用于增材制造系統的液化器組件以及其使用方法
【專利摘要】一種用于增材制造系統的打印頭，所述打印頭包括：驅動機構，所述驅動機構被配置為以多種供應速率供應消耗材料；液化器管，所述液化器管被配置為接收供應的消耗材料；和至少一個板式加熱器組件，所述至少一個板式加熱器組件包括多個導電跡線和與導電跡線接觸的多個加熱元件，其中所述導電跡線被配置為接續電功率至加熱元件以沿液化器管產生多個加熱區，所述多個加熱區與消耗材料的供應速率的改變相關地獨立地進行溫度調節。所述加熱器組件可以被操作為提供動態熱流控制。
【專利說明】
用于増材制造系統的液化器組件以及其使用方法
技術領域
[0001] 本公開涉及用于打印或者不然制造三維(3D)零件和支撐結構的增材制造系統。具 體地，本公開涉及用于以逐層方式使用增材制造技術打印3D零件和支撐結構的打印頭液化 器組件。
【背景技術】
[0002] 增材制造系統被用于使用一種或多種增材制造技術用3D零件的數字表示（例如， AMF和STL格式文件)打印或者不然建造3D零件。商業上可用的增材制造技術的示例包括基 于擠出的技術、噴射、選擇性的激光燒結、粉末/粘合劑噴射、電子束熔煉和立體光刻處理。 對于這些技術中的每一技術，3D零件的數字表示首先被切成多個水平層。然后為每個切層 生成工具路徑，所述工具路徑為特定的增材制造系統提供指令以打印給定的層。
[0003] 例如，在基于擠出的增材制造系統中，3D零件可以通過擠出可流動的零件材料以 逐層方式用3D零件的數字表示被打印。該零件材料通過由系統的打印頭承載的擠出尖端被 擠出，并且以平面層方式被沉積為在壓盤上的一系列路線。擠出的零件材料熔融在先前沉 積的零件材料上，并且在溫度下降后固化。打印頭相對于基板的位置然后被遞增，并且重復 該處理以形成類似數字表示的3D零件。
[0004]在通過沉積零件材料的層制作3D零件的過程中，支撐層或結構通常被建造在外懸 部分下面或者在建造中的3D零件的空腔內，它們不被零件材料本身支撐。可以利用相同的 沉積零件材料的沉積技術建造支撐結構。主計算機產生附加的幾何形狀，該附加的幾何形 狀充當用于正被形成的3D零件的外懸或自由空間區段的支撐結構。然后在打印過程中支撐 材料按照該產生的幾何形狀被沉積。支撐材料在制作過程中粘附在零件材料上，并且當打 印過程完成后可從完成的3D零件上移除。

【發明內容】

[0005] 本公開的一個方面針對一種用于增材制造系統的液化器組件。所述液化器組件包 括剛性構件(例如夾塊或殼塊），所述剛性構件來自一種或多種導熱材料，并且具有沿縱向 軸線延伸的間隙。所述液化器組件還包括:液化器管，所述液化器管布置在所述間隙內，并 且具有沿縱向軸線偏置的入口端和出口端；和加熱器組件，所述加熱器組件布置在所述間 隙內并且與液化器管接觸，其中所述加熱器組件被配置為沿縱向軸線以逐區方式加熱所述 液化器管。所述液化器組件還包括:熱敏電阻，所述熱敏電阻在剛性構件和加熱器組件之間 布置在所述間隙內，其中所述熱敏電阻被配置為將一部分熱量從加熱器組件傳導至剛性構 件；和熱管（或其它散熱器裝置），所述熱管與剛性構件耦接，以從剛性構件吸走傳導的熱 量。
[0006] 本公開的另一方面針對一種用于增材制造系統的液化器組件，所述液化器組件包 括一個或多個加熱器組件(例如，一對加熱器組件），所述一個或多個加熱器組件被配置為 接收液化器管，其中該對加熱器組件與保持的液化器管的相反側配合接觸，并且布置在保 持的液化器管的相反側上。液化器組件還包括一個或多個熱敏電阻(例如，一對熱敏電阻）， 所述一個或多個熱敏電阻抵靠該對板式加熱器地布置在保持的液化器管的相反側。液化器 組件還包括被配置為保持熱敏電阻(或多個熱敏電阻）的剛性構件、加熱器組件或多個加熱 器組件和在壓迫下保持的液化器管，其中剛性構件還被配置為從熱敏電阻（或多個熱敏電 阻)傳導熱量。在一些實施例中，液化器組件還包括優選地可替換的液化器管。
[0007] 本公開的另一方面針對一種用于從增材制造系統中的液化器組件中擠出材料的 方法。所述方法包括:將細絲供應至液化器組件的液化器管;使用與液化器管接觸的加熱器 組件產生熱量；以及將產生的熱量的第一部分傳導給液化器管以加熱供應的細絲。所述方 法還包括:將產生的熱量的第二部分吸取至與加熱器組件接觸的、在液化器管的相反側的 熱敏電阻，以及可選地，將吸取的產生的熱量的第二部分傳導至熱管(或其它散熱器裝置）。
[0008] 本公開的另一方面針對一種用于增材制造系統的液化器組件。所述液化器組件包 括:液化器管，所述液化器管具有沿縱向軸線偏置的入口端和出口端;和板式加熱器組件。 所述板式加熱器組件包括:板狀部；多個導電跡線，所述多個導電跡線布置在板狀部上，并 且被配置為從增材制造系統中可操作地接收具有獨立受控的瓦特數等級的電功率。所述板 式加熱器組件還包括多個加熱元件，所述多個加熱元件布置在板狀部上，并且每一個加熱 元件都與導電跡線中的一個或多個導電跡線接觸以從所述一個或多個導電跡線接收電功 率，其中獨立受控的瓦特數等級導致加熱元件沿著縱向軸線獨立地加熱液化器管的不同 區。
[0009] 本公開的另一方面針對一種用于增材制造系統的液化器組件，其中所述液化器組 件包括:液化器管，所述液化器管具有沿縱向軸線偏置的入口端和出口端；以及第一加熱器 組件和第二加熱器組件。第一加熱器組件包括多個第一導電跡線和多個第一加熱元件，所 述多個第一加熱元件與第一導電跡線接觸以從第一導電跡線接收電功率。第二加熱器組件 包括多個第二導電跡線和多個第二加熱元件，所述多個第二加熱元件與第二導電跡線接觸 以從第二導電跡線接收電功率，其中第一和第二加熱元件沿縱向軸線對稱地布置在液化器 管的相反側上，以便以逐區方式加熱液化器管。
[0010] 本公開的另一方面針對一種用于增材制造系統的打印頭。所述打印頭包括:驅動 機構，所述驅動機構被配置為以多種供應速率供應消耗材料;液化器管，所述液化器管被配 置為接收供應的消耗材料;和至少一個板式加熱器組件。所述至少一個板式加熱器組件包 括多個導電跡線和與導電跡線接觸的多個加熱元件，其中所述導電跡線被配置為接續電功 率至加熱元件以沿液化器管產生多個加熱區，所述多個加熱區與消耗材料的供應速率的改 變相關地獨立地進行溫度調節。
[0011] 本公開的另一方面針對一種用于使用增材制造系統打印3D零件的方法。所述方法 包括:多種供應速率將消耗材料供應至由增材制造系統保持的液化器管；以及加熱在多個 加熱區上的液化器管以熔融接收在液化器管中的消耗材料。所述方法還包括至少部分基于 供應至液化器管的消耗材料的供應速率動態調節在多個加熱區上的液化器管的加熱;和從 由液化器管保持的噴嘴中擠出熔融的消耗材料。
[0012] 本公開的另一方面針對一種用于使用增材制造系統打印3D零件的方法，其中所述 方法包括：以第一供應速率將消耗材料供應至由增材制造系統保持的液化器管；以及在以 第一供應速率供應消耗材料的同時沿多個加熱區加熱液化器管以提供沿液化器管的大致 均勻的溫度曲線。所述方法還包括:將供應至液化器管的消耗材料的供應從第一供應速率 調節至比第一供應速率更快的第二供應速率；以及在以第二供應速率供應消耗材料的同時 對于多個加熱區調節液化器管的加熱以提供沿液化器管的第二溫度曲線，其中第二溫度曲 線包括多個加熱區之間的至少一個溫度差。所述方法還包括從由液化器管保持的噴嘴中擠 出消耗材料。
[0013] 本公開的另一方面針對一種用于使用增材制造系統打印3D零件的方法，其中所述 方法包括:將細絲供應至由增材制造系統保持的液化器管；以及通過多個導電跡線可控地 將電功率供應至加熱元件，以便以獨立方式加熱加熱元件。所述方法還包括:使用獨立加熱 的加熱元件加熱在多個區上的液化器管，以熔融接收在液化器管中的細絲；以及調節接續 至多個導電跡線中的一部分的電功率，以與細絲被供應至液化器管的速率的改變相關地調 節加熱元件的加熱。所述方法還包括從由液化器管保持的噴嘴中擠出熔融的細絲材料。
[0014] 本公開的另一方面針對一種用于以逐層方式打印3D零件的增材制造系統。所述系 統包括:驅動機構，所述驅動機構由所述系統保持并且被配置為供應消耗材料;液化器管， 所述液化器管由所述系統保持并且被配置為接收供應的消耗材料;和加熱器組件，所述加 熱器組件由所述系統保持并且被配置為加熱液化器管以熔融接收的消耗材料。所述系統還 包括噴嘴，所述噴嘴由液化器管保持并且被配置為將熔融的消耗材料擠出為擠出物;和至 少一個傳感器，所述至少一個傳感器被配置為可操作地測量液化器管內的壓力。所述系統 還包括控制器組件，所述控制器組件被配置為基于測量的壓力使用驅動機構調節消耗材料 的供應速率，以便以閉環方式控制擠出物的材料流速。
[0015] 本公開的另一方面針對一種用于以逐層方式打印3D零件的增材制造系統。所述系 統包括:驅動機構，所述驅動機構由所述系統保持并且被配置為供應消耗材料;和液化器組 件。所述液化器組件包括液化器管，所述液化器管由所述系統保持并且被配置為接收供應 的消耗材料;和加熱器組件，所述加熱器組件由所述系統保持并且被配置為加熱液化器管 以熔融接收的消耗材料，其中所述液化器管被配置為在熔融接收的消耗材料同時膨脹。所 述液化器組件還包括：剛性構件，所述剛性構件被配置為穩固地保持液化器管和加熱器組 件，其中所述剛性構件被配置為在液化器管的膨脹作用下撓曲；和至少一個傳感器，所述至 少一個傳感器被配置為可操作地測量液化器管的撓曲。所述系統還包括控制器組件，所述 控制器組件被配置為基于測量的撓度使用驅動機構調節消耗材料的供應速率，以便以閉環 方式控制材料流速。
