CN101778704B - 用在基于挤出的分层沉积系统中的挤出头 - Google Patents

用在基于挤出的分层沉积系统中的挤出头 Download PDF

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Abstract

一种挤出头，包括至少一个安装结构；第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一个安装结构上；第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近第一液化器泵设置；切换机构，所述切换机构被所述至少一个安装结构支撑，并被配置以沿第一轴线相对于所述第一液化器泵移动所述第二液化器泵；和槽接合机构，所述槽接合机构与所述第二液化器泵部分地相连接，以限定所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围。

Description

用在基于挤出的分层沉积系统中的挤出头
技术领域
本发明涉及一种用于构建三维(3D)目标的基于挤出的分层沉积系统。特别地，本发明涉及一种用在基于挤出的分层沉积系统中的挤出头。 
背景技术
基于挤出的分层沉积系统(例如，明尼苏达州Eden Prairie的Stratasys公司开发的熔融沉积模型化系统)通过挤出可流动的构建材料(buildmaterial)，用于以一层一层的方式由计算机辅助设计(CAD)模型构建3D目标。通过由挤出头携带的挤出尖端挤出构建材料，并根据路径的顺序被沉积到在x-y平面内的基板上。挤出的构建材料熔合到之前沉积的构建材料上，并在温度下降时凝固。然后，挤出头相对于基板的位置沿z轴(垂直于x-y平面)增加，之后该过程被重复以形成类似CAD模型的3D目标。 
根据表示3D目标的构建数据，在计算机的控制下进行挤出头相对于基板的运动。通过初始将3D目标的CAD模型分割成多个水平片层，来获得构建数据。然后，对于每个片层，主机生成用于沉积构建材料的路径的构建路径，以形成3D目标。 
在通过沉积构建材料的层以制作3D目标中，支撑层或结构被典型地构建在悬垂部分的下方或在建造中的目标的腔内，它们自身不被构建材料支撑。利用相同的沉积技术可构建支撑结构，通过所述沉积技术来沉积构建材料。主机生成额外的几何形状，所述几何形状用作用于将要形成的3D目标的悬垂或自由空间部分的支撑结构。然后，在构建过程期间依据所生成的几何形状由第二喷嘴沉积支撑材料。在制作期间，支撑材料粘附到构建材料上，并在构建过程完成时从完成的3D目标上移除支撑材料。 
在基于挤出的分层沉积系统的使用中的上升趋势涉及大量3D目标的制作，典型地被称为快速制造。除构建大量相同的3D目标之外，快速制造也可用于通过构建大量具有设计变化的3D目标来优化3D目标的设计，从而允许设计变化随后被测试。由于数量很大，基于挤出的分层沉积系统的部件，特别是挤出头，要求在延长的使用周期内具有好的耐用性和可靠性。因此，对用于构建3D目标和相应的支撑结构的挤出头的耐用性和可靠性的改善存在不断的需要。
发明内容
本发明涉及一种用于基于挤出的分层沉积系统中的挤出头。该挤出头包括安装结构；第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述安装结构上；第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近第一液化器泵设置；切换机构，所述切换机构被所述安装结构支撑，和槽接合机构，所述槽接合机构与所述第二液化器泵部分地相连接。切换机构被配置以沿第一轴线相对于所述第一液化器泵移动所述第二液化器泵，和所述槽接合机构限定了所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围。 
附图说明
图1是用于构建3D目标和支撑结构的基于挤出的分层沉积系统的正视图。 
图2A是基于挤出的分层沉积系统的挤出头的正视图，其中挤出头被设置处于构建状态中。 
图2B是被设置处于支撑状态中的挤出头的正视图。 
图3是省略了部件的挤出头的前透视图。 
图4是挤出头的扭矩组件和线性轴承组件的放大的前透视图。 
图5A和图5B是挤出头的放大的前透视图。 
图6是挤出头的支撑液化器泵的后透视图。 
图7是挤出头的可替代的支撑液化器泵的后透视图。 
图8A是在图2A中截取的截面8A的截面视图，描述了用于挤出头的支撑液化器泵的槽接合机构。 
图8B是在图2B中截取的截面8B的截面视图，进一步描述了用于挤出头的支撑液化器泵的槽接合机构。 
图9A是用于挤出头的支撑液化器泵的槽接合机构的侧视图，其中挤出头被设置处于构建状态中。 
图9B是用于挤出头的支撑液化器泵的槽接合机构的侧视图，其中挤出头被设置处于支撑状态中。 
图10是省略了部件的可替代的挤出头的前透视图，其中可替代的挤出头包括额外的液化器泵。 
具体实施方式
图1是系统10的正视图，其是包括构建室12、基板14、构台16以及挤出头18的基于挤出的分层沉积系统。用于系统10的适合的系统包括明尼苏达州Eden Prairie的Stratasys公司开发的熔融沉积模型化系统。构建室12为一个封闭环境，所述环境包含基板14、构台16、以及用于构建3D目标(被称为3D目标20)和相应支撑结构(被称为支撑结构22)的挤出头18。可以理解，3D目标20和支撑结构22的几何形状仅是示例性的，并且系统10适合于构建具有各种不同的几何设计的3D目标和支撑结构。 
