CN112917900B - 一种空压式熔融沉积型3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空压式熔融沉积型3D打印喷头，包括喷头本体以及均设置于喷头本体内的进料管、熔融室、出料管、加热器、气室；熔融室设置在喷头本体内中部，熔融室包括若干个竖立且相互隔离的熔融腔，对应每个熔融腔设置一根进料管，熔融腔的底部开设有出料口；出料管竖立设置并位于熔融室的下方，出料管的上端口与所有熔融腔的出料口相对应，于每个出料口与出料管上端口之间设置有抽拉式隔离板；加热器位于熔融室的外侧用于对熔融室中的打印材料加热熔融；气室与出料管连通。该打印喷头可满足多材料打印的需求，能有效避免不同材料相互混合以及出料管堵塞。

Description

一种空压式熔融沉积型3D打印喷头

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，具体涉及一种空压式熔融沉积型3D打印喷头。

背景技术

熔融沉积型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技术主要适用于成型较小的塑料件，其基本原理是利用耗材热塑性进行耗材层叠堆积，将计算机三维建模后的STL格式的实体模型进行切片处理，即将3D实体进行分层，然后通过控制系统解析各层数据，控制喷头移动并加热吐料，通过耗材的层叠堆积一层层将整个实体打印出来，熔融沉积型3D打印常用的耗材有低熔点的塑料、树脂、合金丝以及部分可食用材料。耗材经过引导管道进入喷头，然后经过送料齿轮的挤压与喷头加热块的加热变成半流状从喷头中被挤出，粘附到打印平台或者上一层材料上，自然冷却后变为固体，逐层积累直至整个3D实体打印完成。

喷头是熔融沉积型3D打印机的核心部件，其功能主要是挤压及加热耗材并将加热后半流状的耗材喷出。现有熔融沉积型3D打印机喷头一般主要由进料机构、喉管通道、加热块、喷嘴几部分组成，在打印过程中进料机构将耗材送入喉管通道，喉管下部装在加热块中，加热块下方与喷嘴连接，耗材在喉管下部逐渐受热融化，未熔化的耗材和熔融状的耗材在通道中形成活塞作用，迫使半流状的耗材由喷嘴口被挤出，粘附在打印平台或者上一层实体上。

现有熔融沉积型3D打印机喷头主要存在以下缺点：一是吐丝，吐丝是指打印时由于喷嘴挤出的料丝与底部各层不能粘结或喷头不能顺畅的挤出正常粗细的料丝，使得料丝堆在空中的问题。现有喷头主要依靠进料机构不断进料，再由未融化和熔融状的耗材形成活塞作用迫使丝料挤出，但很容易由于耗材挤出的力度不够，喷嘴处不能将加热后的耗材以正常流量喷出，断断续续或者小流量的挤出料丝使得挤出的料丝很难与底层实体粘接到一起，由此造成吐丝问题。二是堵料，堵料是指打印耗材在喷嘴处堵塞导致耗材无法顺利流出的现象，堵料后耗材无法流出，而打印机仍然按照预定轨迹移动，这就导致了空打。喉管通道内部长期使用形成疲劳或喷嘴出料不畅就会导致打印耗材在喉管上方的高温下融化，并且在此处堆积凝固堵塞，从而导致后续耗材无法向下移动。

此外，多以单喷头设计为主，且技术较为成熟。随着多颜色和多材质3D打印技术的发展，越来越多的3D打印设备开始采用双喷头或多喷头设计。然而，无论是单喷头、双喷头还是多喷头设计，现有的挤出式3D打印机大多数只打印单一品类材料，譬如使用FDM打印机打印热塑性材料类制品或使用LDW打印机液体材料类物品，无法在同一喷头中打印包含热塑性固体材料和液体材料的复合材质物品，如含塑料支撑结构的液体硅胶物品或含弹性体骨架结构的生物材料物品等。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，提供一种空压式熔融沉积型3D打印喷头，该打印喷头通过设置独立的熔融腔室从而满足多材料打印的需求，并在出料管上套设气室，以提供让熔融材料挤出的压力，降低材料在出料管中的材料残余，避免不同材料相互混合，有效提高了打印质量。

为达到上述目的，本发明提供的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其包括喷头本体以及均设置于喷头本体内的进料管、熔融室、加热器、气室、出料管；

所述熔融室设置在喷头本体内中部，熔融室包括若干沿轴向设置且相互隔离的熔融腔，对应每个熔融腔设置一根进料管，所述进料管一端端部与熔融腔连通，另一端端部伸出喷头本体，熔融腔的底部开设有出料口；所述加热器位于熔融室的外侧用于对熔融室中的打印材料加热熔融；

