阅读说明：本技术 利用力反馈以打印非均匀丝的fdm打印机和方法 (FDM printer and method for printing non-uniform filaments using force feedback ) 是由 R·A·M·希克梅特 J·P·J·范奥斯 于 2018-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于3D打印3D物品(1)的方法,该方法包括：使用用于通过打印机喷嘴(502)排出3D可打印材料的力,将3D可打印材料(201)提供至打印机喷嘴(502),以及在打印阶段期间经由打印机喷嘴(502)使包括3D可打印材料(201)的丝(320)沉积,以提供包括3D打印的材料(202)的3D物品(1),其中该方法还包括：感测力相关参数,力相关参数用于控制3D可打印材料(201)的挤出速率。(The invention provides a method for 3D printing of a 3D article (1), the method comprising: providing 3D printable material (201) to a printer nozzle (502) using a force for discharging the 3D printable material through the printer nozzle (502), and depositing a filament (320) comprising the 3D printable material (201) via the printer nozzle (502) during a printing phase to provide a 3D item (1) comprising the 3D printed material (202), wherein the method further comprises: sensing a force-related parameter for controlling an extrusion rate of the 3D printable material (201).)

利用力反馈以打印非均匀丝的FDM打印机和方法

技术领域

本发明涉及一种借助熔融沉积成型来制造3D(打印的)物品的方法。本发明还涉及3D(打印的)物品，诸如，可利用这种方法获得的。另外，本发明涉及一种能够用于这种方法的3D打印机。

背景技术

增材制造(诸如，熔融沉积成型打印)在本领域中是已知的。例如，US2015266235描述了一种系统，该系统包括：第一系统，该第一系统被配置和被布置为组合至少两种不同的输入材料；控制器，该控制器与第一系统耦合并且被配置为独立地控制不同的输入材料中的每种输入材料到第一系统的馈送速率，以生成经处理的材料，该经处理的材料的成分沿其长度变化；以及第二系统，该第二系统被配置和被布置为将同步特征添加到经处理的材料。同步特征可由材料沉积系统使用，以在使用经处理的材料对物品进行增材制造期间来同步经处理的材料的成分的变化。控制器可被配置为创建数据，该数据可由材料沉积系统使用以在增材制造期间使经处理的材料与物品的位置同步。进一步地，第二系统可以包括材料成形系统，并且同步特征可以包括被添加到经处理的材料的形状。进一步地，该文还描述了在丝长度被创建时沉积速率(在由材料沉积设备移动的每一段直线距离内沉积的材料的体积)沿着丝长度变化，以便在保持该宽度恒定的情况下实现匹配不同厚度的层所需的不同丝厚度。备选地，在保持材料沉积速率恒定的情况下，丝的宽度可以被改变，以便实现所需的层厚度。在某些情况下，宽度和材料沉积速率能够沿着丝的长度变化。

发明内容

在未来的10年至20年内，数字制造将逐渐改变全球制造的性质。数字制造的一个方面是3D打印。目前，许多不同的技术已经被开发以使用各种材料(诸如，陶瓷、金属和聚合物)生产各种3D打印的物品。3D打印也可以被用于生产模具，这些模具然后可以被用来复制物品。

为了制作模具，已经提出使用聚合物喷射技术。这种技术利用光可聚合材料的逐层沉积，该光可聚合材料在每次沉积之后都被固化以形成固体结构。虽然这种技术产生光滑的平面，但是光固化材料不是很稳定，而且它们也具有对注塑成型应用有用的相对低的导热系数。

最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是一种通常被用于建模、原型设计和生产应用的增材制造技术。FDM通过将材料分层铺设来遵循“增材”原理工作；塑料丝或金属线从线圈上解开并且供应材料以生产部件。可能的情况是，(例如，针对热塑性塑料)丝在被铺设前被熔化和被挤出。FDM是快速原型技术。FDM的其他术语是“熔融丝制造”(FFF)或者“丝3D打印”(FDP)，它们被认为等同于FDM。通常，FDM打印机使用热塑性丝，该热塑性丝被加热到其熔点并且然后被逐层(或者事实上是丝接丝)挤出以创建三维物品。FDM打印机相对快并且可以被用于打印复杂的物品。这种打印机被用于使用各种聚合物打印各种形状。也进一步开发了以生产LED灯具和照明方案的技术。

在这些FDM打印机中，丝以恒定的速度馈送给喷嘴。因此，为了获得材料从喷嘴流出的恒定速率，必须使用具有恒定直径的丝。产生具有基本恒定直径的丝是相对复杂，并且导致丝的高价值。此外，即使对其性能进行了优化，目前可用的丝直径似乎具有的约1.3％的公差。这通常也会导致不期望的打印的物品的视觉缺陷。因此，带肋结构被设置有高度或宽度不均匀的肋条，这由于多种原因可能是不期望的。

