CN106142570A - 一种3d打印用高温喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印用高温喷头（100），包括：有两个相互垂直的通孔及一个盲孔的安装单元（1）；分别固定于安装单元的通孔内的加热单元（2）、和喷嘴（3）；以及固定于安装单元的盲孔内的温度检测单元（4）；上述各单元之间彼此绝缘。根据本发明的高温喷头结构简单、设计新颖、可实现高温打印、温度稳定性好，可用于高温塑料等耐高温丝材的增材制造，拓展熔融沉积技术的应用领域。

Description

一种3D打印用高温喷头

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体地涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印用高温喷头。

背景技术

传统的数控制造技术是通过各种机械加工的方法（如切割、磨抛、刨削、腐蚀、焊接等）去除原材料的多余部分，获得所需要的形状、尺寸和结构，从而最终制备出零部件产品。然而，3D打印技术与传统的材料去除加工方法相反，其是一种基于三维数字模型，通常采用逐层制造（打印）方式将材料结合起来的工艺，特点是“分层制造、逐层叠加”，类似于积分过程。

具体地，3D打印技术是一种增材制造方法，集合了分层制造技术、机电工程、数字建模、计算机辅助设计、材料科学等多学科的前沿科技成果，能够实现数字化、智能化制造。而且，3D打印技术不需要原始坯件和成形模具，在计算机辅助设计的基础上，3D打印机根据所接收到的切片截面信息，在计算机的控制下能够制造任何形状的薄层，再将薄层叠加粘结，从而生产出任何形状的产品。3D打印技术由于不需要去除原料，不会产生边角料和废料，节省了成本。加之这种技术不需要制造坯件和模具，大大缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。

此外，3D打印能够实现个性化定制，这与传统的大规模生产大不相同。3D打印能够满足多元化需求，实现从大规模生产到大规模定制的跨越，增加产品外部结构的多样化，同时增强内部结构的标准化。

3D打印技术相比于传统加工方法还具有大量优点：实现一次成型、快速制造，3D打印属于无模制造，不需要零件的毛坯和大型机械加工设备，生产工艺流程短，能够逐层打印出产品，实现材料制备和成型的一体化，直接制备出产品，明显缩短产品的生产周期；降低生产和运输成本，3D打印是一种增材制造技术，不产生废料和边角料，加工工艺简单快捷，节能环保，能够降低产品的生产成本；3D打印机可现场生产，省去运输、配送等中间环节，能够进一步降低成本，提高产品的市场竞争力；能够制造形状复杂、功能特殊的产品，3D打印技术利用设计软件将三维立体产品切片分解为二维层状结构，再逐层制造和叠加形成三维产品，因此，可柔性化地生产出任何结构复杂的产品；3D打印通过“分层制造、逐层叠加”的自下而上的制备方法，可以轻易实现非均匀材料、梯度材料等产品的生产等。

因此，和传统的数控制造技术相比，3D打印技术具有相当大的优势和诱人的发展前景。其中，作为原料的工程塑料由于具有良好的机械性能、热稳定性、力学性能和抗老化性，可用于工业零部件或产品外壳，是目前应用最多的3D打印耗材。

工程塑料的3D打印一般使用熔融沉积技术，是通过电加热的方式将丝状的原材料加热至略高于熔点温度，在设计软件的控制下，3D打印喷头在XY平面运动，将熔融的原材料按要求涂覆在支撑架上，冷却固化后形成产品的一层切片截面，然后喷头向上移动一层的高度，进行下一次涂覆，直至叠加形成三维零件。耐高温塑料具有独特、优异的物理性能，在电子电气、特种工业等高科技领域具有广泛的应用。

熔融沉积可能是目前应用最广泛的一种工艺，通过加热头把热熔性材料（高温塑料等）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。然而，目前大多数的熔融沉积型3D打印机的加热温度不到300℃，因而难以对高温塑料和其他高温材料进行成型。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种3D打印用高温喷头，可用于高温塑料等耐高温丝材的增材制造，拓展熔融沉积技术的应用领域。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的3D打印用高温喷头，包括：有两个相互垂直的通孔及一个盲孔的安装单元；分别固定于所述安装单元的所述通孔内的加热单元、和喷嘴；以及固定于所述安装单元的所述盲孔内的温度检测单元；上述各单元之间彼此绝缘。