基板14为在其上构建3D目标20和支撑结构22的平台，并可根据由计算机操作的控制器(未显示)提供的信号沿垂直的z轴线运动。构台16为引导轨道系统，该引导轨道系统被配置以根据由计算机操作的控制器(未显示)提供的信号，在构建室12内在水平x-y平面中移动挤出头18。水平x-y平面为x轴线和y轴线(图1中未显示)所定义的平面，其中x轴线、y轴线和z轴线彼此正交。如在此处所使用的，术语“轴线”被称为空间坐标系统(例如，笛卡尔坐标系统)的坐标轴。 
挤出头18为由构台16支撑的双尖端挤出头，用于以一层一层的方式在基板14上构建3D目标20和支撑结构22。如下文所讨论的，挤出头18被配置以在“构建状态”与“支撑状态”之间转换，其中，挤出头18在构建状态中沉积用于3D目标20的构建材料，和在支撑状态中沉积用于支撑结构22的支撑材料。在较优选的实施例中，每个构建材料和支撑材料被提供给挤出头18，作为连续的细丝。在Swanson等的美国专利No.6,923,634和Comb等的美国专利No.7,122,246中公开了适当的细丝和用于将细丝供给至系统10的适当的组件的示例。虽然此处所讨论的材料是构建材料和支撑 材料，但是与挤出头18一起使用的适合的材料包括任何类型的可挤出的材料(例如，热塑性材料)。 
在构建操作期间，挤出头18最初被定位在构建状态中，该构建状态允许挤出头18以路径的次序沉积构建材料，以形成3D目标20的层。在3D目标20的层完成之后，挤出头18然后切换到支撑状态，该支撑状态允许挤出头18以路径的次序沉积支撑材料，以形成支撑结构22的层。支撑结构22的层之后可用于垂直地支撑被沉积的构建材料和/或支撑材料的随后的层。在支撑结构22的层完成之后，基板14沿z轴降低单个层的增量，并且挤出头18切换返回至构建状态以形成3D目标20的随后的层。这个过程可以被重复，直至3D目标20和支撑结构22的每个层都完成为止。在一种可替代的布置中，挤出头18可以最初被定位在支撑状态中，用于形成支撑结构22的层，然后切换至构建状态以形成3D目标20的层。 
对于甚至单个3D目标和相应的支撑结构(例如，3D目标20和支撑结构22)，挤出头18可在构建状态和支撑状态之间切换多次。在快速制造过程中制作大量的3D目标和支撑结构时，所述次数被翻倍。因为挤出头18的切换涉及挤出头18的部件的机械运动，所以多次切换可能引起对一个或更多个部件的磨损和未对准的关注。这样的磨损和未对准可以降低所获得的3D目标和支撑结构的质量和精度。然而，如下文所讨论的，挤出头18包括降低磨损和未对准的风险的防护装置，从而使得挤出头18在延长的使用周期(例如，快速制造过程)内用于构建操作中。 
图2A和2B是挤出头18(外壳和冷却空气管线被省略)的正视图，在所述的视图中挤出头18被设置在图2A的构建状态中和图2B的支撑状态中。如图2A所示，挤出头18包括电路板支架24、电机支架26、扳手块28、构建液化器泵30、支撑液化器泵32，以及切换机构34。电路板支架24为第一安装结构，该第一安装结构包括用于与计算机操作的控制器(未显示)通信的挤出头18的电路板(未显示)。电机支架26为第二安装结构，该第二安装结构包括顶板(ceiling)部分26a、壁部分26b和底板部分26c，其中，顶板部分26a和底板部分26c通常是平行的且与壁部分26b的相对末端相连。用螺栓36将壁部分26b固定到电路板支架24上，从而允许顶板部分26a和底板部分26c保持切换机构34。 
扳手块28为第三安装结构，该第三安装结构用向后的螺栓(未显示)固定在电路板支架24上，以及通过螺钉38固定在构台16上(图1中所示)。期望螺钉38是被捕获的，以当挤出头18被移除时防止螺钉掉下来，且期望地沿挤出头18的重心被定位以在高加速的运动期间减小构建液化器泵30和支撑液化器泵32的偏斜。扳手块28也通过螺栓40被固定在电机支架26的底板部分26c上。电路板支架24、电机支架26，以及扳手块28期望被紧密固定在一起，以在构建操作期间挤出头18围绕构建室12(图1中所示)运动时防止电路板支架24、电机支架26以及扳手块28之间的相对运动。 
构建液化器泵30是用于从构建材料源(未显示)挤出构建材料的细丝(未显示)的被固定到扳手块28上的液化器泵。构建液化器泵30包括基底块42、细丝入口44、细丝检测开关46、电机48、驱动轮组件50、液化器52和构建尖端54。基底块42是固定于扳手块28上的液化器泵30的一部分，从而可防止构建液化器泵30和扳手块28之间的相对运动。细丝入口44被基底块42支撑，且是细丝供给管线(未显示)的连接点，该细丝供给管线用于向挤出头18提供构建材料细丝。细丝检测开关46也被基底块42支撑，并且提供一种用于检测构建材料细丝何时到达构建液化器泵30的装置。当卸载构建液化器泵30时，细丝检测开关46也可检测构建材料细丝的损失。 
电机48是用于操作驱动轮组件50的被固定到基底块42的驱动电机(例如伺服电机)。驱动轮组件50是被安装于基底块42上的且由电机48供给动力的轮、齿轮和管道的组件，用于从细丝入口44将构建材料细丝的连续部分供给至液化器52。LaBossiere等的美国公开出版物No.2007/0003656公开了用于电机48和驱动轮组件50的适合配置的示例。液化器52是熔化已接收到的构建材料细丝的被加热的块，从而允许熔化的构建材料流至构建尖端54。构建尖端54是沿z轴线对齐的挤出尖端，用于挤出熔化的构建材料以形成3D目标20的层(图1中所示)。 
