CN108501360B - 3d打印喷头及包含该3d打印喷头的打印机 - Google Patents

Abstract

3D打印喷头及3D打印机，涉及增材制造设备技术领域，所述3D打印喷头包括喷头本体，喷头本体内部竖直设置有出料通道，出料通道的末端为出料口，此外，该3D打印喷头还包括挡板，挡板连接有用于驱动其撤离和回到阻挡位置的挡板驱动装置，挡板位于阻挡位置时，其挡在出料口的下方外侧，从出料口挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板阻挡，从而使得打印出来的沉积层在靠近所述挡板一侧的廓形与该挡板的阻挡面廓形相吻合。打印作业过程中，由于挡板的阻挡作用，可以使得打印出来的沉积层在靠近挡板一侧的廓形与该挡板的阻挡面廓形相吻合，从而大幅减轻打印出来的产品最外层表面的横向坑纹数量，提高产品外表面光滑度，减少后期抛光处理工作量。

Description

3D打印喷头及包含该3D打印喷头的打印机

技术领域

本发明涉及增材制造设备技术领域，特别涉及一种3D打印喷头及包含该3D打印喷头的打印机。

背景技术

近年来，3D打印技术在越来越多的领域得到应用，常用的3D打印材料有尼龙、金属以及橡胶。

热塑性材料（例如尼龙）常被应用在熔融沉积式 (FDM）打印场合。尼龙丝（或者其他热塑性材料）通过进料单元（进料单元包括导料管、送丝齿轮及喉管）送入喷头单元中，喷头单元包括加热块及喷头，加热块内部设有热熔通道，该热熔通道与喷头相连，尼龙丝在热熔通道中受热变成熔融状态，进料单元的送丝齿轮不断将尼龙丝推送入热熔通道，从而使得热熔通道中已熔融的材料不断涌入喷头中，并从喷头的出料口往下排出，经喷头挤出的熔融材料逐层沉积，同时配合冷却风扇辅助冷却，最终得到立体的产品。

现今常用的3D打印喷头结构大多如图1所示，当熔融材料从喷头出料口挤出后，由于熔融状态下材料表面张力的作用，其两侧边将呈现外凸的弧面状（见图1和图2所示），这样将导致以下问题：1、打印出来的产品最外层表面的横向坑纹（纹路的深浅跟单层打印厚度相关）数量多且明显，增加了后期抛光处理工作量（可以采用物理抛光或者丙酮蒸汽抛光，当然也可以在产品外表面涂光滑液使其变得平滑）。2、会在产品内部形成图3和图4所示的孔隙，导致产品力学性能降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可提高产品外表面光滑度的3D打印喷头，进一步地，本发明还提供一种包含前述3D打印喷头的打印机。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种3D打印喷头，包括喷头本体，所述喷头本体内部竖直设置有出料通道，所述出料通道的末端为出料口，此外，该3D打印喷头还包括挡板，所述挡板连接有用于驱动其撤离和回到阻挡位置的挡板驱动装置，所述挡板位于阻挡位置时，其挡在出料口的下方外侧，从所述出料口挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板阻挡，从而使得打印出来的沉积层在靠近所述挡板一侧的廓形与该挡板的阻挡面廓形相吻合。

作为一种优选的实施方案，所述挡板可转动连接在喷头本体上，所述挡板驱动装置包括伸缩缸，所述伸缩缸的活塞杆连接挡板，所述伸缩缸收缩时驱动挡板往上翻转并远离出料口，所述伸缩缸伸长时驱动挡板往下翻转并挡在出料口的下方外侧。

进一步地，所述伸缩缸的数量为两个，所述挡板通过球形万向接头与喷头本体连接，所述伸缩缸各自独立控制，所有伸缩缸同步收缩时驱动挡板往上翻转并远离出料口，所有伸缩缸同步伸长时驱动挡板往下翻转并挡在出料口的下方外侧，所述伸缩缸收缩或伸长不同步时驱动挡板以球形万向接头为节点偏转。