又，在本发明中，所述高温喷头的加热温度不低于500℃。又，本发明中，所述安装单元由高温合金制成，耐热温度大于600℃。

根据本发明的3D打印用高温喷头结构简单、设计新颖、可实现高温打印、温度稳定性好。此外，3D打印用高温喷头的加热温度不低于500℃，大大拓展了熔融沉积技术所能打印的材料种类，能够有效促进熔融沉积技术在增材制造领域的应用范围。

又，在本发明中，所述盲孔位于固定所述加热单元的所述通孔附近。根据本发明，固定加热单元的通孔和固定温度检测单元的盲孔越是靠近，则温度检测单元检测到的加热单元的温度约精确，可提供有效的温度检测，进一步改善对原料加热的控制。

又，在本发明中，所述温度检测单元包括热电偶、及热电偶保护套；所述热电偶的热电偶裸丝外侧套有绝缘管，并以使所述热电偶的头部沉入所述热电偶保护套的一端的槽内的形式、使所述热电偶裸丝穿过所述热电偶保护套。此外，可通过耐热胶布缠绕所述温度检测单元，并通过带有垫片的螺钉将所述温度检测单元固定于所述安装单元。

根据本发明，通过使热电偶的头部沉入热电偶保护套的槽内，使之免受刮擦等伤害，从而保证了测量精度。此外，热电偶的两根热电偶裸丝分别套有绝缘管，从而可较好地确保热电偶裸丝之间彼此绝缘。又，通过耐热胶布缠绕所述温度检测单元，藉此形成的独特的温度检测单元不仅能够保证测温的准确性，还可以防止热电偶在喷头运动过程中松动或者脱落，增加系统的可靠性。

又，在本发明中，所述加热单元包括加热炉胆、和套在所述加热炉胆外侧的陶瓷管；所述加热炉胆具备陶瓷芯、和盘绕于所述陶瓷芯的外表面的发热丝。由此形成的盘式加热炉胆，能够提高单位长度的发热量、降低加热功率；且可根据所提供的功耗，计算达到500℃以上高温所需要的电阻，结合电阻率，得到所需发热丝的长度。

此外，该陶瓷管例如可以是氧化铝陶瓷管；且该陶瓷芯例如可以是氧化铝陶瓷芯。优选地，所述加热炉胆的两端可通过高温陶瓷胶封装并固定于所述陶瓷管内。根据本发明，通过高温陶瓷胶封装，使陶瓷管和加热炉胆能够彼此固定，避免发生移位脱离等现象，并起到保护发热丝的作用。

又，在本发明中，所述陶瓷芯的外表面具有用于容纳所述发热丝的螺纹。根据本发明，氧化铝陶瓷芯的外表面具有可容纳发热丝的螺纹，因而可将发热丝以弹簧螺旋状盘绕在氧化铝陶瓷芯的螺纹处，可实现发热丝的高密度缠绕，可明显提高加热单元单位长度的发热量和电能的利用效率。

又，在本发明中，所述陶瓷管的长度比所述加热炉胆长4-6mm，所述炉胆位于陶瓷管中央，并灌封陶瓷胶。以此能够避免两者相互移位或脱离。

又，在本发明中，所述喷嘴由高温材料制成，耐热温度不低于700℃。根据本发明的喷嘴由高温材料制成，因而具有良好的抗热震性，高温下不变形。

又，在本发明中，所述隔热保温陶瓷纤维套包裹在安装单元外侧，耐500℃以上高温。根据本发明，通过大面积包裹高性能的隔热保温套，能够起到良好的隔热保温效果，保证加热温度的高稳定性。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出了根据本发明一实施形态的3D打印用高温喷头的整体结构示意图；

图2为根据本发明一实施形态的3D打印用高温喷头的安装单元的示意图；

图3为上述高温喷头的加热单元的发热丝的示意图；

图4为上述高温喷头的加热单元的氧化铝陶瓷芯的示意图；

图5为图4所示的温度检测单元的热电偶保护套的示意图；

附图标记：

1 安装单元；

2 加热单元；

3 喷嘴；

4 温度检测单元；

11、12 通孔；

13 盲孔；

14 螺纹孔；

23 氧化铝陶瓷芯；

24 发热丝；

44 绝缘管；

45 槽；

100 高温喷头。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种3D打印用高温喷头100，包括：有两个相互垂直的通孔11、12及一个盲孔13的安装单元1；分别固定于安装单元1的通孔11、12内的加热单元2、和喷嘴3；以及固定于安装单元1的盲孔13内的温度检测单元4。此外，高温喷头100的加热温度不低于500℃，上述各单元之间彼此绝缘。

