CN102922745B - 一种可切换送料的三维打印机挤出头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可切换送料的三维打印机挤出头，包括有基座、通过第一转轴与基座转动连接的送料切换组件，被动送料压轮分别设在主动送料轮的两侧；打印丝料加热熔融流道，其一端分别连接打印丝料，另一端分别连接打印丝料挤出喷嘴；安装在基座上的丝料驱动电机，与丝料驱动电机直接连接的主动送料轮，具有双稳态特性的联动摇摆机构；在两种打印材料切换打印的过程中，所述打印丝料加热熔融流道和打印丝料挤出喷嘴分别保持位置不动。仅使用一个送料驱动电机，通过改变电机的转动方向和相应被动送料压轮的位置并能实现两种丝料交替切换送料；避免了由于挤出头或喷嘴切换移动后带来的机械定位误差；使主动送料轮的送料摩擦力恒定，实现打印过程的稳定送料。

Description

一种可切换送料的三维打印机挤出头

技术领域

本发明涉及基于熔融堆积快速成型工艺的三维打印机，特别是涉及一种可切换送料的三维打印机挤出头。 

背景技术

基于熔融堆积快速成型工艺的三维打印机是使用直径为1～2mm左右的塑料丝料，通过计算机控制的打印挤出头将塑料丝料熔融挤压成0.2~0.4mm左右的细丝并逐层扫描打印堆积成三维物体。通常，熔融堆积快速成型工艺在制造有悬臂结构的物件时需要添加支撑。若三维打印机挤出头只有单熔融流道设计结构，打印的物体和支撑只能用同一种材料来构建。尽管在打印过程中，可以通过控制挤出头的运行方式使得支撑部分变得较为疏松以达到便于剥离的目的，但由于是使用同一种材料，打印完成后在物体和支撑的边界难以辨认造成剥离困难，支撑剥离时也容易造成物体精细结构损伤。另外，单流道的挤出头无法使用不同颜色或不同性能的材料进行复合打印。目前，基于熔融堆积快速成型工艺的三维打印机挤出头多采用双流道结构，其中一个流道用于熔融挤出ABS塑料等物体成型材料，另一个流道用于熔融挤出可物理剥离或化学剥离的支撑材料。CN200780020529.8和CN200820206342.9分别公开了两种三维打印机双流道挤出头的设计。前者使用一个驱动电机，通过一套复杂的机械机构使熔融挤出头及被动送料压轮以摆动的方式实现成型材料和支撑材料两种丝料的挤出流道和送料驱动切换控制；后者使用两个驱动电机分别对成型材料和支撑材料单独驱动和以机械升降移动的方式实现流道喷嘴的切换控制。显然，前者机械切换机构复杂且增加了挤出头组件的重量不利于挤出头的高速打印运动，后者使用两个电机既增加了成本又增加了挤出头组件的重量。由于上述公开的两种设计在进行挤出头流道的切换时，喷嘴的机械位置都需要移动和复位，移动过程极易产生机械定位误差从而影响打印物体的尺寸精度。需要解决的问题是如何以一种简便的方法可以实现三维打印机挤出头的打印切换送料又不会因切换送料而影响物体的打印尺寸精度。 

发明内容

本发明针对上述已有技术存在的问题和不足，提供一种以两种丝状材料为打印原料的三维打印机挤出头在工作时打印换料的方法及其换料的实现装置。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种可切换送料的三维打印机挤出头，包括有基座、送料切换组件，所述送料切换组件通过第一转轴与基座转动连接，送料切换组件的被动送料压轮分别设在主动送料轮的两侧；基座的前部安装有两个打印丝料加热熔融流道，一个用于熔融挤出打印成型材料，一个用于熔融挤出打印支撑材料，加热熔融流道一端分别连接打印丝料，另一端分别连接打印丝料挤出喷嘴。打印丝料分别被压于被动送料压轮和主动送料轮之间；包括有安装在基座上的一个丝料驱动电机，与丝料驱动电机直接连接的主动送料轮，还包括具有双稳态特性的联动摇摆机构，带动被动送料压轮与主动送料轮接合的方式进行送料切换，进行两种打印丝料的切换打印；在两种打印材料切换打印的过程中，所述打印丝料加热熔融流道和打印丝料挤出喷嘴分别始终保持位置固定不动。 

