CN110814349B - 一种应用于五轴低熔点合金3d打印机的防干涉喷头 - Google Patents

一种应用于五轴低熔点合金3d打印机的防干涉喷头 Download PDF

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Abstract

本发明一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，属于3D打印领域；包括喷头机架、送丝组件和针管组件；所述喷头机架顶部通过直线轴承安装于3D打印机的X轴和Y轴上，使得整个防干涉喷头能够沿3D打印机的X轴或Y轴移动；送丝组件安装于喷头机架的侧壁上，采用电机控制送丝齿轮转动，与滚丝轮配合驱动金属丝从滚丝轮和送丝齿轮之间竖直向下移动；针管组件固定于喷头机架底面设置的通孔内，针管周壁上相对两侧设置有气管口，通过气管接头与外接气管连通，从而通过气管输入、输出的气流量来控制低熔点合金的喷出流量。由于针头细长，占用空间小避免与零件发生干涉；通过调整流入、流出的气体流量以及金属丝的速度，控制金属熔液的喷涂流量。

Description

一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头。
背景技术
喷头是3D打印机的核心部件之一，其结构形式影响着成型效率和成型精度。目前，大部分3D打印机喷头是针对以塑料为耗材的3坐标FDM 3D打印机所研发的。当将3坐标3D打印机改进为5坐标3D打印机，同时采用低熔点合金作为打印耗材时，成型过程会出现一些新问题，例如工件易于与喷头干涉，低熔点合金喷涂流量难控制等难题。这些难题对3D打印机喷头提出了新的要求。
浙江大学的刁怀东在《五轴熔融沉积成型三维打印装备与关键工艺研究》中设计了一种新型喷头。他将传统喷头结构改为细长圆锥状，减少了喷头工作所占空间，改善了喷头与工件的易干涉问题。但该喷头仍然采用传统挤出原理，无法对低熔点合金熔液喷涂流量进行控制，此外，当工件尺寸较小时，新喷头仍会与工件发生干涉。低熔点合金的成型方式主要有掩膜覆盖、线性直写、液相3D打印，其中线性直写和液相3D打印为增材制造。线性直写是指通过氮气将低熔点合金墨水压入注射筒内，通过注射筒底端的软毛刷，将合金墨水刷在基板上进行零件的成型。而液相3D打印则是指以液体如水或乙醇为打印介质，将介质加热到合金的熔点温度使低熔点合金保持液态，然后进行零件的成型。这两种方式均不能控制合金熔液的喷涂流量。此外，西安交通大学在2019年5月推出了一款3坐标低熔点合金3D打印机，但该打印机同样无法持续喷涂合金熔液、控制熔液喷涂流量。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，克服5坐标低熔点合金3D打印机喷头易与工件干涉，无法连续喷涂、喷涂流量不可控的问题。
本发明的技术方案是：一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：包括喷头机架、送丝组件和针管组件；所述喷头机架顶部开有两个空间垂直的通孔，3D打印机的X轴和Y轴均通过直线轴承分别安装于两个所述通孔内，使得整个防干涉喷头能够沿3D打印机的X轴或Y轴移动；
所述送丝组件包括打印头机架、送丝齿轮、步进电机、丝道、弹簧、弹簧固定栓和滚丝轮；所述打印头机架为L型支臂结构，通过内六角圆柱头螺钉安装于所述喷头机架的侧立面上，并能够绕所述内六角圆柱头螺钉转动；所述打印头机架的一端臂水平设置，另一端臂向下设置，并在水平端臂上沿长度方向开有两个通孔，靠近另一端臂的通孔用于同轴安装所述丝道，靠近端头处的通孔用于同轴安装所述弹簧固定栓，所述弹簧固定栓的底端同轴穿过所述弹簧，并通过其底部螺纹固定于所述喷头机架的底面上，用于限制所述打印头机架水平端臂的旋转行程和压缩所述弹簧；所述弹簧为螺旋压缩弹簧，通过其轴向弹力对水平端臂施加杠杆力；所述送丝齿轮安装于所述丝道的下方，其周面上设置有外齿；所述滚丝轮通过转轴安装于所述打印头机架另一端臂上，通过弹簧施加的杠杆力，所述滚丝轮和送丝齿轮接触，并保证接触点位于所述丝道中心轴上；所述步进电机安装于所述喷头机架的另一侧立面，其输出轴水平穿过所述喷头机架与所述送丝齿轮同轴固定，能够控制所述送丝齿轮转动，与滚丝轮配合驱动金属丝从滚丝轮和送丝齿轮之间竖直向下移动；
所述针管组件与所述丝道同轴，固定于所述喷头机架底面设置的通孔内，包括针头、针管、气管接头、铁氟龙管、O型圈、加热模块和针管盖；所述的针管为两端开口的管状结构，其顶端通过所述针管盖密封封闭，在所述针管盖中心处开有通孔用于穿过金属丝，所述金属丝与针管盖上的通孔之间通过O型圈密封；所述的针管的底端开口处同轴密封安装有所述针头，其周壁上相对两侧垂直设置有气管口，通过气管接头与外接气管连通，从而能够通过气管输入、输出的气流量来控制低熔点合金的喷出流量；所述特氟龙管同轴安装于所述针管内，用于促进金属丝移动并防止低熔点合金溶液堵塞，所述特氟龙管周面上开有通气孔，用于连通所述特氟龙管壁内外的气体，控制合金熔液喷出流量；所述加热模块设置与所述针头外周面用于熔化低熔点合金。
本发明的进一步技术方案是：所述丝道为两端开口的管状结构，用于穿过金属丝，并保证金属丝进入滚丝轮和送丝齿轮之间为竖直方向。
本发明的进一步技术方案是：所述针管与气管接头、针头、针管盖之间均为螺纹连接。
本发明的进一步技术方案是：所述针头为阶梯轴状，沿中心轴开有通孔，其小径端作为合金熔液的喷涂端，大径端与所述针管的底端同轴密封连接；在所述针头轴向的中部位置沿周向开有环槽，所述加热模块安装于环槽处。
本发明的进一步技术方案是：所述针头的喷涂端外径为1mm，长度为18mm；其中部外径为8mm，长度为10mm；其顶端设置有与所述针管配合安装的外螺纹。
本发明的进一步技术方案是：所述加热模块包括加热丝和温度传感器。
本发明的进一步技术方案是：所述气管接头为两端开口内部中空的阶梯轴；其一端与所述针管的气管口螺纹连接，并在连接处通过气管密封圈密封，另一端与气管密封连接，在另一端的周面上开有两个环形槽，将气管套装于气管接头外周面上再通过卡环固定，所述环形槽用于限制卡环的位置。
一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头的流量控制方法，其特征在于：设定低熔点合金从喷涂端挤出的流量为q，所述气管接头流入、流出所述针管的气流流量分别为q1、q2，金属丝材的截面积为s、运动速度分别为v；各参数满足体积守恒公式:
q1+vs＝q2+q。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明是一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头。由于针头细长，占用空间小，打印时，若工作平台改变零件姿态，针头可在零件特征间隙移动，极大程度上避免与零件发生干涉，实现对复杂零件的快速成型在3D打印机上安装完成后，与5坐标打印模式协调，通过细长的针头将打印材料送入指定位置，可以避免与工件发生干涉，实现对复杂结构零件的快速成型；通过对弹簧的压缩控制L型打印头机架的旋转位置，进一步改变滚丝轮和送丝轮之间的位置关系，将金属丝夹于滚丝轮和送丝轮之间，通过电机控制滚丝轮转动，滚丝轮的外齿能够增加摩擦力，更好的驱动金属丝下行，实现连续喷涂。
打印时，加热模块对针头进行加热并保温，使低熔点合金一直保持液态，通过使流入、流出针管的气体流量满足守恒公式，控制针头喷出金属熔液的流量，实现低熔点合金精准持续的打印成型；本发明装置必须按照“体积守恒公式”才能实现本发明的流量控制。
附图说明
图1为本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头的轴测图。
图2为本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头装配图的主视图。
图3为本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头装配图的左视图。
图4为本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头针管上端密封结构的局部放大图。
图5为本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头针头针管连接处的局部放大图。
附图标记说明：1.针头，2.针管，3.气管接头，4.喷头机架，5.打印头机架，6.步进电机，7.铁氟龙管，8.气管密封圈，9.针头密封圈，10.O型圈，11.加热模块，12.送丝齿轮，13.丝道，14.弹簧，15.弹簧固定栓，16.滚丝轮，17.针管盖，18.内六角圆柱头螺钉。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1和图2，本发明一种应用于5坐标低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，包括针头1、针管2、气管接头3、喷头机架4、打印头机架5、步进电机6、铁氟龙管7、气管密封圈8、针头密封圈9、O型圈10、加热模块11、送丝齿轮12、丝道13、弹簧14、弹簧固定栓15、滚丝轮16、针管盖17和内六角圆柱头螺钉18。所述喷头机架4顶部开有两个空间垂直的通孔，3D打印机的X轴和Y轴均通过直线轴承分别安装于两个所述通孔内，使得整个防干涉喷头能够沿3D打印机的X轴或Y轴移动；
由打印头机架5、送丝齿轮12、步进电机6、丝道13、弹簧14、弹簧固定栓15和滚丝轮16组成送丝组件；所述打印头机架5为L型支臂结构，通过内六角圆柱头螺钉18安装于喷头机架4的侧立面上，并能够绕所述内六角圆柱头螺钉18转动；打印头机架5的一端臂水平设置，另一端臂向下设置，并在水平端臂上沿长度方向开有两个通孔，靠近另一端臂的通孔用于同轴安装所述丝道13，靠近端头处的通孔用于同轴安装弹簧固定栓15，弹簧固定栓15与靠近端头处的通孔之间为间隙配合，弹簧固定栓15的底端同轴穿过弹簧14，并通过其底部螺纹固定于喷头机架4的底面上，用于限制所述打印头机架水平端臂的旋转行程和约束弹簧位置；弹簧14为螺旋压缩弹簧，通过其轴向弹力对水平端臂施加杠杆力；送丝齿轮12安装于丝道13的下方，其周面上设置有外齿；所述滚丝轮16通过转轴安装于所述打印头机架另一端臂上，通过弹簧13施加的杠杆力，所述滚丝轮16和送丝齿轮12接触，并保证接触点位于所述丝道13中心轴上；所述步进电机6安装于所述喷头机架4的另一侧立面，其输出轴水平穿过所述喷头机架4与所述送丝齿轮12同轴固定，能够控制所述送丝齿轮12转动，与滚丝轮配合驱动金属丝从滚丝轮和送丝齿轮之间竖直向下移动；送丝齿轮12的外齿用于增加摩擦力，能够更好的驱动金属丝下行。
由针头1、针管2、气管接头3、铁氟龙管7、O型圈10、加热模块11和针管盖17组成针管组件，所述针管组件与丝道13同轴，固定于所述喷头机架4底面设置的通孔内。所述的针管2为两端开口的管状结构，其顶端通过针管盖17密封封闭，在针管盖17中心处开有通孔用于穿过金属丝，所述金属丝与针管盖17上的通孔之间通过O型圈10密封，与气管接头3、针头1和针管盖17均为螺纹连接；所述针管2的底端开口处同轴密封安装有针头1，其周壁上相对两侧垂直设置有气管口，通过气管接头与外接气管3连通，从而能够通过气管输入、输出的气流量来控制低熔点合金的喷出流量；所述特氟龙管7同轴安装与所述针管2内，用于促进金属丝移动并防止低熔点合金溶液堵塞，所述特氟龙管7周面上开有通气孔，用于连通所述特氟龙管壁内外的气体，控制合金熔液喷出流量；所述加热模块11包括加热丝和温度传感器，设置于针头1外周面用于熔化低熔点合金。
所述的针头1喷涂端直径细小，长度较长，本实施例中设置外径为1mm，长度为18mm，成型时占用空间较小，可避免成型过程中与工件干涉。针头中部外径为8mm，长度为10mm,开有圆形槽，用于安装加热丝，尾部为外螺纹设计，用于与针管2内螺纹连接。
所述的气管接头3为为两端开口内部中空的阶梯轴，其一端与针管2的气管口螺纹连接，并在连接处通过气管密封圈8密封，另一端与气管密封连接，在另一端的周面上开有两个环形槽，将气管套装于气管接头外周面上再通过卡环固定，所述环形槽用于限制卡环的位置。
所述的气管密封圈8、针头密封圈9、O型圈10分别安装在针管2的三个出口处，用于密封针管。
流量控制原理：装配完成后设由气管接头流入、流出针管的气流流量分别为q1、q2，金属丝材的截面积、运动速度分别为s、v，设低熔点合金挤出流量为q，则各个参数满足体积守恒公式:
q1+vs＝q2+q
在此基础上，若vs大于q,则进入针管的金属体积大于流出针管的金属体积，针管内会逐渐积累金属熔液，反之，金属熔液会不断减少。为保证针管内金属熔液含量处于稳定区间，实现持续打印，vs和q的大小关系需通过调整q1、q2、vs的数值进行间断切换。
例如，成型零件需要低熔点合金熔液挤出流量为2ml/s，可先设置q1，vs，q2分别为8ml/s、4ml/s、10ml/s，即可保证合金熔液挤出速度。在这个过程中，针头熔池内的熔液含量会不断增多，当快超过针头容积时，改变q1，vs，q2分别为11ml/s、1ml/s、10ml/s，这样保证了挤出流量的同时，针头熔池内熔液含量会逐渐减少。不断重复上述过程即可持续对零件进行成型
本发明应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头的安装过程：
参照图2-5，先将O型圈10、铁氟龙管7装入针管中上部，然后用针管盖压紧，再将套有针头密封圈9的针头1、套有气管密封圈8的气管接口3分别旋入针管三个螺纹端；将丝道13装入打印头机架5长端预留的螺纹孔中，滚丝轮16通过螺钉装在打印头机架5的短端，再将步进电机6、打印头机架5通过螺钉装上喷头机架4；将弹簧固定栓15穿过打印头机架5长端预留孔和弹簧14拧紧在喷头机架4底端的预留内螺纹孔中；将送丝齿轮12和针管2通过过渡配合分别安装在步进电机6主轴上和喷头机架4上，并调整送丝齿轮12和壁面间的距离、针管2顶部与送丝齿轮12的距离至合适；最后，将整个打印机喷头安装在打印机上，气管接头3连接可控气源，依据技术方案中体积守恒公式，编辑程序输入控制系统。
