CN104875389B - 三维打印机和打印方法、三维打印头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印机、三维打印头以及打印方法。本发明提供本发明提供的三维打印头包括材料容积腔，螺杆设置在材料容积腔内，电机与螺杆连接，供料装置与材料容积腔连通，打印喷嘴设置在材料容积腔的端部，加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间，超临界流体供应系统与材料容积腔连通。熔融的打印材料加入超临界流体，在螺杆的混合搅拌作用下产生单相熔融混合物，形成均匀的微孔气泡化作用，从而降低打印物体的密度值，降低三维打印物体的尺寸偏差，三维打印物体的平直性提升50%以上，有效降低打印时候的熔融打印材料所需要的温度，节省能源并且防止操作人员的烫伤。

Description

三维打印机和打印方法、三维打印头

技术领域

本发明属于三维打印机领域，具体地说，是涉及一种螺杆挤压三维成型的三维打印机、三维打印头以及这种打印机的打印方法。

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，SDM）。熔融堆积成型技术（FDM）是属于选择性沉积塑形（SDM)的一种技术工艺。现阶段，FDM三维打印机通常是利用热塑性聚合物材料在熔融状态下，从打印喷嘴处挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，再一层一层地叠加最终形成产品。

申请号为CN201410066757.0中国发明专利申请公开了一种三维打印机，这种三维打印机的原理采用螺杆挤压成型，在控制系统的作用下，通过螺杆把加热熔融的打印材料由打印喷嘴喷涂在打印平台上。螺杆挤压成型原理的三维打印机属于FDM型的三维打印机，然而，这种类型的三维打印机存在一些缺陷。

目前，市场上FDM三维打印机所使用的聚合物材料通常是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龙（PA）和聚碳酸酯（PC），使用这些材料的三维打印机的打印头的加热温度通常在200℃以上。例如，使用ABS材料的三维打印机需要打印头的加热温度达到220℃，而使用PLA材料的三维打印机需要打印头的加热温度达到205℃，这样就需要耗费大量的热量来使材料熔融，从而造成过多能源的浪费，并且打印头的温度过高也容易造成人员烫伤。另外，这种三维打印机在挤出成型物体时，由于高温熔融线材需要经逐渐缓慢冷却固化成型，因此其打印速度很慢。此外，由于打印线材在打印物体的表面产生的拉丝效应，会导致打印物体的表面不是很光滑。并且，对于高温熔融材料成型的物体，在物体内部还存在因分子取向和温差而产生的内应力，从而导致成型物体收缩时不均匀，尺寸偏差较大，最终使得三维打印物体产生翘曲、变形等问题。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种三维打印机的三维打印头。

本发明的另一目的是提供一种三维打印机。

本发明的再一目的是提供一种三维打印机的打印方法。

本发明提供的三维打印头包括材料容积腔，螺杆设置在材料容积腔内，电机与螺杆连接并驱动螺杆转动，供料装置与材料容积腔连通，打印喷嘴设置在材料容积腔的端部，加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间，超临界流体供应系统与材料容积腔连通, 向材料容积腔输出超临界流体。

由上述方案可见，熔融的打印材料加入超临界流体，在螺杆的混合搅拌作用下产生单相熔融混合物，形成均匀的微孔气泡化作用，从而降低打印物体的密度值，相比于没有加入超临界流体的技术方案，本方案得到的三维打印物体的密度降低6%至10%，不仅节省材料而且降低成本，虽然三维打印物体的密度有所降低，但是由于打印物体的密度均一，其物理机械性能反而会大幅提升，从而保证了三维打印物体的质量；另外，还有效改善三维打印物体由于应力和收缩不均匀而产生的翘曲、变形，使三维打印物体的表面光滑平整、尺寸稳定，降低三维打印物体的尺寸偏差，三维打印物体的平直性提升50%以上；此外，有效降低打印时候的熔融打印材料所需要的温度，节省能源并且防止操作人员的烫伤。

