CN110039766A - 一种熔融沉积成型3d打印机的混粉进料喷头装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于熔融沉积成型3D打印技术领域，并具体公开了一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置。所述装置包括送粉模块、混粉模块、加热模块以及挤出模块，送粉模块包括气泵、气流管、粉料筒、气流阀和粉料支路软管，混粉模块包括混粉管和搅拌风扇，加热模块包括加热片和测温元件；挤出模块包括设于所述混粉管内的步进电机、联轴器、变芯径螺杆以及设于所述混粉管底部的喷嘴，变芯径螺杆用于将加热片熔融的混合粉料挤压至所述喷嘴处进行打印。本发明可有效解决现有技术中多喷头打印装置的繁重复杂、难以实现高精细材料梯度成型件打印的问题，同时还具备装置结构简单、只需要单个喷头即可实现多功能复合梯度材料的高精细梯度打印。

Description

一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置

技术领域

本发明属于熔融沉积成型3D打印技术领域，更具体地，涉及一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对材料性能的要求日益提高，由单一材料制成的成型件的性能已经不能满足人们的要求，多功能梯度复合材料的制备成为研究的热点。3D打印技术又称快速成型技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)或增材制造技术(Additive Manufacturing Technology)，它涉及到机械工程、材料工程、数字控制、逆向制造、CAD技术以及计算机技术等学科。3D打印技术的基本原理为“逐层打印、层层叠加”，以3D打印快速成型技术为核心，利用材料的不同特性，出现了不同打印原理的3D打印技术，其中，熔融沉积成型(FDM)设备依靠其使用方便、操作简单而成为当下应用的主流。其硬件核心是热熔打印喷头，打印材料多为热熔性高分子材料，打印过程中，利用材料达到熔点后的熔融状态粘接成型。

然而，进一步的研究，在利用3D打印技术制备多功能梯度材料进行打印的过程中，混粉进料喷头装置仍然存在以下的缺陷或不足：首先，利用3D打印技术制备多功能梯度材料主要通过设置多喷头实现，打印路径规划复杂，喷头交替运动形成较多无效时间，且难以实现高精细材料梯度的成型件打印；其次，现有技术采用繁重复杂的多喷头打印，使得打印装置繁重复杂，打印精度不高；最后，现有技术中成型件的梯度受限于喷头个数及喷嘴口径，无法对打印件各区间的材料进行任意的个性化定制，极大地限制了3D打印领域多功能复合梯度材料的研究进展。

基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置做出进一步的改进设计，构建结构简化的混粉进料喷头装置，以摆脱多喷头的束缚，解决现有熔融沉积成型3D打印机无法打印高精细材料梯度的成型件的技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置，可有效解决现有技术中多喷头打印装置的繁重复杂、难以实现多功能复合梯度材料成型件打印的问题，同时还具备装置结构简单、只需要单个喷头即可实现多功能复合梯度材料的高精细梯度打印，因而尤其适用于熔融沉积成型3D打印的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置，包括送粉模块、混粉模块、加热模块和挤出模块，其中，

所述送粉模块包括气泵、气流管、粉料筒、气流阀和粉料支路软管，所述气泵通过气流管与所述粉料筒连接，所述气流阀设于所述气流管上，用于控制所述粉料筒内的气压，所述粉料支路软管的进料口与所述粉料筒连接，用于输出所述粉料筒内的粉料；

所述混粉模块包括混粉管和搅拌风扇，所述粉料支路软管的出料口与设于所述混粉管侧壁上的进料口连接，用于向混粉管内输送粉料；所述加热模块包括加热片和测温元件，所述加热片设于所述混粉管的外壁上，用于加热熔融所述混合粉料，所述测温元件设于所述加热片与混粉管之间，用于实时调控所述加热片的加热温度；

所述挤出模块包括设于所述混粉管上部的步进电机和联轴器、设于所述混粉管内部的变芯径螺杆以及设于所述混粉管底部的喷嘴，所述步进电机、联轴器、变芯径螺杆依次相连，所述搅拌风扇套设于所述变芯径螺杆上且所述搅拌风扇与所述粉料支路软管的出料口平齐，并在粉料气流的带动作用下转动；所述步进电机驱动所述联轴器转动，进而带动所述变芯径螺杆转动，用于将混合均匀且被所述加热片熔融的混合粉料挤压至所述喷嘴处进行打印。

