CN103817942B - 数字材料3d打印头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字材料3D打印头，包括：若干喷头，喷头用于喷射树脂液，所述喷头的中心线汇聚于同一交点；若干紫外灯，用于发出紫外光束，固化喷头喷射的树脂液；供料系统，供料系统与喷头相连，用于供给喷头所需的树脂液；气动控制系统，气动控制系统与喷头相连，用于控制喷头的喷射动作。本发明数字材料3D打印头可打印数字树脂材料，打印头为压电开关阀控制的气动汇聚式微注射喷头，能在打印成形过程中，在成形件上构成数字树脂材料，使其性能极大地符合所需功能塑料构件的要求，因此不仅具有国外同类产品的性能，而且制造成本大大减少，具有很好的推广应用前景。

Description

数字材料3D打印头

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种可打印数字树脂材料的数字材料3D打印头。

背景技术

3D打印是一种先进增材制造技术，这种技术基于离散－堆积原理，针对设计的工件三维CAD模型，将其自下而上离散为一系列的2D横截面薄层，然后用计算机控制的3D打印机，一层层地成形这些截面薄层，并将其顺序叠加、粘接为三维工件实体。用3D打印技术制作工件时，无需传统的切削加工机床和工模具，可直接成形复杂形状的三维实体，能大大节省工时与成本，特别适合于个性化生产，因此是现代重点发展的一种智能制造技术。

3D打印机与20世纪80年代末出现的快速成形机都是基于离散－堆积原理，但是，3D打印机与快速成形机又有所不同，3D打印机采用微滴喷射式喷头，特别强调成形真实可用的功能构件，而不是只能成形用于外观评价的样品。为此，3D打印机采用的成形材料必须符合功能构件的要求，不能是性能相差甚大的替代材料。

从制造业的需求看，最常用的材料有塑料和金属两种，特别是塑料非常普遍，其牌号与性能相差甚远，因此，要满足制造业3D打印成形众多性能不同的功能塑料件的需求，必须研制3D打印机可用的众多性能不同的塑料，这是十分艰巨甚至难于达到的要求。为突破上述难关，近年来出现了“数字材料”的概念，即：研制有限几种树脂（常为液态紫外光固化树脂，在紫外光的照射下，这种液态树脂可迅速发生交联反应，由液态树脂变为固态塑料），从中选择两种树脂并采用不同的质量比率，其中，具有较大质量比率的树脂称为基料，具有较小质量比率的树脂称为辅料，改变所选择的基料和辅料，以及他们的质量比率，可以复配成许许多多性能差别很大的液态树脂，这些复配成的液态树脂经过紫外光照射后，迅速成为许许多多性能差别很大的固态塑料，例如，硬度可以柔软如橡胶，或者坚硬如金属，颜色也可以是五颜六色。因此，3D打印机采用数字树脂材料后，可以极大地满足各式各样塑料功能构件成形的需要，大大减少不得不研制五花八门性能不同的3D打印用塑料的困难，从而使数字材料成为3D打印材料的一大突破。

目前，研制成功数字树脂材料及其相应3D打印机的仅有以色列Objet公司（该公司现已被美国Stratasys公司收购），这种3D打印机的核心是采用由众多数量昂贵压电驱动式喷头组成的打印头，在计算机的控制下，用其中不同的喷头喷射不同质量比率的基料和辅料，从而在成形件上构成不同性能的塑料。显然，采用数字树脂材料的3D打印机是增材制造的重要发展方向。但是，我国尚未见研制数字树脂材料及相应3D打印机和打印头的报导，因此目前尚需从国外进口，价格非常高，一般用户难于承受。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的数字材料3D打印头。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供了一种可打印数字树脂材料的数字材料3D打印头。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种数字材料3D打印头，所述数字材料3D打印头包括：

