CN105415692A - 一种熔融沉积型3d打印机的降温打印喷头及打印方法 - Google Patents

一种熔融沉积型3d打印机的降温打印喷头及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头及打印方法，包括液体循环腔、加热装置、打印喷头以及进料喉管，液体循环腔和加热装置均套合在进料喉管上，打印喷头设置于进料喉管的末端，加热装置靠近打印喷头设置，液体循环腔靠近加热装置设置，且液体循环腔与加热装置之间绝热；液体循环腔通过管路与冷却液体源连通。本发明的液体循环腔可以对靠近喷嘴的耗材进行冷却，使位于此处的喉管内的耗材可以保持足够的硬度和强度，进而保证了耗材顺利推进和熔化挤出，既提高了打印精度，又保证打印连续进行。

Description

一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头及打印方法
技术领域
本发明具体涉及一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头及打印方法。
背景技术
3D打印机是快速成型技术的一种装置，它是一种以数字模型文件为基础，以液体、粉末状金属或塑料等可粘性材料，通过逐层打印方式来构造物体的技术。它与计算机连接或通过SD卡(或USB)输入物体的三维模型，通过打印控制设置把液态或者粉末状“打印材料”一层层叠加起来，最终将计算机或SD卡(或USB)上的蓝图变成实物。它由电子组件、机械组件、打印喷头、耗材和介质等组成。
熔融沉积型技术(FusedDepositionModeling，FDM)是3D打印主流技术之一。它利用热塑性材料(ABS或PLA，peek等)的热熔型、粘接性，将热塑材料在打印喷头内加热成熔融态。打印喷头在设定程序控制下，沿着模型轮廓轨迹进行X-Y平面运动和高度Z方向运动，打印材料被挤出后迅速固化，并与周围材料粘接，每一个层面都是在上一层层面上堆积而成，直至按模型层层堆积完成为止。
现有熔融沉积型(FDM)3D打印机打印喷头存在的主要技术不足有两条：一是常规耗材打印精度不够高，利用超细丝打印可以提高打印精度，但是细丝受热不但膨胀堵塞进料喉管，而且耗材软化后，回抽时再送丝容易强度不够难以推进；二是打印300度以上融化温度的耗材时，现有风扇等降温措施无法使进料喉管降到合适温度，此处的耗材容易被软化而失去推进力无法连续稳定打印。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中存在的以上技术问题，提供一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头及打印方法。可以使耗材保持足够的强度，给与喷头内融化的料足够压力，顺利挤出，适应长时间连续稳定进料打印。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头，包括液体循环腔、加热装置、打印喷头以及进料喉管，液体循环腔和加热装置均套合在进料喉管上，打印喷头设置于进料喉管的末端，加热装置靠近打印喷头设置，液体循环腔靠近加热装置设置，使加热装置位于打印喷头和液体循环腔之间，且液体循环腔与加热装置之间绝热；液体循环腔通过管路与冷却液体源连通。
液体循环腔与加热装置之间绝热，可以有效防止加热装置对液体循环腔的加热作用，有助于液体循环腔内液体热量的散失，保持较好的冷却作用。加热装置靠近打印喷头设置，液体循环腔靠近加热装置设置，可以保证加热装置只对打印喷头上端的部分耗材进行加热，并保持熔化段以上的耗材保持原有硬度，使耗材可以保证足够的强度和推进力，进而使耗材顺利进入加热装置熔化，并通过打印喷头挤出。
优选的，所述加热装置包括加热块和电加热棒，电加热棒设置于加热块内部，加热块套合在进料喉管上。
