CN110901052A - 一种3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种3D打印装置，涉及3D打印技术领域。包括材料熔融挤出机构、熔融材料传输管和打印头，所述熔融材料传输管为可弯曲结构，所述熔融材料传输管的一端连接材料熔融挤出机构的输出口，所述熔融材料传输管的另一端连接打印头的熔融材料输入口，所述打印头连接有熔融材料流量控制机构，材料熔融挤出机构与打印头分离，两者通过熔融材料传输管传输熔融的材料。材料熔融挤出机构将由进料口进入的固体颗粒原料加热为流体，对熔融材料充分塑化并产生挤出压力。熔融材料经过熔融材料传输管输送到达打印头，由打印头对熔融材料做最终的控制，如调节材料的打印流量或截止流量，能够有效提高运行速度，材料挤出流量增大，材料质量提高。

Description

一种3D打印装置

技术领域

本发明实施例涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印装置。

背景技术

从根本原理上来看，目前的工业制造实物的工艺方式只有3种，减材制造，等材制造，增材制造。

减材制造：从石器时代，将一块石头用另一块石头敲打减去多余的部分得到想要的部分，一直沿用到现代用机床的刀具切削整块的材料得到部分的材料形成成品，都是属于减材制造。

等材制造：从陶器到青铜时代，将模具中注入流体或液体，冷却或烧结后得到与模具体积相等的成品，一直沿用到现代各种各样的注塑，铸造，等工艺都属于等材制造。

增材制造：而大自然一直都使用增材制造，从一粒种子到参天大树，从一个受精卵到复杂的动物身体结构，都是按基因程序一点一点增加材料构建而来的，直到近代制造业领域才逐渐使用增材制造的原理。比如3D打印，通过逐层增加材料来构建成品。

三种制造方式各有不同的特点，减材制造需要首先准备一块大于成品的材料，然后去除百分之十至百分之九十的材料，浪费极大，费工费时废料，但是可以得到很精确的成品。等材料制造需要先制备模具，前期投入高，但是可以得到很高的单件生产效率。以上两种方式都不能一次性生产高度复杂的成品，因为材料是3维的，减除材料时有刀具干涉，刀具受到成品3维结构的阻碍有不可到达的部位，等材制造模具虽然不用减除材料但是也有模具干涉，受到成品3维结构的阻碍有不可分模的部位。因此如果要生产复杂的成品，就要在产品设计上拆分成很多不必要的零件分别加工。

随着经济发展和技术进步，特别是近代以计算机技信息技术的发展，产品越来越复杂，品种越来越多，单品的批量越来越少，导致减材和等材制造的缺陷越来越明显，特别是在复杂轻量化的产品领域。这种情况下增材制造显示出天然的优势：

3D打印作为增材制造的主要技术其核心原理是降维，3维物体在制造过程中发生各种干涉，制造过程不仅不能触及材料的内部，就是材料表面3维结构复杂一点也会发生干涉，而3D打印过程是在2维面上打印的，不存在3维空间干涉问题，复杂的3维模型已经由专用的软件分解为若干2维的片状层，层虽然也有厚度，但厚度方向上足够薄，已经可以近似的认为是2维的，因此对于复杂的产品具有天然的优势。但是，如前所述可以看出，减材，等材，都是涉及整体材料的表面，可以看成是面加工，而3D打印涉及材料的内部，可以看成是体加工，因此，在同等运动速度下，3D打印的效率比前两种方式低很多，一个物体的尺寸越大体积与面积之比就越大，3D打印的效率也就相较于前者更低。在中小尺寸比如一米以下，这种效率差别不太明显，而对于复杂产品的优势3D打印十分明显，因此在中小尺寸复杂产品领域，3D打印已经发展出很多门类。

目前众多的3D打印技术门类中大部分仅适用于小型产品，也就是分米级到米的尺寸级别，不能达到日常使用的米级以上尺寸(也就是按照人的高度大小而设计的产品尺寸)，所以也就不能进入到主流市场。当前的3D打印技术架构难以将成尺寸做到米级以上，是因为任何一种3D打印工艺都是多种技术的综合系统，在成型尺寸增大后，其相辅技术并不能与之匹配，米级尺寸与分米级尺寸虽然在尺寸上是10倍关系，但以成型体积(空间)计算，立方米是立方分米的1000倍，因此打印设备在相同的时间内所需要处理的材料体积理论上需要有近千倍的提升，显然不是简单的放大结构所能做到的。

