阅读说明：本技术 线材驱动装置 () 是由 A·格罗夫曼 T·欧达克 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：一种用于增材制造系统的线材驱动装置(101、401),其包括支撑驱动机构(103、403)的框架(102、402)。驱动机构(103、403)包括辊装置(104、404)和带驱动装置(105、405)。辊装置(104、404)包括至少一个辊(106、406)并且呈现第一线材接合表面(107、407)。带驱动装置(105、405)包括呈现第二线材接合表面(109、409)的带(108、408)。第二线材接合表面(109、409)面对第一线材接合表面(107、407)。在第一线材接合表面(107、407)和第二线材接合表面(109、409)之间限定了细长且弧形的路径(P),在驱动机构(103、403)的操作下引导线材(110)沿着路径(P)在驱动方向上的前进。()

线材驱动装置

技术领域

本发明涉及用于增材制造系统的装置，特别地涉及线材驱动装置。

背景技术

增材制造涉及通过连续添加材料以形成结构来创建物体。

与利用其它制造工艺相比，现代增材制造工艺的好处包括能够更经济高效地和/或更快速地制造出产品原型和少量的产品，并能够形成利用传统的制造工艺难以或无法实现的复杂几何形状。

在3D打印中，使用数字数据控制材料在融合在一起的打印床或打印表面上的沉积，以逐步构建三维物体。通常使用将物体表示为一系列切片的数字模型，这一系列切片之后在物体的物理制造过程中转化成一系列材料成分层。

根据已知类型的3D打印过程，材料被设置为线材(filament)，其在物体的制造期间从卷轴上解绕。线材被驱动机构进给到热端，根据打印程序通过该热端处理受控数量的加热线材材料。最常见的是使用允许根据笛卡尔坐标系、极坐标系、斯卡拉(Scara)坐标系或德尔塔坐标系进行定位的可移动的导轨或臂结构来移动3D打印机的热端。

一种已知类型的挤出系统是“直接挤出机(Direct extruder)”，其中驱动机构安装至热端，使得从驱动机构到热端之间的距离非常短。挤出系统的另一种已知类型是“鲍登管挤出机(Bowden tube extruder)”，其中驱动机构与热端分开，并且管延长了驱动机构与热端之间的距离。又一种已知类型的机构是“飞行挤出机(Flying extruder)”，其中挤出机通过靠近热端上方的弹性或非弹性支撑装置被悬挂。这有助于减轻热端上的重量，从而实现较高分辨率的打印，并且有助于使用柔软而奇特(exotic)的线材进行打印而不会阻塞。

可以使用不同的3D打印线材，并且特定线材的选择可以取决于许多因素，诸如：要打印的物体；物体的预期用途；材料的成本、材料的物理和美学特性(例如化学配方、耐热性、强度、柔韧性、耐久性、溶解性、附着性和变形特性、颜色、表面光洁度和反射率)；可加工性考虑因素(例如材料的翘曲或收缩趋势、最终结果的一致性)；环境和安全考虑因素(例如，制造线材所需的资源、由该材料形成的物体的可回收性、制造过程中和制造后的毒性)。

在增材制造过程中，沿进给方向向前推动线材，以在打印阶段给出待从喷嘴沉积的材料；然而，也可以沿退避方向将线材向后拉，以帮助防止材料在非打印阶段从喷嘴沉积。

3D打印失败的已知原因与对线材进给的控制不良有关。典型的驱动机构的操作性能取决于齿轮齿与线材之间接触的多个方面，包括齿与线材相遇的方向、齿与线材之间的接触的面积和深度。

然而，(能够导致线材流动的速度和平滑度变化的)线材驱动的差异能够导致诸如挤出不足或热端堵塞的问题。进料一致性问题也能够由以下原因引起或与之相关：线材直径的不均匀、由于卷轴排空而导致线材曲率的变化以及热端处融化温度的波动。