根据本发明的高温喷头100结构简单、设计新颖、可实现高温打印、温度稳定性好，可用于高温塑料等耐高温丝材的增材制造，拓展熔融沉积技术的应用领域。

以下，结合本发明的优选实施形态进一步详细说明。图1是示出了根据本发明一实施形态的3D打印用高温喷头100的整体结构示意图；图2为根据本发明一实施形态的3D打印用高温喷头100的安装单元1的示意图；图3为上述高温喷头100的加热单元2的发热丝24的示意图；图4为上述高温喷头100的加热单元2的氧化铝陶瓷芯23的示意图；图5为图4所示的温度检测单元4的热电偶保护套的示意图。

[安装单元1]

本实施形态中的安装单元1为高温合金材质，易于加工，能耐600℃高温。如图2所示，安装单元1被加工为长方体，并进行表面阳极氧化发黑处理以加热保温，但安装单元1并非必须为长方体。分别在安装单元1的两个相邻的垂直面上形成用于安装加热单元2和喷嘴3的两个通孔11、12。为方便说明，将通孔12的贯通方向定义为上下方向（垂直方向），通孔11的贯通方向定义为前后方向，但并非对此限定。

本实施形态中，用于安装加热单元2的通孔11的直径可为6-35mm，并且，在与通孔11的贯通方向正交的方向上形成有螺纹孔14，可通过螺钉在安装单元1上固定后叙的加热单元2。其中，螺钉型号例如可为Φ2-Φ5，但不限于此。

用于安装喷嘴3的通孔12的直径可为5-20mm，且形成有内螺纹，后叙的喷嘴3上对应地设置有外螺纹，通过螺纹连接固定于安装单元1上。此外，在固定加热单元2的通孔11附近，形成有用于安装温度检测单元4的盲孔13。该盲孔13的直径可为2-6mm，具有内螺纹。如图1所示，该盲孔13内安装。

[加热单元2]

现结合图3及4详细说明作为上述高温喷头100的核心部件的加热单元2。加热单元2由加热炉胆和套在加热炉胆外侧的氧化铝陶瓷管构成。所述加热炉胆由氧化铝陶瓷芯23和发热丝24构成。

本实施形态中，发热丝24例如可以是FeCrAl或者钨铼电热丝。在使用之前，需要仔细检查发热丝24表面是否有划痕、孔洞等缺陷，并利用游标卡尺等工具测量发热丝24的直径。直径例如可为0.5-2mm，但不限于此。根据所需功耗，计算发热丝24达到500℃以上高温所需要的电阻，结合电阻率，进而计算得到发热丝24的长度。如图3所示，将规定长度的发热丝24绕制成弹簧状，外径例如可为2-10mm，螺距可为0.5-3mm。

如图4所示，本实施形态中，氧化铝陶瓷芯23可形成为直径3-30mm的圆柱状，外表面具有可容纳发热丝24的螺纹，螺纹的深度可为1-10mm，以便于盘簧式的发热丝24的固定，但不局限于此。借助于此，在特殊制作的高纯的氧化铝陶瓷芯23上，盘簧式的发热丝24在其外表面高密度绕行，形成加热炉胆。其中，加热炉胆的两端各留有一定长度的发热丝作为引线。

此外，发热丝24高密度盘绕于氧化铝陶瓷芯外表面，可使相邻两组发热丝24内流通的电流的方向正好相反，这样的设计可以抵消由于螺线电流感应而产生的磁场干扰。而且，由于发热丝24形成为弹簧状并高密度盘绕，以此可提高单位长度的发热量、降低加热功率。这种氧化铝陶瓷芯盘式高密度绕制的结构，明显提高了加热单元单位长度的发热量和电能的利用效率。

在加热炉胆的外侧套上氧化铝陶瓷管，本实施形态中，氧化铝陶瓷管的壁厚为1-3mm，长度略长于加热炉胆，例如比加热炉胆长约4-6mm，优选4mm，但不限于此。将加热炉胆置于氧化铝陶瓷管中央后，通过高温陶瓷胶将加热炉胆的两端封装并固定于氧化铝陶瓷管内。以此氧化铝陶瓷管和加热炉胆能够彼此固定，避免发生移位或脱离等现象，进而可保护和固定发热丝24。

如上构成的加热单元1通过螺钉固定于安装单元1的通孔11内，然后通过高温陶瓷胶封装其两端。

[喷嘴3]

