CN106956001A - 一种fdm型低熔点合金3d打印机喷头系统及其应用 - Google Patents

Abstract

一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统及其应用，送料装置将熔融态低熔点合金制备装置制备的打印材料输送给喷头；抽取装置将回收装置从喷头收集到的打印余料输送给熔融态低熔点合金制备装置；净化装置将从喷头、熔融态低熔点合金制备装置和回收装置收集到的有害气体进行净化处理后排放；控制装置通过第一～第五电源线束、第一～第十电源与信号线束分别为喷头、熔融态低熔点合金制备装置、回收装置、气体净化装置、送料装置和抽取装置提供电源与控制信号。支持长时间连续打印，设有自冷却装置，具有防止余料堵塞的供料及打印通道自清洁能力及余料回收功能，并能有效地处理打印过程中产生的有害气体。

Description

一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统及其应用

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统及其应用。

背景技术

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）制造工艺主要依靠打印喷头和打印平台的相对移动，将熔融态的材料按照打印对象的截面形状依序层层堆叠在打印平台上，最终实现三维立体模型的构建。

现有的商品化FDM设备主要使用由ABS、PLA、PETG、尼龙、PC等热塑性材料制作成的丝状线材，打印技术已经比较成熟。而伴随着熔融沉积成型技术的快速发展，又出现了以低熔点金属为材料的熔融沉积成型打印技术。例如中国专利申请号为201610545996.3的《一种桌面低熔点金属三维打印机喷头》，采用低熔点金属作为打印材料，为了解决多余打印和脱料现象，在喷头内部增设气压仓以便间接控制熔融料仓内的压力，控制精度高，泄压速度快。中国专利申请号为201510512664.0的《一种3D打印机、3D打印方法及金属浆料的制备方法》，设置注射器、喷嘴作为金属浆料的容置、喷射装置，解决了金属3D打印机存在的设备成本高的技术问题，在保证打印精度的基础上，实现了结构简单、降低成本的技术效果。中国专利申请号为201420436874.7的《一种低熔点金属3D打印装置》，利用低熔点金属熔点较低的特性，将其溶液喷射到沉积基台上，迅速固化，逐层沉积以构建三维实体，该方法成本低、安全系数高、结构简单。中国专利申请号为201620571154.0的《一种低熔点金属3D打印喷头》，利用步进电机精确控制金属材料的挤出量以实现高精度打印，在常温常压下就能实现低熔点金属3D打印一次性快速成型。

申请号为201610545996.3和201510512664.0的两个中国专利，其结构设计未能解决3D打印的持续上料问题，打印能力有限。申请号为201620571154.0的中国专利，将金属熔化装置作为喷头的一部分，使得喷头体积较大、结构笨重，影响打印精度。而上述4个专利均未具体地陈述打印料材通道中的金属余料如何清理、打印过程中产生的有害气体如何处理等问题。

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FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统及其应用，支持长时间连续打印，设有自冷却装置，具有防止余料堵塞的供料及打印通道自清洁能力及余料回收功能，并能有效地处理打印过程中产生的有害气体。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统，包括喷头、熔融态低熔点合金制备装置、回收装置、气体净化装置、控制装置、送料装置和抽取装置；送料装置将熔融态低熔点合金制备装置制备的打印材料输送给喷头；抽取装置将回收装置从喷头收集到的打印余料输送给熔融态低熔点合金制备装置；净化装置将从喷头、熔融态低熔点合金制备装置和回收装置收集到的有害气体进行净化处理后排放；控制装置通过第一～第五电源线束、第一～第十电源与信号线束分别为喷头、熔融态低熔点合金制备装置、回收装置、气体净化装置、送料装置和抽取装置提供电源与控制信号。

所述的熔融态低熔点合金制备装置，包括隔热外壳、第二加热器、导热容器、热浴腔室、热浴内胆、第二端盖、第一接头、盖板、第二加热器接头、第二温度传感器、第三温度传感器、第一低熔点合金、第一热浴物质、第三抽气接头和第四接头；第一低熔点合金是指由低熔点金属铋、铅、锡、镉、铟和汞等元素构成的二元系或多元系合金；热浴内胆的材料选用耐高温、不与合金浸润、导热性好的石墨，用于盛装第一低熔点合金；导热容器的材料选用导热系统高、耐高温、具有良好的电绝缘性能的氧化铝陶瓷；导热容器和热浴内胆套装在一起形成热浴腔室，用于填充第一热浴物质；第一热浴物质的材料，当第一低熔点合金的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；第二加热器套装在导热容器的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热第一热浴物质；隔热外壳套装在第二加热器的外侧，选用耐高温、电绝缘性和隔热性好的聚四氟乙烯制作；第二加热器接头安装在隔热外壳的外圆上，通过第二电源线束将第二加热器与控制器连接；第二端盖安装在隔热外壳的上端，选用聚四氟乙烯制作；第四接头、第一接头、盖板、第三抽气接头、第二温度传感器和第三传感器分别安装在第二端盖上；第四接头接有第十六导管和第二十导管；第一接头接有第十七导管和第十九导管；盖板打开后，可将固态第一低熔点合金加入到热浴内胆内；第三抽气接头通过第七导管与第二抽气泵连接；第二温度传感器通过第一电源与信号线束与控制器连接；第三温度传感器通过第二电源与信号线束与控制器连接。

