CN108326309A - 打印墨盒及打印装置 - Google Patents

Abstract

一种打印墨盒及打印装置，所述打印墨盒是将直线式活塞气缸作为墨盒的主体，以所述气缸内部的挤压空腔作为容纳墨水的墨盒腔体；所述墨水通过腔体内部气压作用保持在所述墨盒腔体内；所述墨水为液态金属。本发明利用液态金属与气缸的材质与功能的特性，将常规的活塞气缸打造成盛放液态金属的墨盒，解决了传统3D打印机由于其输料动力结构的限制，无法应用液态金属墨水的问题。同时也避免了针对于液态金属墨水再额外开模、定制液态金属墨盒的需求，也无需将液态金属制备成丝材的加工设备、对液态金属配比的调整及后续的杂质的去除工艺，极大的降低了液态金属3D打印成本。

Description

打印墨盒及打印装置

技术领域

本发明属于液态金属打印技术领域，尤其涉及一种容纳液态金属的打印墨盒、以及装配有打印墨盒的3D打印头。

背景技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。传统的3D打印机由机座、活动支架和打印头组成；其中，活动支架实现打印头的空间移动，打印头则实现喷涂打印材料。现有的3D打印机的打印头均是基于FDM原理(FusedDeposition Modeling，熔融沉积成型)制造及打印工作的，例如图1示出的传统3D打印头的结构，3D打印头上的拉拽机构带动丝状的热塑材料送往打印喷嘴，处在打印喷嘴中的热塑材料则被加热组件加热融化为液态粘稠状形成打印涂料，再通过打印喷头底部的细微喷嘴以一定的压力挤喷在打印基材上。

随着打印技术的不断演变发展，社会需求的不断升级，现在的打印涂料不在局限于热塑材料，低熔点的液态金属也可以作为打印材料，某些液态金属在常温下可表现出比水更理想的流动性，同时还兼有金属良好的导热、导电的特性，可广泛应用到日常生活当中的任何一个地方。传统的3D打印机只能使用丝状的热塑性材料，通过拉拽传动机构带动丝状材料向打印喷头移动，液态金属虽然也可以通过改变其配比及环境工艺制备成丝材，但工艺复杂，维护及生产成本极大。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种使用液态金属作为打印材料的打印装置的打印墨盒,以解决现有技术中缺失配合液态金属使用的打印机部件及设备的问题。

在一些说明性实施例中，所述打印墨盒是将直线式活塞气缸作为墨盒的主体，以所述气缸内部的挤压空腔作为容纳墨水的墨盒腔体；所述墨水通过腔体内部气压作用保持在所述墨盒腔体内；所述墨水为液态金属。

在一些可选地实施例中，所述液态金属为低熔点液态金属。

在一些可选地实施例中，所述低熔点液态金属的熔点不高于30度。

在一些可选地实施例中，所述低熔点液态金属为镓铟合金，其配比为75.5％的镓和24.5％的铟，其合金熔点为10.5度。

在一些可选地实施例中，所述直线式活塞气缸的活塞通过机械或流体传动。

在一些可选地实施例中，所述直线式活塞气缸的活塞通过机械传动，其具体结构为活塞杆连接活塞，活塞与活塞杆联动。

在一些可选地实施例中，所述直线式活塞气缸的活塞通过流体传动，其具体结构为在气缸上开设有与外部的气压系统的导气管连通的气孔；该气孔开设在气缸上挤压出口的另一端，通过该气孔注入高压气体推动活塞向挤压方向运动。

在一些可选地实施例中，所述气缸的挤压出口处涂抹有密封蜡。

在一些可选地实施例中，所述气缸的挤压出口处安装有密封螺母。

本发明的另一个目的在于提出一种打印装置，以解决现有技术中缺失配合液态金属使用的打印机部件及设备的问题。

在一些说明性实施例中，所述打印装置，包括：上述的打印墨盒、打印喷头、第一加热组件和第二加热组件；所述打印喷头装配在所述打印墨盒的挤压出口上；所述第一加热组件包覆在所述打印墨盒的外壁上，所述第二加热组件包覆在所述打印喷头上。

在一些可选地实施例中，所述打印喷头与所述打印墨盒的挤压出口之间通过隔热件连接。

在一些可选地实施例中，所述隔热件为一个或多个依次连接、且中心相通的陶瓷连接件。

在一些可选地实施例中，所述第一加热组件连接第一温控系统，所述第一温控系统用于控制所述第一加热组件维持所述打印墨盒中的液态金属处于第一温度状态下；所述第二加热组件连接第二温控系统，所述第二温控系统用于控制所述第二加热组件维持所述打印喷头中的液态金属处于第二温度状态下；其中，第二温度高于第一温度。