下面将对目前主流的SLA/DLP、SLS、FDM三种3D打印工艺不能做大尺寸的原因原理进行简述。

1、SLA/DLP是以光固化(硬化)树脂作为原材料的3D打印技术，SLA与DLP的区别是使用光的方式不同。SLA使用UV光束去扫描光固化树脂来得到打印层的形状，可以看作是点到线、线到面逐渐成型的过程，而DLP是使用类似投影仪的投影原理，投射一个打印层所需的光来固化树脂，相比SLA技术跳过了点到线、线到面的过程，DLP在单层成型速度上比SLA快了很多倍，DLP也去除了SLA所需要的高精密的光学偏摆镜系统，因此DLP的成本更低，目前大众市场大多采用DLP的工艺做光固化3D打印。

DLP工艺很难实现大型化，由于DLP技术采用的投影分辨率有限(通常为1920*1080)，其投影分辨率在分米级使用时单像素尺寸约为0.1mm，而大型化后，体积放大1000倍，单层的面积放大100倍，为了保持单像素大小仍为0.1mm，DLP的总像素量也要放大100倍，也就是分辨率要达到19200*10800，否则成型层边沿将出现锯齿(类似把图片放大后的锯齿状)，目前的技术达不到这样极高的分辨率。光固化技术使用的光固化树脂材料必须通过光来反应固化，为了确保树脂材料充分固化，每层的厚度不能过厚，最大厚度不能超过2mm，否则光无法穿透过厚材料以固化材料，在大尺寸物体成型时2mm的层厚相对过薄，导致总层数变大，整体的成型效率急剧降低。光固化材料本身生产成本高、不耐久(易分解)、有毒性、力学性能不足(不能满足日常使用)，特别是光固化树脂材料的成本较高，目前平均在0.6元/g，而人体常用使用物体重量通常在10kg-50kg(如沙发、椅子、桌子等)，简单计算仅材料成本就达到6000-50000元。因此光固化3D打印技术仅适用于小尺寸的3D模型，不能实际使用，只能做展示观赏，也就不能实现大型化与实用化。

2、SLS工艺(选择性激光烧结)，是一种主要制作金属制品的工艺，SLS工艺使用高能激光束扫描被加工成极细的材料粉末，使被瞬间加热的材料粉末熔融粘合，其成型过程与SLA类似，都是点到线、线到面逐渐成型的过程，整个成型过程是线性的，因此成型体积增大，单件的成型速度会以3次方降低。大部分金属或者热塑性树脂制成粉末以后SLS工艺都可以使用，原材料需要额外的粉末加工成本，通常粉末化后是原材料成本的5倍，且材料粉末会导致SLS成型物体表面形成粉粒状，表面较其他3D打印技术来说通常都更粗糙，粗糙度与层高和粉末的粒径相关。SLS工艺使材料粉末填充整个成型空间，未被烧结的材料成为了支撑，因此SLS工艺可以不单独打印支撑结构，粉末材料利用率几乎能达到100％，无浪费。

SLS工艺在打印产品时材料粉末需要加温到略低于材料的熔融温度，以此降低激光器所需的输出功率与降低因线性制造冷却产生的内部应力。大型化后，体积放大1000倍，假设放大后体积约12m³(2m*3m*2m),在整个成型空间中填满塑料材料粉末需要十几吨，如果是金属粉末甚至需要几十吨至一百吨，还需要对材料加温并且保温至100度或以上。为了解决大型化后材料粉末产生的问题使SLS工艺原本机械结构设计与工艺都会变的非常复杂，材料的总成本很高，能耗也会非常大。

SLS工艺使用激光器功率与成型速度密切相关，其最大功率一般在0.4kw--1kw之间，按照等比放大的原理，产品体积放大1000倍，理论上SLS工艺最大功率相应的也要放大1000倍，否则相当于用细小的光斑去刻画一副增大了千倍的画面，效率将低到无法接受，要么配套的激光器的最大功率就需要400kw至1000kw，根据当前激光器的技术，常用的功率在6kw以下，400kw可能仅在军用领域能实现因此SLS工艺大型化目前也难以实现。

3、FDM工艺(熔融沉积成型)，又称熔丝沉积，FDM工艺主要使用直径为1mm-3mm左右的热塑性塑料线材作为打印材料，打印头(3)熔融线材涂敷形成每一层的形状，也是点到线、线到面逐渐成型的过程，FDM工艺所需的技术是所有3D打印工艺种类中最简单的，除了运动结构仅需送丝机构与加热头(打印头)，FDM工艺相比SLS工艺与DLP工艺，FDM工艺没有使用成本高昂的材料也没有使用成本高昂的技术，成型原理比较简单，FDM工艺存在大型化的可能。

