CN111216357A - 一种用于3d打印机的打印头及3d打印机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D打印机的打印头以及包含该打印头的3D打印机以及该3D打印机的使用方法，本发明从现有技术的不足出发，基于打印头到打印机进行了多个方面的改进，并提供了相应的使用方法，从而获得了多方面的技术效果。

Description

一种用于3D打印机的打印头及3D打印机及其使用方法

技术领域

本发明技术属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印机的打印头及3D打印机。

背景技术

3D打印技术是一项将虚拟的智能数字化技术与现代工业生产紧密结合在一起的新型技术，能够直接从计算机模型产生三维物体成型技术。由于3D打印不同于传统的从毛坯件来去除材料从而制造成品的技术，因为又被称为增材制造。

作为3D打印机中的一种类型，纤维复合材料3D打印机具有自身独特的优势。由于在打印材料中使用了纤维，其中纤维起承载作用，因此打印产品能够具有更高的强度等优势。中国专利申请CN 105172144A公开了一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，包括一级加热块3、二级加热块4直至末级加热块5，另外还设置有纤维导管1一级喷嘴12等部件。然而，该专利申请中的技术方案存在如下不足之处：首先，作为纤维复合材料3D打印机的通用问题，由于其中设置了纤维材料，而其中的料丝处于自然松弛状态，喷嘴仅仅起到牵引料丝方向的作用，料丝的位置容易发生变化；其次，从其图1、图2以及图3所示的方案，以及说明书文字内容可知，纤维材料从纤维导管1进入然后从喷嘴12出去，由其喷嘴12的形状结构可知，当打印头的运动方向与打印面平行移动时，由于打印材料直接从喷嘴12中出去，因此纤维材料会被置于打印材料的表面，不能够很好地融入在打印材料中；再次，由于只设置了一个纤维导管，因此只能够使用一种纤维材料。四，其设置了多级加热块，导致打印头的结构较为复杂。此外，作为3D打印的另一个通用性问题，由于第一层材料与打印平台的材料并不相同，因此在第一层打印时打印材料与打印平台直接的结合力非常小，这无法保证打印过程中的稳定。上述专利申请并未提出针对该问题的解决方案。

作为一种已知的解决方案，在打印之前可以对打印平台进行加热操作，从而减小平台与喷头挤出的打印材料之间的温差，防止材料遇冷收缩后不贴于打印平台。然而，这种方案存在耗能较多的问题。此外，作为另一方面的考虑，这也不利于打印材料的快速凝固。中国专利申请CN 109571958A公开了一种3D打印机，针对这一技术问题提出了一种解决方案：在打印平台的两侧设置两个升降单元，并且在升降单元上设置顶板和升降板，通过平移单元带动加热单元移动而依次对打印平台进行预热，以减少电能的消耗。

