CN110014645A - 一种多材料同步进料的fdm喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印熔融沉积领域，并公开了一种多材料同步进料的FDM喷头。该喷头包括进料单元、混料室、气压挤出单元和喷嘴，其中，物料从进料单元进入混料室后被搅拌混合均匀，在气压挤出单元的作用下进入喷嘴并被挤出；进料单元包括多个进料口，每个进料口上设置有漏斗、上气动碟阀、过渡仓和下气动蝶阀，物料加入漏斗中后打开上气动蝶阀，使其进入过渡仓，然后打开下气动蝶阀使其进入混料室，该过程中，分步打开上气动蝶阀和下气动蝶阀，避免外部气体进入混料室中，保证混料室中的气压，同时也避免混料室中的物料被氧化。通过本发明，实现包含不同材质和不同梯度材料复杂零件的挤出成形，缩短成型时间，提高成型效率和精度。

Description

一种多材料同步进料的FDM喷头
技术领域
本发明属于3D打印熔融沉积领域，更具体地，涉及一种多材料同步进料的FDM喷头。
背景技术
熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)作为增材制造中一种采用将材料熔融后沉积在加工平面的成形方法，由于其出料口的直径较小加上高精度的X，Y和Z三坐标控制，可以成形复杂外形和内部难加工结构的三维零件。由于FDM成本相对较低，易于上手，因此是增材制造中应用最广泛的成形方式。应用于FDM成形方式的材料主要是PLA，打印出来的零件具有一定的强度，很适合快速模型的构建，使得其被用于教学模型，商场展览，创客教育中。FDM打印过程中只有喷头部分会有一定的高温，整个打印流程安全，设备较小，是目前最适合在家庭中进行普及的成形方式。
然而适合3D打印的材料较少，在FDM中应用较多的材料为PLA，ABS。新的材料研究需要花费大量的时间及成本，如何将现有的这些材料得到更广泛的应用成为了研究的热点，而这也契合了现实应用，很多应用的零件是涉及多材料，不同的部分会要求不同的材料成分。多材料会带来很好的控形控性效果，多材料在同一零件不同部位的使用使得同一零件具有更加优异的性能。然而由于多材料涉及到不同材料精确到零件具体的位置，因此有不少问题需要攻克，如：不同材料的均匀混合，不同材料的精确送料等，就FDM成形方式，采用多喷头进行多材料打印时，多喷头的重复定位，材料的均匀混合，打印过程中材料的实时快速变化都是难题，由于其采用金属棒进行加热，所能达到的加热温度有限，故而对高熔点的金属材料无可奈何。现有技术中采用多个喷头实现多种材料的加工，该方法在转换喷头时，需要对转换的喷头的位置进行重新定位使其到达上个喷头的终点位置，该过程耗时长，且重新定位过程中易产生误差；另外，现有技术对于打印材料梯度快速变化的模型非常难实现，例如梯度材料第一层是质量比为1:3的材料A和B，第二层是质量比为1:2的材料C和D等，现有技术若打印过程中只采用一个喷头，对于不同梯度的材料，则需打印一种材料后停机，然后称取材料更换，开机，而对于不同的切片层则需要再不断的重复，整个过程耗时长，工序繁琐；若打印中是采用多个喷头，先提前在每个喷头中装入不同的材料，在喷头转换时则需对喷头的位置进行调整，精度难以保证，且耗时，因此对于大型的梯度材料，现有的喷头由于工序繁琐、耗时长，精度难以保证，根本无法实现打印。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多材料同步进料的FDM喷头，通过对其整体结构的布局和关键组件的结构设计，尤其是对其进料单元的设计，实现包含不同材质和不同梯度材料复杂零件的挤出成形，缩短成型时间，提高成型效率和精度。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，该喷头包括进料单元、混料室、气压挤出单元和喷嘴，其中，
所述混料室设置在所述进料单元的下端，该混料室中设置有搅拌器，物料从所述进料单元进入所述混料室后被搅拌混合均匀，然后在所述气压挤出单元的作用下进入所述喷嘴中，最后从该喷嘴中挤出；
