CN106915075B - 一种熔融沉积型3d打印机喷头冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置，包括喷头热端组件，热端组件通过螺纹结构同喉管组件连接，喉管组件通过螺纹结构同喉管冷却组件连接，喉管冷却组件通过固定架与送丝机构连接，喉管冷却组件通过第一冷却管接头及第二冷却管接同制冷装置连接，控制装置通过电源线同喷头热端组件连接，工作时，1）PTC加热器的选择，2）PTC加热器的安装；3）高温导热油的注入；4）热交换液的注入；5）进料轮组件的调整；6）制冷装置的启动；7）喉管温度传感器的启动；8）PTC加热器的启动；9）3D打印机的启动；10）料丝温度的监测；11）喉管组件的温度控制，可实现喷嘴内料丝的恒温熔化和散热体内料丝的自冷却。

Description

一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置。

背景技术

熔融沉积型3D打印技术是快速成型技术的一种，其基本工作原理是将在计算机中建立的三维产品模型进行分层处理，得到若干二维平面图形，然后利用喷头的送丝机构将热塑性材料送至喷嘴，并将其加热至熔融态，再根据二维平面图形的轮廓信息，在计算机的控制下从喷嘴的微细孔挤出熔融态材料逐层打印这些二维平面图形，经过层层堆叠形成一个三维实体模型。

在工作过程中，3D打印机喷头经常出现堵塞现象，其中一个原因是因为加热端的热量以热辐射、热传导的形式传递到送料端，导致送料端的温度较高，料丝在散热管、喉管等位置就过早发生热膨胀和软化，以致强度不够难以推进，造成喷头堵塞，使得3D打印机无法连续稳定工作。

为了解决喷头堵塞的问题，本领域的技术人员做了大量的工作。如中国专利申请号为201620268164.7的《一种带有散热液体的3D打印机喷头》和中国专利申请号为201620020684.6的《一种水冷却3D打印机喷头》，均采用散热液体来冷却散热体、喉管，但是未能考虑沿着料丝与喉管间间隙的热传导和喷嘴的热辐射问题，同时冷却液体直接注入、流出散热腔体，会造成喷嘴的颤动，导致打印模型表面产生波纹，影响打印质量。中国专利申请号为201610004099.1的《一种电磁感应加热式3D打印机挤出喷头》和中国专利申请号为201620273122.2的《一种基于熔融沉积成型技术3D打印机的喷头组件》，采用风冷的方式来冷却喉管内的料丝，但是此种散热方式不但结构臃肿、复杂，而且尚不能完全满足需要长时间持续工作的3D打印机的降温需求，此类降温方式也会因风扇的转动而产生震动，降低3D打印机位移机构的控制精度，并影响到模型的表面质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置，可有效地降低散热体和喉管的温度，减小这两处料丝的受热膨胀，并使得喉管内的料丝有足够的强度将喷嘴内熔融态的料丝挤出微孔进行打印，以解决喷头堵塞问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置，包括喷头热端组件，热端组件通过螺纹结构同喉管组件连接，喉管组件通过螺纹结构同喉管冷却组件连接，喉管冷却组件通过固定架与送丝机构连接，喉管冷却组件通过第一冷却管接头、第二冷却管接头同制冷装置连接，控制装置通过电源线同喷头热端组件连接。

所述的喷头热端组件由喷嘴、导热块、防热辐射保温罩、顶盖、罩体、第一绝热铝箔、第二绝热铝箔、通气孔、喷嘴孔、螺钉、穿线孔和PTC加热器组成，喷嘴与导热块通过螺纹结构连接，PTC加热器安装在导热块的底端，顶盖的内壁上贴有第二绝热铝箔，罩体的内壁上贴有第一绝热铝箔，顶盖和罩体利用螺钉装配成防热辐射保温罩，罩体设有通气孔、喷嘴孔和穿线孔。

所述的喉管组件包括喉管、聚四氟乙烯胶管、第一密封圈和第二密封圈，聚四氟乙烯胶管以小过盈配合方式装配在喉管内，第一密封圈和第二密封圈安装在喉管两端的台阶孔内。

所述的喉管冷却组件由冷却腔、腔体、腔盖、注液孔、冷却管、散热体、喉管温度传感器、盖板、透气孔、送料引导头、第一冷却管接头、第二冷却管接头和高温导热油组成，散热体的下端插入腔体的台阶孔并焊接在一起，散热体下端面安装有喉管温度传感器，散热体的上端安装有腔盖，腔盖压在腔体的上端面并用螺钉固定，腔盖设有注液孔，注液孔上端放置有盖板，盖板设置有透气孔，冷去管套在散热体的外圆上，分别与第一冷却管接头、第二冷却管接头连接，送料引导头安装在腔盖上。

