CN108248041B - 一种喷嘴口径可调的3d打印机喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头，包括转子和喷嘴组件；所述转子包括蓄热块、储料管、喉管、隔热垫片、螺丝和螺母；所述喷嘴组件包括第一垫片、喷嘴围片、第二垫片、导向盘和控制盘。喷嘴围片相互配合围成一多边形的喷嘴流道，在导向盘上有引导喷嘴围片运动的引导沟槽负责引导喷嘴围片的运动方向。控制盘与导向盘相配合，两者之间的相对转动可以改变喷嘴围片所围多边形边长的大小，实现了打印喷嘴流通面积的尺寸可调。所述蓄热块通过螺丝和螺母与储料管连接，可以有效提高蓄热块与储料管之间的传热热阻。

Description

一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头
技术领域
本发明涉及3D打印机，具体是一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头。
背景技术
3D打印机是累积制造技术，即快速成型技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等材料来制造三维物体实物的机器。
其中采用熔融沉积(FMD)和熔丝制造(FFF)原理的打印机是在融料腔内压力的作用下通过喷嘴将融料腔内熔融态的物料导入模型特定位置中并在自然冷却或强制冷却下凝固成固态，喷嘴的口径决定了打印机所能打印的最小模型截面积以及最大层厚。较小口径的喷嘴可以打印更小的模型截面积以及更薄的壁厚，这决定了打印机对模型细节的展现。较大口径的喷嘴可以打印更厚的层厚以及更宽的线宽或更大的液滴，这决定打印机的成型速度。现有3D打印机均采用固定口径的喷嘴进行目标模型的打印，但目标模型各区域的形状以及尺寸具有差异，固定口径的喷嘴无法根据打印区域的变化做出适应性的调整，使得现有3D打印机对打印速度和模型细节的展示两方面只能相互妥协无法做到共同满足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头，包括机座、外壳、推力轴承、施压垫片、封头、伺服舵机、控制连杆、舵机摇臂、散热风扇和电热管；所述外壳、伺服舵机和散热风扇固定在机座上；所述舵机摇臂安装在伺服舵机的转轴上；所述控制连杆的一端与舵机摇臂连接；推力轴承的一端面上同轴布置有施压垫片；施压垫片上布置有封头；封头与外壳螺纹连接；
其特征在于该喷头还包括转子和喷嘴组件；所述转子包括蓄热块、储料管、喉管、隔热垫片、螺丝和螺母；所述喷嘴组件包括第一垫片、喷嘴围片、第二垫片、导向盘和控制盘；
所述转子放置于外壳的腔体内；所述控制连杆的另一端与转子的螺丝中的一个连接；所述蓄热块通过螺丝和螺母与储料管连接；所述蓄热块内具有融料腔和电热管预留孔；所述储料管内具有储料通道；所述喉管的两端分别与储料通道和融料腔连接；融料腔、储料通道和喉管共轴线布置；螺丝与储料管之间、储料管与蓄热块之间均设置有隔热垫片；所述电热管安装在蓄热块的电热管预留孔内并通过螺柱压紧，其导线延伸出喷头外；所述推力轴承同轴布置于储料管上，另一端面与储料管紧密贴合；
所述导向盘的一表面固定在蓄热块上；所述控制盘固定在外壳上；所述导向盘中间开孔，另一表面上制有多边形且每边向同一旋转方向延伸出导向盘的引导沟槽，多边形的边数与喷嘴围片的片数对应；所述控制盘中心开孔，并围绕其中心开孔均匀开有多个两端圆形中间矩形的控制孔；所述喷嘴围片的主体为扇形结构，扇形一端面制有限位块，另一端面制有凸笋和喷嘴凸台；喷嘴围片装配在导向盘上，限位块置于导向沟槽内；喷嘴围片相互配合围成一个边长可变的多边形喷嘴流道；所述第一垫片位于喷嘴围片与导向盘之间；所述控制盘装配于喷嘴围片上，喷嘴围片位于导向盘与控制盘之间，凸笋插入控制孔内；喷嘴凸台将喷嘴流道延伸出控制盘的中心开孔；所述第二垫片位于喷嘴围片与控制盘之间。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)用喷嘴组件替换了传统3D打印机上的喷嘴。本喷嘴组件包括导向盘、控制盘与多片顶角和为360度的喷嘴围片。喷嘴围片相互配合围成一多边形的喷嘴流道，在导向盘上有引导喷嘴围片运动的引导沟槽负责引导喷嘴围片的运动方向。控制盘与导向盘相配合，两者之间的相对转动可以改变喷嘴围片所围多边形边长的大小，实现了打印喷嘴流通面积的尺寸可调。当打印模型外壁和细节时使用喷嘴小直径状态可以提高表面精度、加强细节的刻画；打印大型平面或者模型内部时，使用喷嘴的大直径状态可以提高打印速度，降低打印时间；在模型打印终止时或喷嘴不需将物料送入模型时可以将喷嘴流道关闭减少拉丝，提高打印模型的质量。