因此，本发明的一方面提供了一种备选3D打印方法和/或3D(打印的)物品，这优选地进一步至少部分地消除了一个或多个上述缺陷。本发明的一方面进一步提供了一种备选3D打印机，这优选地进一步至少部分地消除了一个或多个上述缺陷。本发明的目的可以是克服或改善现有技术的至少一个缺点和/或提供有用的备选方案。

在本文中，为了能够使用没有恒定截面积的丝，在其他解决方案中，我们建议使用具有毛细管和力测量单元的馈送机系统，其中，在实施例中，用于馈送丝的力在丝被馈送入喷嘴时保持恒定。以这种方式，在使用具有非均匀截面的丝时，进FDM打印机喷嘴的流量可以被保持恒定。因此，除此之外，在本文中我们还建议一种方法，其中，我们测量被施加到丝上的力并且在打印过程期间而不是在以恒定速度馈送丝期间保持该力恒定。

根据下面的等式，具有粘度η的聚合物的体积流量Q推导出具有半径r和长度L的毛细管与压降有关，该压降反过来与力F有关：

为此，在实施例中，丝可能通过毛细管馈送。针对例如110cm³/h(3.05 10^-8m³/s)，使用直径为3.85mm和长度为5mm的毛细管以及粘度为5K Pa·s的聚合物，需要使用3牛顿的力。如果直径公差为0.05mm，则意味着在恒定的馈送机速度下流量在3.15·10^-8m³与2,94·10^-8m³之间波动，因为丝直径的波动会导致打印不均匀。在没有用于保持力恒定的力反馈的情况下，力在2.895Nt(当直径为3.9mm厚时)与3.1牛顿(当直径为3.8mm时)之间变化。

因此，在第一方面中，本发明提供了一种使用熔融沉积成型3D打印机借助熔融沉积成型来3D打印3D物品(在本文中也被指示为“物品”或“3D打印的物品”)的方法，该熔融沉积成型3D打印机包括液化器或加热器，该液化器或加热器被配置为加热打印机喷嘴上游的3D可打印热塑性聚合物材料，该方法包括：将3D可打印热塑性聚合物材料提供至打印机喷嘴(“喷嘴”)，3D可打印热塑性聚合物材料具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)，使用液化器或加热器而将3D可打印热塑性聚合物材料加热到3D可打印热塑性聚合物材料的至少玻璃化转变温度(Tg)或至少熔点(Tm)的温度，使用用于通过打印机喷嘴排出3D可打印热塑性聚合物材料的力，以及在打印阶段期间经由打印机喷嘴使包括3D可打印热塑性聚合物材料的丝沉积，以提供包括3D打印的热塑性聚合物材料的3D物品，其中，该方法还包括：通过传感器感测力相关参数，该力相关参数用于控制3D可打印热塑性聚合物材料(从打印机喷嘴)的挤出速率，其中，传感器被布置为感测在液化器或加热器的上游的某个位置处的力相关参数。

除了术语“挤出速率”，也可以使用术语“流量”。它特别指的是丝从打印机喷嘴逸出的速率。术语“挤出速率”特别指的是每单位时间的质量，在本文中特别是3D可打印材料的速率，3D可打印材料以该速率从打印机喷嘴排出。这种方法和这种3D打印机(也进一步参见下文)可以是来自聚合物制造商的丝能够在没有微粒化的情况下使用。它也使FDM打印机能够生产缺陷数目减少的物品。进一步地，这种方法(和3D打印机)可以允许厚度或直径受到高度控制的丝逸出打印机喷嘴。这可以被用于生成具有相对相同尺寸的层，但是这也可以被用于以更高精度的情况下控制尺寸。感测可以利用传感器来完成。传感器可以被功能地耦合至控制系统。控制系统可以控制用于通过打印机喷嘴排出3D可打印材料的力。以这种方式，可以提供反馈环路，该反馈环路可以被用于控制从喷嘴排出的丝的丝直径，诸如，为了保持挤出速率恒定。因此，本发明提供了一种利用力反馈基于作为输入材料的非均匀丝进行受控打印的FDM打印机和方法。特别地，该方法是单根丝方法，即，单根丝被引导至打印机头，而不是两根或两根以上的丝。

如上所指示，本发明提供了一种使用熔融沉积成型3D打印机借助熔融沉积成型来3D打印3D物品的方法，该熔融沉积成型3D打印机包括液化器或加热器，该液化器或加热器被配置为加热打印机喷嘴上游的3D可打印热塑性聚合物材料，该方法包括：将3D可打印热塑性聚合物材料提供至打印机喷嘴。3D打印阶段单元包括打印机头和打印机喷嘴。3D可打印热塑性聚合物材料具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)。3D可打印热塑性聚合物材料通过使用液化器或加热器而被加热到3D可打印热塑性聚合物材料的至少玻璃化转变温度(Tg)或至少熔点(Tm)的温度。3D可打印材料作为丝离开喷嘴并且被沉积在支架上(或者在支架上的先前的3D打印的材料上)。因此，当3D可打印材料已被沉积在支架上的3D打印的材料上时，3D可打印材料可以被直接沉积在支架上，或者可以被间接沉积在支架上。被沉积在支架上的3D可打印材料被指示为3D打印的材料，或者被指示为物品(包括3D打印的材料)；也见下文。在该方法的打印阶段期间，包括3D可打印材料的丝经由打印机喷嘴被沉积。以这种方式，提供包括3D打印的材料的3D物品。