若干喷头，喷头用于喷射树脂液，所述喷头的中心线汇聚于同一交点；

若干紫外灯，用于发出紫外光束，固化喷头喷射的树脂液；

供料系统，供料系统与喷头相连，用于供给喷头所需的树脂液；

气动控制系统，气动控制系统与喷头相连，用于控制喷头的喷射动作。

作为本发明的进一步改进，所述喷头相对铅垂线倾斜相同角度对称分布。

作为本发明的进一步改进，所述喷头数量为4个、6个或8个。

作为本发明的进一步改进，所述供料系统和气动控制系统与喷头均为一一对应设置。

作为本发明的进一步改进，所述喷头包括喷头接头、注射筒和针头，其中：

所述喷头接头的进口通过管道与供料系统相连，喷头接头的出口与注射筒配合，喷头接头用于供料系统与注射筒之间的连接；

所述注射筒的进口与相应喷头接头配合，注射筒的出口安装相应的针头，注射筒用于容纳来自供料系统的树脂液；

所述针头的进口与相应注射筒配合，针头用于使喷射的树脂成为细液流。

作为本发明的进一步改进，所述紫外灯包括左紫外灯和右紫外灯，分别对称安装在喷头的左右两侧，每个紫外灯发出的光束垂直向下照射。

作为本发明的进一步改进，所述供料系统包括供料器、供液源和压力传感器，其中，

所述供料器的进口与气动控制系统相连，供料器的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，供料器用于向喷头供给树脂液。

所述供液源通过管道与相应供料器的出口、相应喷头的进口、相应压力传感器连接，供液源用于供给树脂液；

所述压力传感器通过管道与相应供液源、相应供料器的出口、相应喷头的进口连接，压力传感器用于检测相应喷头中的树脂液压力，并发出压力控制信息。

作为本发明的进一步改进，所述供料器包括供料器接头、活塞和料筒，其中，

所述供料器接头的进口与气动控制系统相连，供料器接头的出口与相应料筒配合，供料器接头用于供料系统与气动控制系统之间的连接；

所述活塞位于相应料筒中，活塞的上端通压缩空气，活塞的下端为树脂液，活塞用于将树脂液推压至喷头；

所述料筒的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，料筒用于储存树脂液。

作为本发明的进一步改进，所述气动控制系统包括压电开关阀、可调节流阀和压缩空气源，其中，

所述压电开关阀的进口通过管道与压缩空气源相连，压电开关阀的出口通过管道与相应供料系统和可调节流阀的进口相连，压电开关阀用于控制进入3D打印头的压缩空气的通断；

所述可调节流阀的出口与大气相通，可调节流阀的进口通过管道与相应压电开关阀的出口和相应供料系统相连，可调节流阀用于喷头的快速停止喷射；

所述压缩空气源通过管道与压电开关阀的进口相连，压缩空气源用于产生打印头喷射作用的驱动力。

作为本发明的进一步改进，所述压电开关阀包括外壳、位于外壳内部的压电陶瓷叠堆、与压电陶瓷叠堆相连的弹性体，所述外壳上设有进气口、出气口、及位于进气口和出气口之间的阀口，所述弹性体和阀口对应设置。

本发明的数字材料3D打印头可打印数字树脂材料，这种打印头为压电开关阀控制的气动汇聚式微注射喷头，能在打印成形过程中，在成形件上构成数字树脂材料，使其性能极大地符合所需功能塑料构件的要求，因此不仅具有国外同类产品的性能，而且制造成本大大减少，具有很好的推广应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中数字材料3D打印机的打印头结构示意图；

图2a、2b分别为本发明一优选实施方式中数字材料3D打印头的侧视结构示意图和俯视结构示意图；

图3为本发明一优选实施方式中数字材料3D打印头中供料系统和气动控制系统的结构示意图；

图4a、4b分别为本发明一优选实施方式中数字材料3D打印头中压电开关阀关闭状态和开启状态的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。

参图1所示为国外现有数字材料3D打印机的打印头结构示意图。这种打印头由许多个压电驱动式喷头100和两个紫外灯110、111组成，其中每个喷头100包括：压电陶瓷片101、驱动电源102、隔膜103、容腔104、液态树脂105、喷嘴106和储料盒108。

当驱动电源102未在压电陶瓷片101上施加驱动电压信号时，容腔104中树脂液105的压力足够低，树脂液105保持在容腔104中；需要喷头100喷射时，驱动电源102在压电陶瓷片101上施加一个脉冲电压信号，压电陶瓷片101立即发生向下伸长变形，在此变形作用下，隔膜103发生向下鼓凸状弹性变形，使得与隔膜103相隔的容腔104中树脂液105的体积迅速缩小，产生朝向喷嘴106的压力波，此压力波克服喷嘴106中的压力损失和液体的表面张力，使喷嘴106出口处开始形成液滴107，并使液滴喷至打印机的工作台基板109上，然后，压电陶瓷片101和隔膜103恢复原状。

