用于3D打印的树脂挤出打印头

相关申请

本申请要求于2018年9月26日提交的美国临时专利申请序列号62/736980的优先权，其全部内容纳入本文。

背景技术：

近年来，台式3d打印机越来越受欢迎。基于融合沉积建模(fdm)的3d打印机由于其易用性，目前正主导着台式3d打印市场。然而，fdm不足以满足市场需求，因为它只能使用热塑性长丝进行打印。

立体光刻术(sla)是3dsystems于1984年首次发明的3d打印工艺，由于其能够通过使用激光(或其他光源)扫描树脂罐并选择性地固化液态树脂来用液态树脂进行打印，因此仍然是非常受欢迎的3d打印工艺。由于液态树脂的特性，与fdm相比，sla打印的零件通常具有改善的表面光洁度和各向同性。

然而，由于多种原因，sla对普通消费者并不友好。首先，sla打印机的成本通常高得多。第二，它需要仔细的后处理，由于当将打印部分从树脂罐中取出时需要清洁粘性的树脂，这是一个非常麻烦的过程。后处理通常需要用户戴手套，并且对于家庭或办公室使用不友好，这也会花费大量时间并且显著增加了人工成本。第三，树脂罐的使用通常导致大量浪费昂贵的树脂，因为由于污染的可能性，难以使用所有的树脂并且难以回收树脂罐中的未使用的树脂。第四，树脂罐通常是消耗品，需要经常更换以确保打印质量。

尽管能将注射器安装在fdm打印机上以打印液体树脂，但是由于注射器体积的限制，将需要持续地再填充并中断打印过程，这是不实用的。

技术实现要素：

在一个实施例中，本发明提供了一种涉及打印头的方法、方式、设备和系统，该打印头可以在fdm打印机上打印液态树脂，因此享有fdm的易用性和sla的优点。

在另一个实施例中，本发明提供了一种具有微型齿轮泵的方法、方式、设备和系统，该齿轮泵可以将液态树脂从树脂罐连续地驱动到喷嘴。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其在挤出后立即使用紫外线发光二极管(uvled)光固化挤出的树脂。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，与其他泵送机构相比，该方法、方式、装置和系统提供了一种微型齿轮泵，该微型齿轮泵使得液态树脂能够以预定或特定的流量始终一致地挤出。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，该方法、方式、设备和系统仅需要对现有的fdm3d打印机进行少量改动，通过将步进电机连接到现有的基于螺杆的挤出机的泵的驱动轴上，并用一个简单的喷嘴和uvled阵列替换热端和风扇即可。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其贡献了一种采用常规fdm打印机来打印液态树脂的新方法。它在以下几个方面推进了3d打印领域：

它提供了一种廉价的方式来改造低成本fdm打印机以用于打印液态树脂，液态树脂目前主要通过基于立体光刻的工艺进行打印。

它消除了树脂罐的使用，并且仅将树脂沉积在需要的地方，这减少了浪费和成本。

它不需要麻烦的后处理，因此减少了人工成本。

它使树脂打印更易于消费者获得。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其能够以液体形式打印任何材料，只要有办法能够将液体材料快速转变为固体，诸如水凝胶、pdms(聚二甲基硅氧烷)、浆料、粘合剂等。

在另一个实施例中，本发明提供了一种打印粘合剂的方法、方式、设备和系统。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其通过提供可在同时沉积粘合剂的同时铺设碳纤维带的打印头来实现外来材料(例如，碳纤维)的增材制造。该新方法和系统能显著地延伸易于使用的低成本的基于挤出的3d打印机的应用并加速3d打印机的采用。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其提供了使常规的fdm打印机能够使用液态树脂进行打印的廉价方法，它与立体光刻相比具有许多优点，例如成本更低、易于使用、更清洁、后处理更少、材料浪费更少、所需消耗品更少等。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其与市场上的sla打印机相比，具有以下优点：

1.低成本：仅需改造低成本的fdm打印机，该打印机比sla打印机便宜得多。

2.易于使用：与sla打印机相比，fdm打印机更易于获得且更易于使用。

3.更清洁：在我们的方法中主要不包括处理杂乱的树脂罐和粘性树脂的需求。

4.后处理更少：无需每次打印后清洁零件。

5.材料浪费更少：仅在需要的地方沉积树脂，并避免在树脂罐中浪费树脂。

6.所需的消耗品更少：没有偶尔更换树脂罐的需求，没有每次打印后使用过多的清洁剂的需求。

7.打印较大零件的可能性：随着sla的打印尺寸增加，树脂罐也需要变大，并且随着树脂罐变大，使液面平整变得越来越困难。而fdm打印机可以比sla打印机大很多。

应当理解的是，前述总体描述和随后的详细描述两者都仅仅是示例性和说明性的，并且不限制于所要求保护的本发明。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，贯穿若干视图，相似的数字能描述基本相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以代表基本相似的部件的不同示例。附图借助示例而非限制大体上示出了本文件中讨论的某些实施例的详细描述。