电加热棒对加热块进行加热，保证了加热块温度的均匀性，加热块套在进料喉管上，保证了进料喉管内的耗材受热均匀，熔化均匀，有利于喷射的均匀性。
进一步优选的，所述加热块上还设置有第一温度传感器。第一温度传感器可以及时测得加热块的温度，进而可以控制耗材的熔化速率，保证了打印的供给。
优选的，液体循环腔与加热装置之间设置隔热板。
隔热板可以有效隔绝加热装置与液体循环腔之间的热量传递，并且隔热板可以缩短液体循环腔与加热装置之间的距离，保证最有效地对未加热熔化的耗材部分进行冷却，最大限度增加耗材的强度和推进力。
优选的，所述液体循环腔的腔壁由导热材料制成，优选为铜或铝。
液体循环腔由导热材料制成，可以保证冷却液体交换的热量及时散发出去，一方面可以保证良好的冷却效果，另一方面，还可以减少对冷却液体进行降温所耗用的能量，减小冷却液的运行速率，即减小了液体泵的运行功率，降低了能耗，绿色环保。
优选的，所述液体循环腔与加热装置之间设有间隙。间隙中的空气是良好的隔热体，可以用来对液体循环腔和加热装置进行隔热。
优选的，所述液体循环腔内设置第二温度传感器，或隔热板与液体循环腔之间的进料喉管内设置第二温度传感器，冷却液体源设置压力泵，压力泵通过管道与液体循环腔连通，第二温度传感器和压力泵均与压力泵控制模块连接。
第二温度传感器可以测得液体循环腔内的冷却液体的温度，将该温度信号输送到控制系统，控制系统控制压力泵的功率调整冷却液体的运行速度，进而保证了对耗材的较好地降温。
一种熔融沉积型3D打印机，包括所述降温打印喷头。
上述熔融沉积型3D打印机在3D打印中的应用。
上述熔融沉积型3D打印机的打印方法，包括如下步骤：
开启打印机，开启加热装置，同时开启液体泵，将冷却液体泵入液体循环腔中，冷却液体的温度为20-90℃。
由于耗材熔化温度都是200度以上，所以进料喉管处的温度控制在100度左右就可以使材料保持足够硬度，所以只要保持冷却液体与进料喉管有一定温差，就可以对进料喉管起到冷却的作用。当冷却液体温度较低时，可以适当减小冷却液体的流速，也可以达到降温作用，当冷却液体温度较高时，则需要适当增大冷却液体流速。所以，根据冷却液体温度，合理控制冷却液体的流速，使冷却液体能够有效降低耗材的温度，使耗材保持足够的强度和推进力，顺利进入喷嘴融化挤出。
液体循环降温腔既可以是方形，也可以是圆形等利于液体流动降温的任何形状，既可以在进料喉管周围均匀或对称分布，也可以在一侧安装，只要进料喉管和循环腔紧密接触，利于热量传递就可以。
本发明所述的液体循环降温腔可以是导热性能优异的任何材料。
本发明的冷却液体源为液体槽，液体槽既可以安装于打印机上，也可以单独设置，通过导液管和循环降温槽连接。
本发明工作时，由第二温度传感器探测液体循环腔的温度，将温度信号传输给压力泵控制模块，压力泵控制模块控制压力泵的转速，自动控制冷却液体的流速，使第二温度传感器探测的位置处于设定温度范围内，使位于此处的喉管内的耗材可以保持足够的硬度和强度，保证耗材顺利推进和融化挤出；既提高了打印精度，又保证打印连续进行。
本发明的有益效果是：
1、本发明的液体循环腔可以对喷嘴上方的耗材进行冷却，使位于此处的喉管内的耗材可以保持足够的硬度和强度，进而保证了耗材顺利推进和熔化挤出，既提高了打印精度，又防止了喷头堵塞，保证打印连续进行。
2、液体循环腔和加热块之间设置隔热块，或留有间隙，可以有效防止加热块对液体循环腔的加热作用，保证了液体循环腔的冷却效果；同时，液体循环腔的腔壁导热，可以及时将热量散出去，降低了能耗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1、液体循环腔，2、隔热板，3、加热块，4、打印喷头，5、进料喉管，6、电加热棒，7、第一温度传感器，8、第二温度传感器，9、压力泵控制模块，10、液体槽，11、压力泵，12、管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头，包括液体循环腔1，隔热板2，加热块3，打印喷头4，进料喉管5，电加热棒6，第一温度传感器7，第二温度传感器8，压力泵控制模块9，液体槽10，压力泵11以及管道12。
