、低密度pe(ldpe)、高密度pe(hdpe))、pvc(聚氯乙烯(polyvinylchloride))、聚氯乙烯(polychloroethene)等。可选地，打印材料115可以选自由以下构成的组：脲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯(pc)、橡胶等。可选地，打印材料115可以包括选自由以下构成的组的材料：聚砜、聚醚砜、聚苯砜、酰亚胺(诸如，聚醚酰亚胺)等。将理解，打印材料可以是光透射的，更具体地是光学透明的。ppma、pc、无定形pet、ps以及它们中的两种或更多的共聚酯可以是合适的聚合物。另外，还可以应用这些中的两种或更多的混合物。因此，可以施加对于可见光至少部分透射的聚合物材料。例如，聚合物材料可以对光透明。

将理解，术语“聚合物材料”在实施例中可以指不同聚合物的混合物，但是在实施例中还可以指具有不同聚合物链长的基本上单一类型的聚合物。因此，术语“聚合物材料”或“聚合物”可以指单个类型的聚合物，但是还可以指多种不同的聚合物。通常，(聚合物)材料具有玻璃化转变温度tg和/或熔化温度tm。在打印材料115离开喷嘴110之前，打印材料115可以被打印机头100加热到以温度，该温度为至少玻璃化转变温度，并且通常为至少熔化温度。因此，打印机头100的操作可以包括：将打印材料115加热到其玻璃化转变温度以上，并且如果它是半结晶聚合物，则还将其加热到其熔化温度以上。在又一个实施例中，打印材料115可以包括具有熔点tm的(热塑性)聚合物，并且打印机头100的操作可以包括：将待沉积的打印材料115加热到至少熔点的温度。

喷嘴110沿着主轴线a延伸(伸长)，主轴线a在图2的示例中平行于垂直方向。喷嘴110可以被布置成沿着喷嘴110的该主轴线a沉积打印材料115。喷嘴110包括用于允许打印材料流从中穿过的开口120，其中开口120被布置在(位于)垂直于主轴线a的平面中。

元件140关于打印材料115的流的方向被布置在开口120的下游，并且被布置在沿着主轴线a的一个位置处。这里，元件140具有椭圆体形状，其中元件140的沿着主轴线a的直径d1小于元件140的沿着垂直于主轴线a的轴线的直径d2。元件140的较小直径d1与较大直径d2之比(即d1/d2)可以例如是0.5-1。另外，元件140的直径d1与开口120的直径do的比(即d1/do)可以例如是0.5-1。而且，喷嘴110的开口120的直径do可以是0.5mm-5mm。

打印机头100还包括用于保持元件140的紧固装置200。这里，紧固装置200包括在喷嘴110的开口120和元件140之间布置的多个连接元件210a-210d。这里，连接元件210a-210d被例示为条，但是应当注意，连接元件210a-210d可以具有基本上任何形状。另外，将理解，连接元件210a-210d的数目是任意的。

连接元件210a-210d包括相应的部分，相应的部分被布置成在打印机头100的操作期间与沿着主轴线a的打印材料流接触。这些部分包括圆化的表面，使得在打印机头100的操作期间，连接元件210a-210d对打印材料流的干预最小。

打印机头100还包括板300，板300被布置在喷嘴110的开口120周围。板300被例示为矩形厚板(slab)，其中板300被配置成在操作期间与由打印机头100沉积的打印材料接触。将理解，元件140、紧固装置200和/或板300可以包括非粘性、低摩擦的涂层，以在打印机头100的操作期间，减少与打印材料的粘附。涂层可以包括聚四氟乙烯(ptfe、特氟隆)等。

板300包括在开口120附近的表面，其中该表面被配置成在操作期间与由打印机头100挤出的打印材料115接触。该表面的第一部分相对于轴线b倾斜，轴线b垂直于打印机头100的预期移动方向并且垂直于喷嘴110的主轴线a。如由图2所指示的，该表面包括在开口120附近的“屋顶形状”。

另外，在与打印机头100的预期移动方向相反的方向上的板300的表面的第二部分关于轴线b平行。因此，因为打印机头100的预期移动方向在图2中为向左，所以板300的表面的第二部分在该图中被提供为向右。

而且，板300的表面的第一部分的倾斜度在朝向该板的表面的第二部分的方向上不断减小。换句话说，板的“屋顶形状”沿着图2中的线或轴线l不断减小。因此，在该附图的最右侧，“屋顶形状”消失，并且第二部分的边缘是直的。

图3是根据本发明的一个示例性实施例的打印机头100的喷嘴110的示意图。这里，沿着主轴线a，即沿着打印机头100的操作期间的打印材料流，描绘喷嘴110。喷嘴110的开口120具有第一区域130。这里，开口120是圆形的，但是将理解，开口120可以具有基本上任何形状。元件140具有垂直于主轴线a的截面，其中该截面具有第二区域150，第二区域150较小并且由第一区域130限定。换句话说，在沿着主轴线a的方向的第一区域130上的投影中，第二区域150由第一区域130限定。因此，在打印机头100的操作期间，元件140(的第二区域150)和喷嘴的开口120(的第一区域130)之间的关系允许打印材料沿着主轴线a、穿过开口120并且在元件140周围流动。

连接元件210a-210d的部分(即，面向图3中的观察者的连接元件210a-210d的部分)可以包括圆化的表面，连接元件210a-210d的该部分被布置成在打印机头100的操作期间与沿着主轴线a的打印材料流接触。

图4是根据本发明的一个示例性实施例的打印机头的喷嘴110的又一示意图。在打印机头的操作期间，如由竖直箭头所指示的，打印材料115沿着喷嘴110的主轴线a向下流动。打印材料115穿过喷嘴110的开口并且在元件140周围流动。然后，打印材料115被沉积在构建平台135上，并且喷嘴110的板300被配置成与所沉积的打印材料115接触，板300被布置在开口周围，并且在打印机头的预期移动方向d的相反方向上延伸(如箭头所示)，并且与构建平台135平行。

根据图2的喷嘴110，图4中的元件140具有椭圆体形状，其中元件140的直径d1小于元件140的直径d2。在该实施例中，元件140相对于打印机头的预期移动方向d倾斜。更具体地，元件140相对于打印机头的预期移动方向d的倾斜的角度α可以是0°＜α＜60°。

另外，图4中的元件140的中心被布置成在与打印机头的预期移动方向d相反的方向上与喷嘴110的主轴线a偏移距离d。优选地，偏移d小于喷嘴110的开口的半径(直径do/2)。另外，优选地，在垂直于喷嘴110的主轴线a并且垂直于打印机头的预期移动方向d的方向上，元件140不存在偏移。

而且，图4中的元件140的中心被轴线f横穿，该轴线f与打印机头的预期移动方向d平行，并且在板300和构建平台135之间居中。换句话说，元件140的中心优选地被提供在板300和构建平台135之间。

本领域技术人员会认识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变化。例如，将理解，附图仅仅是根据本发明的实施例的打印机头的示意图。因此，打印机头100的任何元件/组件(诸如喷嘴110、元件140等)可以具有与所描绘和/或描述的那些不同的尺寸、形状和/或大小。例如，喷嘴110、元件140等可以比附图中例示的更大或更小。