CN109719935A

CN109719935A - 一种随动加压及加热的3d打印头

Info

Publication number: CN109719935A
Application number: CN201910146173.7A
Authority: CN
Inventors: 吴华英; 成勇; 卢秉恒; 赵纪元
Original assignee: National Institute Corp of Additive Manufacturing Xian
Current assignee: National Institute Corp of Additive Manufacturing Xian
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明提出一种随动加压及加热的3D打印头，能够简便有效地提高打印件强度。该随动加压及加热的3D打印头的打印头本体、轴向驱动机构以及加热单元分别与Z轴直线模组相对固定；加压板位于打印头本体下方，并与轴向驱动机构的输出端固定连接，能够在轴向驱动机构的作用下进行垂直往复运动；加压板对应于打印头本体的位置开设有中心同轴的贯通孔，以避免干涉打印头本体；加热单元环绕打印头本体底部，并与加压板保持间距。本发明在打印头位置处设计跟随打印头整体运动的震动(加压)及加热机构，同步的加热机构能够对已打印层预热，促进了相邻层间材料的相互结合，在此基础上，加压板对打印层进行压平压实，进一步提高层间结合强度。

Description

一种随动加压及加热的3D打印头

技术领域

本发明涉及一种应用于熔融堆积成型(FDM)技术的3D打印头。

背景技术

目前，市面上的所有3D打印技术(特指FDM熔融堆积成型)所制造出的打印制品整体强度较低，尤其是层间结合强度。

为提高打印件强度，目前广泛采用的方法有：第一种，通过对打印原材料进行改性或添加玻纤、碳纤等，提高材料本身的强度来间接提高打印件强度；第二种，通过对打印件局部加强，受力位置加厚来提高局部强度。

但是，以上方法要么增加了原材料成本，要么增加了打印时间；同时，玻纤、碳纤的加入会导致打印件表面质量降低，而且，由于玻纤、碳纤导致熔融料流动性变差，极易产生打印头堵塞的风险。基于此，国内外3D打印技术领域的从业人员开展了大量的结构设计研发及材料改性等创新工作。

四川长虹电器股份有限公司所发明的一种增加3D打印产品强度的方法(CN105367812 A)。其方法将打印件原材料作为溶质，用能够溶解该材料的溶剂制成溶液，将溶液涂覆在3D打印件需要加强部位的表面，溶剂对打印件表面进行浅层溶解，并使溶液中的溶质与浅层溶解物结合，增加打印件该部位处的强度。此方法虽然在一定程度上提高了打印件的局部强度，但是由于繁琐的处理工艺，大大增加了制造时间。同时，由于需要浅层溶解，因此对操作人员的操作专业性就提出了极高的要求。

发明内容

本发明的目的是简便有效地提高打印件强度，为此提出一种随动加压及加热的3D打印头。

本发明的技术方案如下：

该随动加压及加热的3D打印头，主要包括打印头本体、Z轴直线模组、轴向驱动机构、加压板和加热单元，所述打印头本体、轴向驱动机构以及加热单元分别与Z轴直线模组相对固定；所述加压板位于打印头本体下方，并与轴向驱动机构的输出端固定连接，能够在轴向驱动机构的作用下进行垂直往复运动；加压板对应于打印头本体的位置开设有中心同轴的贯通孔，以避免干涉打印头本体；所述加热单元环绕打印头本体底部，并与加压板保持间距。

加热单元与加压板保持间距，旨在避免加压板垂直往复运动过程干涉到加热单元，所以，具体可以通过设置加热单元的安装位置高于加压板运动的最高点，使得二者在垂直方向上保持间距，也可以通过限定二者的尺寸关系，即加热单元不仅环绕打印头本体底部还同时环绕加压板，使得二者在水平方向上保持间距。

基于以上基本解决方案，本发明还进一步作了如下优化：

在Z轴直线模组正面底部固定设置一安装板；所述轴向驱动机构以及加热单元分别与该安装板固定连接。当然，轴向驱动机构也可以不安装在安装板上，而考虑竖向安装(与打印头本体所在的水平支撑板固定连接)。

轴向驱动机构包括调速电机、偏心轮、连杆、导向槽和装配于导向槽内的滑块，其中调速电机安装于安装板背面，偏心轮位于安装板正面，通过顶丝固定在调速电机的输出轴上；导向槽安装于安装板正面并位于偏心轮下方，装配于导向槽内的滑块通过连杆与偏心轮连接，滑块底部与所述加压板固定连接。

加热单元为U型结构，与安装板平行设置。

加压板具有环形结构和靠近安装板一侧延伸的柄部，经由该柄部通过螺丝与滑块底部连接固定；打印头本体底部直径20～40mm，所述环形结构的内部孔径40～42mm，环形结构的外部直径70～80mm。

调速电机速度0～10r/s；偏心轮直径20～30mm，偏心距2.5～5mm；偏心轮与导向槽的垂直距离不超过7mm；导向槽长度15～30mm，滑块长度25～30mm，连杆长度35～50mm。

加热单元的管径8～10mm，U型半径40～50mm，伸出安装板120～140mm。

加热单元采用加热卤素灯管。

偏心轮、连杆以及加压板的材质均为6061铝合金；导向槽以及滑块的材质均为尼龙。

安装板厚度5～10mm，材质为45钢。

本发明具有以下技术效果：

1.由于熔融堆积成型(FDM)打印过程中，打印头挤出的丝材未经过挤压，导致打印件产品强度较低，因此，本发明在打印头位置处设计跟随打印头整体运动的震动(加压)及加热机构，同步的加热机构能够对已打印层预热，促进了相邻层间材料的相互结合，在此基础上，震动机构对打印层进行压平压实，进一步提高层间结合强度。

