CN106392076B - 3d打印系统及其喷头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷头装置，所述喷头装置适用于3D打印系统，所述3D打印系统能够将金属丝材应用熔融沉积成型技术实现3D成型，所述喷头装置包括：喷嘴，所述喷嘴具有进料孔及相对设置于所述进料孔一端的出液口；及感应线圈，设置于所述喷嘴的外侧；所述金属丝材从所述进料孔进入所述喷嘴，所述感应线圈能够产生交变电流并作用于所述金属丝材上，使所述金属丝材加热融化并从所述出液口输出。本发明的喷头装置应用熔融沉积成型原理实现高温合金的3D打印，通过喷嘴的出液口挤出金属液可以大幅提高打印精度，保证成型质量，便于三维模型的成型加工，大幅降低3D打印系统的打印成本。本发明还提供了一种3D打印系统。

Description

3D打印系统及其喷头装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种3D打印系统及其喷头装置。

背景技术

3D打印技术属于快速原型成型技术。3D打印技术的基本原理是叠层制造，由快速打印机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。熔融沉积成型(FDM)技术是3D 打印技术中的一种。熔融沉积成型技术将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。

目前，基于FDM原理打印的材料只局限于热塑性(尼龙、PLA、ABS等) 材料，打印温度一般控制在200℃～300℃左右。但是，对于不锈钢、钛合金等高温合金材料而言，一般采用激光烧结合金粉末的方式或者以电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式实现。而激光烧结技术制造的金属件存在组织疏松，强度达不到使用要求，且设备复杂昂贵等缺点；而电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式没有喷头约束金属液滴，成型精度很难保证。上述两种方式的成型质量与精度存在一定的问题，不便于三维模型成型。

发明内容

基于此，有必要针对目前的三维模型成型的质量与精度存在的问题，提供一种能够保证三维模型的质量、提高三维模型的成型精度的喷头装置，同时还提供了一种含有上述喷头装置的3D打印系统。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种喷头装置，所述喷头装置适用于3D打印系统，所述3D打印系统能够将金属丝材应用熔融沉积成型技术实现3D成型，所述喷头装置包括：

