CN104772906A - 打印头、三维打印机及三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及打印头、三维打印机及三维打印方法，打印头的打印喷嘴有一个供成型材料通过的垂向管道；切换单元通过一铰轴铰接在打印头上，切换单元具有朝远离打印喷嘴方向凸出的凸出部分，凸出部分设置有两个以上的喷孔，每个喷孔的出口面积各不相同，且均小于等于打印喷嘴的挤出口的面积，每个喷孔的进口可通过切换单元绕铰轴的转动，有选择地与挤出口对接；在打印头的工作状态下，弹性件的恢复力迫使打印喷嘴在垂向远离加热器，并与凸出部分抵靠。三维打印机包括机架等及上述打印头。三维打印方法包括读取三维物体的数据步骤；选择不同喷孔进行打印步骤；将切换单元移动到不接触打印喷嘴位置的步骤。其打印头结构简单紧凑，满足不同打印精度要求。

Description

打印头、三维打印机及三维打印方法

技术领域

本发明涉及一种用于快速成型的挤出装置、该挤出装置构建的快速成型设备及其成型方法，具体地说，涉及一种用于熔融挤压成型的打印头、该打印头构建的三维打印机及三维打印方法。

背景技术

三维打印机是一种利用快速成型技术进行打印三维物体的设备，其以数字模型为基础，利用塑料或粉末金属等材料，逐层地打印出三维物体。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技术有熔融挤压成型、激光选择性烧结成型、光固化成型等。

图1及图2所示的三维打印机01是采用熔融挤压成型技术的三维打印机，其具有机架015及安装于机架015上的控制单元、工作台014、丝料软管013、供料装置012及打印头011。供料装置012具有一个缠绕有耗材丝料0123的供料盘0121;打印头011由进料装置0113、加热器0112及打印喷嘴0111组成。供料盘0121被安装于三维打印机01的供料盘安装架的转轴0122上，从而将耗材丝料0123提供给打印头011。在使用过程中，将耗材丝料0123从供料盘0121上拉出，使被拉直的耗材丝料通过由摩擦阻力较小的材料制成的丝料软管013，并供给到进料装置0113，在进料装置0113的驱动下，耗材丝料进入加热器0112并被加热成熔融状态的成型材料，后续进入加热器0112内的耗材丝料挤压熔融状态的成型材料，使熔融状态的成型材料按一定的体积速率从打印喷嘴0111的挤出口挤出，最终沉积于工作台014的台面上。三维打印机01的控制单元通过控制打印头011在水平的X-Y平面内移动，同时控制工作台014沿垂向的Z轴移动，熔融状态的成型材料逐层叠加并冷却凝固形成三维物体。三维物体通常由外表面部分和内部填充部分组成，为了满足外表面部分对高精度的要求，需使用具有较小口径挤出口的打印喷嘴；对于较大型的三维物体，小口径挤出口的印喷嘴受挤出体积速率的限制，需要花费大量的时间进行打印对精度要求不高的内部填充部分，降低打印效率，增加了打印成本；如果尝试修改内部填充部分的打印参数以缩小打印内部填充部分的时间，这样对三维打印机整体的系统包括软件都要求较高。

公布号为CN104085111A的专利文献中公布了一种三维打印机，其打印头设置有多个不同口径的打印喷嘴，多个打印喷嘴布置在转盘下端，打印时调节转盘以切换不同口径的打印喷嘴；公布号为CN104044271A的专利文献公布了一种双打印头机构的三维打印机，其中两个并排的打印头具有加热块及不同口径的打印喷嘴，根据打印需求可将其中一个打印头切换成工作位置。

上述两种三维打印机在打印三维物体的高精度部分,如外表面部分时，将小口径打印喷嘴切换至工作位置，而在打印三维物体对精度要求较低的部分，如内部填充部分时，将大口径打印喷嘴切换至工作位置，以在满足精度需求的前提下缩减打印时间，但多个打印喷嘴的结构较为复杂，在切换不同口径打印喷嘴之后，之前工作状态下的打印喷嘴上残留的熔融状态的打印耗材可能会拉伸或滴到工作台上，影响打印；另外，在以某些特殊的打印方式打印三维物体时，切换不同口径打印喷嘴的过程中也可能与打印面发生剐蹭现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于提高打印效率的打印头；