FDM工艺是线性的成型方式。体积增大，单件的成型速度会以3次方降低。因此FDM实现大型化必须提高打印速度，FDM工艺打印效率与材料挤出流量和打印头运动速度相关。

当成型体积放大1000倍以后，丝材的直径需要放大10倍，达到10mm-30mm，线材的挤出速度要放大10倍，由于材料丝的直径变大，丝材变得难以弯折，可弯曲直径变得非常大，很难弯曲成卷，也不宜生产，需要额外的加工成本。并且材料的导热率有限，当丝材直径变大后，丝材外表面面积以平方增加，体积以立方增加，小型机的熔融加热方式仅加热丝材外表，丝材的熔融效率严重降低，小型机打印头不再适用。小型常规FDM打印机使用挤料齿轮与丝材表面啮合滚动产生挤出推力，当丝材线径变粗10倍后，丝材截面积放大100倍，同时挤出速度需要提高10倍，丝材的挤出阻力变得非常大，丝材表皮的强度难以承受挤料齿轮的推力，导致表皮溃裂，挤料齿轮打滑空转。小型机的送料机构与打印头熔融结构大型化后不再适用。综合来说，FDM工艺需实现高速运动与大流量且精确可控的挤出材料才能实现真正实用的大型3D打印。

FDM工艺在业内有少数几家公司一定程度上实现了大型化，通常采用的是桁架型运动结构(类似龙门加工中心)，材料熔融机构与材料挤出头安装在下探臂轴(Z轴)，材料熔融机构一般使用类似注塑机的螺杆式挤出头，原材料使用颗粒原料，原料无需额外的加工(如加工成丝材)。这种FDM架构为了达到一定的材料挤出效率，安装在运动结构末端的材料熔融挤出机构重量很大，通常达几百公斤重，因此安装与承载熔融材料熔融挤出机构的机械运动结构的刚度也必须设计的足够强，整个参与运动的结构的惯量也会很大，由于需要打印的产品通常是比较复杂的，那么在打印过程会有很多局部的细节，需要短程的往复运动，打印头必须反复的加减速，挤出机和机构的重量使得运动结构有很高的惯量负载，因此导致平均加速度地低、运动速度低、能耗高、打印质量降低、机械加快磨损。反之，如降低材料熔融挤出机构的重量，轻量化整个运动结构，又会导致材料挤出效率不高，挤出流量不足，整体的打印效率仍然不高。这样的架构虽实现了FDM工艺尺寸的大型化，但运动速度与出料流量无法同时提高，进而难以提升打印效率。

综上，为实现高效的大型FDM打印工艺，必须实现运动速度与出料流量同时提高。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种3D打印装置，以解决现有技术中FDM打印工艺打印效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，该3D打印装置包括材料熔融挤出机构、熔融材料传输管和打印头，所述熔融材料传输管为可弯曲结构，所述熔融材料传输管的一端连接材料熔融挤出机构的输出口，所述熔融材料传输管的另一端连接打印头的熔融材料输入口。

进一步地，所述的熔融材料传输管上缠绕有加热丝。

进一步地，所述的熔融材料传输管的外侧包覆有保温层。

进一步地，所述的材料熔融挤出机构包括熔融外壳、螺杆挤出机构和熔融加热圈，所述螺杆挤出机构转动设置在熔融外壳内，所述熔融加热圈缠绕设置在熔融外壳的外侧，所述螺杆挤出机构连接带动其旋转的熔融挤出动力源。

进一步地，所述的螺杆挤出机构包括相啮合的主动锥形螺杆与从动锥形螺杆，所述主动锥形螺杆的螺杆轴上端连接安装有主动齿轮，所述从动锥形螺杆的螺杆轴上端连接安装有从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮相啮合，所述主动锥形螺杆连接熔融减速器，熔融减速器连接熔融挤出动力源。动力源可以采用电机、液压马达等各种动力结构。

进一步地，所述的打印头的下端设有打印喷嘴，所述打印头连接有熔融材料流量控制机构。

进一步地，所述的熔融材料流量控制机构包括升降设置在打印头内的材料控制杆以及带动材料控制杆升降的升降机构。利用材料控制杆的升降实现打印喷嘴口径的调整，进而调整流量，结构简单。

进一步地，所述的升降机构包括相连接的电动缸和电动缸伺服电机，电动缸与材料控制杆的上端固定连接。

进一步地，所述的材料控制杆的下端开设有横向流道和竖向流道，所述横向流道横向贯穿材料控制杆的两侧，竖向流道的下端贯穿材料控制杆，竖向流道的上端连通横向流道。通过横向流道和竖向流道可以在实现更加准确的调整，材料控制杆完全处于打印喷嘴上方时，打印喷嘴的口径即为打印输出口径，当材料控制杆下端进入打印喷嘴内，材料依次经过横向流道和竖向流道后输出，竖向流道口径即为打印输出口径，当材料控制杆继续向下移动就可以关闭打印喷嘴。

进一步地，所述的打印头的下端设有末端加热圈。

本发明实施例具有如下优点：

1、提高运行速度，本发明实施例将材料熔融挤出机构与打印头分离，两者通过熔融材料传输管传输熔融的材料。材料熔融挤出机构将由进料口进入的固体颗粒原料加热为流体，并对熔融材料产生挤出压力。熔融材料经过熔融材料传输管输送到达打印头，由打印头对熔融材料做最终的控制。

