用于熔融金属三维打印的打印头
技术领域
本发明涉及一种用于熔融金属三维打印的打印头。
背景技术
使用装配在特殊打印设备上的三维打印头是已知的。这些打印头允许在不使用模具的情况下创建各种形状的三维物体。
三维打印的材料有很多，即使在大多数情况下，三维打印机使用聚合材料，该聚合材料是在熔融状态下通过三维数字模型设计的特殊打印头可以制成感兴趣的对象。
然而，产品需要使用聚合物以外的材料，如金属，因此近年来，为使用金属而设计的三维打印设备变得越来越普遍。
特别地，这样的器具配备了特殊的打印头，使熔融的金属可以按照预先建立的数字模型分布在一个支撑面上。
在美国专利US9616494中讨论了用于熔融金属三维打印的打印头的一个例子，该专利示出了一种打印头，该打印头包括腔室，该腔室包含由电磁线圈包围的液体导电材料。
该电磁线圈带电，确定了在导电材料上朝向腔室内部的径向力。
施加的力使液滴从小孔中喷出，在一系列脉冲的作用下，根据程序模型喷出大量液滴，从而形成一个物体。
然而，这种类型的数字打印金属头确实具有许多缺点。
其主要缺点与已知打印头的构造复杂性有关。
实际上，上述打印头的特点是相当复杂的结构，因为它们是由各种组件组装而成，这些组件相互协同合作，以分配熔融金属。
然而，结构的复杂性对装配和日常维护所需的时间产生了负面影响，相应增加了成本。
此外，上述用于熔融金属的打印头的结构和操作复杂性导致了更高的故障风险，因此需要进行特殊维护或更换打印头。
而且操作温度很高，必须高于所使用金属的熔化温度，所以有必要使用特别耐高温材料制成的各种垫圈和密封装置。
然而，垫圈的恶化速度很快，导致频繁更换垫圈，需要拆卸和重新组装头部，这增加了维护操作的时间和成本。
同样，已知类型的打印头不允许控制和分配低流速，因此熔融金属沉积的精度受到限制。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有简单结构的用于熔融金属的三维打印头。
在上述目的中，本发明的目的之一是获得一种用于熔融金属的三维打印头，与已知类型的打印头相比，该打印头可以减少故障的发生率，从而降低与之相关的特殊维护成本。
此外，本发明的一个目的是制造一种用于三维打印的打印头，该打印头可以降低与组装和组装打印机的日常维护相关的成本。
本发明的另一个目的是获得一种用于熔融金属三维打印的打印头，该打印头允许以高清晰度和精确度制作三维物体。
本发明的另一个目的是提供一种用于熔融金属三维打印的打印头，其能够在简单、合理、容易、有效使用和具有成本效益的解决方案的范围内克服现有技术的上述缺点。
前述目的通过根据权利要求1的用于熔融金属三维打印的打印头实现。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从对熔融金属进行三维打印的打印头的优选但非排他的实施例的描述中变得更加明显，所述打印头通过示例性但非限制性的例子进行了说明。附图中：
图1是根据本发明的打印头处于原始配置的剖面示意图；
图2是根据本发明的打印头处于第一配置的剖面事宜图；
图3是根据本发明的打印头处于第二配置的剖面事宜图。
具体实施方式
特别参考这些图示，附图标记1总体上表示用于熔融金属三维打印的打印头。
用于熔融金属三维打印的打印头1包括至少一个空心的主体2，该空心的主体2包括至少一个第一腔室3，该第一腔室3适于容纳至少一种熔融金属4，在该第一腔室3中形成有至少一个分配开口5，用于分配熔融金属本身。
该打印头1适合于组装在至少一个用于三维打印的设备上，未在图中示出，用于按照三维数字模型将熔融金属4分配在至少一个支撑件6上，以便制造三维物体或其一部分。
在图示的优选实施例中，打印头1包括熔化装置7，该熔化装置7适于通过加热从固态金属生产熔融金属4，其通过至少一个引流管与第一腔室3相连，以便将熔融金属本身传送到第一腔室3。
然而，不能排除固体金属借助于集成在打印头1的主体2中的特定熔化装置7在第一腔室3内熔化的可能性。
优选地，容纳在第一腔室3内的熔融金属4是被用于制造多种产品的铝，尽管不排除使用不同类型的熔融金属或合金的可能性。
