CN105499572B - 一种电磁感应加热式3d打印机挤出喷头 - Google Patents

一种电磁感应加热式3d打印机挤出喷头 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种电磁感应加热式3D打印机挤出喷头。包括组合式喷头、加热装置、冷却装置、送料装置和保护气体通道；组合式喷头的陶瓷喷头外设置环形金属块；所述加热装置是电磁感应加热装置，包括电磁感应线圈、线圈固定架、支承架、屏蔽罩I和屏蔽罩II，电磁感应线圈的引出线通过线圈固定架安装在支承架上，电磁感应线圈套在环形金属块外，屏蔽罩I和屏蔽罩II连接并罩在电磁感应线圈外，屏蔽罩I安装在支承架上。本发明能够解决基于FDM技术的金属3D打印机的出丝不连续和喷头组件的堵塞问题，耐高温隔热陶瓷环能够有效的阻隔喷头的热量传递到喉管上，阻碍耗材过早软化，电磁感应加热提高金属丝的熔化速度和打印效率。

Description

一种电磁感应加热式3D打印机挤出喷头
技术领域
本发明涉及的是一种3D打印喷头，特别是涉及一种采用金属丝作为耗材的3D打印机挤出喷头。
背景技术
3D打印机又称三维打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。该技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工(AEC)，汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。
目前比较成熟的金属3D打印技术包括选区激光烧结技术(SLS)、直接金属粉末激光烧结技术(DMLS)、选区激光熔化技术(SLM)、激光近镜成型技术(LENS)和电子束选区熔化技术(EBSM)。国内外在金属3D打印技术发面取得了较多的成果，但是存在成型效率低、加工设备成本高及可加工的材料有限，使其的应用领域受到限制，目前多应用于航天、军工和一些特殊领域。
基于FDM原理的3D打印方法，使金属丝耗材在喷头内熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，通过逐层打印的方法实现材料的成型，这种加工方法能够很大的程度上降低金属3D的成本并提高成型效率。挤出喷头是3D打印机的核心部件，目前基于FDM原理的3D打印机大多采用电阻丝加热的方式，但是对于采用金属丝作为耗材的挤出喷头，电阻丝加热会存在一些问题：1、电阻丝加热的效率低，热量散失大且能耗较高；2、电阻丝加热的加热能力不足，由于电阻丝加热装置受到挤出喷头的尺寸的限制，其结构尺寸有限，对于一些高熔点的金属其提供的热量不足以使金属充分熔化，这会导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难；3、电阻丝加热的预热时间长，影响3D打印机的工作效率。4、由于挤出喷头和金属丝耗材的导热作用，送料端的温度高，耗材在送料端过早软化，导致导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种加热的效率高、能量损耗小，出丝效率高并能解决挤出喷头易堵塞问题的电磁感应加热式3D打印机挤出喷头。
本发明的目的是这样实现的：
包括组合式喷头、加热装置、冷却装置、送料装置和保护气体通道，组合式喷头和冷却装置安装在支承板上，保护气体通道安装在支承板和隔热板上面；组合式喷头的陶瓷喷头外设置环形金属块；所述加热装置是电磁感应加热装置，包括电磁感应线圈、线圈固定架、支承架、屏蔽罩I和屏蔽罩II，电磁感应线圈的引出线通过线圈固定架安装在支承架上，电磁感应线圈套在环形金属块外，屏蔽罩I和屏蔽罩II连接并罩在电磁感应线圈外，屏蔽罩I安装在支承架上。
本发明还可以包括：
