CN104369385A - 一种3d打印机的打印头 - Google Patents

Abstract

本发明提供3D打印机的打印头，包括连通管，加热块，加热块用于将丝料熔融，加热块具有第一开口和第二开口，连通管穿过第一开口和第二开口；隔热内管，隔热内管设置在连通管的内部；隔热内管在加热块的外部，隔热内管的端部与第一开口之间有间隔。采取上述方案，3D打印机的喷头在位置移动过程中，喷头停止供丝，避免拉丝现象的产生。

Description

一种3D打印机的打印头

技术领域

本发明属于3D打印机领域，具体地说，是涉及一种3D打印机的打印头。

背景技术

快速成型技术能够用于三维（3D）打印的成型过程，通过电脑数据的转换过程实现三维物体的制造。通常，3D打印快速成型技术主要包括三种类型：立体雕刻（Stereolithography）、逐层叠加制造（Laminated Object Manufacturing）和选择性沉积塑形（Selective Deposition Modeling）。

选择性沉积塑形的基本原理为将三维物体逐层切片而得到每一层横截面的数据信息，基于这些信息将物体制造出来。现有的一种选择性沉积塑形是熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。熔融沉积成型的设备包括了一个挤压头，挤压头内可以设置一个丝料的进给装置，通过加热元件对挤压头加热后，挤压头能够挤压出熔融的流体材料，挤压出来的材料经冷却凝固后形成固体结构。

如图1所示，市场上销售的一种FDM的3D打印机包括水平轨道，水平轨道包括相互垂直的X轨道和Y轨道。X轨道包括两条平行设置的第一X轨道110和第二X轨道120，Y轨道包括两条平行设置的第一Y轨道210和第二Y轨道220。X轨道通过第一连接架130连接在Y轨道上，并且X轨道能够沿Y轨道轴向移动。3D打印机还包括用于挤压出熔融材料的打印头300，打印头300通过一个第二连接架310连接在X轨道上，并且第二连接架310能够沿X轨道轴向移动。

3D打印机还包括沿竖直方向延伸的Z轨道运动组件，Z轨道运动组件包括Z轨道、第三连接架420以及平台430，Z轨道包括一个丝杆450和两个固定杆，第三连接架420穿过丝杆450和两个固定杆，丝杆450的下端设有一个驱动电机，第三连接架420上连接平台430。在驱动电机的作用下，丝杆450发生旋转，平台430在第三连接架420的带动下能够沿竖直方向Z轨道的丝杆450和固定杆轴向移动。由于打印头能够沿X轴、Y轴和Z轴任意方向移动，在3D打印机的程序控制中首先对物体进行分层切割，每一层预先设定好打印路径，便能够实现3D物体的打印过程。

如图2和图3所示，现有技术中的一种3D打印机的打印头在竖直方向依次包括连接管500、加热块600和喷头700，喷头700具有喷嘴710，丝料在加热块600内熔融后由喷嘴710喷涂到打印机的工作平台上，连接管500内部具有铁氟龙管800，铁氟龙管800的一部分设置在加热块600的内部，另一部分设置在连接管500的内部，铁氟龙管800能够耐高温并且表面光滑，作为丝料的运输管道，能够起到良好的润滑作用。如图3所示，喷头700的柱形管720长度小于加热块600的高度，因此喷头700与连接管500固定连接的位置位于加热块600的内部。

3D打印机在打印过程中，针对不规则的物体，打印头经常需要快速移动和变换位置，打印头移动前，3D打印机需要停止丝料的进给，进给丝料的动力部件可以为齿轮传动。在打印头位置移动和变换的过程中，是不希望熔融的丝料从喷嘴710挤出的，然而由于丝料自身重力的影响，很难使打印头能够瞬间停止丝料的挤出，这种不必要的丝料挤出现象在本领域中被称之为拉丝现象。这种现象会降低打印物体的精度和表面平整度，影响打印物体的美观形，另外还容易造成丝料的浪费。

发明内容

针对现有技术中3D打印机的打印头在位置移动过程中，打印头难以瞬间停止供丝，产生拉丝现象的缺陷，本发明的主要目的是提供一种3D打印机的打印头。

本发明提供的3D打印机的打印头包括连通管，加热块，加热块用于将丝料熔融，加热块具有第一开口和第二开口，连通管穿过第一开口和第二开口；隔热内管，隔热内管设置在连通管的内部；隔热内管在加热块的外部，隔热内管的端部与第一开口之间有间隔。

