CN108099179A - 一种用于电场驱动熔融喷射沉积3d打印的双加热集成喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头，它解决了喷头易堵，打印稳定性和连续性差，喷头调节困难等问题，其实现储料桶和喷嘴加温度精准调控，打印过程中喷头温度保持设定的温度，其技术方案为：包括打印喷嘴，所述打印喷嘴外周套设针头加热器，所述打印喷嘴顶部与储料筒连通，所述储料筒外周套设环形加热器；所述针头加热器处设置有监测打印喷嘴处温度的针头热电偶，所述环形加热器处设置有监测储料筒温度的储料筒热电偶。

Description

一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头

技术领域

本发明涉及增材制造和3D打印技术领域，特别是涉及一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头。

背景技术

电场驱动熔融喷射沉积3D打印是一种新型的高分辨率熔融喷射沉积成形增材制造技术，它具有打印精度和分辨率高，打印分辨率不受喷嘴尺寸的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造，可用于材料种类广泛，尤其是它具有宏/微跨尺度一体化打印显著优势。但是，目前现有电场驱动熔融喷射沉积3D打印、(近场)静电纺丝直写、热熔融电喷印等使用的喷头都是采用只对储料区域加热，喷嘴处不加热。这种喷头结构存在以下问题：(1)喷嘴容易堵塞，尤其是打印暂停时间较长或者关机后，再重新打印时，在喷嘴针尖末端的材料难以实现熔化，导致喷头堵住；(2)打印过程中稳定性差；(3)弯液面的调节困难；(4)打印材料挤出喷射阻力大；(5)喷头散热快，保温差；(6)根据打印实际状况，难以实现喷头温度的精准调控；(7)连续打印性能差，打印稳定性差；(8)喷头适应性和可移植性差。迫切需要开发适合电场驱动熔融喷射沉积3D打印的新型喷头。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头，其实现储料桶和喷嘴加温度精准调控，打印过程中喷头温度保持设定的温度，解决喷头易堵，打印稳定性和连续性差，喷头调节困难等问题；

本发明具体采用的方案为：(1)采用环形加热器与喷嘴(针头)加热器双加热模块一体化控制，对储料筒和喷嘴针尖部位的加热和温度分别精准调节和控制；(2)采用武藏式针头，针头便于加热，且武藏喷嘴前端管道内部形状更好的减少了阻力，从而确保了高流动性；(3)储料筒和喷嘴针尖分别设置热电偶，实时检测和反馈储料筒和喷嘴针尖的温度；(4)整个喷头用保温外套包裹，温度的稳定性和保温性能好；(5)通过调节喷嘴加热器，能够对熔融弯液面精准调控；(6)结合气压辅助驱动，精准调控背压。

具体的，本发明采用下述技术方案：

一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头，包括打印喷嘴，所述打印喷嘴外周套设针头加热器，所述打印喷嘴顶部与储料筒连通，所述储料筒外周套设环形加热器；所述针头加热器处设置有监测打印喷嘴处温度的针头热电偶，所述环形加热器处设置有监测储料筒温度的储料筒热电偶。

进一步的，所述储料筒顶部安装金属适配器，本发明中的金属适配器为盖状结构，与储料筒密封安装，用于储料筒与气压管路的连接。

进一步的，所述打印喷嘴和储料筒设置于保温外套内。

进一步的，所述保温外套包括绝缘外套，绝缘外套底部设有供打印喷嘴端部穿出的针尖孔。

进一步的，所述绝缘外套上部为环形加热器安放区，绝缘外套下部为针头加热器安放区。

进一步的，所述绝缘外套内壁沿周向设置环形加热器安放卡槽。

进一步的，所述绝缘外套侧壁设有供导线穿出的导线孔。

进一步的，所述针头加热器包括套设于打印喷嘴外的加热块，加热块设有热电偶插孔以安放针头热电偶，加热块还设有热电阻插孔以安放针头热电阻。

进一步的，所述热电偶插孔内侧设置绝缘材料层。

进一步的，所述储料筒内置有打印材料，所述打印喷嘴为武藏式针头。

进一步的，所述环形加热器为陶瓷加热圈，环形加热器由三层结构组成，最外层为不锈钢层，中间层为保温棉层，最内层为镍铬电阻丝。

进一步的，所述储料筒为绝缘导热材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)喷嘴采用武藏式喷嘴，喷嘴针尖不易损坏，提高打印的稳定性和可靠性。相对于普通喷头，武藏喷嘴前端管道内部形状能够有效的减少熔体流出的阻力。另外，与现有电流体动力喷射打印所用的喷嘴相比较，武藏喷嘴针头前段内部较短，不易堵塞，提高喷头使用寿命。内径抛光处理，提高针头内部表面光滑度，实现微量材料稳定挤出。

(2)采用双加热模块一体化控制(温度、压力)集成喷头，对储料筒以及喷嘴分别加热和精准调控。提高打印精度、质量和可控性。

(3)利用喷嘴(针头)加热器和针头热电偶，对于熔融弯液面精准调控，提高打印的精度和稳定性。

(4)采用保温外套结构，外套内部结构即能起到固定定位效果，又能起到保温效果。

(5)喷头采用模块化结构，移植性和适用性好。

(6)喷头具有良好的抗堵性能，提高打印过程的稳定性和连续性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明双加热集成喷头的剖面示意图；