本发明的另一目的是提供一种使用上述打印头构建的三维打印机；

本发明的再一目的是提供一种使用上述三维打印机打印三维物体的方法。

为了实现上述主要目的，本发明提供了一种用于三维打印机的打印头，包括加热器及设于加热器下端的打印喷嘴，打印喷嘴有一个供成型材料通过的垂向管道，其中，切换单元通过一铰轴铰接在打印头上，铰轴的轴线与管道的轴线垂直，切换单元具有朝远离打印喷嘴方向凸出的凸出部分，凸出部分设置有两个以上的喷孔，每个喷孔的出口面积各不相同，且均小于等于打印喷嘴的挤出口的面积，每个喷孔的进口可通过切换单元绕铰轴的转动，有选择地与挤出口对接，弹性件，在打印头的工作状态下，其恢复力迫使打印喷嘴在垂向远离加热器，并与凸出部分抵靠。

由上述方案可见，通过旋转切换单元，可使不同口径的喷孔与打印喷嘴对接，实现熔融状态的成型材料的出口的切换，使熔融状态下的成型材料最终从喷孔的出口挤出。其打印头结构简单紧凑，解决了多打印头存在的弊端，并且在打印时满足不同精度要求。当打印三维物体的外表面部分时，调整切换单元使小口径喷孔与打印喷嘴对准；当打印三维物体的内部填充部分时，调整切换单元使大口径喷孔与打印喷嘴对接。从小口径喷孔挤出的熔融状态的成型材料直径小，满足高精度要求的外表面部分，而从大口径喷孔挤出的熔融状态的成型材料直径较大，单位时间内挤出的熔融状态的成型材料较多，降低了打印时间。

更进一步的方案是，每个喷孔的进口均为锥台面。

由上述方案可见，将每个喷孔的进口设置为锥台面的好处，一方面，有利于引导成型材料从喷孔的出口挤出；另一方面，当切换喷孔时，有利于引导打印喷嘴从上一个喷孔退出并对齐下一个喷孔。

更进一步的方案是，在任一喷孔的进口与挤出口对接的情况下，经过打印喷嘴的轴线的任一个截面上的切换单元只有一个最低点，喷孔位于最低点上。

更进一步的方案是，凸出部分的外表面为球面，铰轴的轴线与管道的轴线相交。

由上述方案可见，外表面为球面的凸出部分更容易加工，不仅如此，外表面为球面的凸出部分只有一个最低点，工作状态下的喷孔位于最低点，可以降低与三维物体的打印面剐蹭的风险。

更进一步的方案是，每个喷孔的出口凸出于凸出部分，且位于同一个球面上，凸出部分为球面的内接任意面。

为了实现上述另一目的，本发明提供了一种三维打印机，包括机架、控制单元、供料装置和打印头，控制单元和供料装置安装在机架上，打印头包括加热器及设于加热器下端的打印喷嘴，打印喷嘴有一个供成型材料通过的垂向管道，其中，切换单元通过一铰轴铰接在打印头上，铰轴的轴线与管道的轴线垂直，切换单元具有朝远离打印喷嘴方向凸出的凸出部分，凸出部分设置有两个以上的喷孔，每个喷孔的出口面积各不相同，且均小于等于打印喷嘴的挤出口的面积，每个喷孔的进口可通过切换单元绕铰轴的转动，有选择地与挤出口对接，弹性件在打印头的工作状态下，其恢复力迫使打印喷嘴在垂向远离加热器，并与凸出部分抵靠；控制单元控制切换单元绕述铰轴相对于打印喷嘴旋转。

更进一步的方案是，每个喷孔的进口均为锥台面。

更进一步的方案是，在任一喷孔的进口与挤出口对接的情况下，经过打印喷嘴的轴线的任一个截面上的切换单元只有一个最低点，喷孔位于最低点上；

更进一步的方案是，凸出部分的外表面为球面，铰轴的轴线与管道的轴线相交。

更进一步的方案是，每个喷孔的出口凸出于凸出部分，且位于同一个球面上，凸出部分为球面的内接任意面。

为了实现上述再一目的，本发明提供了一种三维打印方法，该方法的步骤包括：第一步：读取三维物体的数据；第二步：选择与三维物体中不同部分的打印精度相适应的喷孔进行打印该部分的三维物体，直至完成整个三维物体的打印；第三步：将切换单元移动到不接触打印喷嘴的位置。

由上述方案可见，在打印结束后将切换单元移动到不接触打印喷嘴的位置，防止凝结的成型材料在打印喷嘴的挤出口和切换单元的喷孔之间产生而阻碍切换单元相对于打印喷嘴的旋转，不仅如此，还可以方便用户清洁维护切换单元和打印喷嘴。

