CN114728465A - 材料喷射***、打印头、3d打印机和材料喷射的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种材料喷射***、打印头、3D打印机和材料喷射的方法。材料喷射***包括：外壳；设置在外壳中并将外壳划分为上部空间和下部空间的板，其中下部空间构造为保持用于喷射的材料；控制器单元；一个或多个材料喷射单元，每个包括：由板中基本平行的两个狭缝形成的膜，在上部空间中设置在膜上方的第一电极，设置在第一电极上的压电元件，设置在压电元件上的第二电极，其中第一和第二电极均与控制器单元电气连接以向压电元件提供电压，及设置在膜底下延伸到下层空间中的延伸构件。材料喷射***还包括喷嘴板，其设置在外壳的底端并包括形成在与各延伸构件的各自下部相对应的位置且在下部空间中设置在距下部的预定距离处的一个或多个喷嘴开口。

Description

材料喷射***、打印头、3D打印机和材料喷射的方法
技术领域
本发明涉及一种用于3D打印机的打印头。特别地，本发明涉及一种材料喷射***、打印头、3D打印机和材料喷射的方法。
背景技术
喷墨式的3D打印机包括致动器单元和打印头。致动器单元在三维空间中移动打印头。打印头包括构造为喷射打印材料的材料喷射***。打印材料从喷射***中喷射，以此依次形成三维物体的各层。可选择地，被喷射的材料在形成三维物体时会***。
材料喷射***可以包括压电致动器***，用于喷射打印材料的微滴。压电致动器***通常包括多个堆叠式压电元件。然而，这种堆叠式压电元件制造复杂，需要复杂的驱动电子设备，并且是结构敏感的。
EP 1631439 B1涉及一种设备，该设备通过响应于定义物体的数据依次在一薄层建筑材料上形成另一薄层来生产物体，该设备包括：多个打印头，每个打印头具有形成有多个输出孔的表面，并可控制以通过每个孔独立于其他孔分配建筑材料；梭子，打印头安装在所述梭子上；支撑表面；和控制器，该控制器适配于控制梭子在支撑表面上来回移动，并在梭子移动时控制打印头响应于数据通过相应的孔分配建筑材料以在支撑表面上形成第一层，并且此后依次形成其他层；其中每个打印头是从梭子可拆卸的，并独立于其他打印头可更换。
US 2003/088969 A1涉及一种液体微滴喷射装置，其中包括若干液体喷射喷嘴，包括多孔材料的液体供应层，液体供应层具有与喷嘴有关的孔，以及与孔有关的若干换能器，用于通过喷嘴喷射液体微滴。
鉴于上述情况，一个目的是提供一种改进的材料喷射***、打印头、3D打印机以及材料喷射的方法。上述目的是通过独立权利要求的主题实现的。从属权利要求涉及本发明的其他方面。
发明内容
根据本发明，提供了一种材料喷射***，包括：外壳；设置在外壳中并将外壳划分为上部空间和下部空间的板，其中下部空间构造为容纳用于喷射的材料；控制器单元；一个或多个材料喷射单元，每个单元包括：由板中基本平行的两个狭缝形成的膜，在上部空间中设置在膜上方的第一电极，设置在第一电极上的压电元件，设置在压电元件上的第二电极，其中第一和第二电极每个都与控制器单元电气连接，用于向压电元件提供电压，以及设置在膜底下延伸到下部空间中的延伸构件下部。材料喷射***还包括喷嘴板，该喷嘴板设置在外壳的底端，并包括一个或多个喷嘴开口，该喷嘴开口形成在与各延伸构件的各自下部相对应的位置上，并在下部空间中设置在距所述下部的预定距离处。
根据本发明的一个优选实施例，压电元件具有与狭缝的方向相对应的长度方向，具有与长度方向垂直的宽度方向，并具有与膜垂直并从下部空间定向到上部空间的高度方向。该压电元件被提供有使横向压电效应的变形沿着压电元件的长度方向发生的定向。
根据本发明的一个优选实施例，纵向压电效应是与压电元件的d33-效应相关的效应；和/或压电元件的极化与所述高度方向平行。
根据本发明的一个优选实施例，所述板是金属板，并且所述膜是金属膜。压电元件被导电地粘合至金属膜。在压电元件和金属膜之间的基本上整个接触表面上都有粘合。
根据本发明的一个优选实施例，喷嘴开口具有30至200微米的直径。
根据本发明的一个方面，当未对压电元件施加电压时，所述预定距离在5和450微米之间。
