CN104441657A - 一种可控口径的3d打印机喷头及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控口径的3D打印机喷头，包括进料筒和出料筒，所述出料筒的底部为喷料口，所述进料筒和出料筒相互连通且两者通过轴向导向装置活动连接，所述进料筒与出料筒相对运动时，所述喷料口的口径变大或缩小且喷料口的截面保持为等比例缩放的正多边形。本发明还涉及上述打印机喷头的控制方法。本发明打印机喷头的喷料口截面为正多边形且可随出料筒与进料筒的相对运动等比例缩放，在打印产品不同的面积要求时能够调整喷料口的口径，从而保证产品打印的衔接性和连贯性，通过该喷头进料速率与喷料口口径的协同控制，还能使得打印出料的高度是定值，满足打印精度的要求，从而提高打印效率，增强打印产品的客观性。本发明可应用于3D打印。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机领域，特别是一种可控口径的3D打印机喷头及其控制方法。
背景技术
3D打印技术是快速成型技术的一种，它是先通过计算机建模软件建立三维数字模型文件，再将建好的模型经过切片出理，将指导打印机进行逐层堆叠将模型的实体构造出来的一种技术，运用到的材料主要是粉末状的金属或塑料等可粘合材料。3D打印技术应用领域包括航天航空、国防军工、工业制造、建筑工程、生物医疗，食品化学等，随着智能制造技术的快速发展，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到3D制造领域，3D打印技术的发展将体现在精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。未来，3D打印技术将被广泛地应用到制造业并长期地服务于人们的生活和工作。
3D打印机的核心部件是打印喷头，目前主要的3D打印机喷头出口都是圆形的而且不能调节口径大小；也有少部分的打印机喷头口是可以改变口径大小但是打出来的截面形状是不固定的多边形，这样打印的衔接性和连贯性必定会受到影响，打印出来的模型也会有结构上的缺陷。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可控口径的3D打印机喷头，使喷头满足打印不同面积的半径要求。
本发明所采用的技术方案是：
一种可控口径的3D打印机喷头，包括进料筒和出料筒，所述出料筒的底部为喷料口，所述进料筒和出料筒相互连通且两者通过轴向导向装置活动连接，所述进料筒与出料筒相对运动时，所述喷料口的口径变大或缩小且喷料口的截面保持为等比例缩放的正多边形。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进料筒为上端大下端小的圆锥状并能绕自身轴线旋转，所述进料筒外壁设有外螺纹，所述出料筒包括多根齿条，所述各齿条围绕进料筒外壁对称分布并与外螺纹啮合，所述齿条与外螺纹构成轴向导向装置，相邻的齿条之间固定连接有弹性板，所述各弹性板围成棱锥状并在底部形成喷料口，所述喷料口位于进料筒的出口下方，且所述进料筒的出口口径不小于喷料口口径。
作为上述技术方案的进一步改进，所述齿条有三根，所述喷料口的截面呈正三角形。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进料筒的底端接有密封圈，所述密封圈中部设有与进料筒出口等口径且同轴心的中心孔，所述密封圈的外壁紧密贴合弹性板的内壁，使得进料筒和出料筒仅通过中心孔连通。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进料筒的顶端环绕有齿槽，与齿槽啮合的齿轮连接有驱动装置，并通过驱动装置带动进料筒旋转。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进料筒的上端设有进料管，所述进料管的底端与进料筒之间通过推力轴承配合。
本发明还提供上述3D打印机喷头的控制方法，从而提高打印精度，其采用的技术方案是：
一种3D打印机喷头的控制方法，根据喷料口口径的实际变化情况自动调节进料筒的进料速率，使喷料口的出料速率恒定不变。
本发明的有益效果是：本发明打印机喷头的喷料口截面为正多边形且可随出料筒与进料筒的相对运动等比例缩放，在打印产品不同的面积要求时能够调整喷料口的口径，从而保证产品打印的衔接性和连贯性，通过该喷头进料速率与喷料口口径的协同控制，还能使得打印出料的高度是定值，满足打印精度的要求，从而提高打印效率，增强打印产品的客观性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是打印机喷头的结构示意图；
图2是打印机喷头的剖面示意图；
图3是齿条与进料筒配合的俯视图；
图4是喷料口口径变化过程的示意图；
图5是打印过程中的控制流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示的可控口径的3D打印机喷头，包括进料筒4和出料筒。进料筒4及出料筒均为两端开口，其中进料筒4的顶部开口为进料口，其底部开口为的出口，该出口连通出料筒的顶部开口，出料筒的底部开口为喷料口，进料由进料筒4流向出料筒。进料筒4和出料筒通过轴向导向装置活动连接，使得两者具有相对运动的行程。一般来说，进料筒4与出料筒同轴心安装，进料筒4在轴向是固定不动的，而出料筒通过轴向导向装置可相对于进料筒4在轴向上升和下降。具体的，出料筒上升时，喷料口的口径变大，其下降时，喷料口的口径变小。
实施例中喷料口的截面设置成正多边形，无论出料筒的上升或者下降，喷料口的截面均保持为与该正多边形等比例缩放的形状，那么打印出料即可保证喷料的连贯性和衔接性，提高打印效果。
在设计时，应该考虑到进料筒4的出口和喷料口口径之间的关系，保证在打印过程中的任何情况下，进料筒4的出口口径都应不小于喷料口口径，这样喷料口口径的变化才有意义。
优选的，出料筒与进料筒4的相对运动可通过以下方式来实现。