喷头100在喷射树脂液的过程中，根据3D打印机发出的指令，可沿X方向运动，工作台基板109可沿Y方向运动，因此，喷射在工作台基板109上的树脂液在紫外灯110、111发出的光束照射下，迅速固化为打印塑料件的截面图形。

这种压电驱动式喷头100有内径为微米尺度的喷嘴106，喷射液滴107的体积很小、精度高，压电陶瓷片101的伸长变形快，喷射频率高。但是，由于压电陶瓷片101伸长产生的作用力较小，喷射的树脂液的黏度不能高。此外，为了喷射数字材料需要几种基料和几种辅料，需要多个喷头，如此数量的压电驱动式喷头的成本非常高，因而造成3D数字材料打印机的成本和售价高昂，难于推广应用。

本发明公开了一种数字材料3D打印头，包括：

若干喷头，喷头用于喷射树脂液，喷头的中心线汇聚于同一交点；

若干紫外灯，用于发出紫外光束，固化喷头喷射的树脂液；

供料系统，供料系统与喷头相连，用于供给喷头所需的树脂液；

气动控制系统，气动控制系统与喷头相连，用于控制喷头的喷射动作。

参图2a、2b所示为本发明一优选实施方式中数字材料3D打印头的结构示意图。本实施方式中打印头200由4个相对铅垂线倾斜相同角度对称分布的喷头201、喷头202、喷头203、喷头204、紫外灯213、紫外灯214、供料系统和气动控制系统（图2中未示出）组成。进一步地，喷头相对铅垂线倾斜相同角度对称分布，数量还可以设置为6个、8个等，供料系统和气动控制系统与喷头均为一一对应设置，在本实施方式中喷头、供料系统和气动控制系统均为4个，当数量为其他时原理相同，在此不再进行赘述。

喷头包括喷头接头、注射筒和针头，其中：

喷头接头的进口通过管道与供料系统相连，喷头接头的出口与注射筒配合，喷头接头用于供料系统与注射筒之间的连接；

注射筒的进口与相应喷头接头配合，注射筒的出口安装相应的针头，注射筒用于容纳来自供料系统的树脂液；

针头的进口与相应注射筒配合，针头用于使喷射的树脂成为细液流。

紫外灯包括左紫外灯和右紫外灯，分别对称安装在喷头的左右两侧，每个紫外灯发出的光束垂直向下照射。

如图2a、2b所示，本实施方式中喷头包括：喷头接头205（内有密封圈206）、注射筒210和可更换的针头211，4个喷头的中心线汇聚于同一交点212。当多个喷头的注射筒中有树脂液，并在喷头的上部施加脉冲压力时，树脂液会从相应的针头喷出，并在交点212处汇聚，于是树脂液发生复配作用。当4个喷头的注射筒210中注有不同的树脂液基料或辅料时，控制每个注射筒210中施加于树脂液的脉冲压力信号的持续时间，可以获得由不同液量构成的液滴串，即：在汇聚点212上产生不同质量比率的基料和不同质量比率的辅料，这些液态材料在紫外灯213、214发出的光束照射下迅速固化，从而复配成为所需特定性能的塑料。因此，改变4个喷头中每个喷头喷射的液量，可以得到许许多多不同性能的数字塑料，实现数字材料3D打印成形。

喷头201安装在圆柱板209的斜孔中，并用紧定螺钉207和208定位，松开紧定螺钉207和208时，可以沿注射筒210的中心线方向，调节注射筒210相对圆柱板209的位置，从而确保4个喷头喷出的液滴在汇聚点212相交。

紫外灯213和214固定在板固定板215上，固定板215与圆柱板209相连。当然在其他实施方式中，紫外灯的数量和安装位置可以根据不同情况进行设置。

用打印头200构成3D打印机时，控制系统可驱动打印头200沿X和Z方向运动，配合3D打印机的工作台的Y方向运动，可实现塑料工件的3D打印成形。

本发明中供料系统包括供料器、供液源和压力传感器，其中：

供料器的进口与气动控制系统相连，供料器的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，供料器用于向喷头供给树脂液。