本发明适用于使用一个送料驱动电机并能实现两种丝料交替切换送料的三维打印机挤出头设计，在进行送料切换时，换料装置（机构）通过连杆带动，相应的被动压轮以合适的压力将丝料压紧在由电机驱动的主动送料轮上实现打印送料，而加热流道和喷嘴在打印和换料过程中始终保持在固定位置不动，避免了由于挤出头或喷嘴切换移动后带来的机械定位误差。打印丝料通过电机带动的主动送料轮和被动送料压轮的驱动进入相应的熔融流道并由喷嘴挤出，打印挤出头在XY运动机构的驱动下进行逐层打印的三维成型。 

所述的三维打印机挤出头在两个联动摇摆的被动送料压轮的作用下实现送料的切换，当需要打印成型材料时，成型丝料侧的被动送料压轮在具有双稳态的摇摆机构带动下将成型丝料压在主动送料轮上，驱动电机转动带动主动送料轮将成型丝料送进熔融流道并由喷嘴挤出；当需要打印支撑材料时，支撑丝料侧的被动送料压轮在具有双稳态的摇摆机构带动下将支撑丝料压在主动送料轮上，驱动电机转动带动主动送料轮（主动送料轮转动方向与成型送料的转动方向相反）将支撑丝料送进熔融流道并由喷嘴挤出。 

所述联动摇摆机构包括弹力伸缩器、连杆，弹力伸缩器的一端通过基座安装转轴与基座连接，另一端通过连杆安装转轴与连杆一端连接，连杆的另一端与第一转轴连接，连杆安装转轴还与设在基座上的拨杆连接；连杆通过第一转轴带动被动压轮摆动将打印丝料压在主动送料轮上。

所述弹力伸缩器包括导套、滑杆和压簧，滑杆插在导套内并可作无隙滑动，导套用于对滑杆的滑动运动起定向作用，消除滑杆滑动运动时的径向运动；所述压簧套在导套的外侧，通过导套和滑杆的外圆凸出端部向压簧预压缩使弹力伸缩器摆动至送料位置时能向被动压轮提供预定压力，维持主动送料轮的送料摩擦力稳定。导套与滑杆可放置压簧内径的空间使弹力伸缩器的尺寸更加紧凑，压簧也可以放置在滑套与滑杆配合的内部空间，导套与滑杆分别顶压压簧的两端并压缩压簧提供一定的预压力，当压动滑杆时压簧压缩压力增加，松开时压簧回伸压力降低，当被动压轮摆动至送料位置时，弹力伸缩器的压簧处于回伸状态，并由压簧向被动压轮提供一定的送料摩擦力。 

所述基座安装转轴的第三轴心、第一转轴的第一轴心、连杆安装转轴的第二轴心，三个轴心之间的位置关系是：当连杆摆动，使第一、第二和第三轴心连成直线时，所述压簧被压缩至最短的长度，当第二轴心在第一轴心和第三轴心连线的最右边时，或最左边时连杆处于稳定的工作状态。连杆一端与被动压轮组件的摇摆转轴紧固连接，当连杆左右摆动时通过所述组件的转轴带动被动压轮将成型丝料或支撑丝料压在主动送料轮上；连杆的另一端与弹力伸缩器的一端转动连接，弹力伸缩器的另一端与安装在挤出头基座上的转轴销钉转动连接。安装在挤出头基座上的转轴销钉的位置按下述原则决定，安装在挤出头基座上的转轴销钉的轴心应在被动压轮组件转轴的轴心与摇摆连杆上和弹力伸缩器连接的转轴轴心间连线的延长线上。具有双稳态特性的机械式摇摆机构在组装时，压缩弹力伸缩器的压簧至适当的长度以便使压簧提供一定的预压力。当所述的三个轴心处于一条直线上时弹力伸缩器的压簧进一步被压缩(最短的长度)，此时压簧储能并处于不稳定的状态。当连杆作左或右摆动时，压簧释放能量伸长离开不稳定的状态，通过连杆传递压簧的预压力，被动压轮将丝料压在主动送料轮上。无论连杆左或右摆动带动被动压轮将丝料压在主动送料轮上时，弹力伸缩器都会伸长进入相对稳定的状态并提供一恒定的压力给被动压轮，也就是说所述的摇摆机构具有双稳态特性，起到使主动送料轮的送料摩擦力稳定的作用。 