进一步的，所述粉料筒、粉料支路软管和气流阀均有多个，且每个所述粉料筒对应设置一个所述气流阀和一个所述粉料支路软管。

进一步的，所述混粉管的进料口设置有多个，多个所述进料口沿所述混粉管的周向均匀布置，且每个所述进料口都对应一个所述粉料支路软管。

进一步的，所述变芯径螺杆包括变径杆和渐变螺纹，所述变径杆的上端与所述联轴器连接，所述渐变螺纹设于所述搅拌风扇的下方且沿所述变径杆的周向呈螺旋布置。

进一步的，所述变径杆靠近所述喷嘴的一端为圆锥形，且其直径从所述搅拌风扇处到所述圆锥形处逐渐增大。

进一步的，所述渐变螺纹的外边缘与所述混粉管间隙配合设置。

进一步的，所述变径杆、混粉管、联轴器的中心轴共线。

进一步的，所述加热片包括第一加热片、第二加热片以及第三加热片，其中，所述第一加热片、第二加热片以及第三加热片沿所述混粉管的径向依次间隔布置。

进一步的，所述测温元件包括设于所述混粉管与第一加热片之间的第一测温元件、设于所述混粉管与第二加热片之间的第二测温元件以及设于所述混粉管与第三加热片之间的第三测温元件。

进一步的，所述装置在工作时，所述第二加热片的加热温度大于所述第一加热片的加热温度。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明结合混粉进料喷头装置自身的特征及其混料和混料挤出的工艺特点，相应设计了熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置，并对其关键组件如送粉模块、混粉模块、加热模块以及挤出模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决现有技术中多喷头打印装置的繁重复杂、难以实现高精细材料梯度成型件打印的问题，同时还具备装置结构简单、只需单个喷头即可实现多功能复合梯度材料的高精细梯度打印。

2.本发明比原有依赖多喷头进行多材料打印的方式，利用分布支管路进粉的方式提供打印原料，淘汰掉繁重复杂的多喷头打印，使得本装置的结构大大简化，只需单个喷头即可实现多功能复合材料的高精细梯度打印，解决了多打印头质量沉重，与提升打印速度的矛盾，显著提升了打印效率。

3.本发明送粉模块由独立的气泵提供动力气体，气体流经气流管后，经打印程序同步控制的气流阀控制流过各粉料筒的气体流速，利用各粉料筒中气管内与外界的气压差从各粉料筒中吸入打印所需体积的粉料。

4.本发明多个所述粉料支路软管的出料口沿所述混粉管的周向均匀布置，且搅拌风扇与粉料支路软管的出料口平齐布置，粉料经混粉管喷出后，撞击到混粉管内的搅拌风扇上，利用各软管内气体流速的不同驱动搅拌风扇，在风扇的转动下形成气体湍流，各支路软管内喷出的粉末得以充分混合，继而沉降到下方的变芯径螺杆上。

5.本发明挤出模块使用变芯径螺杆，在变芯径螺杆进给过程中，随着粉料的进给，粉料的空间被压缩，气体被挤出，粉料密度增大，有助于成型出无气泡高质量的打印样件。

6.本发明加热模块可以利用热熔性高分子材料的熔化粘结成型方式，掺入其他非热熔性材料粉体进行成型(比如陶瓷粉末、金属粉末)，从而可以打印一般无法利用熔融沉积成型的材料，极大地扩展了熔融沉积成型3D打印机的可打印材料范围，其中，加热片包覆在混粉管外部分，分三段加热，由第一加热片控制的部分温度稍低，使粉料开始熔化，由第二加热片控制的区域温度最高，使得其中的粉料完全熔化并可自由流动，第三加热片控制的区域保持形成的稳定的待挤出物料。

总而言之，本发明在粉料尺度上制备梯度复合材料，梯度尺度突破喷嘴口径的限制，大幅度提高成型件的材料个性化定制程度，且本发明装置简化原有的多喷头设计的同时，提高了其成型多功能复合梯度材料的精细度，将熔融沉积成型3D打印机的可打印材料范围从仅限于热熔性高分子材料扩展到其他多种材料，比如陶瓷、金属等，显著提高了熔融沉积成型3D打印机打印多功能复合梯度材料成型件的能力。

附图说明

图1是本发明涉及的一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置的三维结构示意图；

图2是本发明涉及的混粉系统、加热系统和挤出系统的剖视图；

图3是本发明一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置的主视图。

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，具体为：1-气泵，2-气流管，3-气流阀，4-粉料筒，5-粉料支路软管，6-混粉管，7-第一加热片，8-第二加热片，9-第三加热片，10-步进电机，11-步进电机支架，12-联轴器，13-喷头支架，14-丝杆移动块，15-搅拌风扇，16-变芯径螺杆，17-第一测温元件，18-第二测温元件，19-第三测温元件，20-喷嘴。

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。

如图1至图3所示，本发明一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置主要包括送粉模块、混粉模块、加热模块、挤出模块。