支撑液化器泵32是由切换机构34进行转换的液化器泵，用于从支撑材料源(未显示)挤出支撑材料细丝(未显示)。支撑液化器泵32包括基底块56、细丝入口58、细丝检测开关60、电机62、驱动轮组件64、液化器66和构建尖端68。基底块56是由切换机构34可移动地支撑的支撑液化器泵32的一部分。细丝入口58被基底块56支撑且是细丝供应管线(未显示)的 连接点，该细丝供应管线向挤出头18提供支撑材料细丝。细丝检测开关60也由基底块56支撑且以与细丝检测开关46相同的方式起到用于检测支撑材料细丝何时到达支撑液化器泵32和当卸载支撑液化器泵32时检测支撑材料细丝的损失的功能。 
电机62是用于操作驱动轮组件64的被固定于基底块56上的驱动电机(例如，伺服电机)。驱动轮组件64是安装于基底块56上的且由电机62供给动力的轮、齿轮和管道的组件，用于从细丝入口58将支撑材料细丝的连续部分供给至液化器66。用于电机62和驱动轮组件64的适当的配置的示例包括用于电机48和驱动轮组件50的上文所讨论的这些示例。液化器66为类似于液化器52的热交换器块，该热交换器块熔化已接收到的支撑材料细丝，从而允许熔化的支撑材料流向支撑尖端68。支撑尖端68也是沿z轴线对齐的挤出尖端，用于挤出熔化的支撑材料以形成支撑结构22的层(图1中所示)。 
切换机构34是被配置以沿z轴线调节支撑液化器泵32的位置的机构，并且包括切换电机70和扭矩组件72。切换电机70是被配置以向扭矩组件72提供可旋转的动力的电机(例如，直流(DC)电机)，并固定于电机支架26的顶板部分26a上。扭矩组件72被电机支架26的底板部分26c保持，并与切换电机70和支撑液化器泵32相连接。这允许切换电机70的可旋转的动力沿z轴线对支撑液化器泵32的位置进行调节。 
在形成3D目标20的层的构建操作期间，挤出头18设置在构建状态中，其中切换机构34将支撑液化器泵32保持在上升的位置上(如图2A所示)。在上升的位置上，与构建尖端54相比支撑尖端68沿z轴线延伸更高，且高上升的偏移距离74。上升的偏移距离74的适当距离的示例包括至少约1.0毫米(mm)的距离，具体地适合的距离是在约1.3毫米至约3.0毫米的范围内，更具体地适合的距离是在约1.5毫米至约2毫米的范围内。上升的偏移距离74允许构建液化器泵30挤出构建材料的路径以形成3D目标20的层，而不受支撑尖端68的干扰。另外，上升的偏移距离74减少了支撑材料被嵌于3D目标20内的风险。当挤出头18被设置处于构建状态中时，支撑材料的剩余量可潜在地从支撑液化器泵32渗出。然而，定位支撑尖端68比构建尖端54高上升的偏移距离74，降低了剩余的支撑材料与被形成的3D目标 20的层相接触的风险。 
在挤出头18被设置处于构建状态中时，电机48和驱动轮组件50将构建材料细丝的连续部分供给至液化器52。液化器52包括熔化构建材料细丝的温度梯度，同时构建材料细丝穿过液化器52。液化器52的温度梯度可以依赖于所使用的构建材料发生变化，且期望地允许构建材料细丝的未熔化部分起到用于将融化的部分从液化器52和构建尖端54挤出去的活塞的功能。如上文所讨论的，被挤出的构建材料然后以路径的次序被沉积，以形成3D目标20的层。 
当完成3D目标20的给定层时，电机48被停止，从而停止通过构建液化器泵30的挤出过程。然后，切换电机70沿旋转箭头76的方向旋转扭矩组件72。扭矩组件72沿旋转箭头76的方向的旋转，使支撑液化器泵32沿z轴线(箭头78所显示的)向下运动，直至支撑液化器泵32到达下降的位置为止。当支撑液化器泵32到达下降的位置时，期望切换电机70继续沿旋转箭头76的方向对扭矩组件72施加低量至中等量的旋转动力，以将支撑液化器泵32保持在下降的位置上。如下文所讨论的，当挤出头18在支撑状态中围绕构建室12(图1中所示)运动时，这防止支撑液化器泵32相对于构建液化器泵30水平或垂直的运动。 
图2B显示出被设置处于支撑状态中的挤出头18，其中切换机构34将支撑液化器泵32保持在下降的位置上。在下降的位置处，支撑尖端68沿z轴线延伸，且低于构建尖端54下降的偏移距离80。下降的偏移距离80的适当距离的示例包括至少约1.0毫米的距离，具体地适合的距离在约1.3毫米至约3.0毫米的范围内，更具体地适合的距离在从约1.5毫米至约2毫米的范围内。下降的偏移距离80允许支撑液化器泵32挤出支撑材料的路径以构建支撑结构22(图1中所示)，而不受构建尖端54的干扰。此外，下降的偏移距离80可以以与对于上升的偏移距离74(图2A中所示的)在上文所讨论的方式相同的方式降低构建材料被嵌于支撑结构22中的风险。 
在图2A和图2B所示的实施例中，支撑液化器泵32在上升的位置(图2A中所示)和下降的位置(图2B中所示)的两个位置上沿z轴线延伸。具体地，当支撑液化器泵32位于上升的位置和下降的位置上时，支撑尖端68沿z轴线延伸。这样，在这个实施例中，支撑液化器泵32沿z轴线被预先对 齐，且在从上升的位置运动至下降的位置之后，不必重新进行校准以开始挤出支撑材料。这样减少了在构建操作期间所需要的时间。 
