CN107498865B - 一种旋转式多材料3d打印喷头装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转式多材料3D打印喷头装置，包括与打印机的Z轴连接的由固定支架，固定支架上安装有驱动电机，驱动电机输出轴上连接有扇形转盘，扇形转盘安装有多个内置嵌块，每个内置嵌块和单个喷头模块的喷头卡具配合安装，所有喷头模块的喷头卡具均设置在固定外壳和扇形转盘固定连接后内置嵌块和固定外壳构成的安装孔内，每个喷头卡具两端分别连接一个通用喷头，上部的通用喷头通过软管与注射器连接，底部的通用喷头实现材料输出；驱动电机控制扇形转盘旋转，实现不同喷头模块间的切换；本发明不仅可以实现多个喷头的精确安装定位和自动切换，而且简化了打印轨迹。

Description

一种旋转式多材料3D打印喷头装置

技术领域

本发明涉及微纳3D打印技术领域，具体涉及一种旋转式多材料3D打印喷头装置。

背景技术

微纳结构因其特有的微纳尺度效应及便于器件小型化等优势，在柔性电子、组织工程、航空航天等领域具有广泛的应用价值。微纳3D打印技术具有直接成形、无需掩膜、选材广泛等优势，已成为微纳结构制备的重要手段。多材料微纳3D技术是近年来兴起的研究热点，可实现多种材料结合的复杂微纳结构制备，具有重要的研究及应用价值。3D打印喷头是实现多材料打印的关键部件，直接影响到微纳结构的成形效果及成形效率。目前，现用的多喷头结构多是直接固定在Z轴上，喷头切换需依赖平台运动，增大了打印轨迹制定难度。此外，现有喷头与注射器之间的连接存在更换难度大、清洗不便等不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种旋转式多材料3D打印喷头装置，通过电机控制不同喷头之间的准确切换，实现多材料的静电/挤出式3D打印。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种旋转式多材料3D打印喷头装置，包括与打印机的Z轴连接的由固定支架1，固定支架1上安装有驱动电机2，驱动电机2输出轴上连接有扇形转盘3，扇形转盘3安装有多个内置嵌块6，每个内置嵌块6通过固定螺栓9与扇形转盘3连接；每个内置嵌块6和单个喷头模块的喷头卡具5配合安装，所有喷头模块的喷头卡具5均设置在固定外壳4和扇形转盘3固定连接后内置嵌块6和固定外壳4构成的安装孔内，喷头卡具5通过绝缘螺钉7和内置嵌块6紧固，每个喷头卡具5两端分别连接一个通用喷头8，上部的通用喷头8通过软管10与注射器11连接，底部的通用喷头8实现材料输出。

所述的驱动电机2为可编程控制电机，驱动电机2与计算机连接，计算机通过控制程序实现驱动电机2的旋转，进行通用喷头8的切换；驱动电机2的控制程序还能够集成到打印轨迹控制程序内，实现打印过程中的通用喷头8动态切换。

所述的扇形转盘3的弧度和大小根据喷头模块数量确定，扇形转盘3的圆弧边设计有放置内置嵌块6的凹槽及固定螺栓9的定位孔，扇形转盘3的加工材料为轻质绝缘材料。

所述的固定外壳4采用绝缘材料。

所述的喷头卡具5为圆柱形中通结构，由导电材料加工，圆柱外径为6mm至10mm；圆柱形结构中间开通孔，通孔孔径为60μm至1μm；喷头卡具5与通用喷头8连接后，该通孔与通用喷头8的针管相通，实现材料流通；在喷头卡具5两端设计有带锥度的圆台，与通用喷头8之间使用过盈配合方式连接。

所述的内置嵌块6由导电材料加工，内置嵌块6外侧设计有半圆形凹槽，用于喷头卡具5的定位；内置嵌块6与扇形转盘3的固定螺栓9能够连接导线，导线与电源正极连接用于静电打印时的电压提供。