3D可打印材料可以作为丝被提供至打印机头或者可以作为颗粒状材料被提供。在后面实施例中，附加挤出机可以将颗粒状材料变换为丝。因此，3D可打印材料可以作为丝或者作为颗粒状材料而被提供，但是在两个实施例中都是作为丝被打印(“挤出”)。

进一步地，可选地，3D可打印材料作为丝被提供，但是被处理成颗粒状材料，这种经处理的材料再次被附加挤出机变换为打印机头的丝。当使用非常不规则直径的丝时，这可能特别有用。由此获得的丝可能具有更好控制的直径，即使在这些情况下，直径的变化也可能超出预期。

因此，3D可打印材料作为丝被提供至打印机头。利用本发明，可以在上述所有选项中更好地控制丝厚度或直径。这可能会允许使用丝，即使如本文所定义的方法和3D打印机一样具有次佳恒定厚度，也可以处理直径的差异。利用本发明，如果需要的话，则可以保持3D可打印材料的挤出速率或打印基本上恒定，或者控制得更好。因此，本发明提供控制3D可打印材料的挤出速率。换而言之，丝离开打印机喷嘴的速率是通过控制被用于从喷嘴排出3D可打印热塑性聚合物材料的力来控制的。

在上述所有选项中，力被用于通过打印机喷嘴排出3D可打印热塑性聚合物材料。当使用直接被打印的丝时，然后力被用于通过打印机头运输丝，例如，利用马达。在其他实施例中，力可以被用于通过打印机喷嘴按压颗粒状3D可打印材料以提供丝。压力可以被用于挤出3D可打印材料以提供丝。

在以恒定速度馈送丝期间，随着丝熔化并且通过打印机头被挤出时，所记录的力将示出为取决于丝的输入直径的厚度。进一步地，聚合物通过喷嘴被挤出的速率也取决于该力。因此，所施加的力可能是比例如聚合物丝被馈送入挤出机以获得恒定挤出速率的速率更好的参数。因此，该方法还包括：通过传感器感测力相关参数，该力相关参数用于控制3D可打印热塑性聚合物材料从打印机喷嘴挤出。传感器被布置为感测在液化器或加热器上游的位置处的力相关参数。

因此，在具体实施例中，该方法包括：感测用于控制丝的挤出速率的力相关参数。在这里，术语“控制”特别可以指保持流量在所需的预定值(也进一步参见下文)。为了特定目的，该直径可以随时间改变，与3D物品的设计相关联。在具体实施例中，可能希望具有恒定厚度的3D打印的丝，例如，当打印壁等等时。因此，在具体实施例中，该方法可以包括：感测力相关参数，该力相关参数用于在打印阶段的至少部分期间保持丝的流量恒定。该力可以以几种方式和/或在3D打印机(打印过程)内的几个位置(阶段)被感测，可以从几种方式和/或3D打印机(打印过程)内的几个位置(阶段)中选择一者或多者。

在实施例中，熔融沉积成型3D打印机可以包括3D打印阶段单元，该3D打印阶段单元包括打印机头和打印机喷嘴。3D可打印热塑性聚合物材料由涂布器经由运输通道或导管被提供至液化器或加热器并且然后被提供至打印机喷嘴。该传感器可以被应用于以下位置中的至少一个位置处：(i)在涂布器处，(ii)在运输通道或导管处，(iii)在柔性耦接元件处，该柔性耦接元件被布置在打印机喷嘴与打印机头之间，其中打印机喷嘴与打印机头可移动地相关联，(iv)在3D打印阶段单元的外部处。在3D打印阶段单元的外部意指传感器在3D打印阶段单元处进行测量，而不是在3D可打印热塑性聚合物材料的熔融状态下。例如，传感器可以测量打印机头外部上的力相关参数。例如，传感器可以测量固持装置外部上的力相关参数，该固持装置机械地固持打印机头。

在实施例中，涂布器(诸如，马达)可以被应用于迫使丝通过3D打印机，诸如，通过毛细管(也参见下文)或者通过打印机喷嘴。使用于运输丝的旋转元件旋转所需的扭矩可以被感测和被控制。以这种方式，流量可以被保持恒定。