根据本发明的一个优选实施例，在金属板和延伸构件之间提供有聚酰亚胺薄膜以作为屏障防止压电元件和下面的任何材料接触。该聚酰亚胺薄膜是卡普顿(Kapton)膜。此外或可选地，该聚酰亚胺薄膜具有在10和100微米之间的厚度。
根据本发明的另一方面，提供了一种打印头，包括根据本发明的一个或多个材料喷射***。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据本发明的打印头的3D打印机。优选地包括根据本发明的一个或多个打印头。
根据本发明，还提供了一种用于从根据本发明的材料喷射***的材料喷射方法，其中对第一和第二电极施加电压；其中压电元件的纵向变形转化为金属膜的弯曲，并且因此引起延伸构件的线性运动。
附图说明
附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的喷射单元的示意图，其中压电元件处于中性位置；
图2显示了根据本发明的一个实施例的喷射单元的示意图，其中压电元件处于延展位置；
图3显示了根据本发明的一个实施例的打印头的分解示意图；
图4显示了根据本发明的一个实施例的组装打印头的横截面示意图；并且
图5显示了根据本发明的一个实施例的致动器组件的透视示意图。
具体实施方式
下文中，将描述本发明的实施例。需要指出的是，除非另有说明或对技术人员来说是显而易见的，否则描述的每个实施例的某些方面也可以在一些其他实施例中找到。然而，为了增加可理解性，每个方面只在第一次提到时进行详细描述，对同一方面的任何重复描述将被省略。
图1显示了根据本发明的一个实施例的材料喷射单元、MEU 1的示意图，其中压电元件102处于中性位置。详细地说，图1显示了根据本发明的一个实施例的材料喷射单元1的横截面。
在本发明的一个实施例中，材料喷射***、MES 2包括彼此平行排列的一个或多个材料喷射单元1，参照图5。在所述实施例中，一个或多个MEU 1形成于单个共用外壳200中。在一个优选实施例中，一个或多个MEU的外壳200是共用外壳，并且包括多个外壳部分。图1中的侧壁201和202是外壳200的外壳部分。
在本发明的一个实施例中，板600设置在外壳200中，该板优选为金属板600。在一个优选实施例中，板600基本上设置在外壳200的整个横截面上，从而定义了外壳200中的上部空间10和下部空间20。在板600中，平行狭缝601被形成，优选地通过激光切割和/或电成型。金属膜或舌602形成在狭缝601之间。在一个优选实施例中，多个膜602彼此相邻形成，与相邻MEU 1的相邻膜602共享至少一个狭缝601。
在本发明的实施例中，在膜602的上方，即在上部空间10中，设置有第一电极101。在优选实施例中，第一电极101是由导电层形成的，优选在溅射工艺中。在第一电极101的上方设置有压电元件102。在压电元件102的上方设置有第二电极103。在优选实施例中，第二电极101是由导电材料形成的，优选在溅射工艺中。
在本发明的一个实施例中，第一电极101是由金属膜形成的。即，金属膜充当电极，且压电元件直接设置在金属膜上。
压电元件102导电地连接至第一电极101和第二电极103。第一和第二电极通过电连接器104a和104b导电地连接至控制器105。在一个优选实施例中，MES的一个或多个MEU连接到单个共用控制器105。该控制器配置为通过第一电极101和第二电极103控制施加到压电元件102的电压。在优选实施例中，控制器105配置为独立控制各相应压电元件102的电压。
在一个优选实施例中，压电元件102是单个堆叠式压电元件，更优选为改性的锆酸铅-钛酸铅(lead-zirconate-lead-titanate)、PZT、PIC255的组成。
下文中，狭缝601的方向，即膜602的方向，定义了长度方向l。在金属板600的平面内，垂直于长度方向，定义了宽度方向w，并且垂直于所述平面，从下部空间到上部空间，定义了高度方向h。在图1和图2中，各方向由左上方的坐标系中的箭头表示。
根据本发明，压电元件102以d33配置提供。即，当施加电压时，压电元件的极化方向与在第一电极101和第二电极103之间产生的电场平行。
根据本发明，压电元件还提供有当在高度方向施加电压时横向压电效应在长度方向被观察到的定向。
换言之，当对第一电极101和第二电极103施加电压时，压电元件102在长度和高度方向上延伸，并且高度变形比长度变形的效率更高。
在一个优选实施例中，与正交d31配置的电场相比，以d33模式配置排列的压电元件中的电场具有更高的净效率。
在本发明的一个实施例中，压电元件还经历了变形量在主要的d33应变的变形量的大约1/3的正交d31变形。
在一个优选实施例中，金属板600由钢制成。在一个优选实施例中，导电的薄膜环氧树脂粘合剂用于粘合压电元件102与形成在金属板600的金属膜602和/或第一电极，优选地形成在压电元件102和金属膜602的整个接触表面上。这允许压电元件和金属膜602的被粘合表面之间的导电。在一个优选实施例中，金属膜602用作第一电极101。
在本发明的一个实施例中，延伸构件400设置在金属膜602底下，即外壳200的下部空间20中。在一个优选实施例中，延伸构件是圆柱形的延伸构件400。在一个优选实施例中，延伸构件400设置在金属膜602的中心位置。
在本发明的一个实施例中，延伸构件400的上端部分402凭借具有适当弹性的粘合胶黏剂固定至金属膜602。
在本发明的一个实施例中，外壳的界定下部空间20的下端或底部的底部部分设置有喷嘴板800(见图3)。在喷嘴板800中形成有一个或多个喷嘴开口801。在一个优选实施例中，至少一个喷嘴开口801对应于一个MES 2中的一个或多个MEU 1的延伸构件的位置。
在一个优选实施例中，喷嘴开口801的直径为30至200微米，更优选为50至110微米，最优选为65至85微米。在一个优选实施例中，喷嘴板由金属或聚合物形成，并且喷嘴开口801优选地由蚀刻或激光切割形成。
在本发明的一个实施例中，当没有电压施加到压电元件时，延伸构件400的下端部分401设置在距喷嘴板800的预定距离处。该预定距离优选为5至450微米之间，更优选为70至250微米，最优选为190至225微米。
图2显示了根据本发明的一个实施例的喷射单元的示意图，其中压电元件处于延展位置，即施加了电压。如上所述，当通过第一电极101和第二电极103向压电元件102施加电压时，在两个电极之间产生电场。根据本发明，电场与高度方向平行，并且在高度方向上产生主要的d33效应，并且在长度和/或宽度方向上产生次要的d31效应。
根据本发明，压电元件102固定至金属膜602。因此，由于压电元件102不能在长度方向上自由膨胀，所以d31效应转化为压电元件102和金属膜602的弯曲。
在根据本发明的一个实施例中，这种弯曲被d33效应进一步放大，而导致压电元件102的进一步的高度膨胀，这也促成了弯曲。
换言之，d31效应和/或d33效应引起了压电元件和金属膜602的弯曲。根据本发明，金属膜602的弯曲转化为延伸构件沿着高度方向的平移。这种弯曲在下文中也被称作准双压电(quasi-bi-morph)变形。
即，压电元件的侧向收缩与膨胀，抵着金属膜602引起了与压电元件与金属膜602的连接表面有关的正交运动，从而导致了压电延展的放大，其中与金属膜602正交的线性运动的最高振幅在所述金属膜602的中心。
本发明的一方面是，准双压电变形的振幅高于单独的d31效应和/或d33，并且因此放大了压电变形。这允许当使用相同的压电元件或使用实现相同平移的较小压电元件时提高延伸构件的平移范围。即，与传统的压电致动器相比，准双压电变形的成本效率更高。
在本发明的一个实施例中，外壳200的下部空间20提供有材料。所述材料提供为使得延伸构件400的下端部分401在该材料中终止。在优选实施例中，所述材料以液相提供。
根据本发明，下端部分401在该材料中的运动引起了部分材料通过喷嘴开口801的喷射。换言之，位于优选是圆形的喷嘴开口上方的材料柱，将经历向下的冲击。这允许材料通过喷嘴开口的喷射受控。
不同的液体材料特性，如粘度、表面张力和其他流变因素，为致动的参数控制创造了一定的窗口，允许理想的液滴释放。
在一个优选实施例中，MES 2的MEU 1可以通过独立地对每个MEU的每个压电元件施加电压而被控制器105独立地驱动。