所述送料切换组件还包括安装底板，第一转轴与所述安装底板连接，安装底板上设有被动送料压轮摇臂转轴，在被动送料压轮摇臂转轴上转动连接有被动送料压轮摇臂，所述被动压轮分别安装在被动送料压轮摇臂一端上，并可绕被动送料压轮摇臂转轴转动，被动送料压轮摇臂上分别设有被动压送料压轮间隙螺丝，其用于调节被动压轮与主动送料轮之间的工作间隙，被动送料压轮摇臂之间还连接有压轮拉簧。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明提供可切换送料的三维打印机挤出头设计，一是仅使用一个送料驱动电机，通过改变电机的转动方向和相应被动送料压轮的位置并能实现两种丝料交替切换送料；二是两种丝料的加热流道和喷嘴在切换送料和打印过程中始终保持在固定位置不动，避免了由于挤出头或喷嘴切换移动后带来的机械定位误差；三是被动送料压轮由具有双稳态特性的摇摆机构带动将丝料压在主动送料轮上，并由摇摆机构上的弹力伸缩器来维持合适的压力，使主动送料轮的送料摩擦力恒定，实现打印过程的稳定送料。 

图1a为本发明的三维打印机挤出头组合一体结构示意图； 

图1b为图1a的分解结构示意图； 

图2为本发明的一个实施例前部的正视图； 

图3为本发明一个实施例，拨杆25拨动带动连杆23摆动的示意图(一)； 

图4为本发明一个实施例，拨杆25拨动带动连杆23摆动的示意图(二)； 

图5为本发明一个实施例，拨杆25拨动带动连杆23摆动的示意图(三)； 

图6本发明一个实施例所述的弹力伸缩器20的结构示意图； 

附图标记说明：1—基板；2—主动送料轮；3、4—被动送料压轮；5、6—打印丝料；7、8—打印丝料加热熔融流道；18、19—打印丝料挤出喷嘴；9—第一转轴；10—安装底板；11、12—被动送料压轮摇臂转轴；13、14—被动送料压轮摇臂；15、16—被动压送料压轮间隙螺丝；17—被动送料压轮拉簧； 

20—弹力伸缩器；20a—导套，20b—滑杆，20c—压簧，21—基座安装转轴； 22—连杆安装转轴；23—连杆；24—丝料驱动电机；25—拨杆；26—拨杆固定座；27—第一轴心；28—第二轴心；29—第三轴心；30—转轴9的第一轴心27与转轴22的第二轴心28之间的连线。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 

实施例： 

请参阅图1a和图1b和图2所示，一种可切换送料的三维打印机挤出头，包括有基座1、送料切换组件(3,4,10,11,12，13,14,15,16,)、送料切换组件通过第一转轴9与基座1转动连接，送料切换组件的被动送料压轮(3、4)分别设在主动送料轮2的两侧；基座1的前部安装有打印丝料加热熔融流道(7，8)，其一端分别连接打印丝料(5，6)，另一端分别连接打印丝料挤出喷嘴(18，19)，打印丝料(5，6)分别被压于被动送料压轮(3、4)和主动送料轮2之间； 

包括有安装在基座1的背部上的一个丝料驱动电机24，与丝料驱动电机24直接连接的主动送料轮2，丝料驱动电机24用于直接驱动位于基座1前部的主动送料轮2，还包括具有双稳态特性的联动摇摆机构，其用于带动被动送料压轮(3、4)分别将打印丝料(5，6)压在主动送料轮2上，进行打印丝料的切换打印；在切换打印的过程中，打印丝料加热熔融流道(7，8)和打印丝料挤出喷嘴(18，19)分别保持位置固定。打印丝料加热熔融流道(7，8)固定在基座1上，打印丝料挤出喷嘴(18，19)固定在打印丝料加热熔融流道(7，8)上。 

联动摇摆机构包括弹力伸缩器20、连杆23，弹力伸缩器20的一端通过基座安装转轴21与基座1转动连接，另一端通过连杆安装转轴22与连杆23一端连接，连杆23的另一端与第一转轴9连接，连杆安装转轴22还与设在基座1上的拨杆25连接；连杆23通过第一转轴9带动被动压轮(3、4)摆动将打印丝料(5、6)压在主动送料轮2上。送料切换组件在基座1的背部与连杆23固定连接。 