本实施形态中，喷嘴3由耐高温材料形成，耐热温度应为700℃以上，例如可以是高温合金或者陶瓷等材料。喷嘴3为中空结构，其一端形成为圆锥状，另一端形成为圆柱状。在形成为圆锥状的一端的梢端部形成有开孔，用以喷出原料。开孔的孔径例如可为0.2-2mm，但不限于此，可根据具体需要变更。形成为圆柱状的另一端的外表面具有螺纹，用以旋入安装单元1并固定。

如上由高温材料构成的喷嘴3具有良好的抗热震性，高温下不变形。藉此，可进一步促进熔融沉积技术在增材制造领域的应用范围。

[温度检测单元4]

温度检测单元4包括热电偶、及热电偶保护套。本实施形态中，热电偶保护套为双孔圆筒状管，优选地，热电偶保护套的直径为5mm以下且长度为10mm以下，其双孔的直径可为0.5-2 mm，但不限于此。并且，如图5所示，热电偶保护套的一端形成有可容纳热电偶的头部的槽45。

如上构成的热电偶保护套的槽45内，正好可容纳下述热电偶的头部，藉此，可良好地保护热电偶，使之免受刮擦等伤害，从而保证了测量精度。上述热电偶保护套例如可选用氧化铝陶瓷材质。

热电偶可选用已经过检定和通断性测量的K型或者S型。本实施形态中，热电偶的两根热电偶裸丝先穿过热电偶保护套，并使热电偶的头部沉入热电偶保护套的一端的槽45内，然后于两根热电偶裸丝外侧分别再套上绝缘管44，以保证热电偶裸丝之间彼此绝缘。其中，绝缘管44例如可以是石英纤维管，但只要能起到绝缘作用，不限材质。

随后，用耐热胶布缠绕温度检测单元4、尤其是绝缘管44以起到保护作用，并通过带有垫片的螺钉将温度检测单元4固定于安装单元1的盲孔13内。该带有垫片的螺钉的尺寸例如可选用Φ2-Φ6mm，但不限于此，只要能紧固温度检测单元4即可。

分别将加热单元2、喷嘴3和温度检测单元4固定于安装单元1后，利用陶瓷纤维套完全包裹住安装单元1，并在陶瓷纤维套上需要与外部连接的部位相应开口，最后用耐热胶布缠绕并固定陶瓷纤维套，从而组成高温喷头100。

由于陶瓷纤维套不仅能够耐500℃以上高温，还具有良好的绝热性能，进而起到隔热保温的作用，同时根据材料特性可任意弯折、打孔。因而，可保证高温喷头100具有良好的保温隔热性能，并可保持较高的温度稳定性能。

[高温喷头100]

初步制备完成的高温喷头100需进行绝缘导通性检测，利用万用表测量热电偶和发热丝24的电阻，确保热电偶和发热丝24的电阻正常，没有发生断开、短路等现象。再测量热电偶和发热丝24、热电偶和安装单元1、发热丝24和安装单元1之间的电阻，确保彼此之间保持良好的绝缘性。

随后，确认高温喷头100的外形是否正常，表面是否有污染物、通断性是否良好、陶瓷纤维套是否松动等。在使用高温喷头100之前，需进行加热测试。即、将发热丝24连接入电路，并将热电偶裸丝末端分别与电控盒（省略图示）的接线连接，该电控盒内包含冷端恒温块、温度信号转换装置等。将电控盒与电脑主机连接，启动电脑内的温度信号采集软件。启动电源，加热单元2开始加热，温度信号采集软件开始采集温度信息，得到热电偶测量的温度和冷端恒温块的温度。加热单元2在设定的温度下保温，利用热电偶测量加热温度的稳定性。温度信息采集结束后，关闭电源，自然冷却到常温。

本实施形态的上述高温喷头100结构简单、设计新颖、可实现高温打印、温度稳定性好，而且采用了可在极端条件下使用的高性能陶瓷材料，有效地拓展了熔融沉积型3D打印机的应用领域和使用范围，有利于实现3D打印机对材料的通用性，最终促进增材制造技术在工业中的应用。

以下通过具体的实施例及测量结果进一步详细说明本发明。

（实施例）

如图1所示，本实施例根据使用要求，选择直径为0.9mm的FeCrAl丝作为发热丝24，经过高密度绕制，得到外径为3mm的FeCrAl弹簧，螺距为1.5mm。选取直径为5mm长为15mm的氧化铝陶瓷芯23，经过特殊加工，氧化铝陶瓷芯23的表面具有深为2mm的螺纹。将弹簧状的发热丝24螺旋盘绕在氧化铝陶瓷芯23的螺纹处，实现发热丝24的高密度缠绕，形成加热炉胆，再将发热丝24的两根引线分别从氧化铝陶瓷芯23的上下端引出。