加热块3安装在靠近打印喷头4的进料喉管5上，加热块3以上的进料喉管5处依次安装隔热板2和液体循环腔1，隔热板2位于加热块3和液体循环腔1之间，，当液体流过液体循环腔1时，进料喉管5处的热量被液体带走，通过液体循环降温，使加热块3以上进料喉管5保持低温，能够有效降低耗材的温度，使耗材保持足够的强度和推进力，在挤出机的压力下，能顺利进入进料喉管5和打印喷头4并被迅速融化，同时给打印喷头4内融化的材料以足够压力，顺利挤出。
液体循环腔1固定在进料喉管5上，既有效传递热量，也使装置结构紧凑。液体循环腔1的液体进口和出口分别用管道12与液体槽10和压力泵11连接，管道12优先采用耐高温的铁氟龙管。
液体循环腔1的形状优选为圆形或方形，中心带孔，中心孔中安装进料喉管，上下进料喉管利用螺纹与其连接，可以更有效均匀降低进料喉管温度。
液体槽10既可以固定在打印机机体上，也可以单独安置，通过管道12与液体循环腔1连接。
第二温度传感器8，优选位置位于液体循环腔1下方进料喉管5处，第二温度传感器8与压力泵控制模块9连接，第二温度传感器8通过导线与压力泵控制模块9连接，压力泵控制模块9通过导线与压力泵11连接，压力泵控制模块9接收第二温度传感器8的信号，控制压力泵11的流速，将第二温度传感器8所处位置的温度始终控制在设定范围。
上述熔融沉积型3D打印机的打印方法，包括如下步骤：
开启打印机，开启加热装置，同时开启压力泵11，将冷却液体泵入液体循环腔1中，冷却液体的温度为85-90℃。根据公式Q＝CM(T1-T2)，加热棒推荐功率40瓦，加热材料消耗大约40％热量，辐射热量损失约30％，另有约30％需要冷却液降温，冷却液以水为例，如果升高5摄氏度，流速需要0.57ml/s。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种熔融沉积型3D打印机的降温打印喷头，其特征在于：包括液体循环腔、加热装置、打印喷头以及进料喉管，液体循环腔和加热装置均套合在进料喉管上，打印喷头设置于进料喉管的末端，加热装置靠近打印喷头设置，液体循环腔靠近加热装置设置，使加热装置位于打印喷头和液体循环腔之间，且液体循环腔与加热装置之间绝热；液体循环腔通过管路与冷却液体源连通。
2.根据权利要求1的降温打印喷头，其特征在于：所述加热装置包括加热块和电加热棒，电加热棒设置于加热块内部，加热块套合在进料喉管上。
3.根据权利要求2的降温打印喷头，其特征在于：所述加热块上还设置有第一温度传感器。
4.根据权利要求1的降温打印喷头，其特征在于：液体循环腔与加热装置之间设置隔热板。
5.根据权利要求1的降温打印喷头，其特征在于：所述液体循环腔的腔壁由导热材料制成，优选为铜或铝。
6.根据权利要求1的降温打印喷头，其特征在于：所述液体循环腔与加热装置之间设有间隙。
7.根据权利要求1的降温打印喷头，其特征在于：所述液体循环腔内设置第二温度传感器，或隔热板与液体循环腔之间的进料喉管内设置第二温度传感器；冷却液体源设置压力泵，压力泵通过管道与液体循环腔连通，第二温度传感器和压力泵均与压力泵控制模块连接。
8.一种熔融沉积型3D打印机，包括权利要求1-7任一所述降温打印喷头。
9.权利要求8所述熔融沉积型3D打印机在3D打印中的应用。
10.权利要求9所述熔融沉积型3D打印机的打印方法，包括如下步骤：
开启打印机，开启加热装置，同时开启压力泵，将冷却液体泵入液体循环腔中，冷却液体的温度为85-90℃。
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