喷嘴，所述喷嘴具有进料孔及相对设置于所述进料孔一端的出液口；及

感应线圈，设置于所述喷嘴的外侧；

所述金属丝材从所述进料孔进入所述喷嘴，所述感应线圈能够产生交变电流并作用于所述金属丝材上，使所述金属丝材加热融化并从所述出液口输出。

在其中一个实施例中，所述感应线圈环绕所述喷嘴的外侧设置；

且所述感应线圈与所述喷嘴之间存在预设距离；

所述喷嘴由耐高温材料制成。

在其中一个实施例中，所述感应线圈沿所述喷嘴的轴向方向的高度为所述喷嘴沿轴向方向的高度的0.2倍～0.6倍；

所述感应线圈的一端与所述喷嘴的出液口相平齐。

在其中一个实施例中，所述喷嘴由陶瓷材料制成；

所述感应线圈所使用的频率的范围为30kHz～2000kHz。

在其中一个实施例中，所述喷头装置还包括位置检测传感器，所述位置检测传感器设置于所述喷嘴上；

所述喷嘴的出液口正对所述3D打印系统的打印基体，所述位置检测传感器能够检测所述出液口与所述打印基体之间的距离，以使所述感应线圈预加热所述打印基体。

在其中一个实施例中，所述喷头装置还包括冷却机构，所述冷却机构设置于所述喷嘴的上方；

所述冷却机构能够对所述金属丝材冷却，以使所述金属丝材进入所述进料孔；

所述冷却机构与所述感应线圈之间存在预设间距。

在其中一个实施例中，所述冷却机构包括送料部及冷却部，所述冷却部围绕所述送料部设置，所述冷却部能够对所述送料部进行冷却；

所述送料部具有进丝孔，所述进丝孔与所述进料孔相对应；

所述冷却部具有冷却液进口及与所述冷却液进口相对设置的冷却液出口；

所述冷却液进口位于所述冷却液出口的下方。

在其中一个实施例中，所述进丝孔与所述进料孔对正设置；

且所述进丝孔与所述进料孔均为光孔，所述进丝孔与所述进料孔的直径范围为0.1mm～20mm。

在其中一个实施例中，所述喷头装置还包括锁紧法兰，所述锁紧法兰设置于所述冷却机构与所述喷嘴之间；

所述冷却机构的一端穿设所述锁紧法兰，并由所述锁紧法兰锁紧固定于所述喷嘴上；

所述锁紧法兰具有冷却腔室，所述冷却腔室与所述冷却部相连通。

还涉及一种3D打印系统，包括支架、送丝装置及如上述任一技术特征所述的喷头装置；

所述送丝装置安装于所述支架上，所述送丝装置具有送丝孔，所述送丝孔能够与所述喷头装置的喷嘴的进料孔对正；

所述送丝装置能够将金属丝材通过所述送丝孔送入所述喷嘴中。

本发明的有益效果是：

本发明的3D打印系统及其喷头装置，结构设计简单合理，通过感应线圈对喷嘴中的金属丝材进行加热融化，能够实现所有金属材料的融化并形成金属液，并应用熔融沉积成型原理实现高温合金的3D打印，通过喷嘴的出液口挤出金属液可以大幅提高打印精度，保证成型质量，便于三维模型的成型加工。同时，本发明的喷头装置能够所有金属丝材的打印，适用范围广，从而可以大幅降低 3D打印系统的打印成本，真正实现民用化，便于使用。

附图说明

图1为本发明一实施例的3D打印系统的部分结构示意图；

图2为本发明的3D打印系统中喷头装置的喷嘴及感应线圈与打印基体的结构示意图；

其中：

100-喷头装置；

110-喷嘴；

111-进料孔；

112-出液口；

120-感应线圈；

130-冷却机构；

131-进丝孔；

132-冷却液进口；

133-冷却液出口；

140-锁紧法兰；

200-金属丝材；

300-打印基体；

400-支架；

500-送丝装置；

510-送丝孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的3D打印系统及其喷头装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和图2，本发明提供了一种喷头装置100，喷头装置100适用于3D 打印系统。3D打印系统能够将金属丝材200应用熔融沉积成型技术实现3D成型。本发明的喷头装置100挤出金属丝材200融化的金属液，大幅提高打印精度，保证3D打印系统三维模型的成型质量。同时，喷头装置100能够将所有的金属材质的金属丝材200进行融化，使得金属丝材200的适用范围广，大幅降低打印成本。

在本发明中，喷头装置100包括喷嘴110及感应线圈120。喷嘴110具有进料孔111及相对设置于进料孔111一端的出液口112。感应线圈120设置于喷嘴 110的外侧，感应线圈120通电后能够产生交变电流。金属丝材200从进料孔 111进入喷嘴110，感应线圈120能够产生交变电流并作用于金属丝材上200，能够使金属丝材200加热融化并从出液口112输出。

感应线圈120是用来对金属丝材200进行加热的，使得金属丝材200能够融化成金属液。喷嘴110是用来将金属液挤出的，以实现三维模型的成型。并且，感应线圈120加热金属丝材200是在喷嘴110中进行的，金属丝材200进入到喷嘴110的进丝孔131中，并由感应线圈120加热形成金属液。同时，由于金属丝材200是不断输送到喷嘴110的进丝孔131中的，因此，在金属丝材 200的推力作用下将金属液从喷嘴110的出液口112中挤出。

喷嘴110的形状原则上不受限制，只要喷嘴110具有能够输送金属丝材200 的进料孔111及金属液的出液口112即可。在本实施例中，喷嘴110的形状为柱形，这样能够便于感应线圈120的设置，以实现感应线圈120对喷嘴110中的金属丝材200的加热，便于金属丝材200融化。并且，出液口112的直径小于进料孔111的直径，这样能够避免金属液漏出，保证打印基体300上不会有过多的金属液，保证三维模型的成型质量。

三维模型通常是成型在打印基体300上的。本发明的喷头装置100对应打印基体300，具体为喷嘴110的出液口112正对打印基体300，这样，喷嘴110 的出液口112挤出的金属液能够落在打印基体300上，以实现三维模型的成型。具体的，三维模型在成型时，金属丝材200进入到喷嘴110的进料孔111中，感应线圈120将金属丝材200加热融化形成金属液，金属液在推力作用下从喷嘴 110的出液口112挤出，并且，喷头装置100能够按照预设的轨迹及速度运行，使得金属液逐渐沉积在打印基体300上，最终形成三维模型。