有用的是，第一腔室3设有加热装置，简化起见未在图中示出，该加热装置适于将熔融金属4的温度基本保持在预定值。
特别地，第一腔室3内部的温度必须高于所用金属的熔化温度，在铝的情况下，该温度约等于660℃，以便使其保持熔融状态并防止其在分配之前在打印头1内凝固。
在本发明的优选实施例中，所使用的加热装置包括至少一个与主体2相关联的电加热元件，该电加热元件适用于加热第一腔室3和容纳于其内的熔融金属4。
然而，不能排除使用不同类型的加热设备，例如使用放置在主体2外部并在内部输送加热流体的衬里，例如与所需的工作温度兼容的超饱和蒸汽。
考虑到所需的高温，主体2由耐高温的材料制成，例如特种钢。
有利地，第一腔室3包含与熔融金属4相接触，并且占据第一腔室3自身的自由体积的惰性气体8。
应当指出的是，在本发明范围内，“惰性气体”是指不与熔融金属4发生化学反应的气体，或在任何情况下反应都可以忽略不计的反应，因此不会改变其化学-物理性质。
优选地，在熔融金属4是铝的特定情况下，惰性气体8由氩气和氮气中的至少一种组成，因为铝易于在空气中存在氧气的情况下被氧化，并随之对化学-物理特性进行不可逆的改变，尽管不能排除提供不同类型的惰性气体8的成分的可能性。
仍然根据本发明，打印头1的主体2包括至少一个第二腔室9，该第二腔室9适于容纳至少一种工作流体10并且连接至压力改变装置11，该压力改变装置11适于限定第一腔室3与第二腔室9之间的压力差。
优选地，工作流体10是空气，尽管不能排除使用不同的工作流体10的可能性，例如液体。
此外，所使用的压力改变装置11的类型取决于所提供的工作流体10的类型，以便相对于第一腔室3中的压力正确地改变第二腔室9内部的压力。
优选地，如果工作流体10是空气，则压力改变装置11包括真空泵和压缩机中的至少一个，尽管不能排除设置不同类型的压力改变装置11的可能性。
特别地，在必须将工作流体10的压力降低至低于大气压的情况下，建议采用真空泵，而如果这种压力值高于大气压，则使用压缩机是有用的。
在优选实施例中，压力改变装置11包括真空泵。
此外，在第一腔室3和第二腔室9之间限定的压差可以为正，即第二腔室9内部的压力低于第一腔室3内部的压力，或者为负，即第二腔室9内部的压力高于第一腔室3内部的压力。
优选地，尽管不能排除提供负压差的可能性，但是在腔室3、9之间限定的压差为正。
此外，根据本发明，打印头1的主体2包括至少一个分配组件12、13，其包括将第一腔室3和第二腔室9隔开的至少一个柔性的薄片元件12。
特别地，薄片元件12可通过第二腔室9中的压力变化而变形，并且薄片元件12的变形确定了熔融金属4从分配开口5的流出。
有利地，薄片元件12包括至少一个面向第一腔室3的第一面14，以及至少一个与第一面14相对并面向第二腔室9的第二面15，并通过熔接装置与主体2的至少一个侧壁16以不可移除的方式在外周上相关联。
有用的是，通过熔接装置提供与侧壁16相关的薄片元件12的事实允许不需要提供垫圈或其他密封装置。
此外，由于薄片元件12的存在，第一腔室3和第二腔室9以射流方式彼此隔绝，以确保两个腔室3、9之间的压力差，并确保工作流体10和惰性气体8不相互接触。
如上所述，打印头1的工作温度很高，因此不可能通过插入橡胶垫圈来进行主体2的组装，因为橡胶垫圈不能充分抵抗高温。
因此，优选地，在分配组件12、13的组装之后，通过至少两个组装在一起并焊接的部分将主体2制成单个主体，从而获得不需要垫圈或其他密封装置的单个块。
仍根据本发明，分配组件12、13包括容纳在第一腔室3中的至少一个分配元件13，该分配元件13与薄片元件12相关联，并包括至少一个浸入熔融金属4中并布置在分配开口5附近的推力部分19。薄片元件12的变形发生在推力部分19远离分配开口5布置的第一构造和推力部分19接近分配开口5的第二构造之间。
特别地，推力部分19接近分配开口5来限定熔融金属4从分配开口5本身流出。
实际上，容纳在第一腔室3内的熔融金属4具有非常高的粘度，因此不可能仅通过重力作用就通过分配开口5分配熔融金属，而是必须施加力以推动熔融金属4从打印头1中流出。