所述进料单元包括多个进料口，用于实现多种材料的同步进料，每个进料口上设置有漏斗、上气动碟阀、过渡仓和下气动蝶阀，所述过渡仓设置在所述上气动蝶阀和下气动蝶阀之间，物料加入所述漏斗中后打开所述上气动蝶阀，使其进入所述过渡仓，然后打开所述下气动蝶阀使其进入混料室，该过程中，分步打开上气动蝶阀和下气动蝶阀，避免外部气体进入所述混料室中，保证混料室中的气压，同时也避免所述混料室中的物料被氧化。
进一步优选地，所述过渡仓中设置有流量传感器，用于测量进入所述过渡仓中物料的质量。
进一步优选地，所述搅拌器上设置有多个搅拌叶片，避免物料过多引起搅拌不均匀。
进一步优选地，所述气压挤出单元包括气压监测器和气源，通过所述气压监测器实时监测所述混料室中的气压。
进一步优选地，所述混料室的下端和喷嘴上均设置有加热单元，用于对物料进行加热。
进一步优选地，所述加热单元优选采用电阻式加热或者电感式加热。
进一步优选地，所述混料室中的气体优选为惰性气体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用多材料的进料单元，该单元中同时设置有多个进料口，多种材料可以同时加入进料单元中，随后逐一进入混料室依次加工，或者同时进入进料单元后一起进入混料室中混合后同时加工，对于逐一进入混料室依次加工的方式，可避免现有技术中采用单一的进料口时，停机更换材料，极大地缩短中间的停顿时间，提高效率，对于同时进入进料单元混合加工的方式，实现多种材料在该喷头中的混合加工，无需先将材料混合后再进入喷头中加工，将混料和挤出在同一喷头中进行，缩短加工时间；
2、本发明的进料单元采用双层的气动蝶阀和过渡仓的结构，使得物料在进入混料室时分步进行，一方面防止外面的气体进入混料室中破坏混料室中的气压，保证混料室中的气压使得材料具有均匀的驱动力，实现了材料的稳定进给，另一方面防止外部的气体进入混料室将物料氧化；
3、采用本发明提供的喷头，实现多种材料的同时加入，避免采用不同的喷头加工物料时对喷头的重新定位，避免定位过程中的位置误差，节省了定位所需的时间，缩短了加工时间，提高加工效率；
4、本发明中的过渡仓中设置有流量传感器，使得在加物料的过程中能准确显示加入的物料的质量，实现材料的精确进给与实时调控，同时也节省了称取物料的时间，提高加工效率。
附图说明
图1是按照本发明的实施例所构建的熔融挤出喷头整体结构示意图；
图2是按照本发明的实施例所构建的多材料进料装置结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-进料单元，2-搅拌器，3-气压挤出单元，4-加热器，5-喷嘴，6-混料室，11-漏斗，12-上气动蝶阀，13-过渡仓，14-下气动蝶阀，15-圆形法兰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的实施例所构建的熔融挤出喷头整体结构示意图，如图1所示，本发明提供一种多材料熔融沉积进料和熔融挤出喷头，该装置包括进料单元1，搅拌器2，气压挤出单元3，加热器4，喷嘴5，混料室6。
所述多材料进料单元1垂直打印基板，方便粉末材料依靠自重，从进料单元1中进入喷嘴5。
图2是按照本发明的实施例所构建的多材料进料装置结构示意图，如图2所示，所述多材料进料装置1，包括进料漏斗11，上气动蝶阀12，过渡仓13，下气动蝶阀14及圆法兰15，使用流量传感器精确控制进粉的体积，从而达到控制喷头出口粉末质量的目的，两个气动蝶阀的使用可以避免进料过程将外面的氧气带入喷嘴5，给打印过程提供一个良好的气体氛围。
所述的搅拌器2采用电机驱动，具有双层搅拌叶片，用于将从多材料进料管1中进入的粉末进行搅拌，确保多材料的均匀混合。
所述气压挤出单元3能够将惰性气体调节压强后泵入喷嘴5，惰性气体能够在打印过程中，避免喷头内部的材料在高温下被氧化，同时通过调节喷头内压强为熔化后的打印材料提供驱动力，实现打印材料快速、均匀地挤出。