所述气室包括呈中空圆柱状结构的气室部Ⅰ以及由气室部Ⅰ下端面边缘径向延伸而形成的呈中空圆环柱状结构的气室部Ⅱ，气室部Ⅱ上设置有导气管；所述出料管包括第一出料管和第二出料管，第一出料管的上端口与所有熔融腔的出料口相对应，其下端口与气室部Ⅰ的上端面连通，在喷头本体上于每个出料口与第一出料管上端口之间设置有抽拉式隔离板；第二出料管的上端口与气室部Ⅰ的下端面连通且与第一出料管的下端口位置相对应，第二出料管上端口的直径大于第一出料管下端口的直径，第二出料管的下端口位于喷头本体的下端面；

打印材料通过进料管进入相应的熔融室，并由加热器加热熔融，抽拉对应的隔离板，熔融的打印材料通过出料口经第一出料管下流至第二出料管，由导气管向气室中输入气体，气室稳定后在气体的压力下将熔融的打印材料由第二出料管挤出。

上述空压式熔融沉积型3D打印喷头，喷头本体的作用主要是用于安装设置进料管、熔融室、出料管、加热器以及气室等部件，其整体形状结构在满足相应部件安装的基础上，可以采用本领域常规的设计方式。喷头本体优选包括主体部和喷嘴部，所述主体部呈长方体形，主体部的下端面内凹形成具有螺纹的安装孔；所述喷嘴部包括一体成型的连接段和喷嘴段，所述连接段与主体部的安装孔相适配并与安装孔螺纹连接，所述喷嘴段呈圆柱结构且其下端面向下延伸形成倒圆锥状结构；所述进料管、熔融室、加热器、第一出料管以及隔板均设置在主体部上，所述气室、第二出料管设置在喷嘴部上，所述第二出料管的下端口位于喷嘴段的顶端。喷头主体采用螺纹连接的主体部和喷嘴部组成，便于喷头的拆装清洗。为保证气密性，在喷嘴部和主体部的连接端优选设置密封圈。

上述空压式熔融沉积型3D打印喷头，熔融腔的数量可以根据实际情况进行设计，一般情况下，从操作便利性以及制造成本来看，熔融腔的数量优选为2~4个。熔融室整体的形状没有特殊的限制，可以为长方体形或圆柱形。熔融室和熔融腔的具体设置方式，可以在整个熔融室中设置若干隔板，以形成多个熔融腔；也可以由多个单独的熔融腔室通过粘接或其它固定方式连接起来形成一个整体的熔融室。熔融腔的具体形状也没有特殊的限制，如半圆柱结构、长方体或横截面为扇形的柱状结构等，根据实际情况设计即可。此外出料口的设置位置在满足与出料管上端口对应的基础上，也根据熔融腔的具体形式进行设计即可。一般情况下，出料管的管径不宜过大，因此多个熔融仓的出料口优选集中在一处位置。本发明中，优选为一个熔融室，并由隔板分割成两个半圆柱结构的熔融腔，出料口设置于熔融腔底部半圆的圆心处。

进一步的，设置于出料口与出料管上端口之间的抽拉式隔离板，其作用主要是控制对应熔融腔中的打印材料是否进入下方的出料管中，抽拉式隔离板在喷头主体上的插置位置以及其形状主要依据出料口的开口位置以及形状设定即可。如当熔融室是由多个横截面为扇形的柱状结构的熔融腔组成的圆柱形结构，出料口集中在熔融室底部的中间位置处，则隔离板也相应设置为扇形，从喷头本体的侧壁插置在相应出料口和出料管上端口之间；或当熔融室由多个长方体结构的熔融腔组成的长方体结构时

上述空压式熔融沉积型3D打印喷头，为便于进料管的维护安装，在喷头本体上设置有螺纹孔，所述进料管的外表面设有螺纹，进料管与喷头本体螺纹连接。进一步的，所述进料管的中心轴线与熔融腔的中心轴线呈30°~60° 的夹角。此外，熔融室、第一出料管气室以及第二出料管可以直接机加工而形成相应的功能区室。

上述空压式熔融沉积型3D打印喷头，出料管的作用是作为熔融材料的输出通道，为便于材料的输入和输出，第二出料管上端口的直径大于第一出料管下端口的直径可以保证熔融打印材料不会流至气室内。优选地，第二出料管包括一体成型的上料管段和下料管段，所述上料管段呈漏斗状结构。第一出料管、第二出料管的长度根据实际需求设置即可。

