CN105984133A - 一种多功能3d打印头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能3D打印头，是适用于任何热熔增材堆积形式3D打印机的打印头，包括：热熔腔体、挤压泵、双重套接喷头、热气打磨并冷气定型装置。本发明的一种多功能3D打印头在3D打印时，方便的选择任意大小孔径的子喷嘴，原始材料在热熔腔体热熔后，由挤压方式的挤压泵输出热熔材料，通过双重套接喷头挤出膏状熔丝后，经过热气打磨并冷气定型装置进行再处理，利用螺旋热气对挤出材料打磨挤压，同时回抽热气，并利用半导体制冷的冷气对堆砌好的材料冷却定型。通过热气打磨抹平，冷气冷却，使打印精度大大提高，使打印增材后的材料平整光滑，不变形，使成型的产品更加坚固。

Description

一种多功能3D打印头

技术领域

本发明涉及一种3D打印制造技术的领域，更具体地说，涉及一种多功能的3D打印头装置。

背景技术

目前普通FDM型的3D打印机进行增材打印时，打印头喷头为单个固定着的喷嘴，且没有对挤出物进行再处理过程，导致了以下的缺点。

普通3D打印机工作时，打印头多为固定的喷嘴，当发生故障或喷嘴堵塞时，只能更换打印头，或用钻头插进喷头向上顶出堵塞物，当该堵塞物再进入喷嘴时又会堵塞，或卸下打印头整个拆开清理。这些操作较为繁琐，给3D打印过程带来了不必要的麻烦。

普通3D打印机工作时，挤出的堆积物多为圆线条或圆滴，在一层层堆积时，必定圆形体叠加和拼凑圆形体，而所有圆形体堆在一起，中间都有间隙，尤其当3D打印机X轴 Y轴Z轴抖动而精度不高时，前后不同时间的挤出物甚至不能紧密结合在一起，而呈半脱离状态，导致产品打印出的物品不够坚实。

普通的3D打印机工作时，因为挤出的材料，热量在很长时间内不能散去，多层的叠加材料仍然有较高的温度，使打印物体仍然具有细微的流体特性，并且在自身的重力和来回移动产生的晃动的双重影响下，很容易导致打印物体的扭曲变形。

普通的3D打印机工作时，因为挤出材料为热熔流体状态，打印头在换行，或换层时，在高温下，必定会产生拉丝现象，使打印的产品毛刺太多而严重影响质量。

普通的3D打印机工作时，即使使用了风扇对正在打印的产品吹风，因打印头周围热量较高，不能吹出的较冷的气体，而使制冷效果不佳，同时因为风扇吹风时，风的方向为一个方向，容易导致刚挤出的热性材料被单方向吹风后变形，从而会变形而失去精度。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明提供了一种多功能3D打印头，使用子母套接喷嘴的设计，母喷嘴固定在打印头上，使用时，按需要套接各种可选孔径的子喷嘴，灵活方便，解决了喷嘴堵塞时很难处理等问题。并通过热气打磨冷气制冷的3D打印装置，利用螺旋热气对挤出材料打磨挤压，同时回抽热气，并利用半导体制冷的冷气对堆砌好的材料冷却定型。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案。

一种多功能3D打印头，包括：热熔腔体、挤压泵、双重套接喷头、热气打磨并冷气定型装置。3D打印机由X轴、Y轴、Z轴三维实现立体定位打印，在X轴上设置Z轴升降台，Z轴升降台上的热熔腔体和挤压泵合为一体，并连接双重套接喷头、热气打磨并冷气定型装置内外共三个腔体，全部包裹热熔腔体、挤压泵、双重套接喷头。3D打印机框架上固定弹性耐高温光滑面软管的一头，热熔腔体固定弹性耐高温光滑面软管的另一头。

所述的热熔腔体，为发热腔体，原始材料、添加剂、颜料送入弹性耐高温光滑面软管后进入热熔腔体，打印头来回的移动，牵引软管同时抖动，使粒子颗粒自动向下滑动而连续补充输送到热熔腔体直接热熔成熔液。

所述的挤压泵，和热熔腔体合为一体，为螺杆泵或齿轮泵的压力泵装置，热熔后熔液直接向3D打印机喷头挤压。

所述的双重套接喷头，还包括：打印头固定的大孔径的母喷嘴，和任意可选多种孔径的子喷嘴，使用时，按需要在母喷嘴上套接各种可选孔径的子喷嘴。

所述的热气打磨并冷气定型装置，还包括：热气腔体、螺旋热气环形喷口、热气回抽腔体、半导体制冷腔体、半导体制冷制热装置。其中，三个腔体由从里面到中间，再到外层，互套在一起成整个整体，分别为里层的热气腔体，中间的热气回抽腔体，外层半导体制冷腔体，螺旋热气环形喷口安装在热气腔体的最下端，半导体制冷制热装置的制热鼓风端连接热气腔体，制冷鼓风端连接半导体制冷腔体，热气回抽腔体通过导风管连接抽风风扇。

所述的热气腔体，是在热熔腔体外部罩一个隔空热气腔体，半导体制冷制热装置通电后，在制热端产生热气，制热鼓风端把该热气吹到热气腔体，同时混合热熔腔体外侧发热器件产生的热气，一并吹向螺旋热气环形喷口。

所述的螺旋热气环形喷口，内设螺旋叶片组，在风压下产生螺旋热气，环形风口正对热熔材料喷嘴，环形螺旋热气对刚挤出的热熔材料进行打磨挤压，使每次挤出的热熔材料和之前挤出的材料互相搅拌，减少间隙，并使挤出的材料更加平坦，消除一条条的凹凸线纹。

所述的热气回抽腔体，下端环形口紧挨着螺旋热气环形喷口，为第二层腔体，上下通空，上端有风扇回抽热气，避免喷头和打印物品周围积压太多的热气。

所述的半导体制冷腔体，下端的环形出风口紧挨着热气回抽腔体的下端环形口，为第三层腔体，上下通空，上端连接半导体的制冷鼓风端，半导体制冷制热装置通电后，在制冷端产生冷气，由制冷鼓风端把该冷气向下吹压至下端环形口，并吹向喷头和打印物体，冷却定型被打磨后的材料。

所述的半导体制冷制热装置，包括制冷鼓风端、制热鼓风端。

在半导体制冷片的制冷端配置金属冷栅片、鼓冷风扇、导冷风管、隔冷罩壳、导冷金属丝，共同组成制冷鼓风端，具体为：金属冷栅片由高传热性的多层金属片组成，并紧贴着半导体制冷片的制冷端，其表面固定导冷金属丝的一头，导冷金属丝的其余部分全部贴在导冷风管内壁上，导冷风管连接隔冷罩壳，鼓冷风扇和隔冷罩壳围成半封闭隔温腔体。

在半导体制冷片的制热端配置金属热栅片、鼓热风扇、导热风管、隔热罩壳、导热金属丝，共同组成制热鼓风端。具体为：金属热栅片由高传热性的多层金属片组成，并紧贴着半导体制冷片的制热端，其表面固定导热金属丝的一头，导热金属丝的其余部分全部贴在导热风管内壁上，导热风管连接隔热罩壳，鼓热风扇和隔热罩壳围成半封闭隔温腔体。

以下进一步描述技术方案。

在3D打印时，当需喷出材料较多和增材时间加快时，装上中等大小孔径的子喷嘴，特殊情况下不需要装上子喷嘴，也可以直接进行打印工作。当需使用喷出材料较小尺寸和提高打印精度时，装上小孔径的子喷嘴。

原始颗粒材料、添加剂、颜料送入弹性耐高温光滑面软管，该弹性耐高温光滑面软管上头固定在支架上，下端固定在热熔腔体上，利用打印头来回的移动，牵引该软管同时抖动，使粒子颗粒自动向下滑动而实现连续补充，输送到热熔腔体直接热熔后，由挤压泵的挤压输出热熔材料，通过双重套接喷头挤出熔丝进行增材打印。

3D打印机在增材制造时，同时启动半导体制冷制热装置，半导体制冷片在通电后，产生一面的制冷端和一面制热端，在制冷端产生0°以下的温度，在制热端产生了高于室温的相对高温度。

制热端的相对高温度，迅速使金属热栅片也处于相对高温度，同时导热金属丝因连接金属热栅片，使导热风管内壁的导热金属丝从头到尾同样处于相对高温度。鼓热风扇挤压的空气，经过金属热栅片初步制热成热气。由金属热栅片制热后的热气不容易被深度制热，当热气再压入导热风管内后，延长并加大了冷热传导的接触面积，被导热金属丝进一步再深度制热，提供了制热鼓风端所需的热气。

制热鼓风端把热气挤压到热气腔体，同时混合热熔腔体的发热器件产生的热气，在里层的热气腔体汇总后的热气经螺旋环形风口喷出，同心圆形状的环形口形成向心角度的锥形风向，汇成向下的螺旋热气，聚焦对准刚被挤出的热性熔丝打磨，圆柱状的膏状熔丝被旋转的热浪打旋扯成平饼状，同时水平旋风挤压拖动着热膏状材料涂抹填实了周围的缝隙，从而压紧了上下层材料，填实了周围材料结合处空隙，同时抹平的过程，不仅把圆形叠加在圆形上的松散方式改成了平板堆积在平板上的紧密方式，而且降低了层高，变薄了层高等于使打印精度大大提高了。

完成打磨过程的热气，汇集在熔丝喷嘴附件，在中间层下面的环形抽风口扣罩在该区域，通过回抽腔体，同时在回抽热气，使刚增材堆积的材料上方的热气尽量的被抽空。

制冷端0°以下的温度，迅速使金属冷栅片也处于0°以下温度，同时导冷金属丝因连接金属冷栅片，使导冷风管内壁的导冷金属丝从头到尾同样被制冷在较低的温度。鼓冷风扇挤压的空气，经过金属冷栅片初步制冷成冷气。由金属冷栅片制冷后的冷气不容易被深度制冷，当冷气再压入导冷风管内后，延长并加大了冷热传导的接触面积，被导冷金属丝进一步再深度制冷，提供了制冷鼓风端所需的冷气。

刚被增材堆积的材料本身还有较高温度，甚至上下多层的材料的温度也将保持较长的时间，由制冷鼓风端把该冷气向下吹压至扣罩在外层的半导体制冷腔体和下端环形的冷气喷口，并吹向喷头和打印物体。随着打印头的来回移动，喷出冷气的路径和打印头移动的路径一致，致使刚被打磨坚实的形态被迅速冷固定型，从而使整个目标物品不产生热变形。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果。

使用了子母套接喷嘴的设计，更换灵活方便，随时满足了各种打印精度，喷嘴堵塞时，只需要单独取下小孔径的子喷嘴，清理极为方便，解决了以往喷嘴堵塞问题不方便的问题。

经过打磨挤压，使每次挤出的热熔材料和之前挤出的材料互相搅拌，减少间隙，并使挤出的材料更加平坦，消除一条条的凹凸线纹，大大提高了打印精度，同时也大大提高了打印物品的牢固性。

经过回抽热气，避免喷头和打印物品周围积压太多的热气，加速打印物体的冷却和定型。

经过半导体的制冷端，产生的0°以下冷气，吹向喷头和打印物体，避免了因热量产生的更多拉丝，同时迅速冷却了打印物体，防止了打印物品因过热，和自身的重力，以及来回移动产生的晃动的影响下而产生扭曲变形，从而提高了打印物品的尺寸准确性。

同时，热气打磨，冷气冷却，使打印制造的产品表面平整光滑，不变形，更坚固。

附图说明

图1是本发明的一种多功能3D打印头的剖视图。

图2是本发明的双重套接喷头的剖视图。

图3是本发明的螺旋热气环形喷口斜视图。

图4是本发明的热气打磨并冷气定型装置图。

图5是本发明的半导体制冷制热装置图。

图6是本发明的热气打磨并冷气定型装置内部剖开斜视图。

1-热熔腔体，2-挤压泵，3-双重套接喷头，4-挤压电机，5-X轴Y轴架构，6-发热器件，7-温度传感器， 15-Z轴升降台，16-弹性耐高温光滑面软管，17-Z轴电机， 19-固定架， 21-热气腔体，22-热气回抽腔体，23-半导体制冷腔体，24-螺旋热气环形喷口，25-环形抽风口，26-冷气喷口，27-半导体制冷制热装置，28-抽风风扇，29-制热鼓风端，30-制冷鼓风端，31-母喷嘴，32-子喷嘴，33-螺旋叶片组，34-金属冷栅片，35-鼓冷风扇，36-导冷风管，37-金属热栅片，38-鼓热风扇，39-导热风管，40-半导体制冷片，41-导风管，42-隔冷罩壳，43-隔热罩壳，44-导冷金属丝，45-导热金属丝，46-冷风口，47-热风口。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

一种多功能3D打印头，包括：热熔腔体1、挤压泵2、双重套接喷头3、热气打磨并冷气定型装置（图4）。

3D打印机框架上架设Z轴升降台15，Z轴升降台15上由Z轴电机17连接的丝杆上配置固定架19，并连接多功能3D打印头。

热熔腔体1上方连接弹性耐高温光滑面软管16的一头，弹性耐高温光滑面软管16另一头固定在3D打印机X轴Y轴架构5顶上的框架上，热熔腔体1边设置发热器件6和温度传感器7。