当挤出头18被设置处于支撑状态中时，电机62使得驱动轮组件64将支撑材料细丝的连续部分供给到液化器66中。液化器66包括在支撑材料细丝穿过液化器66时熔化支撑材料细丝的温度梯度。液化器66的温度梯度也依赖于所使用的支撑材料发生变化，并期望地使得支撑材料细丝的未熔化部分起到将熔化的部分从液化器66和构建尖端68挤出去的活塞的功能。被挤出的支撑材料然后以路径的次序被沉积，以形成支撑结构22的层。 
在完成支撑结构22的给定层之后，电机62被停止，从而停止通过支撑液化器泵32的挤出过程。然后，切换电机70沿旋转箭头82的方向旋转扭矩组件72，箭头82的方向与旋转箭头76(图2A中所示)的旋转方向相反。扭矩组件72沿旋转箭头82的方向的旋转使得支撑液化器泵32沿z轴线(箭头84所示)向上运动，直至支撑液化器泵32到达上升的位置为止。当支撑液化器泵32到达上升的位置时，切换电机70期望沿旋转箭头82的方向对扭矩组件72持续施加低量至中等量的旋转动力，以将支撑液化器泵32保持在上升的位置处。当挤出头18在构建状态下围绕构建室12(图1中所示)运动时，这防止支撑液化器泵32相对于构建液化器泵30水平或垂直的运动。 
在一个可替代的实施例中，根据上文所讨论的内容，利用扭矩组件72的相反的旋转升高和降低支撑液化器泵32。在这个实施例中，当扭矩组件72沿旋转箭头82的方向旋转时，支撑液化器泵32在箭头78的方向上(图2A中所示的)沿z轴线被降低，和当扭矩组件72沿旋转箭头76的方向旋转时支撑液化器泵32在箭头84的方向上沿z轴线被升高。在另一个可替代的实施例中，构建液化器泵30与支撑液化器泵32互换，使得构建液化器泵30经由切换机构34沿z轴线是可调节的，并且支撑液化器泵32被固定于扳手块28上。 
图3为挤出头18的前透视图，在所述的视图中为便于讨论电路板支架24、电机支架26、扳手块28、细丝入口44和58以及细丝检测开关46和60被省略。因此，图3显示出构建液化器泵30、支撑液化器泵32和切换机构34，其中支撑液化器泵32位于下降的位置上(也就是，挤出头18处于支撑状态中)。如所显示的，切换机构34还包括线性轴承组件86，该线性轴承 组件固定于支撑液化器泵32的基底块56上。线性轴承组件86被扳手块28保持(图2A和图2B中所示)，用于当切换机构34沿z轴线提升和降低支撑液化器泵32时引导支撑液化器泵32。在支撑液化器泵32沿z轴线被提升和降低时，这减小支撑液化器泵32在x-y平面内的横向运动。 
图4为扭矩组件72和线性轴承组件86的放大的前透视图。如所显示的，扭矩组件72包括上部分88、中间部分90和下部分92，其中，上部分88包括电机轴94、联结销96和联结器98。电机轴94从切换电机70延伸，且是扭矩组件72的一部分，该扭矩组件接收来自切换电机70的旋转动力。联结销96固定于电机轴94上，使得联结销96垂直于电机轴94的纵向轴线延伸。这使得电机轴94的旋转相应地在x-y平面内旋转联结销96。 
联结器98在切换电机70和电机轴94的下方延伸，且包括一对通道100，联结销96延伸通过所述通道，用于旋转联结器98。在所示的实施例中，通道100的尺寸大于联结销96的径向尺寸。这样，联结销96未不动地固定在通道100中，且可在x-y平面内沿任一旋转方向自由地旋转小的距离，以及可以延z轴线垂直地移动。这防止联结销96被摩擦地束缚在通道100中，这可以限制联结销96的旋转。然而，如果联结销96可沿任一旋转方向旋转足够远，那么联结销96与通道100的垂直壁接触，从而允许联结销96旋转联结器98。如上文所讨论的，当支撑液化器泵32被设置在上升的或下降的位置上时，期望切换电机70对扭矩组件72持续施加低量至中等量的旋转动力。这一施加的旋转动力使得联结销96与通道100中的一个垂直壁保持接触，从而防止扭矩组件72沿相反的旋转方向旋转。 
扭矩组件72的中间部分90包括上偏转组件102、轴承104、下偏转组件106和轴向螺栓108。上偏转组件102和下偏转组件106为偏置组件，当支撑液化器泵32(图3中所示)分别到达上升的位置和下降的位置时，偏转组件压缩和吸收切换电机70的旋转动力。如下文所讨论的，当支撑液化器泵32到达上升的位置和下降的位置时这减小了所施加的冲击负载。轴承104被设置在上偏转组件102与下偏转组件106之间，并且接收扭矩组件72的径向推力负载。轴向螺栓108将联结器98与下部分92相互连接起来，并且支撑位于其之间的上偏转组件102、轴承104和下偏转组件106。 
扭矩组件72的下部分92包括螺纹轴110和保持螺母112。螺纹轴110是 纵向的螺纹致动器(例如，ACME螺杆)，第一端固定于轴向螺栓108上，第二端与保持螺母112螺纹接合。保持螺母112固定于支撑液压泵32的基底块56上，且包括与螺纹轴110互补的螺纹。螺纹轴110与保持螺母112之间的螺纹接合允许螺纹轴110的旋转运动转换成保持螺母112沿z轴线的垂直运动。保持螺母112的垂直运动相应地在上升的位置与下降的位置之间运动支撑液化器泵32。 
如图4进一步地显示出的，线性轴承组件86包括轴承轴114、线性轴承116、垫片118和线性轴承120。轴承轴114是在一端处被固定于基底块56上的纵轴，且沿z轴线延伸靠近扭矩组件72。线性轴承116和120被轴向布置在轴承轴114上，并被垫片118偏移。如上文所讨论的，当支撑液化器泵32在上升的位置与下降的位置之间进行调节时，线性轴承组件86沿z轴线引导支撑液化器泵32的运动。 
