CN112078131B - 一种适用于高粘度流体的3d打印喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印喷头技术领域，并具体公开了一种适用于高粘度流体的3D打印喷头。包括超声振动模块、刚度耦合模块和打印喷头模块，所述超声振动模块用于接收交流电信号，并将该交流电信号转化为作用在所述刚度耦合模块上的激振力，使得所述刚度耦合模块产生竖直方向的振动；所述刚度耦合模块用于在电磁场作用下，实时调整其各个方向的刚度，以改变其各方向的位移，并以此方式来改变与其固定连接的打印喷头模块的振动方向和振幅，使得用于打印的高粘度流体能够顺畅均匀的流经所述打印喷头模块。本发明具有打印形状精度高的特点，适用于高粘度流体材料的3D打印。

Description

一种适用于高粘度流体的3D打印喷头
技术领域
本发明属于3D打印喷头技术领域，更具体地，涉及一种适用于高粘度流体的3D打印喷头。
背景技术
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、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、枪支以及其他领域都有所应用。
在3D打印技术领域中，主要应用的打印材料包括工程塑料、光敏树脂、类橡胶材料及金属材料等。而在某些技术领域，如生物医学、陶瓷、结构和电子等技术领域，其使用的复合异性材料具有极高的粘性，这种高粘度材料在管道内，特别是极细小的管道内，会与管道内表面产生巨大的摩擦力，进而使得其流动性大大减弱，甚至不能流动，正式因为上述特征，这类材料在使用3D打印设备打印时，会因为喷嘴处打印材料堵塞或者流速不均匀，而导致无法连续打印，或者无法按照预定的分层厚度打印。因此，这类高粘度的材料不能很好的应用到3D打印技术中。
因此，本领域亟待提出一种3D打印喷头，以解决高粘度材料在3D打印过程中容易堵塞或流速不均匀的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于高粘度流体的3D打印喷头，其中结合高粘度流体材料的自身特性以及3D打印喷头的工艺特点，相应设计了一种适用于高粘度流体的3D打印喷头，并对其关键组件如超声振动模块、刚度耦合模块以及打印喷头模块的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可通过超声振动模块加载所需的振动，并通过刚度耦合模块实时调整其各个方向的刚度，以改变其各方向的位移，并以此方式来改变与其固定连接的打印喷头模块的振动方向和振幅，使得用于打印的高粘度流体能够顺畅均匀的流经所述打印喷头模块，以解决高粘度流体材料在3D打印过程中容易堵塞或流速不均匀的问题，具有打印形状精度高的特点，适用于高粘度流体材料的3D打印。
为实现上述目的，本发明提出了一种适用于高粘度流体的3D打印喷头，其特征在于，包括超声振动模块、设置于所述超声振动模块下方的刚度耦合模块以及与所述刚度耦合模块并排设置的打印喷头模块，其中，
所述超声振动模块用于接收交流电信号，并将该交流电信号转化为作用在所述刚度耦合模块上的激振力，使得所述刚度耦合模块产生竖直方向的振动；
所述刚度耦合模块用于在电磁场作用下，实时调整其各个方向的刚度，以改变其各方向的位移，并以此方式来改变与其固定连接的打印喷头模块的振动方向和振幅，使得用于打印的高粘度流体能够顺畅均匀的流经所述打印喷头模块。
进一步的，所述刚度耦合模块为采用电磁控制的电流变材料或磁流变材料。
进一步的，所述超声振动模块包括超声波换能器、超声波发生器、变幅杆以及轴套，其中，所述超声波发生器的输出端与所述超声波换能器的输入端连接；所述超声波发生器设于所述变幅杆上端，所述轴套套设在所述变幅杆的底部，并可沿所述变幅杆的轴线做竖直方向的运动；所述轴套的外侧壁与所述刚度耦合模块固定连接。
进一步的，所述变幅杆包括大端和渐变的小端。
进一步的，所述超声振动模块还包括设置于所述小端上的第一限位挡板和第二限位挡板，所述第一限位挡板和第二限位挡板均水平设置，其中，所述第一限位挡板固定设于所述小端的底部，所述第二限位挡板固定设于所述小端的中部，且所述轴套设于所述第一限位挡板和第二限位挡板之间。
进一步的，所述超声振动模块还包括用于固定变幅杆的支撑架，所述支撑架设于所述变幅杆振幅为零的驻波节点处。