期望提供对驱动线材的可靠性的改进。

发明内容

根据第一方面，提供了用于增材制造系统的线材驱动装置，所述线材驱动装置包括支撑驱动机构的框架，所述驱动机构包括：辊装置，其包括至少一个辊并且呈现第一线材接合表面，以及带驱动装置，其包括呈现面对所述第一线材接合表面的第二线材接合表面的带，其中，在所述第一线材接合表面和所述第二线材接合表面之间限定了细长且弧形的路径，在所述驱动机构的操作下引导线材沿着所述路径在驱动方向上的前进，所述带驱动装置包括带张紧设备，用于将所述第二线材接合表面朝向所述第一线材接合表面引导，其中，所述带张紧设备包括位于由所述带形成的环内的张紧带轮，并且当所述驱动机构操作时，所述张紧带轮用于调节所述带中的张力。

在示例中，所述带驱动装置构造成在第一驱动方向和第二驱动方向上驱动所述带，所述第一驱动方向和所述第二驱动方向中的一者是进给方向，并且所述第一驱动方向和所述第二驱动方向中的另一者是退避方向。

在示例中，所述张紧带轮具有随着线材在所述驱动机构的操作下在驱动方向上前进而能够调节的位置。

根据本发明的线材驱动装置，张紧带轮在驱动机构的操作期间能够在代表不同程度的带张力的不同位置之间移动。张紧带轮的位置会随着线材被驱动而动态地调整，以保持恒定的张力。以这种方式，实现了第一线材接合表面和第二线材接合表面与线材之间的期望的接触程度，而通过第一线材接合表面和第二线材接合表面与线材之间的接触会导致不期望的线材滑动的风险。本发明的这一有利特征在沿进给方向和退避方向驱动线材时都是可操作的。

所述张紧带轮可以通过角运动、平移运动中的一者在代表最大程度的带张力的第一位置和代表最小程度的带张力的第二位置之间移动。

所述辊装置可以包括一系列辊，并且所述一系列辊中的各个辊均可以提供所述第一线材接合表面的区段。

所述辊装置可以包括提供所述第一线材接合表面的单个辊。

所述单个辊可以包括表面轮廓，所述表面轮廓限定了凹陷的周向区域，线材可以在所述区域中延伸。

所述带可以包括平坦的外表面。

所述带驱动装置可以具有开放式的带驱动构造。

可以围绕第一驱动带轮和第二从动带轮驱动所述带。

所述细长且弧形的路径可以布置在第一线材口和第二线材口之间。

本发明的其它特定和优选方面陈述在从属方案中。

附图说明

现在将参照附图更具体地说明本发明，其中：

图1示出了第一线材驱动装置的第一立体图；

图2示出了图1的第一线材驱动装置的俯视图；

图3示出了图1的第一线材驱动装置的第二立体图；

图4示出了第二线材驱动装置的第一立体图；

图5示出了图4的第二线材驱动装置的俯视图；并且

图3示出了图4的第二线材驱动装置的第二立体图。

具体实施方式

下面足够详细地说明示例实施方式，以使本领域技术人员能够实施和实现本文说明的装置、系统和过程。应当理解，能够以许多替代形式来提供实施方式，并且本发明不应被解释为限于在此阐述的具体实施方式和示例，而是由所附权利要求的范围来限定。

现在将说明用于增材制造系统的线材驱动装置。

线材驱动装置101示出在图1至图3中。线材驱动装置101可以用于鲍登管挤出机中。

线材驱动装置101包括框架102，其支撑整体以103表示的驱动机构。

如将在下面进一步详细说明的，驱动机构103包括辊装置104和带驱动装置105。辊装置104包括至少一个辊，诸如辊106，并且呈现出以107表示的第一线材接合表面。带驱动装置105包括呈现面对第一线材接合表面107的第二线材接合表面109的带108。