本发明的喷头装置100应用熔融沉积成型的原理实现三维模型的成型，喷嘴110挤出金属液能够保证三维模型的成型质量与成型精度，能够保证三维模型的，同时，感应线圈120能够实现所有金属材料的金属丝材200的融化，使得三维模型成型的材料适用范围广，大幅降低生产成本。

进一步地，感应线圈120环绕喷嘴110的外侧设置。也就是说，感应线圈 120是围绕喷嘴110设置的，并且，感应线圈120围绕喷嘴110至少一圈设置，这样，能够保证感应线圈120的加热效果，便于金属丝材200的融化，避免金属丝材200因融化不均导致堵住喷嘴110的出液口112，保证三维模型的成型质量。

再进一步地，感应线圈120与喷嘴110之间存在预设距离。也就是说，感应线圈120与喷嘴110是不直接接触的，加热不是接触式加热。这样使得感应线圈120的加热具有可靠性高、无污染、效率高以及加热容易控制等优点。感应线圈120通电后能够产生交变电流，交变电流能够作用于喷嘴110中的金属丝材200上，使得金属丝材200感应发热而融化形成金属液。同时，感应线圈120 所使用的频率能够调节，以实现融化不同种类的金属合金。在本发明中，为保证金属丝材200融化成金属液，感应线圈120所使用的频率的范围为 30kHz～2000 kHz。

并且，喷嘴110由耐高温材料制成。这样感应线圈120加热金属丝材200 时能够避免感应线圈120对喷嘴110产生影响，保证喷嘴110工作的可靠性，便于三维模型的成型，保证三维模型成型的质量与精度。较佳地，在本实施例中，喷嘴110由陶瓷材料制成。

目前，基于FDM原理打印的材料只局限于热塑性(尼龙、PLA、ABS等) 材料，打印温度一般控制在200℃～300℃左右。但是，对于不锈钢、钛合金等高温合金材料而言，一般采用激光烧结合金粉末的方式或者以电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式实现。而激光烧结技术制造的金属件存在组织疏松，强度达不到使用要求，且设备复杂昂贵等缺点；而电子束、微弧焊、焊接三维成型等方式没有喷头约束金属液滴，成型精度很难保证。上述两种方式的成型质量与精度存在一定的问题，不便于三维模型成型。本发明的喷头装置100通过感应线圈120对喷嘴110中的金属丝材200进行加热融化，能够实现所有金属材料的融化并形成金属液，并应用熔融沉积成型原理实现高温合金的3D打印，通过喷嘴110的出液口112挤出金属液可以大幅提高打印精度，保证成型质量，便于三维模型的成型加工。同时，本发明的喷头装置100能够所有金属丝材200 的打印，适用范围广，从而可以大幅降低3D打印系统的打印成本，真正实现民用化，便于使用。

进一步地，感应线圈120沿喷嘴110的轴向方向的高度为喷嘴110沿轴向方向的高度的0.2倍～0.6倍。也就是说，感应线圈120不会包覆整个喷嘴110，只是部分包覆喷嘴110。这样，能够保证感应线圈120只对喷嘴110中的部分金属丝材200进行加热，以保证金属丝材200具有足够的刚度，使得金属丝材200 能够进入到喷嘴110中，避免金属丝材200还没有进入喷嘴110就融化的情况发生。

再进一步地，感应线圈120的一端与喷嘴110的出液口112相平齐。也就是说，感应线圈120是设置在喷嘴110的出液口112处的。这样，金属丝材200 在进入喷嘴110后才能够受到感应线圈120的交变电流的影响进行加热融化。并且，感应线圈120能够保证金属液融化后到挤出出液口112能够一直处于液体状态，避免金属液凝固而影响三维模型的成型质量与成型精度。

作为一种可实施方式，喷头装置100还包括位置检测传感器，位置检测传感器设置于喷嘴110上。喷嘴110的出液口112正对3D打印系统的打印基体300，位置检测传感器能够检测出液口112与打印基体300之间的距离，以使感应线圈120预加热打印基体300。

