CN103878980B - 一种可更换喷头的三维打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可更换喷头的三维打印机，包括三维调节机构、以及在三维调节机构调节下进行三维打印的打印喷头，打印喷头包括喷头底板；固定在喷头底板上的带有打印通孔和定位槽口的喷头保温套；径向卡合在喷头底板上的料管，该料管通过一滑动配合在喷头底板上的料管压板轴向卡合在定位槽口内；直线步进电机，电机丝杆的输出端固定有用于对所述第一料管内活塞进行推压的活塞压子。本发明在料管材料用尽或者需要更换材料的时候，控制打印喷头自动更换料管，能够打印多种材料组成的三维物体。采用直线步进电机驱动活塞挤出，推力大，可精确控制，避免喷头堵塞。本发明可以打印流质食物，凝胶，陶瓷粉等多种流质材料。

Description

一种可更换喷头的三维打印机

技术领域

本发明属于三维打印设备领域，具体是涉及一种可更换喷头的三维打印机。

背景技术

三维打印是近年来在制造业领域迅速发展的一项新兴技术，其主要工艺是逐层打印。系统自动将三维造型以一定的层厚分层。打印头根据每一层的数据逐层打印，最后每一层材料堆叠成为一个三维实体。相对于传统制造手段，三维打印可以制造外形较为复杂的零件。

随着科学技术的发展和社会进步，三维打印平台的种类越来越多，主要技术有以下几种：选择性激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、分层实体制造等。针对不同的平台和材料，有些三维平台具有进料补给系统，例如选择性激光烧结三维打印机主要采用铺粉装置，熔融沉积成型三维打印机主要采用送丝机构。有些三维平台则不具备进料系统，打印材料往往是一次性的，需要手动更换。例如一些挤出式三维打印机。传统的挤出式三维打印机主要采用单料管，单针头，采用压缩空气挤出的方式。这种挤出方式的优点是结构简单可靠，易于控制。但是因为需要供气系统，设备往往较大；同时由于管内气体的压力难以精确控制，造成挤出量不稳定，挂流等问题。单喷头的方式也难以满足多材料的自动打印工作。

为解决上述技术问题，公开号为CN102922745A的专利文献公开了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，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，其用于带动被动送料压轮分别将打印丝料压在主动送料轮上，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和打印丝料挤出喷嘴分别保持位置固定。该三维打印机在一定程度上解决了现有技术存在的技术问题。但是由于其本身结构的限制，该打印机只能用于两种材料之间的调换；而且，打印机本身结构复杂，运行过程中容易出现混料现象，打印质量得不到保证。

发明内容

本发明提供了一种可更换喷头的三维打印机，通过采用可更换料管的设计和采用直线步进电机推动活塞挤出材料，能够保证材料稳定可控挤出，且能够根据材料需求，在打印过程中自动更换料管，完成一次多材料打印，形成材料构成复杂的物体。

一种可更换喷头的三维打印机，包括机箱框架、安装在机箱框架上的三维调节机构、以及在三维调节机构调节下进行三维打印的打印喷头，所述打印喷头包括：

喷头底板；

固定在喷头底板上的带有打印通孔的喷头保温套，喷头保温套一端设有定位槽口；

径向卡合在喷头底板上的第一料管，该第一料管通过一滑动配合在喷头底板上的料管压板轴向卡合在所述定位槽口内；

固定在喷头底板上的直线步进电机，其电机丝杆的输出端固定有用于对所述第一料管内活塞进行推压的活塞压子。

本发明的三维打印机中，三维调节机构一般包括X轴调节机构、Y轴调节结构和Z轴调节机构分别由X轴、Y轴、Z轴三个方向的直线步进电机及其丝杠驱动，实现打印喷头在三维空间内运动。

本发明通过在喷头保温套设置带有定位槽口，同时设置料管压板，实现打印过程中对第一料管的相对固定。当需要更换第一料管时，仅需要松开料管压板，将第一料管取出，进行更换即可。采用本发明的三维打印机时，既可以用于单一打印材料打印的需要，也可以用于需要多种打印材料打印的场合，满足了各种场合的需要，实用性强。

为便于实现料管卡合固定，同时便于料管的更换和安装，作为优选，所述喷头底板上固定有一个或多个U形的料管套，所述第一料管通过所述料管套径向卡合在喷头底板上。所述的料管套可采用金属材质或者塑料材质。