在第一线材接合表面107和第二线材接合表面109之间限定了细长且弧形的路径P，在驱动机构103的操作下引导诸如线材110等的线材沿着路径P在驱动方向上的前进。

细长且弧形的路径P可以具有任何合适的半径R和任何合适的长度L。

在示例中，细长且弧形的路径P具有在10度至180度范围内的半径。在示例中，细长且弧形的路径P具有148.5度的半径R。在示例中，细长且弧形的路径P具有在20mm至500mm范围内的长度。在示例中，细长且弧形的路径P具有117.7mm的长度L。

驱动机构103有利地配置成沿着细长且弧形的路径P在线材110的长度方向上提供与线材110的、增加了的接触程度，以改善驱动可靠性。

在图示的配置中，带驱动装置105具有开放式的带驱动构造，其中围绕第一驱动带轮111和第二从动带轮112驱动带108。第一驱动带轮111的转动可以由任何合适的马达带动，其可以允许带108在进给方向和退避方向上都被驱动。

如图所示，带驱动装置105包括带张紧设备113，用于将第二线材接合表面109朝向第一线材接合表面107引导。

当驱动机构103处于操作中时，带张紧设备113用于调节带108中的张力，以使第二线材接合表面109压靠在驱动方向上前进的线材110，进而朝向第一线材接合表面107推动线材110。以这种方式，实现了第一线材接合表面107和第二线材接合表面109与线材110之间期望的接触程度。在第一线材接合表面107和第二线材接合表面109之间挤压线材降低了不期望的打滑的风险。

在该示例中，带张紧设备113包括位于由带108形成的环内的张紧带轮114，该张紧带轮114具有随着线材110在驱动机构103的操作下沿驱动方向前进而能够调节的位置。张紧带轮114在驱动机构103的操作期间能够在代表不同的带张紧程度的不同位置之间移动。张紧带轮413的位置随着线材被驱动而可以动态地调节。以此方式，能够保持恒定的张力以及第一线材接合表面和第二线材接合表面与线材之间的期望的接触程度。继而，这降低了线材的不期望的打滑的风险。

带108的张紧侧提供了第二线材接合表面109。带张紧设备113包括从由带108形成的环的内部作用于带108的松弛侧的张紧带轮114。在弹簧装置115的作用下，张紧带轮114能够相对于枢转轴116在转动的第一方向上移动，以使张紧带轮114向外远离带108的张紧侧移动，从而增加带108中的张力，并且张紧带轮114能够相对于枢转轴116在转动的相反的第二转动方向上移动，以使张紧带轮114向内朝向带108的张紧侧移动，从而减小带108中的张力。应当理解，可以利用包括提供弹簧装置的功能的弹性元件的任何移动装置。

张紧带轮114能够通过角运动在代表最大程度的带张力的第一位置和代表最小程度的带张力的第二位置之间移动。张紧带轮114能够围绕张紧带轮轴自由地转动。

由此示出的带108围绕着驱动机构103的三个带轮：驱动带轮111、从动带轮112和张紧带轮114。驱动带轮111和从动带轮112均具有在驱动机构103的操作期间固定的位置，并且张紧带轮114具有在驱动机构103的操作期间可调节的位置。然而，应当理解，当不驱动带108时，可以调节各驱动带轮111和从动带轮112的位置。

因此，随着线材110行进通过线材驱动装置101，线材110被沿着细长且弧形的路径P约束在辊装置104的第一线材接合表面107和带驱动装置105的第二线材接合表面109之间。

根据图1至图3所示的实施方式，辊装置104包括一系列辊301，并且该一系列辊301中的各个辊106A至106H相应地提供第一线材接合表面107的区段107A至107H。各个辊106A至106H均能够围绕各自的辊轴自由转动。在该具体示出的示例中，一系列辊301中的辊106的数量是8。然而，应当理解，一系列辊中的辊的数量可以是任何合适的数量。在示例中，一系列辊中的辊的数量在2至16的范围内。