术语“控制”和类似的术语特别至少指的是确定行为或监督元件的运行。因此，本文中的“控制”和类似的术语可以例如指对元件实施行为(确定行为或监督元件的运行)等，诸如例如，测量、显示、启动、打开、移位、改变温度等。除此之外，术语“控制”和类似的术语可以附加地包括监控。因此，术语“控制”和类似的术语可以包括对元件实施行为并且也对元件实施行为并且监控元件。因此，在实施例中，该方法包括：利用涂布器(被配置为将丝提供至打印机喷嘴)将丝提供至打印机喷嘴，其中涂布器包括用于运输丝的旋转元件，以及其中该方法包括：控制旋转元件上的扭矩。因此，该方法可以包括：控制被施加至旋转元件的扭矩，以控制3D可打印材料的挤出速率。通过施加扭矩，不仅可以控制流量，而且还可以(隐式地)感测力相关参数。

备选地或附加地，该方法可以包括：通过运输通道运输丝，其中，运输通道包括上游部分和下游部分，该上游部分和该下游部分经由压力传感器相互关联，该压力传感器用于感测用于控制3D可打印材料的挤出的力相关参数。力越大，则两个部分之间的距离可能越大。因此，两个部分之间的距离可以被用作力的测量。两个部分之间的距离可能很小并且距离的差异也可能很小；例如，默认距离可能在0μm至2000μm的范围内，归因于力的差异的距离差异可能例如(也)在0μm至2000μm的范围内，其中，0μm指示根本没有力，并且2000μm可以是最大实际力。因此，在这些实施例中，距离可以是力相关参数。

进一步地，两个部分可以经由柔性耦接元件彼此耦接，允许沿着一个部分的运输轴相对于另一部分进行一些平移。在具体实施例中，下游部分包括打印机喷嘴。因此，打印机喷嘴可以被配置为基本上独立于打印机头，并且与打印机头可移动地相关联。传感器可以包括柔性耦接元件。

在另外的具体实施例中，可以应用运输通道，其中，通道的部分包括相对柔性的部分。在操作期间，运输通道保持其直径处于处理压力参数。然而，根据压力，柔性部分可能或多或少地凸出。这可以利用压力传感器来测量，力可以通过该传感器来测量。同样，以这种方式，可以感测力相关参数。

备选地或附加地，打印机喷嘴包括打印机喷嘴壁，沿着该打印机喷嘴壁，3D可打印材料被引导，以及其中打印机喷嘴壁可以包括压力传感器，该压力传感器用于感测用于控制3D可打印材料的挤出的力相关参数。当3D可打印材料被按压通过喷嘴时，压力传感器将感受到力。同样，以这种方式，可以感测力相关参数。

在另外的实施例中，可以使用被配置为测量运输通道中的应变的传感器。当运输通道由弹性材料制成时，力将在运输丝期间施加在运输通道上。力会导致可以被测量的小的变形(应变)。当应变被感测到并且被保持恒定时，力也将被保持恒定。

因此，如上所指示，该方法可以包括：提供颗粒状3D可打印材料并且将颗粒状3D可打印材料处理成丝，以在打印机头中进行进一步处理。

在任何情况下，通过按压通过喷嘴的3D可打印材料以及在喷嘴中加热3D可打印材料的同时，丝可以被形成其最终厚度或直径，从喷嘴中被排出并且被沉积。喷嘴中的温度可能高于玻璃化温度和/或熔化温度(也参见下文)。

任何感测到的力或者与此相关的其他参数，诸如，扭矩或者涂布器的能耗等，都可以反映3D可打印材料从喷嘴中被排出的力。因此，应用本文中的术语“力相关参数”。压力传感器可以被用来测量该力相关参数。因此，使用本文中的术语“力传感器”或“压力传感器”。因此，用于感测力相关参数的传感器可以是力传感器或压力传感器。备选地或附加地，可以应用选自由以下组成的组的传感器：校准的力传感器、扭矩传感器、压电传感器、电容式传感器、电阻式传感器等。

如上所指示，该方法包括：在打印阶段期间使3D可打印材料沉积。在本文中，术语“3D可打印材料”指的是待被沉积或打印的材料，并且术语“3D打印的材料”指的是在沉积之后获得的材料。这些材料基本上都可以是相同的，因为3D可打印材料特别地可以指的是高温下打印机头或挤出机中的材料而3D打印的材料指的是同一材料，但是在被沉积的后一阶段。3D可打印材料被打印成丝并且同样被沉积。3D可打印材料可以作为丝被提供或者可以被形成为丝。因此，无论应用何种起始材料，包括3D可打印材料的丝都由打印机头提供并且被3D打印。

在本文中，术语“3D可打印材料”也可以被指示为“可打印材料”。术语“聚合物材料”在实施例中可以指不同聚合物的混合物，但是在实施例中也基本上可以指具有不同聚合物链长的单一聚合物类型。因此，术语“聚合物材料”或“聚合物”可以指单一类型的聚合物，但是也可以指多种不同的聚合物。术语“可打印材料”可以指单一类型的可打印材料，但是也可以指多种不同的可打印材料。术语“打印的材料”可以指单一类型的打印的材料，但是也可以指多种不同的打印的材料。