进一步的，所述打印喷头模块包括储料罐以及喷嘴，所述储料罐上端与空气压缩组件连接，下端通过中空软管与喷嘴连接。
进一步的，所述刚度耦合模块与喷嘴通过螺纹啮合连接。
进一步的，工作时，所述喷嘴、变幅杆以及超声波换能器处于共振状态。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将超声振动模块、刚度耦合模块以及打印喷头模块相结合，通过超声振动模块加载所需的振动，并通过刚度耦合模块实时调整其各个方向的刚度，以改变其各方向的位移，并以此方式来改变与其固定连接的打印喷头模块的振动方向和振幅，使得用于打印的高粘度流体能够顺畅均匀的流经所述打印喷头模块，以解决高粘度流体材料在3D打印过程中容易堵塞或流速不均匀的问题，具有打印形状精度高的特点，适用于高粘度流体材料的3D打印。
2.本发明所述刚度耦合模块为采用电磁控制的电流变材料或磁流变材料，可以通过施加不同方向的电磁场来改变对应方向的刚度，使其表现出刚度的各向异性，进而可控制振动大小和方向，以满足打印过程中，打印喷头模块对振动的不同需求。
3.本发明轴套套设在所述变幅杆的底部，并可沿所述变幅杆的轴线做竖直方向的运动，且其不能做周向运动，以保证刚度耦合模块刚度调节的可控性。
4.本发明所述第一限位挡板和第二限位挡板均水平设置，且所述轴套(4)设于所述第一限位挡板和第二限位挡板之间并在所述第一限位挡板和第二限位挡板之间做竖直方向的来回运动，使得在不同超声波频率下，轴套的位置处于对应振动模式中振幅最大位置，能保证振幅的精确可控，及提高能量的传递效率。
5.本发明所述支撑架设于所述变幅杆振幅为零的驻波节点处，以保证整个装置的稳定性，提高打印精度。
6.本发明工作时，所述喷嘴、变幅杆以及超声波换能器处于共振状态，在此条件下，喷嘴的振幅最大，流入喷嘴的高粘度流体材料能均匀且流畅的通过喷嘴，实现对零件的打印，并保证打印的形状精度和准确率。
附图说明
图1是本发明涉及的一种适用于高粘度流体的3D打印喷头的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-超声波换能器、2-变幅杆、3-支撑架、4-轴套、5-限位挡板、6-刚度耦合器、7-喷嘴、8-储料罐、9-超声波发生器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明一种适用于高粘度流体的3D打印喷头包括：超声波换能器1、变幅杆2、支撑架3、轴套4、限位挡板5、刚度耦合器6、喷嘴7、储料罐8、超声波发生器9。其中，超声波换能器1通过通信设备与超声波发生器9进行连接，用于实时接收超声波发生器9发出的高频交流电信号。超声波换能器1的下端通过连接组件与变幅杆2的大端固定连接，优选的，该连接组件为双头螺柱。变幅杆2小端的底部和中部设有限位组件，该限位组件包括设置在设置于小端底部的第一限位挡板和设置于小端中部的第二限位挡板。所述轴套4套设于所述变幅杆2的小端上，且设于第一限位挡板和第二限位挡板之间，且能在这两个限位挡板之间来回运动。
轴套4可在变幅杆上下移动，其作用是在不同超声波频率下，轴套4的位置处于对应振动模式中振幅最大位置。假设超声波频率f1对应的振幅最大的位置在第二限位挡板处，此时轴套4移动至第二限位挡板处，假设超声波频率f2对应的振动模式(模态)振幅最大的位置在第一限位挡板处，则轴套移动至第一限位挡板处，保证轴套4的振幅一直是最大的。整轴套4上下运动的过程中，套轴4的周向不可转动，即套轴4不可沿变幅杆的轴向转动。以此方式，能保证振幅的精确可控，及提高能量的传递效率。
轴套4与所述喷嘴7并排设置，且在轴套4与所述喷嘴7之间设有刚度耦合器6。储料罐8的下端通过中空软管与喷嘴7连接，且其上端通过中空软管与空气压缩组件连接。进而，储料罐8中的高粘度流体材料在空气压缩组件的作用下，通过中空管，进入到喷嘴7中。
在本发明中，刚度耦合器6是由刚度可调的材料组成，其材料包括但不限于磁流体、电流体、压电材料等刚度和阻尼可调整的材料及阻尼一定的材料，其用于通过在外部伺服信号的作用下，改变刚度耦合器的特性，进而实现喷嘴7在打印过程中的振幅和振动方向的调节。对于刚度和阻尼可调整的材料，通过选择和匹配材料刚度和阻尼特性，实现喷嘴振幅以及振动方向的可调节，进而控制高粘度流体在喷嘴中的流速及流动的均匀性，以保证打印过程中，没有物料堵塞，物料流动顺畅均匀。
刚度可调的材料一般为磁流变材料或者电流变材料，本发明的刚度耦合器6包括但不限于这两种材料。对于磁流变材料，可以通过施加不同方向的磁场来改变对应方向的刚度，使得磁流变材料表现为刚度的各向异性。对于电流变材料，可以通过施加不同方向的电场来改变对应方向的刚度，使得电流变材料表现为刚度的各向异性。通过改变磁场或者电场的方向，实现了刚度耦合器在某个方向刚度较大，此方向对应的振动较大，而在其他方向刚度较小，此方向对应的振动较小。总之，通过改变磁场或者电场的方向，实现各方向刚度的改变，进而控制振动大小和方向。
在本发明中，刚度耦合器6的右侧连接在套轴4上，左侧设置有螺纹孔，喷嘴7与刚度耦合器6连接的端面上则设置有与该螺纹孔相互配合的螺纹，进而使得喷嘴7通过螺纹与刚度耦合器6的螺纹孔进行固定连接。
在本发明中，所述超声波换能器1的输出端通过变幅杆2的共振，来放大振幅。其中，为了进一步提高本发明装置的精度控制，本发明用于变幅杆2的支撑架3设置在变幅杆2的振幅为零的驻波节点处。支撑架3通过螺栓与变幅杆上的法兰端面固定连接，用于固定整个超声振动系统。进一步的，变幅杆上的法兰端面位于其超声波振幅为零的驻波节点处。
作为本发明的优选方案，在本发明喷头进行打印时，喷嘴和变幅杆的固有频率与超声波发生器的激振频率相匹配，在此条件下，喷嘴和变幅杆以及超声波换能器在工作中处于共振的状态，并在该状态下，流入喷嘴的高粘度流体材料能均匀且流畅的通过喷嘴，实现对零件的打印，并保证打印的形状精度和准确率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于高粘度流体的3D打印喷头，其特征在于，包括超声振动模块、设置于所述超声振动模块下方的刚度耦合模块以及与所述刚度耦合模块并排设置的打印喷头模块，其中，
所述超声振动模块用于接收交流电信号，并将该交流电信号转化为作用在所述刚度耦合模块上的激振力，使得所述刚度耦合模块产生竖直方向的振动；
所述刚度耦合模块用于在电磁场作用下，实时调整其各个方向的刚度，以改变其各方向的位移，并以此方式来改变与其固定连接的打印喷头模块的振动方向和振幅，使得用于打印的高粘度流体能够顺畅均匀的流经所述打印喷头模块。
2.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述刚度耦合模块为采用电磁控制的电流变材料或磁流变材料。
3.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述超声振动模块包括超声波换能器(1)、超声波发生器(9)、变幅杆(2)以及轴套(4)，其中，所述超声波发生器(9)的输出端与所述超声波换能器(1)的输入端连接；所述超声波发生器(9)设于所述变幅杆(2)上端，所述轴套(4)套设在所述变幅杆(2)的底部，并可沿所述变幅杆(2)的轴线做竖直方向的运动；所述轴套(4)的外侧壁与所述刚度耦合模块固定连接。
4.根据权利要求3所述的3D打印喷头，其特征在于，所述变幅杆(2)包括大端和渐变的小端。
5.根据权利要求4所述的3D打印喷头，其特征在于，所述超声振动模块还包括设置于所述小端上的第一限位挡板和第二限位挡板，所述第一限位挡板和第二限位挡板均水平设置，其中，所述第一限位挡板固定设于所述小端的底部，所述第二限位挡板固定设于所述小端的中部，且所述轴套(4)设于所述第一限位挡板和第二限位挡板之间。
6.根据权利要求3所述的3D打印喷头，其特征在于，所述超声振动模块还包括用于固定变幅杆(2)的支撑架(3)，所述支撑架设于所述变幅杆(2)振幅为零的驻波节点处。
7.根据权利要求1所述的3D打印喷头，其特征在于，所述打印喷头模块包括储料罐(8)以及喷嘴(7)，所述储料罐(8)上端与空气压缩组件连接，下端通过中空软管与喷嘴(7)连接。
8.根据权利要求7所述的3D打印喷头，其特征在于，所述刚度耦合模块与喷嘴(7)通过螺纹啮合连接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的3D打印喷头，其特征在于，所述喷嘴(7)、变幅杆(2)以及超声波换能器(1)在工作时处于共振状态。
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