将外径为10mm壁厚为2mm的氧化铝陶瓷管套在加热炉胆外侧，使加热炉胆放置于氧化铝陶瓷管中央，从两端将发热丝24的两根引线引出，而后用高温陶瓷胶对两端进行封装，使氧化铝陶瓷管和加热炉胆能够彼此固定，避免发生移位脱离等现象，并起到保护发热丝24的作用。

将长40mm、宽40mm、高20mm的钛合金块进行阳极氧化发黑，在前后方向和上下方向各打一个直径为10mm的通孔11、12，上下方向的通孔12为攻螺纹。此外，在上下方向上形成一尺寸为M3的螺纹孔14，并与前后方向延伸的通孔11连通。并且，在靠近通孔11的位置处，与打一尺寸为M5、深度为10mm的盲孔13。

将K型热电偶在1000℃范围内进行检定，并测量热电偶的电阻值，利用光学显微镜检查热电偶裸丝是否有损伤，热电偶的头部是否焊接良好。

热电偶保护套为氧化铝陶瓷管，双孔直径均为1mm，陶瓷管外径为3mm，管长5mm，在陶瓷管的一端中间处开槽45，槽45深2mm、宽1mm。将热电偶的两根裸丝插入双孔内，热电偶的头部沉没于陶瓷管的槽45中，并用作为绝缘管44的细石英纤维管套住热电偶裸丝，在靠近热电偶保护套部分利用耐热胶布缠绕热电偶裸丝。

将直径为10mm、长度为30mm的钛合金柱的一端加工为圆锥形，该圆锥形高度为10mm，锥角为60度。并且，在余下20mm长度的圆柱形的表面上形成攻螺纹。随后，将钛合金柱内部进行掏空处理，使其壁厚为1.5mm，并在圆锥尖角处（梢端部）打一个直径为0.5mm的通孔。

在安装单元1上，将加热单元2放入没有螺纹的通孔11内，用螺钉固定后于两端用高温陶瓷胶封装；将温度检测单元4插入盲孔13，用带有垫片的螺钉拧进盲孔，固定温度检测单元4；将喷嘴3中带有螺纹的圆柱形一端拧进安装单元1；利用陶瓷纤维套完整包裹安装单元1，在需要开口的地方打孔，最后用胶带固定，从而保证良好的温度稳定性。以此，根据本实施例的3D打印用高温喷头的组装完成。

（其他实施形态）

根据本发明的高温喷头100的发热丝24可选用不同型号和材质的合金丝，满足不同加热温度的要求，热电偶也可根据不同精度和测温范围要求而选择不同的型号，安装单元1和喷嘴3的材质也可根据使用温度而选择不同的耐热合金，甚至是陶瓷材料，设计和制作都可以灵活多变，能够有效地满足工业和技术的要求，材料适用范围广。

使用该高温喷头可以实现耐热塑料、高熔点材料等丝材的增材制造，用途广泛。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种3D打印用高温喷头，其特征在于，包括：

有两个相互垂直的通孔及一个盲孔的安装单元；

分别固定于所述安装单元的所述通孔内的加热单元、和喷嘴；以及

固定于所述安装单元的所述盲孔内的温度检测单元；

上述各单元之间彼此绝缘。

2.根据权利要求1所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，所述高温喷头的加热温度不低于500℃。

3.根据权利要求1所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，所述安装单元由高温合金制成，耐热温度大于600℃。

4.根据权利要求1所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，所述盲孔位于固定所述加热单元的所述通孔附近。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，

所述温度检测单元包括热电偶、及热电偶保护套；

所述热电偶的热电偶裸丝外侧套有绝缘管，并以使所述热电偶的头部沉入所述热电偶保护套的一端的槽内的形式、使所述热电偶穿过所述热电偶保护套。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，

所述加热单元包括加热炉胆、和套在所述加热炉胆外侧的陶瓷管；

所述加热炉胆具备陶瓷芯、和盘绕于所述陶瓷芯的外表面的发热丝。

7.根据权利要求6所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，

所述陶瓷芯的外表面具有用于容纳所述发热丝的螺纹。

8.根据权利要求6所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，所述陶瓷管的长度比所述加热炉胆长4-6mm，所述炉胆位于陶瓷管中央，并灌封陶瓷胶。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，

所述喷嘴由高温材料制成，耐热温度不低于700℃。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的3D打印用高温喷头，其特征在于，所述隔热保温陶瓷纤维套包裹在安装单元外侧，耐500℃以上高温。