所述的送丝机构包括步进电机、导料管接头、料丝、固定架、导料管和进丝轮组件，料丝穿过导料管，导料管插入导料管接头，导料管接头、步进电机和进丝轮组件安装在固定架上，步进电机的输出轴与进丝轮组件的挤出轮同轴安装。

所述的制冷装置由磁制冷机、冷端热交换液循环装置和热端热交换液循环装置组成，磁制冷机包括第一冷端接头、第二冷端接头、第一热端接头、第二热端接头和制冷机本体，冷端热交换液循环装置包括冷端导管、蓄冷器、冷端液压泵和冷端散热器，热端热交换液循环装置包括热端导管、热端液压泵和热端散热器，冷端热交换液循环通道依次由制冷机本体、第一冷端接头、冷端导管、蓄冷器、冷端液压泵、第一冷却管接头、冷却管、第二冷却管接头、冷端散热器和第二冷端接头构成，热端热交换液循环通道依次由制冷机本体、第一热端接头、热端导管、热端液压泵和热端散热器构成。

所述的控制装置包括电源线、第一信号与电源线束、第二信号与电源线束、第三信号与电源线束、第四信号与电源线束、第五信号与电源线束、第六信号与电源线束、第七信号与电源线束，控制装置利用穿过穿线孔的电源线与PTC加热器连接，利用第一信号与电源线束与喉管温度传感器连接，利用第二信号与电源线束与冷端液压泵连接，利用第三信号与电源线束与冷端散热器连接，利用第四信号与电源线束与步进电机连接，利用第五信号与电源线束与制冷机本体连接，利用第六信号与电源线束与热端液压泵连接，利用第七信号与电源线束与热端散热器连接。

本发明的有益效果是：

本发明的喷头热端组件，按照设定的料丝熔化温度选择对应的PTC加热器作为热源，使导热块自动保持恒温，不需要设置温控系统，结构简单、热效率高，防热辐射保温罩采用封闭式结构，同时在内壁上贴有绝热铝箔，可有效地防止喷头热端组件的热量以热辐射的形式传递到喉管组件和喉管冷却组件，并有利于喷嘴和导热块保持恒温，节约能源，罩体上设有通气孔，当PTC加热器工作时可形成从喷嘴孔进，从通气孔出的气流，能够辅助性地促使从喷嘴处挤出的熔融态料丝尽快地凝固成形，并提高3D模型的表面成型质量；

喉管组件两端各设有一个由氟橡胶制成的耐高温密封圈，能有效地阻止喷头热端组件的热量沿着料丝与聚四氟乙烯胶管间的间隙以空气对流的形式传递到散热体，防止该处的料丝过早膨胀与软化造成喷头堵塞；

喉管冷却组件选用芳烃含量大于99%、工作温度可达300℃的高温导热油作为热交换介质，导热系数大、热稳定效果好、安全性高；散热体设有裙边，冷却管采用沉浸式蛇管结构，冷却水从冷却管上端的第一冷却管接头流入，从下端的第二冷却管接头流出，均有效地增大了换热面积，提高了换热效率；高温导热油将从散热体吸收的热量传递给冷却管，由管内流动的冷却水带走，这种结构形式有效地减小了换热过程中产生的震动，提高了打印质量；

本发明的制冷装置采用磁制冷机制备冷却水，运行安静、无噪声，设备结构简单，具有效率高、耗能小、无污染等特点；当3D打印机连续工作时，磁制冷机可根据控制装置的指令连续运转来制备与散热体温差比较大的冷却水，以提高喉管冷却组件的散热能力。

本发明的上述效果是：

可实现喷嘴内料丝的恒温熔化和散热体内料丝的自冷却，有效地解决熔融沉积型3D打印机工作时遇到的喷头堵塞问题，并能够提高模型表面的打印质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的系统原理示意图。