一个优选的方案是，在超临界流体供应系统与材料容积腔之间设置有流量控制装置。

由上述方案可见，调节超临界流体进入材料容积腔的流量，控制超临界流体和熔融的打印材料的重量比例在合理的范围内，从而更好地控制熔融材料的微孔气泡化作用。

一个优选的方案是，加热器为缠绕在材料容积腔的内腔体外的加热线圈。

一个优选的方案是，打印喷嘴以可拆卸方式连接在材料容积腔的端部。

由上述方案可见，在三维打印物体的打印过程中，在一些情况下需要调整打印喷嘴挤出丝料的截面大小，当需要进行快速打印的时候，可以首先增加超临界流体的流量供应，熔融材料的密度会相应降低但是会提高材料容积腔内熔融材料的体积，这个时候通过手动或者电动的方式更换更大孔径的打印喷嘴就可以进行更快速的打印过程。

一个优选的方案是，三维打印头还包括控制系统，在打印喷嘴的位置设置有密度传感器，控制系统分别与密度传感器、流量控制装置电连接。

由上述方案可见，根据密度传感器的检测结果，控制系统判定微孔气泡化的熔融材料的密度是否合适，当密度大于三维打印物体所需要的密度值时，通过流量控制装置增加超临界流体流入到材料容积腔的流量，而当检测到的密度小于三维打印物体所需要的密度值的时候，相应降低超临界流体流入到材料容积腔的流量。

进一步优选的方案是，打印喷嘴的位置设置有温度传感器，温度传感器与控制系统电连接。

由上述方案可见，在熔融材料与超临界流体的混合过程中，熔融材料的加热温度是一个关键的参数，其对熔融材料的微气泡化作用具有影响，因此需要实时监控材料容积腔内熔融材料的温度，并通过调节加热器的加热速率达到控制打印物体性质的目的。另外，当超临界流体与熔融材料的重量比例发生变化时，也需要相应调整加热器的加热速率。

本发明提供的三维打印机，包括材料容积腔；螺杆设置在材料容积腔内；电机与螺杆连接；供料装置与材料容积腔连通；打印喷嘴设置在材料容积腔的端部；打印平台用于承接由打印喷嘴产生的熔融材料；加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间；超临界流体供应系统与材料容积腔连通并向材料容积腔输出超临界流体。

本发明提供的三维打印机的打印方法，三维打印机包括材料容积腔；螺杆设置在材料容积腔内；电机与螺杆连接；供料装置与材料容积腔连通；打印喷嘴设置在材料容积腔的端部，打印平台用于承接由打印喷嘴喷涂的熔融材料；加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间；该方法包括，供料装置向材料容积腔内提供打印材料，电机驱动螺杆旋转，打印材料由材料容积腔的上游向下游移动，在加热器的作用下，打印材料转化为熔融材料；熔融材料由打印喷嘴喷涂到打印平台上；电机驱动螺杆旋转的同时，向材料容积腔内提供超临界流体，螺杆对熔融材料和临界流体混合搅拌，熔融材料发生微孔气泡化作用。

一个优选的方案是，将打印喷嘴喷涂到打印平台上前，检测打印喷嘴处熔融材料的密度值，然后把密度值检测结果反馈至三维打印机的控制系统，进而调节超临界流体的流入到材料容积腔中的流量。