附图说明

图1是一种现有三维打印机的立体图；

图2是图1所示三维打印机的原理示意图；

图3是本发明打印头实施例和工作台的示意图，其中打印头省略了进料装置；

图4是图3示打印头另一视角的示意图。

图5是图4的打印头的正视图。

图6是图5中的A-A剖视图。

图7是图6中的B局部放大图。

图8是图6的变化状态图。

图9是图8中的C局部放大图。

图10是图8的变化状态图。

图11是图10中的D局部放大图。

图12是本发明三维打印方法的流程图。

图13是图3的变化状态图。

图14是本发明打印头另一实施例的结构示意图。

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

打印头实施例

参照图3至图6，打印头1具有打印喷嘴11、加热器12、切换单元14和弹性件15。打印喷嘴11位于加热器12下端，加热器12上设置有铰轴121，切换单元14通过铰轴121铰接在加热器12上，并且切换单元14可相对加热器12和打印喷嘴11绕X轴旋转。打印喷嘴11可相对加热器12沿Z轴伸缩。弹性件15设置在打印喷嘴11与加热器12之间，并向打印喷嘴11施加朝下的弹性恢复力。在工作状态下，弹性件15施加给打印喷嘴11朝下的弹性恢复力，迫使打印喷嘴11抵靠在切换单元14内侧。

打印喷嘴11内部设有一条管道111，管道111的至少有一部分处在加热器12的加热区域内，管道111的最下端为挤出口112。

切换单元14的凸出部分为一个球面部分141，球面部分141朝着远离打印喷嘴11的方向凸出，在工作状态下，球面部分141靠近工作台4，球面部分141上分布有喷孔1411，本例有五个喷孔14111、14112、14113、14114、14115，其出口处的口径依次递减，喷孔1411的出口处口径均小于等于打印喷嘴挤出口112的口径。喷孔1411的进口处为锥台面,即喷嘴1411从上往下呈沉头孔形状，使打印喷嘴的出口112更容易对准喷孔1411。

参照图6至图7，工作状态下，打印机控制单元通过机构控制切换单元14的切换，使其中一个符合当前打印精度的喷孔14113与打印喷嘴11相互对准，此时喷孔14113位于最低点，处于工作位置，弹性件15迫使喷孔14113的进口与打印喷嘴的挤出口112相互对准，并且使两者密封地对接，防止成型材料从两者之间溢出。耗材丝料进入管道111，经过加热器12的加热区域后形成熔融状态的成型材料，并从挤出口112挤出，于此同时进入喷孔14113的进口，最终从喷孔14113的出口挤出。

参照图8和图9，在工作状态下，当打印精度需要调整时，打印机控制单元控制切换单元14，使切换单元14相对打印喷嘴11逆时针旋转。打印喷嘴11的挤出口112沿着喷孔14113的锥台面向滑动并脱离喷孔14113，打印喷嘴11相对切换单元14沿着Z轴上移，弹性件15进一步受压。

参照图10和图11，打印喷嘴11如图9示脱离喷孔14113后，进入并对准另一个喷孔14114，从而完成两个喷孔14113和14114之间的切换，弹性件15的恢复力迫使挤出口112抵靠在喷孔14114的进口，整个过程中打印喷嘴11一直与切换单元14保持接触。

由于管道111的轴线与铰轴121的轴线正交，且球面部分141的外表面是球面，因此，喷孔14114的出口处到工作台的距离与切换前喷孔14113的出口处到工作台的距离相同，这样可以降低切换单元14在切换喷孔的过程中与三维物体发生剐蹭风险。

三维打印机实施例

由于本发明三维打印机的主要结构改进是在打印头的切换单元及其控制单元，其他结构均与现有技术相同，在理解了打印头实施例的基础上，本领域技术人员完全可以参照现有三维打印机及上述打印头实施例进行实施。

三维打印方法实施例

参照图12和图13，本实施例包括如下步骤：

第一步：读取三维物体的数据。

第二步：选择与三维物体中不同部分的打印精度相适应的喷孔进行打印该部分的三维物体，直至完成整个三维物体的打印。在打印三维物体的过程中，三维打印机在打印三维物体的高精度部分时，切换单元14上的小口径喷孔，如喷孔14115，与打印喷嘴12对齐，使成型材料从小口径喷孔挤出，实现高精度要求的打印；三维打印机在打印三维物体的低精度部分时，切换单元14上的大口径喷孔，如喷孔14111，与打印喷嘴12对齐，使成型材料从大口径喷孔挤出，相同时间内，大口径喷孔挤出的成型材料的量比小口径喷孔挤出的成型材料的量更多，在打印低精度部分时可以节约更多的时间。

第三步：将切换单元移动到不接触打印喷嘴的位置。打印完成后，三维打印机的控制单元控制切换单元14，使其移动到不接触打印喷嘴12的位置，即移动到如图13的位置，这样可防止凝结的成型材料在打印喷嘴的挤出口和切换单元的喷孔之间产生，从而阻碍后续过程中切换单元相对于打印喷嘴的旋转，不仅如此，还可以方便用户清洁维护切换单元和打印喷嘴。