一系列辊301的使用有利地使得在相对小的占据区域(footprint)内实现了细长且弧形的路径P的相对大的半径R。

根据该示出的示例，柱位于各成对的相邻辊之间，诸如辊106A和106B之间的柱302，其也可以提供第一线材接合表面107的区段。

在该示出的示例中，线材驱动装置101的细长且弧形的路径P布置在第一线材口117和第二线材口118之间，各个线材口117、118配置成接收穿过其中的线材110。

在该具体示例中，第一线材口117和第二线材口118分别包括主体119、120，主体119、120中分别限定了通道121、122。第一线材口117用于将线材110的一部分引导到限定在辊装置104和带驱动装置105之间的细长且弧形的路径P中，并且第二线材口118用于将线材110的一部分引导远离细长且弧形的路径P。通道121、122限定了用于线材110的一部分进入和离开细长且弧形的路径P的竖直位置。

根据所示的示例，辊装置104的辊106A至106H和带驱动装置105的带轮111、112、114围绕相关的轴转动，各个轴实质平行于彼此地延伸。另外，在该当前示例中，框架102具有用123表示的实质平坦的上表面，并且各个轴实质上垂直于框架102的实质平坦的上表面123延伸并且从框架102的实质平坦的上表面123向上延伸。

带108可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面轮廓。带108可以具有平坦的外表面，其提供了第二线材接合表面。在示例中，带由尼龙和玻璃纤维材料制成。在另一示例中，带由橡胶材料制成。在示例中，带具有260mm的长度和16mm的宽度(具有任何合适的深度)。

在该示例中，第二从动带轮112的直径与第一驱动带轮111的直径实质相同，但在其它示例中可以不同。在示例中，第二从动带轮的直径小于第一驱动带轮的直径。

在该示例中，张紧带轮114的直径与第一驱动带轮111和第二从动带轮112的直径实质相同，但在其它示例中可以与第一驱动带轮111和/或第二从动带轮112的直径不同。

带驱动装置105的各个带轮111、112、114可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面特性。各个带轮111、112、114均可以具有任何合适的表面轮廓，其可以包括在带轮的轴向上延伸并且在径向上围绕带轮分布的肋或齿。在示例中，第一驱动带轮具有第一数量的肋或齿，并且第二从动带轮具有第二数量的肋或齿，第二数量小于第一数量。在示例中，第一驱动带轮具有肋或齿，而第二从动带轮不具有肋或齿。在示例中，张紧带轮具有肋或齿。在示例中，带轮中的至少一者由玻璃增强塑料(GRP)材料制成。在示例中，带轮中的至少一者由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。在示例中，带轮中的至少一者由铝制成。

应当理解，带驱动装置105可以包括任何合适数量的带轮，在任何合适的配置中，任何带驱动装置可以包括任何合适类型的带张紧设备。

在示例中，带轮的直径为24mm。

辊装置104的每个辊106均可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面特性。各个辊106均可以具有任何合适的表面轮廓，其可以限定凹陷的周向区域，线材可以在该区域中延伸，使得当线材被沿着细长且弧形的路径P驱动时，线材的竖直位置受到约束。在示例中，该辊或至少一个辊由玻璃增强塑料(GRP)材料制成。在示例中，该辊或至少一个辊由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。在示例中，该辊或至少一个辊由铝制成。

在示例中，辊的直径为12mm。

框架102可以由任何合适的材料或材料的组合制成。在示例中，框架由塑料材料制成。在示例中，框架由诸如铝的金属材料制成。

线材驱动装置401示出在图4至图6中。

如现在将说明的，图4至图6的第二线材驱动装置401实现了与图1至图3的第一线材驱动装置101相同的功能目的，但具有与之不同的物理配置。

线材驱动装置401包括框架402，其支撑整体由403表示的驱动机构。

驱动机构403包括辊装置404和带驱动装置405。辊装置404包括至少一个辊，诸如辊406，并且呈现用407表示的第一线材接合表面，并且带驱动装置405包括带408，其呈现面对第一线材接合表面407的第二线材接合表面409。