图2是本发明双加热集成喷头的针头加热器示意图；

图3是本发明双加热集成喷头的保温外套剖面示意图；

图中，1针头加热器，101加热块，102针头插孔，103热电阻插孔，104热电偶插孔，2针头热电偶，3打印喷嘴，4打印材料，5储料筒，6环形加热器，7保温外套，701绝缘外套，702导线孔，703环形加热器安放区，704环形加热器安放卡槽，705针头加热器安放区，706针尖孔，8储料筒热电偶，9金属适配器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在喷头易堵，打印稳定性和连续性差，喷头调节困难等问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头，它包括：针头加热器1、针头热电偶2、打印喷嘴3、打印材料4、储料筒5、环形加热器6、保温外套7、储料筒热电偶8，金属适配器9。其中，打印喷嘴3外周套设针头加热器1，针头加热器1置于最下端，在其中部设置针头热电偶2监测打印喷嘴处温度，打印喷嘴3与储料筒4相连接，打印材料4置于储料筒5内部，环形加热器6置于储料筒4外部且包裹在储料筒4外壁上，储料筒热电偶8置于环形加热器6之上且与储料筒外壁直接相连接监测储料筒温度，金属适配器9置于储料筒4最上端，保温外套7将整个喷头包裹，针头1穿过保温外套7。

打印喷嘴3为武藏式针头，不锈钢材料，喷嘴内径为0.1mm，安装在储料筒5上。

环形加热器6是陶瓷加热圈，最外部是不锈钢，中间层是耐高温保温棉，内部是镍铬电阻丝。环形加热器加热温度0-6000℃。本实施例中环形加热器加热温度500℃。

针头加热器1尺寸为略短于喷嘴尺寸，当其与喷嘴紧密结合后，保证针尖部位可以通过针尖孔露出。针头加热器加热温度0-6000℃。

储料筒5为绝缘导热材料制成，本实施例中为10ml加厚玻璃针筒，总长度为127.3mm，直径19mm，筒体长度109.5mm。

金属适配器9为盖状结构，是金属材质耐高温，并且与储料筒可以紧密结合，用于储料筒与气压管路的连接。

图2是本发明的打印喷头针头加热器示意图，它包括：加热块101，针头插孔102，热电阻插孔103，热电偶插孔104。其中，武藏式针头1插入针头插孔102，与针头加热器1紧密连接，并将针头热电阻与针头热电偶1分别插入热电阻插孔103以安放针头热电阻与热电偶插孔104以安放针头热电偶。加热块101套设于打印喷嘴3外。

热电偶插孔104内部有一层绝缘材料，保证热电偶处与针头加热器处于绝缘状态。

图3是本发明的打印喷头保温外套剖面示意图，它包括绝缘外套701，导线孔702，环形加热器安放区703，环形加热器安放卡槽704，针头加热器安放区705，针尖孔706。绝缘外套701可以采用石膏(或者陶瓷)材质。其中环形加热器6置于环形加热器安放区703，并通过环形加热器卡槽704与绝缘外套701固定相连，针头加热器1安放于针头加热器安放区705，打印喷嘴3通过针尖孔706露出于绝缘外套701，绝缘外套701内部线路均有导线孔702穿出绝缘外套701，并与温控器相连。

本实施例中绝缘外套701为石膏材质，具有保温绝缘功能，同时可以确保针头模块在加热过程中安全可靠。

环形加热器卡槽704为环形凸出结构，用于环形加热器的固定与定位。针尖孔706尺寸为略大于针尖尺寸，可供针尖伸出喷射打印材料。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于电场驱动熔融喷射沉积3D打印的双加热集成喷头，其特征是，包括打印喷嘴，所述打印喷嘴外周套设针头加热器，所述打印喷嘴顶部与储料筒连通，所述储料筒外周套设环形加热器；所述针头加热器处设置有监测打印喷嘴处温度的针头热电偶，所述环形加热器处设置有监测储料筒温度的储料筒热电偶；

所述储料筒顶部设置有金属适配器；

所述打印喷嘴和储料筒设置于保温外套内；所述保温外套包括绝缘外套，绝缘外套底部设有供打印喷嘴端部穿出的针尖孔；所述绝缘外套上部为环形加热器安放区，绝缘外套下部为针头加热器安放区；所述绝缘外套内壁沿周向设置环形加热器安放卡槽；所述绝缘外套侧壁设有供导线穿出的导线孔；

所述针头加热器包括套设于打印喷嘴外的加热块，加热块设有热电偶插孔以安放针头热电偶，加热块还设有热电阻插孔以安放针头热电阻；所述热电偶插孔内侧设置绝缘材料层；

所述储料筒内置有打印材料，所述打印喷嘴为武藏式针头；所述储料筒为绝缘导热材料制成。

2.如权利要求1所述的喷头，其特征是，所述环形加热器为陶瓷加热圈，环形加热器由三层结构组成，最外层为不锈钢层，中间层为保温棉层，最内层为镍铬电阻丝。