[0016] 本公開的另一方面針對一種用于使用增材制造系統打印3D零件的方法。所述方法 包括:將消耗材料供應至由增材制造系統保持的液化器管；以及在供應消耗材料的同時加 熱液化器管，其中液化器管的加熱和消耗材料的供應在液化器管內產生壓力。所述方法還 包括:在產生的壓力下使液化器管膨脹;可操作地測量液化器管的膨脹；以及響應于測量的 液化器管的膨脹調節供應至液化器管的消耗材料的供應，以便以閉環方式控制材料流速。
[0017] 定義
[0018] 除非另有說明，下面的用在本文中的術語具有下面提供的含義：
[0019] 術語"優選的"和"優選地"是指本發明的在某些情形下可以提供某些優點的實施 例。然而，在相同的或其它情形下，其它實施例也可以是優選的。此外，一個或多個優選的實 施例的引用并不暗示其它實施例不是有用的，并且并非意在從本公開的范圍中排除其它實 施例。
[0020] 術語"可操作地測量"等等是指可以為直接測量和/或間接測量的測量。例如，可操 作地測量液化器管內的壓力可以通過直接測量液化器管內的壓力執行，和/或通過利用直 接測量基于液化器管內的壓力的另一個效果(例如，液化器管的膨脹等等)而間接測量液化 器管內的壓力執行。
[0021] 參照3D零件的打印層方向確定諸如"在……上面"、"在……下面"、"頂部"、"底部" 等等的方向性定向。在下面所示的實施例中，打印層方向為沿著豎直z軸向上的方向。在這 些實施例中，術語"在……上面"、"在……下面"、"頂部"、"底部"等等基于該豎直Z軸。然而， 在3D零件的層被沿不同軸線打印的實施例中，例如沿著水平X軸或y軸，術語"在……上面"、 "在……下面"、"頂部"、"底部"等等是相對于該給定的軸線。
[0022] 術語"提供"，例如對于"提供材料"，當在權利要求書中被引用時，并非意在需要所 提供的項目的任何特定的傳遞或接收。相反，術語"提供"僅僅用于為清楚和易讀目的引入 將在權利要求(或多項權利要求)的后續元素中提及的項目。
[0023]除非另有說明，本文提到的溫度基于大氣壓力（即，一個大氣壓）。
[0024] 由于對本領域技術人員已知的預期的變化(例如測量中的局限性和變化性），在本 文中關于可測量的值和范圍使用術語"約"和"大致"。
【附圖說明】
[0025] 圖1為增材制造系統的正視圖，所述增材制造系統被配置為利用一個或多個本公 開的打印頭液化器組件打印3D零件和支撐結構；
[0026] 圖2為保持本公開的液化器組件的打印頭的分解視圖；
[0027]圖3為液化器組件的右后立體圖；
[0028]圖4為液化器組件的左后立體圖；
[0029] 圖5為液化器組件的分解視圖；
[0030] 圖6為液化器組件的頂部立體圖，其中為觀察方便省略了液化器組件的電阻塊中 的一個；
[0031] 圖7為液化器組件的液化器管、電阻塊和加熱器組件的右后立體圖，圖示了用于動 態控制熱流的多個加熱區布置；
[0032]圖8A和8B為隨著細絲穿過液化器管細絲厚度的橫截面和相關的熱剖面的示意圖， 圖示了為適應材料流速的改變在液化器管中對加熱區進行的動態調整；
[0033] 圖9為液化器組件的頂部立體圖，圖示了用于基于液化器管的膨脹和夾塊的撓曲 和壓縮可操作地測量液化器組件的液化器管內的壓力的技術；
[0034] 圖10為擠出物速度和編碼器信號的圖形，圖示了材料流的加速度和減速度響應時 間；
[0035] 圖11是本公開的替代的液化器組件的俯視圖，其包括圓柱形的液化器管；
[0036] 圖12是來自夾塊的替代的剛性構件的頂部立體圖，所述夾塊包括多個、單獨的C形 夾的剛性構件。
【具體實施方式】
[0037] 本公開針對一種用于基于擠出的增材制造系統的打印頭液化器組件，以便使用增 材制造技術以逐層方式打印3D零件和支撐結構。如下所述，液化器組件被獨特地設計以改 善在消耗材料的熔融和擠出上的熱控制。在第一實施例中，液化器組件使用多區加熱機構 以及可選的一個或多個散熱器部件運行，所述一個或多個散熱器部件一起形成用于液化器 組件的推拉式(push-pull)熱驅動器。使用這種設計，液化器組件可以產生可控的和精確的 熱流，由此在打印操作過程中提供快速的響應時間和大流速。
[0038] 在第二實施例中，液化器組件包括一個或多個板式加熱器組件，所述板式加熱器 組件被配置為以逐區方式將熱能傳遞給液化器管。在該實施例中，每一個板式加熱器組件 優選地包括端接加熱元件的多個導電跡線，其中每一個加熱元件限定用于液化器管的加熱 區。在操作過程中，電功率以受控和獨立的方式通過板式加熱器組件的導電跡線被從增材 制造系統接續到加熱元件。在一些優選的方面中，液化器組件包括布置在液化器管的相反 側上的一對的板式加熱器組件，其中板式加熱器組件可以具有相同數量的導電跡線和加熱 元件以沿著液化器管的長度保持對稱的加熱區。
[0039]在第三實施例中，本公開針對一種用于動態控制經過多個加熱區傳遞向液化器管 和從液化器管傳遞的熱流的方法。具體地，該技術允許對沿液化器管的長度的溫度曲線進 行動態調整，以適應材料流速的改變以及在打印操作期間發生的其它不穩定狀態條件(例 如，啟動、停止、加速和減速）。具體地，該動態控制方法可以例如通過首先超過材料的目標 表面溫度、隨后低于該溫度而相對于材料流速改變上游和下游加熱區之間的溫度差。這允 許獲得較高的材料流速，同時還降低熱降解消耗材料的風險。
[0040] 在第四實施例中，本公開針對一種用于監測和控制液化器管內的材料流的閉環方 法。如下所述，已經發現長的標準液化器(例如，1.5英寸長)可以非常快速地(例如在約10毫 秒或更少時間內）加速零件或支撐材料的流動。然而，這些液化器也呈現了復雜的流動減 速，所述流動減速包括快速衰減部分(例如，小于約20毫秒)和緩慢衰減部分(例如，大于約 100毫秒）。這些緩慢衰減部分是不期望的問題，其組合了以下事實，即在一些情況下，它們 在連續減速方面不可重復。該流動減速的不可預見性降低了對材料流的響應時間控制，例 如當減速至路線轉角處和停止在路線終點時。
[0041] 為了補償流動減速的不可預見性，液化器組件可以被配置為可操作地測量液化器 管內的壓力。這允許液化器組件使用一個或多個過程控制環路以閉環方式運行，以至少針 對相對緩慢的時間響應部件提供流動控制反饋。補償流動減速的不可預見性也可以提高打 印操作過程中（例如，轉彎和停止事件過程中）的響應時間。
[0042] 本公開的液化器組件可以與任何合適的基于擠出的增材制造系統一起使用。例 如，圖1示出了與兩個消耗組件12-起使用的系統10,其中每一個消耗組件12為可容易裝 載、可移除并可替換的容器裝置，所述容器裝置保持用于使用系統10進行打印的消耗細絲 的供應。通常地，消耗組件12中的一個包含零件材料細絲，并且另一個消耗組件12包含支撐 材料細絲。然而，兩個消耗組件12可以在結構上相同。
[0043]在所示的實施例中，每一個消耗組件12包括容器部14、引導管16和打印頭18,其中 每一個打印頭18優選地包括本公開的液化器組件20。容器部14可以保持例如在Mannel Ia等 人的美國公開號2013/0161432和2013/0161442以及Batchelder等人的美國專利申請號13/ 708,145中討論的消耗細絲的線軸或線圈。引導管16相互連接容器部14和打印頭18,其中打 印頭18的（或者系統10的）驅動機構從容器部14拉動連續段的消耗細絲通過引導管16至打 印頭18的液化器組件20。
[0044] 在該實施例中，引導管16和打印頭18是消耗組件12的子部件，并且可以和每一個 消耗組件12-起互換到系統10中和從系統10中互換下來。在替代實施例中，引導管16和/或 打印頭18可以為系統10的部件，而不是消耗組件12的子部件。在這些替代實施例中，打印頭 18(具有液化器組件20)可以可選地被改造到現有的增材制造系統中。
[0045] 系統10為用于使用基于層的增材制造技術分別用消耗組件12的零件和支撐材料 細絲打印3D零件或模型和對應的支撐結構（例如，3D零件22和支撐結構24)的增材制造系 統。用于系統10的合適的增材制造系統包括由Stratasys公司、Eden Prairie、MN開發的商 標為"FDM"和"FUSED DEPOSITION M0DELING(熔融沉積成型)"的基于擠出的系統。
[0046] 如圖所示，系統10包括系統殼體26、腔室28、壓盤30、壓盤架32、頭臺架34和頭架 36。系統殼體26為系統10的結構部件，并且可以包括多個子部件，例如支撐框架、外殼壁等 等。在一些實施例中，系統殼體26可以包括被配置為接收消耗組件12的容器部14的容器間。 在替代實施例中，可以省略容器間以減小系統10的整體占地。在這些實施例中，容器部14可 以鄰近系統殼體26，同時為引導管16和打印頭18提供充足的移動范圍。