然而，这种方式虽然在一定程度上降低了电能消耗，但是为此却设置了一套复杂的机构，且也并不利于打印材料的冷却。因此，仍然存在需改进之处。

发明内容

为了至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提出以下技术方案。

一种用于3D打印机的打印头，所述3D打印机采用料丝及浆料作为打印材料，所述打印头包括多个料丝通道，所述多个料丝通道在喷嘴处汇合。

进一步地，所述多个料丝通道各自具有料丝入口，且所述料丝入口在圆周上均布。

进一步地，在所述喷嘴的周围设置有环形浆料挤出口，并且在所述打印头的轴向方向上，所述喷嘴相比于所述环形浆料挤出口更靠外。

一种3D打印机，包括上述用于3D打印机的打印头。

进一步地，还包括打印平台，且所述打印平台具有凹陷部。

进一步地，还包括拉力控制装置，用于控制所述料丝的拉力，使所述料丝的拉力保持恒定。

进一步地，还包括挤出装置和预推力施加装置，其中，所述预推力施加装置优选为气动结构。

进一步地，还包括：

冷风通道，设置在所述喷嘴出口处；和/或

湿度控制装置，包括湿度传感器、湿度设定装置以及湿度调节装置，所述湿度调节装置优选地包括水雾化装置和换气装置；和/或

温度调节装置，包括温度设定装置和致冷装置；和/或

喷头加热装置，所述加热装置围绕浆料供应装置设置。

一种使用3D打印机进行3D打印的方法，包括如下步骤中的一个或多个：

在打印开始之前，在所述打印平台的凹陷部中加入需要打印的浆料，使凝固后的浆料刚好填充满平台的凹陷部，然后将打印平台安装到打印仓调平后开始打印；

在打印过程中，使用所述拉力控制装置来使所述料丝的拉力保持恒定；

在打印过程中，使用所述预推力施加装置为浆料施加预推力，然后使所述挤出装置挤出浆料；

在打印过程中，使用所述喷头加热装置对浆料供应装置中的浆料加热；

在打印过程中，使用所述冷风通道对所述喷嘴出口处的浆料进行降温；

在打印过程中，使用所述温度控制装置来调节打印仓内的湿度，具体地，使用所述水雾化装置增加湿度，使用所述换气装置降低湿度，从而使打印仓内的湿度保持在预设范围内；

在打印过程中，使用所述温度调节装置来降低打印仓内的温度。

本发明的更详细的特征以及各个特征所带来的技术效果将在下文中结合附图进行详细的说明。

附图说明

图1是包含打印头在内的部分部件的示意图。

图2是根据拉力控制装置示意图。

图3是打印头的俯视透视图。

图4是打印头的正视图。

图5示出了打印机的快速冷却装置。

图6示出了打印机的湿度控制装置。

图7是打印机的打印平台示意图。

图8是打印机的温度调节装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的的打印头及打印机进行说明。

如图1所示，其中示出了打印机的部分部件，主要是挤出装置1和预推力施加装置2以及打印头5。作为一种常见的打印材料施加方式，挤出装置1采用螺杆挤出。预推力施加装置2的作用是对打印材料施加一定的预推力，使打印材料以恒定的、不易压缩的程度被螺杆挤出，从而获得优化的挤出效果。

参见图2，其示出了本发明的拉力控制装置。由上文可知，在现有技术中，料丝/纤维材料由打印机喷嘴牵引，并冷却凝固成型，此时的料丝处于自然松弛状态，喷嘴仅起到牵引料丝方向的作用。本发明的拉力控制装置主要包括拉力显示部件3和拉力调节阀4，其中调节阀4用于调节料丝10所承受的拉力的大小，拉力显示部件3则用于显示当前的拉力数值。由此，在打印过程中，通过拉力显示部件3能够获取当前料丝所承受的拉力，当其与期望的拉力差值超过预设值后，则通过调节阀4来改变拉力，从而提供具有恒定拉伸张力的复合材料料丝。拉伸张力可根据不同料丝和打印要求设置，以获取料丝最适宜的拉力，提升打印效果。在实际操作过程中，打印机外部供料料丝通过料丝拉力控制器延伸至3D打印机，根据打印要求和料丝特性调节料丝拉力控制装置至合适的数值。此数值即为料丝经由料丝拉力控制器拉出的拉力数值。当打印机开始工作后，打印喷嘴牵引料丝移动，此时料丝时刻保持恒定的拉力，并在该拉力状态下凝固定型。由于料丝具有恒定拉力状态，因而更能发挥出料丝的特性，打印材料的性能更好，且料丝被拉力固定不易发生位置变化，相比于现有的自然松弛状态更能提高打印机的稳定性。

进一步地，参见图3，其示出了打印头5的一种结构。由图中可知，打印头5包括三个料丝通道51，料丝通道51具有料丝入口52。三个料丝通道最终在喷嘴处汇合成一个通道。在开始打印之前，根据需求确定需要打印的长纤维丝种类，种类不超过料丝通道最大设计。通道可部分或全部使用，预先将料丝安装于通道中，操作打印，即可将需要的料丝凝固成型。虽然图中示出了三个料丝通道，但是显然地，该通道的数量不限于三个，而是可以是例如四个、五个等。此外，优选地，料丝通道52在周向上均匀分布。由此，在实际打印中，可以使用一种或者同时供两种或两种以上料丝，料丝种类可供选择的范围大大增加，并且可通过通道数量选择调节长纤维复合材料的密度。

参见图4，为了解决现有3D打印机中由于喷嘴是齐平形状而导致喷嘴挤出的料丝处于凝固浆料的上表面，因而料丝没有处于凝固浆料的中心，并非是最佳凝固位置，料丝有凝固不牢的风险的问题，本发明将喷嘴53设置成在打印头的轴线方向上突出于打印头，而在喷嘴53的周围设置有环形浆料挤出口。在工作时，复合材料料丝由突出的喷嘴53挤出，环形浆料挤出口挤出的浆料将料丝包裹于中心，此时料丝处于浆料包裹的最佳位置。当料丝和浆料离开打印机后，而由于喷嘴53突出，则使料丝在打印平面上处于浆料凝固中心，从而获得最佳的力学性能。

参见图5，其示出了本发明的快速冷却装置。一般来说，现有技术中对浆料的冷却靠的是打印仓内温度的自然冷却，而材料的降温和凝固需要一定的时间，这影响了打印的成型速度。本发明在喷嘴53出口处安装有冷风通道6，可以由致冷装置7来提供所需的冷风。在喷嘴挤出处当喷嘴挤出的浆料附着于打印层时，冷风通道吹出冷风加速浆料的降温过程，促进浆料的快速冷却成型，提升打印机的打印速度和成型的精度。