因此，术语“3D可打印材料”也可以指两种或两种以上的材料的组合。通常，这些(聚合物)材料具有玻璃化转变温度T_g和/或熔化温度T_m。3D可打印材料在离开喷嘴之前将被3D打印机加热到至少玻璃化转变温度(通常是至少熔化温度)的温度。因此，在具体实施例中，3D可打印材料包括热塑性聚合物，该热塑性聚合物具有玻璃化转变温度(T_g)和/或熔点(T_m)，并且打印机头动作包括：将3D可打印材料加热到玻璃化转变以上，并且如果它是半晶状聚合物，则加热到熔化温度以上。在又一个实施例中，3D可打印材料包括具有熔点(T_m)(热塑性)聚合物，并且打印机头动作包括：将待被沉积在接收机物品上的3D可打印材料加热到至少熔点的温度。玻璃化转变温度通常与熔化温度不同。熔化是发生在晶体聚合物中的一种转变。当聚合物链从它们的晶体结构中脱落，并且变成无序的液体时，熔化就发生了。玻璃化转变是发生在非晶态聚合物(即，聚合物的链不是以有序的晶体排列，而是只以任何方式散布，即使它们是固态的)上的一种转变。聚合物可以是无定形的，本质上具有玻璃化转变温度而没有熔化温度，或者可以是(半)晶状的，通常具有玻璃化转变温度和熔化温度两者，其中，后者通常比前者更大。

如上所指示，本发明因此提供一种方法，该方法包括：提供3D可打印材料的丝并且在打印阶段期间将上述3D可打印材料打印在基板上，以提供上述3D物品。可特别适合作为3D可打印材料的材料可以选自由以下组成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅等。特别地，3D可打印材料包括(热塑性)聚合物，该(热塑性)聚合物选自由以下组成的组：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或者聚酰胺)、乙酸酯(或者纤维素)、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、聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)、聚丙烯(polypropylene)(或者聚丙烯(polypropene))、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如，膨胀的——高影响——聚乙烯(polythene)(或者聚乙烯(polyethene))、低密度(LDPE)高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯(polyvinyl chloride))聚氯乙烯(polychloroethene)等。可选地，3D可打印材料包括选自由以下组成的组的3D可打印材料：尿素甲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯(PC)、热塑性弹性体等。可选地，3D可打印材料包括选自由聚砜组成的组的3D可打印材料。

可打印材料被打印在接收机物品上。特别地，接收机物品可以是构建平台或者可以由构建平台组成。接收机物品也可以在3D打印期间被加热。然而，接收机物品也可以在3D打印期间被冷却。

除此之外，短语“打印在接收机物品上”和类似的短语包括直接打印在接收机物品上、或者打印在接收机物品上的涂层上、或者打印在先前在接收机物品上所打印的3D打印的材料上。术语“接收机物品”可以指打印平台、打印床、基板、支架、构建板或构建平台等。除了术语“接收机物品”之外，也可以使用术语“基板”。除此之外，短语“打印在接收机物品上”和类似的短语包括也打印在单独的基板上，该单独的基板在打印平台、打印床、支架、构建板或构建平台等上或者由它们组成。因此，除此之外，短语“打印在基板上”和类似的短语包括直接打印在基板上、或者打印在基板上的涂层上、或者打印在先前的基板上所打印的3D打印的材料上。在下文中，进一步使用术语“基板”，它可以指打印平台、打印床、基板、支架、构建板或构建平台等，或者在其上或由它们组成的单独的基板。

进一步地，本发明涉及一种可以被用来执行本文中所描述的方法的软件产品。

本文中所描述的方法提供3D打印的物品。因此，本发明在另一方面中还提供了一种可利用本文中所描述的方法获得的3D打印的物品。特别地，本发明提供了一种包括3D打印的材料的3D打印的物品，3D打印的物品包括带肋结构，该带肋结构包括脊和谷，该脊和该谷限定出相邻的脊与谷之间的高度差(Δh)，其中，来自平均高度差Δh_avg的平均差等于或小于2％，诸如等于或小于1％。带肋结构本质上是FDM打印所固有的。然而，归因于丝中的不规则，直接使用丝可能导致附加的特征，诸如肋条之间的高度差。利用本发明，这种差异可能被最小化。

(利用本文中所描述的方法)所获得的3D打印的物品本身可能是功能的。例如，3D打印的物品可能是透镜、准直器、反射器等。由此，所获得的3D物品可以(备选地)被用于装饰或艺术目的。3D打印的物品可能包括或者被设置有功能组件。功能组件特别可以选自由以下组成的组：光学组件、电气组件和磁性组件。术语“光学组件”特别指具有光学功能的组件，诸如透镜、镜子、光源(如LED)等。术语“电气组件”可以例如指集成电路、PCB、电池、驱动器，但也指光源(因为光源可以被认为是光学组件和电气组件)等。术语“磁性组件”可以例如指磁性连接器、线圈等。备选地或附加地，功能组件可以包括热组件(例如，被配置为冷却或加热电气组件)。因此，功能组件可以被配置为生成热量或清除热量等。