1、所述的组合式喷头包括陶瓷喷头、环形金属块、隔热陶瓷环、紧固螺钉、喷头固定环和喉管，环形金属块和隔热陶瓷环安装在陶瓷喷头上，陶瓷喷头通过4个紧固螺钉安装在喷头固定环上，喉管安装在喷头固定环上。
2、喉管上设置有环形散热片组。
3、所述的保护气体通道包括进气管、出气管I、出气管II和出气管III，进气管通过管接头I安装在第二支承板上，出气管I～III安装在隔热板上并通过管接头II与进气管连接，出气管I～III通过出气管支架固定在屏蔽罩I上，出气管 I～III排出分布在陶瓷喷头出口的周围。
4、所述的冷却装置包括电机、扇叶和电机固定架，扇叶安装在电机上，电机安装在电机固定架上，扇叶的位置与喉管相对应。
本发明提供了一种新型电磁感应加热式挤出喷头，实现金属3D打印，并解决电阻丝加热方式的加热的效率低、能量损耗大、加热能力不足以及金属丝耗材在送料端过早软化堆积的问题，提高出丝效率并解决挤出喷头易堵塞的问题。
本发明的电磁感应加热式3D打印机挤出喷头主要由组合式喷头、电磁感应加热装置、冷却装置、送料装置和保护气体通道五部分组成。组合式喷头和冷却装置安装在支承板上，电磁感应加热装置安装在隔热板上，保护气体通道安装在支承板和隔热板上面。
所述的组合式喷头包括陶瓷喷头、环形金属块、耐高温隔热陶瓷环、紧固螺钉、喷头固定环和喉管，环形金属块和耐高温隔热陶瓷环安装在陶瓷喷头上，陶瓷喷头通过4个紧固螺钉安装在喷头固定环上，喉管安装在喷头固定环上。
组合式喷头中，环形金属块的熔点高于金属丝耗材，在电磁感应线圈产生的高频电磁场的作用下，环形金属块和陶瓷喷头内的金属丝耗材的内部会产生涡流，电能转化为热能，陶瓷喷头内的金属丝耗材在环形金属块产生的热量和自身产生的热量二者共同作用下而熔化。
耐高温隔热陶瓷环具有良好的隔热性，能够有效的阻碍陶瓷喷头和环形金属块的热量传导到喷头固定环和喉管上，喉管上设置有多个环形散热片，对金属丝耗材传导到喉管上的热量进行散热。
所述的紧固螺钉的尾部涂有隔热涂层。
所述的电磁感应加热装置包括电磁感应线圈、线圈固定架、支承架、屏蔽罩I和屏蔽罩II，电磁感应线圈安装在线圈固定架上，线圈固定架安装在支承架 上，屏蔽罩I和屏蔽罩II的电阻率较高且具有良好的电磁屏蔽效果，用于屏蔽电磁感应线圈产生的高频电磁场，防止高频电磁场对屏蔽罩I和屏蔽罩II周边的装置造成影响，屏蔽罩I和屏蔽罩II通过螺栓连接，屏蔽罩I安装在支承架上。
所述的保护气体通道包括进气管、出气管I、出气管II和出气管III，进气管通过管接头I安装在支承板上，出气管I～III安装在隔热板上并通过管接头II与进气管连接，出气管I～III通过出气管支架固定在屏蔽罩I上，出气管I～III排出保护气体以防止陶瓷喷头挤出的金属氧化。
所述的冷却装置包括电机、扇叶和电机固定架，扇叶安装在电机上，电机安装在电机固定架上，冷却装置对喉管进行散热。
所述的送料装置包括金属丝耗材、辊子I和辊子II，辊子I和辊子II由步进电机驱动，辊子I和辊子II分别顺时针和逆时针旋转实现送料。
本发明的优点在于：
1、本发明采用电磁感应加热，电磁感应加热可以局部加热且加热效率高、节能环保；电磁感应加热的加热温度高，而且是非接触式加热，加热速度快且温度容易控制，同时加热均匀。工作时，在电磁感应线圈产生的高频电磁场的作用下，环形金属块和陶瓷喷头内的金属丝耗材的内部会产生涡流，电能转化为热能；环形金属块加热陶瓷喷头整体，预热陶瓷喷头且保证了陶瓷喷头温度分布的均匀性，同时为金属丝耗材熔化提供热量；金属丝耗材在高频磁场的作用下，自身会产生大量的热量而使其熔化，熔融的金属丝耗材在送料装置的作用力下从陶瓷喷嘴挤出；这种并行加热方式，有利于金属丝耗材的充分熔化和保证熔化部分温度的均匀性，实际上环形金属块起着加热和保温的双重作用。