[0047] 腔室28為包含用于打印3D零件22和支撐結構24的壓盤30的封閉環境。腔室28可以 被加熱（例如，通過循環加熱空氣）以降低在擠出和沉積之后零件和支撐材料固化的速率 (例如，以減小變形和卷曲）。在替代實施例中，腔室28可以被省略和/或用不同類型的建造 環境替換。例如，3D零件22和支撐結構24可以在朝向周圍環境敞開的建造環境下被建造，或 者可以用替代的結構(例如，柔性帷幔)封閉。
[0048]壓盤30為平臺，在該平臺上3D零件22和支撐結構24以逐層方式被打印，并且壓盤 被壓盤架32支撐。在一些實施例中，壓盤30可以結合并支撐建造基板，所述建造基板可以為 托盤基板，所述托盤基板為如在Dunn等人的美國專利號7,127,309中公開的、由塑料、瓦楞 紙板或其它合適材料制作的，并且所述建造基板還可以包括柔性聚合物膜或襯墊、涂漆膠 帶、聚酰亞胺膠帶（例如，為來自德國威明頓市的E.I.du Pont de Nemours and Company的 KAPTON商標的）或者用于將沉積材料粘附在壓盤30或建造基板上的其它可處理掉的制作。 壓盤架32為被配置為沿(或大致沿)豎直z軸移動壓盤30的家組件。
[0049] 頭臺架34為被配置為接收一個或多個可移除打印頭(例如，打印頭18)的單元，并 且被頭架36支撐。用于頭臺架34的合適裝置和用于將打印頭18保持在頭臺架34中的技術的 示例包括在Swanson等人的美國專利號8,403,658和Swanson等人的美國公開號2012/ 0164256中公開的那些裝置和技術。在一些優選的實施例中，每一個打印頭18被配置為與頭 臺架34結合以如下方式牢固地保持打印頭18,即防止或限制打印頭18相對于頭臺架34在X-y建造平面內移動，但是允許打印頭18可控地移出x-y建造平面(例如，以線性或樞轉方式被 伺服、被撥動或者不然被切換）。
[0050] 如上所述，在一些實施例中，引導管16和/或打印頭18可以為系統10的部件，而不 是消耗組件12的子部件。在這些實施例中，用于打印頭18的合適的裝置以及打印頭18、頭臺 架34和頭架36之間的連接的附加的示例包括在Crump等人的美國專利號5,503,785、 5界&118〇11等人的美國專利號6,004，124、1^8〇8816代等人的美國專利號7,384,255和7,604， 470、Batchelder等人的美國專利號7，896，209和7，897，074、以及Comb等人的美國專利號8， 153,182中公開的那些裝置和連接方式。
[0051]在所示的實施例中，頭架36為帶驅動的架組件，其被配置為沿(或大致沿)在腔室 28上方的x-y水平面移動頭臺架34(以及保持的打印頭18)。用于頭架36的合適的架組件的 示例包括在Comb等人的美國公開號2013/0078073中公開的那些組件，其中頭架36還可以支 撐限定用于腔室28的棚頂的可變性擋板(未示出）。
[0052]在替代實施例中，壓盤30可以被配置為沿x-y水平面在腔室28內移動，并且頭臺架 34(和打印頭18)可以被配置為沿z軸移動。也可以使用其它類似的設置，使得壓盤30和打印 頭18中的一個或兩個可相對于彼此移動。壓盤30和頭臺架34(和打印頭18)還可以沿著不同 軸線定向。例如，壓盤30可以豎直地定向，并且打印頭18可以沿X軸或y軸打印3D零件22和支 撐結構24。
[0053]系統10還包括控制器組件38，控制器組件可以包括一個或多個控制電路(例如，控 制器40)和/或一個或多個主計算機(例如，計算機42)，它們被配置為監測和操作系統10的 部件。例如，可以以硬件、軟件、固件等等或者其組合實施由控制器組件38執行的一個或多 個控制功能，例如執行移動編譯器功能;并且可以包括可以在系統10外部和/或內部的基于 計算機的硬件，例如數據存儲裝置、處理器、存儲器模塊等等。
[0054] 控制器組件38可以通過通信線44與打印頭18、腔室28(例如，與用于腔室28的加熱 單元）、頭臺架34、用于壓盤架32和頭架36的電機、和各個傳感器、校準裝置、顯示裝置和/或 用戶輸入裝置通信。在一些實施例中，控制器組件38還可以與系統10的壓盤30、壓盤架32、 頭架36和任一其它合適的部件中的一個或多個通信。雖然被圖示為單一的信號線，但是通 信線40可以包括可以在系統10的外部和/或內部、允許與系統10的各個部件通信的一個或 多個電的、光學的和/或無線的信號線。
[0055] 在操作過程中，控制器組件38可以引導壓盤架32以使壓盤30移動至腔室28內的預 定高度。然后，控制器組件38可以引導頭架36以使頭臺架34(以及保持的打印頭18)在腔室 28上方的x-y水平面內移動。控制器組件38還可以引導打印頭18以選擇性地分別從容器部 14并且通過引導管16拉動連續段的消耗細絲。
[0056]圖2為示例性的打印頭18的分解視圖，其包括外殼46(具有外殼部件46a和46b)、驅 動機構48、本公開的液化器組件20和散熱器單元50,它們與細絲52-起被示出。用于外殼46 和驅動機構48的合適的部件的示例包括在Batchelder等人的美國專利號7,896,209和7， 897,074、3￥31^〇11等人的美國公開號2012/0164256、1(〇〇?等人的美國專利申請號13/708， 116和Leavitt的美國專利申請號13/708,037中討論的那些部件。
[0057]在本文中，液化器組件20被討論為配置有帶狀細絲和帶狀液化器結構。本文使用 的術語"帶狀細絲"是指沿著其縱向長度具有大致矩形、弓形和/或橢圓形橫截面的細絲，其 可以可選地包括例如在Batchelder等人的美國專利號8,236,227中公開的用于與驅動機構 48結合的一個或多個表面軌道。相應地，本文使用的術語"帶狀液化器"是指沿著其縱向長 度具有大致矩形、弓形和/或橢圓形內通道橫截面的液化器(例如，液化器管）。
[0058]對于帶狀細絲和帶狀液化器中的每一個，橫截面具有寬度和厚度，其中寬度的最 大范圍以至少約2.5倍的程度大于厚度的最大范圍。對于具有大致矩形或弓形橫截面的帶 狀細絲或帶狀液化器，橫截面可以具有銳角（即，90度角）和/或圓角。對于帶狀細絲具有橢 圓形橫截面的情況，橢圓形橫截面優選地具有約0.8或更大的偏心率，并且更優選地具有約 0.9或更大的偏心率。用于細絲52和液化器組件20的合適的帶狀細絲和帶狀液化器結構的 示例包括在Batchelder等人的美國專利號8，221，669、8，236，227和8，439，665中討論的那 些結構，在不與本公開沖突的程度內，它們的內容通過引用全文引入本文。
[0059]通過本文的討論顯而易見的是，帶狀細絲和帶狀液化器結構為液化器組件20提供 幾個優點，例如用于可操作地測量液化器壓力的方便的機構、以及改進的熱流控制、快速的 響應時間和快速的材料流速。然而，在替代實施例中，如下所述，液化器組件20可以被配置 為與具有其它橫截面幾何形狀的液化器和細絲、優選地為圓柱形細絲和液化器一起使用。
[0060] 散熱器單元50包括熱管50a和散熱器50b，并且為液化器組件20的將在操作過程中 產生的熱量移除的部件，如下所述。在所示的示例中，散熱器50b為塔-翅片型散熱器，其被 配置為耗散來自熱管50a的熱量，并且可以位于打印頭18的外殼46內部或外部。例如，塔-翅 片型散熱器50b可以包括多個翅片（例如，5-15個翅片），每一個翅片具有合適的表面面積 (例如，直徑1-5英寸）。散熱器50b還可以主動冷卻單元(例如，吹向（或抽離)散熱器50b的空 氣的強迫供應)結合運行。在替代實施例中，散熱器50b可以呈現各種不同的翅片幾何形狀 和布置。
[0061] 如進一步所示的，驅動機構48位于液化器組件20的上游，并且被配置為在機動動 力下從引導管16向液化器組件20供應連續段的細絲52。驅動機構48優選地還包括被配置為 支撐細絲52的相對側的滑動板或其它合適的支撐表面(例如，旋轉支撐表面，未示出），同時 驅動機構48與細絲52結合。如本文所使用的，術語"上游"和"下游"是參照細絲供應方向的， 如箭頭53所示。
[0062]液化器組件20使接收的連續段的細絲52熱熔融，其中細絲材料的熔融部分形成圍 繞細絲52的未熔融部分的彎月形。在熔融材料從液化器組件20擠出的過程中，細絲52的向 下移動起到粘性栗的作用，以便擠出作為用于打印3D零件22或支撐結構24的擠出物的熔融 材料。照此，擠出物的流速很大程度上基于液化器組件20內的壓力，其中壓力是由于粘性栗 作用和熔融后的細絲材料的熱膨脹。相應地，液化器組件20內的最大壓力級趨于位于彎月 形附近。
[0063 ]擠出物的材料流速的改變，例如當啟動、停止、加速和減速、或者當需要較快或較 慢的打印速率時，通過基于來自控制器組件38的驅動指令使用驅動機構48改變細絲52的供 應速率而被控制。然而，擠出物流出液化器組件20的流速并不總是立刻同樣地響應于細絲 52的供應速率的改變，并且在供應速率改變之后呈現響應時間延遲。例如，對于給液化器組 件20的細絲52的相同的瞬時供應速率，擠出物可以以不同的速率從液化器組件20流動。這 是由于液化器組件20內的許多不穩定狀態條件，例如，細絲材料的熔融流動特性的改變，細 絲供應速率和擠出物流速的先前的改變(例如，在先前的啟動、停止、加速和/或減速過程 中）、響應時間延遲等等。