图3显示了根据本发明的一个实施例的打印头3的分解示意图。根据本发明，一个或多个MEU 1形成MES 2。此外，根据本发明，用于3D打印机的打印头3包括MES 2和另外的部件。
在如图3所示的本发明的一个实施例中，打印头3还包括材料供应***1100，用于将材料通过第一连接器1101供应至下部空间20中。打印头3还包括第一真空连接头1102，用于从上部空间10移除或***气体和材料，和/或第二真空连接头1103，用于从下部空间20移除或***气体和材料。
打印头3具有分层结构，将在下文中对此进行描述。尽管使用不同的层在制造方面有很多优点，但本发明并不限于此。特别地，在某些实施例中，一些层可以被省略和/或任何数量的层的功能可以被组合或划分到另一层。
打印头3进一步包括设置在喷嘴板800上方的隔板2002。隔板2002有利于各喷嘴开口相对于相应延伸构件400的各自的下端401的精确相对定位。
打印头3进一步包括设置在隔板2002上方的基准板2003。隔板2002固定至基准板2003，以有利于喷嘴板800相对于相应延伸构件400的各自的下端401的精确定位。
打印头3进一步包括设置在基准板2003上方的印刷电路板、PCB层3001。PCB层3001包括至少一个加热元件和优选地至少一个温度感应元件3002。PCB层3001构造为加热材料和/或控制材料的温度。
打印头3进一步包括设置在PCB层3001上方的材料通道板2004。在材料通道板2004中，形成了一个或多个材料储器，每个材料储器对应一MEU 1。PCB层3001的至少一个加热元件与材料通道板热接触，用于加热相应的一个或多个材料储器中的材料。至少一个加热元件和温度感应元件3002配置为用于形成在喷嘴板800上方的材料储器中存在的材料的闭环温度控制。
打印头3进一步包括设置在材料通道板2004上方的隔热壁元件2005。隔热壁元件2005构造为将被加热的材料通道板2004与位于其上方的元件进行热隔离。
打印头3进一步包括设置在材料筛板2006顶部的材料流入板2007。材料流入板构造为引导通过材料供应***供应的材料沿着外壳的至少一个壁进入材料储器中。
打印头3进一步包括设置在材料流入板2007上方的聚酰亚胺薄膜2008。聚酰亚胺薄膜2008构造为将各延伸构件400固定到MEU 1的相应金属膜602上。在优选实施例中，聚酰亚胺薄膜是卡普顿膜。在优选实施例中，聚酰亚胺薄膜的厚度在10和100微米之间，更优选在20和80微米之间，最优选在25和50微米之间。
在本发明的一个实施例中，聚酰亚胺薄膜作为屏障，以防止压电元件和下方材料储器中存在的任何材料接触。
打印头3进一步包括设置在聚酰亚胺薄膜2008的上方的压电元件保持板2009。压电元件保持板2009包括MES 2的金属板600。在优选实施例中，MEU 1的各压电元件102粘合在压电元件保持板2009的上表面上方。MEU的各延伸构件400固定在压电元件保持板2009的下表面下方，用以促进准双压电的线性运动的冲击转移向下通过材料-气体或材料-真空界面进入材料储器中存在的材料中。
打印头3进一步包括设置在压电元件保持板2009上方的顶隔板2010。
打印头3进一步包括设置在顶隔板2010上方的PCB顶层3003。PCB顶层3003包括MES2的控制器105。MEU 1的各压电元件102通过电子连接器104b连接到PCB顶层3003。
打印头3进一步包括材料位面感应单元3005，其优选设置在PCB顶层3003上并且延伸穿过压电元件保持板2009进入下部空间20而进入储器中。这允许保持足够数量待转移到打印头3上的材料。
在本发明的一个实施例中，打印头3进一步包括电连接器单元3004，其设置在PCB顶层3003上并且被构造为将PCB顶层3003连接到3D打印机的控制电子设备。
图4显示了根据图3实施例的组装打印头的横截面示意图。在本发明的实施例中，当组装时，打印头3包括MES 2的外壳200以及MES 2的一个或多个MEU 1。
图5显示了根据图3实施例的致动器组件的透视示意图。详细地，压电元件保持板2009显示为与打印头3的其余部分隔离。