2、本发明采用的陶瓷喷头耐高温、化学稳定性好，有利于延长喷头的寿命。陶瓷喷头上安装有耐高温隔热陶瓷环，能够有效的阻碍陶瓷喷头和环形金属块 的热量传导到喷头固定环和喉管上，很大程度上减少了组合式喷头的加热部分对送料部分的影响，喉管的温度仅受金属丝耗材传递热量的影响，这样提高了喉管的散热效果，从而防止金属丝耗材过早软化而导致的出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难问题。
3、组合式喷头结构有利于喷头的维修和零部件的更换，紧固螺钉的尾部涂有隔热涂层，减少了紧固螺钉的导热对喷头固定环和喉管的影响，隔热板也减少了组合式喷头的加热部分对送料部分的影响。屏蔽罩I和屏蔽罩II用于屏蔽电磁感应线圈产生的高频电磁场，防止高频电磁场对屏蔽罩I和屏蔽罩II周边的装置造成影响。
附图说明
图1为本发明整体结构简图。
图2为本发明整体三维结构简图。
图3为本发明局部仰视图
图4为组合式喷头三维结构简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述。
结合图1，本发明主要由组合式喷头、电磁感应加热装置、冷却装置、送料装置和保护气体通道五部分组成；包括屏蔽罩II 1、环形金属块2、陶瓷喷头3、出气管II 4、出气管支架5、屏蔽罩I 6、支承架7、电磁感应线圈8、线圈固定架9、紧固螺钉10、隔热板11、电机12、扇叶13、电机固定架14、辊子I 15、金属丝耗材16、辊子II 17、还包括喉管18、进气管19、管接头I 20、支承板21、管接头II 22、喷头固定环23、耐高温隔热陶瓷环24、出气管I 25、出气管III 26；组合式喷头和冷却装置安装在支承板21上，电磁感应加热装置安装在隔热板11上，保护气体通道安装在支承板21和隔热板11上面。
如图1和图4所示，组合式喷头包括陶瓷喷头3、环形金属块2、耐高温隔热陶瓷环24、紧固螺钉10、喷头固定环23和喉管18；环形金属块2和耐高温隔热陶瓷环24安装在陶瓷喷头3上，陶瓷喷头3通过4个紧固螺钉10安装在喷头固定环23上，紧固螺钉10的尾部涂有隔热涂层，喉管18安装在喷头固定环23上，耐高温隔热陶瓷环24的材料为陶瓷纤维，具有良好的隔热性，能够有效的阻碍陶瓷喷头3和环形金属块2的热量传导到喷头固定环23和喉管18上，喉管18上设置有多个环形散热片。
如图1和图2所示，电磁感应加热装置包括电磁感应线圈8、线圈固定架9、支承架7、屏蔽罩I 6和屏蔽罩II 1，电磁感应线圈8安装在线圈固定架9上，线圈固定架9安装在支承架7上，屏蔽罩I 6和屏蔽罩II 1的电阻率较高且具有良好的电磁屏蔽效果，用于屏蔽电磁感应线圈8产生的高频电磁场，防止高频电磁场对屏蔽罩I 6和屏蔽罩II 1周边的装置造成影响，屏蔽罩I 6和屏蔽罩II 1通过螺栓连接，屏蔽罩I 6安装在支承架上。
如图1至3所示，保护气体通道包括进气管19、出气管I 25、出气管II 4和出气管III 26；进气管19通过管接头I 20安装在支承板21上，出气管I 25安装在隔热板11上并通过管接头II 22与进气管19连接，出气管II 4通过出气管支架5固定在屏蔽罩I 6上，出气管I～III排出保护气体以防止陶瓷喷头挤出的金属氧化，管路中输送的保护气体根据金属丝耗材的材料有不同的选择。
如图1和图2所示，冷却装置包括电机12、扇叶13和电机固定架14，扇叶13安装在电机12上，电机12安装在电机固定架14上，冷却装置对喉管18进行散热。
如图1和图2所示，所述的送料装置包括金属丝耗材16、辊子I 15和辊子II 17，辊子I 15和辊子II 17由步进电机驱动，辊子I 15和辊子II 17分别顺时针和逆时针旋转实现送料。