回到3D打印过程，具体的3D打印机可以被用来提供本文中所描述的3D打印的物品。因此，在又一个方面中，本发明还提供了一种熔融沉积成型3D打印机(“打印机”或“3D打印机”)，该熔融沉积成型3D打印机(“打印机”或“3D打印机”)包括：(a)打印机头，该打印机头包括打印机喷嘴；以及(b)3D可打印材料提供设备，该3D可打印材料提供设备被配置为将3D可打印材料提供至打印机头，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为在打印阶段期间使用用于通过打印机喷嘴将3D可打印材料排出(至基板)的力，经由打印机喷嘴，使包括3D可打印材料的丝沉积，以及其中熔融沉积成型3D打印机还包括(c)压力传感器，该压力传感器被配置为用于感测力相关参数，该力相关参数用于控制3D可打印材料的挤出(特别是挤出速率)。3D可打印材料提供设备可以将包括3D可打印材料的丝提供至打印机头或者可以同样地提供3D可打印材料，其中打印机头产生包括3D可打印材料的丝。因此，在实施例中，本发明提供了一种熔融沉积成型3D打印机，该熔融沉积成型3D打印机包括：(a)打印机头，该打印机头包括打印机喷嘴；以及(b)丝提供设备，该丝提供设备被配置为将包括3D可打印材料的丝提供至打印机头，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为在打印阶段期间使用用于通过打印机喷嘴将3D可打印材料排出(至基板)的力，经由打印机喷嘴，使包括3D可打印材料的丝沉积，并且特别地，熔融沉积成型3D打印机还包括：(c)压力传感器，该压力传感器被配置用于感测力相关参数，该力相关参数用于控制3D可打印材料的挤出。

压力或力传感器可以是用于测量通道中的压力、两个通道部分之间的压力、柔性部分上的压力等的任何传感器。特别地，传感器被配置为感测范围在0.1N至20N(诸如，0.1牛顿至10牛顿)的力。

事实上，上面关于该方法已经描述了打印机的一些实施例。出于完整性的目的，下面也重申了上文所描述这些实施例中的一些实施例。

在具体实施例中，熔融沉积成型3D打印机还包括涂布器，该涂布器特别地被配置为将丝提供至打印机喷嘴，其中涂布器可能特别地包括用于运输丝的旋转元件，以及其中该方法包括：控制旋转元件上的扭矩。

如上所指示，在另外的实施例中，熔融沉积成型3D打印机可以还包括运输通道，其中熔融沉积成型3D打印机被配置为通过运输通道运输丝，其中运输通道包括上游部分和下游部分，该上游部分和该下游部分经由压力传感器彼此相互关联，该压力传感器用于感测力相关参数，力相关参数用于控制3D可打印材料的挤出。例如，在实施例中，下游部分包括打印机喷嘴。

如上所指示，在熔融沉积成型3D打印机的具体实施例中，打印机喷嘴可以包括打印机喷嘴壁，沿着该打印机喷嘴壁，丝被引导，以及其中打印机喷嘴壁包括压力传感器，该压力传感器用于感测力相关参数，力相关参数用于控制3D可打印材料的挤出。

如上所指示，3D可打印材料提供设备可以或者基于被处理成丝的颗粒状材料或者同样基于丝而将丝提供至打印机头。因此，在熔融沉积成型3D打印机的实施例中，3D可打印材料提供设备被配置为将颗粒状3D可打印材料提供至3D打印机，其中3D打印机还包括用于将3D可打印材料处理成丝(以引入打印机头)的(附加的)挤出机。

在具体实施例中，熔融沉积成型3D打印机可以被配置为在打印阶段的至少部分期间通过保持力恒定来保持通过喷嘴的材料挤出速率(材料重量/时间)恒定。

因此，在实施例中，熔融沉积成型3D打印机可以包括被功能地耦合至一个或多个力相关参数传感器的控制系统。

除了术语“熔融沉积成型(FDM)3D打印机”之外，简短地也可以使用术语“3D打印机”、“FDM打印机”或“打印机”。打印机喷嘴也可以被指示为“喷嘴”或者有时被指示为“挤出机喷嘴”。