进料筒4设计成上端大下端小的圆锥状并能绕自身轴线旋转，在其外壁设有外螺纹，这些外螺纹随圆锥的母线延伸至底部。出料筒由多个齿条3和与齿条3数量相同的弹性板1围绕成。各齿条3环绕进料筒4外壁对称分布，齿条3的上部有齿并与外螺纹啮合，但是下部并没有齿，相邻的齿条3之间固定连接有弹性板1，这些弹性板1均是连接在齿条3的下部。各弹性板1围成上端大下短小的棱锥状并在底部形成截面为正多边形的喷料口。
上述齿条3与进料筒4外螺纹构成了轴向导向装置，进料筒4的旋转可以带动齿条3沿着圆锥的母线上下移动，那么由于弹性板1的材质、尺寸相同并在相同的受力情况下能发生相同的弹性形变，在连同齿条3上下运动的情况下，弹性板1即能拉伸或收缩，其底部所形成的喷料口也即等比例缩放。
优选的，如图3所示，实施例中的齿条3有三根，三根齿条3在三维空间内对称分布，两两之间呈120°，从而弹性板1亦为三块，将喷料口的截面围成正三角形。
优选的，进料筒4的底端接有三角形的密封圈2，密封圈2中部设有与进料筒4出口等口径且同轴的中心孔，密封圈2的外壁紧密贴合各弹性板1的内壁，使得进料筒4和出料筒仅通过中心孔连通。该密封圈2的作用是保证进料筒4的打印原料能顺利的进入弹性板1所围成的内腔。为了保护喷料口的需要，进料筒4外螺纹的高度应有一定的限制，使得喷料口最多只能上升到密封圈2以下的位置。
为了实现进料筒4的旋转，本实施例采用了齿轮传动的方式。具体来说，进料筒4的顶端环绕有齿槽，与齿槽啮合的齿轮连接有作为驱动装置的微电机7。微电机7的启动可以带动进料筒4旋转。
优选的，进料筒4的上端设有进料管6，进料管6的底端与进料筒4之间通过推力轴承5配合。一般来说，打印机喷头是作为一个部件安装在其他的零部件上，为了实现进料到进料筒4之前的良好密封环境，进料管6可与进料筒4通过外部的固定装置紧压起来，那么进料管6即能与形成进料通道的零部件固定起来，使得进料筒4的旋转即不会影响整体的密封性。
实施例中还提供了上述打印机喷头的控制方法，从而提高打印精度，其具体原理是：由控制器根据喷料口口径的实际变化情况自动调节进料筒的进料速率，使喷料口的出料速率恒定不变。
具体控制方法如下：
如图4所示，A1A2A3是进料筒4进料的截面积，记为S0。进料筒4转过角度θ后，齿条3下降，下降距离为△h，进料筒4螺纹线数设定为N，外螺纹螺距设定为P，齿条3允许运动的总距离设定为L，应满足：
。
B1B2B3是齿条3下降△h后弹性板1底端所围成的面积，即喷料口的截面积，记为S截。当三根齿条3完全下降并下落到极限高度后，在C点相交，即齿条3的总行程为A1C的长度L。在微电机7带动进料筒4转过的角度θ后，S截满足：
。
通过上述控制，可以使喷头满足打印不同面积和不同精度的半径要求，提高打印速度和打印效率，增强打印产品的客观性。
由上可知，保持喷料口出料速度恒定的控制方法是，喷头的进料流速和微电机7带动进料筒4转过的角度θ满足：
。
结合图5及上述的控制方法描述本实施例打印机喷头的工作流程。
a. 启动打印机喷头；
b. 计算机读取打印路径指令。打印的路径既可以是在平面内移动也可以是在三维空间内移动，整个打印路径中的不同位置对喷料头的口径需求都有所不同。
c. 控制器根据实际需求判断是否需要改变喷料头截面积。若无需改变，继续返回步骤b读取打印路径并在路径上打印；
d. 若需要改变截面积，则控制微电机7转动，使进料筒4旋转一定角度；
e. 同时根据公式来改变进料速度；
f. 返回步骤b。
上述流程不断循环，直至打印完成。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。
Claims (7)
1.一种可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：包括进料筒和出料筒，所述出料筒的底部为喷料口，所述进料筒和出料筒相互连通且两者通过轴向导向装置活动连接，所述进料筒与出料筒相对运动时，所述喷料口的口径变大或缩小且喷料口的截面保持为等比例缩放的正多边形。
2.根据权利要求1所述的可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：所述进料筒为上端大下端小的圆锥状并能绕自身轴线旋转，所述进料筒外壁设有外螺纹，所述出料筒包括多根齿条，所述各齿条围绕进料筒外壁对称分布并与外螺纹啮合，所述齿条与外螺纹构成轴向导向装置，相邻的齿条之间固定连接有弹性板，所述各弹性板围成棱锥状并在底部形成喷料口，所述喷料口位于进料筒的出口下方，且所述进料筒的出口口径不小于喷料口口径。
3.根据权利要求2所述的可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：所述齿条有三根，所述喷料口的截面呈正三角形。
4.根据权利要求1或2或3所述的可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：所述进料筒的底端接有密封圈，所述密封圈中部设有与进料筒出口等口径且同轴心的中心孔，所述密封圈的外壁紧密贴合弹性板的内壁，使得进料筒和出料筒仅通过中心孔连通。
5.根据权利要求1或2或3所述的可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：所述进料筒的顶端环绕有齿槽，与齿槽啮合的齿轮连接有驱动装置，并通过驱动装置带动进料筒旋转。
6.根据权利要求1或2或3所述的可控口径的3D打印机喷头，其特征在于：所述进料筒的上端设有进料管，所述进料管的底端与进料筒之间通过推力轴承配合。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的3D打印机喷头的控制方法，其特征在于：根据喷料口口径的实际变化情况自动调节进料筒的进料速率，使喷料口的出料速率恒定不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160817 Termination date: 20161112 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |