CN106045283A - 一种玻璃熔融挤出3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃熔融挤出3D打印装置，包括送料机构、打印喷头组件以及打印平台，所述打印喷头组件包括与送料机构对接的引导管、与引导管连接的喷头以及加热模块，还包括：成型室，内部温度可控，顶面设有开放口；移动隔热板，密封所述开放口，所述喷头穿过所述移动隔热板伸入所述成型室内；平移机构，安装有所述送料机构、所述打印喷头组件和所述移动隔热板；升降机构，升降端自底部伸入所述成型室且安装有所述打印平台；本发明设有单独的成型室作为成型空间，能够保证电子器件和运动部件不受成型室内高温影响而导致的寿命缩短，同时设有移动隔热板来密封成型室，进一步隔绝成型室热度的同时保证打印喷头组件灵活运动。

Description

一种玻璃熔融挤出3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术，特别涉及一种玻璃熔融挤出3D打印装置。

背景技术

3D打印技术，即增材制造技术，是采用层层叠加堆积的方式分层制作出三维模型，在电脑程序等辅助配套设施的命令下能自动的、快速地将设计构造物化为具有一定结构和功能的原型物体，对于产品设计、结构等能进行快速地评价、修改，以达到缩短产品开发周期与降低生产成本的目的。3D打印既是传统制造业的革新，也是延续，由于它的空间占有面积小，节能环保，不但在制造业方面具有很大的发展空间，同时也应用于教育、建筑、设计等多个行业领域。

玻璃的加工成型方法很多，但基本都是传统的高温熔融模具成型，一般几何结构简单。随着3D打印技术的发展，玻璃3D打印的相关研究也逐渐增多，采用3D打印技术制造复杂形状的玻璃制品还处在技术研发阶段。目前，已经报道的玻璃打印技术有两种，一种是以惠普公司为代表，采用玻璃粉为原料，利用激光烧结的方式制备玻璃制品。但是激光烧结玻璃粉末获得的打印件透明度不高，打印物件需要进行高温后处理导致精度下降的问题。

另一种是以麻省理工学院为代表，采用玻璃块材为原料，利用熔池熔化流出的方式进行打印，可以有效提高打印精度，例如公开了一种用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法，包括打印机，扫描仪，熔化窑和原料供应槽；打印机包括机体和打印仓，机体底部设有喷头，喷头下方与喷头相对应设有底板，喷头和底板设置在打印仓内；机体与扫描仪相连；熔化窑通过引流管与原料供应槽相连，原料供应槽通过引流管与喷头相连。这类打印方法可以将固体玻璃作为打印材料，实现玻璃3D打印；本发明扩大了打印原料的选择范围，将废旧的玻璃变废为宝加以利用，实用性强。

但是这种打印方式还是存在问题，熔池熔化流出受到熔池大小的限制，熔池方式，对于箱体保温，输送管道保温要求很高，所以成本方面也相应提高；并且打印样件大多存在不透明和尺寸精度较差等问题；还存在玻璃高温的打印环境对3D打印机的电子器件以及运动部件的影响较大，导致设备的使用寿命降低的问题。

发明内容

本发明提供了一种玻璃熔融挤出3D打印装置，结构简单，有效地将电子元器件以及运动部件与高温的成型室隔离开，能够保证电子器件和运动部件不受成型室内高温影响而导致的寿命缩短。

一种玻璃熔融挤出3D打印装置，包括送料机构、打印喷头组件以及打印平台，所述打印喷头组件包括与送料机构对接的引导管、与引导管连接的喷头以及加热模块，还包括：

成型室，内部温度可控，顶面设有开放口；

移动隔热板，密封所述开放口，所述喷头穿过该移动隔热板伸入所述成型室内；

平移机构，安装有所述送料机构、所述打印喷头组件和所述移动隔热板；

升降机构，升降端自底部伸入所述成型室且安装有所述打印平台。

本发明设有专门的成型室隔离成型空间和平移机构以及各部件的电子模块，有效降低平移机构以及各部件的电子模块受高温的影响，并且设有移动隔热板来密封成型室，有效隔绝成型室热度的同时保证打印喷头组件灵活运动。

所述平移机构可以采用常见的XY轴定位系统。而升降机构完成Z轴定位，从而实现3D打印的三维运动。

为了提高玻璃打印的精度和透明度，优选的，所述引导管包括：

冷端引导管，一端与送料机构连接，带有冷却模块；

热端引导管，一端连接所述冷端引导管，另一端连接所述喷头；

所述移动隔热板安装在冷端引导管和热端引导管之间；

所述加热模块包括安装在热端引导管外的第一加热器。

本发明设有两段式结构的引导管，除了软化玻璃的热端引导管外，还设有冷端引导管，解决了玻璃熔融沉积成型过程中玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，移动隔热板分隔冷端引导管和热端引导管，大大提高了冷却效果。

热端引导管、移动隔热板和冷端引导管之间可以通过机械固定，由于移动隔热板一般具有一定柔性，三者之间密封性得以保证，不会导致玻璃液流出。

所述冷端引导管和热端引导管的材料均包括但不限于铜、不锈钢、钨钢、钛合金、碳化硅、刚玉等，为了提高冷却效果，优选的，所述冷端引导管的制造材料为铜、不锈钢、耐高温合金或陶瓷。进一步优选的，所述冷端引导管的制造材料为铜。铜热导率较大，导热快，有助于冷端维持较低温度。

优选的，所述热端引导管的制造材料为铜、不锈钢、耐高温合金或陶瓷。进一步优选的，所述热端引导管的制造材料为不锈钢。不锈钢具有较大的热导率，虽然其热导率虽然不如铜的大，但它能够耐受热端所需维持的温度，且不锈钢与玻璃材料之间不易粘接，有利于打印喷头组件的多次使用。

为了使喷头出料顺利并提高层间(已经打印的材料和刚喷出材料之间)结合力，优选的，所述加热模块还包括第二加热器，安装在所述喷头靠近出口的位置。防止因为喷头处温度较低而导致的供料阻塞的问题，同时第二加热器可以加热已经打印的材料，防止已经打印的材料由于温度大幅度降低导致层间结合力下降，从而提高玻璃材料之间的结合力。这可以有效提高打印件力学性能和透明度。

由于玻璃熔融挤出温度较高，单段加热通常会导致打印头挤出的玻璃材料温度迅速降低，这会导致新挤出材料与上一层材料之间的结合性差，打印件的力学性能差。因此优化打印头的加热结构，有效提高材料之间的结合力。

打印时，玻璃材料通过送料机构，沿进料方向进入喷头在其中融化成熔融状态并在定位系统的驱动下从喷头中挤出并逐层沉积到打印平台上，成型室内保持至少650℃的温度，保证玻璃打印件的层间结合力，打印完成后，玻璃打印件在成型室中退火，经程序降温至室温，优选的，所述的成型室的内部温度至少可升温至650℃。

为了进一步提高冷却效果，隔热效果以及便于安装，优选的，所述冷却模块包括安装在冷端引导管外用于通入冷却气体的环形冷却腔，所述环形冷却腔的一端与所述冷端引导管的出料端齐平形成环形的密封安装面，所述移动隔热板的端面与密封安装面紧贴。

为了实现玻璃的预热同时防止提前软化，优选的，所述冷却模块采用风冷结构。冷端温度不高于玻璃的软化温度(对应粘度为10¹⁰Pa·s)，采用风冷进行冷却效果好、温控范围合适。

为了提高隔热效果，优选的，所述的移动隔热板分为两层，靠近热端引导管的一层采用耐高温隔热材料，靠近冷端引导管的一层采用柔性隔热材料。

进一步优选的，所述耐高温隔热材料为轻质刚玉莫来石砖、轻质高铝砖或微纳隔热板；

进一步优选的，所述柔性隔热材料采用气凝胶毡、耐火石棉或陶瓷纤维。

进一步优选的，所述耐高温隔热材料采用微纳隔热板，所述柔性隔热材料采用气凝胶毡，微纳隔热板在1000℃以上依然可以保持很低的导热系数和良好的强度，而气凝胶毡在500℃左右具有极低的导热系数且其具有一定柔性，有助于冷端引导管与热端引导管之间的隔热和密封。

玻璃原料一般多为粉料或者棒状，优选的，所述送料机构采用螺杆式粉料进料结构或挤压式丝材进料机构。螺杆式粉料进料结构适用于粉料，挤压式丝材进料机构适用于棒状材料。

所述的成型室与移动隔热板配合的顶面采用陶瓷纤维板；所述的开放口与移动隔热板间有0.5～5mm的间隙，既能保证成型室的隔热效果，又能防止平移机构的运动受阻。

打印平台上的基板通过可更换机构连接，其材料包括但不限于钢化玻璃、刚玉、碳化硅、不锈钢、云母等耐高温材料，可以使不同成分的玻璃与相应基板之间有如下粘合特点：高温条件下易粘附，随着温度的降低两者间的粘结力逐渐减小，如此可以保证打印过程的顺利进行，且玻璃打印物件不会在降温的过程中开裂。

本发明的有益效果：

本发明的玻璃熔融挤出3D打印装置，设有单独的成型室作为成型空间，既简单又具有良好的隔热效果，能够保证电子器件和运动部件不受成型室内高温影响而避免寿命缩短，同时设有移动隔热板来密封成型室，进一步隔绝成型室热度的同时保证打印喷头组件灵活运动。

附图说明

图1是本发明的玻璃熔融挤出3D打印装置的结构示意图。

图2是Z轴定位系统与成型室的连接结构示意图。

图3是打印平台的结构示意图。

图4是实施例1的3D打印装置的剖视结构示意图。

图5是实施例1的打印喷头组件的剖视结构示意图。

图6是实施例2的3D打印装置的剖视结构示意图。

图中：110、打印喷头组件，111、耐高温冷却模块，112、喷头，120、送料机构，130、成型室，140、打印平台，141、基板，150、X轴定位系统，151、Y轴定位系统，152、Z轴定位系统，160、移动隔热板，170、底部隔热层，171、耐高温绝热支撑棒，172、底部隔热层中心的孔洞，180、玻璃棒，181、主动轮，182、从动轮，190、玻璃粉，191、料筒，192、供料道，193、电动机，194、螺杆，195、压缩空气，200、进料方向，210、耐高温冷却模块，211、冷却气体入口，212、冷却气体出口，220、冷端引导管，230、喷头，231、热端引导管，240、第一加热器，241、第二加热器，260、261、温度传感器，270、密封环，290、291、玻璃棒传动方向。

具体实施方式

实施例1

如图1～3所示，本实施例的玻璃熔融挤出3D打印装置包括：可程序升降温的成型室130；送料机构120，将玻璃材料送至打印喷头组件110并提供熔融玻璃挤出力；打印喷头组件110，玻璃打印材料在打印喷头组件110内熔融和挤出；位于成型室130内的打印平台140；设置于成型室130外部的XY轴定位系统150(平移)、151和Z轴定位系统152(升降)，并由移动隔热板160与成型室130热隔离；移动隔热板160作为成型室130的顶部，包括但不限于平板式、折叠式和柔性耐火隔热材料中的一种或几种的组合。

打印喷头组件110包括一个设置于成型室130外部的耐高温冷却模块111和一个设置于成型室130内部的带加热系统的喷头112，耐高温冷却模块111通过置于可移动隔热板160上的圆孔与打印喷组件110连接。耐高温冷却模块111采用水冷、风冷或油冷中的一种或组合。

送料机构120与打印喷头组件110相连，并固定于X轴150与Y轴151相交的位置并在驱动模块的控制下沿X轴150和Y轴151移动(平移)；打印平台140与Z轴定位系统152相连，在驱动模块的控制下沿Z轴152移动(升降)；Z轴定位系统152通过成型室底部的密封孔172与打印平台140连接，可提高成型室130的密封性和绝热性。

如图4所示，本实施例的送料机构120采用挤压式丝材进料装置，玻璃棒180由主动轮181和从动轮182加紧，并在主动轮181的带动下向打印喷头组件110中进料。本实施例采用两组主动轮181和从动轮182，既可为玻璃棒提供充足的动力，又能防止玻璃棒在送料过程中偏离中心线201，保证了打印过程的顺利进行。

如图5所示，具体的，本实施例的打印喷头组件110包括：冷端引导管220、热端引导管231、喷头112、耐高温冷却模块111、加热装置、温度传感器和密封环270。

其中耐高温冷却模块111环绕冷端引导管220设置；加热装置由第一加热器240和第二加热器241组成，分别设置在热端引导管231和喷头112上；移动隔热板160置于冷端引导管220和热端引导管231之间；温度传感器260与喷头112接触，温度传感器261与冷端引导管220接触；密封环270位于喷头112和热端引导管231的衔接处。

耐高温冷却模块111包括安装在冷端引导管220外用于通入冷却气体的环形冷却腔，环形冷却腔的一端与冷端引导管220的出料端齐平形成环形的密封安装面，移动隔热板160的上端面与密封安装面紧贴。

热端引导管231连接移动隔热板160的一端设有与移动隔热板160的下端面贴靠的连接盘以提高密封性和隔热效果。

本实施例的打印喷头组件110工作过程如下：

玻璃棒180沿传动方向290和291依次通过冷端引导管220和热端引导管231伸至喷头112处。

装在冷端引导管220上的耐高温冷却模块111通过温度传感器261调节冷却气体的流量，且冷却模块111的冷却腔内设有多个散热片，增大了传热面积，以保证冷端引导管220处的温度不高于玻璃的软化温度，防止玻璃棒提前软化膨胀造成阻塞。

第一加热器240将热端引导管231升温至玻璃粘度为10²～10³Pa·s时的温度；第二加热器241通过温度传感器260保证喷头112处的温度不低于上述温度，以保证玻璃可以顺利挤出。

耐高温冷却模块111中的冷却气体采用风冷形式，从冷却气体入口111流入耐高温冷却模块111的冷却腔，从冷却气体出口212流出。

移动隔热板160将打印喷头组件110的冷端和热端分开，既保证了打印喷头组件110中的温度梯度，又可以防止打印喷头组件110上端的运动部件及电子器件发生过热而缩短寿命。本实施例中移动隔热板160分为两层，靠近热端引导管231的一层采用微纳隔热板，靠近冷端引导管220的一层采用气凝胶毡，微纳隔热板在1000℃左右依然可以保持很低的导热系数和良好的强度，而气凝胶毡在500℃左右具有极低的导热系数且其具有一定柔性，有助于冷端引导管220与热端引导管231之间的隔热和密封。

本实施例中，冷端引导管220和耐高温冷却模块111的材料用铜，铜热导率较大，导热快，有助于冷端维持较低温度。热端引导管231和喷头112的材料用不锈钢，不锈钢具有较大的热导率，虽然其热导率虽然不如铜或铝等的大，但它能够耐受热端所需维持的温度，且不锈钢与玻璃材料之间不易粘接，有利于打印喷头组件的多次使用。

密封环270可使用的材料包括但不限于石墨、铜等。

实施例2

如图6所示，本实施例中除了送料机构以外，其余结构与实施例1相同，送料机构120采用螺杆式进料装置，玻璃粉190通过压缩空气195的挤压经过料筒191和供料道192进入螺杆194中。螺杆194由电动机193控制转速，从而调节玻璃粉190进入打印喷头组件110中的速率，进而提高打印件精度。

打印时，玻璃材料通过送料机构120，沿进料方向200进入喷头112在其中融化成熔融状态并在定位系统的驱动下从喷头112中挤出并逐层沉积到打印平台140上，成型室130内保持至少650℃的温度，保证玻璃打印件的层间结合力。打印完成后，玻璃打印件在成型室130中退火，经程序降温至室温。

综上所述，本实施例中采用的XYZ轴定位系统150～152与成型室130隔热的方式既简单又具有良好的隔热效果，能够保证电子器件和运动部件不受成型室内高温影响而导致的寿命缩短；打印平台140上的基板141通过调节四顶点螺丝的松紧即可轻易更换，且其材料包括但不限于钢化玻璃、刚玉、碳化硅、不锈钢、云母等耐高温材料，可以使不同成分的玻璃与相应基板之间有如下粘合特点：高温条件下易粘附，随着温度的降低两者间的粘结力逐渐减小，如此可以保证打印过程的顺利进行，且玻璃打印物件不会在降温的过程中开裂。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种玻璃熔融挤出3D打印装置，包括送料机构、打印喷头组件以及打印平台，所述打印喷头组件包括与送料机构对接的引导管、与所述引导管连接的喷头以及加热模块，其特征在于，还包括：

成型室，内部温度可控，顶面设有开放口；

移动隔热板，密封所述开放口，所述喷头穿过该移动隔热板伸入所述成型室内；

平移机构，安装有所述送料机构、所述打印喷头组件和所述移动隔热板；

升降机构，升降端自底部伸入所述成型室且安装有所述打印平台。

2.如权利要求1所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述引导管包括：

冷端引导管，一端与送料机构连接，带有冷却模块；

热端引导管，一端连接所述冷端引导管，另一端连接所述喷头；

所述移动隔热板安装在冷端引导管和热端引导管之间；

所述加热模块包括安装在热端引导管外的第一加热器。

3.如权利要求2所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述加热模块还包括第二加热器，安装在所述喷头靠近出口的位置。

4.如权利要求1所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述的成型室的内部温度至少可升温至650℃。

5.如权利要求2所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述冷却模块包括安装在冷端引导管外用于通入冷却气体的环形冷却腔，所述环形冷却腔的一端与所述冷端引导管的出料端齐平形成环形的密封安装面，所述移动隔热板的端面与密封安装面紧贴。

6.如权利要求2所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述的移动隔热板分为两层，靠近热端引导管的一层采用耐高温隔热材料，靠近冷端引导管的一层采用柔性隔热材料。

7.如权利要求6所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述耐高温隔热材料为轻质刚玉莫来石砖、轻质高铝砖或微纳隔热板。

8.如权利要求6所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所 述柔性隔热材料采用气凝胶毡、耐火石棉或陶瓷纤维。

9.如权利要求1所述的玻璃熔融挤出3D打印装置，其特征在于，所述送料机构采用螺杆式粉料进料结构或挤压式丝材进料机构。