CN109878084B - 一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3d打印头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合石墨烯预热与摩擦生热的3D打印头结构，该3D打印头包括定位区、直流电机、进料区、摩擦棉、隔热层、熔丝区、石墨烯发热膜、过滤网和喷嘴。3D打印头定位区用于定位3D打印头，保证工作时打印的精度。直流电机与安装在发热棒内的摩擦棉进行摩擦生热，再通过发热棒将热传导到熔丝区。进料区设置有圆筒状送料通道，将熔融材料送到熔丝区。熔丝区采用石墨烯发热膜进行预热，石墨烯发热膜也可以与直流电机的摩擦生热一起成为热源，将熔融材料融化成流体，使其通过过滤网沉积到喷嘴内。此外，熔丝区旁边设置有隔热层，避免热流失以及使打印头发生热变形，影响打印精度。完全熔化后的熔融材料最后经针状喷嘴流出，进行3D打印。
Description
技术领域
本发明属于增材制造设备技术领域，特别涉及一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构。
背景技术
目前，3D打印技术在工业领域得到越来越广泛的应用。目前常用的加热方式是熔融沉积式(FDM)。打印头上有加热块和喷头。加热块将熔融材料加热融化，通过热熔通道将融化后的材料不断流到喷嘴中，最终从喷嘴中流出。传统的加热融化方式是通过加热棒通电加热和温控器来工作的，这种加热方式往往导致温度分布不均匀，从而使得热熔通道内的材料无法得到均匀的受热，融化也不均匀，严重影响打印效果。而且热响应慢，需要预热时间较长。加热区域不能得到完全的利用，存在严重的浪费现象。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，这种打印头可以提供均匀的加热效果，使熔融材料受热均匀，从而得到较好的打印效果。本发明热响应快，预热时间短，可以较快实现加热，而且只在热熔通道内加热，加热区域得到完全的利用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，包括自上而下依次设置的定位区、进料区、熔丝区和喷嘴；其中，
定位区用于定位3D打印头，并与打印机进行定位连接，其底部开设有凹槽，并设置有直流电机，凹槽中心开设有圆筒状圆槽；熔丝区内开设有与圆筒状圆槽连通且同轴心设置的热熔通道，喷嘴内开设有与热熔通道连通且同轴心设置的出料通道；进料区的周向上开设与若干与热熔通道连通的圆弧状进料通道；
熔丝区的热熔通道内设置有具有中空腔体的发热棒，直流电机的转轴伸入发热棒内部，与填充在发热棒内部的摩擦棉充分紧密接触；熔丝区的热熔通道内壁紧贴有呈圆筒状的石墨烯发热膜，且石墨烯发热膜与发热棒之间设有间隙，熔融材料通过圆弧状进料通道被送到发热棒与石墨烯发热膜之间进行加热熔化；熔丝区底部设置有过滤网。
本发明进一步的改进在于，熔丝区的周向设置有隔热层，用于防止石墨烯加热使打印头结构变形影响打印精度。
本发明进一步的改进在于，直流电机选用最高转速能达到40000r/min及以上的直流电机。
本发明进一步的改进在于，摩擦棉的材料选择钢棉或者铜棉，用于与直流电机的转轴进行摩擦生热，并将热通过发热棒传导到熔丝区。
本发明进一步的改进在于，熔丝区的加热方式为石墨烯发热膜进行预热，然后通过直流电机与摩擦棉进行摩擦生热，并通过发热棒将热传导到熔丝区，熔融材料经进料区进入熔丝区后加热熔化。
本发明进一步的改进在于，过滤网上的过滤孔孔径小于熔融材料的直径，使得未能完全融化的熔融材料不能进入到喷嘴中。
本发明进一步的改进在于，喷嘴为针状喷嘴，与3D打印头通过螺纹连接。
本发明进一步的改进在于，圆弧状进料通道的数量为四个。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，包括定位区、直流电机、进料区、摩擦棉、发热棒、熔丝区、石墨烯发热膜、过滤网和喷嘴。其中，定位区用于定位3D打印头和直流电机。进料区用于将熔融材料从外部送到熔丝区，进料区内部设置有圆弧状进料通道。熔丝区用于将熔融材料融化，内部设置有发热棒和竖直的热熔通道。发热棒内部具有中空腔体，里面装有摩擦棉，摩擦棉用于与直流电机的轴摩擦生热，以及减小噪声。直流电机的轴延伸到发热棒内部，并且与摩擦棉紧密接触。发热棒与热熔通道同轴心。热熔通道内壁贴有石墨烯加热膜，给石墨烯加热膜通电就可以实现预加热。同时，石墨烯发热膜也可以用于和摩擦生热一起加热熔融材料。完全加热熔化后的熔融材料从过滤孔流到喷嘴中。喷嘴出料口为针状，喷嘴的螺纹孔与熔丝区内的热熔通道同轴心。其中石墨烯加热膜为面状发热体，通电发热。其有许多优点：散热面积大、热响应快、节能环保、可做成复杂的结构形状，使用寿命长，可靠性好，安装，维护方便，有不同的工作温度。
进一步，在石墨烯外部有隔热层，防止产生的热能影响喷头外壳使其变形以及热流失，影响打印精度和熔化效果。
进一步，3D打印头通过侧面上的内六角螺栓定位，定位面为平面，保证每次打印工作前处于工作零位状态，避免产生不必要的误差，影响打印精度。
进一步，热熔通道底部设置有过滤网，且过滤网上的过滤孔孔径比熔融材料的直径小，只能通过受热熔化后的流体，不能通过未完全加热熔化的熔融材料。
进一步，喷嘴与熔丝区通过螺纹连接，热熔通道和喷嘴的出料口保证同轴心度。