所述的喷头，包括第一加热器接头、第一自动排气阀、进料接头、压力传感器、第一温度传感器、第一端盖、喷头外壳、第一加热器、石墨容器、熔融态低熔点合金、喷嘴接头、喷嘴、风冷装置、气道、第一抽气接头和第二抽气接头；熔融态低熔点合金是来自于熔融态低熔点合金制备装置、温度达到使用要求的打印料材；石墨容器的材料选用石墨，用于盛装熔融态低熔点合金；第一加热器套装在石墨容器的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热熔融态低熔点合金；喷头外壳套装在第一加热器的外侧，选用聚四氟乙烯制作；第一加热器接头安装在喷头外壳的外圆上，通过第三电源线束将第一加热器与控制器连接；第一端盖安装在喷头外壳的上端，选用聚四氟乙烯制作；第一温度传感器、压力传感器、进料接头和第一自动排气阀分别安装在第一端盖上；第一温度传感器通过第六电源与信号线束与控制器连接；压力传感器通过第五电源与信号线束与控制器连接；进料接头接有第十五导管；第一自动排气阀接有第十导管；喷头外壳的下端面安装有喷嘴接头；喷嘴通过螺纹结构安装在喷嘴接头上；风冷装置套在喷嘴的外侧，使用螺钉安装在喷嘴接头的端面上；第一抽气接头和第二抽气接头安装在风冷装置外壳两侧相对的位置上，分别接有第四导管和第三导管。

所述的回收装置，包括壳体、第三加热器、回收容器、第三加热器接头、第二接头、第三接头、第二自动排气阀、第四温度传感器、第三端盖、承接装置、第十一导管、第十二导管、第十三导管、第二低熔点合金和第二热浴物质；第二低熔点合金是来自于喷头、送料装置及其第十五导管、第十四导管中的打印余料；第二热浴物质来自于热浴腔室，用于帮助回收打印余料；回收容器的材料选用石墨，用于盛装第二低熔点合金和第二热浴物质；第三加热器套装在回收容器的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热冷却固化的第二低熔点合金；壳体套装在第三加热器的外侧，选用聚四氟乙烯制作；第三加热器接头安装在壳体的外圆上，通过第四电源线束将第三加热器与控制器连接；第三端盖安装在壳体的上端，选用聚四氟乙烯制作；第二接头、第三接头、第二自动排气阀和第四温度传感器分别安装在第三端盖上；第二接头通过第十一导管与承接装置连接；第三接头接有第十二导管；第二自动排气阀接有第十三导管；第四温度传感器通过第七电源与信号线束与控制器连接；

所述的气体净化装置，包括净化器、第一抽气泵、第一气管三通接头、第一导管、第二导管、第三导管、第四导管、第一气体单向阀、第五导管、第六导管、第二抽气泵、第七导管、第八导管、第二气管三通接头、第九导管、第二气体单向阀、第十导管和净化器排放装置；净化器依序通过第二导管、第一抽气泵、第一导管与第一气管三通接头连接；第一气管三通接头接有第三导管和第四导管；净化器通过第八导管连接第二气管三通接头；第二气管三通接头通过第九导管连接第二气体单向阀，通过第六导管连接第一气体单向阀；第二气体单向阀连接第十导管；第一气体单向阀连接第十三导管；净化器依序通过第六导管、第二抽气泵，同第七导管连接；净化器通过第十电源与信号线束与控制器连接；净化器排放装置安装在净化器的上端。

所述的送料装置，包括第一液态金属电磁泵、第一两位三通电磁阀、第十四导管、第十五导管、第十六导管和第十七导管；第一液态金属电磁泵连接有第十五导管，通过第十四导管与第一两位三通电磁阀连接，通过第四电源与信号线束与控制器连接；第一两位三通电磁阀还连接有第十六导管和第十七导管，并通过第三电源与信号线束与控制器连接。

所述的抽取装置，包括第二液态金属电磁泵；第二两位三通电磁阀；第十八导管；第十九导管；第二十导管；第二液态金属电磁泵连接有第十二导管，通过第十八导管与第二两位三通电磁阀连接，通过第九电源与信号线束与控制器连接；第二两位三通电磁阀还连接有第十九导管和第二十导管，并通过第八电源与信号线束与控制器连接。

一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统使用方法，包括以下步骤：

1）依据第一低熔点合金的熔点，选用合适的第一热浴物质注入热浴腔室，当第一低熔点合金的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；

2）打开盖板，将固态的第一低熔点合金加入到热浴内胆中；

3）通过控制器启动第二加热器，加热第一热浴物质；

4）通过控制器启动净化器、第二抽气泵，抽取在热浴内胆内加热第一热浴物质时产生的有害气体并进行净化处理；

5）通过控制器启动第二温度传感器和第三温度传感器；

6）通过控制器利用第三温度传感器采集到的温度数据，与初始设定的第一热浴物质的加热温度数据进行比对，对第二加热器进行PID控制，即当第一热浴物质的加热温度上升到初始设定值以后，便开始对第一热浴物质启动保温加热模式；

7）当热浴内胆中的第一低熔点合金完全处于熔融态，且第二温度传感器采集的温度数据与初始设定的第一热浴物质的加热温度数据一致时，熔融态的第一低熔点合金制备完成；

8）通过控制器启动第一两位三通电磁阀，接通第十七导管；通过控制器启动第一液态金属电磁泵，从热浴内胆中抽取熔融态的第一低熔点合金并注入到石墨容器内；

9）通过控制器启动第一加热器、第一温度传感器，对石墨容器内的熔融态低熔点合金进行PID模式的保温加热，使得熔融态低熔点合金的温度始终维持在初始设定的第一热浴物质的加热温度；

10）随着熔融态低熔点合金的不断注入，被挤压在石墨容器内熔融态低熔点合金上方的空气的压力不断升高，当上升到初始设定的熔融态低熔点合金的工作压力时，这些含有有害气体的空气自动地从第一自动排气阀排出，经过第二气体单向阀，进入净化器进行净化处理；

11）通过控制器启动压力传感器，测量石墨容器内熔融态低熔点合金的压力，当压力达到初始设定的熔融态低熔点合金的工作压力时，低熔点合金3D打印机开始三维打印工作；

12）通过控制器，利用压力传感器采集的数据，对第一液态金属电磁泵进行PID模式的控制，当压力传感器采集的数据低于熔融态低熔点合金的工作压力时，提升第一液态金属电磁泵的工作频率，反之则降低，使得石墨容器内熔融态低熔点合金的压力始终维持恒定；

13）当打印工作开始后，通过控制器启动第一抽气泵，利用风冷装置抽取喷嘴周围的空气，以快速冷却从喷嘴挤出成型的熔融态低熔点合金，提高打印效率，同时将合金凝固成型时释放的有害气体一并吸入到净化器进行净化处理；

14）待喷头的三维打印工作完成后，通过控制器启动第一两位三通电磁阀，接通第十六导管，第一液态金属电磁泵持续从热浴腔室抽取第一热浴物质并注入到石墨容器，清理打印料材通道中的余料；

15）将承接装置放置到喷嘴的下方，使得从喷嘴流出的熔融态低熔点合金余料和第一热浴物质通过第十一导管注入到回收容器；

16）回收容器内原有的气体、熔融态低熔点合金余料和第一热浴物质释放的有害气体通过第二自动排气阀，经过第一气体单向阀、第二气管三通接头，进入净化器进行净化处理；

17）待石墨容器内的熔融态低熔点合金余料完全排进到回收容器以后，关闭所有与熔融态低熔点合金制备装置、送料装置、喷头、第一抽气泵相关的电源线束、电源与信号线束；

18）通过控制器启动第四温度传感器，监测回收容器中的第二低熔点合金的温度数值；当第四温度传感器采集的温度数据低于第二低熔点合金的熔点时，表明回收容器中的第二低熔点合金已经完全冷却凝固；

19）通过控制器启动第二两位三通电磁阀，接通第十八导管和第二十导管；通过控制器启动第二液态金属电磁阀，从回收容器中抽取第二热浴物质，经过第二两位三通电磁阀，回收注入到热浴腔室；

20）待回收容器中的第二热浴物质被回收完后，关闭抽取装置；通过控制器启动第三加热器，加热熔化回收容器中已经冷却凝固的；

21）在加热第二低熔点合金时产生的有害气体，通过第二自动排气阀，经过第一气体单向阀、第二气管三通接头，进入净化器进行净化处理；

22）当第四温度传感器所采集的温度数据达到第二低熔点合金的熔点时，通过控制器启动第二液态金属电磁阀，并同时启动第二两位三通电磁阀，接通第十八导管和第十九导管，从回收容器中抽取熔融态的第二低熔点合金，经过第二两位三通电磁阀，回收注入到热浴内胆；

23）待第二低熔点合金回收完毕，关闭回收装置、抽取装置，最终关闭控制装置。

本发明的有益效果是：

熔融态低熔点合金制备装置独立于喷头而设计，采用PID恒温控制技术，利用热浴方式制备熔融态打印材料，并能持续输送给喷头，支持长时间连续打印；这种分离设计方式能够有效地简化喷头的设计结构、减轻喷头重量，提高传动轴控制精度及打印质量；

在喷嘴外围的环形风冷装置，可以以360度角从外界环境吸取空气均匀冷却打印成型材料，加速其凝固，有效地提高打印效率和质量；同时，风冷装置在吸取空气时还可将在打印材料冷却成型过程中释放的有害气体一并吸取并输送给气体净化装置处理；这种将打印材料快速冷却成型和有害气体吸取功能结合在一起的设计，使得系统结构紧凑；

气体净化装置分别将从熔融态低熔点合金制备装置、回收装置和风冷装置收集的有害气体进行净化处理，使得本发明具有了绿色环保的功能；

在喷头上用于盛装打印料材的石墨容器的上端设计有自动排气阀，在打印开始前填充熔融态低熔点合金时，容器内原有的空气会逐渐积聚在容器的上端，当容器内压力上升到设定值时，自动排气阀能够将这些空气排放出去，不会使喷头因为内压过高形成多余打印，并可充分利用喷头的料材容纳能力；

本发明具有打印料材通道自清洁能力和余料回收功能，在三维模型打印完成后，能够抽取熔融态低熔点合金制备装置中的热浴物质，清理打印料材通道中的余料以便防止堵塞，并将热浴物质和余料一起存储在回收装置。

本发明综合性地解决了低熔点合金3D打印喷头、打印料材制备与回收、有害气体净化等问题；同时，将喷头设计独立于打印料材制备、回收以及气体净化，可简化喷头结构，降低其质量；本发明的喷头适用于安装在各类FDM型3D打印机的三维运动机构上。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的熔融态低熔点合金装置的原理示意图；

图3为本发明的喷头的原理示意图；

图4为本发明的回收装置的原理示意图；

其中，1为喷头；101为第一加热器接头；102为第一自动排气阀；103为进料接头；104为压力传感器；105为第一温度传感器；106为第一端盖；107为喷头外壳；108为第一加热器；109为石墨容器；110为熔融态低熔点合金；111为喷嘴接头；112为喷嘴；113为风冷装置；114为气道；115为第一抽气接头；116为第二抽气接头；2为熔融态低熔点合金制备装置；201为隔热外壳；202为第二加热器；203为导热容器；204为热浴腔室；205为热浴内胆；206为第二端盖；207为第一接头；208为盖板；209为第二加热器接头；210为第二温度传感器；211为第三温度传感器；212为第一低熔点合金；213为第一热浴物质；214为第三抽气接头；215为第四接头；3为回收装置；301为壳体；302为第三加热器；303为回收容器；304为第三加热器接头；305为第二接头；306为第三接头；307为第二自动排气阀；308为第四温度传感器；309为第三端盖；310为承接装置；311为第十一导管；312为第十二导管；313为第十三导管；314为第二低熔点合金；315为第二热浴物质；4为气体净化装置；401为净化器；402为第一抽气泵；403为第一气管三通接头；404为第一导管；405为第二导管；406为第三导管；407为第四导管；408为第一气体单向阀；409为第五导管；410为第六导管；411为第二抽气泵；412为第七导管；413为第八导管；414为第二气管三通接头；415为第九导管；416为第二气体单向阀；417为第十导管；418为净化器排放装置；5为控制装置；501为第一电源线束；502为第二电源线束；503为第三电源线束；504为第四电源线束；505为第五电源线束；506为第一电源与信号线束；507为第二电源与信号线束；508为第三电源与信号线束；509为第四电源与信号线束；510为第五电源与信号线束；511为第六电源与信号线束；512为第七电源与信号线束；513为第八电源与信号线束；514为第九电源与信号线束；515为第十电源与信号线束；516为控制器；6为送料装置；601为第一液态金属电磁泵；602为第一两位三通电磁阀；603为第十四导管；604为第十五导管；605为第十六导管；606为第十七导管；7为抽取装置；701为第二液态金属电磁泵；702为第二两位三通电磁阀；703为第十八导管；704为第十九导管；705为第二十导管。

具体实施方式

以下通过附图对本发明进一步叙述。

如图1至图4所示，一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统，包括喷头1、熔融态低熔点合金制备装置2、回收装置3、气体净化装置4、控制装置5、送料装置6和抽取装置7；送料装置6将熔融态低熔点合金制备装置2制备的打印材料输送给喷头1；抽取装置7将回收装置3从喷头1收集到的打印余料输送给熔融态低熔点合金制备装置2；净化装置4将从喷头1、熔融态低熔点合金制备装置2和回收装置3收集到的有害气体进行净化处理后排放；控制装置5通过第一～第五电源线束、第一～第十电源与信号线束分别为喷头1、熔融态低熔点合金制备装置2、回收装置3、气体净化装置4、送料装置6和抽取装置7提供电源与控制信号。

所述的熔融态低熔点合金制备装置2，包括隔热外壳201、第二加热器202、导热容器203、热浴腔室204、热浴内胆205、第二端盖206、第一接头207、盖板208、第二加热器接头209、第二温度传感器210、第三温度传感器211、第一低熔点合金212、第一热浴物质213、第三抽气接头214和第四接头215；第一低熔点合金212是指由低熔点金属铋、铅、锡、镉、铟和汞等元素构成的二元系或多元系合金；热浴内胆205的材料选用耐高温、不与合金浸润、导热性好的石墨，用于盛装第一低熔点合金212；导热容器203的材料选用导热系统高、耐高温、具有良好的电绝缘性能的氧化铝陶瓷；导热容器203和热浴内胆205套装在一起形成热浴腔室204，用于填充第一热浴物质213；第一热浴物质213的材料，当第一低熔点合金212的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；第二加热器202套装在导热容器203的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热第一热浴物质213；隔热外壳201套装在第二加热器202的外侧，选用耐高温、电绝缘性和隔热性好的聚四氟乙烯制作；第二加热器接头209安装在隔热外壳201的外圆上，通过第二电源线束502将第二加热器202与控制器516连接；第二端盖206安装在隔热外壳201的上端，选用聚四氟乙烯制作；第四接头215、第一接头207、盖板208、第三抽气接头214、第二温度传感器210和第三传感器211分别安装在第二端盖206上；第四接头215接有第十六导管605和第二十导管705；第一接头207接有第十七导管606和第十九导管704；盖板208打开后，可将固态第一低熔点合金212加入到热浴内胆205内；第三抽气接头214通过第七导管412与第二抽气泵411连接；第二温度传感器210通过第一电源与信号线束506与控制器516连接；第三温度传感器211通过第二电源与信号线束507与控制器516连接。

所述的喷头1，包括第一加热器接头101、第一自动排气阀102、进料接头103、压力传感器104、第一温度传感器105、第一端盖106、喷头外壳107、第一加热器108、石墨容器109、熔融态低熔点合金110、喷嘴接头111、喷嘴112、风冷装置113、气道114、第一抽气接头115和第二抽气接头116；熔融态低熔点合金110是来自于熔融态低熔点合金制备装置2、温度达到使用要求的打印料材；石墨容器109的材料选用石墨，用于盛装熔融态低熔点合金110；第一加热器108套装在石墨容器109的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热熔融态低熔点合金110；喷头外壳107套装在第一加热器108的外侧，选用聚四氟乙烯制作；第一加热器接头101安装在喷头外壳107的外圆上，通过第三电源线束503将第一加热器108与控制器516连接；第一端盖106安装在喷头外壳107的上端，选用聚四氟乙烯制作；第一温度传感器105、压力传感器104、进料接头103和第一自动排气阀102分别安装在第一端盖106上；第一温度传感器105通过第六电源与信号线束511与控制器516连接；压力传感器104通过第五电源与信号线束510与控制器516连接；进料接头103接有第十五导管604；第一自动排气阀102接有第十导管417；喷头外壳107的下端面安装有喷嘴接头111；喷嘴112通过螺纹结构安装在喷嘴接头111上；风冷装置113套在喷嘴112的外侧，使用螺钉安装在喷嘴接头111的端面上；第一抽气接头115和第二抽气接头116安装在风冷装置113外壳两侧相对的位置上，分别接有第四导管407和第三导管406。