喷头由3D打印机的X、Y轴驱动，进行平面运动，工作平台由打印机的Z、A、C轴驱动，进行升降、转动。打印时，针管设计的喷头可极大地避免与零件发生干涉，提高3D打印机的加工可达性，并与工作平台相互协调，实现对不同位姿零件的不同部位的成型，成型过程中，控制系统通过调整流入、流出气体的流量，金属丝的速度，满足体积守恒公式，使喷出流量为稳定最佳值，实现对零件的持续、高精度成型。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：包括喷头机架、送丝组件和针管组件；所述喷头机架顶部开有两个空间垂直的通孔，3D打印机的X轴和Y轴均通过直线轴承分别安装于两个所述通孔内，使得整个防干涉喷头能够沿3D打印机的X轴或Y轴移动；
所述送丝组件包括打印头机架、送丝齿轮、步进电机、丝道、弹簧、弹簧固定栓和滚丝轮；所述打印头机架为L型支臂结构，通过内六角圆柱头螺钉安装于所述喷头机架的侧立面上，并能够绕所述内六角圆柱头螺钉转动；所述打印头机架的一端臂水平设置，另一端臂向下设置，并在水平端臂上沿长度方向开有两个通孔，靠近另一端臂的通孔用于同轴安装所述丝道，靠近端头处的通孔用于同轴安装所述弹簧固定栓，所述弹簧固定栓的底端同轴穿过所述弹簧，并通过其底部螺纹固定于所述喷头机架的底面上，用于限制所述打印头机架水平端臂的旋转行程和压缩所述弹簧；所述弹簧为螺旋压缩弹簧，通过其轴向弹力对水平端臂施加杠杆力；所述送丝齿轮安装于所述丝道的下方，其周面上设置有外齿；所述滚丝轮通过转轴安装于所述打印头机架另一端臂上，通过弹簧施加的杠杆力，所述滚丝轮和送丝齿轮接触，并保证接触点位于所述丝道中心轴上；所述步进电机安装于所述喷头机架的另一侧立面，其输出轴水平穿过所述喷头机架与所述送丝齿轮同轴固定，能够控制所述送丝齿轮转动，与滚丝轮配合驱动金属丝从滚丝轮和送丝齿轮之间竖直向下移动；
所述针管组件与所述丝道同轴，固定于所述喷头机架底面设置的通孔内，包括针头、针管、气管接头、铁氟龙管、O型圈、加热模块和针管盖；所述的针管为两端开口的管状结构，其顶端通过所述针管盖密封封闭，在所述针管盖中心处开有通孔用于穿过金属丝，所述金属丝与针管盖上的通孔之间通过O型圈密封；所述的针管的底端开口处同轴密封安装有所述针头，其周壁上相对两侧垂直设置有气管口，通过气管接头与外接气管连通，从而能够通过气管输入、输出的气流量来控制低熔点合金的喷出流量；所述铁氟龙管同轴安装于所述针管内，用于促进金属丝移动并防止低熔点合金溶液堵塞，所述铁氟龙管周面上开有通气孔，用于连通所述铁氟龙管壁内外的气体，控制合金熔液喷出流量；所述加热模块设置于所述针头外周面用于熔化低熔点合金。
2.根据权利要求1所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述丝道为两端开口的管状结构，用于穿过金属丝，并保证金属丝进入滚丝轮和送丝齿轮之间为竖直方向。
3.根据权利要求1所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述针管与气管接头、针头、针管盖之间均为螺纹连接。
4.根据权利要求1所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述针头为阶梯轴状，沿中心轴开有通孔，其小径端作为合金熔液的喷涂端，大径端与所述针管的底端同轴密封连接；在所述针头轴向的中部位置沿周向开有环槽，所述加热模块安装于环槽处。
5.根据权利要求4所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述针头的喷涂端外径为1mm，长度为18mm；其中部外径为8mm，长度为10mm；其顶端设置有与所述针管配合安装的外螺纹。
6.根据权利要求1所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述加热模块包括加热丝和温度传感器。
7.根据权利要求1所述应用于五轴低熔点合金3D打印机的防干涉喷头，其特征在于：所述气管接头为两端开口内部中空的阶梯轴；其一端与所述针管的气管口螺纹连接，并在连接处通过气管密封圈密封，另一端与气管密封连接，在另一端的周面上开有两个环形槽，将气管套装于气管接头外周面上再通过卡环固定，所述环形槽用于限制卡环的位置。
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