由于3D打印的特点，产品通常比较复杂，每层包含大量往复式填充线，对打印头的运动速度与加速度有较高的要求。因此，只要提升打印装置的末端运动的高机动性高加速度就能极大的提高打印效率。在有限的打印行程中，较高的加速度一定程度上决定着运动的最高速度，对于FDM打印工艺来说提高加速度也就意味着可以提高打印的综合运动速度，也就可以提高打印产品的打印效率。

相比现有的大型FDM 3D打印头架构，本发明实施例中设计了材料熔融挤出机构与打印头分离的结构，使材料熔融挤出机构无需设计在打印机运动结构末端，而处于机构中低加速运动的结构中，不参与打印头的高加速度运动。或设计在打印机运动结构以外的固定位置，不参与任何运动。打印机末端运动部分(即打印头)只需部分加热装置与控料结构，打印头总重量减轻。末端运动部分惯量降低，整个打印机的运动结构也可以减轻重量，提升运动加速度，而现有大型FDM 3D打印架构的末端运动速度极限仅5000mm/分钟左右，理论上新型FDM 3D打印头架构的末端运动速度与之相比可以提高20倍或者更高。

2材料挤出流量增大与材料质量提高

材料熔融挤出机构可以放置在低加速度运动结构或者不运动的结构上，由此熔融材料熔融挤出机构的尺寸和重量不再对打印效率有较大影响(处于机器中低加速运动位置时)，或者说没有影响(处于固定位置时)，熔融材料熔融挤出机构的设计更自由。在新型架构中，可以使用技术成熟的大型挤出机作为熔融材料熔融挤出机构，依靠挤出机的长行程双螺杆旋转产生的压力及剪切力，能使得物料可以充分进行塑化以及均匀混合，排出材料中的水汽、低分子量物质等杂质，使熔融的材料非常均匀、质密、无气孔，大型挤出机的材料挤出流量可以达到1-10公斤/分钟，是现有大型FDM工艺普遍采用的轻型单螺杆挤出头的5-10倍，是小型线材FDM打印机的100-1000倍，因此正真能够满足3D打印的高速打印所需。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种3D打印装置的示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明实施例1的材料熔融挤出机构的示意图；

图4为本发明实施例1的打印头的示意图；

图5为图4中B处的局部放大图、即材料控制杆的状态图Ⅰ；

图6为本发明实施例1的材料控制杆的状态图Ⅱ；

图7为本发明实施例1的材料控制杆的状态图Ⅲ；

图8为本发明实施例1提供的3D打印装置的实际应用示意图；

图9为图8中C处的局部放大图；

图10为本发明实施例2提供的3D打印装置的实际应用示意图；

图中：1-材料熔融挤出机构 2-熔融材料传输管 3-打印头 4-熔融加热圈 5-熔融减速器 6-熔融挤出动力源 7-动力源控制器 8-电动缸 9-电动缸伺服电机 10-温度控制器 11-加热丝 12-末端加热圈 13-保温层 14-熔融外壳 15-输出口 16-主动锥形螺杆17-从动锥形螺杆 18-主动齿轮 19-从动齿轮 20-打印喷嘴 21-熔融材料输入口 22-固定座 23-横向流道 24-竖向流道 25-轴承 26-材料控制杆 27-隔热垫 28-行架式机床 29-工业机器人 30-原料仓 31-进料管 32-总控制器 33-进料口。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

参见图1～2，该3D打印装置包括材料熔融挤出机构1、熔融材料传输管2和打印头3，熔融材料传输管2为可弯曲结构，熔融材料传输管2的一端连接材料熔融挤出机构1的输出口15，熔融材料传输管2的另一端连接打印头3的熔融材料输入口21，打印头3连接有熔融材料流量控制机构。

本实施例中的熔融材料传输管2可以是耐高温软管。也可也是一种具有多关节结构的硬管。在熔融材料传输管2的外侧缠绕有加热丝11，以保证熔融材料在传输的过程中不会硬化，并且在熔融材料传输管2的外侧包覆有保温层13。

材料熔融挤出机构1包括缠绕于外侧的熔融加热圈4，打印头3的下端设有末端加热圈12，末端加热圈12、熔融加热圈4以及加热丝11连接至温度控制器10，保持材料始终处于一个合适的温度环境，利于材料的熔融、传输以及从打印头3中排出后最终实现3D打印。

参见图3，本实施例中的材料熔融挤出机构1包括熔融外壳14、螺杆挤出机构和熔融加热圈4，螺杆挤出机构转动设置在熔融外壳14内，熔融加热圈4缠绕设置在熔融外壳14的外侧，螺杆挤出机构连接带动其旋转的熔融挤出动力源6。熔融外壳14的下端为输出口15，熔融外壳14的上部两侧分别设有进料口33。

螺杆挤出机构包括相啮合的主动锥形螺杆16与从动锥形螺杆17，主动锥形螺杆16的上端连接主动齿轮18，从动锥形螺杆17的上端连接从动齿轮19，主动齿轮18与从动齿轮19相啮合，主动锥形螺杆16与从动锥形螺杆17的上部分别连接有轴承25。主动锥形螺杆16通过熔融减速器5连接熔融挤出动力源6。螺杆挤出机构也可以是液压马达驱动的单螺杆结构或者其他可以产生挤出压力的结构。熔融挤出动力源6为伺服动力源，伺服动力源配合双螺杆的挤出效果和效率更优。主动齿轮18、从动齿轮19和轴承25安装在一个箱体外壳内，为方便集成式同步与支撑机构装配与维护，箱体外壳以两条螺杆的轴线形成的平面为分型面分为两个部分，箱体外壳内可注入润滑油脂为轴承与齿轮提供润滑。

参见图4，打印头3的下端设有打印喷嘴20，而且打印头3还连接有用于控制熔融材料流量的熔融材料流量控制机构，本发明实施例创新的使用了异向旋转锥形双螺杆结构的挤出方式，改进了双螺杆的同步结构和支撑结构，使之一体化，并提高了驱动结构的集成度，并以伺服驱动作为精确驱动方式，使异向旋转锥形双螺杆结构挤出机可以应用于3D打印机，针对螺杆间隙中，除了挤出的机械压力，熔融材料的热膨胀压力分量不受螺杆控制的因素，改进了末端打印头，打印头连接有熔融材料流量控制机构，能够对熔融流体节流控制，进一步的提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。

熔融材料流量控制机构包括升降设置在打印头3内的材料控制杆26以及带动材料控制杆26升降的升降机构。升降机构包括由上至下依次连接的电动缸伺服电机9和电动缸8，电动缸8与材料控制杆26上端连接，结构非常简单，为了避免打印头3内熔融材料的热量传递至电动缸8，本所述立柱电动杆8与打印头3之间设有隔热垫27。当然本发明实施例中的升降机构还可以采用其他动力源。打印头3的一侧设有用于连接移动机构的固定座22。

参见图5～7，材料控制杆26的下端开设有横向流道23和竖向流道24，横向流道23横向贯穿材料控制杆26的两侧，竖向流道24的下端贯穿材料控制杆26，竖向流道24的上端连通横向流道23。通过在材料控制杆26的下端开设横向流道23和竖向流道24，而且电动缸8使得材料控制杆26的位置可控，能够使得打印头3至少具有两种输出口径，并可以实现完全关闭。

当材料控制杆26处于状态Ⅰ与Ⅱ时，从打印头3容腔内到打印喷嘴20具有一条材料流通的通路，打印头3处于开启状态。当材料控制杆26处于状态Ⅲ时，容腔内到打印喷嘴20没有材料流通的通路，打印头处于关闭状态。具体的，当材料控制杆26的位置处于状态Ⅰ时，材料控制杆26与打印喷嘴20之间存在一定的间隙，熔融材料从该间隙中流入打印喷嘴20，此时打印喷嘴20的口径作为材料最终的输出口径，处于最大开度状态。当材料控制杆26的位置处于状态Ⅱ时，材料控制杆26与打印喷嘴20之间没有间隙，熔融材料只从横向流道23和竖向流道24流出，此时竖向流道24的口径作为材料最终的输出口径。

电动缸伺服电机9和熔融挤出动力源6连接有动力源控制器7，实现对熔融材料的挤出压力、材料的流量或截止流量进行控制。动力源控制器7与温度控制器10连接总控制器32。熔融挤出动力源6通过熔融减速器5带动主动锥形螺杆16与从动锥形螺杆17旋转，由进料口进入的固体颗粒原料加热为流体，通过螺杆的旋转对材料充分塑化并产生对熔融材料的挤出压力，熔融的材料经过熔融材料传输管2输送至打印头3内，电动缸伺服电机9通过电动缸8带动材料控制杆26升降，进而调整打印喷嘴20的开度，调节材料的流量或者直接关闭打印喷嘴20。

本发明实施例将材料熔融挤出机构1与打印头3分离，两者通过熔融材料传输管2传输熔融的材料。材料熔融挤出机构1将由进料口进入的固体颗粒原料加热为流体，并对熔融材料产生挤出压力。熔融材料经过熔融材料传输管2输送到达打印头3，由打印头3对熔融材料做最终的控制，如调节材料的流量或截止流量。