图5A和图5B为挤出头18的放大透视图，进一步显示出切换机构34的部件和组件。如图5A所示，电机支架26的顶板部分26a和底板部分26c分别包括开口122和124，上述开口是扭矩组件72延伸通过的开口。切换电机70通过螺栓126固定于顶板部分26a上，从而沿z轴线将切换电机70定位在开口122的上方。电机轴94被插入穿过开口122，以使联结销96与联结器98相接合，其中联结器98被定位在顶板部分26a与底板部分26c之间。轴向螺栓108在开口124处被插入穿过底板部分26c，从而将上偏转组件102、轴承104和下偏转组件106定位在开口124中。如上文所讨论的，螺纹轴110固定于轴向螺栓108上。这样，螺纹轴110沿z轴线在底板部分26c中的开口124的下方延伸。 
上偏转组件102包括位于垫片132和134之间的偏转盘128和130。偏转盘128和130为偏置部件(例如，碟型(Belleville)垫圈)，当支撑液化器泵32(图3中所示)到达下降的位置时，该偏置部件减小了所施加的冲击负载。当到达下降位置时，这减小了施加到支撑液化器泵32上的应力的量。 
下偏转组件106包括夹具136、偏转盘138和140。夹具136为用于在开口124处将轴承104固定于底板部分26c上的保持夹具。偏转盘138和140为偏置部件(例如，碟型垫圈)，当支撑液化器泵32(图3中所示)到达上升的位置时，偏置部件减小了所施加的冲击负载。当到达上升位置时，这 减小了施加到支撑液化器泵32上的应力的量。 
如图5B所示，扳手块28包括螺栓孔142、轴口144和轴承口146。构建液化器泵30的基底块42通过螺栓148固定于扳手块28上，其中，螺栓148延伸通过螺栓孔142。如上文所讨论的，这防止构建液化器30与扳手块28之间的相对运动。轴口144为沿z轴线穿过扳手块28延伸的间隙孔，其提供螺纹轴110通过其延伸以与保持螺母112相接合的通道。轴承口146为沿z轴线穿过扳手块28的精密钻孔，其提供通过其将线性轴承组件86压配合到其中的通道，用于当在上升的位置与下降的位置之间运动时引导支撑液化器泵32。线性轴承组件86与轴承口146之间的压配合干涉(press fitinterference)期望是平衡的，使得对于线性轴承组件86来说摩擦力不是太高而不能克服，和使得在挤出支撑材料的同时，支撑液化器泵32不在x-y平面内运动。 
如图5B进一步所显示的，挤出头18还包括槽接合机构150，该槽接合机构相应地包括垂直槽152。垂直槽152是位于基底块42内的槽，所述槽限定了支撑液化器泵32在上升与下降位置之间沿z轴线的运动范围。如下文所讨论的，垂直槽152的尺寸允许支撑液化器泵32以减少的量的摩擦阻力升高和降低，同时当支撑液化器泵32被设置处于上升的位置和下降的位置上时，也可将支撑液化器泵32固定地保持到构建液化器泵30上。 
图6为支撑液化器泵32的后透视图，该视图进一步显示出槽接合机构150。如所显示的，槽接合机构150还包括销孔154和水平销156。销孔154是在支撑液化器泵32的基底块56中沿x轴线延伸的孔。水平销156是被固定到销孔154中的接合构件，使得水平销156的一部分沿x轴线延伸超过销孔154。当构建液化器泵30(图5B中所示)和支撑液化器泵32安装于扳手块28(图5B中所示)上时，水平销156被设置位于基底块42的垂直槽152内(图5B中所示)。因此，水平销156在垂直槽152内沿z轴线的运动限定支撑液化器泵32在上升的位置与下降的位置之间的运动范围。 
在一个可替代的实施例中，垂直槽152和水平销156的位置相互交换。在这个实施例中，构建液化器泵30的基底块42(图5B中所示)包括销孔154和水平销156，并且支撑液化器泵32的基底块56包括垂直槽152。此外，当槽接合机构150被公开与水平销156一起使用，槽接合机构150可以可替 代地使用具有多种不同几何构型的接合构件，并且接合构件被配置以与垂直槽152相接合，用以限定支撑液化器泵32在上升的位置与下降的位置之间的运动范围。 
图7为支撑液化器泵32的后透视图，显示出槽接合机构158，其中，槽接合机构158为槽接合机构150(图6中所示)的一个可替代的实施例。如图7所示，槽接合机构158包括销孔160和水平销162，其中销孔160为从液化器泵32的后表面(称作后表面163)沿y轴线延伸的孔。水平销162为固定在销孔160内的细长销，使得水平销162的一部分沿y轴线延伸超过销孔160。在这个实施例中，类似于垂直槽152(图5B中所示)的垂直槽被设置在部件(未显示)上，该部件相对于扳手块28和构建液化器泵30(图5B中所示)是不动的，但面向后表面163。这样，水平销162被设置在支撑液化器泵32后面的垂直槽中，以限定支撑液化器泵32在上升的位置与下降的位置之间的运动范围。因此，依照本发明，槽接合机构(例如，槽接合机构150和158)可以由多个部件与支撑液化器泵32相配合，该部件相对于构建液化器泵30基本上是不动的。 