一个优选的方案是，将打印喷嘴喷涂到打印平台上前，检测超临界流体流入材料容积腔位置的温度，然后把温度检测结果反馈至三维打印机的控制系统，进而调节加热器的加热功率。

附图说明

图1是本发明三维打印头的第一实施例的结构图。

图2是本发明三维打印头的第二实施例的结构图。

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

第一实施例

本实施例的三维打印头包括材料容积腔10、螺杆20、电机30、供料装置40、打印喷嘴50、加热器60、超临界流体供应系统70以及流量控制装置80。

螺杆20设置在材料容积腔10内部，螺杆20的直径略微小于材料容积腔10的内壁。在螺杆20的上端部具有电机30，电机30能够驱动螺杆20顺时针方向或者逆时针方向旋转。在材料容积腔10的上游区域的右侧设置了一个供料装置40，供料装置40与材料容积腔10相互连通，操作人员或者机器人向供料装置40内添加粉末状或者碎片状的聚乳酸(PLA)材料。在材料容积腔10的下端通过可拆卸的方式设置有打印喷嘴50。在供料装置40和打印喷嘴50之间，在材料容积腔10上设置有加热器60，加热器60为缠绕在材料容积腔10的内腔体的加热线圈。在材料容积腔10的外部具有超临界流体供应系统70，通过连接管71使得超临界流体供应系统70与材料容积腔10连通。在超临界流体供应系统70与材料容积腔10之间还设置有流量控制装置80。

供料装置40向材料容积腔10内持续性提供打印材料，电机30驱动螺杆20旋转，打印材料由材料容积腔10的上游位置向下游位置移动，在加热器60的作用下，打印材料逐渐转化为熔融材料，通过超临界流体供应系统70向材料容积腔10的内部提供超临界流体的氮气（N₂）或者二氧化碳（CO₂)，螺杆20对打印材料和超临界流体进行混合搅拌，打印材料熔融后发生微气泡化作用，最终熔融材料经过打印喷嘴50喷涂到打印平台90上。

第二实施例

本实施例的三维打印头包括材料容积腔100、螺杆200、电机300、供料装置400、打印喷嘴500、加热器、超临界流体供应系统700以及流量控制装置800，这些部件的结构特征和连接关系在第一实施例已经详细描述，不再赘述。

本实施例的三维打印头还包括控制系统900，在打印喷嘴500的附件位置设置有密度传感器510。在超临界流体供应系统700的连接管710与材料容积腔100连通的位置设置有温度传感器110。控制系统900分别与流体供应系统700、密度传感器510、流量控制装置800、温度传感器110电连接。

通过密度传感器510检测打印喷嘴500位置的熔融材料的密度值，然后把密度值检测结果反馈至三维打印机的控制系统900，进而调节超临界流体流入到材料容积腔100内的流量。根据密度传感器510的检测结果，经过控制系统900判定微孔气泡化的熔融材料的密度值是否合适，当密度值大于打印物体所需要的密度值时，通过调节流量控制装置800而增加超临界流体流入到材料容积腔100的流量；而当检测到的密度值小于打印物体所需要的密度值的时候，相应降低超临界流体流入到材料容积腔100的流量，从而实现对打印物体密度的实时调节作用。

通过温度传感器510检测超临界流体流入材料容积腔100位置时材料容积腔的加热温度，然后把温度检测结果反馈至三维打印机的控制系统900，进而调节加热器的加热功率。在熔融材料与超临界流体的混合过程中，熔融材料的加热温度是一个关键的参数，其对熔融材料的微孔气泡化效果具有影响，因此需要实时监控材料容积腔100内熔融材料的温度，并通过调节加热器的加热速率，从而达到控制打印物体性质的目的。另外，当超临界流体与熔融材料的重量比例发生变化时，也需要相应调整加热器的加热速率。

第三实施例

本实施例的三维打印机包括材料容积腔，螺杆设置在材料容积腔内，电机与螺杆连接，供料装置与材料容积腔连通，打印喷嘴设置在材料容积腔的端部，打印平台用于承接由打印喷嘴产生的熔融材料，加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间，超临界流体供应系统与材料容积腔连通。