所述的通用喷头8为标准注射器喷头，根据工艺需求选取内径60μm至1mm之间任意尺寸的喷头。

所述的通用喷头8与喷头卡具5之间采用过盈配合方式连接，打印材料在单个喷头模块的通过顺序为：注射器11、软管10、上部的通用喷头8、喷头卡具5、下部的通用喷头8。

一种旋转式多材料3D打印喷头装置的打印方法，包括以下步骤：

1)配置多种打印材料溶液，分别装载入多个注射器11内，每个注射器11依次连接软管10、上部的通用喷头8、喷头卡具5、下部的通用喷头8，连接后推进注射器11，使打印材料从下部的通用喷头8末端流出；

2)将连接好通用喷头8的喷头卡具5放置在由内置嵌块6和固定外壳4构成的安装孔内，使通用喷头8最下端与打印接收基底接触；拧紧绝缘螺栓7，使喷头卡具5与内置嵌块6上的凹槽紧密贴合；控制打印机Z轴上升一定的距离，即为打印接收距离；

3)通过控制不同注射器11的推进，或者静电打印时的工作电压来控制单个喷头位置的工艺启停；多个通用喷嘴8能够实现不同材料的同时打印；打印过程中计算机控制驱动电机2旋转特定角度，实现相同打印位置上不同通用喷头8的切换，从而实现不同打印材料的堆积；

4)打印完成后，停止注射器11推进，拧开绝缘螺栓7，将通用喷头8、喷头卡具5、软管10取出；分离通用喷头8和喷头卡具5，使用注射器11分别对通用喷头8、喷头卡具5、软管10进行清洗；清洗后放置到干燥箱内备下次使用。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

(1)多个喷头模块安装在扇形转盘3上，具备相互独立的通道，能够实现多种材料的独立供给和打印，也可以实现相同材料的高效率多轨迹打印。

(2)使用可编程驱动电机2控制扇形转盘3旋转，实现通用喷头8的切换，并与打印轨迹集成，提高了通用喷头8切换的效率和精度，自动化程度高。仅通过驱动电机2的旋转，不需要移动Z轴即可实现通用喷头8切换，大大降低了打印轨迹制定的工作量。

(3)内置嵌块6与喷头卡具5之间使用半圆形凹槽与圆柱形卡具配合的方式，不仅便于安装容易定位，而且保证了多次安装时的重复定位精度。

(4)所使用的通用喷头8为标准注射器喷头，喷头内径可在60μm至1mm之间任意选取，可以实现多种尺度结构的打印需求。并且通用喷头8更换简单，在发生堵塞时可以方便地更换新的通用喷头8。软管10、通用喷头8、喷头卡具5均可以单独清洗和更换，方便了试验后的管路清洗，降低了管路堵塞时的更换成本。

(5)使用绝缘螺钉7实现喷头模块的定位和夹紧，有效避免静电打印时的操作触电危险，更加安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的单个喷头模块的连接示意图。

图3为本发明的喷头卡具5的结构示意图。

图4为本发明的内置嵌块6的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2、图3和图4，一种旋转式多材料3D打印喷头装置，包括与打印机的Z轴连接的由固定支架1，固定支架1上安装有驱动电机2，驱动电机2输出轴上连接有扇形转盘3，扇形转盘3安装有多个内置嵌块6，每个内置嵌块6通过固定螺栓9与扇形转盘3连接；每个内置嵌块6和单个喷头模块的喷头卡具5配合安装，所有喷头模块的喷头卡具5均设置在固定外壳4和扇形转盘3固定连接后内置嵌块6和固定外壳4构成的安装孔内，喷头卡具5通过绝缘螺钉7和内置嵌块6紧固，每个喷头卡具5两端分别连接一个通用喷头8，上部的通用喷头8通过软管10与注射器11连接，底部的通用喷头8实现材料输出；驱动电机2控制扇形转盘3旋转，实现不同喷头模块间的切换。