所述的回收装置3，包括壳体301、第三加热器302、回收容器303、第三加热器接头304、第二接头305、第三接头306、第二自动排气阀307、第四温度传感器308、第三端盖309、承接装置310、第十一导管311、第十二导管312、第十三导管313、第二低熔点合金314和第二热浴物质315；第二低熔点合金314是来自于喷头1、送料装置6及其第十五导管604、第十四导管603中的打印余料；第二热浴物质315来自于热浴腔室204，用于帮助回收打印余料；回收容器303的材料选用石墨，用于盛装第二低熔点合金314和第二热浴物质315；第三加热器302套装在回收容器303的外侧，选用MCH陶瓷发热片制作，用于加热冷却固化的第二低熔点合金314；壳体301套装在第三加热器302的外侧，选用聚四氟乙烯制作；第三加热器接头304安装在壳体301的外圆上，通过第四电源线束504将第三加热器302与控制器516连接；第三端盖309安装在壳体301的上端，选用聚四氟乙烯制作；第二接头305、第三接头306、第二自动排气阀307和第四温度传感器308分别安装在第三端盖309上；第二接头305通过第十一导管311与承接装置310连接；第三接头306接有第十二导管312；第二自动排气阀307接有第十三导管313；第四温度传感器308通过第七电源与信号线束512与控制器516连接；

所述的气体净化装置4，包括净化器401、第一抽气泵402、第一气管三通接头403、第一导管404、第二导管405、第三导管406、第四导管407、第一气体单向阀408、第五导管409、第六导管410、第二抽气泵411、第七导管412、第八导管413、第二气管三通接头414、第九导管415、第二气体单向阀416、第十导管417和净化器排放装置418；净化器401依序通过第二导管405、第一抽气泵402、第一导管404与第一气管三通接头403连接；第一气管三通接头403接有第三导管406和第四导管407；净化器401通过第八导管413连接第二气管三通接头414；第二气管三通接头414通过第九导管415连接第二气体单向阀416，通过第六导管410连接第一气体单向阀408；第二气体单向阀416连接第十导管417；第一气体单向阀408连接第十三导管313；净化器401依序通过第六导管410、第二抽气泵411，同第七导管412连接；净化器401通过第十电源与信号线束515与控制器516连接；净化器排放装置418安装在净化器401的上端。

所述的送料装置6，包括第一液态金属电磁泵601、第一两位三通电磁阀602、第十四导管603、第十五导管604、第十六导管605和第十七导管606；第一液态金属电磁泵601连接有第十五导管604，通过第十四导管603与第一两位三通电磁阀602连接，通过第四电源与信号线束509与控制器516连接；第一两位三通电磁阀602还连接有第十六导管605和第十七导管606，并通过第三电源与信号线束508与控制器516连接。

所述的抽取装置7，包括第二液态金属电磁泵701；第二两位三通电磁阀702；第十八导管703；第十九导管704；第二十导管705；第二液态金属电磁泵701连接有第十二导管312，通过第十八导管703与第二两位三通电磁阀702连接，通过第九电源与信号线束514与控制器516连接；第二两位三通电磁阀702还连接有第十九导管704和第二十导管705，并通过第八电源与信号线束513与控制器516连接。

一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统使用方法，包括以下步骤：

1）依据第一低熔点合金212的熔点，选用合适的第一热浴物质213注入热浴腔室204，当第一低熔点合金212的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；

2）打开盖板208，将固态的第一低熔点合金212加入到热浴内胆205中；

3）通过控制器516启动第二加热器202，加热第一热浴物质213；

4）通过控制器516启动净化器401、第二抽气泵411，抽取在热浴内胆205内加热第一热浴物质213时产生的有害气体并进行净化处理；

5）通过控制器516启动第二温度传感器210和第三温度传感器211；

6）通过控制器516利用第三温度传感器211采集到的温度数据，与初始设定的第一热浴物质213的加热温度数据进行比对，对第二加热器202进行PID控制，即当第一热浴物质213的加热温度上升到初始设定值以后，便开始对第一热浴物质213启动保温加热模式；

7）当热浴内胆205中的第一低熔点合金212完全处于熔融态，且第二温度传感器210采集的温度数据与初始设定的第一热浴物质213的加热温度数据一致时，熔融态的第一低熔点合金212制备完成；

8）通过控制器516启动第一两位三通电磁阀602，接通第十七导管606；通过控制器516启动第一液态金属电磁泵601，从热浴内胆205中抽取熔融态的第一低熔点合金212并注入到石墨容器109内；

9）通过控制器516启动第一加热器108、第一温度传感器105，对石墨容器109内的熔融态低熔点合金110进行PID模式的保温加热，使得熔融态低熔点合金110的温度始终维持在初始设定的第一热浴物质213的加热温度；

10）随着熔融态低熔点合金110的不断注入，被挤压在石墨容器109内熔融态低熔点合金110上方的空气的压力不断升高，当上升到初始设定的熔融态低熔点合金110的工作压力时，这些含有有害气体的空气自动地从第一自动排气阀102排出，经过第二气体单向阀416，进入净化器401进行净化处理；

11）通过控制器516启动压力传感器104，测量石墨容器109内熔融态低熔点合金110的压力，当压力达到初始设定的熔融态低熔点合金110的工作压力时，低熔点合金3D打印机开始三维打印工作；

12）通过控制器516，利用压力传感器104采集的数据，对第一液态金属电磁泵601进行PID模式的控制，当压力传感器104采集的数据低于熔融态低熔点合金110的工作压力时，提升第一液态金属电磁泵601的工作频率，反之则降低，使得石墨容器109内熔融态低熔点合金110的压力始终维持恒定；

13）当打印工作开始后，通过控制器516启动第一抽气泵402，利用风冷装置113抽取喷嘴112周围的空气，以快速冷却从喷嘴112挤出成型的熔融态低熔点合金110，提高打印效率，同时将合金凝固成型时释放的有害气体一并吸入到净化器401进行净化处理；

14）待喷头的三维打印工作完成后，通过控制器516启动第一两位三通电磁阀602，接通第十六导管605，第一液态金属电磁泵601持续从热浴腔室204抽取第一热浴物质并注入到石墨容器109，清理打印料材通道中的余料；

15）将承接装置310放置到喷嘴112的下方，使得从喷嘴112流出的熔融态低熔点合金110余料和第一热浴物质213通过第十一导管311注入到回收容器303；

16）回收容器303内原有的气体、熔融态低熔点合金110余料和第一热浴物质213释放的有害气体通过第二自动排气阀307，经过第一气体单向阀408、第二气管三通接头414，进入净化器401进行净化处理；

17）待石墨容器109内的熔融态低熔点合金110余料完全排进到回收容器303以后，关闭所有与熔融态低熔点合金制备装置2、送料装置6、喷头1、第一抽气泵402相关的电源线束、电源与信号线束；

18）通过控制器516启动第四温度传感器308，监测回收容器303中的第二低熔点合金314的温度数值；当第四温度传感器308采集的温度数据低于第二低熔点合金314的熔点时，表明回收容器303中的第二低熔点合金314已经完全冷却凝固；

19）通过控制器516启动第二两位三通电磁阀702，接通第十八导管703和第二十导管705；通过控制器516启动第二液态金属电磁阀701，从回收容器303中抽取第二热浴物质315，经过第二两位三通电磁阀702，回收注入到热浴腔室204；

20）待回收容器303中的第二热浴物质315被回收完后，关闭抽取装置7；通过控制器516启动第三加热器302，加热熔化回收容器303中已经冷却凝固的；

21）在加热第二低熔点合金314时产生的有害气体，通过第二自动排气阀307，经过第一气体单向阀408、第二气管三通接头414，进入净化器401进行净化处理；

22）当第四温度传感器308所采集的温度数据达到第二低熔点合金314的熔点时，通过控制器516启动第二液态金属电磁阀701，并同时启动第二两位三通电磁阀702，接通第十八导管703和第十九导管704，从回收容器303中抽取熔融态的第二低熔点合金314，经过第二两位三通电磁阀702，回收注入到热浴内胆205；

23）待第二低熔点合金314回收完毕，关闭回收装置3、抽取装置7，最终关闭控制装置5。

Claims (4)

1.一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统，包括喷头（1）、熔融态低熔点合金制备装置（2）、回收装置（3）、气体净化装置（4）、控制装置（5）、送料装置（6）和抽取装置（7），其特征在于，送料装置（6）将熔融态低熔点合金制备装置（2）制备的打印材料输送给喷头（1）；抽取装置（7）将回收装置（3）从喷头（1）收集到的打印余料输送给熔融态低熔点合金制备装置（2）；净化装置（4）将从喷头（1）、熔融态低熔点合金制备装置（2）和回收装置（3）收集到的有害气体进行净化处理后排放；控制装置（5）通过第一电源线束（501）、第二电源线束（502）、第三电源线束（503）、第四电源线束（504）、第五电源线束（505）、第一电源与信号线束（506）、第二电源与信号线束（507）、第三电源与信号线束（508）、为第四电源与信号线束（509）、第五电源与信号线束（510）、第六电源与信号线束（511）、第七电源与信号线束（512）、第八电源与信号线束（513）、第九电源与信号线束（514）、第十电源与信号线束（515）分别为喷头（1）、熔融态低熔点合金制备装置（2）、回收装置（3）、气体净化装置（4）、送料装置（6）和抽取装置（7）提供电源与控制信号；

所述的熔融态低熔点合金制备装置（2），包括隔热外壳（201）、第二加热器（202）、导热容器（203）、热浴腔室（204）、热浴内胆（205）、第二端盖（206）、第一接头（207）、盖板（208）、第二加热器接头（209）、第二温度传感器（210）、第三温度传感器（211）、第一低熔点合金（212）、第一热浴物质（213）、第三抽气接头（214）和第四接头（215），导热容器（203）和热浴内胆（205）套装在一起形成热浴腔室（204），用于填充第一热浴物质（213）；第二加热器（202）套装在导热容器（203）外侧，用于加热第一热浴物质（213）；隔热外壳201套装在第二加热器（202）外侧，第二加热器接头（209）安装在隔热外壳（201）的外圆上，通过第二电源线束（502）将第二加热器（202）与控制器（516）连接；第二端盖（206）安装在隔热外壳（201）的上端，第四接头（215）、第一接头（207）、盖板（208）、第三抽气接头（214）、第二温度传感器（210）和第三传感器（211）分别安装在第二端盖（206）上；第四接头（215）接有第十六导管（605）和第二十导管（705）；第一接头（207）接有第十七导管（606）和第十九导管（704）；盖板（208）打开后，可将固态第一低熔点合金（212）加入到热浴内胆（205）内；第三抽气接头（214）通过第七导管（412）与第二抽气泵（411）连接；第二温度传感器（210）通过第一电源与信号线束（506）与控制器（516）连接；第三温度传感器（211）通过第二电源与信号线束（507）与控制器（516）连接；