在压电元件保持板2009底下设置有聚酰亚胺薄膜2008，优选地覆盖压电保持板2009的基本上整个底表面。聚酰亚胺薄膜2008底下设置有每个MEU 1的多个延伸构件400。在压电保持板中多个平行狭缝601形成了每个MEU 1的多个膜602。在膜602上设置有每个MEU 1的多个压电元件102。
在本发明的一个实施例中，延伸构件400构造为将高振幅运动转移到温控材料中，同时使压电元件与该材料有距离并且压电元件不受任何直接热影响，从而减少致动器***中的热应变和磨损。
在本发明的一个实施例中，喷嘴开口的布置，优选线性布置在不同的构造中被改变，以提高一个材料储器中的喷嘴密度。该布置依赖于在压电元件保持板2009上单独可寻址的压电元件的最大密度。所述压电元件的形状优选为圆形、八角形、六角形、四角形、三角形和/或所述形状的截头变体中的一个或多个。
上文所描述和说明的是本发明的实施例以及一些变体。本文所使用的术语、描述和附图仅作为说明，并不意味着限制。本领域的技术人员可以意识到，在本发明的主旨和范围内，许多变型都是可能的，本发明旨在由以下权利要求及其等同物来定义，其中，除非另有说明，所有术语都是指其最广泛的合理含义。

Claims (10)

1.一种材料喷射***，包括：
外壳；
板，设置在所述外壳中并将所述外壳划分为上部空间和下部空间，其中所述下部空间构造为保持用于喷射的材料；
控制器单元；
一个或多个材料喷射单元，每个包括：
由所述板中基本平行的两个狭缝形成的膜，
在所述上部空间中设置在所述膜上方的第一电极，
设置在所述第一电极上的压电元件，
设置在所述压电元件上的第二电极，其中所述第一和第二电极均电气连接至所述控制器单元，用于向所述压电元件提供电压，以及
设置在所述膜底下延伸到所述下部空间中的延伸构件；并且
所述材料喷射***还包括：
喷嘴板，其设置在所述外壳的底端并包括一个或多个喷嘴开口，所述喷嘴开口形成在与各延伸构件的各自下部相对应的位置上并在所述下部空间中设置在距所述下部的预定距离处。
2.根据权利要求1所述的材料喷射***，
其中所述压电元件具有与所述狭缝的方向相对应的长度方向，具有与所述长度方向垂直的宽度方向，并具有与所述膜垂直并从所述下部空间定向到所述上部空间的高度方向；并且
其中所述压电元件被提供有使横向压电效应的变形沿着所述压电元件的所述长度方向发生的定向。
3.根据权利要求1或2所述的材料喷射***，
其中纵向压电效应是与所述压电元件的d33效应相关的效应；和/或所述压电元件的极化与所述高度方向平行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的材料喷射***，
其中所述板是金属板并且所述膜是金属膜，
其中所述压电元件被导电地粘合至所述金属膜；并且
其中在所述压电元件和所述金属膜之间的基本上整个接触面上都设置有粘合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的材料喷射***，
其中所述喷嘴开口具有30至200微米的直径。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的材料喷射***，
其中当未对所述压电元件施加电压时，所述预定距离在5至450微米之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的材料喷射***，
其中在所述金属板和所述延伸构件之间设置有聚酰亚胺薄膜以作为屏障防止所述压电元件和下方的任何材料接触；
其中所述聚酰亚胺薄膜是卡普顿膜；和/或
其中所述聚酰亚胺薄膜具有在10和100微米之间的厚度。
8.一种打印头，包括根据权利要求1至7中任一项所述的一个或多个材料喷射***。
9.一种3D打印机，包括根据权利要求8所述的一个或多个打印头。
10.一种用于从根据权利要求1至7中任一项所述的材料喷射***的材料喷射的方法，其中对所述第一电极和第二电极施加电压；其中所述压电元件的纵向变形转化为所述金属膜的弯曲，并且因此引起所述延伸构件的线性运动。
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