[0064]在開環設計中，沒有任何擠出物的反饋測量，控制器組件38通常基于擠出物將如 何流動的預測模型操作打印頭18。然而，由于可以使用系統10打印的實際上不受限制的3D 零件的幾何形狀，很難預測打印頭18在每一種情況下將如何運行。此外，開環設計將不檢測 打印頭18隨時間的逐漸變化，例如液化器的尺度變換、材料的積聚等等。局部尖端阻塞可能 改變液化器的性能，不會導致其不工作。
[0065] 相反，如下所述，液化器組件20可以基于來自液化器組件20內的壓力測量以閉環 方式操作。這允許控制器組件38補償液化器組件20內的壓力變化，由此更精確地控制擠出 物流出液化器組件20的流速。附加地，液化器組件20可以與沿著多個加熱區的溫度測量一 起運行，這也可以被用于防止液化器組件20內的溫度波動，并且動態控制沿液化器組件20 的溫度曲線。這些反饋控制可以輔助減小響應時間延遲并改善零件質量和材料流速。
[0066]在現有的液化器組件20上，產生的擠出物可以被沉積在壓盤30上作為一系列路 線，用于以逐層方式打印3D零件22或支撐結構24。在打印操作完成后，產生的3D零件22和支 撐結構24可以從腔室28中移除，并且支撐結構24可以從3D零件22上移除。然后，3D零件22可 以經歷一個或多個附加的后處理步驟。
[0067]圖3-6還圖示了與細絲52-起使用的液化器組件20,其中為了觀察方便省略了驅 動機構48和散熱器50a。如圖3和4所示（以與圖2相反的視角示出），液化器組件20包括夾塊 54、一對加熱器組件56a和56b、液化器管58、一對相對的熱敏電阻60a和60b (熱敏電阻60b最 好地不出在下面的圖5和6中）、尖端護罩62、噴嘴64和傳感器66。
[0068]夾塊54為示例性的剛性構件，其包括一對相對的臂68a和68b，它們彼此平行地從 基部70上延伸。基部70和臂68a和68b共同限定U形間隙72,所述U形間隙沿著夾塊54和液化 器管58的縱向軸線73延伸。在所示的設置中，液化器管58布置在間隙72內，在相對的加熱器 組件56a和56b之間。加熱器組件56a和56b分別布置在熱敏電阻60a和60b之間，其中熱敏電 阻60a和60b分別通過臂68a和68b抵靠在加熱器組件56a和56b上而被保持。臂68a和68b優選 地在足夠的壓迫下夾持液化器管58、加熱器組件56a和56b和熱敏電阻60a和60b，以保持部 件之間的良好的面間接觸，并且防止它們滑動分開，雖然優選的是液化器管58在組件中是 可替換的。
[0069] 夾塊54可以用提供堅固和剛性結構并且優選地為導熱的一種或多種材料制作，例 如一種或多種金屬(例如，不銹鋼和鋁）。附加地，夾塊54優選地能夠在保持在間隙72內的部 件上保持壓緊，同時也能夠承受在液化器管58內產生的膨脹壓力（當細絲52被熔融并擠出 時），而不會破碎或破裂。
[0070] 夾塊54的基部70包括軸74(最好地示出在下面的圖5和6中），軸優選地通過基部70 的長度平行于間隙72延伸，用于接收熱管50a。熱管50a為被配置為通過蒸發冷卻從夾塊54 吸走熱能的密封的導熱管。如上所述，熱管50a的頂端與散熱器50b連接（圖2所示）。熱管50a 的下部可以壓配合入軸74內以保持與基部70的良好的面間接觸。在一些實施例中，導熱中 空套可以布置在基部70和熱管50a之間，例如考慮順從目的。在替代實施例中，熱管50a可以 與基部70-體形成，使得軸74用作熱管50a的一部分。
[0071] 熱管50a還優選地沿著基部70的整個長度延伸，并且延伸到尖端護罩62。這允許熱 管50a沿著夾塊的整個長度從夾塊54并且從尖端護罩62吸取熱量。如下所述，當需要時，熱 管50a對于輔助從液化器組件20快速移除熱量以迅速冷卻液化器管58的一個或多個加熱區 是有利的。此外，熱管50a可以從液化器管58的位于加熱器組件56a和56b上方的入口端吸走 熱量，以防止細絲52在入口端處軟化和屈曲。
[0072]在所不的實施例中，加熱器組件56a和56b為一對鏡像的板式加熱器，其被配置為 向液化器管58傳遞熱能。如圖3所示，加熱器組件56a包括片狀或板狀部76a，片狀或板狀部 包含由槽分開的多個導電跡線78a，所述槽起到熱屏障的作用。類似地，如圖4所示，加熱器 組件56b包括片狀或板狀部76b，片狀或板狀部包含由槽分開的多個導電跡線78b，所述槽起 到熱屏障的作用。
[0073] 片狀部76a和76b為多層板，每一個板優選地包括用一個或多個玻璃層和/或其它 介電層涂覆的剛性基層(例如，410級不銹鋼）。片狀部76a和76b的合適的板厚度具有從約2 密耳到約20密耳的范圍。在一些實施例中，片狀部76a和76b可以例如以合上的書狀形式在 液化器管58的相反側處連接。該設置可以輔助保持液化器管58。
[0074] 導電跡線78a和78b為沿著片狀部76a和76b的最外側布線的導電材料的跡線。如下 所述，導電跡線78a和78b分別端接位于液化器管58的相反側上的加熱元件82a(在下面的圖 5和7中示出）和加熱元件82b(在下面的圖6中示出）。附加地，片狀部76a和76b的最頂部分可 以與打印頭18和/或頭臺架34的電連接器(未示出）結合，這將電功率通過導電跡線78a和 78b從系統10接續至加熱元件82a和82b。
[0075] 在所示的示例中，加熱器組件56a和56b每個都包括七個導電跡線78a和78b和六個 加熱元件82a和82b，以產生沿液化器管58的長度延伸的六個加熱區。在替代實施例中，加熱 器組件56a和56b可以包括不同數量的導電跡線78a和78b和加熱元件82a和82b，例如三個或 更多個導電跡線78a和78b(和兩個或更多個加熱元件82a和82b，用于兩個或更多個加熱 區），更優選地從三個至十一個的導電跡線78a和78b(和兩個至十個加熱元件82a和82b)，并 且甚至更優選地從五個至十一個的導電跡線78a和78b(和四個至十個加熱元件82a和82b)。 正如可以領會的，加熱器組件56a和56b優選地具有相同數量的導電跡線和加熱元件(例如， 每個具有七個導電跡線和六個加熱元件），以保持沿液化器管58的長度對稱的加熱區。 [0076]在所示的示例中，液化器管58為具有用于接收細絲52的大致矩形橫截面的帶狀液 化器管。如上面簡要提到的，在替代實施例中，液化器管58可以具有任何合適的幾何形狀， 優選地為圓柱形管幾何形狀。液化器管58優選地用一種或多種剛性的、導熱材料(例如不銹 鋼)制作，并且可以以多種不同方式制作。在第一示例中，液化器管58的橫截面尺寸可以通 過平整或者不然壓扁或擠壓圍繞片狀插入件的圓柱形液化器而得到。
[0077]替代地，液化器管58可以通過沖壓一對金屬板成半截面而制造，然后半截面可以 被焊接或者不然被密封在一起以得到需要的橫截面尺寸。在進一步的示例中，U形溝槽可以 被激光切割或者不然被機加工到金屬塊中以形成液化器管58和噴嘴64的側壁，然后液化器 管和噴嘴可以用一個或多個金屬膜覆蓋，所述一個或多個金屬膜包住溝槽以形成內通道。 [0078]液化器管58的大致矩形的橫截面限定相反的面58a和58b，在所示的實施例中，相 反的面58a和58b為夾在相對的加熱器組件56a和56b之間的大致平坦面。這允許加熱器組件 56a和56b傳導地將熱能傳遞給液化器管58。
[0079] 液化器管58還具有沿著縱向軸線73彼此偏置的入口端80a和出口端80b。入口端 80a被配置為從驅動機構48接收細絲52，其中入口端80a和細絲52優選地具有互補的橫截面 幾何形狀，例如在Batchelder等人的美國專利號8,221,669和8，439,665中討論的。出口端 80b為液化器管58的下游部，并且終止于噴嘴64。
[0080] 液化器管58的合適尺寸包括在Batchelder等人的美國專利號8,221，669和8,439， 665中討論的那些尺寸。在一些優選的實施例中，液化器管58具有范圍從約0.3英寸至約5英 寸的長度，更優選地從約2英寸至約4英寸。液化器管58的平坦面58a和58b之間的合適的中 空的、內通道厚度具有從約10密耳至約100密耳的范圍，并且在一些實施例中，從30密耳至 約50密耳。液化器管58的橫向端部（垂直于內通道寬度)之間的合適的中空的、內通道寬度 具有從約100密耳至約300密耳的范圍，并且在一些實施例中，從180密耳至約220密耳。液化 器管58的合適壁厚具有從約5密耳至約20密耳的范圍。圓柱形的液化器管58的合適尺寸在 下面討論。
[0081 ]熱敏電阻60a和60b為一對相對的分段塊或組件，由具有適度的導熱率以從液化器 管58和加熱器組件56a和56b吸取熱量的一種或多種材料制成。照此，在加熱器組件56a和 56b加熱液化器管58的同時，熱敏電阻60a和60b從加熱器組件56a和56b吸走一部分產生的 熱量，然后傳導入夾塊54的臂68a和68b中。因為夾塊54優選地用一種或多種導熱材料制作， 吸走的熱量傳導給基部70,基部將熱量傳遞給熱管50a。相應地，熱管50a從液化器組件20吸 走熱量。這形成推拉式熱驅動器設置。