由于3D打印的特点，产品通常比较复杂，每层包含大量往复式填充线，对打印头3的运动速度与加速度有较高的要求。因此，只要提升打印装置的末端运动的高机动性高加速度就能极大的提高打印效率。在有限的打印行程中，较高的加速度一定程度上决定着运动的最高速度，对于FDM打印工艺来说提高加速度也就意味着可以提高打印的综合运动速度，也就可以提高打印产品的打印效率。

相比现有的大型FDM 3D打印头架构，本发明实施例中设计了材料熔融挤出机构1与打印头3分离的结构，使材料熔融挤出机构1无需设计在打印机运动结构末端，而处于机构中低加速运动的结构中，不参与打印头3的高加速度运动。或设计在打印机运动结构以外的固定位置，不参与任何运动。打印机末端运动部分即打印头3只需部分加热装置与控料结构，打印头3总重量减轻。末端运动部分惯量降低，整个打印机的运动结构也可以减轻重量，提升运动加速度。现有大型FDM 3D打印架构的末端运动速度极限仅5000mm/分钟左右，理论上新型FDM 3D打印头架构的末端运动速度与之相比可以提高20倍或者更高。

材料熔融挤出机构1可以放置在低加速度运动结构或者不运动的结构上，由此熔融材料熔融挤出机构1的尺寸和重量不再对打印效率有较大影响处于机器中低加速运动位置时，或者说没有影响处于固定位置时，熔融材料熔融挤出机构1的设计更自由。在新型架构中，可以使用技术成熟的大型挤出机作为熔融材料熔融挤出机构1，依靠挤出机的长行程双螺杆旋转产生的压力及剪切力，能使得物料可以充分进行塑化以及均匀混合，排出材料中的水汽、低分子量物质等杂质，使熔融的材料非常均匀、质密、无气孔，大型挤出机的材料挤出流量可以达到1-10公斤/分钟，是现有大型FDM工艺普遍采用的轻型单螺杆挤出头的5-10倍，是小型线材FDM打印机的100-1000倍，因此正真能够满足3D打印的高速打印所需。

参见图8～9，本发明实施例的3D打印装置安装在行架式机床28上，适用于高速、大流量、高运动稳定性的3D打印应用，可使用外置大型挤出机的结构，适合大尺寸或超大尺寸的3D打印产品。材料熔融挤出机构1固定在机床底座上，行架式机床28一侧设有为材料熔融挤出机构1供料的原料仓30，熔融材料传输管2沿机架设置，打印头3设置在可以水平以及竖向移动的行架上。

本发明实施例的3D打印装置具有以下优点：

1、降低熔融挤出装置的总重量

优化了传统行业中的大型熔融挤出机的结构，使锥形双螺杆挤出机可以应用于大型3D打印机之上，具体改进在于熔融挤出机的驱动结构，简化了传统挤出机复杂的螺杆、同步机构、减速箱、多级相连的结构，改进为直驱的方式。本发明实施例中，螺杆到与高精密减速机之间没有多余传动轴体、推力支撑轴承组、径向轴承等，直接安装在螺杆轴上，使整个驱动结构更紧凑，体积更小，重量也更轻。

2、提高熔融挤出装置的输出流量

异向双螺轩挤出结构与当前3D打印行业中所使用的单螺杆挤出结构的输送机理不同。单螺杆挤出结构中的固体输送过程为摩擦拖曳，熔体输送过科为粘性拖曳，固体物料与金属表面之间摩擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱。在单螺杆结构中，从进料口到最终出料口存在一条螺线型通路，这意味着单螺杆对材料建压极限较低，当熔融体压强达到一定程度时，熔融体会从螺线型通路与其他间隙中漏流泄压，导致单螺杆结构此时不再对材料形成有效的正位移输送，最终输出流量就无法继续提高，输出流量也无法与电机的转速对应。

啮合型异向双螺杆挤出机对熔融流体材料的强制输送原理类似齿轮泵与双螺杆泵，其啮合结构会形成一段段双C型封闭室，C型封闭室的个数与螺杆螺纹圈数相同，螺杆旋转时，双C型封闭室轴将向前位移(朝出料口)，螺杆旋转一圈，封闭室前移一个导程，因此物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其强制位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的啮合间隙和螺杆与螺杆外套的配合间隙。

本发明所采用紧密啮合的异向旋转锥形双螺杆挤结构，螺杆与螺杆外套较小配合间隙，最大可能的降低漏流现象，获得最大的正位移输送效果。可以做到驱动力极限和螺杆本身力学极限情况下的最大输出流量。

根据3D打印原理，内部填充体积约占总体积的90％，影响打印产品外观效果的只有外壳曲面，而内部填充不影响产品外观效果，因此在打印过程中可以提高线宽与线高(层高)，以最大的流量迅速完成内部填充。对于外壳面中部分垂直于水平面的平面或者曲率变化小而趋近垂直水平面的曲面，可以使用更大的层高，更大的流量迅速打印，在这种情况下产品外观效果(曲面拟合效果)与小层高相同。因此更大流量意味着更高平均效率的3D打印。