因此，分配组件12、13的变形允许通过推力部分19将推力施加到熔融金属4上，从而将其推过分配开口5并使其流出。
在优选实施例中，第二构造中的推力部分19布置成关闭分配开口5，尽管不能排除在第二构造中提供推力部分本身保持与分配开口本身分离的可能性。
换句话说，在图中所示的实施例中，在所述构造之间的运动期间，推力部分19抵靠分配开口5。
换句话说，与第一腔室3相比，第二腔室9内部的压力变化导致薄片元件12变形，该变形是柔性的，改变其构造，从而牵引与其相关联的分配元件13。
此外，分配元件13的移位涉及推力部分19的随后运动，该推力部分19在第一构造和第二构造之间交替运动，将位于分配开口5附近的熔融金属4的薄层自同一分配开口推出。
如上所述，在优选实施例中，尽管不能排除提供第二腔室本身内部压力增加的可能性，但是第二室9内部的压力变化是通过减压发生的。
在图示中所示的优选实施例中，在第二构造中，薄片元件12基本是平坦的，而在第一构造中，薄片元件本身变形为大致弯曲的形状。
不能排除提供未在图示中示出的替代实施例的可能性，在该替代实施例中，处于第一构造的薄片元件12是基本平坦的，而在第二构造中，其变形成大致弯曲的形状。
如图所示，分配元件13沿至少一个主方向A延伸，该方向基本垂直于第二结构中的薄片元件12所限定的至少一个主平面A-A，并设有至少一个近端部分13b，该近端部分13b与薄片元件12的第一面14和至少一个限定推力部分19的远端部分13a相关联。
然而，不能排除为分配元件13提供与所描述的形状不同的形状的可能性。
还是如图所示，处于第一构型的薄片元件12从主平面A-A的第二腔室9一侧基本凸出和隆起，尽管不能排除制造薄片元件12的可能性，以使得在至少一种所述构造中，薄片元件12从第一腔室3的主平面A-A自侧面凸出和隆起。
在分配组件12、13的变形期间，由于在第一构造中的薄片元件12的变形，分配元件13被夹带沿主方向A平移，从而使推力部分移离分配开口5。
在打印操作期间，分配组件12、13仅根据数字模型提供的打印指示变形。
有用的是，在未提供熔融金属4沉积的点以及在设备停止阶段，将分配组件12、13保持在原始配置中，其中推力部分19布置成以邻接的方式封闭分配开口5，以免意外分配熔融金属4的危险。
有利地，薄片元件12从第一构型到第二构型的运动，基本上是周期性的类型，反之亦然。这是因为压力改变装置11适于以预定频率基本上周期性地改变第二腔室9中的压力。
薄片元件12的周期性运动允许熔融金属4通过分配开口5分配成小液滴17，这些小滴17按照预定的三维数字设计沉积在适当的支撑件6上，从而形成期望的物体。
有用的是，分配开口5具有横截面，该横截面的横向宽度18在1μm和50μm之间，以便沉积一些具有非常小的直径的熔融金属4的液滴17，这保证了制造三维物体的高精度。
特别地，横向宽度18在10μm和30μm之间。
在优选实施例中，横向宽度18等于20μm，尽管不能排除为横向宽度18提供不同值的可能性。
优选地，分配开口5的横截面具有大体圆形的形状，该形状没有边缘，从而使由于熔融金属4的交叉而引起的摩擦最小化，并且在这种情况下，横向宽度18对应于横截面的直径，尽管不能排除使分配开口5具有不同形状的可能性。
在实践中已经发现，所描述的发明实现了预期的目的。
在这方面，事实强调了提供上述用于熔融金属三维打印的打印头的特定解决方案，与已知类型的打印头部相比可以显著地简化打印头本身的结构。
因此，打印头结构的简单性极大地简化了制作三维金属物体的操作。
此外，与已知类型的打印头相比，提供的用于三维打印的打印头具有简单结构的特定解决方案允许减少故障的发生率，因此还减少了相关的特殊维护成本。
此外，提供具有简化结构的用于三维打印的打印头的特定解决方案使得可以简化日常维护所需的拆卸和组装操作，同时减少机器停机时间和相关成本。
再次，提供通过焊接两个部件以形成在其中焊接分配组件的单个主体部件而制成的打印头本体的特定解决方案，可以避免需要提供密封装置，该密封装置基本上与高工作温度不兼容。
此外，提供具有非常小的横向宽度的分配开口的特定解决方案，允许分配非常少量的熔融金属并获得高清晰度和精确的三维物体。