图6示出了打印机的湿度控制装置。为给打印仓提供最适宜的打印湿度，在打印仓内的湿度可根据不同的打印材料确定最适宜的打印湿度，本发明通过湿度传感器10来监测打印仓内的湿度，将湿度值通过显示装置9显示，并可通过外部旋钮调节湿度的大小。具体地，湿度的大小由湿度调节装置8组成，可以包括水雾化装置和换气装置，水雾化装置用于增加仓内湿度，换气装置用于降低仓内湿度。

图7示出了本发明的打印平台的示意图。在上文中已经述及，现有的复合材料3D打印机打印平台一般为平整平台，打印料丝附着其上冷却成型，此时第一层料丝直接粘附于打印平台，因料丝与打印平台材质不同，其粘附的力大小有限，特别是当料丝移动方向发生变化时转折处的料丝由于附着力较小，容易发生偏离，造成打印瑕疵。而现有技术中的解决方式增加了电能消耗，且需要复杂的加热装置，并且当打印材料凝固后，与打印平台的粘附力仍然有限。为此，本发明的打印平台11采取内凹设计，在打印平台11上设置有凹陷部12，开始打印前在凹陷部12处预先附着一层打印的浆料，因为打印的浆料与底部材质相同，因此附着力大大增加，避免了喷嘴移动时造成底部已凝固的料丝的位移。

在实际操作过程中，先取下平台11，在凹陷部12中加入需要打印的浆料，并凝固浆料，使凝固后的浆料刚好填充满平台的内凹空间，此时平台11和凝固的浆料共同构成了平整的打印平台。再将打印平台12安装回打印仓调平打印。由于打印材料直接接触的是相同材质的浆料构成的打印平台，因此打印材料牢固附着于打印平台，保证了打印的精度。

参见图8，本发明的打印机打印仓温度调节装置包括显示装置13、温度设定装置以及致冷装置14，此外还可以包括温度传感器。根据所要打印的复合材料和浆料特性选择适宜的温度，通过温度设定装置来设定所期望的温度，通过致冷装置14来快速降温以达到指定温度，使打印出来的模型能快速冷却变成固体，确保长纤维丝能与模型结构紧紧结合。

此外，由于设置了温度调节装置，而其主要目的是为了使打印仓内的浆料快速凝固，但是这在一定程度上也会导致未被打印出来的浆料的温度降低，流动性变差，因此为了保持浆料的流动性，本发明还设置了喷头加热装置，使用加热装置围绕浆料供应装置，从而保证浆料的流动性。

在使用时，本发明中的多个改进特征可以一起使用或者单独使用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于3D打印机的打印头，所述3D打印机采用料丝及浆料作为打印材料，其特征在于，所述打印头包括多个料丝通道，所述多个料丝通道在喷嘴处汇合。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印机的打印头，其特征在于，所述多个料丝通道各自具有料丝入口，且所述料丝入口在圆周上均布。

3.根据权利要求1或2所述的用于3D打印机的打印头，其特征在于，在所述喷嘴的周围设置有环形浆料挤出口，并且在所述打印头的轴向方向上，所述喷嘴相比于所述环形浆料挤出口更靠外。

4.一种3D打印机，包括根据权利要求1-3中任一项所述的用于3D打印机的打印头。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印机，其特征在于，还包括打印平台，且所述打印平台具有凹陷部。

6.根据权利要求4所述的一种3D打印机，其特征在于，还包括拉力控制装置，用于控制所述料丝的拉力，使所述料丝的拉力保持恒定。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的一种3D打印机，其特征在于，还包括挤出装置和预推力施加装置，其中，所述预推力施加装置优选为气动结构。

8.根据权利要求4-6中任一项所述的一种3D打印机，其特征在于，还包括：

冷风通道，设置在所述喷嘴出口处；和/或

湿度控制装置，包括湿度传感器、湿度设定装置以及湿度调节装置，所述湿度调节装置优选地包括水雾化装置和换气装置；和/或

温度调节装置，包括温度设定装置和致冷装置；和/或

喷头加热装置，所述加热装置围绕浆料供应装置设置。

9.一种使用权利要求4-8中任一项所述的3D打印机进行3D打印的方法，其特征在于，包括如下步骤中的一个或多个：

在打印开始之前，在所述打印平台的凹陷部中加入需要打印的浆料，使凝固后的浆料刚好填充满平台的凹陷部，然后将打印平台安装到打印仓调平后开始打印；

在打印过程中，使用所述拉力控制装置来使所述料丝的拉力保持恒定；

在打印过程中，使用所述预推力施加装置为浆料施加预推力，然后使所述挤出装置挤出浆料；

在打印过程中，使用所述喷头加热装置对浆料供应装置中的浆料加热；

在打印过程中，使用所述冷风通道对所述喷嘴出口处的浆料进行降温；

在打印过程中，使用所述温度控制装置来调节打印仓内的湿度，具体地，使用所述水雾化装置增加湿度，使用所述换气装置降低湿度，从而使打印仓内的湿度保持在预设范围内；

在打印过程中，使用所述温度调节装置来降低打印仓内的温度。

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