3、精确控制流量

3D打印工艺对材料的挤出流量的稳定性有很高的要求，本发明实施例采用的异向锥形双螺轩挤出结构具有极低漏流的强制输送特性，因此机械结构具备精确控制流量的条件，依据此特性可计算出转速与挤出量的关系函数。本发明使用伺服的驱动方式，配合高精度行星减速器与同步箱直驱结构组成数控螺杆挤出机，螺杆轴成为数控轴，实现精确控制流量与迅速的指令响应能力，这是当前大型FDM 3D打印领域中普遍采用的单螺杆挤出结构所不具有的。

4、实时的流量控制

由于伺服电机通过压力来控制流量，螺杆虽然有强制输送特性，但是熔融材料有膨胀压力，材料在接近输出口15时已经脱离了螺杆的控制，传输过程的管道材料和熔融材料本身也有弹性，在热膨胀压力的作用下，在螺杆不运动的情况下也是有一定的压力的，因此仅通过螺杆进行流量控制，在连续无变化的挤出材料时，热膨胀压力处于稳态，因此流量稳定，但3D打印产品通常具有一定的复杂性，在打印过程中，流量是反复通断并大小变化的，当螺杆停止转动，或者变速运动时，末端打印喷嘴20的实际流量在熔融材料的热膨胀力作用下不会立即响应指令的变化，而是要等热膨胀压力完全消耗以后，流量才会重新稳定，导致实际流量与指令产生滞后，流量的实时性难以保证，所以本发明的末端节流控制与伺服电机控制的螺杆配合，才能解决流量不仅是空间上体积是精确的，时间上也是精确的。

材料控制杆26的位置可控，当材料控制杆26的位置从状态Ⅰ到状态Ⅱ过渡时，材料控制杆26与打印喷嘴20所形成的材料流通管道的截面积将随着材料控制杆26朝向打印喷嘴20运动而逐渐减小，反之则增大，配合挤出装置的流量调节，实时改变流动阻力，流通的流量不仅与压力有关也与阻力有关，因此最终在控制系统软件的控制下，实现打印输出流量的末端连续精确实时调节。

5、改善熔融挤出装置输出的材料效果

在3D打印工艺应用中，熔融挤出装置对材料的挤出效果直接决定了最终的打印效果。影响材料效果的主要因素有两点，分别是塑化程度与排杂程度(水分、空气，低分子量汽化杂质等)。如果材料挤出时塑化程度不足，会导致材料应力分布不均匀、疏松多层，最终导致打印产品的力学性能差。如果材料挤出时排杂程度不足，特别是水分与空气没有完全排除时，含有气体与水分的熔融材料进入常温常压状态(从打印嘴挤出后)，压强骤减，材料中的水份会汽化，导致打印线膨胀，水汽排出以后，打印线收缩，因此打印线宽与线高不可控，且打印线有较多气孔，打印效果严重降低。

双螺轩挤出结构相比业内常用的单螺杆结构具有好的混炼搅拌、塑化、排杂效果，打印线密实且塑化均匀，打印效果良好。双螺轩挤出结构由于其混炼搅拌的特性，可以在主材料中添加各种助剂，如增韧剂、增塑剂、填充剂、玻璃纤维、碳纤维等，使主材料改性增强或者添加其他性能，并且异向双螺杆挤出机具有强制挤出特性，还可以使用粉状原料，相比单螺杆挤出结构还具有材料选择多样性的优势。

6，高集成度的打印头可封闭与口径切换

6.1打印喷嘴的开启与关闭

小型FDM 3D打印机使用的是线材打印方式，其结构简单，只有加热头与线材挤出装置。在打印过程中或者打印完成后并不能完全封闭打印头，只是利用打印线短程回退时产生负压将流体材料“抽”回打印嘴内，但负压无法持续，短时间内如果不再次打印，就会导致部分材料从打印喷嘴20溢出，残留于产品的其他位置，导致打印的产品有局部缺陷。这种缺陷在小型打印机上由于产品尺寸相对较小，缺陷的明显程度会降低。但对于大型3D打印来说，体积增大1000倍，其缺陷也将放大，因此对于大型打印机来说任何多余材料残留都是无法忽视的，本发明实施例的打印头3很好的解决了打印停止或者打印过程中材料溢出的问题，当不需要输出材料时，材料控制杆26穿入打印喷嘴20中，材料控制杆26外壁与打印喷嘴20内壁仅有极小的配合间隙，间隙小于熔融材料的溢边值，使材料无法溢出。