作为另一种优选的实施方案，所述挡板驱动装置包括丝杆螺母副及第一动力机构，所述丝杆螺母副包括丝杆和螺母，所述喷头本体上设有用于在挡板上下运动时起导向作用的挡板导向结构，所述挡板的顶端固定连接螺母，所述第一动力机构连接丝杆并可驱动丝杆转动，通过转动所述丝杆来驱动螺母与挡板一同往下或往上运动，从而对应实现让所述挡板回到阻挡位置或从阻挡位置撤离。

其中，所述第一动力机构为步进电机或伺服电机，所述步进电机或伺服电机的动力输出轴与丝杆通过联轴器连接。

在上述实施方案的基础上，进一步地，在所述出料通道中设有用于促进熔融材料经出料口挤出后往四周流动的扰动部件，所述扰动部件连接有用于驱动其在出料通道中运动的扰动件驱动装置。

优选的，所述扰动部件包括竖直设置在出料通道中的扰动杆，所述扰动件驱动装置与扰动杆连接并可驱动其在出料通道中作上下往复运动，所述扰动杆在出料通道中往下运动至最低点时，其底端位于出料口上方并靠近出料口。

进一步地，还包括水平或倾斜设置在喷头本体内部的进料通道以及用于在扰动杆作上下往复运动时对其起导向作用的扰动杆导向结构，所述进料通道位于出料通道上方且与出料通道连通，所述进料通道与出料通道之间的夹角为直角或钝角，所述进料通道的上方开设有向上贯穿喷头本体的通孔，所述扰动杆的顶端从通孔中穿出，所述通孔与扰动杆的尺寸相匹配并在所述扰动杆作上下往复运动时对其起导向作用，所述扰动件驱动装置包括设置在喷头本体外部的曲轴以及用于驱动曲轴转动的第二动力机构，所述扰动杆的顶端可转动连接在曲轴上，所述第二动力机构包括电机。

另一方面，本发明还提供一种包含上述3D打印喷头的3D打印机。

在本发明提供的3D打印喷头中，喷头开始打印作业时，可以通过挡板驱动装置驱动挡板移动至阻挡位置，此时挡板挡在出料口的下方外侧，从出料口挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板阻挡，由于挡板的阻挡作用，可以使得打印出来的沉积层在靠近挡板一侧（即沉积层外侧表面）的廓形与该挡板的阻挡面廓形相吻合，从而大幅减轻打印出来的产品最外层表面的横向坑纹数量，提高产品外表面光滑度，减少后期抛光处理工作量。

附图说明

图1为现今常用3D打印喷头及其打印的两层材料的结构示意图；

图2为图1中A部位的局部放大图；

图3为图1所示3D打印喷头所打印产品的内部结构缺陷示意图；

图4为图3中A部位的局部放大图；

图5为本发明所涉3D打印喷头的第一种结构示意图；

图6为本发明所涉3D打印喷头的第二种结构示意图；

图7为本发明所涉3D打印喷头的第三种结构示意图；

图8为本发明所涉3D打印喷头的第四种结构示意图；

图9为图5-7所示3D打印喷头中喷头本体的立体结构示意图；

图10为图9所示喷头本体的内部结构示意图；

图11为图6所示3D打印喷头中挡板与伸缩缸的连接结构示意图；

图12为图6中A部位的局部放大图；

图13为图7中A部位的局部放大图；

图14为图8中A部位的局部放大图；

图15和图16均为图5-8所示3D打印喷头所打印产品的外侧两圈沉积层内部结构示意图；

图17为图16中A部位的局部放大图；

图中：

1——喷头本体 2——出料通道 3——挡板

4——挡板驱动装置 5——球形万向接头 6——扰动部件

4a——伸缩缸 4b——丝杠 4c——螺母

7——扰动件驱动装置 8——进料通道 9——电磁铁

10——弹簧 1a——通孔 2a——出料口

6a——扰动杆 7a——曲轴 7b——第二动力机构。

具体实施方式

需要提前说明的是，在本发明的描述中，术语 “上”、“下”、 “左”、“右”、 “顶”、“底”、“内”、 “外”、 “前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于本领域技术人员理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合实施例和附图来对本发明作进一步的说明。