送粉模块包括气泵1、气流管2、气流阀3、粉料筒4，其中，粉料筒4内根据需求设置有多个粉料子筒，每个粉料子筒装有3D打印所需的粉料。每个粉料子筒均通过管道与气流管2连接，且每根管道上都对应设置有一个气流阀3。气泵1与气流管2连接，气泵1用于控制气流管中的气流。气流阀3用于进一步控制各个粉料子筒的气流，本发明装置根据用户定义的材料配比，实时调控气流的流速，气体流速的不同使得各粉料子筒内粉料产生不同的内外压强差，利用气压的作用提取所需质量的各种粉料，为了打印时粉料子筒内能够形成有效的气压差，粉料子筒的体积设计成细长的长方体形，使得用户在不需要在粉料筒中放入过量的原料粉，避免材料的浪费。

混粉模块包括粉料支路软管5、混粉管6以及搅拌风扇15。其中，粉料支路软管5为多根，且每个粉料子筒都配备有一根粉料支路软管5，粉料支路软管5一端与粉料子筒连接，一端与混分管6的进料口连接，且多个进料口均匀排布在混分管6的四周，且每个进料口均与一根粉料支路软管5连接，以实现在气流阀3的调节作用下，提取所需质量的各种粉料。混分管6内部粉料支路软管5的出料口处设置有搅拌风扇15，用于将从粉料支路软管5出来的各种粉料混合均匀。

加热模块包括第一加热片7、第二加热片8、第三加热片9、第一测温元件17、第二测温元件18以及第三测温元件19，其中第一加热片7、第二加热片8、第三加热片9从上到下依次设置在混分管6的外部，距三者之间具有一定的间距，第一加热片7与混粉筒6之间对应设置有第一测温元件17，用于实时监控和调节第一加热片7的加热温度，同时，工作时，第一加热片7加热部分的温度稍低，其用于加热粉料，使粉料进入初步熔化状态，第二加热片8与混粉筒6之间对应设置有第二测温元件18，用于实时监控和调节第二加热片8的加热温度，同时，第二加热片8加热部分的温度最高，用于完全熔化粉料，以实现粉料出于可自由流动的状态，第三加热片9与混粉筒6之间对应设置有第三测温元件19，第三加热片9用于控制成型区域形成稳定的待挤出物料。为了能更好的控制和调节加热模块各个区域的加热温度，本发明中，三个测温元件与三个加热片一一相对应设置，进而能够实时监控和调节各个区域的解热温度，使得本装置能够打印一般无法利用熔融沉积成型的材料，极大地扩展了熔融沉积成型3D打印机的可打印材料范围。

挤出模块包括步进电机10、步进电机支架11、联轴器12、变芯径螺杆16以及喷嘴20，其中，步进电机10通过联轴器12与变芯径螺杆16连接，进而用于驱动变芯径螺杆16的转动。步进电机10和联轴器12设于混粉管6的上部，变芯径螺杆16设于混粉管6的内部，喷嘴20设于混粉管6的底部，变芯径螺杆16的上部固定设置有搅拌风扇15，搅拌风扇15与变芯径螺杆16同轴心配合，在气流的带动下做旋转运动，用于将从粉料支路软管5出来的各种粉料混合均匀。变芯径螺杆16包括变径杆和渐变螺纹，其中，渐变螺纹沿变径杆的周向螺旋布置，且布置在搅拌风扇15的下侧。变径杆从上到下的直径逐渐变大，且其最下方为圆锥形。本发明装置中，渐变螺纹的外侧轮廓线与混粉管6的内壁间隙配合设置，进而在变芯径螺杆16的转动作用下，粉料边熔化边给进，粉料的空间被压缩，粉料密度增大，有助于成型出无气泡高质量的打印样件。喷嘴20设置于混粉管6的下端，其中心线与变芯螺杆的中心线共线，用于打印样件。

具体而言，如图1所示，本发明装置中，送粉模块与混粉模块通过软管连接，形成气流通路，接口处利用螺纹、密封圈连接，送粉模块流经粉料筒时，气流受到气流阀的控制，设备实时的根据用户定义的材料配比，实时调控气流的流速，气体流速的不同使得各粉料筒内粉料产生不同的内外压强差，利用气压的作用提取所需质量的各种粉料，为了打印时粉料筒内能够形成有效的气压差，粉料筒的体积设计成细长的长方体形，使得用户在不需要在粉料筒中放入过量的原料粉，避免材料的浪费。