所述的固定支架1上设计有安装孔，直接与打印机Z轴连接固定。

所述的驱动电机2为可编程控制电机，驱动电机2与计算机连接，计算机通过控制程序实现驱动电机2的旋转，进行通用喷头8的切换；驱动电机2的控制程序还可集成到打印轨迹控制程序内，实现打印过程中的通用喷头8动态切换。

所述的扇形转盘3的弧度和大小根据喷头模块数量确定，扇形转盘3的圆弧边设计有放置内置嵌块6的凹槽及固定螺栓9的定位孔，扇形转盘3的加工材料为聚四氟乙烯、有机玻璃等轻质绝缘材料。

所述的固定外壳4采用聚四氟乙烯、有机玻璃等绝缘材料，可以对喷头模块进行定位和保护，同时可以在静电打印时防止操作触电。

参照图3，所述的喷头卡具5为圆柱形中通结构，由不锈钢、铝合金等导电材料加工，圆柱外径为6mm至10mm；圆柱形结构中间开通孔，通孔孔径为60μm至1μm；喷头卡具5与通用喷头8连接后，该通孔与通用喷头8的针管相通，实现材料流通；在喷头卡具5两端设计有带锥度的圆台，与通用喷头8之间使用过盈配合方式连接。

参照图4，所述的内置嵌块6由铝合金、不锈钢等导电材料加工，内置嵌块6外侧设计有半圆形凹槽，用于喷头卡具5的定位；内置嵌块6与扇形转盘3的固定螺栓9能够连接导线，导线与电源正极连接用于静电打印时的电压提供。

所述的绝缘螺钉7用于将喷头卡具5与内置嵌块6的顶紧，实现喷头卡具5的固定。

所述的通用喷头8为标准注射器喷头，根据工艺需求选取内径60μm至1mm之间任意尺寸的喷头。

所述的固定螺栓9为普通螺栓，实现内置嵌块6在扇形转盘3上的固定，同时可用于静电打印时正极导线的连接。

所述的通用喷头8与喷头卡具5之间采用过盈配合方式连接，喷头卡具5放置在内置嵌块6与固定外壳4构成的通孔内，并由绝缘螺钉7顶紧固定；打印材料在单个喷头模块的通过顺序为：注射器11、软管10、上部的通用喷头8、喷头卡具5、下部的通用喷头8。

一种旋转式多材料3D打印喷头装置的打印方法，包括以下步骤：

1)配置多种打印材料溶液，分别装载入多个注射器11内，每个注射器11依次连接软管10、上部的通用喷头8、喷头卡具5、下部的通用喷头8，连接后推进注射器11，使打印材料从下部的通用喷头8末端流出，保证打印材料流通良好；

2)将连接好通用喷头8的喷头卡具5放置在由内置嵌块6和固定外壳4构成的安装孔内，使通用喷头8最下端与打印接收基底接触；拧紧绝缘螺栓7，使喷头卡具5与内置嵌块6上的凹槽紧密贴合；控制打印机Z轴上升一定的距离，即为打印接收距离；

3)通过控制不同注射器11的推进，或者静电打印时的工作电压来控制单个喷头位置的工艺启停；多个通用喷嘴8能够实现不同材料的同时打印；打印过程中计算机控制驱动电机2旋转特定角度，实现相同打印位置上不同通用喷头8的切换，从而实现不同打印材料的堆积；

