CN110193939A - 一种丝材实时复合的熔融沉积打印头及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种丝材实时复合的熔融沉积打印头及其使用方法，熔融沉积打印头包括传热块内部设有的熔体腔，熔体腔内设有双螺纹推杆，双螺纹推杆下方和陶瓷加热器的材料复合区入口对应，材料复合区出口连接有打印头；传热块外固连有铸铜加热块，传热块的熔体腔的侧面连接着进料通道，进料通道安装有防回流装置，熔体腔通过防回流装置和材料库连接，每个材料库设有一个材料定量进给器，材料定量进给器和防回流装置之间设有管道保证丝材顺利通过；使用方法通过增加其他材料的材料库和双螺纹推杆，实现多材料复合打印；可根据功能分析结果，通过材料定量进给器和防回流装置，实现待复合材料的实时定量供给，从而得到适应实际需要的各部位材料组成不同的制件。

Description

一种丝材实时复合的熔融沉积打印头及其使用方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种丝材实时复合的熔融沉积打印头及其使用方法。
背景技术
近年来，随着科技的发展，生产实践对于产品的性能提出了更高的要求，尤其是在航空航天和医疗产业，单一均匀材料的制件已经难以满足复杂多变的工作需求，因此，功能梯度材料的制造，受到广泛关注和重视。
功能梯度材料即材料的成分并不是均匀的，而是根据需要，在制件上进行变化，使得制件材料的性能和功能也呈现出一种变化。3D打印技术由于其制造原理的优越性，在制造功能梯度材料上有很大潜力。熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling,FDM)是使用最广泛、发展最成熟的3D打印技术之一，然而现有的FDM梯度材料打印技术仍有一些问题。
例如，目前材料比例成分控制的工艺并不成熟。对于多成分材料的3D打印，现有工艺是预先将各种材料进行复合，制造成丝，再进行熔融成型3D打印，这样的方式无法在打印过程实时控制不同材料的进给程度，无法制造梯度材料，显然难以满足复杂环境下的零件功能要求。
目前现有的多材料复合打印头专利，没有考虑材料复合后熔点的变化，并不能很好地保证打印过程中稳地持续的进给，也难以保证不同材料的实时调控和充分混合，对于同一材料的不同形态，如粉材和丝材，也需要使用不同的装置来保证过程中的可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种丝材实时复合的熔融沉积打印头及其使用方法，能保证不同材料的实时调控和充分混合。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种丝材实时复合的熔融沉积打印头，包括传热块2，传热块2内部设有熔体腔1，熔体腔1内设有双螺纹推杆11，双螺纹推杆11下方和陶瓷加热器7内部的材料复合区5入口对应，由陶瓷加热器7对材料复合区5进行加热，材料复合区5出口连接有打印头6；
传热块2外固连有铸铜加热块10，传热块2的熔体腔1的侧面连接着至少一个进料通道，进料通道安装有防回流装置8，熔体腔1通过防回流装置8和材料库9连接，每个材料库9设有一个材料定量进给器3，材料定量进给器3和防回流装置8之间设有管道4保证丝材顺利通过。
所述的防回流装置8包括第一基体13，第一基体13内部的材料通道上设有三个不同高度由低向高的第一台阶14、第二台阶15、第三台阶16，丝材12首先经过管道4，再通过第一台阶14、第二台阶15、第三台阶16挤出；在预热前就需要将丝材12至少进给到第三台阶16的位置。
所述的材料定量进给器3包括第二基体19，第二基体19内安装有一对由电机控制的摩擦轮18，通过两个摩擦轮18的旋转推动丝材12实现进给功能。
所述的丝材实时复合的熔融沉积打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)在打印设备的计算机中建立三维模型，并对三维模型进行分层处理和路径数据处理，并根据生物功能分析确定不同位置的材料组成数据；
2)对基体材料进行处理，获得粒料、粉料或丝材，同时对生物陶瓷、短纤维或其他添加材料进行处理，获得丝材12，并将当前层的工艺数据送入到打印设备的计算机中；
3)由铸铜加热块10对进料口的基体材料进行加热，由电机带动双螺纹推杆11，将熔融态的基体材料向下推送到熔体腔1；
4)根据当前分层截面的加工信息，通过防回流装置8和材料定量进给器3，将添加丝材12按照需要供给到熔体腔1，利用铸铜加热块10和陶瓷加热器7使材料受热熔融后完成混合；
5)通过步进电机控制打印头6在XY平面上进行移动，完成当前截面的加工；
6)通过步进电机控制打印基台在Z轴上向下移动一个分层厚度；
7)重复步骤3)～步骤6)，直至零件成形。
本发明的有益效果为：
本发明采用集成的多材料供给和加热混合系统作为熔融沉积3D打印的打印头，通过增加其他材料的材料库9和双螺纹推杆10，实现多材料复合打印；并且可以根据功能分析结果，通过材料定量进给器3和防回流装置8，实现待复合材料的实时定量供给，从而得到适应实际需要的，各部位材料组成不同的制件，满足力学多样性的需求。
附图说明
图1是本发明丝材实时复合的熔融沉积打印头的结构示意图。
图2是本发明防回流装置的示意图。
图3是本发明材料定量供给器的示意图。
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。
参照图1和图2，一种丝材实时复合的熔融沉积打印头，包括传热块2，传热块2内部设有熔体腔1，熔体腔1内设有双螺纹推杆10，双螺纹推杆11下方和陶瓷加热器7内部的材料复合区5入口对应，由陶瓷加热器7对材料复合区5进行加热，材料复合区5出口连接有打印头6；
传热块2外固连有铸铜加热块10，传热块2的熔体腔1的侧面连接着两个进料通道，进料通道安装有防回流装置8，熔体腔1通过防回流装置8和材料库9连接，每个材料库9设有一个材料定量进给器3，材料定量进给器3和防回流装置8之间设有管道4保证丝材顺利通过。
参照图2，所述的防回流装置8包括第一基体13，第一基体13内部的材料通道上设有三个不同高度由低向高的第一台阶14、第二台阶15、第三台阶16；丝材12首先经过管道4，再通过第一台阶14进入第一基体13内的材料通道，通过较高的第二台阶15，这时丝材12收到熔体腔1的热量影响，已经有了一定程度的熔化，可以从高度与丝材12直径匹配的第三台阶16挤出；在预热前就需要将丝材12至少进给到第三台阶16的位置，第一基体13的材料需有一定程度的隔热性，保证丝材12在进给过程中保持需要的基本形状。
参照图3，所述的材料定量进给器3包括第二基体19，第二基体19内安装有一对由电机控制的摩擦轮18，通过两个摩擦轮18的旋转推动丝材12实现进给功能，电机同步控制摩擦轮18反向旋转，与丝材12摩擦，即可控制丝材12进料或退料。
所述的丝材实时复合的熔融沉积打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)在打印设备的计算机中建立三维模型，并对三维模型进行分层处理和路径数据处理，并根据生物功能分析确定不同位置的材料组成数据；
2)对基体材料进行处理，获得粒料、粉料或丝材，同时对生物陶瓷、短纤维或其他添加材料进行处理，获得丝材12，并将当前层的工艺数据送入到打印设备的计算机中；
3)由铸铜加热块10对进料口的基体材料进行加热，由电机带动双螺纹推杆11，将熔融态的基体材料向下推送到熔体腔1；
4)根据当前分层截面的加工信息，通过防回流装置8和材料定量进给器3，将添加丝材12按照需要供给到熔体腔1，利用铸铜加热块10和陶瓷加热器7使材料受热熔融后完成混合；
5)通过步进电机控制打印头6在XY平面上进行移动，完成当前截面的加工；
6)通过步进电机控制打印基台在Z轴上向下移动一个分层厚度；
7)重复步骤3)～步骤6)，直至零件成形。