本发明的工作原理为：如图1所示，电磁感应线圈8产生高频电磁场，环形金属块2感应加热，环形金属块2加热陶瓷喷头3整体，预热陶瓷喷头3且保证了陶瓷喷头3温度分布的均匀性，同时为金属丝耗材16熔化提供热量；辊子I 15和辊子II 17由步进电机驱动，辊子I 15和辊子II 17分别顺时针和逆时针旋转实现送料，金属丝耗材16经由喉管18进入到内部；金属丝耗材16在陶瓷喷头3内被迅速加热，同时在高频电磁场的作用下金属丝耗材16感应加热，陶瓷喷头3内的金属丝耗材16在环形金属块2产生的热量和自身产生的热量二者共同作用下而熔化，熔融的金属丝耗材16在送料装置的作用力下从喷嘴挤出，出气管I～III排出保护气体以防止陶瓷喷头挤出的金属氧化。这种并行加热方式，有利于金属丝耗材16的充分熔化和保证熔化部分温度的均匀性，实际上环形金属块2起着加热和保温的双重作用。陶瓷喷头3耐高温、化学稳定性好，有利于延长喷头的寿命，陶瓷喷头3上安装有耐高温隔热陶瓷环24，能够有效的阻碍陶瓷喷头3和环形金属块2的热量传导到喷头固定环23和喉管18上，很大程度上减少了组合式喷头的加热部分对送料部分的影响，喉管18的温度仅受金属丝耗材16传递热量的影响，这样提高了喉管18的散热效果；同时紧固螺钉10的尾部涂有隔热涂层，减少了紧固螺钉10的导热对喷头固定环23和喉管18的影响，隔热板11也减少了组合式喷头的加热部分对送料部分的影响，从而防止金属丝耗材过早软化而导致的出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难问题。屏蔽罩I和屏蔽罩II用于屏蔽电磁感应线圈产生的高频电磁场，防止高频电磁场对屏蔽罩I和屏蔽罩II周边的装置造成影响。

Claims (1)

1.一种电磁感应加热式3D打印机挤出喷头，包括组合式喷头、加热装置、冷却装置、送料装置和保护气体通道，其特征是：
所述组合式喷头包括陶瓷喷头(3)、环形金属块(2)、耐高温隔热陶瓷环(24)、紧固螺钉(10)、喷头固定环(23)和喉管(18)，环形金属块(2)和耐高温隔热陶瓷环(24)安装在陶瓷喷头(3)上，陶瓷喷头(3)通过4个紧固螺钉(10)安装在喷头固定环(23)上，紧固螺钉(10)的尾部涂有隔热涂层，喉管(18)安装在喷头固定环(23)上，耐高温隔热陶瓷环(24)的材料为陶瓷纤维能够阻碍陶瓷喷头(3)和环形金属块(2)的热量传导到喷头固定环(23)和喉管(18)上，喉管(18)上设置有多个环形散热片；
所述加热装置包括电磁感应线圈(8)、线圈固定架(9)、支承架(7)、屏蔽罩I(6)和屏蔽罩II(1)，电磁感应线圈(8)安装在线圈固定架(9)上，线圈固定架(9)安装在支承架(7)上，屏蔽罩I(6)和屏蔽罩II(1)用于屏蔽电磁感应线圈(8)产生的高频电磁场、防止高频电磁场对屏蔽罩I(6)和屏蔽罩II(1)周边的装置造成影响，屏蔽罩I(6)和屏蔽罩II(1)通过螺栓连接，屏蔽罩I(6)安装在支承架上；
所述保护气体通道包括进气管(19)、出气管I(25)、出气管II(4)和出气管III(26)；进气管(19)通过管接头I(20)安装在支承板(21)上，出气管I(25)安装在隔热板(11)上并通过管接头II(22)与进气管(19)连接，出气管II(4)通过出气管支架(5)固定在屏蔽罩I(6)上，出气管I～III排出保护气体防止陶瓷喷头挤出的金属氧化；
所述冷却装置包括电机(12)、扇叶(13)和电机固定架(14)，扇叶(13)安装在电机(12)上，电机(12)安装在电机固定架(14)上，冷却装置对喉管(18)进行散热；
所述的送料装置包括金属丝耗材(16)、辊子I(15)和辊子II(17)，辊子I(15)和辊子II(17)由步进电机驱动，辊子I(15)和辊子II(17)分别顺时针和逆时针旋转实现送料。
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