挤压泵2与热熔腔体1于合为一体，上部设置挤压电机4。

双重套接喷头3连接挤压泵2下面，还包括：固定的大孔径的母喷嘴31，和任意可选多种孔径的子喷嘴32，使用时，按需要在母喷嘴31上套接各种可选孔径的子喷嘴32。

热气打磨并冷气定型装置（图4），还包括：热气腔体21、螺旋热气环形喷口24、热气回抽腔体22、半导体制冷腔体23、半导体制冷制热装置27。其中，三个腔体由从里面到中间，再到外层，互套在一起成整个整体，分别为里层的热气腔体21，中间的热气回抽腔体22，外层的半导体制冷腔体23。半导体制冷制热装置27的制热鼓风端29连接热气腔体21，制冷鼓风端30连接半导体制冷腔体23并直通冷气喷口26，抽风风扇28通过导风管41连接热气回抽腔体22并直通环形抽风口25，螺旋热气环形喷口24内设螺旋叶片组33，在风压下产生螺旋热气，螺旋热气环形喷口24正对着喷嘴下方挤出的热熔材料。

所述的半导体制冷制热装置27，还包括：制冷鼓风端30、制热鼓风端29。

在半导体制冷片40的制冷端配置金属冷栅片34、鼓冷风扇35、导冷风管36、隔冷罩壳42、导冷金属丝44，共同组成制冷鼓风端，具体为：金属冷栅片34由高传热性的多层金属片组成，并紧贴着半导体制冷片40的制冷端，其表面固定导冷金属丝44的一头，导冷金属丝44的其余部分全部贴在导冷风管36内壁上，导冷风管36连接隔冷罩壳42，鼓冷风扇35和隔冷罩壳42围成半封闭隔温腔体。

在半导体制冷片40的制热端配置金属热栅片37、鼓热风扇38、导热风管39、隔热罩壳43、导热金属丝45，共同组成制热鼓风端。具体为：金属热栅片37由高传热性的多层金属片组成，并紧贴着半导体制冷片40的制热端，其表面固定导热金属丝45的一头，导热金属丝45的其余部分全部贴在导热风管39内壁上，导热风管39连接隔热罩壳43，鼓热风扇38和隔热罩壳43围成半封闭隔温腔体。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

在3D打印时，先在母喷嘴31上套接指定孔径的子喷嘴32，原始颗粒材料、添加剂、颜料送入弹性耐高温光滑面软管16，该弹性耐高温光滑面软管16上头固定在支架上，下端固定在热熔腔体1上，利用打印头来回的移动，牵引软管同时抖动，使粒子颗粒自动向下滑动而实现连续补充，输送到热熔腔体1直接热熔后，由挤压泵2的挤压输出热熔材料，通过双重套接喷头3挤出熔丝进行3D打印。

3D打印机在增材制造时，同时启动半导体制冷制热装置27，半导体制冷片40在通电后，产生一面的制冷端和一面制热端，在制冷端产生0°以下的温度，在制热端产生了高于室温的相对高温度。

制热端的相对高温度，迅速使金属热栅片37也处于相对高温度，同时导热金属丝45因连接金属热栅片37，使导热风管39内壁的导热金属丝45从头到尾同样处于相对高温度。鼓热风扇38挤压的空气，经过金属热栅片37初步制热成热气。由金属热栅片37制热后的热气不容易被深度制热，当热气再压入导热风管39内后，延长并加大了冷热传导的接触面积，被导热金属丝45进一步再深度制热，直至热风口47，提供了所需的热气。

制热鼓风端29把热气挤压到热气腔体21，同时混合发热管6产生的热气，一并经螺旋环形风口24喷出，同心圆形状的环形口形成向心角度的锥形风向，汇成向下的螺旋热气，聚焦对准刚被挤出的热性熔丝打磨，圆柱状的膏状熔丝被旋转的热浪打旋扯成平饼状，同时水平旋风挤压拖动着热膏状材料涂抹填实周围的缝隙，从而压紧了上下不平整材料，填实了周围材料结合处空隙，抹平成平整面。

完成打磨过程的热气，汇集在喷嘴附近，在中间层下面的环形抽风口25扣罩在该区域，通过回抽腔体22和抽风风扇28，同时在回抽热气，使刚增材堆积的材料上方的热气尽量的被抽空。