如图2所示，为了使得喷头能够方便的安装于熔融沉积成型3D打印机上，混粉模块、加热模块与挤出模块集成于一支混粉管中，从上到下依次包括步进电机、步进电机支架、联轴器、喷头支架、混粉管、变芯径螺杆、搅拌风扇、第一加热片、第二加热片、第三加热片、第一测温元件、第二测温元件、第三测温元件、喷嘴，所需粉料经粉料支路软管进入混粉管，各支路粉料进粉口均匀分布于混粉管四周，喷粉口对准安装与变芯径螺杆上的搅拌风扇，搅拌风扇同轴安装与变芯径螺杆上。步进电机与步进电机支架、喷头支架与步进电机支架通过螺栓固定，保证了结构的稳定性。加热片通过螺钉固定，均匀分布在在混粉管下端，各测温元件分别分布于各对应加热片内部，且部分嵌入混粉管中。其中步进电机、联轴器、变芯径螺杆、喷嘴依序同轴心连通，变芯径螺杆内置于混粉管内，由步进电机驱动，将粉料缓慢送入混粉管的加热区，在加热区内通过设置不同的加热参数，控制粉料的软化、熔化、和挤出，螺杆从上至下芯径逐渐增大形成高压，通过这种方法抑制回流，净化滞留空气，并通过螺杆转速精确控制挤出流量，实现稳定打印。

如图3所示，为了解决混粉打印过程中，多种粉料混合可能造成的堵头现象，本发明中，喷嘴独立于整个混粉管，使得其可以方便的拆卸更换，避免出现堵头后整个喷头模块的更换，延长混粉进料喷头的使用寿命。本发明中，混分管外壁的一侧还设有用于移动整个装置的电机和丝杠移动块14，以及用于支撑和固定本发明装置的喷头支架13。

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 (10)

1.一种熔融沉积成型3D打印机的混粉进料喷头装置，其特征在于，包括送粉模块、混粉模块、加热模块和挤出模块，其中：

所述送粉模块包括气泵(1)、粉料筒(4)、气流阀(3)和粉料支路软管(5)，所述气泵(1)通过气流管(2)与所述粉料筒(4)连接，所述气流阀(3)设于所述气流管(2)上，用于控制所述粉料筒(4)内的气压，所述粉料支路软管(5)的进料口与所述粉料筒(4)连接；

所述混粉模块包括混粉管(6)和搅拌风扇(15)，所述粉料支路软管(5)的出料口与设于所述混粉管(6)侧壁上的进料口连接；

所述加热模块包括加热片和测温元件，所述加热片设于所述混粉管(6)的外壁上，所述测温元件设于所述加热片与混粉管(6)之间；

所述挤出模块包括设于所述混粉管(6)上部的步进电机(10)和联轴器(12)、设于所述混粉管(6)内部的变芯径螺杆(16)以及设于所述混粉管(6)底部的喷嘴(20)，所述步进电机(10)、联轴器(12)、变芯径螺杆(16)依次相连，所述搅拌风扇(15)套设于所述变芯径螺杆(16)上且所述搅拌风扇(15)与所述粉料支路软管(5)的出料口平齐，并在粉料气流的带动作用下转动；所述步进电机(10)驱动所述联轴器(12)转动，进而带动所述变芯径螺杆(16)转动，用于将混合均匀且被所述加热片熔融的混合粉料挤压至所述喷嘴(20)处进行打印。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粉料筒(4)、粉料支路软管(5)和气流阀(3)均有多个，且每个所述粉料筒(4)对应设置一个所述气流阀(3)和一个所述粉料支路软管(5)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述混粉管(6)的进料口设置有多个，多个所述进料口沿所述混粉管(6)的周向均匀布置，且每个所述进料口对应设置一个所述粉料支路软管(5)。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述变芯径螺杆(16)包括变径杆和渐变螺纹，所述变径杆的上端与所述联轴器(12)连接，所述渐变螺纹设于所述搅拌风扇(15)的下方且沿所述变径杆的周向呈螺旋布置。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述变径杆靠近所述喷嘴(20)的一端为圆锥形，且其直径从所述搅拌风扇(15)处到所述圆锥形处逐渐增大。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述渐变螺纹的外边缘与所述混粉管(6)间隙配合设置。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述变径杆、混粉管(6)、联轴器(12)的中心轴共线。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热片包括第一加热片(7)、第二加热片(8)以及第三加热片(9)，其中，所述第一加热片(7)、第二加热片(8)以及第三加热片(9)沿所述混粉管(6)的径向依次间隔布置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测温元件包括设于所述混粉管(6)与第一加热片(7)之间的第一测温元件(17)、设于所述混粉管(6)与第二加热片(8)之间的第二测温元件(18)以及设于所述混粉管(6)与第三加热片(9)之间的第三测温元件(19)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置在工作时，所述第二加热片(8)的加热温度大于所述第一加热片(7)的加热温度。