CN110435131B - 一种熔融沉积式3d打印机的多功能喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体上设置有高压气体输送装置、输气层和导气装置；所述高压气体输送装置通过输气层与导气装置连通，所述导气装置设置在喷嘴本体的喷嘴口处，所述导气装置内部环设有三条环式气道，所述三条环式气道尾部连通且连通处设置有摆动气阀，所述摆动气阀用于切换不同气道与高压气体输送装置通断；所述三条环式气道分别与喷嘴口连通。当喷嘴完成一打印区域工作，停止喷料并即将移动进入下一打印区域时，中部气道与下部气道同时喷气，阻断喷嘴口处即将滑落的熔融状态原料并使得还未完全凝固的打印层与底部打印层融合；当打印工作结束后，上部气道持续喷气，清理喷嘴本体。

Description

一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴。

背景技术

目前，3D打印作为一种快速成型技术发展得很快，应用也越来越广。3D打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工(AEC)，汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。3D打印带来了世界性制造业革命，使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过 3D打印机来实现。3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但3D打印技 术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

3D打印机技术意义 深远，而3D打印技术中应用最多的熔融沉积式（FusedDeposition Modeling，以下简称FDM）3D打印机因工作原理十分简单，上手容易，可以非常直观的诠释“增材制造”的层层堆叠的成型方式，特别适合初学者使用。因此，大部分3D打印机用户入手的第一台机器都是FDM式 3D打印机。而且FDM 3式D打印机最早开源，从创客中开始引爆，国内外涌现出一批FDM 式3D打印机厂商，也促使该项技术最先开始普及。而这种应用最为普遍的打印机却也面临许多问题，具体问题如下：

最容易出现的为拉丝及毛刺问题。当3D打印机打印的模型在几个部件之间的间隙很小，或者模型的曲线非常复杂时，在打印后会发现接口处有很多线丝，并且很短时间内就会在模型上留下毛刺。这是因为在喷嘴过渡到其他打印区域过程中，原料从喷嘴中流出来，而喷嘴中已熔化的原料丝流动性较强，即使送丝机停止送丝，由于重力的存在，喷嘴末端依旧会有原料丝流出，这通常需要我们用工具仔细清洁它，使得工序变得非常繁琐。拉丝问题大大制约了FDM式3D打印机的打印内容，如果拉丝问题不解决，很多结构相对复杂点的物体便无法使用FDM式3D打印机进行打印；

对于FDM式3D打印机来说，打印模型表面粗糙是常见问题，这是采用熔化原料通过堆积成型的过程中不可避免的问题，学术上称之为表面阶梯效应，而打印精度直接与打印模型的表面阶梯效应正相关。那么如何尽可能的降低表面阶梯效应的影响，本发明提供了一种可能；

就FDM式3D打印机来说，当打印完成后喷嘴内会剩余少量原料，这些原料在短时间内便会凝结成固体，从而在喷嘴内形成“原料栓”，影响下次使用，尤其是下次打印需要更换不同种类的材料时，这种问题更加明显，因此如何清理喷嘴，也是我们所面临的问题。

根据检索，未发现通过高压气体喷射方法同时解决上述三种问题的现有技术。例如一种在中国专利文献上公布的“一种防堵塞的3D打印机打印头组件”，其公告号为“CN201720775053.X”，包括出料口和设置在出料口上方并与其连通的齿轮泵，通过改变泵内气压从而对出料口内部的残余原料进行清理和回吸，这种方案的缺陷是无法对出料管道内其余的原料进行清理，通过无法对加工过程中的模型精度进行辅助提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，能够有效解决FDM式3D打印机的喷嘴拉丝问题，原料堵塞喷嘴的问题以及打印模型上存在的表面阶梯效应。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体上设置有高压气体输送装置、输气层和导气装置；所述高压气体输送装置通过输气层与导气装置连通，所述导气装置设置在喷嘴本体的喷嘴口处，所述导气装置内部环设有三条环式气道，所述三条环式气道尾部连通且连通处设置有摆动气阀，所述摆动气阀用于切换不同气道与高压输送装置通断以配合高压气体输送装置工作；所述三条环式气道分别与喷嘴口连通。所述导气装置上设置有三条朝向不同的环式气道，所述三条环式气道尾部均通过输气层与高压气体输送装置连通。在喷嘴进行打印工作时，所述控制器命令高压气体装置向导气装置输送高压气体。具体工作情况是，1、当喷嘴完成一打印区域工作，停止喷料并即将移动进入下一打印区域时，中部气道喷气，阻断喷嘴口处即将滑落的熔融状态原料，防止拉丝现象级毛刺的产生；2、下部气道与中部气道同时喷气，对喷嘴下方打印模型进行气流冲刷，使得还未完全凝固的打印层与底部打印层融合，减少打印层之间的表面阶梯效应；3、当打印工作结束后，喷嘴移至闲置位，上部气道持续喷气，将喷嘴内未完全凝固的原料推回原料盒内，清理工作完成。