图5-8示出了本发明所涉3D打印喷头的四中结构，图5-8所示的3D打印喷头均包括喷头本体1，见图9和10所示，喷头本体1内部竖直设置有出料通道2，出料通道2的末端为出料口2a，进一步地，图示3D打印喷头还包括挡板3，挡板3连接有用于驱动其撤离和回到阻挡位置的挡板驱动装置4，挡板3位于阻挡位置时，其挡在出料口2a的下方外侧，从出料口2a挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板3阻挡，从而使得打印出来的沉积层在靠近所述挡板3一侧的廓形与该挡板3的阻挡面廓形相吻合。

图5-8所示的喷头开始打印外圈沉积层作业时，可以通过挡板驱动装置4驱动挡板3移动至阻挡位置，此时挡板3挡在出料口2a的下方外侧，从出料口2a挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板3阻挡，由于挡板3的阻挡作用，可以使得打印出来的沉积层在靠近挡板3一侧（即沉积层外侧表面）的廓形与该挡板3的阻挡面廓形相吻合，优选地，可以通过旋转3D打印机的打印平台（图中未示出），使得挡板3始终处于沉积层外侧。为便于本领域技术人员理解，图15-17示出了用上述3D打印喷头打印的产品外侧两圈沉积层内部结构，从图15-17可以看出，由于挡板3的阻挡，沉积层的外侧边（图中假定左侧边为最外圈沉积层）非常平整，不会呈图1和2所示的外凸弧面状，这对于产品的外表面光滑度的提高是由极大帮助的，能够大幅减轻打印出来的产品最外层表面的横向坑纹数量，提高产品外表面光滑度，减少后期抛光处理工作量。

具体来说，在图5所示的3D打印喷头中，挡板3可转动连接在喷头本体1上，挡板驱动装置4包括伸缩缸4a，伸缩缸4a的活塞杆连接挡板3，伸缩缸4a收缩时驱动挡板3往上翻转并远离出料口2a，伸缩缸4a伸长时驱动挡板3往下翻转并挡在出料口2a的下方外侧。

在图6所示的3D打印喷头中，伸缩缸4a的数量为两个（见图11所示），从图12可以看出，挡板3是通过球形万向接头5与喷头本体1连接，两个伸缩缸4a各自独立控制，所有伸缩缸4a同步收缩时驱动挡板3往上翻转并远离出料口2a，所有伸缩缸4a同步伸长时驱动挡板3往下翻转并挡在出料口2a的下方外侧，伸缩缸4a收缩或伸长不同步时驱动挡板3以球形万向接头5为节点偏转。

图5和图6所示3D打印喷头采用伸缩缸4a驱动挡板3运动，这样设计有以下好处：1、驱动结构简单、维护方便。2、整体结构紧凑，喷头体积可以控制在较为适中的范围内。3、特别值得一提的是图6所示的结构，在图6中，挡板3由两个伸缩缸4a驱动，当两个伸缩缸4a收缩或伸长不同步时，将驱动挡板3以球形万向接头5为节点偏转，这样可以让挡板3实现更为丰富的阻挡方式，适用于更多种不同形状产品的打印。需要提醒本领域技术人员注意的是，上述伸缩缸4a包括但不限于伸缩气缸，例如也可以是伸缩电缸或者液压缸，实际应用时可以根据需要进行选择。