为便于料管的更换，作为优选，所述喷头底板上平行固定有弹簧柱，该弹簧柱上套设有弹簧；所述活塞压子上设有定位台阶；所述料管压板上设有供弹簧柱和活塞压子通过的通孔，在所述弹簧弹力的作用下，该料管压板一侧与所述定位台阶紧密抵接。料管压板受弹簧压迫，用于压住第一料管。料管压板可以被直线步进电机驱动，沿着弹簧柱上下运动，以腾出空间用于装夹或者更换料管。所述的弹簧也可由其他弹性件代替。

当所需的料管不止一个时，需要根据需要调换料管，此时，为便于料管的存放和调换，作为优选，所述机箱框架上设有两个或两个以上的料管夹，其中一个料管夹用于夹持非工作状态下的所述的第一料管，剩余料管架内夹持有第二料管。所述的料管夹可通过一横杆固定在机箱框架上。第一料管、第二料管中的第一、第二均是相对而言，不对料管的结构、功能等作任何限定。

为避免料管更换和安装过程中与所述的喷头保温套侧壁产生干涉，作为优选，所述喷头保温套的一侧设有与所述定位槽口连通的让位缺口。所述让位缺口和定位槽口与所述第一料管或第二料管的出料端外形大小配合。

为便于实现自动化作业，作为优选，所述三维调节机构和直线步进电机同时受控于同一控制器。所述的控制器一般为计算机或者其他控制电路或者控制芯片。

为便于实现料管的自动更换，作为优选，在所述控制器的控制作用下，所述打印喷头自动完成第一料管或第二料管的调换。在喷头需要更换料管的时候，三维平台驱动打印喷头运动到前一料管处，释放料管，随后移动到后一料管处，装夹料管。第一料管或第二料管的端部均设有打印喷嘴。

为便于料管压板的安装，同时便于活塞压子的更换，以适于不同料管的需要，作为优选，所述活塞压子与所述电机丝杆端部螺纹连接。也可根据需要，选择螺纹连接以外的其他连接方式，例如可采用卡合固定、焊接等方式。

本发明专利能完成三维空间上的直线、圆弧、三维空间曲线等运动，可实现二维或三维打印，可实现料管的自动更换。可打印各种流质材料，包括但不限于巧克力、奶油、果酱、凝胶、陶瓷粉等。

本发明在打印喷头上设计了保温装置，对于有温度需求的材料可以进行保温。

发明具有的有益的效果是：

本发明的创新之处在于采用了自动更换料管的打印喷头。

由于可以按照所需材料自动更换相应的料管，大大增加了可打印材料的种类，提升了产品构成的多样性。避免了同一喷嘴，不同材料造成了材料之间相互混合的弊端。自动更换料管也可以省去人工添加材料的麻烦，避免了因为人工在添加材料时带入气泡，造成打印过程中断流等问题。

由于采用了直线步进电机直接推动活塞挤出材料，丝杠运动匀速平稳，推力大，可以避免气压式挤出因气压波动产生的不稳定，或者因压力小而造成喷头堵塞的现象。

附图说明

图1是本发明的总装配体三维线框图。

图2是图1中打印喷头1的三维线框图。

图3是图2打印喷头的部分剖面图。

图4是第一料管未安装前的结构示意图。

图5是第一料管安装完成后的结构示意图。

图6是第一料管打印材料示意图。

图7是采用第一料管打印状态的结构示意图。

图8是将第一料管(料管①)拆卸的结构示意图。

图9是将第二料管(料管②)安装的结构示意图。

图中：1-打印喷头，2-Z轴丝杠，3-Z轴导轨，4-X轴丝杠，5-X轴导轨，6-Z轴步进电机，7-Y轴步进电机，8-X轴步进电机，9-Y轴丝杠，10-Y轴导轨，11-机箱框架，12-横杆，13-料管夹，14-工作平台，15-喷头导轨滑块，16-喷头导轨光轴，17-电机丝杆，18-导轨下端板，18a-导轨上端板，19-直线步进电机，20-电机底座，21-弹簧，22-弹簧柱，23-料管套，24-喷头底板，25-喷嘴，26-喷头保温套，27-第一料管，27a-第二料管，28-料管压板，29-活塞压子，30-活塞，31-材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种可更换喷头的三维打印机，包括机箱框架11、以及安装在机箱框架11上的X轴调节机构、Y轴调节结构和Z轴调节机构。