作为优选，所述环式气道分别为上部气道，中部气道和下部气道，所述中部气道水平设置，所述上部气道和下部气道分设于中部气道两侧，所述上部气道和下部气道与中部气道夹角均大于45°。所述中部气道水平设置，用于切断喷嘴移动过程产生的拉丝，所述上部气道斜向上设置，以提高清理工作的效率，而下部气道斜向下设置，可以对相邻打印层的接口处进行有效清理。

作为优选，所述上部气道口径与中部气道和下部气道的连通处的口径大小相等。所述上部气道的口径大于中部及下部气道的口径，所述中部气道与下部气道为分叉结构且彼此连通。所述上部气道的口径与分叉处的口径相等。

作为优选，所述摆动气阀横剖面为扇形结构，所述摆动气阀上设置有密封面。所述摆动气阀设置在导气装置中部位置且横剖面为扇形结构，所述密封面为圆弧形结构，其所述密封面最宽处的剖面宽度略大于上部气道的口径，当摆动气阀与上部气道接合时，密封面可以完全覆盖并密封上部气道。

作为优选，所述摆动气阀为电控双置阀，当所述摆动气阀位于上部工位时，所述密封面与上部气道进气口配合；当所述摆动气阀位于下部工位时，所述密封面与向中部和下部气道共同配合。所述电控摆动气阀为单摆双置结构，当摆动气阀摆至与上部气道配合的上部工位时，密封面将上部气道的进气口密封，使得来自高压气体输送装置的气体从中部和下部气道输出；相应的，当摆动气阀摆至与下部气道配合的下部工位时，密封面中轴线处于中部和下部气道的分叉处，并且将中部气道和下部气道的进气口同时密封，使得来自高压气体输送装置的气体从中部和下部气道输出。通过摆动气阀的转动完成两种工况的转换。

作为优选，所述摆动气阀位于上部工位时，所述高压气体输送装置为短喷模式；当所述摆动气阀位于下部工位时，所述高压气体输送装置为长喷模式。所述摆动气阀位于上部工位时，导气装置需要解决的问题有两个，第一是喷嘴拉丝及产生毛刺的问题，第二是相邻打印层之间的表面阶梯效应，通过短喷的方式可以有效阻隔即将产生拉丝的原料，同时对喷嘴下方的打印模型施加短暂压力，及不至于使得打印模型本体形状受到影响，同时使得相邻打印层的边缘接口处产生融合效果。当摆动气阀位于下部工位时，导气装置需要解决的是残余在喷嘴内部的原料可能堵塞喷嘴的问题，而长喷模式可对残余原料进行有效清除，确保喷嘴输料管内原料均退回至原料盒中。

作为优选，还包括加热层，所述加热层环设于喷嘴本体与输气层之间。所述加热层为通电式加热层，为喷嘴本体提供热量，使得原料在本体输料管内部流动时不会在管壁上发生沉积现象，当摆动气阀位于下部工位时，加热管通过加热喷嘴本体可辅助上部气道回推原料的工作，使得原料回退的更加彻底。

作为优选，当摆动气阀位于上部工位时，所述加热层为保温模式；当摆动气阀位于下部工位时，所述加热层为强热模式。当摆动气阀位于上部工位时，加热层提供并维持一定温度，软化在喷嘴本体中流动的原料，同时利用余热对输气层加热，使得下部气道喷出的气体带有热量，辅助柔化相邻打印层结合处的表面阶梯效应；当摆动气阀位于下部工位时，强热模式可以确保喷嘴本体内的残余原料完全液化，配合上部气道的回推工作使得原料完全退回原料盒内部。