[0082]當加熱器組件56a和56b在一個或多個區處減小或中止加熱液化器管58時，該推拉 式熱驅動器設置是特別可辨認的。當這發生時，熱敏電阻60a和60b迅速吸走余熱以在這些 區處快速冷卻液化器管58。這以快速熱響應時間和冷卻速率提供了對沿液化器管58的溫度 曲線的高等級的控制。
[0083]用于熱敏電阻60a和60b的合適的材料包括頁硅酸鹽材料，例如云母片。已經發現 用諸如云母片的材料制造熱敏電阻60a和60b提供了合適等級的熱移除，同時也提供了較好 的電絕緣。而且，云母片是相對柔軟和順從的，在夾塊54的臂68a和68b和加熱器組件56a和 56b之間提供了較好的接合界面。
[0084]附加地，云母片的沿材料的解理面的導熱率以約十倍的程度大于沿垂直于解理面 的方向的導熱率。照此，熱敏電阻60a和60b的云母片優選地被定向為使得解理面被設置為 與加熱器組件56a和56b的平坦面平行。這允許熱敏電阻60a和60b提供足夠等級的熱阻，同 時也允許合適數量的熱量從加熱器組件56a和56b傳遞到夾塊54。
[0085]例如，如果加熱器組件56a和56b和液化器管58內的細絲材料的核心區域之間的全 部熱阻為R，那么對于提供加熱器組件56a和56b和夾塊54之間的R熱阻的熱敏電阻60a和60b 將獲得最快的熱響應。然而，在許多實施例中，液化器組件20的推拉式熱驅動器設置可以與 減小量的廢熱一起運行。相應地，熱敏電阻60a和60b可以呈現范圍從約R至約20R的加熱器 組件56a和56b和夾塊54之間的熱阻，更優選地從約R至10R，并且甚至更優選地從約R至約 5R〇
[0086]在替代實施例中，熱敏電阻60a和60b可以源自一種或多種正溫度系數(PTC)材料， 例如鈦酸鋇和/或鈦酸鉛。PTC材料在小的溫度范圍上顯著增大其電阻，由此提供沿液化器 管58的自調節溫度區。照此，單塊的PTC材料可以模仿用于液化器管58的無限數量的溫度 區。在這種情況下，夾塊54優選地電接地，并且加熱器組件56a和56b的加熱元件82a和82b優 選地被省略。相反，導電跡線78a和78b與源自一種或多種PTC材料的熱敏電阻60a和60b之間 的受控和獨立的相互作用可以有效地提供無限區的液化器，其中各自的區可以選擇性地被 關閉。
[0087]在替代實施例中，液化器組件20可以具有僅使用一對加熱線的一個或多個加熱 區，每一個加熱區具有由PTC材料的熱敏電阻60a和60b限定的固定的工作溫度范圍。在這種 情況下，可以可選地省略加熱器組件56a和56b。
[0088] 雖然以一對加熱器組件56a和56b和一對熱敏電阻60a和60b圖不，但是在一些實施 例中，例如在圓周地圍繞液化器管58的周圍具有足夠量的導熱性的實施例中，可以可選地 使用的單一的加熱組件56a和單一的熱敏電阻60a。照此，液化器組件20可以包括一個或多 個加熱器組件(例如，加熱器組件56a和56b)和一個或多個熱敏電阻或電阻塊(例如，熱敏電 阻60a和60b)。
[0089] 在液化器組件20的底部，尖端護罩62與夾塊54和熱管50a的下游端連接。尖端護罩 62通過空氣層或類似的絕緣體與噴嘴64和液化器管58熱隔離。尖端護罩62的暴露于構建中 的零件的表面應當相對較冷，以降低其表面能量和傾角以吸引擠出物。
[0090] 噴嘴64在出口端80b處為液化器管58的小直徑噴嘴，并且被配置為以需要的路線 寬度擠出熔融材料。噴嘴64的優選的內尖端直徑包括高達約760微米（約0.030英寸）的直 徑，并且更優選地具有從約125微米(約0.005英寸）至約510微米(約0.020英寸）的范圍。在 一些實施例中，噴嘴64可以包括一個或多個內凹的槽，以產生具有不同路線寬度的路線，如 在Swanson等人的美國專利申請號13/587,002中公開的。
[0091] 如在Swanson等人的美國專利申請號13/587,002中進一步討論的，噴嘴64可以具 有軸向通道，該軸向通道具有任何合適的長度直徑比。例如，在一些實施例中，噴嘴64可以 具有產生高流阻的長度直徑比的軸向通道，例如，約2:1至約5:1的比率。在其它實施例中， 噴嘴64可以具有產生較低流阻的長度直徑比的軸向通道，例如，小于約1:1的比率。相應地， 用于噴嘴64的軸向通道的合適的長度直徑比可以具有從約1:2至約5:1的范圍，其中在一些 低流阻的實施例中，范圍從約1:2至約1:1的比率可以是優選的。
[0092]在所示的實施例中，傳感器66為固定在夾塊54的基部70上的應變儀。如下所述，傳 感器66被配置為測量在操作過程中由于液化器管58的充氣膨脹導致的基部70的壓縮。這允 許在沿著液化器管的長度的一個或多個區域處可操作地測量液化器管58內的壓力。每一個 傳感器66優選地使用一個或多個電的、光學的和/或無線通信線路與打印頭18的控制板、頭 臺架34的控制板通信和/或與控制器組件38通信，以便以實時方式傳播壓力測量值。例如， 每一個傳感器66可以形成在柔性線纜上或者不然附接在柔性線纜的觸點上，其中柔性線纜 然后可以與打印頭18的控制板可操作地連接。
[0093]傳感器66被圖示為沿著基部70的長度彼此偏置，其中第一傳感器66位于基部70的 上半部，并且第二傳感器66位于基部70的下半部。然而，液化器組件20可以包括位于沿夾塊 54的長度的任何合適的位置處的一個或多個傳感器66。例如，液化器組件20可以包括位于 或接近基部70的下游端的單一的傳感器66,以便可操作地測量液化器管58內的鄰近噴嘴64 的出口端80b的壓力。附加地，液化器組件20可以包括位于或接近基部70的上游端的第二傳 感器66,以便可操作地測量液化器管58內的鄰近入口端80a的壓力。此外，液化器組件20可 以包括位于基部70的中點位置的第三傳感器66，以便可操作地測量液化器管58內的在其中 點區域的壓力。多于一個壓力傳感器的優點可以是能夠推斷彎月形區域的軸向位置。
[0094]圖5和6還圖示了液化器組件20，其中為觀察方便圖6中省略了熱敏電阻60b。如圖 所示，加熱元件82a(圖5中示出）為在相鄰的導電跡線78a之間布置在片狀部76a上的第一薄 膜加熱器，并且加熱元件82b為在相鄰的導電跡線78b之間布置在片狀部76b上的第二薄膜 加熱器。加熱元件82a和82b為加熱器組件56a和56b的利用通過導電跡線78a和78b受控地和 獨立地施加電功率以逐區方式產生熱量的部分。
[0095] 如圖5和6進一步示出的，熱敏電阻60a和60b分別包括與導電跡線78a和78b對準的 一組內面缺口 84a和84b和一組外面缺口 86a和86b。內面缺口 84a和84b為導電跡線78a和78b 提供間隙，允許由夾塊54施加的壓迫使熱敏電阻60a和60b座靠在加熱元件82a和82b上。類 似地，外面缺口 86a和86b減小了沿熱敏電阻60a和60b的縱向長度（即，沿縱向軸線73)的熱 傳播，以進一步使加熱區彼此熱隔離。
[0096]在所示的示例中，熱敏電阻60a和60b每個都為分段塊，所示分段塊由內面缺口84a 和84b和外面缺口 86a和86b分開。具體地，外面缺口 86a和86b分別將熱敏電阻60a和60b分成 隔熱段87a和87b。然而，在替代實施例中，熱敏電阻60a和60b每個都可以為物理上彼此分開 的不同段87a和87b的集合。
[0097] 如圖7所示，加熱器組件56a和56b和熱敏電阻60a和60b的這種設置提供沿液化器 管58的長度延伸的六個加熱區88。每一個加熱區88在相鄰的導電跡線78a之間和相鄰的導 電跡線78b之間縱向延伸，其中加熱元件82a和82b與熱敏電阻60a和60b的短87a和87b接觸。 如上所述，這將每一個加熱區88與相鄰的加熱區88熱隔離，同時也允許熱敏電阻60a和60b 從對應的加熱區88吸取熱量。在替代實施例中，導電跡線78a和78b和加熱元件82a和82b可 以向內面向液化器管58的面58a和58b。
[0098] 加熱器組件56a和56b優選地基于在每一個加熱區88中的加熱元件82a和82b的電 阻用作為每一個加熱區88的加熱器組件自身的溫度傳感器。這允許控制器組件38以獨立和 閉環的方式控制每一個加熱區88的溫度。例如，每一個加熱區88可以使用半H-橋驅動器被 控制，所述半H-橋驅動器可以為每一個加熱區88提供脈沖寬度調制驅動加上溫度感測。在 每一個加熱區88中的該高等級的溫度控制減小了細絲材料和加熱元件82a和82b熱降解的 風險，甚至在高材料流速的情況下，并且允許引導動態加熱，如下所述。相比利用分開的溫 度傳感器，這減少了所需要的電跡線的數量，并且提高了抗干擾度，因為溫度被測量為大電 流的改變。
[0099] 在打印操作過程中，控制器組件38可以管理打印頭18以獨立地通過導電跡線78a 和78b接續電功率，以將加熱元件82a和82b加熱至每一個加熱區88內的各自的設定點溫度 (或者浮動以限定絕熱區域）。例如，加熱元件82a和82b可以為每一個加熱區88產生從零至 約20瓦特(總共約120瓦特），其中可以為每一個加熱區88獨立地控制瓦特數。