在一些可选地实施例中，所述第一温控系统和/或第二温控系统为PID温控系统。

在一些可选地实施例中，所述第一温度处于40–80度。

在一些可选地实施例中，所述第一温度为70度。

在一些可选地实施例中，所述第二温度处于90–300度。

在一些可选地实施例中，所述第二温度处于200度或220度。

在一些可选地实施例中，所述打印装置，还包括：由压力机构和压力传感器构成的压控系统；所述压力机构与所述活塞的传动部件相配合，驱动活塞向挤压出口方向直线运动；所述压力传感器设置在所述传动部件上，用于检测所述压力机构提供给所述传动部件的实际压力值，并将检测结果反馈至压力机构进行压力调节。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为机械传动结构时，所述压力机构为步进电机和滚轴丝杆组成的旋转位移转换为直线位移的压力机构，所述压力机构与所述活塞杆联动。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为机械传动结构时，所述压力传感器为S型压力传感器，架设在所述压力机构与所述活塞杆之间。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力机构为气压系统，其输气软管与气缸上的气孔连通。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力传感器为气压传感器，其接在所述气压系统的输气软管上。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力机构为液压系统，其输液软管与气缸上的气孔连通。

在一些可选地实施例中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力传感器为液压传感器，其接在所述液压系统的输液软管上。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明利用液态金属与气缸的材质与功能的特性，将常规的活塞气缸打造成盛放液态金属的墨盒，解决了传统3D打印机由于其输料动力结构的限制，无法应用液态金属墨水的问题。同时也避免了针对于液态金属墨水再额外开模、定制液态金属墨盒的需求，也无需将液态金属制备成丝材的加工设备、对液态金属配比的调整及后续的杂质的去除工艺，极大的降低了液态金属3D打印成本。

附图说明

图1是现有技术中传统3D打印装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中使用液态金属的打印墨盒的结构示意图；

图3是本发明实施例中使用液态金属的打印装置的结构示意图一；

图4是本发明实施例中使用液态金属的打印装置的结构示意图二；

图5是本发明实施例中使用液态金属的打印装置的结构示意图三；

图6是本发明实施例中使用液态金属的打印装置的结构示意图四。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

现在参照图2，图2示出了本发明中使用液态金属作为打印材料的打印装置的打印墨盒的结构示意图，如该结构示意图所示，本发明中的打印墨盒是将直线式活塞气缸作为墨盒的主体1，以所述气缸内部的挤压空腔作为容纳墨水的墨盒腔体；所述墨水通过腔体内部气压作用保持在所述墨盒腔体内；所述墨水为液态金属。

本发明利用液态金属与气缸的材质与功能的特性，将常规的活塞气缸打造成盛放液态金属的墨盒，解决了传统3D打印机由于其输料动力结构的限制，无法应用液态金属墨水的问题。同时也避免了针对于液态金属墨水再额外开模、定制液态金属墨盒的需求，也无需将液态金属制备成丝材的加工设备、对液态金属配比的调整及后续的杂质的去除工艺，极大的降低了液态金属3D打印成本。

本发明实施例中的所述液态金属可采用低熔点液态金属，例如镓金属、铟金属、镓铟任意比例合金、镓铟硒任意比例合金、以及以镓为主要占比的其它合金；该类液态金属具有较低熔点，并且具有无毒害、不易挥发的优点，可应用于日常打印的需求。优选地，本发明中打印墨盒盛放的墨水选用的熔点不高于30度的液态金属，该类液态金属可在常温下保持液体状态，便于本发明中打印墨盒的制备、运输、使用。

在本发明实施例中的液态金属选型的最优方案中，液态金属为镓铟合金，其配比为75.5％的镓和24.5％的铟，其合金熔点为10.5度。该配比下的镓铟合金在常温下就保持为液态状态，并且其10.5度的熔点使得其在常温下具有比水要高的流动性。

本发明实施例中的直线式活塞气缸的活塞可通过机械或流体传动。其中，直线式活塞气缸的活塞为通过机械传动结构时，其具体结构为活塞杆103连接活塞101，活塞101与活塞杆103联动。直线式活塞气缸的活塞为通过流体传动结构时，其具体结构为在气缸上开设有与外部的气压系统的导气管连通的气孔；该气孔开设在气缸上挤压出口的另一端，通过该气孔注入高压气体推动活塞向挤压方向(挤压出口)102运动。