图1是本发明实施例的3d打印机的轴测图。

图2是本发明实施例的泵组件的分解图。

图3是本发明实施例的固化组件的分解图。

图4是图3所示实施例的仰视图。

图5示出了本发明实施例的z轴线上料器。

图6示出了本发明的实施例的储存器。

图7是图6所示实施例的前视图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅是能够以各种形式实施的本发明的示例。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员以实际上任何适当详细的方法、结构或系统来多样地应用本发明的代表性基础。此外，本文所使用的术语和短语不旨在限制，而是旨在提供对本发明的可理解的描述。

在优选实施例中，本发明提供了一种方法、方式、设备和系统，其包括与图1所示的打印系统100一起使用的微型齿轮泵和喷嘴安装部。如图所示，系统100包括泵组件111、步进电机112、联接器113、能为选择性柔顺组件机械臂的打印臂114、喷嘴组件115、z轴线上料器116和储存器117，储存器117在优选实施例中能是罐组件。

如图1进一步所示，喷嘴安装部150是一个简单的固定件，用于承载喷嘴160和固化源170，在优选实施例中，固化源170能是多个灯、诸如紫外线发光二极管(uvled)。该部件能安装在3d打印机的平台上，以在xyz中移动并沉积和固化液态树脂。液体源、诸如罐117，能使用抗紫外线管180连接到泵和喷嘴。

在其他实施例中，本发明能用于打印液体树脂以外材料的液体，例如温度敏感水凝胶和pdms。在这些情况下，uvled能替换为能固化该液体的其他机构(例如，一个或多个小加热器或其他加热元件)。

一方面，如图2所示，本发明设置了微型泵200。在优选实施例中，200是齿轮泵，其包括泵体211、连接配件212a和212b、面板215、对准销216、o形环217、齿形齿轮218和o形环219。

驱动齿轮由3d打印机中的步进电机驱动，该步进电机将液体转移到喷嘴。齿轮泵经过专门设计，可以满足以下挑战：(a)轻质；(b)小尺寸；(c)能够提供足够的压力来驱动树脂的流动；(d)公差适当以确保没有泄漏并且同时摩擦小；(e)能够在3d打印机所需的范围内调节流速；(f)易于清洁；(g)不易堵塞。具体地，从动齿轮漂浮在泵壳中以减轻公差要求并避免过度约束。泵壳的公差是基于流速和液体粘度的范围来选择的。面板的紧密度是可调节的，以在密封和摩擦之间平衡。

图3和图4示出了能与本发明的实施例一起使用的光源300。在优选实施例中，光源300包括led安装部311、多个uvled312、用于将喷嘴314固定到光源的喷嘴安装部313、工具安装部315和抓持环316。如图4所示，光源安装部311设计为圆形或环形，并围绕喷嘴314。还如图所示，光源312也环绕喷嘴314，并且与喷嘴314隔开一定距离，以提供环形间隙320。通过使光源定位远离喷嘴和喷嘴开口，避免了光源使树脂固化在喷嘴内部和喷嘴外表面上，从而避免了堵塞。

如图5所示，上料器500适于接收诸如罐之类的树脂源。在优选实施例中，设置了安装支架505以及环形开口510。还包括凹口512和513，其适于接收位于罐上的突片。

图6和图7示出了可以在本发明的实施例内使用的储存器700。在优选的实施例中，储存器700可以是具有体部711和盖子712的罐的形式。另外，配件713能构造为连接到设备的泵送系统。最后，突片716和717的尺寸设置为装配在上料器500的凹口512和513中并与其接合。在该构造中，储存器能可移除地附接到上料器500。

尽管前述书面描述使本领域普通技术人员能够制作和使用目前被认为是其最佳模式的技术，但是本领域普通技术人员将理解并领会本文的特定实施例、方法和示例的变型、组合和等同物的存在。因此，本公开不应限于上述实施例、方法和示例，而是包括本公开范围和精神内的所有实施例和方法。