CN114506076A - 一种高频振动3d打印喷头 - Google Patents

一种高频振动3d打印喷头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频振动3D打印喷头，可用于提高FDM打印制件的层间结合度，增强制件力学性能。其特征在于包括：振动机构、传动机构和熔融挤出机构；所述振动机构包括压电促动器与微位移放大机构，振动机构通过负载连接块连接熔融挤出机构，通过压电促动器的高频振动与微位移放大机构的位移放大来达到振动喷头的效果；所述传动机构将挤出电机的转动传动到挤出轮上从而输送耗材至熔融挤出机构；所述熔融挤出机构将耗材熔化并挤出。本装置结构简单，通过高频振动提高打印件的层间结合度，从而增强打印件力学性能。

Description

一种高频振动3D打印喷头
技术领域
本发明涉及FDM3D打印机领域，具体涉及一种高频振动3D打印喷头。
背景技术
3D打印技术，也称增材制造，是第三次工业革命的重要标志之一，与人工智能、智能机器人并称推动数字化制造发展的三大关键技术。相较于传统减材制造和等材制造工艺，3D打印技术因无模制造、快速整体成型的优势，被广泛应用于航空航天、生物医疗、交通运输等领域。
其中FDM3D打印技术，由于其具有价格低、打印速度较高、对环境影响较小、技术难度较低、结构简单、维护成本低、原耗材利用率高、打印件强度较高、打印耗材最为丰富等特点，在整个3D打印市场占有较大市场比重，被广泛使用于汽车、航天、建筑等众多领域。FDM的原理是运用带有高温喷嘴的挤出机将打印耗材熔化并挤出，在3D打印机的控制系统及运动机构的控制下，挤出的耗材经过冷却、一层层堆叠起来，形成设计者想要的零件，正因为层层堆叠，所以层间结合度决定了零件 Z 轴的力学强度。而层与层之间的粘接力一般较小，这造成了传统FDM制件Z轴方向强度较低，制件存在明显的各向异性。因此一种能够提高FDM制件Z轴方向强度的高频振动喷头成为需要。
发明内容
为了提高FDM制件Z轴方向强度，本发明提供了一种高频振动3D打印喷头，打印效果好，结构紧凑且便于拆卸。
本发明的实现方式是：一种高频振动3D打印喷头，包括振动机构1、传动机构2和熔融挤出机构3，所述的振动机构1包括：压电促动器101与微位移放大机构102连接固定，所述微位移放大机构102通过螺栓连接固定在基块4上，所述压电促动器101连接压电陶瓷驱动电源，由压电陶瓷驱动电源驱动压电促动器101，从而达到喷头振动的效果；所述传动机构2包括：基块4搭载挤出电机201，所述挤出电机201与同步带轮主动轮202进行孔轴配合并用紧定螺钉固定，所述同步带轮主动轮202与同步带轮从动轮204由同步带203连接传动，所述同步带轮主动轮202和同步带轮从动轮204齿数相同，所述同步带轮从动轮204与同步带轮从动轮轴205进行孔轴配合并用紧定螺钉固定；所述熔融挤出机构3包括：挤出轮301与同步带轮从动轮轴205进行孔轴配合并用紧定螺钉固定，所述同步带轮从动轮轴205通过轴承固定在快插接口固定座302与快插接口固定座盖304上，所述快插接口固定座302与气动接头303进行螺纹配合，所述快插接口固定座302、快插接口固定座盖304与压簧拨块305进行孔轴配合，压簧拨块305可在快插接口固定座302、快插接口固定座盖304形成的方孔内进行一定范围的移动，惰轮306通过螺栓固定在压簧拨块305上，所述快插接口固定座302内部凸块与所述压簧拨块305之间放有预紧弹簧312进行预紧，使惰轮306与挤出轮301对耗材产生一定的压力，并可通过旋转预紧螺钉调节预紧弹簧的预紧力，从而改变惰轮306、挤出轮301与耗材之间的压力，所述快插接口固定座302、快插接口固定座盖304通过螺栓连接固定在导料块307上，所述导料块307与散热片308由负载连接块103固定在微位移放大机构102上，使得熔融挤出机构3与振动机构1连接，达到振动喷头的效果，散热片308与加热块310由喉管309连接固定，所述加热块310与喷嘴311进行螺纹配合，所述喷嘴311、加热块310、喉管309、散热片308、导料块307、快插接口固定座302、气动接头303的配合孔同轴心。气动接头303一般连接铁氟龙管来输送耗材，挤出轮301与惰轮306将耗材输送进导料块307、散热片308、喉管309，且在喉管309末端、加热块310、喷嘴311的加热下进行熔化，并从喷嘴进行挤出。打印时，压电陶瓷驱动电源将正弦波信号施加在压电促动器101两端，使压电促动器101产生与信号波同频率的振动，由于压电促动器101两端固定连接在微位移放大机构102的输入端，而微位移放大机构102的输出端通过负载连接块103与熔融挤出机构3连接，因此微位移放大机构102可对压电促动器101的振幅进行放大，并将振动传递至喷嘴311末端，从而实现振动打印。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.在喷头上创新地引入了高频振动。传统FDM打印技术普遍存在Z轴方向成型强度低、力学性能存在明显的各向异性的问题，极大地限制了FDM打印技术的工业化应用。高频振动3D打印喷头的引入，提升了喷嘴的挤出压力，增强层与层之间的结合力，从而改善FDM制件Z轴方向的成型强度。