其中，1为喷头热端组件；2为喉管组件；3为喉管冷却组件；4为送丝机构；5为制冷装置；6为控制装置；11为喷嘴；12为导热块；13为防热辐射保温罩；131为顶盖；132为罩体；133为第一绝热铝箔；134为第二绝热铝箔；135为通气孔；136为喷嘴孔；137为螺钉；138为穿线孔；14为PTC加热器； 21为喉管；22为聚四氟乙烯胶管；23为第一密封圈；24为第二密封圈； 31为冷却腔；311为腔体；312为腔盖；313为注液孔；32为冷却管；33为散热体；34为喉管温度传感器；35为盖板；351为透气孔；36为送料引导头；37为第一冷却管接头；38为第二冷却管接头；39为高温导热油； 41为步进电机；42为导料管接头；43为料丝；44为固定架；45为导料管；46为进丝轮组件； 51为磁制冷机；511为第一冷端接头；512为第二冷端接头；513为第一热端接头；514为第二热端接头；515为制冷机本体；52为冷端热交换液循环装置；521为冷端导管；522为蓄冷器；523为冷端液压泵；524为冷端散热器；53为热端热交换液循环装置；531为热端导管；532为热端液压泵；533为热端散热器； 61为电源线；62为第一信号与电源线束；63为第二信号与电源线束；64为第三信号与电源线束；65为第四信号与电源线束；66为第五信号与电源线束；67为第六信号与电源线束；68为第七信号与电源线束。

具体实施方式

以下通过附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置，包括喷头热端组件11，热端组件11通过螺纹结构同喉管组件2连接，喉管组件2通过螺纹结构同喉管冷却组件3连接，喉管冷却组件3通过固定架44与送丝机构4连接，喉管冷却组件3通过第一冷却管接头37、第二冷却管接头38同制冷装置5连接，控制装置6通过电源线61同喷头热端组件11连接。

所述的喷头热端组件11由喷嘴11、导热块12、防热辐射保温罩13、顶盖131、罩体132、第一绝热铝箔133、第二绝热铝箔134、通气孔135、喷嘴孔136、螺钉137、穿线孔138和PTC加热器14组成，喷嘴11与导热块12通过螺纹结构连接，PTC加热器14安装在导热块12的底端，顶盖131的内壁上贴有第二绝热铝箔134，罩体132的内壁上贴有第一绝热铝箔133，顶盖131和罩体132利用螺钉137装配成防热辐射保温罩13，罩体132设有通气孔135、喷嘴孔136和穿线孔138。

所述的喉管组件2包括喉管21、聚四氟乙烯胶管22、第一密封圈23和第二密封圈24，聚四氟乙烯胶管22以小过盈配合方式装配在喉管21内，第一密封圈23和第二密封圈24安装在喉管21两端的台阶孔内。

所述的喉管冷却组件3由冷却腔31、腔体311、腔盖312、注液孔313、冷却管32、散热体33、喉管温度传感器34、盖板35、透气孔351、送料引导头36、第一冷却管接头37、第二冷却管接头38和高温导热油39组成，散热体33的下端插入腔体311的台阶孔并焊接在一起，散热体33下端面安装有喉管温度传感器34，散热体33的上端安装有腔盖312，腔盖312压在腔体311的上端面并用螺钉固定，腔盖312设有注液孔313，注液孔313上端放置有盖板35，盖板35设置有透气孔351，冷去管32套在散热体33的外圆上，分别与第一冷却管接头37、第二冷却管接头38连接，送料引导头36安装在腔盖312上。

所述的送丝机构4包括步进电机41、导料管接头42、料丝43、固定架44、导料管45和进丝轮组件46，料丝43穿过导料管45，导料管45插入导料管接头42，导料管接头42、步进电机41和进丝轮组件46安装在固定架44上，步进电机41的输出轴与进丝轮组件46的挤出轮同轴安装。

所述的制冷装置5由磁制冷机51、冷端热交换液循环装置52和热端热交换液循环装置53组成，磁制冷机51包括第一冷端接头511、第二冷端接头512、第一热端接头513、第二热端接头514和制冷机本体515，冷端热交换液循环装置52包括冷端导管521、蓄冷器522、冷端液压泵523和冷端散热器524，热端热交换液循环装置53包括热端导管531、热端液压泵532和热端散热器533，冷端热交换液循环通道依次由制冷机本体515、第一冷端接头511、冷端导管521、蓄冷器522、冷端液压泵523、第一冷却管接头37、冷却管32、第二冷却管接头38、冷端散热器524和第二冷端接头512构成，热端热交换液循环通道依次由制冷机本体515、第一热端接头513、热端导管531、热端液压泵532和热端散热器533构成。

