[发明专利]提供FFF打印喷嘴的装置、系统和方法

说明书

本发明公开了一种提供喷嘴的装置、系统和方法，通过在任何金属或非金属喷嘴的内部或外部或间隙基底层上提供适于支撑与FFF工艺相关的传感器的非导电表面，所述喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度。热、力、流动、应变、应力、挤压力传感器等可以设置在任何喷嘴的内侧或外侧，或者设置在任何喷嘴内侧或外侧的间隙基底层上。所述传感器可以设置在通过喷嘴的中心入口周围、沿着喷嘴的中心入口纵向设置、或者沿喷嘴的各个点设置，其中所述传感器的放置或形状可以根据将由主题传感器执行的感测的类型而变化。

背景

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月5日提交的题为“Apparatus，System and Method ofProviding a FDM Printing Nozzle”的美国临时申请No.62/371,614的权益和优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及三维打印，并且更具体地，涉及提供适于材料熔融沉积(FFF)打印的喷嘴的装置、系统和方法。

背景说明

三维(“3D”)打印不仅在打印技术的开发方面，而且在产品开发能力、原型制作能力、实验能力等方面的开发中取得了非常显著的进步。在可用的3D打印技术中，材料熔融沉积或“FFF”打印是已经开发的最重要的3D打印类型之一。FFF是一种增材制造技术(additive manufacturing technology)，其允许通过例如将热塑性长丝加热并挤出成连续的层来逐层创建3D元件，从而从打印元件的基层或底层开始，打印到顶层或最后层。也就是说，FFF打印机喷嘴将热塑性塑料加热到半液态，并沿着为元件构建而设置的挤出路径平面将半液态热塑性塑料以可变尺寸的珠粒沉积。珠粒尺寸可以根据部件或部件的方面而变化，然后进行打印。此外，如果需要对部件的一个方面进行结构支撑，则FFF打印机可以存放可移除的材料以用作支撑部件的方面的一种脚手架。因此，FFF可用于构建用于实验或功能部件的简单或复杂几何形状，例如用于原型制造、小批量生产、制造辅助等。

然而，由于影响FFF的许多因素，特别是影响FFF工艺的打印速度，FFF在更广泛应用中的使用，例如中到大批量生产，受到严重限制。如所提到的，在FFF打印中，通常将加热的热塑性塑料从加热喷嘴向外挤压到板或正在生产的部件的前一层上。该喷嘴根据预先输入的几何形状(例如，可以输入处理器中以控制喷嘴的机械的运动)机械地移动，以形成所需的部件。由于机器人技术和加工速度的提高，FFF打印工艺的“瓶颈”通常是喷嘴本身。特别地，控制喷嘴的加热和冷却速度，特别是通过对喷嘴的加热和冷却的高级控制提供的打印的控制和开始/停止时机的改进将允许FFF技术提供的打印的显著改进。因此，提供与FFF打印相关的各个方面(例如，加热和冷却，打印材料上的压力等)的精确感测的能力，将允许增强的反馈，这将使FFF工艺的改进成为可能。

尽管如此，目前可用的喷嘴大部分是金属的，因此本质上是导电的。因此，由于喷嘴的典型导电性质，不仅由于热量渗透到金属喷嘴的不希望的方面而使得加热和冷却的精确控制变得不太可用，而且由于要求与喷嘴相关联的任何传感器是“螺栓连接”(bolt-on)传感器(因此它们不会受到干扰，因为它们与之相关联的喷嘴具有导电性)，所以即使不是不可能，进一步精确的感测也是困难的。也就是说，需要传感器的螺栓连接性质，因为与喷嘴相关联的任何传感器的操作必须保持与典型的导电金属喷嘴不同。

因此，已知技术存在两个阻碍改进FFF打印工艺能力的重要问题。这些阻碍中的第一个是不能提供对打印喷嘴或其特定方面的加热和冷却的精确控制。第二个阻碍是大量使用螺栓固定传感器作为检测可用金属喷嘴性能的唯一方法，这种方法限制了传感器的数量和所感测信息，从而限制了可通过当前使用的传感器提供的反馈。

因此，需要一种用于提供FFF打印喷嘴的装置、系统和方法，所述FFF打印喷嘴具有精确的打印控制和增强的打印速度，例如，所述精确的打印控制和增强的打印速度是基于由基于喷嘴的传感器提供的改进的反馈。

发明内容