附图说明

现在参照所附的示意图仅以举例的方式描述本发明的实施例，在所附的示意图中，对应的附图标记指示对应的部分，并且其中：

图1a至图1b示意性地描绘了3D打印机的一些普通方面；以及

图2a至图2e示意性地描绘了本文中所定义的方法和/或设备的一些方面。

示意图不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1a示意性地描绘了3D打印机的一些方面。附图标记500指示3D打印机。附图标记530指示被配置为进行3D打印(特别是FDM 3D打印)的功能单元；该附图标记也可以指示3D打印阶段单元。3D打印阶段单元(530)包括打印机头(501)和打印机喷嘴(502)。在这里，仅仅示意性地描绘了用于提供3D打印的材料的打印机头(诸如，FDM 3D打印机头)。附图标记501指示打印机头。本发明的3D打印机特别地可以包括多个打印机头，尽管其他实施例也是可能的。附图标记502指示打印机喷嘴。本发明的3D打印机特别地可以包括多个打印机喷嘴，尽管其他实施例也是可能的。附图标记320指示可打印的3D可打印材料的丝(如上所指示)。为了清楚起见，并不是3D打印机的所有特征都已经被描绘，只有哪些与本发明特别相关的特征被描绘(也进一步参见下文)。

3D打印机500被配置为通过在接收机物品550上沉积多根丝320来生成3D物品10，该接收机物品550在实施例中至少可以被暂时地冷却，其中每根丝20都包括3D可打印材料，诸如，具有熔点T_m。3D打印机500被配置为加热打印机喷嘴502上游的丝材料。这可以例如利用包括一个或多个挤出和/或加热功能的设备来完成。这种设备利用附图标记573来指示，并且被布置在打印机喷嘴502的上游(即，在丝材料离开打印机喷嘴502之前的时间)。打印机头501(因此)包括液化器或加热器。附图标记201指示可打印材料。当被沉积时，该材料被指示为(3D)打印的材料，该(3D)打印的材料利用附图标记202来指示。

附图标记572指示具有(特别是金属丝形式的)材料的线轴或滚筒。3D打印机500将其转变为接收机物品上或者已经在所沉积的打印的材料上的丝或纤维320。通常，喷嘴下游的丝的直径相对于打印机头上游的丝的直径减小。因此，打印机喷嘴有时(也)被称为挤出机喷嘴。将丝接丝和丝上丝地布置，可以形成3D物品10。附图标记575指示丝提供设备，除此之外，该丝提供设备还包括利用附图标记576指示的卷轴或滚筒和驱动轮。

附图标记A指示纵轴或丝轴。

附图标记C示意性地描绘了控制系统，诸如，特别是温度控制系统，该温度控制系统被配置为控制接收机物品550的温度。控制系统C可以包括加热器，该加热器能够将接收机物品550加热到至少50℃的温度，但是特别是达到约350℃的范围，诸如至少200℃。

图1a示意性地描绘了涂布器1575，该涂布器1575被配置为将丝320提供至打印机喷嘴502，其中涂布器包括用于传输丝320的旋转元件1576。在这里，旋转轮可以被用来传输丝320。

图1b在3D中更详细地示意性地描绘了构造之下的3D物品10的打印。在这里，在该示意图中，丝320在单个平面中的末端不是相互连接的，尽管事实上在实施例中也可能是这种情况。

图1b也示意性地描绘了只从打印机喷嘴502挤出的丝320的直径(利用附图标记D指示)。

因此，图1a至图1b示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500的一些方面，该熔融沉积成型3D打印机500包括：(a)第一打印机头501，该第一打印机头501包括打印机喷嘴502；(b)丝提供设备575，该丝提供设备575被配置为将包括3D可打印材料201的丝320提供至第一打印机头501；并且可选地(c)接收机物品550。在图1a至图1b中，第一或第二可打印材料或者第一或第二打印的材料利用通常指示可打印材料201和打印的材料202指示。

力反馈机制可以被用来通过测量由馈送机马达施加的力(例如，通过测量电流(作为能够被感测的力相关参数的示例))而保持材料流量(每单位时间的重量材料)恒定。也可以切割导管并且在两部分之间放置应力/应变计，以测量在图2a所示的挤出期间所施加的力，并且在图2b中更详细地示出实施例。因此，这些图进一步示意性地示出了运输通道710。熔融沉积成型3D打印机(未进一步详细示出，但是参见例如图1a)被配置为通过运输通道710来运输丝320。运输通道710包括上游部分711和下游部分712，该上游部分711和该下游部分712经由压力传感器720相互关联，该压力传感器720用于感测力相关参数，力相关参数用于控制3D可打印材料201的沉积。基于传感器信号，控制系统C可以控制力，例如，以保持从打印机喷嘴502逸出的丝320的直径恒定。例如，上游部分711与下游部分712之间利用附图标记d所指示的距离可以被用作力相关参数。图2a也示意性地示出了涂布器1575，该涂布器1575被配置为将丝320提供至打印机喷嘴502。当涂布器所提供的力是恒定的时，距离d也将是恒定的。