根据图4至图6所示的实施方式，辊装置404仅包括单个辊406。单个辊406提供了第一线材接合表面407。单个辊406能够围绕辊轴自由转动。

因此，线材驱动装置401的辊装置404与线材驱动装置101的辊装置104的区别在于辊的数量(辊装置104包括多于一个的辊，而辊装置404仅包括一个辊)。

在第一线材接合表面407和第二线材接合表面409之间限定了细长且弧形的路径P，在驱动机构403的操作下引导线材沿着路径P在驱动方向上的前进。

细长且弧形的路径P可以具有任何合适的半径R和任何合适的长度L。

在示例中，细长且弧形的路径P具有148.5度的半径R。在示例中，细长且弧形的路径P具有在20mm至500mm范围内的长度。在示例中，细长且弧形的路径P具有117.7mm的长度L。

与线材驱动装置101的驱动机构103类似，线材驱动装置401的驱动机构403有利地配置成沿着细长且弧形的路径P在其长度方向上提供与线材的、增加了的接触程度，从而改善驱动可靠性。

在所示的装置中，带驱动装置405具有开放式的带驱动构造，其中围绕第一驱动带轮410和第二从动带轮411驱动带408。第一驱动带轮410的转动可以由任何合适的马达带动，该马达可以允许带408在进给方向和退避方向上都被驱动。

带驱动装置405还包括带张紧设备412，用于将第二线材接合表面409朝向第一线材接合表面407引导。

当驱动机构403操作时，带张紧设备412用于调节带408中的张力，以使第二线材接合表面409压靠沿驱动方向前进的线材，进而相应地将线材推向第一线材接合表面407。以这种方式，实现了第一线材接合表面407和第二线材接合表面409与线材之间期望的接触程度。在第一线材接合表面407和第二线材接合表面409之间挤压线材降低了不期望的打滑的风险。

当操作驱动机构403以在进给方向F上驱动线材时，带408的张紧侧提供了第二线材接合表面409。带张紧设备412包括张紧带轮413，其从由带408形成的环的内部作用于带408的松弛侧。在弹簧装置414的作用下，张紧带轮413能够在槽415内沿第一方向移动，以使张紧带轮413向外远离带408的张紧侧移动，从而增加带408中的张力，并能够在相反的第二方向上使张紧带轮413向内朝向带408的张紧侧移动，从而减小带408中的张力。应当理解，可以利用包括构造成提供弹簧装置的功能的弹性元件的任何移动装置。

因此，带张紧设备412包括位于由带408形成的环内的张紧带轮413，张紧带轮413具有随着线材在驱动机构403的操作下沿驱动方向前进时可调节的位置。张紧带轮413在驱动机构403的操作期间能够在代表不同程度的带张力的不同位置之间移动。张紧带轮413的位置随着线材被驱动而动态地调节。以此方式，能够保持恒定的张力以及第一线材接合表面和第二线材接合表面与线材之间期望的接触程度，从而实现降低线材的不期望的打滑的风险。

张紧带轮413能够通过平移运动在代表最大程度的带张力的第一位置和代表最小程度的带张力的第二位置之间移动。张紧带轮413能够围绕张紧带轮轴自由转动。

在该示例中，带张紧设备412包括平移运动的张紧带轮413。因此，线材驱动装置401的带张紧设备412与线材驱动装置101的转动运动的带张紧设备113不同。

因此，随着线材行进通过线材驱动装置401，线材沿着细长且弧形的路径P被约束在辊装置404的第一线材接合表面407和带驱动装置405的第二线材接合表面409之间。

在该示出的示例中，线材驱动装置101的细长且弧形的路径P布置在第一线材口601和第二线材口602之间，各个线材口601、602配置成接收穿过其中的诸如图1中所示的线材110的线材。