4)打印完成后，停止注射器11推进，拧开绝缘螺栓7，将通用喷头8、喷头卡具5、软管10取出；分离通用喷头8和喷头卡具5，使用注射器11分别对通用喷头8、喷头卡具5、软管10进行清洗；清洗后放置到干燥箱内备下次使用。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种旋转式多材料3D打印喷头装置，包括与打印机的Z轴连接的由固定支架(1)，其特征在于：固定支架(1)上安装有驱动电机(2)，驱动电机(2)输出轴上连接有扇形转盘(3)，扇形转盘(3)安装有多个内置嵌块(6)，每个内置嵌块(6)通过固定螺栓(9)与扇形转盘(3)连接；每个内置嵌块(6)和单个喷头模块的喷头卡具(5)配合安装，所有喷头模块的喷头卡具(5)均设置在固定外壳(4)和扇形转盘(3)固定连接后内置嵌块(6)和固定外壳(4)构成的安装孔内，喷头卡具(5)通过绝缘螺钉(7)和内置嵌块(6)紧固，每个喷头卡具(5)两端分别连接一个通用喷头(8)，上部的通用喷头(8)通过软管(10)与注射器(11)连接，底部的通用喷头(8)实现材料输出；

所述的内置嵌块(6)由导电材料加工，内置嵌块(6)外侧设计有半圆形凹槽，用于喷头卡具(5)的定位；内置嵌块(6)与扇形转盘(3)的固定螺栓(9)能够连接导线，导线与电源正极连接用于静电打印时的电压提供；

所述的通用喷头(8)与喷头卡具(5)之间采用过盈配合方式连接，打印材料在单个喷头模块的通过顺序为：注射器(11)、软管(10)、上部的通用喷头(8)、喷头卡具(5)、下部的通用喷头(8)；

所述的驱动电机(2)为可编程控制电机，驱动电机(2)与计算机连接，计算机通过控制程序实现驱动电机(2)的旋转，进行通用喷头(8)的切换；驱动电机(2)的控制程序还能够集成到打印轨迹控制程序内，实现打印过程中的通用喷头(8)动态切换；

所述的通用喷头(8)为标准注射器喷头，根据工艺需求选取内径60μm至1mm之间任意尺寸的喷头；

所述的扇形转盘(3)的弧度和大小根据喷头模块数量确定，扇形转盘(3)的圆弧边设计有放置内置嵌块(6)的凹槽及固定螺栓(9)的定位孔，扇形转盘(3)的加工材料为轻质绝缘材料；

所述的喷头卡具(5)为圆柱形中通结构，由导电材料加工，圆柱外径为6mm至10mm；圆柱形结构中间开通孔，通孔孔径为60μm至1mm；喷头卡具(5)与通用喷头(8)连接后，该通孔与通用喷头(8)的针管相通，实现材料流通；在喷头卡具(5)两端设计有带锥度的圆台，与通用喷头(8)之间使用过盈配合方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式多材料3D打印喷头装置，其特征在于：所述的固定外壳(4)采用绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式多材料3D打印喷头装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配置多种打印材料溶液，分别装载入多个注射器(11)内，每个注射器(11)依次连接软管(10)、上部的通用喷头(8)、喷头卡具(5)、下部的通用喷头(8)，连接后推进注射器(11)，使打印材料从下部的通用喷头(8)末端流出；

2)将连接好通用喷头(8)的喷头卡具(5)放置在由内置嵌块(6)和固定外壳(4)构成的安装孔内，使通用喷头(8)最下端与打印接收基底接触；拧紧绝缘螺钉(7)，使喷头卡具(5)与内置嵌块(6)上的凹槽紧密贴合；控制打印机Z轴上升一定的距离，即为打印接收距离；

3)通过控制不同注射器(11)的推进，或者静电打印时的工作电压来控制单个喷头位置的工艺启停；多个通用喷头(8)能够实现不同材料的同时打印；打印过程中计算机控制驱动电机(2)旋转特定角度，实现相同打印位置上不同通用喷头(8)的切换，从而实现不同打印材料的堆积；

4)打印完成后，停止注射器(11)推进，拧开绝缘螺钉(7)，将通用喷头(8)、喷头卡具(5)、软管(10)取出；分离通用喷头(8)和喷头卡具(5)，使用注射器(11)分别对通用喷头(8)、喷头卡具(5)、软管(10)进行清洗；清洗后放置到干燥箱内备下次使用。

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