Y轴调节结构包括在机箱框架11的纵向固定的一台Y轴步进电机7、Y轴导轨10、以及安装在Y轴导轨10上方的Y轴丝杠9。X轴调节机构包括X轴导轨5、X轴步进电机8和X轴丝杠4，Y轴丝杠9通过螺纹啮合带动X轴导轨5在Y方向作运动。X轴导轨5上安装有X轴步进电机8和X轴丝杠4。Z轴调节机构包括Z轴导轨3、Z轴步进电机6、Z轴丝杠2、以及滑动配合在Z轴导轨上的打印喷头1。Z轴导轨3上安装有Z轴步进电机6和Z轴丝杠2。X轴丝杠4同样通过螺纹啮合带动其上的Z轴导轨3在X方向作运动。由此打印喷头可在X、Y、Z三个轴的带动下相对工作平台14作三维空间运动，亦可在Z轴不动的情况下在XY平面上作二维运动。X轴调节机构、Y轴调节结构均可采用现有技术的结构。

打印喷头1包括：与Z轴导轨3滑动配合的喷头底板24；固定在喷头底板24上的带有打印通孔的喷头保温套26，喷头保温套26一端设有定位槽口；径向卡合在喷头底板24上的第一料管27，该第一料管27通过一滑动配合在喷头底板24上的料管压板28轴向卡合在定位槽口内；固定在喷头底板24上的直线步进电机19，其电机丝杆17的输出端固定有用于对第一料管27内活塞30进行推压的活塞压子29。

喷头底板24通过螺纹啮合机构与Z轴丝杠2啮合传动。喷头底板24固定有导轨下端板18、导轨上端板18a、电机底座20、两个U形的料管套23和喷头保温套26。料管27通过料管套23径向卡合在喷头底板24上。喷头底板24通过导轨下端板18、导轨上端板18a固定有两根平行设置的喷头导轨光轴16，电机丝杆17端部固定有喷头导轨滑块15，喷头导轨滑块15两侧设有供导轨光轴16穿过的导向通孔，导向通孔内壁与导轨光轴16之间一般可根据需要设置耐磨套。

直线步进电机19通过电机底座20与喷头底板24固定，电机底座20中部设有供电机丝杆17穿过的通孔，同时电机底座20两侧固定有两根平行设置的弹簧柱22，弹簧柱22另一端与料罐套23相互固定，弹簧柱22上套设有弹簧21。

电机丝杆17端部螺纹固定有活塞压子29，活塞压子29上设有定位台阶；料管压板28上设有供弹簧柱22和活塞压子29通过的通孔，在弹簧21弹力的作用下，该料管压板28一侧与活塞压子29的定位台阶紧密抵接。

机箱框架11一侧固定有横杆12，横杆12上固定四个料管夹13，其中一个料管夹空置，剩余料管架内夹持有第二料管27a。第一料管27或第二料管27a中第一、第二仅仅为更清楚的说明，对料管的次序、结构和功能无任何限定作用，一般认为第一料管27指正在工作的料管，第二料管27a为非工作状态的料管。

喷头保温套26的一侧设有与定位槽口连通的让位缺口。让位缺口和定位槽口与第一料管27或第二料管27a的出料端外形大小配合，便于料管的固定和装卸。

X轴调节机构、Y轴调节结构、Z轴调节机构和直线步进电机19同时受控于同一控制器。打印喷头1自动完成第一料管27或第二料管27a的调换。

如图2所示，直线步进电机19安装在电机底座20上，电机丝杆17和直线步进电机19内的铜螺母啮合在一起，其上端与喷头导轨滑块15固定，被限制转动，只能跟随喷头导轨滑块15上下滑动；其下端安装有活塞压子29。由此直线步进电机19可以驱动电机丝杆17带动下端的活塞压子29进行Z轴方向上的运动。第一料管27的中部卡在两块料管套23上，下端插在喷头保温套26中。喷嘴25连接在料管27下端，从喷头保温套26的定位孔中伸出来。

如图3所示，当直线步进电机19带动活塞压子29往上运动时，活塞压子29能够钩住料管压板28，一起沿着弹簧柱22往上，同时弹簧21被压缩，第一料管27被释放。当活塞压子29往下运动到第一料管27内时，料管压板28同时被弹簧21压下，第一料管29被料管压板28往下压，其下端的喷嘴25进入喷头保温套26中的定位孔，直至到底，由此实现了料管的固定。活塞压子29继续往下，压住活塞30，开始挤出。