    采取上述方案，3D打印机的喷头在位置移动过程中，喷头停止供丝，避免拉丝现象的产生。

一个优选的方案是，间隔的长度在2毫米至4毫米之间。

采取上述方案，当间隔距离过小时，拉丝现象得到缓解但是仍然会存在这种问题，当间隔距离过大时隔热内管的隔热作用就会显著降低而达不到预想的技术效果，实验数据发现，间隔距离设置在2毫米至4毫米之间时，效果最好。

一个优选的方案是，连通管由一个连接管与一个喷头固定连接形成，喷头具有锥形喷嘴和柱形管，柱形管依次穿过第二开口和第一开口后与连接管固定连接。

一个优选的方案是，喷嘴和柱形管由金属铜材料制成。

采取上述方案，柱形管的长度延伸到加热块的外部，柱形管采用金属铜材料，导热性能良好，并且适于作为熔融丝料的运输管道。另外，把连接位置设置在加热块外部，能够增强柱形管的密封性能。

一个优选的方案是，隔热内管为铁氟龙管。

采用上述方案，铁氟龙管的导热系数低，并且铁氟龙管为耐高温材料，这种材料的润滑性能优异，粘附性很小，丝料在铁氟龙管内的运行非常顺畅。

一个优选的方案是，加热块内部的加热元件为加热电阻。

一个优选的方案是，加热块内部设有电热偶。

采取上述方案，电热偶能够检测加热块内的环境温度，并将温度反馈至3D打印机的控制器，防止加热块的温度过高。

一个优选的方案是，加热块为矩形立体结构，加热块具有下表面和上表面，第一开口设置在上表面，第二开口设置在下表面。

一个优选的方案是，连接管为圆柱形，隔热内管为圆柱形，隔热内管与连接管的内壁过盈配合。

一个优选的方案是，固定连接方式为螺纹连接、焊接。

附图说明

图1是现有技术中一种FDM的3D打印机结构图。

图2是现有技术中一种FDM 3D打印机的打印头的结构图。

图3是现有技术中一种FDM 3D打印机的打印头的结构分解图。

图4是本发明的3D打印机的打印头实施例的结构图。

图5是本发明的3D打印机的打印头实施例的结构分解图。

图6是本发明的3D打印机的打印头实施例的正面剖视结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图4、图5和图6所示，本实施例的3D打印机的打印头10具有加热块20，优选地，加热块20为一个长方体，长方体结构的加热块20具有下表面和上表面，在上表面上具有第一开口，在下表面具有第二开口。在加热块20内部设有加热元件，可选地，加热元件为加热电阻，另外，加热块20内部还设有电热偶，电热偶是一个温度监测装置。在3D打印机启动加热程序后，加热电阻正常工作，加热块20的温度逐步升高并达到预设的温度值，电热偶能够检测到加热块20内部的环境温度，当检测到的温度达到预设温度后，电热偶把信号传输到3D打印机的控制系统，进而改变加热电阻的工作状态。

打印头10具有一个连通管，连通管穿过第一开口和第二开口。可选地，连通管包括喷头30和连接管50固定连接形成，喷头30包括喷嘴31和柱形管40固定连接。可选地，固定连接的方式为螺纹连接、焊接或者一体成型。可选地，喷嘴31为锥形。柱形管40穿过加热块20下表面的第二开口和上表面的第一开口，柱形管40的长度大于第一开口与第二开口之间的距离，因而柱形管40的上端部41在加热块20的外部。

在柱形管40的上端部41，与连接管50固定连接。连接管50内部设置有隔热内管60，隔热内管60的下端部可以延伸到柱形管40的内壁上。隔热内管60的下端部与加热块20上表面的第一开口之间具有间隔70。可选地，间隔70的长度在2毫米至4毫米之间，隔热内管60为铁氟龙管，连接管50为圆柱形，隔热内管60为圆柱形，隔热内管60采取过盈配合的方式固定在连接管50和柱形管40的内壁上。

