CN112622272B - 一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3d打印机喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，包括送料组件、料筒组件、旋转组件、外壳及加热器；送料组件包括旋转平台以及安装于旋转平台上沿其周向均匀布置的若干个供丝机构，旋转平台上对应于每个供丝机构均开设有进料口；料筒组件包括与供丝机构数量相同的若干个料筒；旋转组件包括双轴电机以及与双轴电机下输出端连接的行星齿轮机构；外壳呈一端未封闭的圆筒结构，外壳的底部开设有出料口，出料口向下延伸形成喷嘴；加热器安装于外壳底部下表面，位于喷嘴一侧。该喷头使用外部加热的方式融化打印线材，避免了材料堵塞喷嘴的问题，并通过行星齿轮机构精确控制不同料筒到达出料口位置，实现了更换不同打印材料的目的。

Description

一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及熔融沉积成型3D打印设备，具体涉及一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头。

背景技术

3D打印技术是以数字模型文件为基础通过逐层打印的方式来加工成型工件的技术，该技术的诞生缩短了新型产品的设计开发周期，为设计制造领域带来了极大的方便。熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)是一种将各种热熔性的丝状材料(蜡、ABS和尼龙等)加热熔化成形的方法，是3D打印技术的一种。

FDM 3D打印机基本工作过程是：成型材料由供丝机构送至喷头中，并在喷头内加热至熔融态。喷头在控制系统指令下沿着零件截面轮廓和内部轨迹运动，同时将半流动状态的热熔材料通过微细喷嘴挤出，热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。

喷头是3D打印机打印零件的关键部件。在传统的熔融沉积成型3D打印设备中，多以单喷头设计为主，基本使用单一耗材，技术成熟。但现有防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头还存在以下缺点：一是无法适应长时间连续打印，热塑材料如PLA，通常被加热到200℃以上，长时间处于此温度下会导致材料变形，最终造成喷头堵塞；二是现有喷头的加热块通常位于喷头内(部分加热块套设在喷嘴上与喷嘴成为一体式结构)，其加热面积较大，使打印喷头内较多打印材料被融化，新进入未融化的材料会将喷头内融化的材料挤压溢出，在进料端空隙处溢出而降温固化，同样导致打印喷头堵塞。进一步地，随着多颜色和多材质3D打印技术的发展，只能使用单一耗材的3D打印计喷头已经难以满足用户需求。现有的熔融沉积成型3D打印喷嘴因基本设计原理与技术限制，若强行使用多种耗材也会造成材料在喷嘴堵塞、残留耗材污染其他耗材等问题；若通过在加工过程中使用多个喷嘴或更换喷嘴的方式，则难以保证加工位置精度，影响打印质量。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，该喷头创造性地将加热功能移至喷嘴外部，使用外部加热的方式融化打印线材，避免了材料堵塞喷嘴的问题，并通过行星齿轮机构精确控制不同料筒到达出料口位置，实现了在不改变喷嘴空间坐标的情况下更换不同打印材料的目的，从而使该喷头具备“一头多打”的功能。

为达到上述目的，本发明提供的一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，包括送料组件、料筒组件、旋转组件、外壳及加热器；

所述送料组件包括旋转平台以及安装于旋转平台上沿其周向均匀布置的若干个供丝机构，旋转平台上对应于每个供丝机构均开设有进料口；所述料筒组件包括与供丝机构数量相同的若干个料筒；所述旋转组件包括双轴电机以及与双轴电机下输出端连接的行星齿轮机构；所述外壳呈一端未封闭的圆筒结构，外壳的底部开设有出料口，出料口向下延伸形成喷嘴；所述加热器安装于外壳底部下表面，位于喷嘴一侧；