[0100]從加熱元件82a和82b產生的熱量的大部分被傳遞給液化器管58和保持在其中的 細絲52。這產生期望的沿液化器管58的溫度曲線，其可以迅速將細絲52的材料加熱并熔融 成用于擠出的熔融狀態。有趣地，已經發現在液化器管58內細絲材料的熱量攝取沿著縱向 長度73是非均勻的。具體地，已經發現在等溫壁情形下傳遞的熱量的大部分正好位于半月 形的下游。在半月形的上游，由于細絲52與液化器管58的壁面之間小的空氣間隙，非常少的 熱量被傳遞。而且，在半月形的下游，傳遞的熱量以近似指數方式下降。
[0101] 在液化器管58內，帶狀結構最小化了在每一個加熱區88處熱量需要通過細絲52傳 遞到達其核心區域的距離（例如，相比圓柱形細絲）。照此，傳遞的熱量可以快速熔融細絲 52。例如，基于熔融帶狀細絲52的零階特征時間，對于具有40密耳厚度的帶狀細絲52和具有 230密耳 2/秒的擴散率的ABS材料構成來說，熔融時間為約0.44秒。照此，第一次近似法估算 顯示熔融ABS材料可以在約0.44秒內橫穿2英寸長的加熱的液化器管58。這對應于約4500微 立方英寸(micro-cubic inches，mics)/秒的擠出物流速，而不會熱降解ABS材料。
[0102] 此外，當液化器組件20被冷卻時，熱管50a可以移除大量的熱量。例如，當所有加熱 區88工作在約300°C下時，通過熱敏電阻60a和60b、夾塊54和熱管50a吸取的熱量可以以約 12瓦特的通過熱管50a的熱量移除速率將夾塊54保持在約80°C。因此，當接續至加熱元件 82a和82b的電功率停止時，加熱區88可以在幾秒內迅速冷卻至約80 °C。該迅速的熱量移除 可以實質上降低不然在冷卻速率較慢時可能發生的噴嘴滲出的效果。
[0103] 散熱器單元50和夾塊54的組合還提供用于確定被傳遞至液化器管58內的細絲材 料的熱量的量的獨特設計。知道至細絲材料的熱傳遞的量(例如，焦耳)可以輔助控制由細 絲材料的熱膨脹產生的擠出量。在輸入側上，從加熱器組件56a和56b傳遞至細絲材料的熱 量的量容易地通過施加給每一個加熱器組件82a和82b的電功率確定。
[0104] 然而，為了確定傳遞至細絲材料的熱量的量，也需要知道被吸取至夾塊54的熱量 的量。當夾塊54(或者其它剛性構件)保持在大致恒定的溫度時這是可獲得的，所述大致恒 定的溫度本身可使用散熱器單元50獲得。實際上，散熱器單元50能夠將夾塊54保持在約幾 度的散熱器50b溫度內，有效地使夾塊54熱接地。相比之下，沒有散熱器單元50運行的液化 器組件，在相同的條件下，夾塊的溫度可能以多達70°C的程度不同。照此，散熱器單元50也 提供了用于確定液化器管58中的細絲材料的熱膨脹特性的獨特的機制。相應地，這提供了 在細絲材料的擠出速率上更大的控制。
[0105] 如上所述，本公開的第二實施例針對用于動態控制在多個加熱區88上被傳遞至液 化器管58和從液化器管58傳遞的熱流的方法。從歷史上來說，液化器的溫度控制趨于將液 化器的整個長度保持在單一的設定點溫度下，通常保持在期望的出口溫度下。雖然這降低 了消耗材料熱降解的風險，但是其也限制了通過液化器的材料流速。
[0106] 通常地，當細絲被供應至加熱的液化器時，細絲的表面開始加熱并熔融，然而細絲 的核心區域仍保持相對冷。這是因為接收的熱能需要足夠量的時間來從細絲的表面傳導以 熔融細絲的核心區域。照此，如果細絲被以比該傳導時間更快的速率供應至液化器，在細絲 的給定段到達擠出噴嘴之前細絲的核心區域將沒有充分熔融。如可以領會的，這可能導致 對先前沉積的材料附著力較差的擠出物，或潛在的阻塞噴嘴。
[0107] 用于增大通過液化器的材料流速的一種傳統的技術涉及在液化器的頂部設定溫 度控制點。然而，在一些情形下，當細絲被快速供應給液化器時，熱電偶趨于冷凍使得控制 環路自然過熱液化器的中部區域。因此，雖然該技術對于增大通過液化器的材料流速是有 好處的，但是它也潛在地熱降解了細絲材料。
[0108] 然而，具有多個能夠獨立地被控制的加熱區88的液化器組件20允許對沿著液化器 管58的縱向長度的熱剖面進行動態調節，以考慮在打印操作過程中發生的流速改變和其它 不穩定狀態條件(例如，啟動、停止、加速和減速）。這可以進一步改善在打印操作過程中的 響應時間和流速，同時也降低熱降解零件或支撐材料的風險。
[0109] 該動態加熱方法涉及以開環或閉環方式（更優選地以閉環方式)基于期望的通過 液化器管58的材料流速調節加熱區88的溫度。具體地，加熱區88優選地在低流速下具有相 似的或大致相同的溫度。這產生沿液化器管58大致恒定的溫度曲線。然而，隨著流速增大， 加熱區88之間的溫度優選地被改變以增大細絲材料在液化器管58內熔融的速率，同時也降 低了熱降解材料的風險。
[0110] 例如，圖8圖示了低流速情形，其中右側圖形90a_90c表示隨著細絲52的材料沿著 箭頭53的方向穿過液化器管58細絲52的材料的橫截面溫度曲線。橫截面沿著在液化器管58 的面58a和58b之間的細絲52的厚度截取，其中細絲52具有厚度d(范圍從X = O至x = d)。
[0111] 在這種情形下，加熱區88可以被加熱至大致相同溫度，以產生沿液化器管58的大 致恒定溫度曲線92。優選地，如圖8A所示，每一個加熱區88可以被加熱至細絲材料的目標溫 度T m，例如用于從噴嘴64擠出材料的合適的熔融溫度。例如，對于ABS細絲材料，每一個加熱 區88可以被加熱至約240 °C的目標溫度Tm。
[0112] 細絲52以初始溫度Ti (例如，環境溫度)被供應至液化器管58，如圖形90a中的熱剖 面94所示。隨著細絲52穿過液化器管58,在X = O和x = d處的細絲52的表面區域被加熱至目 標溫度Tm。相比之下，由于延遲的熱傳遞，材料的核心區域保持較冷。這導致圖形90b所示的 熱剖面96。如圖形90c所示，熱量最后行進至材料的核心區域以提供在目標溫度IVf的均勻 的熱剖面98。因為通過液化器管58的流速較低，熱能具有充足的時間從細絲材料的表面區 域傳導到核心區域，由此在其到達噴嘴64之前熔融整個細絲52。附加地，較低的溫度(遠低 于細絲材料的熱降解動力學極限（thermal-degradation kinetics threshold，TDKT))降 低了熱降解細絲材料的風險，盡管在液化器管58內的停留時間較長。
[0113] 然而，當需要增大的材料流速時，沿液化器管58的溫度曲線可以被改變以比恒定 的溫度曲線92更快地將熱量賦予細絲52。這是可獲得的，因為即使細絲52的消耗材料被加 熱至提升溫度，在該提升溫度下暴露的持續時間被減小，允許細絲材料保持在其TDKT以下。
[0114] TDKT是限定聚合材料的熱降解速率的時間-溫度參數，例如通過解聚作用、主鏈斷 鏈、側基剝離和/或氧化過程。TDKT反應速率通常遵循一階阿侖尼烏斯方程，其基本上隨時 間是線性的，并且隨溫度是指數的。作為一個示例，對于暴露于給定加熱溫度給定持續時間 的細絲材料，增大暴露溫度一小量(例如，約l〇°C)并且減小暴露持續時間約50% (即，兩倍 流速)可以在細絲材料上得到約相同的熱反應速率，但是取決于細絲材料的成分，特定的凈 熱效應可能不同。
[0115] 通常，只要細絲材料保持在TDKT以下細絲材料將保持熱穩定（即，基本上沒有熱降 解）。應當理解，TDKT的大致線性的時間關系通常是累加的，其中多次暴露于短暫的溫度增 加(每次都可能低于材料的TDKT)將最終在持續時間上積累超過TDKT。然而，由于細絲52的 消耗性質，這通常不會發生在液化器組件20中。換句話說，細絲52的材料在被擠出以產生3D 零件22或支撐結構24之前通常僅暴露于液化器管58內的提升溫度一次。偶爾，細絲材料在 液化器組件20內可能被加熱多于一次，例如在打印運行中間和/或在打印的層之間，其中加 熱區88可能被冷卻并且被再次加熱。然而，加熱循環的數量保持較低，使得細絲材料保持在 其TDKT以下。
[0116] 為了實質上增大細絲材料通過液化器管58的流速，細絲52需要被加熱至比目標溫 度T m明顯更高的溫度，以驅動足夠的熱能給細絲52。例如，當約IOmics/秒的材料流速被增 大到約lOOOOmics/秒的流速時（即增大約三個數量級），溫度增大可能超過目標溫度T mIOO °C或者更多。
[0117]然而，該增大的加熱防止關于細絲材料的TDKT的問題。一旦被加熱至其提升溫度， 細絲材料的表面區域在其開始熱降解（即，其將超過其TDKT)之前通常不具有充足的時間以 絕熱熱擴散獨自冷卻。該問題闡明了使用液化器組件20可獲得的動態熱控制的優點之一。 [0118]如圖8B所示，該增大的加熱可以以熱穩定的方式通過首先超過細絲52的表面溫 度、隨后低于該溫度而獲得。具體地，上游加熱區88中的一個或多個可以被加熱到提升溫度 Th，以限定被加熱區域100。
[0119] 例如，對于具有厚度d、初始環境溫度T1、熱擴散系數κ并且正沿箭頭53的方向以速 度^供應給液化器管58的帶狀細絲52,熱擴散可以一般地描述為由兩個平行的平面界定的 系統。照此，在被加熱區域100內的溫度分布T regicin (X，t)可以被求解為均勻的初始溫度和恒 定的壁溫度的相對簡單的實例，如下：