丝料缠绕在3D打印机的丝料盘上，丝料盘与连接管50之间具有一个进给组件，进给组件可以是一个主动轮和一个从动轮，丝料放置在主动轮和从动轮之间。3D打印机的控制系统把信号传输到电机，主动轮在电机转轴的带动下将丝料传输到连接管50内，丝料随后进入到加热块20内部，在加热电阻的作用下丝料逐渐熔融，由喷嘴31喷涂在打印机的平台上。丝料由固态变为熔融态时，需要经历一个中间过程，中间过程的丝料可以被称为弹性态，丝料由固态变为弹性态时，体积会发生膨胀。可选地，丝料选用聚乳酸（PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等材料。

在进给组件的作用下，丝料不断运动，丝料首先进入连接管50并最终成为熔融丝料而被喷嘴31喷涂到3D打印机的工作台上。如图6所示，这种过程可以大致分为三个阶段，第一阶段71位于隔热内管60中下部以上的区域，在这个区域内丝料距离加热块20较远，受到的热量较小，丝料处于固态；第二阶段72位于隔热内管60的中下部至第一开口之间的区域，这个区域内丝料靠近加热块20，丝料的状态开始发生变化，但是这一区域内的热量不足以使丝料完全转化为熔融态，这种过度状态就是丝料的弹性态；第三阶段73位于加热块20至喷嘴31的区域，这个区域内加热块20的提供的热量充足，丝料在这个区域内为熔融态。在第二阶段72的区域内，丝料处于弹性态，当丝料由固态逐渐变化为弹性态时，体积会发生膨胀，而丝料的膨胀效应的加速度与温度是密切相关的。隔热内管60的导热系数显著低于柱形管40的导热系数，因此，在第二阶段72内当丝料由隔热内管60的下端部运行至柱形管40的上端部时，由于导热系数的差异，丝料受到的热量会急剧升高，导致丝料发生迅速地膨胀，也就是说，迅速膨胀的丝料会将隔热内管60的下端部密封，由此，在隔热内管60的下端部至喷嘴31之间形成密闭空间，密闭空间内形成局部真空状态。在打印过程中，打印头10在发生位置移动时，控制系统会停止进给组件的工作，随后，密闭空间内形成负压区域，加热块20内熔融的丝料受到竖直方向向上的力，这个力能够克服丝料自身重量，在打印头10移动过程中，丝料不会从喷嘴31喷出，避免了拉丝现象的发生。

本实施例的连接管50、柱形管40和喷嘴31为一体成型结构时，只要隔热内管60在加热块20的外部，同样能够形成密闭空间。可选地，柱形管40和喷嘴31由金属铜材料制成，丝料在柱形管40和喷嘴31内运行顺畅，不会发生堵塞现象。

最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如在加热块的一个壁上增加一个螺钉，在柱形管上设有与螺钉配合的螺纹，从而使加热块与柱形管固定的设计等也在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种3D打印机的打印头，包括,

连通管;

加热块，所述加热块用于将丝料熔融，所述加热块具有第一开口和第二开口，所述连通管穿过所述第一开口和所述第二开口；

隔热内管，所述隔热内管设置在所述连通管的内部；

其特征在于：

所述隔热内管在所述加热块的外部，所述隔热内管的端部与所述第一开口之间有间隔。

2.根据权利要求1所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述间隔的长度在2毫米至4毫米之间。

3.根据权利要求1所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述连通管由一个连接管与一个喷头固定连接形成,所述喷头具有锥形喷嘴和柱形管，所述柱形管依次穿过所述第二开口和所述第一开口后与所述连接管固定连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述喷嘴和所述柱形管由金属铜材料制成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述隔热内管为铁氟龙管。

6.根据权利要求1至4任一项所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述加热块内的加热元件为加热电阻。

7.根据权利要求6所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述加热块内部设有电热偶。

8.根据权利要求1至4任一项所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述加热块为长方体结构，所述加热块具有下表面和上表面，所述第一开口设置在所述上表面，所述第二开口设置在所述下表面。

9.根据权利要求3或4所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述连接管为圆柱形，所述隔热内管为圆柱形，所述隔热内管与所述连接管的内壁过盈配合。

10.根据权利要求3或4所述的3D打印机的打印头，其特征在于：

所述固定连接方式为螺纹连接、焊接。