所述的惰性气体包括氮气、氩气、氦气中的一种或几种。
所述的加热器4包括电阻式加热和电感式加热，电感式加热方式使得金属等高温材料的打印成为可能，所使用的材料可以包含高分子，金属，陶瓷及其复合材料。
所述的喷嘴5按照材料需求喷嘴直径为0.1～3mm。
在使用该喷头之前需要确定一下加工的材料种类，如果是用高分子及高分子复合材料则加热器4使用的是电阻加热方式，加热温度在150°～300°之间，如果是金属及其复合材料则使用的是电感加热方式，加热温度在800°～1500°，气压挤出单元3中所用的气体要求为惰性保护气体。确定打印零件的大小及精度要求，打印喷嘴5的底部孔径大小由0.1mm到3mm之间进行选取。
以上事宜确定完毕后，就可以进行材料的熔融挤出了，具体的操作过程如下。
步骤1：采用切片软件对模型进行处理，得到不同部位及其对应材料的加工代码。
步骤2：气压挤出单元3工作，将喷嘴5内部的气体全部替换成惰性气体。
步骤3：根据一个切片层中所需要的材料种类，选择从不同的进料单元1入口分别进入所需质量的材料，进入喷嘴5内部的材料会在搅拌机构2的作用下混合均匀，随后进入喷嘴5的底端，在加热器4作用下被加热到该材料的指定温度，气压挤出单元3运行，使得喷头内部的压强高于外部的压强，将材料均匀快速地挤出。
步骤4：待该种材料使用完后，进行同一层中第二种材料的选择使用，直至当层全部打印完。
步骤5：打印的基板下降一层的高度，重复步骤3、4直至获得最终的零件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，该喷头包括进料单元(1)、混料室(6)、气压挤出单元(3)和喷嘴(5)，其中，
所述混料室(6)设置在所述进料单元(1)的下端，该混料室中设置有搅拌器(2)，物料从所述进料单元进入所述混料室后被搅拌混合均匀，然后在所述气压挤出单元(3)的作用下进入所述喷嘴(5)中，最后从该喷嘴中挤出；
所述进料单元(1)包括多个进料口，用于实现多种材料的同步进料，每个进料口上设置有漏斗(11)、上气动碟阀(12)、过渡仓(13)和下气动蝶阀(14)，所述过渡仓(13)设置在所述上气动蝶阀(12)和下气动蝶阀(14)之间，物料加入所述漏斗(11)中，打开所述上气动蝶阀(12)，使其进入所述过渡仓(13)，然后打开所述下气动蝶阀(14)使其进入混料室，该过程中的分步打开所述上气动蝶阀和下气动蝶阀，避免外部气体进入所述混料室中，保证混料室中的气压，同时也避免所述混料室中的物料被氧化。
2.如权利要求1所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述过渡仓中设置有流量传感器，用于测量进入所述过渡仓中物料的质量。
3.如权利要求1或2所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述搅拌器(2)上设置有多个搅拌叶片，避免物料过多引起搅拌不均匀。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述气压挤出单元(3)包括气压监测器和气源，通过所述气压监测器实时监测所述混料室中的气压。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述混料室(6)的下端和喷嘴(5)上均设置有加热器(12)，用于对物料进行加热。
6.如权利要求5所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述加热器(4)优选采用电阻式加热或者电感式加热。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种多材料同步进料的FDM喷头，其特征在于，所述混料室中的气体优选为惰性气体。
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