图8A和图8B分别为在图2A和图2B中截取的截面8A和8B的截面视图，进一步显示出槽接合机构150。如图8A所示，垂直槽152包括顶周边164和底周边166，顶、底周边沿z轴线为水平销156提供停止点。在使支撑液化器泵32运动至上升的位置的切换操作期间，切换电机70沿旋转箭头82的方向(图2B中所示)对切换组件72施加旋转动力。如上文所讨论的，这使得切换组件72的部件(包括螺纹轴110)旋转。螺纹轴110与保持螺母112之间的螺纹接合将螺纹轴110的旋转运动转换成保持螺母112的垂直运动。这沿箭头84的方向(图2B中所示)提升保持螺母112、基底块56、水平销156和支撑液化器泵32的其余部件。 
螺纹轴110的连续旋转提升支撑液化器泵32，直至水平销156与顶周边接触为止。在此时，支撑液化器泵32到达上升的位置，并且挤出头18处于构建状态中。顶周边164防止支撑液化器泵32运动至高于上升的位置的位置，而不管切换电机70的功率输出。如上文所讨论的，由切换电机70施加的过度的旋转动力被偏转盘128和130吸收(图5A中所示)。 
图8B示出了当支撑液化器泵32被设置处于下降的位置中时的槽接合 机构150。当将支撑液化器泵32由上升的位置切换至下降的位置时，切换电机70沿旋转箭头76的方向(图2A中所示)对切换组件72施加旋转动力。这样使得沿相同的旋转方向旋转切换组件72的部件(包括螺纹轴110)，沿箭头78的方向(图2A中所示)降低保持螺母112、基底块56、水平销156和支撑液化器泵32的其余部件。 
螺纹轴110的持续旋转使得支撑液化器泵32下降，直至水平销156与底周边166接触为止。在此时，支撑液化器泵32已经达到下降的位置，并且挤出头18处于支撑状态中。底周边166防止支撑液化器泵32运动至低于下降位置的位置，不管切换电机70的功率输出。如上文所讨论的，由切换电机70施加的过度的向下力被偏转盘138和140吸收(图5A中所示)。 
图9A和9B为槽接合机构150的侧视图，该视图显示出垂直槽152和水平销156(剖面中显示出水平销156)。如图9A所示，水平销156被设置在垂直槽152的顶周边164处，该顶周边与位于上升的位置上的支撑液化器泵32相对应。垂直槽152还包括左周边168和右周边170，它们是垂直槽152的相对的垂直壁。左周边168和右周边170沿y轴线偏移横向偏移距离172，其中，横向偏移距离172为沿y轴线的左周边168与右周边170之间的平均距离。 
期望横向偏移距离172大于水平销156的直径，从而当水平销156在上升的位置和下降的位置之间沿z轴线运动时减小垂直槽152和水平销156之间的摩擦阻力。横向偏移距离172的适当距离的示例包括大于水平销156的直径100％的距离，具体地是适当距离在大于水平销156的直径的约100％至约水平销156的直径的约120％的范围内，更具体地适当距离在大于水平销156的直径的约105％至约水平销156的直径的约110％的范围内。 
左周边168和右周边170通过聚集壁174和176向顶周边164聚集，从而在顶周边164处形成反向的V形几何形状。这样，当水平销156沿z轴线向上运动时，水平销156与聚集壁174和176接触，从而防止水平销156进一步的向上的运动。在图9A所示的实施例中，聚集壁174和176被设置成彼此成直角，顶点位于顶周边164上。当水平销156与聚集壁174和176接触时，这种布置防止水平销156沿y轴线的横向运动，同时还期望最小化水平销156沿z轴线的摩擦阻力。 
如上文所讨论的，当支撑液化器泵32到达上升的位置时，切换电机70(图2A和图2B中所示)期望对扭矩组件72(图2A和图2B中所示)持续施加中等量的旋转动力以使支撑液化器泵32保持在上升的位置上。这一旋转动力连续地向上拉动水平销156，这保持了水平销156与聚集壁174和176之间的接触。因此，聚集壁174和176以物理的方式防止水平销156沿y轴线横向地运动，同时支撑液化器泵32保持在上升的位置上。期望减小支撑液化器泵32的横向运动。在构建操作期间，在快速的往返运动中挤出头18围绕x-y平面运动，这会造成挤出头18的部件上的振动。利用槽接合机构150来限制支撑液化器泵32的横向运动减小了造成支撑液化器泵32未对准的风险。 
如图9B所示，水平销156被设置在垂直槽152的底周边166上，该底周边与位于下降的位置的支撑液化器泵32相对应。左周边168和右周边170也通过聚集壁178和180向底周边166聚集，从而在底周边166处形成V形几何形状。这样，当水平销156沿z轴线向下运动时，水平销156与聚集壁178和180接触，从而防止水平销156进一步的向下运动。在图9B所示的实施例中，聚集壁178和180被设置成彼此成直角，顶点位于底周边166上。当水平销156与聚集壁178和180接触时，这种布置防止水平销156沿y轴线的横向运动，同时还期望最小化水平销156沿z轴线的摩擦阻力。 
如上文所讨论的，当支撑液化器泵32到达下降的位置时，切换电机70(图2A和图2B中所示)期望对扭矩组件72(图2A和图2B中所示)持续施加中等量的旋转动力以使支撑液化器泵32保持在下降的位置上。这个旋转动力连续地向下拉动水平销156，其保持水平销156与聚集壁178和180之间的接触。因此，以对于聚集壁174和176的上文所讨论的方式相同的方式，聚集壁178和180物理地防止水平销156沿y轴线的横向运动，从而进一步地减小了造成支撑液化器泵32未对准的风险。 