图2c示意性地描绘了在可选运输通道或导管710中可以施加力传感器720的压力的几个位置，诸如，在涂布器1575处，但是也可以在喷嘴502处。应注意，喷嘴502处的构造本质上与该图顶部的传感器720不同。因此，在实施例中，下游部分712包括打印机喷嘴502。应注意，为了说明本发明，图2c描绘了传感器720的多个可能位置。进一步地，举例来说，图2c也示意性地描绘了利用附图标记600所指示的(附加的)挤出机。颗粒状3D可打印材料201被馈送入挤出机600并且被挤出成3D可打印材料201的丝320。该丝可以被馈送到涂布器1575(未完整详细地示出)。可以测量力的其他位置在喷嘴内，如在图2d中进一步阐释的。其中3D可打印热塑性聚合物材料处于熔融状态(高于Tg和Tm)的体积是非常小的体积，例如，通常低于100mm³。在这种小体积中来测量压力是相当困难和/或不准确的。测量固态(即，非熔融状态)的3D可打印热塑性聚合物材料(缆绳形式的输入丝)是更直接和/或更准确的。图2c示意性地描绘了涂布器1575的实施例，该涂布器1575被配置为将丝320提供至打印机喷嘴502，其中涂布器1575包括用于传输丝320的旋转元件1576。在这种实施例中，该方法可以包括：控制旋转元件1576上的扭矩(以控制流量)。

在丝在3D打印机500中被加热到其玻璃化温度(Tg)和/或熔化温度(Tm)之前，传感器720可以感测任何位置处的力相关参数。

传感器720可以感测在3D打印阶段单元530的外部的位置处的力相关参数。3D打印阶段单元530可以柔性地被布置为3D打印机500的部分，诸如例如，3D打印机架或外壳。

图2d示意性地描绘了实施例，其中打印机喷嘴502包括打印机喷嘴壁503，沿着该打印机喷嘴壁503，3D可打印材料201被引导。打印机喷嘴壁503包括压力传感器720，该压力传感器720用于感测力相关参数，力相关参数用于控制3D可打印材料201的挤出。

图2e示意性地描绘了包括3D打印的材料202的3D打印的物品1的实施例。3D打印的物品1包括带肋结构2，该带肋结构2包括脊3和谷4，该脊3和该谷4限定出相邻的脊与谷之间的高度差Δh。在本文中被指示为Δh₁、Δh₂、Δh₃、Δh₄等的不同的Δh的平均数可以是Δh_avg。来自平均高度差Δh_avg的平均差等于或小于1％。

术语“多个”指两个或两个以上。

本文中的术语“基本上”(诸如，“基本上由……组成”)应被本领域的技术人员所理解。术语“基本上”也可以包括具有“完全地”、“完整地”、“全部地”等等的实施例。因此，在实施例中形容词基本上也可以被移除。在可应用的场合，术语“基本上”同样可以涉及90％或更高(诸如，95％或更高)，特别是99％或更高，甚至更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”同样包括其中术语“包括”意指“由……组成”的实施例。术语“和/或”特别指在“和/或”之前和之后提及的物品中的一个或多个。例如，短语“物品1和/或物品2”和类似的短语可以指物品1和物品2中的一个或多个。术语“包括”在一个实施例中可以指“由……组成”，但是在另一个实施例中还可以指“包含至少所定义的种类和可选地是一个或多个其他种类”。

此外，在说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等是用于区别类似的元件，并不是必需用于描述连续的或按时间顺序的次序。应理解的是，这样所使用的术语在合适的环境下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以不同于本文所描述或说明的其他顺序工作。

除此之外，还描述了在操作期间的本文中的设备。如本领域的技术人员所清楚的，本发明并不限于操作的方法或操作中的设备。

应当指出的是上文所提到的实施例是说明而非限制本发明，并且本领域的技术人员能够设计出许多备选的实施例而不脱离于所附权利要求所保护的范围。在权利要求中，任何置于括号中的附图标记都不应被解释为对权利要求的限制。动词“包括”及其变形的使用并不排除存在权利要求中所列元件或步骤之外的其他元件或步骤。在元件之前的冠词“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助包括若干独特元件的硬件来实施，也可以借助适当编程的计算机来实施。在列举了若干装置的设备权利要求中，若干这样的装置可以被一个相同的硬件项目所实施。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这个纯粹事实并不说明这些措施的组合不能够被用于获利。

本发明还应用于包括一个或多个在说明书中所描述和/或在附图中所示出的特性化特征的设备。本发明还适用于包括一个或多个在说明书中所描述和/或在附图中所示出的特性化特征的方法或工艺。

为了提供附加的优点，本专利中所讨论的不同方面可以被组合。此外，本领域的技术人员应理解，实施例可以被组合，并且两个以上的实施例也可以被组合。此外，一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。

毫无疑问，第一(可打印或打印的)材料和第二(可打印或打印的)材料中的一种或多种可以包含填料，诸如，对(多种)材料的T_g或T_m没有(有)影响的玻璃和纤维。