在本发明中，感应线圈120有两个作用，一个作用是加热金属丝材200，另一个作用是对打印基体300进行预热。三维模型的感应线圈120在加热金属丝材200的同时还能够对打印基体300进行预热。具体的，打印基体300用于成型三维模型的表面也会受到感应线圈120的交变电流的电磁感应而被加热，并且，加热温度可以根据出液口112与打印基体300之间的距离进行调节，这样能够便于三维模型成型时层与层的结合，保证三维模型的成型质量，避免三维模型组织疏松。

若喷嘴110的出液口112与打印基体300之间的距离过大，金属液从喷嘴 110中挤出落在打印基体300上时，三维模型成型时层与层的结合可能会存在组织疏松的问题，影响三维模型的质量。本发明的位置传感器能够检测出液口112 与打印基体300之间的距离，使得喷嘴110的出液口112与打印基体300之间的距离能够在感应线圈120加热的范围内，这样，感应线圈120能够对打印基体300局部预热与保温，便于三维模型成型时层与层的结合，保证三维模型的成型质量。

作为一种可实施方式，喷头装置100还包括冷却机构130，冷却机构130设置于喷嘴110的上方。冷却机构130能够对金属丝材200冷却，以使金属丝材 200进入进料孔111；冷却机构130与感应线圈120之间存在预设间距。冷却机构130是对金属丝材200进行冷却的，避免金属丝材200在喷头的上方因感应线圈120加热的热传导而提前融化，使金属丝材200能够保持原来的刚度，保证金属丝材200能够继续进入到喷嘴110中，进而保证金属丝材200具有足够的强度及推进力，进而使金属丝材200进入喷嘴110后融化，并使金属液从喷嘴110中挤出。冷却机构130能够解决熔液回流、粘丝等问题，提高喷头装置 100的工作稳定性，使得喷头装置100能够实现持续快速打印。

进一步地，冷却机构130包括送料部及冷却部，冷却部围绕送料部设置，冷却部能够对送料部进行冷却。送料部是用来输送金属丝材200的，避免金属丝材200融化，便于金属丝材200进入到喷嘴110中。送料部具有进丝孔131。金属丝材200是通过送料部的进料孔111进入，进而进入到喷嘴110的进料孔 111中。进丝孔131与进料孔111相对应，这样能够便于金属丝材200的输送，避免金属丝材200输送受到阻碍而影响打印效率。

冷却部具有冷却液进口132及与冷却液进口132相对设置的冷却液出口 133。冷却液进口132位于冷却液出口133的下方。冷却部能够对输送到喷嘴110 中的金属丝材200进行冷却，使得金属丝材200保持原有的刚度。这样能够保证金属丝材200提供足够的推力使得金属液能够挤出喷嘴110。并且，冷却液可以为水，也可以为冷媒。

再进一步地，进丝孔131与进料孔111对正设置。这样能够便于金属丝材 200的输送，以提高打印效率。进丝孔131与进料孔111均为光孔，进丝孔131 与进料孔111的直径范围为0.1mm～20mm。这样能够保证喷嘴110输出金属液后的成型精度，以提高打印精度。并且，打印精度可以根据喷嘴110的进丝孔 131的直径尺寸调节。本发明的喷头装置100由冷却机构130冷却金属丝材200，通过感应线圈120加热金属丝材200，再由喷嘴110输出金属液，实现三维模型的成型，使得成型精度及质量优于弧焊及电子束。

更进一步地，喷头装置100还包括锁紧法兰140，锁紧法兰140设置于冷却机构130与喷嘴110之间。冷却机构130的一端穿设锁紧法兰140，并由锁紧法兰140锁紧固定于喷嘴110上。锁紧法兰140是用来连接喷嘴110与冷却机构 130的，使得喷嘴110与冷却机构130的相对位置不会发生变化，便于金属丝材 200的输送，以保证打印效率。并且，锁紧法兰140通过锁紧螺母固定于喷嘴 110上。

锁紧法兰140具有冷却腔室，冷却腔室与冷却部相连通。这样能够保证金属丝材200的冷却效果，使得金属丝材200在进入到喷嘴110之前一直是处于冷却状态的，进入喷嘴110之后才开始进行加热，以保证金属丝材200能够提供足够的推力使得金属液能够挤出喷嘴110，实现三维模型的成型。