接合机构150还减少了由于切换机构34的一个或多个部件的磨损而造成未对准的风险。例如，如果在延长的使用周期上螺纹轴110与保持螺母112之间的螺纹接合磨损，那么旋转运动与垂直运动之间的转换可以相应地减少。然而，因为当提升或降低支撑液化器泵32时切换电机70连续地施加旋转动力，所以水平销156被连续地提升或降低以分别到达顶周边164 和底周边166。这样，切换机构34可以补偿部件的磨损，从而使得利用敞口环过程控制布置来控制切换电机70。因此，切换机构34提供了好的耐用性和可靠性，以允许挤出头18在构建状态与支撑状态之间切换，用于构建3D目标和相应的支撑结构。 
图10为挤出头182的前透视图，其是包括额外的液化器泵和切换机构的挤出头18(图1～3中所示)的一个可替代的实施例。如图10所示，挤出头182包括构建液化器泵184、支撑液化器泵186、补充的液化器泵188、切换机构190和切换机构192。挤出头182还包括外壳、冷却空气管线、电路板支架、电机支架、扳手块、每个液化器泵的细丝入口，以及每个液化器泵的细丝检测开关(未显示)。在图10所示的实施例中，构建液化器泵184、支撑液化器泵186和切换机构190以对于构建液化器泵30、支撑液化器泵32和切换机构34的上文所讨论的方式相同的方式起作用。 
补充的液化器泵188和切换机构192为挤出头182提供了一个额外的可运动的液化器泵，其中，补充的液化器泵188以与支撑液化器泵32相同的方式起作用，用于挤出第三材料。第三材料可以是多种不同的可挤出的构建和支撑材料，例如，不同颜色的材料、不同材料的合成物及它们的组合。此外，补充的液化器泵188可结合不同的尖端尺寸，用于以与构建液化器泵184和支撑液化器泵186相比不同的流速挤出第三材料。 
切换机构192为固定于电路板支架、电机支架和扳手块上的和/或与其相接合的机构，并被配置以与切换机构34的相同的方式沿z轴线调节补充的液化器泵188的位置。补充的液化器泵188相对于构建液化器泵184的适当的上升偏移距离和下降偏移距离的示例包括用于支撑液化器泵32的上文所讨论的这些示例(即，上升的偏移距离74和下降的偏移距离80)。 
在构建操作期间，当构建液化器泵184挤出构建材料时(也就是，挤出头182被设置处于构建状态中)，支撑液化器泵186和补充的液化器泵188分别通过切换机构190和切换机构192，每个被保持在上升的位置上。当沉积操作完成时，支撑液化器泵186之后可被切换到下降的位置以挤出支撑材料(也就是，挤出头182被设置处于支撑状态中)。此时，补充的液化器泵188期望被保持在上升的位置中。然后，支撑液化器泵186和补充的液化器泵188可交换位置，使得支撑液化器泵186被切换至上升的位置，以及 补充的液化器泵188被切换至下降的位置。之后，挤出头182被设置在第三状态中，并且补充的液化器泵188可以挤出第三材料，而不受构建液化器泵184或支撑液化器泵186的干扰。 
在一个实施例中，补充的液化器泵188利用槽接合机构(未显示)与构建液化器泵184相接合，槽接合机构以与槽接合机构158(图7中所示)相同的方式起作用。这样，构建液化器泵184可以包括横向槽接合机构(未显示)和向后的槽接合机构，横向槽接合机构与槽接合机构150(图6中所示)相对应以与支撑液化器泵186相接合，向后的槽接合机构与槽接合机构158相对应以与补充的液化器泵188相接合。可替代地，槽接合机构可以由多种部件与液化器泵186和188相接合，该部件相对于构建液化器泵184基本上是不动的。 
挤出头182显示出用于挤出额外的材料以构建3D目标和相应的支撑结构的额外数量的液化器泵和切换机构的使用。因此，本发明的挤出头可包括多个液化器泵和切换机构，其中，期望液化器泵(例如，构建液化器泵30和184)中的至少一个固定于一个或多个安装部件上，并且其余的液化器泵(例如，支撑液化器泵32和186，以及补充的液化器泵188)被保持以及利用切换机构(例如，切换机构34、190和192)进行切换。尽管已经参考较优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对形式和细节做出改变。 

Claims (19)

1.一种挤出头，包括：
至少一个安装结构；
第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一个安装结构上；
第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近所述第一液化器泵设置；
切换机构，所述切换机构被所述至少一个安装结构支撑，并被配置以沿第一轴线相对于所述第一液化器泵移动所述第二液化器泵；和
槽接合机构，所述槽接合机构与所述第二液化器泵部分地相连接，以限定所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围，其中所述槽接合机构包括具有沿所述第一轴线偏移的第一周边和第二周边的槽和设置在所述槽中的接合构件，所述槽和所述接合构件中的一个被设置在所述第二液化器泵中。
2.根据权利要求1所述的挤出头，其中，所述槽和所述接合构件中的第二个被设置在所述第一液化器泵中。
3.根据权利要求1所述的挤出头，其中，所述接合构件和所述槽的所述第一周边和所述第二周边中的至少一个之间的接触基本上防止所述第二液化器泵沿与所述第一轴线垂直的第二轴线相对于所述第一液化器泵的运动。
4.根据权利要求1所述的挤出头，其中，所述切换机构包括：
电机，所述电机固定于所述至少一个安装结构上；