所述旋转组件安装于外壳内腔中，双轴电机的上输出端与旋转平台下端面设置的连接轴I相连接，料筒沿周向均匀安装在行星齿轮机构上，料筒上端与进料口相连接，料筒下端与外壳底部相接触；打印线材由供丝机构通过进料口输送至相应料筒内，双轴电机带动旋转平台和行星齿轮机构转动，从而带动相应料筒旋转至出料口处。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，供丝机构的作用是输送打印线材进入料筒内。供丝机构也即送丝机构，其可以采用本领域中成熟的供丝结构设计。在本发明中，所述供丝机构优选包括U型支架、绕料滚轴、旋转滚轴、夹紧滚轴以及驱动电机；所述U型支架底部固定安装于旋转平台的上表面，U型支架的两侧板上开设有对称的弧形滑槽；绕料滚轴、旋转滚轴的两端端部分别与U型支架的两侧板转动连接，夹紧滚轴的两端端部安装于U型支架两侧板上的弧形滑槽中；驱动电机安装于U型支架的一侧，且其输出轴与旋转滚轴的一端端部相连接。打印线材缠绕于绕料滚轴上，夹紧滚轴由自重带动自身沿滑槽滑向旋转滚轴并夹紧打印线材，驱动电机带动旋转滚轴旋转通过进料口向下输送打印线材至料筒内。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，作为优选实施方式，所述旋转滚轴包括中间部I和位于中间部I两端的连接部I，中间部I两端面直径大于连接部I直径，中间部I为从两端向中间呈弧形向内收缩成两头粗、中间细的结构，连接部I可转动的安装于U型支架两侧板上的安装孔内。所述夹紧滚轴包括中间部II和位于中间部II两端的连接部II，中间部II从两端向中间呈弧形向外拓展成两头细、中间粗的结构，连接部II可转动的安装于U型支架两侧板上的安装孔内。旋转滚轴和夹紧滚轴的弧形面可相互配合更好的夹紧打印线材。所述旋转滚轴中间部I与夹紧滚轴中间部II的表面还加工有滚花，以增大传送时的摩擦力。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，行星齿轮机构用于带动旋转至出料口，以更换不同打印线材。行星齿轮机构可以采用本领域中常规设计。在本发明中，所述行星齿轮机构优选包括行星架，中心齿轮、行星齿轮以及连接轴II；行星架包括一体成型的中心环体和沿中心环体周向延伸出的、与料筒数量匹配的若干个连接臂；中心环体和中心齿轮从上至下依次套设于连接轴II上；行星齿轮的数量与料筒数量相匹配；行星齿轮位于连接臂的下方，料筒穿过连接臂，并将行星齿轮套设于料筒上，使行星齿轮与中心齿轮啮合；双轴电机的下输出端与连接轴II相连接。优选地，外壳内壁下部还布置有与行星齿轮啮合的齿圈，以增加行星齿轮机构的稳定性。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，所述料筒为输送打印线材的中间通道，优选包括上料筒、下料筒以及料管；上料筒和下料筒一体成型，且为台阶式结构；上料筒的内径大于料管的外径，料管的内径不大于下料筒的内径；上料管的上端与旋转平台上的进料口连接，下端伸入至上料筒内，上料筒和下料筒的连接处形成台阶面用于支撑料管。料管和旋转平台的进料口连接，即料管和旋转台为整体结构，有利于打印线材通过进料口进入料筒中；而料筒和上/下料筒采用分体式结构便于整体装置的拆卸以及维修养护。需要说明的是，在满足料筒作为打印材料中间通道的目的基础上，可以对料筒进行相应的常规变形设计，如采用一体式结构等。料筒的数量并没有特殊的限制，可以根据实际情况进行相应的设计，优选料筒的数量为三个。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，加热器安装于外壳底部下表面，即不直接加热料筒内的打印线材，而是只对输送至喷嘴出口处的打印线材进行加热，可以有效避免加热面积过大或加热温度过高引起的喷嘴堵塞。所述加热器优选为激光加热器，激光加热器的供电电源设置于外壳内腔中。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明提供的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，包括送料组件、料筒组件、旋转组件、外壳及加热器，通过送料组件将打印线材输送至料筒内，再由安装在外壳底部下表面的加热器对经料筒输送至喷嘴出口处的打印线材进行加热，创造性地将加热功能移至喷嘴外部，使用外部加热的方式融化打印线材，可以有效避免加热面积过大或加热温度过高引起的喷嘴堵塞的问题。

(2)本发明提供的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，通过设置多个料筒，再由行星齿轮机构精确控制不同料筒到达出料口位置，实现了在不改变喷嘴空间坐标的情况下更换不同打印材料的目的，从而使熔融沉积成型(FDM)3D打印机喷头具备“一头多打”的功能，在保证加工位置精度和打印质量的基础上，满足多颜色和多材质3D打印技术发展的需求。

(3)本发明提供的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，结构简单，整体采用模块化的结构设计，便于制造安装及维修，具有很强的实用性，值得在业内进行推广应用。

附图说明

图1是本发明防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头的正式示意图；

图2是本发明防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头(不包含外壳和加热器)的结构示意图；

图3是本发明防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头立体示意图；

图4是本发明防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头俯视示意图；

图5是外壳和旋转组件结构示意图。

附图标记说明：1、送料组件；11、旋转平台；12、连接轴I；13、支撑板I；14、支撑板II；15、绕料滚轴；16、旋转滚轴；17、夹紧滚轴；18、驱动电机；19、进料口；2、料筒组件；21、上料筒；22、下料筒；23、料管；3、旋转组件；31、双轴电机；32、行星架；33、中心齿轮；34、行星齿轮；35、连接轴II；4、外壳，41、出料口；42、齿圈；5、加热器。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