6.2打印头的口径切换

在大型FDM 3D打印工艺，通常打印头3的喷嘴口径不是固定大小的，而是具有多个不同口径的喷嘴，而不同口径的喷嘴配合挤出的流量控制可以实现不同输出打印线的线宽与线高。根据前文的分析，通常只需要打印产品的外表曲面(人眼可见)具有一定的外观效果，而它的内部(人眼不可见)的实心部分一般不需要，除非对内部结构有特殊的要求的产品。在打印产品内部填充时使用更大口径的喷嘴，也就是更大的流量。打印线加宽加高可以减少当前打印层的往复填充线的密度，其原理类似用画笔来去给一个面积一定的图形上色，更宽笔头的画笔能用更少的往复次数与更短的总路径长度去上满色，对于3D打印来说就可以减少往复加减速次数，可以提高打印的平均运动速度，也减少了路径长度，因此提高了打印产品成型速度。极大的优化了效率与外观质量的矛盾。

在当前FDM 3D打印领域中，行业中现有的打印头可变口径通常需要多个不同口径的独立打印嘴的结构来实现，切换不同打印嘴时打印头还需进行移位，使更换后的打印嘴移动到更换之前打印嘴的位置上，以继续打印。如果多个独立打印嘴相对打印物体平面处于同一高度还会对打印产生干扰，因此不使用的打印嘴还需上升到更高的位置来避免划伤打印层表面。最终导致现有的多打印头结构变得复杂，集成度差，多个独立打印头的结构也会导致总重量加大，不适用于高速高效打印。

本发明实施例中打印头3与材料控制杆26的结构使用同心嵌套的方式，在打印喷嘴20内部内嵌口径更小的竖向流道。在实例中为双口径嵌套，也可以是多口径嵌套。其切换打印头3的过程中无需使打印头3移动位置，因为所有的打印嘴都是同心的。新型打印头除了最外层(也是最大口径)的打印嘴，其他打印嘴在不使用的状态下随材料控制杆26内藏于当前打印嘴内部的，不存在打印干扰的问题，也就不会出现划伤打印层表面的问题。新型结构的打印头3实现打印喷嘴20的封闭与打印喷嘴20的口径切换，提高了集成度，减小了重量，提高了打印效率。

实施例2

参见图10，本实施例中的3D打印装置应用于工业机器人29上，在工业机器人29的一侧设有原料仓30，原料仓30通过进料管31连接材料熔融挤出机构1，材料熔融挤出机构1固定在工业机器人29的机器臂上，打印头3则固定在机械手上。一般适用于中高速、中流量的3D打印应用，可使用较轻型的挤出装置集成在工业机器人29的载重臂上，适合中等尺寸的3D打印产品。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于：所述的3D打印装置包括材料熔融挤出机构(1)、熔融材料传输管(2)和打印头(3)，所述熔融材料传输管(2)为可弯曲结构，所述熔融材料传输管(2)的一端连接材料熔融挤出机构(1)的输出口(15)，所述熔融材料传输管(2)的另一端连接打印头(3)的熔融材料输入口(21)。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的熔融材料传输管(2)上缠绕有加热丝(11)。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于：所述的熔融材料传输管(2)的外侧包覆有保温层(13)。

4.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的材料熔融挤出机构(1)包括熔融外壳(14)、螺杆挤出机构和熔融加热圈(4)，所述螺杆挤出机构转动设置在熔融外壳(14)内，所述熔融加热圈(4)缠绕设置在熔融外壳(14)的外侧，所述螺杆挤出机构连接带动其旋转的熔融挤出动力源(6)。

5.根据权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于：所述的螺杆挤出机构包括相啮合的主动锥形螺杆(16)与从动锥形螺杆(17)，所述主动锥形螺杆(16)的螺杆轴上端连接安装有主动齿轮(18)，所述从动锥形螺杆(17)的螺杆轴上端连接安装有从动齿轮(19)，所述主动齿轮(18)与从动齿轮(19)相啮合，所述主动锥形螺杆(16)连接熔融减速器(5)，熔融减速器(5)连接熔融挤出动力源(6)。

6.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的打印头(3)的下端设有打印喷嘴(20)，所述打印头(3)连接有熔融材料流量控制机构。

7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于：所述的熔融材料流量控制机构包括升降设置在打印头(3)内的材料控制杆(26)以及带动材料控制杆(26)升降的升降机构。

8.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于：所述的升降机构包括相连接的电动缸(8)和电动缸伺服电机(9)，电动缸(8)与材料控制杆(26)的上端固定连接。

9.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于：所述的材料控制杆(26)的下端开设有横向流道(23)和竖向流道(24)，所述横向流道(23)横向贯穿材料控制杆(26)的两侧，竖向流道(24)的下端贯穿材料控制杆(26)，竖向流道(24)的上端连通横向流道(23)。

10.根据权利要求1或6所述的3D打印装置，其特征在于：所述的打印头(3)的下端设有末端加热圈(12)。

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