制冷端0°以下的温度，迅速使金属冷栅片34也处于0°以下温度，同时导冷金属丝44因连接金属冷栅片34，使导冷风管36内壁的导冷金属丝44从头到尾同样被制冷在较低的温度。鼓冷风扇35挤压的空气，经过金属冷栅片34初步制冷成冷气。由金属冷栅片34制冷后的冷气不容易被深度制冷，当冷气再压入导冷风管36内后，延长并加大了冷热传导的接触面积，被导冷金属丝44进一步再深度制冷，直至冷风口46，提供了所需的冷气。

刚被增材堆积的材料本身还有较高温度，甚至上下多层的材料的温度也将保持较长的时间。由制冷鼓风端30把产生的冷气向下吹压至扣罩在外层的半导体制冷腔体23和下端环形的冷气口26，并吹向喷头和打印物体。随着打印头的来回移动，喷出冷气的路径和打印头移动的路径一致，致使每处刚被增材堆积的材料都会被迅速制冷，避免产生热变形。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能3D打印头，包括：热熔腔体、挤压泵、双重套接喷头、热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：由弹性耐高温光滑面软管连接在热熔腔体和挤压泵的上端，热熔腔体和挤压泵合为一体，并通过固定架连接固定于Z轴升降台，热熔腔体和挤压泵的下端安装双重套接喷头，热气打磨并冷气定型装置加装在热熔腔体和挤压泵的外围。

2.根据权利要求1所述的一种多功能3D打印头，其特征在于：所述的热气打磨并冷气定型装置，还包括：热气腔体、螺旋热气环形喷口、热气回抽腔体、半导体制冷腔体、半导体制冷制热装置，其中，上述三个腔体由从里面到中间，再到外层，互套在一起成整个整体，分别为里层的热气腔体，中间的热气回抽腔体，外层的半导体制冷腔体，螺旋热气环形喷口安装在热气腔体的最下端，半导体制冷制热装置的制热鼓风端连接热气腔体，制冷鼓风端连接半导体制冷腔体，热气回抽腔体通过导风管连接抽风风扇。

3.根据权利要求1所述的一种多功能3D打印头，其特征在于：所述的热熔腔体，为发热腔体，内置发热器件和温度传感器，弹性耐高温光滑面软管由打印头来回的抖动作为自身输送的动力源，滑入的粒子颗粒在热熔腔体热熔。

4.根据权利要求1所述的一种多功能3D打印头，其特征在于：所述的挤压泵，为螺杆泵或齿轮泵的挤压装置。

5.根据权利要求1所述的一种多功能3D打印头，其特征在于：所述的双重套接喷头，使用子母喷嘴套接的设计，母喷嘴固定在打印头上，各种可选孔径的子喷嘴套接在母喷嘴上。

6.根据权利要求2所述的热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：所述的热气腔体，是在热熔腔体外部罩一个里层的隔空热气腔体，混合二种来源的热气，a)半导体制冷制热装置通电后在制热端产生热气， b)热熔腔体外侧发热器件产生的热气，汇合的热气向螺旋热气环形喷口挤压流动的动力源来自制热鼓风端。

7.根据权利要求2所述的热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：所述的螺旋热气环形喷口，内部设置由风压下产生的螺旋热气的螺旋叶片组，螺旋热气环形喷口正对着喷嘴下方挤出的热熔材料，产生的螺旋热气旋转包围着需打磨的挤出的热熔材料。

8.根据权利要求2所述的热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：所述的热气回抽腔体，为中间的腔体，上下通空，其下端环形口紧挨着螺旋热气环形喷口，上端配置风扇回抽喷头和打印物品周围积压的热气。

9.根据权利要求2所述的热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：所述的半导体制冷腔体，为外层的腔体，上下通空，其下端的冷气喷口紧挨着热气回抽腔体下端的环形抽风口，上端连接半导体制冷制热装置的制冷鼓风端，半导体制冷制热装置通电后在制冷端产生的冷气向下吹压至下端环形口，冷气向下吹压的动力源来自制冷鼓风端，冷气风向正对着被打磨后的材料。

10.根据权利要求2所述的热气打磨并冷气定型装置，其特征在于：所述的半导体制冷制热装置，还包括：制冷鼓风端、制热鼓风端，在半导体制冷片的制冷端配置金属冷栅片、鼓冷风扇、导冷风管、隔冷罩壳、导冷金属丝，共同组成制冷鼓风端，在半导体制冷片的制热端配置金属热栅片、鼓热风扇、导热风管、隔热罩壳、导热金属丝，共同组成制热鼓风端。