上述实施例中打印形成的三维物体是由熔融状态的成型材料逐层叠加并冷却凝固形成的，其每层凝固的成型材料的层厚不完全由喷孔的大小决定的，其每一层中从不同喷孔挤出的熔融状态的成型材料的层厚可通过软件运算调节成相同的层厚。

上述实施例中的切换单元的铰轴是设置在加热器上的，目的是为了使打印头结构更加紧凑，事实上，铰轴也可设置在打印头上的其他位置，如设置在进料装置上。

上述实施例中铰轴的轴线与管道的轴线相互正交，目的是为了保持切换单元在切换时其最低点部分与三维物体的打印面之间一定的距离，在此前提下更容易确定切换单元凸出部分的形状，实际情况下，切换单元铰轴的轴线可以与管道的轴线相互垂直而不相交，此时，凸出部分的外表面不再是球面而是各点曲率不同的弧面。

铰轴的轴线与管道的轴线相互正交时，切换单元凸出部分的外表面为球面，球面不仅更容易加工，而且可减低与三维物体的打印面剐蹭的风险，实际情况下外表面也可以为如图14所示的形状，只要保持各出口在一个球面上即可。

Claims (10)

1. 打印头，包括加热器及设于所述加热器下端的打印喷嘴，所述打印喷嘴有一个供成型材料通过的垂向管道；

其特征在于：

切换单元，所述切换单元通过一铰轴铰接在所述打印头上，所述铰轴的轴线与所述管道的轴线垂直，所述切换单元具有朝远离所述打印喷嘴方向凸出的凸出部分，所述凸出部分设置有两个以上的喷孔，每个喷孔的出口面积各不相同，且均小于等于所述打印喷嘴的挤出口的面积，每个喷孔的进口可通过所述切换单元绕所述铰轴的转动，有选择地与所述挤出口对接；

弹性件，在所述打印头的工作状态下，其恢复力迫使所述打印喷嘴在垂向远离所述加热器，并与所述凸出部分抵靠。

2. 根据权利要求1所述的打印头，其特征在于：

每个喷孔的进口均为锥台面。

3. 根据权利要求1所述的打印头，其特征在于：

在任一喷孔的进口与所述挤出口对接的情况下，经过所述打印喷嘴的轴线的任一个截面上的所述切换单元只有一个最低点，所述喷孔的出口位于所述最低点上。

4. 根据权利要求1所述的打印头，其特征在于：

所述凸出部分的外表面为球面；

所述铰轴的轴线与所述管道的轴线相交。

5. 根据权利要求1至4任一项所述的打印头，其特征在于：

每个喷孔的出口凸出于所述凸出部分，且位于同一个球面上。

6. 三维打印机，包括机架、控制单元、供料装置和打印头；

所述控制单元和所述供料装置安装在所述机架上；

所述打印头包括加热器及设于所述加热器下端的打印喷嘴，所述打印喷嘴有一个供成型材料通过的垂向管道；

其特征在于：

切换单元，所述切换单元通过一铰轴铰接在所述打印头上，所述铰轴的轴线与所述管道的轴线垂直，所述切换单元具有朝远离所述打印喷嘴方向凸出的凸出部分，所述凸出部分设置有两个以上的喷孔，每个喷孔的出口面积各不相同，且均小于等于所述打印喷嘴的挤出口的面积，每个喷孔的进口可通过所述切换单元绕所述铰轴的转动，有选择地与所述挤出口对接；

弹性件，在所述打印头的工作状态下，其恢复力迫使所述打印喷嘴在垂向远离所述加热器，并与所述凸出部分抵靠；

所述控制单元控制所述切换单元绕述铰轴相对于所述打印喷嘴旋转；

每个喷孔的进口均为锥台面。

7. 根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

在任一喷孔的进口与所述挤出口对接的情况下，经过所述打印喷嘴的轴线的任一个截面上的所述切换单元只有一个最低点，所述喷孔的出口位于所述最低点上。

8. 根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

所述凸出部分的外表面为球面；

所述铰轴的轴线与所述管道的轴线相交。

9. 根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

每个喷孔的出口凸出于所述凸出部分，且位于同一个球面上，所述凸出部分为所述球面的内接任意面。

10. 三维打印方法，使用权利要求5所述三维打印机打印三维物体；

其特征在于：

包括以下步骤

第一步：读取三维物体的数据；

第二步：选择与三维物体中不同部分的打印精度相适应的喷孔进行打印该部分的三维物体，直至完成整个三维物体的打印；

第三步：将切换单元移动到不接触打印喷嘴的位置。