送料切换组件包括安装底板10，第一转轴9与安装底板10连接，安装底板10上设有被动送料压轮摇臂转轴(11、12)，在被动送料压轮摇臂转轴(11、12)上转动连接有被动送料压轮摇臂(13、14)，被动压轮(3、4)分别安装在被动送料压轮摇臂(13、14)一端上，并可绕被动送料压轮摇臂转轴(11、12) 转动，被动送料压轮摇臂(13、14)上分别设有被动压送料压轮间隙螺丝(15、16)，其用于调节被动压轮(3、4)与主动送料轮2之间的工作间隙，被动送料压轮摇臂(13、14)之间还连接有压轮拉簧17。压轮拉簧17安装在压轮摇臂13、14上向被动压轮(3、4)提供一定的拉力使压轮有合适的送料摩擦力，调节压轮间隙螺丝15、16可以改变被动压轮3、4与主动送料轮2之间的工作间距，以适应不同直径的丝料。 

请参阅图6所示，弹力伸缩器20包括导套20a、滑杆20b和压簧20c，滑杆20b插在导套20a内并可作无隙滑动，导套20a用于对滑杆20b的滑动运动起定向作用，消除滑杆20b滑动运动时的径向运动；为紧凑设计，压簧20c套在导套20a和滑杆20b的外侧，安装时通过导套20a和滑杆20b的外圆凸出端部向压簧20c预压缩使弹力伸缩器20摆动至送料位置时能向被动压轮(3、4)提供预定压力，维持主动送料轮2的送料摩擦力稳定。弹力伸缩器20的压簧20c的放置并不限于本发明的实施例，也可以将压簧20c放置在导套20a和滑杆20b内，只是在提供同样弹力的情况下，弹力伸缩器20的体积稍大。 

基座安装转轴21的第三轴心29、第一转轴9的第一轴心27、连杆安装转轴22的第二轴心28，三个第一、第二和第三轴心(27、28、29)之间的位置关系是：当连杆23摆动，使第一、第二和第三轴心(27、28、29)连成直线时，压簧20c被压缩至最短的长度。此时压簧20c储能并处于不稳定的状态，当连杆23作左或右摆动时，压簧20c释放能量伸长离开不稳定的状态，通过连杆23传递压簧20c的压力，被动压轮(3，4)将打印丝料(5，6)压在主动送料轮2上，连杆23形状和转轴销钉21在基座上的布放并不限于本发明的实施例，但须确保所述的三个转轴的第一、第二和第三轴心(27、28、29)连成直线时，弹力伸缩器的压簧被压缩至最短，此时弹力伸缩器20的弹簧压缩储能，送料切换组件机构处于一个不稳定的状态。 

通常，三个转轴的第一、第二和第三轴心(27、28、29)处于直线30上的位置时，调整被动送料压轮(3、4)分别与主动送料轮2之间的距离相等，当拨杆25带动被动送料轮3或被动送料轮4将打印丝料5或打印丝料6压在主动送料轮2上的位置时，由于弹力伸缩器20的伸长距离相同而使目的是使被动送料轮3或被动送料轮4将丝料压在主动送料轮2上的压力是相同的。当然，也 可以根据所使用的支撑和成型丝料对送料摩擦力要求的不同来调整转轴第一转轴9、连杆安装转轴22、基座安装转轴21的第一、第二和第三轴心27、28、29的位置，使被动送料压轮3和4将丝料压在主动送料轮上的压力有所区别，以适应不同丝料对送料摩擦力要求不同。 

请结合参看图3到图6所示，当拨杆25向左或向右拨动带动连杆23左或右摆动，弹力伸缩器20的弹簧伸长释放能量，使送料切换组件机构离开不稳定的状态，同时连杆23带动被动送料压轮(3、4)将丝料压在主动送料轮2上，此时送料切换组件机构处于一个相对稳定的状态。弹力伸缩器20处于此位置时，其弹簧预压产生的弹力与压轮拉簧17一道向主动送料轮2提供一相对恒定的送料摩擦力，提高了打印过程送料的稳定性。 