本发明还提供了一种3D打印系统，包括支架400、送丝装置500及上述实施例中的喷头装置100。送丝装置500安装于支架400上，通过支架400固定于 3D打印系统的其他零部件上。送丝装置500具有送丝孔510，送丝孔510能够与喷头装置100的喷嘴110的进料孔111对正。送丝装置500能够将金属丝材 200通过送丝孔510送入喷嘴110中。进丝孔131、送丝孔510及进料孔111的形状相一致，以便于金属丝材200的输送。并且，进丝孔131、送丝孔510及进料孔111的中心对正。在本实施例中，进丝孔131、送丝孔510及进料孔111均为圆形孔。

本发明的3D打印系统在成型三维模型时，金属丝材200通过送丝装置500 进入冷却机构130，经过冷却的属丝材能够保持原来的刚度，金属丝材200得以继续进入喷嘴110的进料孔111中。当金属丝材200进入喷嘴110后，感应线圈 120的交变电流开始作用于金属丝材200上，使金属丝材200感应发热而融化并形成金属液，另外在上边的金属丝材200足够的推力下，金属液最后被挤出喷嘴110的出液口112，最终成型在打印基体300上，以实现三维模型的成型。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种喷头装置，其特征在于，所述喷头装置适用于3D打印系统，所述3D打印系统能够将金属丝材应用熔融沉积成型技术实现3D成型，所述喷头装置包括：

喷嘴，所述喷嘴具有进料孔及相对设置于所述进料孔一端的出液口，所述出液口的直径小于所述进料孔的直径；

感应线圈，设置于所述喷嘴的外侧，所述感应线圈的一端与所述喷嘴的出液口相平齐；及

位置检测传感器，所述位置检测传感器设置于所述喷嘴上；

所述金属丝材从所述进料孔进入所述喷嘴，所述感应线圈能够产生交变电流并作用于所述金属丝材上，使所述金属丝材加热融化并从所述出液口输出；

所述喷嘴的出液口正对所述3D打印系统的打印基体，所述位置检测传感器能够检测所述出液口与所述打印基体之间的距离，以使所述感应线圈能够对所述打印基体局部预热与保温。

2.根据权利要求1所述的喷头装置，其特征在于，所述感应线圈环绕所述喷嘴的外侧设置；

且所述感应线圈与所述喷嘴之间存在预设距离；

所述喷嘴由耐高温材料制成。

3.根据权利要求2所述的喷头装置，其特征在于，所述感应线圈沿所述喷嘴的轴向方向的高度为所述喷嘴沿轴向方向的高度的0.2倍～0.6倍。

4.根据权利要求2所述的喷头装置，其特征在于，所述喷嘴由陶瓷材料制成；

所述感应线圈所使用的频率的范围为30kHz～2000kHz。

5.根据权利要求4所述的喷头装置，其特征在于，还包括冷却机构，所述冷却机构设置于所述喷嘴的上方；

所述冷却机构能够对所述金属丝材冷却，以使所述金属丝材进入所述进料孔；

所述冷却机构与所述感应线圈之间存在预设间距。

6.根据权利要求5所述的喷头装置，其特征在于，所述冷却机构包括送料部及冷却部，所述冷却部围绕所述送料部设置，所述冷却部能够对所述送料部进行冷却；

所述送料部具有进丝孔，所述进丝孔与所述进料孔相对应；

所述冷却部具有冷却液进口及与所述冷却液进口相对设置的冷却液出口；

所述冷却液进口位于所述冷却液出口的下方。

7.根据权利要求6所述的喷头装置，其特征在于，所述进丝孔与所述进料孔对正设置；

且所述进丝孔与所述进料孔均为光孔，所述进丝孔与所述进料孔的直径范围为0.1mm～20mm。

8.根据权利要求6所述的喷头装置，其特征在于，还包括锁紧法兰，所述锁紧法兰设置于所述冷却机构与所述喷嘴之间；

所述冷却机构的一端穿设所述锁紧法兰，并由所述锁紧法兰锁紧固定于所述喷嘴上；

所述锁紧法兰具有冷却腔室，所述冷却腔室与所述冷却部相连通。

9.一种3D打印系统，其特征在于，包括支架、送丝装置及如权利要求1至8任一项所述的喷头装置；

所述送丝装置安装于所述支架上，所述送丝装置具有送丝孔，所述送丝孔能够与所述喷头装置的喷嘴的进料孔对正；

所述送丝装置能够将金属丝材通过所述送丝孔送入所述喷嘴中。