螺纹致动器，所述螺纹致动器被可操作地固定于所述电机上；和
保持部件，所述保持部件被固定于所述第二液化器泵上，并与所述螺纹致动器螺纹接合。
5.根据权利要求4所述的挤出头，其中，所述切换机构还包括：
电机轴，所述电机轴固定于所述电机上，所述电机轴具有纵向长度；
联结销，所述联结销沿与所述纵向长度正交的方向固定于所述电机轴上；和
联结器，所述联结器可操作地固定于所述螺纹致动器上，且具有至少一个槽，其中，所述联结销延伸到所述至少一个槽中。
6.根据权利要求1中所述的挤出头，其中，所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围包括第一位置和第二位置，其中，所述第二液化器泵包括构建尖端，当所述第二液化器泵被设置在所述第一位置和所述第二位置上时，所述构建尖端沿所述第一轴线被对齐。
7.根据权利要求1中所述的挤出头，其中，所述切换机构为第一切换机构，所述槽接合机构为第一槽接合机构，其中，所述挤出头还包括：
第三液化器泵，所述第三液化器泵被靠近所述第一液化器泵设置；
第二切换机构，所述第二切换机构被所述至少一个安装结构支撑，并被配置以使所述第三液化器泵沿所述第一轴线相对于所述第一液化器泵运动；和
第二槽接合机构，所述第二槽接合机构与所述第三液化器泵部分地相连，以限定所述第三液化器泵沿所述第一轴线的运动范围。
8.一种挤出头，该挤出头包括：
至少一个安装结构；
第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一个安装结构上；
第二液化器泵，所述第二液化器泵被靠近所述第一液化器泵设置，并且包括槽和被设置在所述槽中的接合构件中的第一个，用于限定所述第二液化器泵沿第一轴线的运动范围；
相对于所述第一液化器泵基本上不动的部件，其包括所述槽和所述接合构件中的第二个；和
切换机构，所述切换机构与所述第二液化器泵相接合，用于沿所述第一轴线使所述第二液化器泵运动。
9.根据权利要求8所述的挤出头，其中，所述相对于所述第一液化器泵基本上不动的部件构成了所述第一液化器泵的一部分。
10.根据权利要求8所述的挤出头，其中，所述第二液化器泵包括所述接合构件，所述部件包括所述槽。
11.根据权利要求8所述的挤出头，其中，所述槽具有沿所述第一轴线偏移的第一周边和第二周边，其中，所述接合构件和所述槽的所述第一周边和所述第二周边中的至少一个之间的接触基本上防止所述第二液化器泵沿与所述第一轴线垂直的第二轴线相对于所述第一液化器泵的运动。
12.根据权利要求8所述的挤出头，其中，所述切换机构包括：
电机，所述电机固定于所述至少一个安装结构上；
螺纹致动器，所述螺纹致动器可操作地固定于所述电机上；和
保持部件，所述保持部件被固定于所述第二液化器泵上，并与所述螺纹致动器螺纹接合。
13.根据权利要求12所述的挤出头，其中，所述第二液化器泵沿所述第一轴线的运动范围包括第一位置和第二位置，其中，所述第二液化器泵包括构建尖端，当所述第二液化器泵被设置在所述第一位置和所述第二位置上时，所述构建尖端沿所述第一轴线被对齐。
14.一种挤出头，该挤出头包括：
至少一个安装结构；
电机，所述电机固定于所述至少一个安装结构上；
螺纹致动器，所述螺纹致动器可操作地固定于所述电机上，其中，所述电机被配置以使所述螺纹致动器旋转；
第一液化器泵，所述第一液化器泵被固定于所述至少一个安装结构上，并且包括槽和接合构件中的第一个，所述槽具有沿第一轴线偏移的第一周边和第二周边；和
第二液化器泵，所述第二液化器泵与所述螺纹致动器螺纹接合，其中，第二液化器泵包括所述槽和所述接合构件中的第二个，所述接合构件在所述第一周边和所述第二周边之间被设置在所述槽中，并且其中，所述螺纹致动器的旋转使所述第二液化器泵沿所述第一轴线运动。
15.根据权利要求14所述的挤出头，其中，所述接合构件和所述槽的所述第一周边和所述第二周边中的至少一个之间的接触基本上防止所述第二液化器泵沿与所述第一轴线垂直的第二轴线相对于所述第一液化器泵的运动。
16.根据权利要求14所述的挤出头，还包括：
电机轴，所述电机轴固定于所述电机上，所述电机轴具有纵向长度；
联结销，所述联结销沿与所述纵向长度正交的方向固定于所述电机轴上；和
联结器，所述联结器可操作地固定于所述螺纹致动器上，且具有至少一个槽，其中，所述联结销延伸到所述至少一个槽中。
17.根据权利要求14所述的挤出头，还包括至少一个偏转盘，所述偏转盘可操作地固定于所述电机和所述螺纹致动器之间。
18.根据权利要求14所述的挤出头，其中，所述槽还具有沿与所述第一轴线垂直的第二轴线偏移第一偏移距离的第三周边和第四周边，所述第一偏移距离大于所述接合构件的直径。
19.根据权利要求14所述的挤出头，其中，所述电机为第一电机，所述螺纹致动器为第一螺纹致动器，并且其中，所述挤出头还包括：
第二电机，所述第二电机固定于所述至少一个安装结构上；
第二螺纹致动器，所述第二螺纹致动器可操作地固定于所述第二电机上，其中，所述第二电机被配置以使所述第二螺纹致动器旋转；
第三液化器泵，所述第三液化器泵与所述第二螺纹致动器螺纹接合；和
槽接合机构，所述槽接合机构与所述第三液化器泵部分地相连接，以限定所述第三液化器泵沿所述第一轴线的运动范围。
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