[0120]
(等式1)
[0121] 其中Th為被加熱區域100內的加熱區88的溫度。
(等式2)[0124] 其中位置z為時間t和細絲速度vP的產物。結合等式1和2提供了如下等式：
[0122] 被傳遞到細絲材料的熱功率密度Ph(Z)相應地隨著沿被加熱區域100的位置z改 變，如下-
[0123]
[0125]
(等式3)
[0126] 傳遞給細絲材料的累積的熱能Jh(Z)可以被表達為如下等式：
[0127]
(等式4)
[0128] 結合等式3和4提供了如下等式：
[0129]
(等式5)
[0130] 足夠加熱細絲52使得如果熱量隨后被允許均勻分布(例如，在出口區域104中）整 個厚度d將處于目標溫度1"所需的熱能密度上可以被表達為如下等式：
[0131] Jm=(Tm-Ti)d Cpp
[0132] (等式 6)
[0133] 其中這里Cp為單位質量的熱容，并且P為單位體積的質量。由于 等式6可 以被表達為：
[0134]
(等式7)
[0135] 相應地，所需要的熱能以如下等式傳遞給細絲材料：
[01361
(等式8)
[0137] 其中Zh為被加熱區域100沿縱向軸線73的長度。相應地，為了預估被加熱區域100 的需要的長度zh，等式8中的n = 0項可以被展開為：
[0138]
[0139] (等式10)
[0140] 相應地，對于具有寬度W的帶狀細絲52,由具有被加熱區域100的液化器管58產生 的最大體積流量為：
[0141] Qfiow=W d Zh
[0142] (等式 11)
[0143] 等式10和11說明了被加熱區域100的提升溫度Th和材料流速之間的關系。在被加 熱區域100內的該提升的加熱隨后跟隨著被冷卻區域102，在該被冷卻區域中施加在相關的 加熱元件82a上的電流被實質上降低。這允許熱敏電阻60a和60b在這些相關加熱區域88處 迅速從細絲材料的表面區域吸走熱能。因此，這防止細絲材料由于細絲52僅暴露于提升溫 度Th短暫的持續時間而熱降解(即，細絲材料始終保持在其TDKT以下）。
[0144] 相比之下，下游的加熱區域88可以被設定為目標溫度1?以限定出口區域104。被加 熱區域100、被冷卻區域102和出口區域104之間的這些溫度調節可以通過改變接續給加熱 元件82a和82b的電功率的量而被控制，使得相比用于被冷卻區域102和出口區域104的下游 的導電跡線78a和78b，上游的導電跡線78a和78b接續更大量的電功率給被加熱區域100處 的加熱元件82a和82b。在一些實施例中，在出口區域104中的加熱區88的一個或多個以細絲 材料的表面溫度浮動，使得出口區域104用作絕熱區域。
[0145] 由被加熱區域100、被冷卻區域102和出口區域104獲得的該熱剖面通過圖8B中的 橫截面圖形106-112圖示。例如，如圖形106所示，當細絲52進入液化器管58,細絲52的材料 具有以其初始溫度IV沿其厚度大致均勻的熱剖面114。換句話說，圖形106與圖形90a(圖8A 中示出）相同。
[0146] 然而，當穿過被加熱區域100時，在x = 0和x = d處的表面區域被加熱至提升溫度 Th。相比之下，由于延遲的熱傳遞，材料的核心區域（即，在約x = d/2處)保持較冷。如圖形 108所示，隨著細絲材料的給定段離開被加熱區域100并且進入被冷卻區域102,這產生熱剖 面 116〇
[0147] 如上簡述的，在被冷卻區域102內的加熱區88優選地運行在較低溫度(或者不被加 熱)下，以允許熱敏電阻60a和60b從細絲材料迅速吸走過多量的熱能。這快速冷卻在x = 0和 x = d處的細絲材料邊緣的表面區域，以確保細絲材料保持在其TDKT以下。然而，如圖形110 所示，該熱傳遞也花費時間以穿過細絲材料，其產生作為細絲材料的橫截面上的熱波的熱 剖面118。具體地，該剖面118的熱波在表面區域（即，X = 0和X = d)和核心區域（即，X = d/2) 之間的位置處呈現溫度峰值。
[0148] 隨著細絲材料穿過出口區域104,在熱波中的溫度峰值處保留的熱量均勻（向內地 和向外地)擴散至目標溫度!^，如圖形112中的大致均勻的熱剖面120所示。以這種方式使用 被加熱區域100和被冷卻區域102允許細絲材料迅速熔融，同時也僅將材料暴露于提升溫度 Th非常短暫的持續時間。具體地，被冷卻區域102將細絲材料的表面區域冷卻下來以降低熱 降解材料的風險。因此，這發動熱波通過細絲材料并且允許獲得較大的材料流速。
[0149] 相應地，當需要通過液化器管58的材料流速增大時，在被加熱區域100內的溫度被 增大，并且在被冷卻區域102內的溫度減小，其中被加熱區域100和被冷卻區域102之間的溫 度差可以隨著材料流速的增大而增大。這相應地發動熱波，如上所述。
[0150] 另一方面，材料流速減小時（即，暴露時間增大），優選地在被加熱區域100內的溫 度同樣減小以防止細絲材料超過其TDKT。在被冷卻區域102內的溫度也可以隨著材料流速 下降而增大，以進一步減小被加熱區域100和被冷卻區域102之間的溫度差。該趨勢可以繼 續直至在每一個區域1〇〇、1〇2和104中的溫度處在約目標溫度IVf。由于其能夠以閉環方式 獨立于彼此地動態調節加熱區88的溫度的能力，加熱器組件56a和56b特別適于產生這些類 型的溫度曲線。附加地，控制器組件38可以操作加熱器組件56a和56b以產生各種不同的沿 液化器管58的溫度曲線，如具體的熱需求可能指示的。
[0151] 相比之下，如上所示，被靜態加熱的液化器通常可能以相對低的流速以熱穩定的 方式擠出消耗材料，或者以較高流速但是以弱熱穩定或非熱穩定的方式擠出消耗材料。然 而，這些液化器通常不能獲得這兩種結果。然而，液化器組件20除了產生各種其它的閉環 的、動態的沿液化器管58的溫度曲線之外，可以獲得這兩種結果。照此，液化器組件20能夠 以較好的響應時間和最小化的或者不然降低的熱降解的風險適應多種材料流速。
[0152] 如上所述，由于在操作過程中的液化器管58的充氣膨脹，夾塊54的基部70可能壓 縮，這允許傳感器66(例如，應變儀)可操作地測量液化器管58內的壓力。如圖9所示，在打印 操作過程中，液化器管58的加熱使連續段的細絲52熔融。相應地，該熔融部分形成圍繞細絲 52的未熔融部分的彎月形。隨著驅動機構48將細絲52供應到液化器管58的入口端80a(由箭 頭122圖示），細絲52的向下移動起到粘性栗的作用以從噴嘴64擠出熔融材料用于打印3D零 件22或支撐結構24。
[0153] 然而，細絲52的熔融導致消耗材料在液化器管58內熱膨脹。結合細絲52的粘性栗 作用，這通常在半月形的位置處或以下按壓液化器管58。事實上，液化器管58可能經受超過 約7兆帕的壓力，這可能導致液化器管58的面58a和面58b向外充氣膨脹(取決于按壓位置）， 如箭頭124所示。液化器管58的該充氣膨脹效果沿相同的方向向外按壓加熱器組件56a和 56b和熱敏電阻60a和60b。這使夾塊54的臂68a和68b向外撓曲，如箭頭126所示。
[0154] 如圖9所示，基部70中的軸74的機加工減小了基部70的固體體積，并且提供相對薄 的區域128。這些薄區域128反過來允許基部70在臂68a和68b撓曲時壓縮，如箭頭130所示。 相應地，在基部70以這種方式壓縮時，傳感器66可以檢測施加在基部70上的應變。
[0155] 應當理解，臂68a和68b的撓曲和基部70的壓縮相對較小，并且不會使夾塊54彈性 變形或破裂。然而，傳感器能夠檢測基部70中的非常小的壓縮變化，并且使這些壓縮變化與 液化器管58內的壓力關聯達到約一鎊/平方英寸的精度。因為由于粘性栗作用和熔融后的 材料膨脹擠出物流速很大程度上基于液化器組件20內的壓力，這些測量的壓力允許液化器 組件20使用提供流動控制反饋的一個或多個過程控制環路以閉環方式運行。
[0156] 如上簡要討論的，擠出物的材料流速的改變，例如在啟動點的材料流動加速、在轉 角附近的材料流動減速和加速和在停止點的材料流動減速，通過基于來自控制器組件38的 驅動指令利用驅動單元48改變細絲52的供應速率而被控制。然而，擠出物流出噴嘴64的流 速并不總是同樣地響應于細絲52的供應速率的改變，而是在供應速率改變之后呈現響應時 間延遲。
[0157] 已經發現材料流動加速的響應時間可以非常快速(例如，約10毫秒或更少）。照此， 液化器組件20例如在啟動點處的材料流動加速和在轉角附近的材料流動加速過程中可以 以較好的響應時間和流動控制運行。這由圖10中的流動曲線132和編碼器曲線134圖示，其 中流動曲線132為使用在Batchelder的美國專利申請號13/840,538中描述的速度測量方法 測量的擠出物離開打印頭噴嘴(例如，噴嘴64)的速度的曲線。