Claims (4)

1.一种丝材实时复合的熔融沉积打印头，包括传热块(2)，其特征在于：传热块(2)内部设有熔体腔(1)，熔体腔(1)内设有双螺纹推杆(11)，双螺纹推杆(11)下方和陶瓷加热器(7)内部的材料复合区(5)入口对应，由陶瓷加热器(7)对材料复合区(5)进行加热，材料复合区(5)出口连接有打印头(6)；
传热块(2)外固连有铸铜加热块(10)，传热块(2)的熔体腔(1)的侧面连接着至少一个进料通道，进料通道安装有防回流装置(8)，熔体腔(1)通过防回流装置(8)和材料库(9)连接，每个材料库(9)设有一个材料定量进给器(3)，材料定量进给器(3)和防回流装置(8)之间设有管道(4)保证丝材顺利通过。
2.根据权利要求1所述的一种丝材实时复合的熔融沉积打印头，其特征在于：所述的防回流装置(8)包括第一基体(13)，第一基体(13)内部的材料通道上设有三个不同高度由低向高的第一台阶(14)、第二台阶(15)、第三台阶(16)，丝材(12)首先经过管道(4)，再通过第一台阶(14)、第二台阶(15)、第三台阶(16)挤出；在预热前就需要将丝材(12)至少进给到第三台阶(16)的位置。
3.根据权利要求1所述的一种丝材实时复合的熔融沉积打印头，其特征在于：所述的材料定量进给器(3)包括第二基体(19)，第二基体(19)内安装有一对由电机控制的摩擦轮(18)，通过两个摩擦轮(18)的旋转推动丝材(12)实现进给功能。
4.根据权利要求1所述的丝材实时复合的熔融沉积打印头的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)在打印设备的计算机中建立三维模型，并对三维模型进行分层处理和路径数据处理，并根据生物功能分析确定不同位置的材料组成数据；
2)对基体材料进行处理，获得粒料、粉料或丝材，同时对生物陶瓷、短纤维或其他添加材料进行处理，获得丝材(12)，并将当前层的工艺数据送入到打印设备的计算机中；
3)由铸铜加热块(10)对进料口的基体材料进行加热，由电机带动双螺纹推杆(11)，将熔融态的基体材料向下推送到熔体腔(1)；
4)根据当前分层截面的加工信息，通过防回流装置(8)和材料定量进给器(3)，将添加丝材(12)按照需要供给到熔体腔(1)，利用铸铜加热块(10)和陶瓷加热器(7)使材料受热熔融后完成混合；
5)通过步进电机控制打印头(6)在XY平面上进行移动，完成当前截面的加工；
6)通过步进电机控制打印基台在Z轴上向下移动一个分层厚度；
7)重复步骤3)～步骤6)，直至零件成形。
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