上述空压式熔融沉积型3D打印喷头，所述加热器主要用于熔融腔中打印材料的加热熔融，其具体采用的形式可以为本领域常规的加热方式，如加热块等。本发明中，加热器优选包括若干根加热棒，所述加热棒平行穿设在喷头本体上并位于熔融室的两侧。采用加热棒的形式是熔融腔中的打印材料的受热更加均匀。

和现有技术相较，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

（1）本发明提供的空压式熔融沉积型3D打印喷头，通过设置气室，一方面给熔融态的打印材料施压，使熔融的打印材料更加紧实，挤出状态更稳定；另一方面由于有气体挤压，会在熔融材料表面形成气体膜层，将熔融材料向中心挤压，从而在熔融材料和第二出料管管壁之间也形成一层薄的气体膜层，由此可以降低不同材料通过出料管时的残留，从而避免不同材料相互混合，同时防止残料堵塞。

（2）本发明提供的空压式熔融沉积型3D打印喷头，设置多个熔融腔、与熔融腔相对应的进料管以及抽拉式隔离板，通过隔离板的抽拉控制进入出料管的打印材料，从而实现同一喷头多材料打印，除了常见的ABS和PLA等线材，液体材料也可以通过该喷头进行打印。

（3）本发明提供的空压式熔融沉积型3D打印喷头，通过同一个出料管（喷嘴）进行打印，可确保打印精度不会因材料更换而造成误差；整体而言，该喷头结构简单，打印效率高，实用性强，便于制造安装，值得进行推广应用。

附图说明

图1是本发明空压式熔融沉积型3D打印喷头正视图；

图2是本发明空压式熔融沉积型3D打印喷头侧视图；

图3是沿图1中A-A方向的剖视图；

图4是沿图2中B-B方向的剖视图。

附图标记说明：1、喷头本体；2、进料管；3、熔融室；4、加热器；5、气室；6、第一出料管；7、第二出料管；8、隔离板；9、导气管。

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，空压式熔融沉积型3D打印喷头如图1-4所示，包括喷头本体1、进料管2、熔融室3、出料管、加热器4以及气室5。出料管包括第一出料管6和第二出料管7。

如图3-4所示，喷头本体1包括主体部和喷嘴部。主体部呈长方体形，主体部的下端面内凹形成具有螺纹的安装孔。喷嘴部由一体成型的连接段和喷嘴段组成，连接段与主体部的安装孔相适配并与安装孔螺纹连接；喷嘴段呈圆柱结构且其下端面向下延伸形成倒圆锥状结构。进料管2、熔融室3、加热器4、第一出料管6以及隔板均设置在喷头本体1主体部上。气室5、第二出料管7设置在喷嘴部上。

熔融室3设置在喷头本体1主体部的中间偏下位置。熔融室3整体呈圆柱状结构，其包括两个由隔板分割而成的半圆柱状熔融腔。熔融腔半圆底面的圆心处设置有出料口。对应每个熔融腔设置一根进料管2。

进料管2的内径与打印线材（固体）的直径相等，以保证在输入打印材料时保证装置的气密性。喷头本体1上开设有螺纹孔，进料管2具有外螺纹；进料管2通过螺纹与喷头本体的主体部固定连接，且其一端端部与熔融腔的侧壁连通，另一端端部伸出喷头本体1主体部的左侧壁或右侧壁。进料管2的中心轴线与熔融腔的中心轴线呈30°的夹角。第一出料管6的上端口与所有熔融腔的出料口相对应，其下端口与气室5的上端面连通。在喷头本体1主体部上于两个出料口与出料管上端口之间的位置，分别向喷头本体1的左侧壁和右侧壁沿水平方向延伸开设有两个槽口，在槽口中安装抽拉式隔离板8。

加热器4包括八根加热棒。于熔融室3的前后两侧分别布置四根加热棒，加热棒平行穿设在喷头本体1的主体部上，对熔融室3中的打印材料加热熔融。加热棒通过导线与外部供电电源连接（图中未示出）。

气室5位于喷头本体1喷嘴部的连接段中，包括呈中空圆柱状结构的气室部Ⅰ以及由气室部Ⅰ下端面边缘径向延伸而形成的呈中空圆环柱状结构的气室部Ⅱ。在本发明中，气室部Ⅰ的上端面未封闭，因此在喷头主体的喷嘴部与主体部螺纹连接后，气室部Ⅰ直接与第一出料管6连通。气室部Ⅱ上设置有导气管9，导气管9的端部位于喷头本体1外，导气管9外接气泵（图中未视出）。