本发明实施例中的活塞101的外壁直径略小于气缸的内壁直径；活塞101的外壁上开设有至少一个圆形密封槽；该密封槽通过装设密封圈，在气缸1内部形成密封结构；具体的，密封槽开设在活塞101的中段位置处，其上下两部分还分别开设有矫正槽；每个矫正槽内装设有防止密封圈变形的垫圈；垫圈的直径大于活塞101的外壁直径、且小于气缸1内壁直径。

本发明实施例中的气缸的挤压出口102处涂抹有密封蜡。本发明考虑到打印墨盒主要保存在常温环境下，通过密封蜡即可达到其稳定密封效果。当环境改变或其它因素需求时，可选择其它密封结构，例如密封螺母等钢结构密封件。

本发明实施例中的打印墨盒的生产方式可通过类似针管“抽液”的方式从墨池中抽取液态金属，当气缸活塞抽拽到其最大位置处(此时墨盒腔体的容量为最大状态)，此时填墨结束；进入气缸腔体内的液态金属墨水由于气缸内部的气压的关系，维持保存在腔体内部；然后对气缸下部的挤压出口涂抹密封蜡，以隔绝空气，避免液态金属与空气物质发生反应，同时亦可避免打印墨盒外接影响造成漏墨现象。

现在参照图3，图3示出了本发明中使用液态金属作为打印材料的打印装置的结构示意图，如该结构示意图所示，公开了一种打印装置，包括：上述实施例中的打印墨盒1、打印喷头2、第一加热组件3和第二加热组件4；所述打印喷头2装配在所述打印墨盒1的挤压出口102上；所述第一加热组件3包覆在所述打印墨盒1的外壁上，所述第二加热组件4包覆在所述打印喷头2上。其中，第一加热组件3和第二加热组件4可选用电阻丝加热、水浴加热等加热方式。

本发明通过在打印墨盒的外壁上加设加热组件，可以避免打印过程中液态金属在输送过程中降温，导致其表面张力降低，粘稠度上升，流动性降低，易附着在气缸内壁及流过的管壁上，造成打印装置的输料性能降低，严重时直接阻塞的问题。

本发明实施例中的所述打印喷头2与所述打印墨盒1的挤压出口102之间通过隔热件5连接。优选地，所述隔热件5为一个或多个依次连接、且中心相通的陶瓷连接件。在本发明实施例中陶瓷连接件的最优实施例为陶瓷螺母。优选地，本发明中的打印喷头2、隔热件5、打印墨盒1的挤压出口102三者之间依次通过螺纹连接，本发明技术人员应该可以理解的是，除螺纹连接之外，本发明实施例中打印喷头、隔热件、打印墨盒的挤压出口之间还可以通过紧固、间隙、卡持及其组合等多种物理方式实现连接。

该实施例中隔热件可以起到隔离打印墨盒与打印喷头两部分的温度，从而避免高温部件受到低温部件影响导致降温，造成打印效果变差的问题，例如低温造成液态金属无法良好的从打印喷头的底部均匀、且以一定速度喷涂；另一方面，亦可避免低温部件受到高温部件影响导致低温部件过热损伤、变形等问题，例如气缸内的气密组件过热产生变形，导致打印墨盒损毁。

本发明实施例中的隔热件5的外壁上涂抹有导热硅胶，或者在隔热件5的外壁上开设有散热螺纹。

本发明实施例中所述第一加热组件3连接第一温控系统，所述第一温控系统用于控制所述第一加热组件3维持所述打印墨盒1中的液态金属处于第一温度状态下；所述第二加热组件4连接第二温控系统，所述第二温控系统用于控制所述第二加热组件4维持所述打印喷头2中的液态金属处于第二温度状态下；其中，第二温度高于第一温度。优选地，所述第一温度的选择范围在40度-80度之间，进一步的，可采用70度的温控，将打印墨盒中的液态金属保持在70度温度，保证液态金属的流动性，同时避免对气缸气密组件的影响。优选地，所述第二温度的选择范围在90度-300度，进一步的，可采用200-220度的温控，将打印喷头中的液态金属保持在200-220度温度，该温度下液态金属喷涂效果最佳。

本发明实施例中的温度选择根据气缸耐热性及液态金属熔点高低具有关联关系，针对耐热性气缸，其可在不影响气密组件的情况下，尽可能提高温度。

本发明实施例中所述第一温控系统和/或第二温控系统为PID温控系统。

如图4、图5，本发明实施例中打印墨盒1的挤压出口102和打印喷头2之间还可以通过输料导管6连接，输料导管6可为伸缩结构，以适配不同的打印距离；隔热件5设置在打印墨盒1的挤压出口102与输料导管6之间的连接处，亦可设置在输料导管6与打印喷头2之间的连接处，以及同时在两个位置都设置隔热件5。在该实施例中，第一加热组件可以包覆输料导管的外壁上，用于维持输料导管内的液态金属保持一定温度。亦可以，在第一加热组件包覆在打印墨盒的外壁的结构上，再额外加入另一个加热组件，该加热组件同样具有温控系统。