(2)采用了新的储料管与蓄热块的连接方式。为传递扭力，蓄热块与储料管之间放弃了传统使用螺纹管的连接方式，采用在两者间设置隔热垫后使用紧固件如螺钉、螺母连接，并使用可以在打印头工作温度下稳定工作同时具有较大热阻的材料如聚四氟乙烯制成的喉管将储料管与蓄热块之间连接，可以有效提高蓄热块与储料管之间的传热热阻，从而减小储料管散热的热负荷，减小换热面积，缩减储料管体积。且采用多个储料通道时可以有效的减少打印头的体积。
(3)喉管与融料腔采用过盈配合防止融料腔中熔融态的物料泄漏；储料管中设置有一处缩孔，防止喉管在受到融料腔内压力下滑出蓄热块。
(4)由于施压垫片由橡胶或其他弹性材料制成，摩擦阻力较大，故将推力轴承安装于转子与施压垫片之间，使转子不与施压垫片直接接触，减小了转子转动时的阻力。
(5)第一垫片采用硬度高于喷嘴围片的材料，防止喷嘴围片对第一垫片产生切削产生碎屑堵塞喷头。同时第一垫片内孔以及边缘倒圆角防止对喷嘴围片产生切削。
(6)由于制造时会有误差存在，各喷嘴围片尺寸会存在细小误差，用弹性材料制成的第二垫片会使每片喷嘴围片均匀的受到压紧力，防止因喷嘴围片受力不均产生缝隙，导致熔融态物料从缝隙处泄漏。
附图说明
图1为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的整体结构示意图。
图2为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的整体结构剖视图。
图3为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的转子轴测示意图。
图4为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的转子剖视示意图。
图5为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的蓄热块与导向盘连接示意图。
图6为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的外壳与控制盘连接示意图。
图7为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的喷嘴组件整体示意图。
图8为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的喷嘴组件爆炸示意图。
图9为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的采用四进料口一挤出口时转子的轴测示意图。
图10为本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头一种实施例的采用四进料口一挤出口时转子部分剖视示意图。
图中：1、机座；2、外壳；3、蓄热块；4、储料管；5、喉管；6、推力轴承；7、施压垫片；8、封头；9、融料腔封头；10、伺服舵机；11、控制连杆；12、舵机摇臂；13、隔热垫片；14、螺丝；15、散热风扇；16、螺母；17、第一垫片；18、喷嘴围片；19、第二垫片；20、导向盘；21、控制盘；22、电热管；23、螺柱；301、融料腔；302、电热管预留孔；401、储料通道；181、限位块；182、凸笋；183、喷嘴凸台；201、引导沟槽；211、控制孔；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头(参见图1-10，简称喷头)，包括机座1、外壳2、推力轴承6、施压垫片7、封头8、伺服舵机10、控制连杆11、舵机摇臂12、散热风扇15和电热管22；所述机座1用于将喷头安装于主机上；所述外壳2、伺服舵机10和散热风扇15固定在机座1上；所述外壳2为管状零件，中部开有通风孔；外壳2与机座1的连接位置位于远离喷嘴组件的一侧；所述舵机摇臂12安装在伺服舵机10的转轴上；所述控制连杆11的一端与舵机摇臂12连接；推力轴承6的一端面上同轴布置有施压垫片7；施压垫片7上布置有封头8；封头8与外壳2螺纹连接；封头8与外壳2螺纹连接；封头8挤压施压垫片7使其变形，进而对推力轴承6和转子施加压紧力；