本实施例中，防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头如图1所示，包括送料组件1、料筒组件2、旋转组件3、外壳4及加热器5。送料组件1将线材沿位于其下方的料筒组件2送至位于外壳4下端面的喷嘴，经加热器5加热将线材熔融。旋转组件3用于带动送料组件1和料筒组件2同时旋转。本实施例所提供的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头能够同时承载三种线材原料；相应的，送料组件1设置有三组用于承载三种线材料的供丝机构，料筒组件2设置有三个料筒。

如图2、图3和图4所示，送料组件1包括旋转平台11以及安装于旋转平台11上沿其周向均匀布置的三个供丝机构。旋转平台11呈圆形平板结构。三个供丝机构结构相同，包括U型支架、绕料滚轴15、旋转滚轴16、夹紧滚轴17以及驱动电机18。U型支架底部固定安装于旋转平台11的上表面，组成U型的支架支撑板I13、支撑板II14两个侧板平行设置，且支撑板I13、支撑板II14上开设有对称的弧形滑槽。绕料滚轴15、旋转滚轴16的两端端部分别与支撑板I13、支撑板II14转动连接，夹紧滚轴17的两端端部安装于支撑板I13、支撑板II14上的弧形滑槽中。驱动电机18位于U型支架的一侧，且其输出轴与旋转滚轴16的一端端部相连接。旋转滚轴16包括中间部I和位于中间部I两端的连接部I，中间部I两端面直径大于连接部I直径，中间部I为从两端向中间呈弧形向内收缩成两头粗、中间细的结构，连接部I可转动的安装于支撑板I13和支撑板II14上的安装孔内。夹紧滚轴17包括中间部II和位于中间部II两端的连接部II，中间部II从两端向中间呈弧形向外拓展成两头细、中间粗的结构，连接部II可转动的安装于支撑板I13和支撑板II14上的弧形滑槽内。旋转滚轴16中间部I与夹紧滚轴17中间部II的弧线弧度相适应。在优选的实现方式中，旋转滚轴16中间部I与夹紧滚轴17中间部II的表面还加工有滚花，进一步增大两者表面的摩擦力。每一对夹紧滚轴17和旋转滚轴16相对位置正下方的旋转平台11上均开设有进料口19。

如图2所示，料筒组件2包括三个料筒。料筒包括上料筒21、下料筒22以及料管23。上料筒21和下料筒22一体成型，且为台阶式结构。上料筒21的内径大于料管23的外径，料管23的内径不大于下料筒22的内径，上料筒21的内径大于下料筒22的内径从而使上料筒21和下料筒22的连接处形成台阶面，用于支撑料管23。在优先实现方式中，料管23内径与送料机构的进料口19孔径相等。

如图2和图5所示，旋转组件3包括双轴电机31以及行星齿轮机构。行星齿轮机构包括行星架32，中心齿轮33、行星齿轮34以及连接轴II35。行星架32包括一体成型的中心环体和沿中心环体周向延伸出的、与料筒数量匹配的三个连接臂，三个连接臂结构相同，且沿中心环体均匀分布。连接臂的末端向下延伸形成定位筒。中心环体和中心齿轮33从上至下依次套设于连接轴II35上。行星齿轮34的数量与料筒数量相匹配，为三个；三个行星齿轮34位于三个连接臂的下方，且分别与中心齿轮33相啮合。双轴电机31的上输出端经联轴器I与旋转平台11下端面设置的连接轴I12连接，下输出端经联轴器II与连接轴II35连接。

如图1和图5所示，外壳4呈一端未封闭的圆筒结构，外壳4的底部开设有出料口41，出料口41向下延伸形成喷嘴。本实施例中，喷嘴为圆筒状结构。加热器5为激光加热器，激光加热器安装于外壳4底部下表面，位于喷嘴一侧。激光加热器供电电源设置于外壳4内腔中。外壳4内壁下部布置有与旋转组件3行星齿轮34啮合的齿圈42。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头的组装方式为：将行星支架和中心齿轮33依次套设于连接轴II35上，将双轴电机31下输出端经联轴器II与连接轴II35连接；料管23插入上料筒21中，下料筒22穿过连接臂定位筒，并将行星齿轮34套设于下料筒22上，使行星齿轮34与中心齿轮33啮合；将双轴电机31上输出端经经联轴器I与旋转平台11下端面设置的连接轴I12连接；之后将组装好的部分插入外壳4内腔中，使行星齿轮34与外壳4内壁下部齿圈42啮合。组装好后，旋转平台11的进料口19、料管23、下料筒22的中心轴线基本重合，且其中一个料筒下料筒22出口与外壳4底部出料口41相对。

上述防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头工作原理为：待打印线材缠绕在送料机构的绕线滚轴上，线材的自由端从旋转滚轴16与夹紧滚轴17之间穿过，夹紧滚轴17由自重带动自身沿滑槽滑向旋转滚轴16并夹紧打印线材，再由驱动电机18带动旋转滚轴16向下输送，经进料口19、料管23、下料筒22，从外壳4底部喷嘴穿出；加热器5对喷嘴出口处的打印线材进行加热至融化，即可进行打印。