[0158] 編碼器曲線134為細絲驅動機構編碼器的對應曲線，其中細絲驅動機構以步進方 式被打開和關閉，以產生擠出物流動加速和減速的脈沖。具體地，編碼器曲線134對應于用 于向液化器供應細絲（例如，細絲52)的供應速率，其包括對應于當細絲供應速率被從零加 速到給定的供應速率時的前緣134a和對應于當細絲供應速率被從給定的供應速率減速到 零時的尾緣134b。
[0159] 如圖10進一步示出的，隨著浸入液化器的細絲供應速率快速加速（即，在前緣134a 處），離開液化器的擠出物速度也非常快速地加速，如前緣132a所示。具體地，擠出物曲線 132的前緣132a緊密吻合編碼器曲線134的前緣134a。
[0160] 然而，當細絲驅動機構停止并且進入液化器的細絲供應速率快速減速至零時（在 尾緣134b處），離開液化器的擠出物速度呈現延遲的并且復雜的流動減速，如尾緣132b所 示。已經進一步意識到，這些復雜的流動減速包括快速衰減部分136(例如，小于約20毫秒） 和緩慢衰減部分138 (例如，大于約100毫秒）。
[0161] 這些緩慢衰減部分138是不期望的，并且如圖10所示，在連續減速上沒有呈現完全 可重復的模式。該流動減速的不可預見性因此降低了對材料流的控制，例如當在路線終點 處減速和停止時。
[0162] 為了補償流動減速的不可預見性，液化器管58內的由傳感器66可操作地測量的壓 力可以被用于使用一個或多個過程控制回路以閉環方式預測離開噴嘴64的擠出物流速。照 此，當液化器組件20運行在穩定狀態和不穩定狀態條件下時，控制器組件38優選地以如下 方式運行，即利用液化器管58內的測量壓力提供流動控制反饋以預測擠出物流速的變化。 例如，控制器組件38可以響應于可操作地測量的壓力調節細絲52的供應速率(通過驅動機 構48)和/或加熱區88沿液化器管58的溫度(通過加熱器組件56a和56b)。這也可以提高打印 操作過程中的響應時間，允許打印頭18以高零件分辨率和快速打印速率制造3D零件22和/ 或支撐結構24。
[0163] 如上所述，在替代實施例中，液化器組件20可以被配置為與具有其它橫截面幾何 形狀的液化器和細絲一起使用。例如，如圖11所示，在一個優選實施例中，液化器組件20可 以包括用于與圓柱形細絲52-起使用的圓柱形液化器管58。在該實施例中，因為液化器管 58具有圓柱形幾何形狀，液化器組件20還可以包括傳導墊片140a和140b，傳導墊片具有被 配置為與液化器管58匹配的彎曲內表面和與平坦的加熱器組件56a和56b匹配的平坦外表 面。
[0164] 圓柱形液化器管58優選地為薄壁管，具有范圍從約0.01英寸至約0.03英寸的壁厚 度，并且更優選地從約0.015至約0.020。用于液化器管58的優選的內直徑具有從約0.08英 寸至約0.10英寸的范圍，更優選地從約0.090英寸至約0.095英寸。用于圓柱形液化器管58 的合適的尺寸的附加示例包括在Swanson等人的美國專利號6,004,124、Swanson等人的美 國公開號2012/0018924和Leavitt的美國專利申請號13/708,037中公開的那些尺寸。
[0165] 傳導墊片HOa和HOb優選地每個用一個或多個導熱材料(例如，鋁）制作，以從加 熱器組件56a和56b向液化器管58傳遞熱量。此外，傳導墊片HOa和140b可以包括缺口 142a 和142b，它們減弱了沿傳導墊片140a和140b的縱向長度（即，沿縱向軸線73)的熱傳播，以進 一步使加熱區88彼此熱隔離。
[0166] 在一些實施例中，傳感器66可以以與上面討論的相同的方式檢測在夾塊54的基部 70上的應變。然而，與上面的圖2-9所示的帶狀液化器58相比，圖11所示的液化器58的圓柱 形幾何形狀通常具有更硬的結構，這減小了不然在帶狀液化器58中出現充氣膨脹。照此，在 該實施例中，傳感器66通常被要求能夠以比帶狀液化器58所需要的精度更高等級的精度檢 測應變。
[0167] 替代地并且優選地，使用不同的技術可操作地測量圓柱形液化器管58內的壓力。 例如，在細絲52包括用于與驅動機構48結合的表面軌道的實施例中，例如在Batchelder等 人的美國專利號8，236，227中公開的，驅動機構48和細絲52之間的牽引結合可以被用于在 升起和下降狀態之間撥動打印頭18。在這種情況下，液化器組件20還可以包括位于液化器 管的出口端80b(例如，在尖端護罩62或噴嘴64處）的一個或多個測力計傳感器66,所述一個 或多個測力計傳感器被配置為測量細絲52施加在液化器組件20上多少力(擠出物多難地壓 在下面的3D零件上的負值）。
[0168] 除了在打印操作過程中的反饋控制，閉環熱和/或壓力檢測還可被用于在打印操 作之間（或過程中）校準液化器組件20。例如，每一個加熱區88的溫度可以被監測和/或傳感 器66可以監測液化器管58內的壓力，同時打印頭18將細絲材料擠出至凈化桶，例如在 Turley等人的美國專利號7，744,364中公開的。這允許液化器組件20被校準以考慮制造公 差和后續的隨時間的逐漸變化，例如液化器的尺度變換、材料的積聚等等。
[0169]圖12圖示了夾塊54的變形例。在該實施例中，夾塊54可以用多個、單獨的C形夾的 剛性構件54替換，每一個具有與夾塊54相同的橫截面輪廓（即，每一個C形夾的剛性構件可 以包括基部70和一對臂68a和68b)以限定間隙72。這些C形夾的剛性構件54可以以相同的方 式用作夾塊54,但是可以進一步輔助熱隔離每一個加熱區88,以及增大從液化器管58的熱 吸取（由于增大的暴露表面面積）。事實上，在C形夾的剛性構件54展現充分的熱吸取以用作 獨立的散熱器的一些實施例中，可以省略散熱器單元50(和可選的軸74)。
[0170]此外，如果需要，C形夾的剛性構件54的一個或多個可以保持傳感器66。在一些實 施例中，C形夾的剛性構件54的基部70還可以與沿縱向軸線73延伸的脊狀構件連接。該設置 允許C形夾的剛性構件54保持沿縱向軸線73的其序列關系，并且更容易適應可替換的液化 器管58的使用。
[0171] 從上面的討論可以看出，液化器組件20被獨特地設計以改善在消耗材料(例如，細 絲52)的熔融和擠出上的熱控制。這可以使用來自加熱器組件56a和56b以及熱敏電阻60a和 60b、導熱的夾塊54和散熱器單元50的推拉式熱驅動器效應獲得。使用該設計，液化器組件 20能夠產生可控制的并且精確的熱流，這在打印操作過程中提供了快速響應時間和高流 速。
[0172] 附加地，控制組件38可以動態地控制經過多個加熱區88傳遞向液化器管58和從液 化器管傳遞的熱流，例如產生沿液化器管58的熱波，其可以增大在打印操作過程中的流速， 同時也減低了熱降解消耗材料的風險。此外，液化器管58內的壓力可以被可操作地測量，允 許控制器組件38響應于測量的壓力調節細絲52向液化器管58的供應，以便以閉環方式控制 擠出物的材料流速。這特別適于補償流動減速的不可預見性，例如對于具有大于約100毫秒 的響應時間的緩慢衰減部分，這可以提高打印操作過程中的響應時間。
[0173] 雖然已經參照優選實施例描述了本公開，但是本領域技術人員將意識到在不偏離 本公開的精神和范圍的情況下可以在形式和細節方面作出改變。
【主權項】
1. 一種用于增材制造系統的打印頭，其特征在于，所述打印頭包括： 驅動機構，所述驅動機構被配置為以多種供應速率供應消耗材料； 液化器管，所述液化器管被配置為接收供應的消耗材料;和 至少一個板式加熱器組件，所述至少一個板式加熱器組件包括多個導電跡線和與導電 跡線接觸的多個加熱元件，其中所述導電跡線被配置為接續電功率至加熱元件以沿液化器 管產生多個加熱區，所述多個加熱區與消耗材料的供應速率的改變相關地獨立地進行溫度 調節。2. 根據權利要求1所述的打印頭，其特征在于，所述液化器管包括帶狀液化器管或圓柱 形液化器管。3. 根據權利要求1所述的打印頭，其特征在于，所述至少一個板式加熱器組件包括布置 在液化器管的相反側上的兩個板式加熱器組件。4. 根據權利要求1所述的打印頭，其特征在于，所述液化器管包括沿縱向軸線偏置的入 口端和出口端。5. 根據權利要求4所述的打印頭，其特征在于，所述多個導電跡線包括三至十一個導電 跡線。6. 根據權利要求4所述的打印頭，其特征在于，所述加熱器組件被配置為基于加熱元件 中的至少一個加熱元件的電阻可操作地測量沿液化器管的位置的溫度。7. 根據權利要求4所述的打印頭，其特征在于，還包括熱敏電阻，所述熱敏電阻抵靠板 式加熱器組件地布置在液化器管的相反側。8. 根據權利要求1所述的打印頭，其特征在于，還包括剛性構件，所述剛性構件被配置 為保持液化器管。9. 根據權利要求1所述的打印頭，其特征在于，所述液化器管被配置為在熔融和擠出消 耗材料的同時膨脹。10. 根據權利要求8所述的打印頭，其特征在于，還包括應變儀，所述應變儀被配置為通 過可操作地測量液化器管的膨脹或通過可操作地測量保持液化器管的剛性構件的撓曲可 操作地測量液化器管內的壓力。
【文檔編號】B29C67/00GK205661044SQ201490001176
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年10月1日
【發明人】塞繆爾·J·巴徹爾德, 威廉·J·斯萬松, 凱文·C·詹森
【申請人】斯特拉塔西斯公司