其特征在于该喷头还包括转子和喷嘴组件；所述转子包括蓄热块3、储料管4、喉管5、隔热垫片13、螺丝14和螺母16；所述喷嘴组件包括第一垫片17、喷嘴围片18、第二垫片19、导向盘20和控制盘21；
所述转子放置于外壳2的腔体内；蓄热块3和储料管4与外壳2同轴；所述控制连杆11的另一端与转子的螺丝14中的一个连接，带动转子转动；所述蓄热块3通过螺丝14和螺母16与储料管4连接，蓄热块3与储料管4同轴布置；所述蓄热块3内具有融料腔301和围绕中轴线均布的电热管预留孔302；所述储料管4内具有储料通道401；所述喉管5的两端分别伸入储料管4的储料通道401和蓄热块3的融料腔301内，与储料通道401和融料腔301连接；融料腔301、储料通道401和喉管5共轴线布置；螺丝14与储料管4之间、储料管4与蓄热块3之间均设置有隔热垫片13，以增大蓄热块3与储料管4之间的传热热阻；所述电热管22安装在蓄热块3的电热管预留孔302内并通过螺柱23压紧，其导线延伸出喷头外；螺柱23旋入电热管预留孔302侧面所开螺孔用于压紧电热管22；所述推力轴承6同轴布置于储料管4上，另一端面与储料管4紧密贴合；
所述导向盘20的一表面固定在蓄热块3上；所述控制盘21固定在外壳2上；所述导向盘20为圆盘型，中间开孔，另一表面上制有多边形且每边向同一旋转方向延伸出导向盘的引导沟槽201，多边形的边数与喷嘴围片18的片数对应；所述控制盘21为中心开孔的圆盘型零件，并围绕其中心开孔均匀开有多个两端圆形中间矩形的控制孔211；所述喷嘴围片18的主体为扇形结构，扇形一端面制有限位块181，另一端面制有凸笋182和喷嘴凸台183；多片顶角和为360°的喷嘴围片18装配在导向盘20上(顶角为喷嘴围片垂直于喷嘴流道轴线的截面上靠近喷嘴流道轴线的角)，限位块181置于导向沟槽201内，使喷嘴围片18只能沿导向沟槽201运动；喷嘴围片18相互配合围成一个边长可变的多边形喷嘴流道(简称喷嘴流道)，该喷嘴流道将蓄热块3内融料腔中的熔融状态的物料导到需要打印模型的相应位置；所述第一垫片17中间开孔，位于喷嘴围片18与导向盘20之间；所述控制盘21装配于喷嘴围片18上，喷嘴围片18位于导向盘20与控制盘21之间，凸笋182插入控制孔211内；控制盘21与导向盘20之间的相对转动可以改变喷嘴围片18所围喷嘴流道的多边形边长，改变流通面积；喷嘴凸台183将喷嘴流道延伸出控制盘21的中心开孔；所述第二垫片19位于喷嘴围片18与控制盘21之间。
优选地，喷嘴围片18的数量为6-8片，更加优选6片。
优选地，所述储料管4上设置有散热翅片，用于将蓄热块3传递而来的热量及时散出，防止物料损坏；散热风扇15产生的气流会通过外壳2的通风孔流过储料管4上的散热翅片加快散热。
优选地，喉管5采用热阻大且可以在打印头工作温度下稳定运行的材料如聚四氟乙烯制成，喉管5与融料腔301采用过盈配合防止融料腔中熔融态的物料泄漏；储料管4中设置有一缩孔，防止喉管5在受到融料腔内压力下滑出蓄热块3。
优选地，第一垫片17通过粘接方式安装于导向盘20相应的凹陷内，防止材料从接缝泄露。第一垫片17采用硬度高于喷嘴围片18的材料，防止喷嘴围片18对第一垫片17产生切削产生碎屑堵塞喷头。同时第一垫片17内孔以及边缘倒圆角防止对喷嘴围片18产生切削。如有生产工艺需求可选用高于喷嘴围片硬度的材料将导向盘20和第一垫片17制为一体。
优选地，由于制造时会有误差存在，各喷嘴围片尺寸会存在细小误差，用弹性材料制成的第二垫片19会使每片喷嘴围片均匀的受到压紧力，防止因喷嘴围片受力不均产生缝隙，导致熔融态物料从缝隙处泄漏。
优选地，当设计多个进料口进料时，一个储料管4中具有多个储料通道401围绕储料管4的中心轴布置，一个蓄热块3中具有多个融料腔301围绕蓄热块3的中心轴布置。垂直于各融料腔301轴线钻孔将各融料腔301连接为一体，端部用融料腔封头9密封，使各融料腔301中的物料均可以流向喷嘴流道。
本发明喷嘴口径可调的3D打印机喷头的工作原理和工作流程是：