供液源通过管道与相应供料器的出口、相应喷头的进口、相应压力传感器连接，供液源用于供给树脂液；

压力传感器通过管道与相应供液源、相应供料器的出口、相应喷头的进口连接，压力传感器用于检测相应喷头中的树脂液压力，并发出压力控制信息。

进一步地，供料器包括供料器接头、活塞和料筒，其中：

供料器接头的进口与气动控制系统相连，供料器接头的出口与相应料筒配合，供料器接头用于供料系统与气动控制系统之间的连接；

活塞位于相应料筒中，活塞的上端通压缩空气，活塞的下端为树脂液，活塞用于将树脂液推压至喷头；

料筒的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，料筒用于储存树脂液；

结合图3所示，本实施方式中供料系统包括：4个供料器305、306、307和308，4个供液源1、供液源2、供液源3和供液源4，4个压力传感器313、314、315和316。每个供料器由供料器接头309（内有密封圈310）、活塞311和料筒312组成。每个料筒（例如料筒312）的下出口用管道与相应喷头（例如201）的喷头接头（例如喷头接头205）进口、相应压力传感器（例如压力传感器313）和相应供液源（例如供液源1）连接。当料筒（例如料筒312）和相应喷头注射筒（例如注射筒210）中的树脂液不足而导致压力降低时，压力传感器（例如压力传感器313）发出信号，自动控制供液源（例如供液源1）向料筒（例如料筒312）和喷头注射筒（例如注射筒210）补液；当料筒（例如料筒312）和喷头注射筒（例如注射筒210）中的树脂液压力达到预定值后，压力传感器（例如压力传感器313）发出信号，自动控制供液源（例如供液源1）停止补液。因此在打印头的工作过程中，始终可保证料筒和喷头注射筒内有充足的树脂液，从而保证喷射液流的稳定性。

本发明中气动控制系统包括压电开关阀、可调节流阀和压缩空气源，其中：

压电开关阀的进口通过管道与压缩空气源相连，压电开关阀的出口通过管道与相应供料系统和可调节流阀的进口相连，压电开关阀用于控制进入3D打印头的压缩空气的通断；

可调节流阀的出口与大气相通，可调节流阀的进口通过管道与相应压电开关阀的出口和相应供料系统相连，可调节流阀用于喷头的快速停止喷射；

压缩空气源通过管道与压电开关阀的进口相连，压缩空气源用于产生打印头喷射作用的驱动力。

再结合图3所示，本实施方式中气动控制系统包括：4个压电开关阀301、302、303和304，4个可调节流阀317、318、319和320，压缩空气源。当某个压电开关阀（例如压电开关阀301）在控制系统发出的脉冲电压信号作用下开通时，来自压缩空气源的气压力通过某个相应的压电开关阀（例如压电开关阀301），作用于某个供料器（例如供料器305）的活塞（例如活塞311）上，推动所述活塞向下运动，迫使某个供料器的料筒（例如料筒312）中的树脂液经过相应管道，推动相应的某个喷头（例如喷头201）中注射筒（例如注射筒210）中的树脂液通过某个针头（例如针头211）射出。当某个压电开关阀（例如压电开关阀301）在控制系统作用下关闭时，来自压缩空气源的气体不能通过某个相应的压电开关阀（例如压电开关阀301），同时，相应某个供料器（例如供料器305）中活塞（例如活塞311）上方的气体通过某个可调节流阀（例如可调节流阀317），快速排泄至大气。

图4a、4b示出了本发明的数字材料3D打印头的实施方式的压电开关阀的结构示意图。请参见图4a，本实施方式中压电开关阀包括：压电陶瓷叠堆401、弹性体403、外壳402，外壳402中有进气口406、阀口405和出气口404。阀口405位于进气口406和出气口404之间，且弹性体403和阀口405对应设置。

请参见图4a，在控制系统脉冲电压信号的作用下，压电陶瓷叠堆401克服下方弹性体403的阻力向下伸长，迫使弹性体403关闭阀口405。

请参见图4b，脉冲信号撤除后，压电陶瓷叠堆401缩短，弹性体403复位，阀口405开启。所述压电开关阀具有结构简单、跟踪频率高和响应速度快的优点（开关切换时间可小于1ms）。