进一步，3D打印头前后左右四个面上均设置有圆弧状进料通道，从四个进料通道内将熔融材料送到熔丝区，充分利用熔丝区的发热，避免热资源的浪费。
附图说明
图1为本发明3D打印头结构的平面示意图；
图2为本发明3D打印头结构的外部示意图；
图3为本发明3D打印头结构的组装示意图。
附图标记说明：
1为定位区(包括壳体和螺栓)，2为直流电机，3为进料区，4为摩擦棉，5为发热棒，6为熔丝区，7为石墨烯发热膜，8为隔热层，9为过滤网，10为喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
如图1至图3所示，本发明提供的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，打印头壳体由耐高温的不锈钢制成，包括定位区1、直流电机2、进料区3、摩擦棉4、发热棒5、熔丝区6、石墨烯发热膜7、隔热层8、过滤网9和喷嘴10。
定位区1用于定位3D打印头，包括壳体和螺栓，壳体材料为耐高温不锈钢，防止因加热导致喷头变形，影响定位精度和3D打印精度。通过侧面上安装内六角螺栓与打印机进行定位，为保证定位精度，定位面选择平面。底部开设有凹槽，用于定位直流电机2。凹槽中心开设有圆筒状圆槽，用于放置发热棒5和直流电机2的延伸轴。
直流电机2选用最高转速能达到40000r/min及以上的直流电机。
进料区3在3D打印头四个侧面均设有圆弧状进料通道，使熔融材料进入熔丝区较为流畅。通道入口为外部环境，出口为熔丝区6。熔融材料经四个进料通道被输送到熔丝区6进行加热熔化，充分利用发热棒5和圆筒状石墨烯发热膜7的圆筒状发热面积。
直流电机2的轴延伸到发热棒5内部，与填充在发热棒5内部的摩擦棉4充分紧密接触。摩擦棉4的材料选择钢棉或者铜棉。
熔丝区6内置竖直热熔通道，热熔通道与发热棒5同轴心。石墨烯发热膜7呈圆筒状紧贴在热熔通道内壁。熔融材料被送到发热棒5与石墨烯发热膜7之间进行加热熔化。发热方式为直流电机2与摩擦棉4摩擦生热或者与石墨烯发热膜7一起共同加热。
熔丝区6四周设置有隔热层8，防止石墨烯加热使打印头结构变形影响打印精度，并且可以防止热量流失。隔热层8可以选用岩棉进行填充。
熔丝区6底部设置有过滤网9，过滤网9的过滤孔孔径小于熔融材料的直径，使得未能完全融化的熔融材料不能进入到喷嘴10中，只有完全融化成流体的材料才能经过滤孔流到喷嘴10中。
喷嘴10为针状喷嘴，与熔丝区6通过螺纹连接。螺纹孔与熔丝区6内热熔通道同轴心。喷嘴10内置有出料通道，加热融化后的熔融材料过滤网9流到喷嘴10的出料通道，再通过出料通道的针状口流出。
以上所述为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。
Claims (6)
1.一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，包括自上而下依次设置的定位区(1)、进料区(3)、熔丝区(6)和喷嘴(10)；其中，
定位区(1)用于定位3D打印头，并与打印机进行定位连接，其底部开设有凹槽，并设置有直流电机(2)，凹槽中心开设有圆筒状圆槽；熔丝区(6)内开设有与圆筒状圆槽连通且同轴心设置的热熔通道，喷嘴(10)内开设有与热熔通道连通且同轴心设置的出料通道；进料区(3)的周向上开设与若干与热熔通道连通的圆弧状进料通道；
熔丝区(6)的热熔通道内设置有具有中空腔体的发热棒(5)，直流电机(2)的转轴伸入发热棒(5)内部，与填充在发热棒(5)内部的摩擦棉(4)充分紧密接触，摩擦棉(4)的材料选择钢棉或者铜棉，用于与直流电机(2)的转轴进行摩擦生热，并将热通过发热棒(5)传导到熔丝区(6)；熔丝区(6)的热熔通道内壁紧贴有呈圆筒状的石墨烯发热膜(7)，且石墨烯发热膜(7)与发热棒(5)之间设有间隙，熔融材料通过圆弧状进料通道被送到发热棒(5)与石墨烯发热膜(7)之间进行加热熔化；熔丝区(6)底部设置有过滤网(9)；熔丝区(6)的加热方式为石墨烯发热膜(7)进行预热，然后通过直流电机(2)与摩擦棉(4)进行摩擦生热，并通过发热棒(5)将热传导到熔丝区(6)，熔融材料经进料区(3)进入熔丝区(6)后加热熔化。
2.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，熔丝区(6)的周向设置有隔热层(8)，用于防止石墨烯加热使打印头结构变形影响打印精度。
3.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，直流电机(2)选用最高转速能达到40000r/min及以上的直流电机。
4.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，过滤网(9)上的过滤孔孔径小于熔融材料的直径，使得未能完全融化的熔融材料不能进入到喷嘴(10)中。
5.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，喷嘴(10)为针状喷嘴，与3D打印头通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯预热与摩擦生热沉积的3D打印头结构，其特征在于，圆弧状进料通道的数量为四个。
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