所述的喷头（1），包括第一加热器接头（101）、第一自动排气阀（102）进料接头（103）、压力传感器（104）、第一温度传感器（105）、第一端盖（106）、喷头外壳（107）、第一加热器（108）、石墨容器（109）、熔融态低熔点合金（110）、喷嘴接头（111）、喷嘴（112）、风冷装置（113）、气道（114）、第一抽气接头（115）和第二抽气接头（116）；第一加热器（108）套装在石墨容器（109）的外侧，用于加热熔融态低熔点合金（110）；喷头外壳（107）套装在第一加热器（108）的外侧，第一加热器接头（101）安装在喷头外壳（107）的外圆上，通过第三电源线束（503）将第一加热器（108）与控制器（516）连接；第一端盖（106）安装在喷头外壳（107）的上端，第一温度传感器（105）、压力传感器（104）、进料接头（103）和第一自动排气阀（102）分别安装在第一端盖（106）上；第一温度传感器（105）通过第六电源与信号线束（511）与控制器（516）连接；压力传感器（104）通过第五电源与信号线束（510）与控制器（516）连接；进料接头（103）接有第十五导管（604）；第一自动排气阀（102）接有第十导管（417）；喷头外壳（107）的下端面安装有喷嘴接头（111）；喷嘴（112）通过螺纹结构安装在喷嘴接头（111）上；风冷装置（113）套在喷嘴（112）的外侧，使用螺钉安装在喷嘴接头（111）的端面上；第一抽气接头（115）和第二抽气接头（116）安装在风冷装置（113）外壳两侧相对的位置上，分别接有第四导管（407）和第三导管（406）；

所述的回收装置（3），包括壳体（301）、第三加热器（302）、回收容器（303）、第三加热器接头（304）、第二接头（305）、第三接头（306）、第二自动排气阀（307）、第四温度传感器（308）、第三端盖（309）、承接装置（310）、第十一导管（311）、第十二导管（312）、第十三导管（313）、第二低熔点合金（314）和第二热浴物质（315）；第二低熔点合金（314）是来自于喷头（1）、送料装置（6）及其第十五导管（604）、第十四导管（603）中的打印余料；第二热浴物质（315）来自于热浴腔室（204），用于帮助回收打印余料；回收容器（303）用于盛装第二低熔点合金（314）和第二热浴物质（315）；第三加热器（302）套装在回收容器（303）的外侧，用于加热冷却固化的第二低熔点合金（314）；壳体（301）套装在第三加热器（302）的外侧，第三加热器接头（304）安装在壳体（301）的外圆上，通过第四电源线束（504）将第三加热器（302）与控制器（516）连接；第三端盖（309）安装在壳体（301）的上端，第二接头（305）、第三接头（306）、第二自动排气阀（307）和第四温度传感器（308）分别安装在第三端盖（309）上；第二接头（305）通过第十一导管（311）与承接装置（310）连接；第三接头（306）接有第十二导管（312）；第二自动排气阀（307）接有第十三导管（313）；第四温度传感器（308）通过第七电源与信号线束（512）与控制器（516）连接；

所述的气体净化装置（4），包括净化器（401）、第一抽气泵（402）、第一气管三通接头（403）、第一导管（404）、第二导管（405）、第三导管406、第四导管（407）、第一气体单向阀（408）、第五导管（409）、第六导管（410）、第二抽气泵（411）、第七导管（412）、第八导管（413）、第二气管三通接头（414）、第九导管（415）、第二气体单向阀（416）、第十导管（417）和净化器排放装置（418）；净化器（401）依序通过第二导管（405）、第一抽气泵（402）、第一导管（404）与第一气管三通接头（403）连接；第一气管三通接头403接有第三导管（406）和第四导管（407）；净化器（401）通过第八导管（413）连接第二气管三通接头（414）；第二气管三通接头（414）通过第九导管（415）连接第二气体单向阀（416），通过第六导管（410）连接第一气体单向阀（408）；第二气体单向阀（416）连接第十导管（417）；第一气体单向阀（408）连接第十三导管（313）；净化器（401）依序通过第六导管（410）、第二抽气泵（411），同第七导管（412）连接；净化器（401）通过第十电源与信号线束（515）与控制器（516）连接；净化器排放装置（418）安装在净化器（401）的上端；

所述的送料装置（6），包括第一液态金属电磁泵（601）、第一两位三通电磁阀（602）、第十四导管（603）、第十五导管（604）、第十六导管（605）和第十七导管（606）；第一液态金属电磁泵（601）连接有第十五导管（604），通过第十四导管（603）与第一两位三通电磁阀（602）连接，通过第四电源与信号线束（509）与控制器（516）连接；第一两位三通电磁阀（602）还连接有第十六导管（605）和第十七导管（606），并通过第三电源与信号线束（508）与控制器（516）连接；

所述的抽取装置（7），包括第二液态金属电磁泵（701）；第二两位三通电磁阀（702）；第十八导管（703）；第十九导管（704）；第二十导管（705）；第二液态金属电磁泵（701）连接有第十二导管（312），通过第十八导管（703）与第二两位三通电磁阀（702）连接，通过第九电源与信号线束（514）与控制器（516）连接；第二两位三通电磁阀（702）还连接有第十九导管（704）和第二十导管（705），并通过第八电源与信号线束（513）与控制器（516）连接。

2.根据权利要求1所述的一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统，其特征在于，所述的第一低熔点合金（212）是指由低熔点金属铋、铅、锡、镉、铟和汞元素构成的二元系或多元系合金。