在图7所示的3D打印喷头中，挡板驱动装置4包括丝杆螺母副及第一动力机构，见图13所示，丝杆螺母副包括丝杆4b和螺母4c，喷头本体1上设有用于在挡板3上下运动时起导向作用的挡板导向结构，挡板3的顶端固定连接螺母4c，第一动力机构（图7中的第一动力机构为设置在喷头本体1顶端的电机）连接丝杆4b并可驱动丝杆4b转动，通过转动丝杆4b即可驱动螺母4c与挡板3一同往下或往上运动，从而对应实现让挡板3回到阻挡位置或从阻挡位置撤离。实际应用时，第一动力机构优选步进电机或伺服电机，其中，该步进电机或伺服电机的动力输出轴与丝杆4b通过联轴器连接。采用步进电机（或者伺服电机）与丝杆螺母副配合驱动挡板3上下运动的方式主要是基于以下考虑：对于不同的产品或者不同的打印精度要求，喷头单层打印厚度会有所不同，通过步进电机（或伺服电机）配合丝杆螺母副可以精确控制挡板3上下运动量，从而精确调控挡板3的有效遮挡厚度并使其与单层打印厚度相匹配。

在图8所示的3D打印喷头中，与图7所示结构不同的是，挡板3上下运动是通过图14中的电磁铁9通断电来实现的，电磁铁9通电时，挡板3受电磁铁9磁吸力作用往下运动至阻止位置，电磁铁9断电后，挡板3在弹簧10回弹力作用下往上运动并撤离阻止位置，这种结构也具备紧凑、体积较小的优点。

作为对上述3D打印喷头更进一步的改进，见图5-10所示，在出料通道2中还设有用于促进熔融材料经出料口2a挤出后往四周流动的扰动部件6，扰动部件6连接有用于驱动其在出料通道2中运动的扰动件驱动装置7。

增加扰动部件6后，喷头工作时，扰动部件6在扰动件驱动装置7的驱动下于出料通道2中运动，进而扰动经出料口2a挤出的熔融物料，促进其往四周流动、铺展，使得物料能够更好地流入产品已打印部分侧边的转角位，以填充外凸弧面转角处的空隙，从而减轻打印完成的产品内部孔隙率，提高产品力学性能。用该增加了扰动部件6的喷头打印的产品内部结构见图15-17所示，其中图15所示为较理想的状态，在图15中，外凸弧面转角处的空隙被完全填充，无明显可见孔隙。图16-17所示结构虽然仍存在可见孔隙，但该孔隙相比图3和图4的要小得多（见图17所示），产品内部孔隙率得以大幅减轻，产品力学性能将明显提高。

进一步地，作为一种优选的结构，如图5-10所示，前述扰动部件6包括竖直设置在出料通道2中的扰动杆6a，扰动件驱动装置7与扰动杆6a连接并可驱动其在出料通道2中作上下往复运动，其中，扰动杆6a在出料通道2中往下运动至最低点时，其底端位于出料口2a上方并靠近出料口2a。

需要说明的是，在本发明中，扰动部件6并不局限于图中所示由扰动件驱动装置7驱动其上下往复运动的扰动杆6a，例如，也可以是左右摆动的摆杆，此外还可以是靠近出料口2a设置的微型叶轮，只要其在出料通道2中运动时能够实现扰动经出料口挤出的熔融物料并促进其往四周流动来填充产品已打印部分的转角空隙的目的即可。

值得一提的是，采用扰动杆6a上下运动的方式扰动经出料口挤出的熔融物料具有以下好处：扰动杆6a上下往复运动的过程中，扰动杆6a底端间歇式挤压经出料口挤出的熔融物料，这样既实现促进流入产品已打印部分转角位的目的，又可保证打印表面的平整度，避免在出料口正下方表面上出现细小凹陷（避免物料过度往四周流散，导致出料口正下方物料厚度较四周偏薄，从而形成弧面形凹坑）。