所述的控制装置6包括电源线61、第一信号与电源线束62、第二信号与电源线束63、第三信号与电源线束64、第四信号与电源线束65、第五信号与电源线束66、第六信号与电源线束67、第七信号与电源线束68，控制装置6利用穿过穿线孔138的电源线61与PTC加热器14连接，利用第一信号与电源线束62与喉管温度传感器34连接，利用第二信号与电源线束63与冷端液压泵523连接，利用第三信号与电源线束64与冷端散热器524连接，利用第四信号与电源线束65与步进电机41连接，利用第五信号与电源线束66与制冷机本体515连接，利用第六信号与电源线束67与热端液压泵532连接，利用第七信号与电源线束68与热端散热器533连接。

本发明的具体实施原理如下：

1）PTC加热器的选择。不同的料丝材料有着各自不同的熔化温度，而不同的PTC加热器也具有各自确定的恒定温度，选择与料丝熔化温度相适应的PTC加热器。

2）PTC加热器的安装。在导热块上安装PTC加热块，将PTC加热块的电源线穿过罩体上的穿线孔安装在控制装置上，将罩体安装在顶盖的外圆上，用螺钉固定。

3）高温导热油的注入。从腔盖的注液孔将高温导热油注入冷却腔的腔体，直至高温导热油的液面没过冷却管的进水端，将带有透气孔的盖板盖在注液孔的上方。

4）热交换液的注入。给制冷装置的冷端热交换液循环装置和热端热交换液循环装置加注热交换介质水，蓄冷器的初始蓄水量需达到容积的2/3。

5）进料轮组件的调整。将料丝插入导料管，依次穿过导料管接头、进丝轮组件和送料引导头；控制装置利用第四信号与电源线束启动步进电机；调整进丝轮组件，使得料丝能够被依次顺利送入散热体、第一密封圈、聚四氟乙烯胶管、第二密封圈、喷嘴；调试结束，关闭步进电机。

6）制冷装置的启动。控制装置利用第五信号与电源线束启动磁制冷机，利用第二信号与电源线束启动冷端液压泵，利用第三信号与电源线束启动冷端散热器，利用第六信号与电源线束启动热端液压泵，利用第七信号与电源线束启动热端散热器；冷端热交换液循环装置为喉管冷却组件制备冷却水；热端热交换液循环装置将磁制冷机工作时磁工质励磁所释放的热量释放出去。

7）喉管温度传感器的启动。控制装置利用第一信号与电源线束启动喉管温度传感器。

8）PTC加热器的启动。控制装置利用电源线启动PTC加热器；PTC加热器快速地升温至恒定温度，并利用导热块传递热量给喷嘴。

9）3D打印机的启动。待PTC加热器升温至恒定温度并持续加热5分钟后，启动3D打印机开始工作。

10）料丝温度的监测。喉管温度传感器实时采集散热体的温度，以便间接测量喉管内料丝的温度。

11）喉管组件的温度控制。为了防止在3D打印机工作时喉管内的料丝过热而发生膨胀和软化，在控制装置上预先设定一个低于料丝膨胀、软化温度的温度参数，采用PID控制方式来调节喉管组件的温度。如果喉管温度传感器采集的温度数据升至温度参数的上限，控制装置发出指令提升制冷装置的工作效率，包括加快冷却管中冷却水的流速，同时提高磁制冷机的工作频率，继续降低冷却水的温度，增大冷却水与喉管组件的温度差；反之，则采取相反的措施。

12）持续步骤11的PID温度控制模式直至3D打印工作结束。

Claims (1)

1.一种熔融沉积型3D打印机喷头冷却装置，包括喷头热端组件（1），其特征在于，热端组件（1）通过螺纹结构同喉管组件（2）连接，喉管组件（2）通过螺纹结构同喉管冷却组件（3）连接，喉管冷却组件（3）通过固定架（44）与送丝机构（4）连接，喉管冷却组件（3）通过第一冷却管接头（37）及第二冷却管接头38同制冷装置（5）连接，控制装置（6）通过电源线（61）同喷头热端组件（1）连接；