最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式。在其它实施例中，打印材料为尼龙材料、聚碳酸酯、聚纤维酯、ABS，打印材料的颜色可以是红、黄、蓝等，也可以是各种颜色的混合材料；控制系统为PLC控制器，且其与电脑设备或者移动终端设备通过有线或者无线信号连接，终端用户能够根据用户界面实现对三维打印机的控制操作；在供料装置的入口处增加一个重量检测器，从而检测打印材料的加入量速率，重量检测器把信号反馈至三维打印机控制系统而进行处理和判断；超临界流体的流量控制装置可以为一个手动开闭的阀门或者电动控制的阀门。这些实施方式或者在未付出创造性劳动的情况对这些实施方式的相关变形的方案也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.三维打印头,包括，

材料容积腔；

螺杆，其设置在所述材料容积腔内；

电机，其与所述螺杆连接并驱动所述螺杆转动；

供料装置，其与所述材料容积腔连通；

打印喷嘴，其设置在所述材料容积腔的端部；

加热器，其设置在所述材料容积腔上，且位于所述供料装置和所述打印喷嘴之间；

其特征在于：

超临界流体供应系统，与所述材料容积腔连通，向所述材料容积腔输出超临界流体。

2.根据权利要求1所述的三维打印头，其特征在于：

在所述超临界流体供应系统与所述材料容积腔之间设置有流量控制装置。

3.根据权利要求1或2所述的三维打印头，其特征在于:

所述加热器为缠绕在所述材料容积腔的内腔体外的加热线圈。

4.根据权利要求1或2所述的三维打印头，其特征在于：

所述打印喷嘴以可拆卸方式连接在所述材料容积腔的端部。

5.根据权利要求2所述的三维打印头，其特征在于：

所述三维打印头还包括控制系统，在所述打印喷嘴的位置设置有密度传感器，所述控制系统分别与所述密度传感器、所述流量控制装置电连接。

6.根据权利要求5所述的三维打印头，其特征在于：

所述打印喷嘴的位置设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制系统电连接。

7.三维打印机，包括，

材料容积腔；

螺杆，其设置在所述材料容积腔内；

电机，其与所述螺杆连接；

供料装置，其与所述材料容积腔连通；

打印喷嘴，其设置在所述材料容积腔的端部；

打印平台，其用于承接由所述打印喷嘴产生的熔融材料；

加热器，其设置在所述材料容积腔上，且位于所述供料装置和所述打印喷嘴之间；

其特征在于：

超临界流体供应系统，与所述材料容积腔连通，向所述材料容积腔输出超临界流体。

8.三维打印机的打印方法，所述三维打印机包括，

材料容积腔；

螺杆，其设置在所述材料容积腔内；

电机，其与所述螺杆连接；

供料装置，其与所述材料容积腔连通；

打印喷嘴，其设置在所述材料容积腔的端部，

打印平台，其用于承接由所述打印喷嘴喷涂的熔融材料；

加热器，其设置在所述材料容积腔上，且位于所述供料装置和所述打印喷嘴之间；

该方法包括：

所述供料装置向所述材料容积腔内提供打印材料；所述电机驱动所述螺杆旋转，所述打印材料由所述材料容积腔的上游向下游移动；在所述加热器的作用下，所述打印材料转化为熔融材料；所述熔融材料经过所述打印喷嘴喷涂到所述打印平台上；

其特征在于：

所述电机驱动所述螺杆旋转的同时，向所述材料容积腔内提供超临界流体，所述螺杆对所述熔融材料和所述临界流体混合搅拌，所述熔融材料发生微孔气泡化作用。

9.根据权利要求8所述的三维打印机的打印方法，其特征在于：

将所述打印喷嘴喷涂到所述打印平台上前，检测所述打印喷嘴处熔融材料的密度值，然后把密度值检测结果反馈至所述三维打印机的控制系统，进而调节超临界流体流入到所述材料容积腔中的流量。

10.根据权利要求8或9所述的三维打印机的打印方法，其特征在于：

将所述打印喷嘴喷涂到所述打印平台上前，检测超临界流体流入所述材料容积腔位置的温度，然后把温度检测结果反馈至所述三维打印机的控制系统，进而调节所述加热器的加热功率。