本实施例公开一种可切换送料的三维打印机挤出头适用于使用一个送料驱动电机实现两种丝料交替切换送料的三维打印机挤出头设计，以一种简便的方法实现三维打印机挤出头的打印切换送料又不会因切换送料而影响物体的打印尺寸精度。本发明在进行送料切换时，由具有双稳态特性的机械机构带动被动送料压轮进行送料切换，实现两种材料的切换打印。组成具有双稳态特性的机械机构的弹力伸缩器向被动送料压轮提供合适和恒定的压力，使主动送料轮的送料稳定。在两种材料的切换打印过程中，熔融流道加热器和喷嘴始终保持在固定位置不动，避免了由于挤出头或喷嘴切换移动后带来的机械定位误差，提高三维物体的打印尺寸精度。 

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (4)

1.一种可切换送料的三维打印机挤出头，包括有基座(1)、送料切换组件、所述送料切换组件通过第一转轴(9)与基座(1)转动连接，送料切换组件的被动送料压轮(3、4)分别设在主动送料轮(2)的两侧；

基座(1)的前部安装有打印丝料加热熔融流道(7，8)，其一端分别连接打印丝料(5，6)，另一端分别连接打印丝料挤出喷嘴(18，19)，打印丝料(5，6)分别被压于被动送料压轮(3、4)和主动送料轮(2)之间；

其特征在于：包括有安装在基座(1)上的一个丝料驱动电机(24)，与丝料驱动电机(24)直接连接的主动送料轮(2)，还包括具有双稳态特性的联动摇摆机构，其用于带动被动送料压轮(3、4)分别将打印丝料(5，6)压在主动送料轮(2)上，进行打印丝料的切换打印；在切换打印的过程中，所述打印丝料加热熔融流道(7，8)和打印丝料挤出喷嘴(18，19)分别保持位置固定；

所述联动摇摆机构包括弹力伸缩器(20)、连杆(23)，弹力伸缩器(20)的一端通过基座安装转轴(21)与基座(1)连接，另一端通过连杆安装转轴(22)与连杆(23)一端连接，连杆(23)的另一端与第一转轴(9)连接，连杆安装转轴(22)还与设在基座(1)上的拨杆(25)连接；连杆(23)通过第一转轴(9)带动被动压轮(3、4)摆动将打印丝料(5、6)压在主动送料轮(2)上。

2.根据权利要求1所述的可切换送料的三维打印机挤出头，其特征在于：所述弹力伸缩器(20)包括导套(20a)、滑杆(20b)和压簧(20c)，滑杆(20b)插在导套(20a)内并可作无隙滑动；所述压簧(20c)套在导套(20a)的外侧，通过导套(20a)和滑杆(20b)的外圆凸出端部向压簧(20c)预压缩使弹力伸缩器(20)摆动至送料位置时能向被动压轮(3、4)提供预定压力，维持主动送料轮(2)的送料摩擦力稳定。

3.根据权利要求2所述的可切换送料的三维打印机挤出头，其特征在于：所述基座安装转轴(21)的第三轴心(29)、第一转轴(9)的第一轴心(27)、连杆安装转轴(22)的第二轴心(28)，第一、第二和第三轴心(27、28、29)之间的位置关系是：当连杆(23)摆动，使第一、第二和第三轴心(27、28、29)连成直线时，所述压簧(20c)被压缩至最短的长度；当第二轴心(28)在第一轴心(27)和第三轴心(29)连线的最右边时，或最左边时连杆(23)处于稳定的工作状态。

4.根据权利要求1所述的可切换送料的三维打印机挤出头，其特征在于：所述送料切换组件包括安装底板(10)，第一转轴(9)与所述安装底板(10)连接，安装底板(10)上设有被动送料压轮摇臂转轴(11、12)，在被动送料压轮摇臂转轴(11、12)上转动连接有被动送料压轮摇臂(13、14)，所述被动压轮(3、4)分别安装在被动送料压轮摇臂(13、14)一端上，并可绕被动送料压轮摇臂转轴(11、12)转动，被动送料压轮摇臂(13、14)上分别设有被动压送料压轮间隙螺丝(15、16)，其用于调节被动压轮(3、4)与主动送料轮(2)之间的工作间隙，被动送料压轮摇臂(13、14)之间还连接有压轮拉簧(17)。