在该具体示例中，第一线材口601和第二线材口602分别包括主体603、604，主体603、604中分别限定了通道605、606。第一线材口601和第二线材口602用于引导线材的一部分进入和离开限定在辊装置404和带驱动装置405之间的细长且弧形的路径P。特别地，通道605、606限定出用于线材的一部分进入和离开细长且弧形的路径P的竖直位置。

根据所示的示例，辊装置404的辊406和带驱动装置405的带轮410、411、413围绕各自的轴607、608、609、610转动，各个轴实质上平行于彼此地延伸。另外，在该当前示例中，框架402具有表示为611的实质平坦的上表面，并且各个轴607、608、609、610实质上垂直于框架402的实质平坦的上表面611延伸并从框架402的实质平坦的上表面611向上延伸。

带408可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面轮廓。带408可以具有提供第二线材接合表面的平坦外表面。在示例中，带由尼龙和玻璃纤维材料制成。在另一示例中，带由橡胶材料制成。在示例中，带具有260mm的长度和16mm的宽度(具有任何合适的深度)。

在该示例中，第二从动带轮411的直径与第一驱动带轮410的直径实质相同，但在其它示例中可以不同。在示例中，第二从动带轮的直径小于第一驱动带轮的直径。

在此示例中，张紧带轮413的直径比第一驱动带轮410的直径和第二从动带轮411的直径小，但在其它示例中可以与第一驱动带轮410和/或第二从动带轮411的直径实质相同或大于第一驱动带轮410和/或第二从动带轮411的直径。

带驱动装置405的各个带轮410、411、413均可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面特性。各个带轮410、411、413均可以具有任何合适的表面轮廓，其可以包括在带轮的轴向上延伸并且在径向上围绕带轮分布的肋或齿。在示例中，第一驱动带轮具有第一数量的肋或齿，并且第二从动带轮具有第二数量的肋或齿，第二数量小于第一数量。在示例中，第一驱动带轮具有肋或齿，而第二从动带轮不具有肋或齿。在示例中，张紧带轮具有肋或齿。在示例中，带轮中的至少一者由玻璃增强塑料(GRP)材料制成。在示例中，带轮中的至少一者由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。在示例中，带轮中的至少一者由铝制成。

应当理解，带驱动装置405可以包括任何合适数量的带轮，在任何合适的装置中，任何带驱动装置可以包括任何合适类型的具有任何合适配置的带张紧设备。

辊装置404的辊406可以由任何合适的材料或材料的组合制成，并且可以具有任何合适的尺寸和表面特性。辊可以具有任何合适的表面轮廓，该表面轮廓可以限定凹陷的周向区域，线材可以在该区域中延伸，使得当沿着细长且弧形的路径P驱动线材时，线材的竖直位置受到约束。在示例中，辊由玻璃增强塑料(GRP)材料制成。在示例中，辊由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。在示例中，辊由铝制成。

框架402可以由任何合适的材料或材料的组合制成。在示例中，框架由塑料材料制成。在示例中，框架由诸如铝的金属材料制成。

根据本文公开的线材驱动装置可以用于驱动任何合适类型的3D打印线材。根据本文公开的线材驱动装置可用于驱动具有任何合适直径的线材。根据本文公开的线材驱动装置可以用于驱动直径在1.75mm至3mm范围内的线材。

根据本文公开的线材驱动装置可以用于驱动由任何合适的一种或多种材料制成的线材。根据本文公开的线材驱动装置可以用于驱动标准的、柔性的或奇特的线材。根据本文公开的线材驱动装置可以用于驱动由聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、碳、尼龙制成的线材。

本申请公开了一种线材进给器，其使用带和弯曲表面一起来优化线材上的接触表面积。

根据本申请的线材驱动装置可以用于驱动在任何合适类型的3D打印机中使用的线材，该3D打印机可以是例如笛卡尔3D打印机或德尔塔3D打印机。

尽管本文已经参照附图详细公开了本发明的说明性实施方式，但应当理解，本发明不限于所示的明确实施方式和示例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够在其中实现各种改变和变型。