本发明的工作过程如下：

1)准备阶段：将材料装入第一料管27和第二料管27a，装上活塞30和喷嘴25，卡在料管夹13上。

2)将一个或多个三维造型转化成STL格式，输入三维打印机系统。系统将其分层切片，转化为可供本三维打印机加工的G代码。其打印方式是逐层打印。

3)自动装夹：系统根据需要的材料将喷头1移至装有相应材料的料管位置。如图4所示。同时直线步进电机19带动活塞压子29向上运动至顶部，以腾出第一料管27进入的空间。随后喷头1向第一料管27运动，直至第一料管12的上端嵌入到料管套23中，下端嵌入到喷头保温套26中。如图5所示。

4)如图6所示，直线步进电机19带动活塞压子29向下运动，同时料管压板28在弹簧21的作用下同时向下，直到压住第一料管27将下端的喷嘴25被推进喷头保温套26上的定位孔中，由此完成了第一料管27的装夹。随后活塞压子29继续下降，直到与活塞30接触，完成打印准备。

5)开始打印：如图7所示，X、Y、Z三轴带动打印喷头1在三维平台上运动，直线步进电机19向下挤压活塞29，将第一料管27内的材料31挤出，沉积在工作平台14上。逐层堆积，形成一个三维实体。

6)更换料管：如图8所示，当某一料管打印完毕，或者需要更换材料的时候，打印喷头1水平运动至当前料管①的料管夹13处，将料管①压入料管夹13，随后直线步进电机19带动活塞压子29往上运动，活塞压子29在向上运动过程中钩住料管压板28，将其一起带动，直到腾出料管①退出的空间。随后打印喷头1向下运动，料管①因为受到料管夹13的摩擦力，被固定在料管夹13上，其下端的喷嘴25也从喷头保温套26的定位孔中抽出。此时，打印喷头1停止向下运动，改为往后退，完全释放料管①。

7)释放料管①后，喷头1横向运动到下一个料管处(此处举例料管②)，重复第3)、4)步，即可完成重新装夹。

8)待所有层数打印完毕，重复第6)步释放料管。直线步进电机19停止，XYZ三轴回原点。

9)取出打印完毕的工件。

Claims (9)

1.一种可更换喷头的三维打印机，包括机箱框架(11)、安装在机箱框架上的三维调节机构、以及在三维调节机构调节下进行三维打印的打印喷头(1)，其特征在于，所述打印喷头(1)包括：

喷头底板(24)；

固定在喷头底板(24)上的带有打印通孔的喷头保温套(26)，喷头保温套一端设有定位槽口；

径向卡合在喷头底板(24)上的第一料管(27)，该第一料管通过一滑动配合在喷头底板(24)上的料管压板(28)轴向卡合在所述定位槽口内；

固定在喷头底板(24)上的直线步进电机(19)，其电机丝杆(17)的输出端固定有用于对所述第一料管(27)内活塞(30)进行推压的活塞压子(29)。

2.根据权利要求1所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述喷头底板(24)上固定有一个或多个U形的料管套(23)，所述第一料管(27)通过所述料管套(23)径向卡合在喷头底板(24)上。

3.根据权利要求1所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述喷头底板(24)上平行固定有弹簧柱(22)，该弹簧柱上套设有弹簧(21)；所述活塞压子(29)上设有定位台阶；所述料管压板(28)上设有供弹簧柱(22)和活塞压子(29)通过的通孔，在所述弹簧(21)弹力的作用下，该料管压板(28)一侧与所述定位台阶紧密抵接。

4.根据权利要求1所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述机箱框架(11)上设有两个以上的料管夹(13)，其中一个料管夹用于夹持非工作状态下的所述的第一料管(27)，剩余料管架内夹持有第二料管(27a)。

5.根据权利要求4所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述喷头保温套(26)的一侧设有与所述定位槽口连通的让位缺口。

6.根据权利要求5所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述让位缺口和定位槽口与所述第一料管或第二料管的出料端外形大小配合。

7.根据权利要求6所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述三维调节机构和直线步进电机(19)同时受控于同一控制器。

8.根据权利要求7所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，在所述控制器控制作用下，所述打印喷头(1)自动完成第一料管或第二料管的调换。

9.根据权利要求4所述的可更换喷头的三维打印机，其特征在于，所述活塞压子(29)与所述电机丝杆(17)端部螺纹连接。