作为在扰动部件3选用扰动杆3a基础上的一种优选实施方案，见图5-10及图13所示，上述3D打印喷头中还包括水平或倾斜设置在喷头本体1内部的进料通道8，进料通道8位于出料通道2上方且与出料通道2连通，进料通道8与出料通道2之间的夹角为直角或钝角，进料通道8的上方开设有向上贯穿喷头本体1的通孔1a，扰动杆6a的顶端从通孔1a中穿出，通孔1a与扰动杆6a的尺寸相匹配并在扰动杆6a作上下往复运动时对其起导向作用，扰动件驱动装置7包括设置在喷头本体1外部的曲轴7a以及用于驱动曲轴7a转动的第二动力机构7b，扰动杆6a的顶端可转动连接在曲轴7a上，第二动力机构7b包括电机。

最后，在前述3D打印喷头的基础上，本发明还请求保护一种包含上述3D打印喷头的3D打印机。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (3)

1.3D打印喷头，包括喷头本体（1），所述喷头本体（1）内部竖直设置有出料通道（2），所述出料通道（2）的末端为出料口（2a），其特征在于：还包括挡板（3），所述挡板（3）连接有用于驱动其撤离和回到阻挡位置的挡板驱动装置（4），所述挡板（3）位于阻挡位置时，其挡在出料口（2a）的下方外侧，从所述出料口（2a）挤出的熔融材料在往外侧流动的过程中受挡板（3）阻挡，从而使得打印出来的沉积层在靠近所述挡板（3）一侧的廓形与该挡板（3）的阻挡面廓形相吻合；

所述挡板（3）可转动连接在喷头本体（1）上，所述挡板驱动装置（4）包括伸缩缸（4a），所述伸缩缸（4a）的活塞杆连接挡板（3）， 所述伸缩缸（4a）收缩时驱动挡板（3）往上翻转并远离出料口（2a），所述伸缩缸（4a）伸长时驱动挡板（3）往下翻转并挡在出料口（2a）的下方外侧；

所述伸缩缸（4a）的数量为两个，所述挡板（3）通过球形万向接头（5）与喷头本体（1）连接，所述伸缩缸（4a）各自独立控制，所有伸缩缸（4a）同步收缩时驱动挡板（3）往上翻转并远离出料口（2a），所有伸缩缸（4a）同步伸长时驱动挡板（3）往下翻转并挡在出料口（2a）的下方外侧，所述伸缩缸（4a）收缩或伸长不同步时驱动挡板（3）以球形万向接头（5）为节点偏转；

所述出料通道（2）中设有扰动部件（6），所述扰动部件（6）用于促进熔融材料经出料口（2a）挤出后往四周流动、铺展，使得物料能够更好地流入产品已打印部分侧边的转角位，以填充外凸弧面转角处的空隙，从而减轻打印完成的产品的内部孔隙率，所述扰动部件（6）连接有用于驱动其在出料通道（2）中运动的扰动件驱动装置（7）；

所述扰动部件（6）包括竖直设置在出料通道（2）中的扰动杆（6a），所述扰动件驱动装置（7）与扰动杆（6a）连接并可驱动其在出料通道（2）中作上下往复运动，所述扰动杆（6a）在出料通道（2）中往下运动至最低点时，其底端位于出料口（2a）上方并靠近出料口（2a）。

2.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于：还包括水平或倾斜设置在喷头本体（1）内部的进料通道（8），所述进料通道（8）位于出料通道（2）上方且与出料通道（2）连通，所述进料通道（8）与出料通道（2）之间的夹角为直角或钝角，所述进料通道（8）的上方开设有向上贯穿喷头本体（1）的通孔（1a），所述扰动杆（6a）的顶端从通孔（1a）中穿出，所述通孔（1a）与扰动杆（6a）的尺寸相匹配并在所述扰动杆（6a）作上下往复运动时对其起导向作用，所述扰动件驱动装置（7）包括设置在喷头本体（1）外部的曲轴（7a）以及用于驱动曲轴（7a）转动的第二动力机构（7b），所述扰动杆（6a）的顶端可转动连接在曲轴（7a）上，所述第二动力机构（7b）包括电机。

3.包含权利要求1或2所述3D打印喷头的3D打印机。