2.加热机构固定安装于Z轴直线模组下部，以U型结构使热量较均匀地覆盖打印头的工作区域，且与打印层平行，能够简便有效地将打印头要打印的区域进行快速、均匀的预热，软化打印层，提高层间结合强度。

3.震动机构固定安装于Z轴直线模组下部，打印头从加压板留出的中心孔处探出，当Z轴直线模组运动带动打印头工作时，利用偏心轮、连杆以及滑块等组件的配合，简便有效地将打印头挤出的丝材频繁震动拍打、压实，不受打印方向限制。并且，还可根据实际情况调节拍打频率等加压相关参数。

4.本发明能够满足不同场合下、不同机型的个性化定制。

附图说明

图1是本发明的一个应用示例。

图2是图1的局部放大示意图。

图3是图1所示应用示例中有关随动加压及加热的具体结构示意图。

图中：1-Z轴直线模组；2-安装板；3-调速电机；4-顶丝；5-偏心轮；6-3D打印头(本体)；7-加压板；8-连杆；9-滑块；10-滑槽；11-加热灯管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

该随动加压及加热的高性能3D打印头包括：Z轴直线模组(即工作方向垂直于3D打印层的机构)、安装在Z轴直线模组正面面底部的安装板、以及安装在安装板背面的调速电机；3D打印机打印头通过螺丝固定在Z轴直线模组上，打印头底部直径20～40mm。

安装板正面安装有随调速电机做同步旋转的偏心轮；偏心轮通过顶丝固定在调速电机的输出轴上。偏心轮直径20～30mm，偏心距2.5～5mm，偏心轮材质6061铝合金，安装板厚度5～10mm，材质为45钢，调速电机速度0～10r/s，调速电机为整个随动加压及加热的高性能3D打印头的加压部分提供动力源。

安装板正面还安装有导向槽，导向槽内安装有可移动滑块，滑块通过连杆与偏心轮连接，偏心轮距离导向槽的垂直距离不超过7mm。导向槽长度15～30mm，材质为尼龙；滑块长度25～30mm，材质为尼龙；连杆长度35～50mm，材质为6061铝合金。

滑块底部安装有加压板，材质为6061铝合金，加压板底面保证表面光洁。加压板具有环形结构和靠近安装板一侧延伸的柄部，经由该柄部通过螺丝与滑块底部连接固定。环形结构的内部孔径40～42mm，打印头可由此探出(与孔中心同轴)，环形结构的外部直径70～80mm。

安装板正面还安装有随动的加热灯管。加热灯管为U型结构，靠近安装板正面底部，使得打印头当前工作区域始终置于U型结构范围内。加热灯管直径8～10mm，灯管U型半径40～50mm，伸出安装板120～140mm，加热灯管为加热卤素管。

工作过程：当Z轴直线模组运动带动打印头工作时，调速电机经偏心轮、连杆以及滑块等组件的配合驱动加压板作垂直往复运动，对打印头挤出的丝材频繁震动拍打、压实，不受打印方向限制。根据实际情况，可实时调节拍打频率等加压相关参数。

Claims

1.一种随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：包括打印头本体、Z轴直线模组、轴向驱动机构、加压板和加热单元，所述打印头本体、轴向驱动机构以及加热单元分别与Z轴直线模组相对固定；所述加压板位于打印头本体下方，并与轴向驱动机构的输出端固定连接，能够在轴向驱动机构的作用下进行垂直往复运动；加压板对应于打印头本体的位置开设有中心同轴的贯通孔，以避免干涉打印头本体；所述加热单元环绕打印头本体底部，并与加压板保持间距。

2.根据权利要求1所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：还包括固定于Z轴直线模组正面底部的安装板；所述轴向驱动机构以及加热单元分别与该安装板固定连接。

3.根据权利要求2所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述轴向驱动机构包括调速电机、偏心轮、连杆、导向槽和装配于导向槽内的滑块，其中调速电机安装于安装板背面，偏心轮位于安装板正面，通过顶丝固定在调速电机的输出轴上；导向槽安装于安装板正面并位于偏心轮下方，装配于导向槽内的滑块通过连杆与偏心轮连接，滑块底部与所述加压板固定连接。

4.根据权利要求2所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述加热单元为U型结构，与安装板平行设置。

5.根据权利要求3所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述加压板具有环形结构和靠近安装板一侧延伸的柄部，经由该柄部通过螺丝与滑块底部连接固定；打印头本体底部直径20～40mm，所述环形结构的内部孔径40～42mm，环形结构的外部直径70～80mm。

6.根据权利要求3所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述调速电机速度0～10r/s；偏心轮直径20～30mm，偏心距2.5～5mm；偏心轮与导向槽的垂直距离不超过7mm；导向槽长度15～30mm，滑块长度25～30mm，连杆长度35～50mm。

7.根据权利要求4所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述加热单元的管径8～10mm，U型半径40～50mm，伸出安装板120～140mm。

8.根据权利要求4所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：所述加热单元采用加热卤素灯管。

9.根据权利要求3所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：偏心轮、连杆以及加压板的材质均为6061铝合金；导向槽以及滑块的材质均为尼龙。

10.根据权利要求3所述的随动加压及加热的3D打印头，其特征在于：安装板厚度5～10mm，材质为45钢。