如图6，本发明实施例中打印装置，还包括：由压力机构701和压力传感器702构成的压控系统7；所述压力机构701与所述活塞101的传动部件(如活塞杆103)相配合，驱动活塞101沿管壁向挤压出口102方向直线运动；所述压力传感器702设置在所述传动部件上，用于检测所述压力机构701提供给所述传动部件的实际压力值，并将检测结果反馈至压力机构进行压力调节。

其中，在所述直线式活塞气缸的活塞为机械传动结构时，所述压力机构701可选用步进电机7011和滚轴丝杆7012组成的旋转位移转换为直线位移的压力机构，所述压力机构701与所述活塞杆103联动。所述压力传感器702可采用S型压力传感器，架设在所述压力机构701与所述活塞杆103之间。在该结构下，步进电机提供旋转位移，滚轴丝杆将旋转位移转换为直线位移，向下挤压活塞杆，与活塞杆联动的活塞同时向下挤压；过程中，S型压力传感器检测活塞杆的受压，并将实际压力值反馈给步进电机的控制系统，调节步进电机的转速，维持预设压力大小。

其中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力机构为气压系统，其输气软管与气缸上的气孔连通；所述压力传感器为气压传感器，其接在所述气压系统的输气软管上。在该结构下，气压系统向气孔中输入气体，气缸内部由于气体压力的注入，推动活塞向下挤压运动。过程中，气压传感器检测并反馈气压值，以调整维持预设压力。

其中，在所述直线式活塞气缸的活塞为流体传动结构时，所述压力机构为液压系统，其输液软管与气缸上的气孔连通；所述压力传感器为液压传感器，其接在所述液压系统的输液软管上。液压系统与气压系统的原理及工作方式类似，在此不再赘述。

在本发明实施例中所阐述的打印装置可作为3D打印机的打印头使用，针对于此，本发明还提供了一种3D打印机，该3D打印机具有底座、单轴/多轴移动支架、以及安装在移动支架上的打印头。

如图6，本发明基于上述实施例公开了一个优选的打印头的结构，包括：步进电机7011、S型压力传感器702、滚轴丝杆7012、打印墨盒1、打印喷头2、输料导管6、隔热件5、一级加热组件3、二级加热组件4。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种打印墨盒，其特征在于，将直线式活塞气缸作为墨盒的主体，以所述气缸内部的挤压空腔作为容纳墨水的墨盒腔体；

所述墨水通过腔体内部气压作用保持在所述墨盒腔体内；

所述墨水为液态金属。

2.根据权利要求1所述的打印墨盒，其特征在于，所述液态金属为低熔点液态金属。

3.根据权利要求1所述的打印墨盒，其特征在于，所述直线式活塞气缸的活塞通过机械或流体传动。

4.一种打印装置，其特征在于，包括：如权利要求1-3任一项所述的打印墨盒、打印喷头、第一加热组件和第二加热组件；

所述打印喷头装配在所述打印墨盒的挤压出口上；

所述第一加热组件包覆在所述打印墨盒的外壁上，所述第二加热组件包覆在所述打印喷头上。

5.根据权利要求4所述的打印装置，其特征在于，所述打印喷头与所述打印墨盒的挤压出口之间通过隔热件连接。

6.根据权利要求5所述的打印装置，其特征在于，所述隔热件为一个或多个依次连接、且中心相通的陶瓷连接件。

7.根据权利要求4所述的打印装置，其特征在于，

所述第一加热组件连接第一温控系统，所述第一温控系统用于控制所述第一加热组件维持所述打印墨盒中的液态金属处于第一温度状态下；

所述第二加热组件连接第二温控系统，所述第二温控系统用于控制所述第二加热组件维持所述打印喷头中的液态金属处于第二温度状态下；

其中，第二温度高于第一温度。

8.根据权利要求7所述的打印装置，其特征在于，所述第一温控系统和/或第二温控系统为PID温控系统。

9.根据权利要求7所述的打印装置，其特征在于，所述第一温度处于40–80度；和/或，所述第二温度处于90–300度。

10.根据权利要求4所述的打印装置，其特征在于，还包括：

由压力机构和压力传感器构成的压控系统；

所述压力机构与所述活塞的传动部件相配合，驱动活塞向挤压出口方向直线运动；

所述压力传感器设置在所述传动部件上，用于检测所述压力机构提供给所述传动部件的实际压力值，并将检测结果反馈至压力机构进行压力调节。