作为优选，还包括集成式控制器，所述控制器同时控制所述高压气体输送装置、摆动气阀和加热层。所述控制器控制高压气体输出装置、摆动气阀和加热层配合工作。当摆动气阀位于上部工位时，高压气体输送装置为短喷模式，加热层为保温模式；当摆动气阀位于上部工位时，高压气体输送装置为长喷模式，加热层为强热模式。

作为优选，还包括外壳，所述外壳为中空式结构并且与喷嘴本体套接，所述输气层为外壳内部的中空层。所述外壳内部具有中空层，所述中空层与高压气体输送装置连通，作为输气层能够有效将高压气体输送装置的气体传递至导气装置外壁上。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过在喷嘴口部设置带有三条气道的导气装置，配合摆动气阀，分两种工况实现三个功能；（2）上部气道配合强热模式的加热层，将打印结束后喷嘴内的残余原料推回原料盒，可有效清理喷嘴本体；（3）中部气道配合保温模式的加热层，阻隔喷嘴本体转移打印区域过程中原料，防止其滑落，有效消除拉丝和毛刺现象。（4）下部气道配合保温模式的加热层，对正在进行打印的模型上的相邻打印层接口处的局部原料进行热气冲击，提高融合效果，削减表面阶梯效应的程度。

附图说明

图1是本发明的一种横剖图。

图2为图1中A处在工况一下的放大图。

图3为图1中A处在工况二下的放大图。

图4为实施例1中的打印模型。

图5为图4中A-A处的剖面图。

图中： 1、喷嘴本体，11、喷嘴口，2、高压气体输送装置，21、输气层，3、导气装置，4、环式气道，41、上部气道，42、中部气道，43、下部气道， 5、摆动气阀，51、密封面，6、加热层，7、控制器，8、外壳，9、打印模型。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例中，一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，包括喷嘴本体1，所述喷嘴本体上设置有高压气体输送装置2、输气层21和导气装置3；所述高压气体输送装置通过输气层21与导气装置3连通，所述导气装置3设置在喷嘴本体1的喷嘴口11处，所述导气装置内部环设有三条环式气道4，所述三条环式气道4尾部连通且连通处设置有摆动气阀5，所述摆动气阀5用于切换不同气道与高压输送装置2通断以配合高压气体输送装置2工作；所述三条环式气道4分别与喷嘴口11连通。所述导气装置3上设置有三条朝向不同的环式气道4，所述三条环式气道4尾部均通过输气层21与高压气体输送装置2连通。所述控制器7同时控制高压气体输送装置2、加热层6和摆动气阀5配合工作。所述外壳8套接于喷嘴本体1，所述外壳8内部中空层与两侧高压气体输送装置2连通，作为输气层21通过外接输气管以连通高压气体输送装置2与导气装置3。

安装时，将导气装置3卡接与喷嘴本体1的喷嘴口11内，本实施例中加热层6采用加热垫，将加热垫6包裹在喷嘴本体1外壁上，再将外壳8套接于喷嘴本体1，利用输气管接通输气层21与导气装置3，整个喷嘴安装完毕。值得注意的是，喷嘴本体1两侧的高压气体输送装置2同步工作，使得导气装置3对喷嘴口11进行360°环绕并且向其输出环形结构的高压气体，已达到最好的工作效果。

如图2所示，所述中部气道42水平设置，所述上部气道41和下部气道43分设于中部气道42两侧，所述上部气道41斜向上设置，而下部气道43斜向下设置。所述中部气道42水平设置，用于切断喷嘴移动过程产生的拉丝；所述上部气道41与中部气道42夹角为50°，以提高清理工作的效率；所述下部气道43与中部气道42夹角为45°，可以有效促进打印模型上的相邻打印层的接口处进行融合。

具体工作情况是，工况一：打印工作开始，根据打印原料种类选择各项参数，本实施例中采用聚乳酸（PLA）为打印耗材，如图4所示，打印对象为玩具模型9，打印层厚选取为0.14mm，打印温度选取为210℃，填充率15%，加热层6启动且预设为保温模式，温度150℃，所述摆动气阀5预设工位为上部工位，所述密封面51覆盖上部气道41进气口，所述高压气体输送装置2预设为短喷模式。打印过程中，每当喷嘴本体1完成一打印区域工作，停止喷料并即将移动进入下一打印区域时，如图2所示，此时高压气体输送装置2启动，中部气道42喷气，高温气体阻断喷嘴口11处即将滑落的熔融状态原料，防止拉丝现象级毛刺的产生；下部气道43同时喷气，对喷嘴本体1下方的打印模型进行热气流冲刷，使得还正在凝固中的最上层打印层与相邻打印层边缘接合处融合，减少两者之间的表面阶梯效应；当喷嘴本体1开始工作后，加热垫6保温温度固定为150℃，高压气体输送装置2停止工作，等待下一次转移工作区域的临界点，如此循环直至打印工作结束。