第二出料管7包括一体成型的上料管段和下料管段，上料管段呈漏斗状结构。上料管段的上端口与气室部Ⅰ的下端面连通且与第一出料管6的下端口位置相对应，上料管段的上端口的直径大于第一出料管6下端口的直径，下料管段的下端口位于喷嘴段的顶端。

打印材料通过进料管2进入相应的熔融室3，并由加热器4加热熔融，抽拉对应的隔离板8，熔融的打印材料通过出料口经第一出料管6下流至第二出料管7。由导气管9向气室5中输入气体，气室5稳定后在气体的压力下将熔融的打印材料由出料管挤出。

以下对本实施例提供的空压式熔融沉积型3D打印喷头的工作过程进行说明：

通过现有进料机构经进料管2向熔融仓中输送打印材料（打印线材或液体材料），通过加热管加热（熔融）打印材料，抽拉相应隔离板8，半流状的打印材料通过出料口经第一出料管6下流至第二出料管7，由导气管9向气室5中输入气体，气室5稳定后在气体的压力下将熔融的打印材料由第二出料管7挤出实现3D打印。

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 (7)

1.一种空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：包括喷头本体（1）以及设置于喷头本体（1）内的进料管（2）、熔融室（3）、加热器（4）、气室（5）、出料管；

所述熔融室（3）设置在喷头本体（1）内中部，熔融室（3）包括若干沿轴向设置且相互隔离的熔融腔，对应每个熔融腔设置一根进料管（2），所述进料管（2）一端端部与熔融腔连通，另一端端部伸出喷头本体（1），熔融腔的底部开设有出料口；所述加热器（4）位于熔融室（3）的外侧用于对熔融室（3）中的打印材料加热熔融；

所述气室（5）包括呈中空圆柱状结构的气室部Ⅰ以及由气室部Ⅰ下端面边缘轴向延伸而形成的呈中空圆环柱状结构的气室部Ⅱ，气室部Ⅱ上设置有导气管（9）；所述出料管包括第一出料管（6）和第二出料管（7），第一出料管（6）的上端口与所有熔融腔的出料口相对应，其下端口与气室部Ⅰ的上端面连通，在喷头本体（1）上于每个出料口与第一出料管（6）上端口之间设置有抽拉式隔离板（8）；第二出料管（7）的上端口与气室部Ⅰ的下端面连通且与第一出料管（6）的下端口位置相对应，第二出料管（7）上端口的直径大于第一出料管（6）下端口的直径，第二出料管（7）的下端口位于喷头本体（1）的下端面；

打印材料通过进料管（2）进入相应的熔融腔，并由加热器（4）加热熔融，抽拉对应的隔离板（8），熔融的打印材料通过出料口经第一出料管（6）下流至第二出料管（7），由导气管（9）向气室（5）中输入气体，气室（5）稳定后在气体的压力下将熔融的打印材料由第二出料管（7）挤出。

2.根据权利要求1所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述喷头本体（1）包括主体部和喷嘴部，所述主体部呈长方体形，主体部的下端面内凹形成具有螺纹的安装孔；所述喷嘴部包括一体成型的连接段和喷嘴段，所述连接段与主体部的安装孔相适配并与安装孔螺纹连接，所述喷嘴段呈圆柱结构且其下端面向下延伸形成倒圆锥状结构；

所述进料管（2）、熔融室（3）、加热器（4）、第一出料管（6）以及隔离板均设置在主体部上，所述气室（5）、第二出料管（7）设置在喷嘴部上，所述第二出料管（7）的下端口位于喷嘴段的顶端。

3.根据权利要求1所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述第二出料管（7）包括一体成型的上料管段和下料管段，所述上料管段呈漏斗状结构。

4.根据权利要求1所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述加热器（4）包括若干根加热棒，所述加热棒平行穿设在喷头本体（1）上并位于熔融室（3）的两侧。

5.根据权利要求1-4任一所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述熔融腔数量为两个，熔融腔呈半圆柱结构。

6.根据权利要求1-4任一所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述进料管（2）的外表面设有螺纹，进料管（2）与喷头本体（1）螺纹连接。

7.根据权利要求1-4任一所述的空压式熔融沉积型3D打印喷头，其特征在于：所述进料管（2）的中心轴线与熔融室（3）的中心轴线呈30°~60°的夹角。

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