3.根据权利要求1所述的一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统，其特征在于，所述的热浴内胆（205）材料为耐高温、不与合金浸润、导热性好的石墨；导热容器（203）材料为导热系统高、耐高温、具有良好的电绝缘性能的氧化铝陶瓷；所述的第一热浴物质（213）的材料，当第一低熔点合金（212）的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；所述的第二加热器（202）采用MCH陶瓷发热片；隔热外壳（201）采用耐高温、电绝缘性和隔热性好的聚四氟乙烯制作；第二端盖（206）采用聚四氟乙烯制作；石墨容器（109）的材料选用石墨；第一加热器（108）采用MCH陶瓷发热片制作；喷头外壳（107）采用聚四氟乙烯制作；第一端盖（106）采用聚四氟乙烯制作；回收容器（303）采用石墨；第三加热器（302）采用MCH陶瓷发热片制作；壳体（301）采用聚四氟乙烯制作；第三加热器接头（304）采用聚四氟乙烯制作。

4.一种FDM型低熔点合金3D打印机喷头系统使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）依据第一低熔点合金212的熔点，选用合适的第一热浴物质213注入热浴腔室204，当第一低熔点合金212的熔点低于100℃时选用水，高于100℃时选用二甲基硅油；

2）打开盖板208，将固态的第一低熔点合金212加入到热浴内胆205中；

3）通过控制器516启动第二加热器202，加热第一热浴物质213；

4）通过控制器516启动净化器401、第二抽气泵411，抽取在热浴内胆205内加热第一热浴物质213时产生的有害气体并进行净化处理；

5）通过控制器516启动第二温度传感器210和第三温度传感器211；

6）通过控制器516利用第三温度传感器211采集到的温度数据，与初始设定的第一热浴物质213的加热温度数据进行比对，对第二加热器202进行PID控制，即当第一热浴物质213的加热温度上升到初始设定值以后，便开始对第一热浴物质213启动保温加热模式；

7）当热浴内胆205中的第一低熔点合金212完全处于熔融态，且第二温度传感器210采集的温度数据与初始设定的第一热浴物质213的加热温度数据一致时，熔融态的第一低熔点合金212制备完成；

8）通过控制器516启动第一两位三通电磁阀602，接通第十七导管606；通过控制器516启动第一液态金属电磁泵601，从热浴内胆205中抽取熔融态的第一低熔点合金212并注入到石墨容器109内；

9）通过控制器516启动第一加热器108、第一温度传感器105，对石墨容器109内的熔融态低熔点合金110进行PID模式的保温加热，使得熔融态低熔点合金110的温度始终维持在初始设定的第一热浴物质213的加热温度；

10）随着熔融态低熔点合金110的不断注入，被挤压在石墨容器109内熔融态低熔点合金110上方的空气的压力不断升高，当上升到初始设定的熔融态低熔点合金110的工作压力时，这些含有有害气体的空气自动地从第一自动排气阀102排出，经过第二气体单向阀416，进入净化器401进行净化处理；

11）通过控制器516启动压力传感器104，测量石墨容器109内熔融态低熔点合金110的压力，当压力达到初始设定的熔融态低熔点合金110的工作压力时，低熔点合金3D打印机开始三维打印工作；

12）通过控制器516，利用压力传感器104采集的数据，对第一液态金属电磁泵601进行PID模式的控制，当压力传感器104采集的数据低于熔融态低熔点合金110的工作压力时，提升第一液态金属电磁泵601的工作频率，反之则降低，使得石墨容器109内熔融态低熔点合金110的压力始终维持恒定；

13）当打印工作开始后，通过控制器516启动第一抽气泵402，利用风冷装置113抽取喷嘴112周围的空气，以快速冷却从喷嘴112挤出成型的熔融态低熔点合金110，提高打印效率，同时将合金凝固成型时释放的有害气体一并吸入到净化器401进行净化处理；

14）待喷头的三维打印工作完成后，通过控制器516启动第一两位三通电磁阀602，接通第十六导管605，第一液态金属电磁泵601持续从热浴腔室204抽取第一热浴物质并注入到石墨容器109，清理打印料材通道中的余料；

15）将承接装置310放置到喷嘴112的下方，使得从喷嘴112流出的熔融态低熔点合金110余料和第一热浴物质213通过第十一导管311注入到回收容器303；

16）回收容器303内原有的气体、熔融态低熔点合金110余料和第一热浴物质213释放的有害气体通过第二自动排气阀307，经过第一气体单向阀408、第二气管三通接头414，进入净化器401进行净化处理；

17）待石墨容器109内的熔融态低熔点合金110余料完全排进到回收容器303以后，关闭所有与熔融态低熔点合金制备装置2、送料装置6、喷头1、第一抽气泵402相关的电源线束、电源与信号线束；

18）通过控制器516启动第四温度传感器308，监测回收容器303中的第二低熔点合金314的温度数值；当第四温度传感器308采集的温度数据低于第二低熔点合金314的熔点时，表明回收容器303中的第二低熔点合金314已经完全冷却凝固；

19）通过控制器516启动第二两位三通电磁阀702，接通第十八导管703和第二十导管705；通过控制器516启动第二液态金属电磁阀701，从回收容器303中抽取第二热浴物质315，经过第二两位三通电磁阀702，回收注入到热浴腔室204；

20）待回收容器303中的第二热浴物质315被回收完后，关闭抽取装置7；通过控制器516启动第三加热器302，加热熔化回收容器303中已经冷却凝固的；

21）在加热第二低熔点合金314时产生的有害气体，通过第二自动排气阀307，经过第一气体单向阀408、第二气管三通接头414，进入净化器401进行净化处理；

22）当第四温度传感器308所采集的温度数据达到第二低熔点合金314的熔点时，通过控制器516启动第二液态金属电磁阀701，并同时启动第二两位三通电磁阀702，接通第十八导管703和第十九导管704，从回收容器303中抽取熔融态的第二低熔点合金314，经过第二两位三通电磁阀702，回收注入到热浴内胆205；

23）待第二低熔点合金314回收完毕，关闭回收装置3、抽取装置7，最终关闭控制装置5。