所述的喷头热端组件（1）由喷嘴（11）、导热块（12）、防热辐射保温罩（13）、顶盖（131）、罩体（132）、第一绝热铝箔（133）、第二绝热铝箔（134）、通气孔（135）、喷嘴孔（136）、螺钉（137）、穿线孔（138）和PTC加热器（14）组成，其中，喷嘴（11）与导热块（12）通过螺纹结构连接，PTC加热器（14）安装于导热块（12）底端，顶盖（131）内壁上贴有第二绝热铝箔（134），罩体（132）内壁贴有第一绝热铝箔（133），顶盖（131）和罩体（132）利用螺钉（137）装配成防热辐射保温罩（13），罩体（132）设有通气孔（135）、喷嘴孔（136）及穿线孔（138）；

所述的喉管组件（2）包括喉管（21）、聚四氟乙烯胶管（22）、第一密封圈（23）和第二密封圈（24），聚四氟乙烯胶管（22）以小过盈配合方式装配于喉管（21）内，第一密封圈（23）和第二密封圈（24）安装于喉管（21）两端的台阶孔内；

所述的喉管冷却组件（3）由冷却腔（31）、腔体（311）、腔盖（312）、注液孔（313）、冷却管（32）、散热体（33）、喉管温度传感器（34）、盖板（35）、透气孔（351）、送料引导头（36）、第一冷却管接头（37）、第二冷却管接头（38）和高温导热油（39）组成，其中，散热体（33）下端插入腔体（311）台阶孔并焊接，散热体（33）下端安装喉管温度传感器（34），散热体（33）上端安装腔盖（312），腔盖（312）压在腔体（311）上端面并用螺钉固定，腔盖（312）设有注液孔（313），注液孔（313）上端放置有盖板（35），盖板（35）设置有透气孔（351），冷却管（32）套在散热体（33）外圆上，分别与第一冷却管接头（37）、第二冷却管接头（38）连接，送料引导头（36）安装在腔盖（312）上；

所述的送丝机构（4）包括步进电机（41）、导料管接头（42）、料丝（43）、固定架（44）、导料管（45）和进丝轮组件（46）组成，其中，料丝（43）穿过导料管（45），导料管（45）插入导料管接头（42），导料管接头（42）、步进电机（41）和进丝轮组件（46）安装于固定架（44）上，步进电机（41）输出轴与进丝轮组件（46）挤出轮同轴安装；

所述的制冷装置（5）由磁制冷机（51）、冷端热交换液循环装置（52）和热端热交换液循环装置（53）组成，其中，磁制冷机（51）包括第一冷端接头（511）、第二冷端接头（512）、第一热端接头（513）、第二热端接头（514）和制冷机本体（515），冷端热交换液循环装置（52）包括冷端导管（521）、蓄冷器（522）、冷端液压泵（523）和冷端散热器（524），热端热交换液循环装置（53）包括热端导管（531）、热端液压泵（532）和热端散热器（533），冷端热交换液循环通道依次由制冷机本体（515）、第一冷端接头（511）、冷端导管（521）、蓄冷器（522）、冷端液压泵（523）、第一冷却管接头（37）、冷却管（32）、第二冷却管接头（38）、冷端散热器（524）和第二冷端接头（512）构成，热端热交换液循环通道依次由制冷机本体（515）、第一热端接头（513）、热端导管（531）、热端液压泵（532）和热端散热器（533）构成；

所述的控制装置（6）包括电源线（61）、第一信号与电源线束（62）、第二信号与电源线束（63）、第三信号与电源线束（64）、第四信号与电源线束（65）、第五信号与电源线束（66）、第六信号与电源线束（67）、第七信号与电源线束（68），控制装置（6）利用穿过穿线孔（138）的电源线（61）与PTC加热器（14）连接，利用第一信号与电源线束（62）与喉管温度传感器（34）连接，利用第二信号与电源线束（63）与冷端液压泵（523）连接，利用第三信号与电源线束（64）与冷端散热器（524）连接，利用第四信号与电源线束（65）与步进电机（41）连接，利用第五信号与电源线束（66）与制冷机本体（515）连接，利用第六信号与电源线束（67）与热端液压泵（532）连接，利用第七信号与电源线束（68）与热端散热器（533）连接。