原理：当伺服电机10转动时，伺服舵机10的转动传动到转子，使转子发生转动，固定在蓄热块3上的导向盘20随之转动，使导向盘20与固定在外壳2上的控制盘21发生相对转动，喷嘴流道的截面随之改变。
工作流程：S1、接通电源，电热管22产生热量将热量传递给蓄热块3，蓄热块3内融料腔301中的物料受热成为熔融态。伺服舵机10的转轴旋转一定角度，通过舵机摇臂12带动控制连杆11运动，控制连杆11通过与之连接的螺丝14带动转子发生转动，使得转子上固定的导向盘20与外壳上固定的控制盘21发生相对转动。喷嘴围片18在导向盘20上沿着引导沟槽201向远离导向盘20轴线的方向运动，喷嘴流道打开适当大小。储料管4中储料通道401里的物料在外力的作用下通过喉管5向融料腔301运动，挤压融料腔301中的熔融态的物料通过喷嘴流道流到模型相应区域，在自然冷却或强制冷却下凝固成固态。
S2、当模型所需精度提高时，伺服舵机10回转一定角度，喷嘴围片18在导向盘20上沿引导沟槽201向靠近导向盘20轴线的方向运动。喷嘴组件中喷嘴流道关小，进行细节的打印。
S3、当模型所需精度降低时，伺服舵机10转动一定角度，喷嘴围片18在导向盘20上沿引导沟槽201向远离导向盘20轴线的方向运动。喷嘴组件中的喷嘴流道开大，进行高速打印。
S4、当打印模型结束或者送料暂停时，即储料管4中储料通道401里的物料停止通过喉管5向融料腔301运动，或在外力作用下融料腔301中的未融物料离开融料腔301向储料管4方向运动。伺服舵机10回转到初始位置，喷嘴围片18在导向盘20上沿引导沟槽201向靠近导向盘20轴线的方向运动到初始位置。喷嘴组件中的喷嘴流道关闭，减少拉丝。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种喷嘴口径可调的3D打印机喷头，包括机座、外壳、推力轴承、施压垫片、封头、伺服舵机、控制连杆、舵机摇臂、散热风扇和电热管；所述外壳、伺服舵机和散热风扇固定在机座上；所述舵机摇臂安装在伺服舵机的转轴上；所述控制连杆的一端与舵机摇臂连接；推力轴承的一端面上同轴布置有施压垫片；施压垫片上布置有封头；封头与外壳螺纹连接；
其特征在于该喷头还包括转子和喷嘴组件；所述转子包括蓄热块、储料管、喉管、隔热垫片、螺丝和螺母；所述喷嘴组件包括第一垫片、喷嘴围片、第二垫片、导向盘和控制盘；
所述转子放置于外壳的腔体内；所述控制连杆的另一端与转子的螺丝中的一个连接；所述蓄热块通过螺丝和螺母与储料管连接；所述蓄热块内具有融料腔和电热管预留孔；所述储料管内具有储料通道；所述喉管的两端分别与储料通道和融料腔连接；融料腔、储料通道和喉管共轴线布置；螺丝与储料管之间、储料管与蓄热块之间均设置有隔热垫片；所述电热管安装在蓄热块的电热管预留孔内并通过螺柱压紧，其导线延伸出喷头外；所述推力轴承同轴布置于储料管上，另一端面与储料管紧密贴合；喉管与融料腔采用过盈配合防止融料腔中熔融态的物料泄漏；储料管中设置有一缩孔，防止喉管在受到融料腔内压力下滑出蓄热块；
所述导向盘的一表面固定在蓄热块上；所述控制盘固定在外壳上；所述导向盘中间开孔，另一表面上制有多边形且每边向同一旋转方向延伸出导向盘的引导沟槽，多边形的边数与喷嘴围片的片数对应；所述控制盘中心开孔，并围绕其中心开孔均匀开有多个两端圆形中间矩形的控制孔；所述喷嘴围片的主体为扇形结构，扇形一端面制有限位块，另一端面制有凸笋和喷嘴凸台；喷嘴围片装配在导向盘上，限位块置于导向沟槽内；喷嘴围片相互配合围成一个边长可变的多边形喷嘴流道；所述第一垫片位于喷嘴围片与导向盘之间；所述控制盘装配于喷嘴围片上，喷嘴围片位于导向盘与控制盘之间，凸笋插入控制孔内；喷嘴凸台将喷嘴流道延伸出控制盘的中心开孔；所述第二垫片位于喷嘴围片与控制盘之间。
2.根据权利要求1所述的喷嘴口径可调的3D打印机喷头，其特征在于第二垫片和施压垫片采用弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的喷嘴口径可调的3D打印机喷头，其特征在于所述储料管上设置有散热翅片。
4.根据权利要求1所述的喷嘴口径可调的3D打印机喷头，其特征在于喉管采用聚四氟乙烯制成。
5.根据权利要求1所述的喷嘴口径可调的3D打印机喷头，其特征在于第一垫片采用硬度高于喷嘴围片的材料。
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