采用本发明提供了的3D打印头后，能打印成形由数字树脂材料构成的塑料件，并使其性能极大地符合所需功能塑料构件的要求。这种打印头与国外同类产品的区别是，在本发明提供了的3D打印头中，将控制源与驱动源分开，控制喷射动作的控制源为压电陶瓷堆，推动树脂液的驱动源为压缩空气；而在国外同类产品中，控制源与驱动源都是压电陶瓷片。

由于压电陶瓷堆与压电陶瓷片同样是压电陶瓷式控制元件，所以，本发明提供了的3D打印头与国外同类产品同样具有动作灵敏、喷射频率高的优点；但是在本发明提供了的3D打印头中，驱动力由压缩空气产生，远远大于国外同类产品由压电陶瓷片产生的驱动力，因此，本发明提供了的3D打印头可喷射黏度更大的树脂液，而且制造成本大大减少，具有很好的推广应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种数字材料3D打印头，其特征在于，所述数字材料3D打印头包括：

若干喷头，喷头用于喷射树脂液，所述喷头的中心线汇聚于同一交点；

若干紫外灯，用于发出紫外光束，固化喷头喷射的树脂液；

供料系统，供料系统与喷头相连，用于供给喷头所需的树脂液；所述供料系统包括供料器、供液源和压力传感器，其中，

所述供料器的进口与气动控制系统相连，供料器的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，供料器用于向喷头供给树脂液；

所述供液源通过管道与相应供料器的出口、相应喷头的进口、相应压力传感器连接，供液源用于供给树脂液；

所述压力传感器通过管道与相应供液源、相应供料器的出口、相应喷头的进口连接，压力传感器用于检测相应喷头中的树脂液压力，并发出压力控制信息；

气动控制系统，气动控制系统与喷头相连，用于控制喷头的喷射动作；所述气动控制系统包括压电开关阀、可调节流阀和压缩空气源，其中，

所述压电开关阀的进口通过管道与压缩空气源相连，压电开关阀的出口通过管道与相应供料系统和可调节流阀的进口相连，压电开关阀用于控制进入3D打印头的压缩空气的通断；

所述可调节流阀的出口与大气相通，可调节流阀的进口通过管道与相应压电开关阀的出口和相应供料系统相连，可调节流阀用于喷头的快速停止喷射；

所述压缩空气源通过管道与压电开关阀的进口相连，压缩空气源用于产生打印头喷射作用的驱动力。

2.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述喷头相对铅垂线倾斜相同角度对称分布。

3.根据权利要求2所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述喷头数量为4个、6个或8个。

4.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述供料系统和气动控制系统与喷头均为一一对应设置。

5.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述喷头包括喷头接头、注射筒和针头，其中：

所述喷头接头的进口通过管道与供料系统相连，喷头接头的出口与注射筒配合，喷头接头用于供料系统与注射筒之间的连接；

所述注射筒的进口与相应喷头接头配合，注射筒的出口安装相应的针头，注射筒用于容纳来自供料系统的树脂液；

所述针头的进口与相应注射筒配合，针头用于使喷射的树脂成为细液流。

6.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述紫外灯包括左紫外灯和右紫外灯，分别对称安装在喷头的左右两侧，每个紫外灯发出的光束垂直向下照射。

7.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述供料器包括供料器接头、活塞和料筒，其中，

所述供料器接头的进口与气动控制系统相连，供料器接头的出口与相应料筒配合，供料器接头用于供料系统与气动控制系统之间的连接；

所述活塞位于相应料筒中，活塞的上端通压缩空气，活塞的下端为树脂液，活塞用于将树脂液推压至喷头；

所述料筒的出口用管道与相应喷头的进口、相应压力传感器和相应供液源连接，料筒用于储存树脂液。

8.根据权利要求1所述的数字材料3D打印头，其特征在于，所述压电开关阀包括外壳、位于外壳内部的压电陶瓷叠堆、与压电陶瓷叠堆相连的弹性体，所述外壳上设有进气口、出气口、及位于进气口和出气口之间的阀口，所述弹性体和阀口对应设置。