工况二：如图3所示，当打印工作结束后，喷嘴本体1移至闲置位，控制器7控制摆动气阀5切换工位，转为下部工位，所述密封面51同时覆盖中部气道42和下部气道43。上部气道41接通高压气体输送装置2，加热垫6转换为强热模式，温度为250℃，将喷嘴本体1内部原料熔化并脱离管壁，高压气体输送装置2切换为长喷模式，持续输出气体，上部气道41持续喷气，将喷嘴本体1内的原料推回原料盒内，清理工作完成。

如图2所示，所述中部气道42水平设置，所述上部气道41和下部气道43分设于中部气道42两侧，所述上部气道41斜向上设置，而下部气道43斜向下设置。所述中部气道42水平设置，用于切断喷嘴移动过程产生的拉丝，所述上部气道41与中部气道42夹角为50°，以提高清理工作的效率；所述下部气道43与中部气道42夹角为45°，可以对打印模型9的相邻打印层接口处进行有效融合。

如图5所示，剖面A-A为当前打印层。如图所示打印过程中，喷嘴本体1在垂直方向上做往复运动，同时熔融沉积式3D打印机机体带动喷嘴本体1向成型方向水平移动，使得喷嘴本体沿Z字型路径打印。在即将进入阴影区域时，进行工况一；当打印结束，切换为工况二，最终完成打印工作。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，包括喷嘴本体（1），所述喷嘴本体上设置有高压气体输送装置（2）、输气层（21）和导气装置（3）；

所述高压气体输送装置（2）通过输气层（21）与导气装置（3）连通，所述导气装置（3）设置在喷嘴本体（1）的喷嘴口（11）处，所述导气装置内部环设有三条环式气道（4），所述环式气道分别为上部气道（41），中部气道（42）和下部气道（43），所述中部气道（42）水平设置，所述上部气道（41）和下部气道（43）分设于中部气道（42）两侧；

所述三条环式气道（4）尾部连通且连通处设置有摆动气阀（5），所述摆动气阀用于切换不同气道与高压输送装置通断以配合高压气体输送装置工作；所述三条环式气道（4）分别与喷嘴口（11）连通。

2.根据权利要求1所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，所述上部气道（41）和下部气道（43）与中部气道（42）夹角均大于45°。

3.根据权利要求2所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，所述上部气道（41）的口径与中部气道（42）和下部气道（43）的连通处的口径大小相等。

4.根据权利要求1所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，所述摆动气阀（5）横剖面为扇形结构，所述摆动气阀（5）上设置有密封面（51）。

5.根据权利要求4所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，所述摆动气阀（5）为电控双置阀，当所述摆动气阀（5）位于上部工位时，所述密封面（51）与上部气道（41）进气口配合；当所述摆动气阀（5）位于下部工位时，所述密封面（51）与中部气道（42）和下部气道（43）共同配合。

6.根据权利要求1所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，所述摆动气阀（5）位于上部工位时，所述高压气体输送装置（2）为短喷模式； 当所述摆动气阀（5）位于下部工位时，所述高压气体输送装置（2）为长喷模式。

7.根据权利要求1所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，还包括加热层（6），所述加热层（6）环设于喷嘴本体（1）与输气层（21）之间。

8.根据权利要求7所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，当摆动气阀（5）位于上部工位时，所述加热层（6）为保温模式；当摆动气阀（5）位于下部工位时，所述加热层（6）为强热模式。

9.根据权利要求7所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，还包括集成式控制器（7），所述控制器（7）同时控制所述高压气体输送装置（2）、摆动气阀（5）及加热层（6）。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种熔融沉积式3D打印机的多功能喷嘴，其特征是，还包括外壳（8），所述外壳（8）为中空式结构并且与喷嘴本体（1）套接，所述输气层（21）为外壳（8）内部的中空层。

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