综上所述，本实施例提供的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，利用TRIZ分离原理，创造性地将喷嘴的加热功能移至喷嘴外部，使用激光加热的方式融化塑料线材，避免了材料堵塞喷嘴的问题，并通过行星齿轮机构精确控制不同料筒到达喷嘴出口处，实现了在不改变喷嘴空间坐标的情况下更换不同打印材料的目的，填补了FDM 3D打印技术领域内“一头多打”的技术空白。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：包括送料组件(1)、料筒组件(2)、旋转组件(3)、外壳(4)及加热器(5)；

所述送料组件(1)包括旋转平台(11)以及安装于旋转平台(11)上沿其周向均匀布置的若干个供丝机构，旋转平台(11)上对应于每个供丝机构均开设有进料口(19)；

所述料筒组件(2)包括与供丝机构数量相同的若干个料筒；所述料筒包括上料筒(21)、下料筒(22)以及料管(23)；上料筒(21)和下料筒(22)一体成型，且为台阶式结构；上料筒(21)的内径大于料管(23)的外径，料管(23)的内径不大于下料筒(22)的内径；上料管(23)的上端与旋转平台(11)上的进料口(19)连接，下端伸入至上料筒(21)内，上料筒(21)和下料筒(22)的连接处形成台阶面用于支撑料管(23)；

所述旋转组件(3)包括双轴电机(31)以及与双轴电机(31)下输出端连接的行星齿轮机构；所述旋转组件(3)安装于外壳(4)内腔中，双轴电机(31)的上输出端与旋转平台(11)下端面设置的连接轴I(12)相连接，料筒沿周向均匀安装在行星齿轮机构上，料筒上端与进料口(19)相连接，料筒下端与外壳(4)底部相接触；所述行星齿轮机构包括行星架(32)，中心齿轮(33)、行星齿轮(34)以及连接轴II(35)；行星架(32)包括一体成型的中心环体和沿中心环体周向延伸出的、与料筒数量匹配的若干个连接臂；中心环体和中心齿轮(33)从上至下依次套设于连接轴II(35)上；行星齿轮(34)的数量与料筒数量相匹配；行星齿轮(34)位于连接臂的下方，料筒穿过连接臂，并将行星齿轮(34)套设于料筒上，使行星齿轮(34)与中心齿轮(33)啮合；双轴电机(31)的下输出端与连接轴II(35)相连接；

所述外壳(4)呈一端未封闭的圆筒结构，外壳(4)的底部开设有出料口(41)，出料口(41)向下延伸形成喷嘴；所述加热器(5)安装于外壳(4)底部下表面，位于喷嘴一侧；

打印线材由供丝机构通过进料口(19)输送至相应料筒内，双轴电机(31)带动旋转平台(11)和行星齿轮机构转动，从而带动相应料筒旋转至出料口(41)处。

2.根据权利要求1所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述供丝机构包括U型支架、绕料滚轴(15)、旋转滚轴(16)、夹紧滚轴(17)以及驱动电机(18)；所述U型支架底部固定安装于旋转平台(11)的上表面，U型支架的两侧板上开设有对称的弧形滑槽；绕料滚轴(15)、旋转滚轴(16)的两端端部分别与U型支架的两侧板转动连接，夹紧滚轴(17)的两端端部安装于U型支架两侧板上的弧形滑槽中；驱动电机(18)安装于U型支架的一侧，且其输出轴与旋转滚轴(16)的一端端部相连接。

3.根据权利要求2所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述旋转滚轴(16)包括中间部I和位于中间部I两端的连接部I，中间部I两端面直径大于连接部I直径，中间部I为从两端向中间呈弧形向内收缩成两头粗、中间细的结构，连接部I可转动的安装于U型支架两侧板上的安装孔内。

4.根据权利要求3所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述夹紧滚轴(17)包括中间部II和位于中间部II两端的连接部II，中间部II从两端向中间呈弧形向外拓展成两头细、中间粗的结构，连接部II可转动的安装于U型支架两侧板上的安装孔内。

5.根据权利要求4所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述旋转滚轴(16)中间部I与夹紧滚轴(17)中间部II的表面还加工有滚花。

6.根据权利要求1所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：外壳(4)内壁下部布置有与行星齿轮(34)啮合的齿圈(42)。

7.根据权利要求1-6任一所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述加热器(5)为激光加热器，激光加热器的供电电源设置于外壳(4)内腔中。

8.根据权利要求1-6任一所述的防堵塞多线材式熔融沉积成型3D打印机喷头，其特征在于：所述料筒的数量为三个。

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