2.本发明采用近程挤出方式，近程挤出可以提供较大的挤出力，考虑到PEEK等材料在熔融态时具有较高的粘度，所需的挤出力也较大，因此本发明采用近程挤出方式。
3.本发明采用同步带传动来将熔融挤出机构与挤出电机分开，大大降低了微位移放大机构和压电陶瓷的工作负载，提高了机构的响应速度及振动频率。
4.在低频振动时，喷头一边挤出熔融耗材，一边在运动机构的控制下移动并在Z轴作低频振动，使挤出耗材的成型成波浪形，扩大了层与层之间的接触面积，提高了层间结合力，从而提升制件Z轴成型强度。
在高频振动时，尤其是大于500HZ，喷头的高频振动能够提升喷嘴的挤出压力，增强层与层之间的结合力，从而提升制件Z轴成型强度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的振动机构示意图。
图3为本发明的传动机构示意图。
图4为本发明的熔融挤出机构示意图。
具体实施方式
一种高频振动3D打印喷头，包括振动机构1、传动机构2和熔融挤出机构3，所述的振动机构1包括：压电促动器101与微位移放大机构102连接固定，所述微位移放大机构102通过螺栓连接固定在基块4上，所述压电促动器101连接压电陶瓷驱动电源，由压电陶瓷驱动电源驱动压电促动器101，从而达到喷头振动的效果；所述传动机构2包括：基块4搭载挤出电机201，所述挤出电机201与同步带轮主动轮202进行孔轴配合并用紧定螺钉固定，所述同步带轮主动轮202与同步带轮从动轮204由同步带203连接传动，所述同步带轮主动轮202和同步带轮从动轮204齿数相同，所述同步带轮从动轮204与同步带轮从动轮轴205进行孔轴配合并用紧定螺钉固定；所述熔融挤出机构3包括：挤出轮301与同步带轮从动轮轴205进行孔轴配合并用紧定螺钉固定，所述同步带轮从动轮轴205通过轴承固定在快插接口固定座302与快插接口固定座盖304上，所述快插接口固定座302与气动接头303进行螺纹配合，所述快插接口固定座302、快插接口固定座盖304与压簧拨块305进行孔轴配合，压簧拨块305可在快插接口固定座302、快插接口固定座盖304形成的方孔内进行一定范围的移动，惰轮306通过螺栓固定在压簧拨块305上，所述快插接口固定座302内部凸块与所述压簧拨块305之间放有预紧弹簧312进行预紧，使惰轮306与挤出轮301对耗材产生一定的压力，并可通过旋转预紧螺钉调节预紧弹簧的预紧力，从而改变惰轮306、挤出轮301与耗材之间的压力，所述快插接口固定座302、快插接口固定座盖304通过螺栓连接固定在导料块307上，所述导料块307与散热片308由负载连接块103固定在微位移放大机构102上，使得熔融挤出机构3与振动机构1连接，达到振动喷头的效果，散热片308与加热块310由喉管309连接固定，所述加热块310与喷嘴311进行螺纹配合，所述喷嘴311、加热块310、喉管309、散热片308、导料块307、快插接口固定座302、气动接头303的配合孔同轴心。
打印工作开始时，打印耗材（PEEK、PEI、PA6、ABS、PLA等）通过气动接头303送入，挤出电机201通过同步带203带动挤出轮301转动，在挤出轮301与惰轮306的作用下，打印耗材经过导料块307、散热片308和喉管309送入加热块310加热到熔点后由喷嘴311挤出。喷头搭载于3D打印机运动机构上，打印时，运动机构的各轴由控制器控制下的相应步进电机驱动，从而实现打印。打印时，压电陶瓷驱动电源将正弦波信号施加在压电促动器101两端，使压电促动器101产生与信号波同频率的振动，由于压电促动器101两端固定连接在微位移放大机构102的输入端，而微位移放大机构102的输出端通过负载连接块103与熔融挤出机构3连接，因此微位移放大机构102可对压电促动器101的振幅进行放大，并将振动传递至喷嘴311末端，从而实现振动打印，通过改变驱动电源的信号波频率并测试记录制件的力学性能，可以找到最佳的振动频率。
经过实验，采用没有高频振动装置的3D打印喷头进行打印时，在成型过程中，由于没有对打印喷头进行高频振动，导致成型后的零件普遍存在层间结合不理想、孔隙多、各向异性明显等缺陷，难以满足使用性能要求。采用高频振动3D打印喷头进行打印，在成型过程中，其对打印喷头进行高频振动，并经过喷嘴挤压到打印平台，如此往复逐层打印后形成孔隙少，层间结合良好的高性能3D打印制件。通过拉伸试验发现，经过高频振动3D打印喷头打印的制件相比于普通FDM打印的制件其Z轴方向强度提升了约20%。

Claims (7)

1.一种高频振动3D打印喷头，包括振动机构（1）、传动机构（2）和熔融挤出机构（3），其特征在于：所述的振动机构（1）包括：压电促动器（101）连接固定在微位移放大机构（102）上，所述微位移放大机构（102）通过螺栓连接固定在基块（4）上；
所述传动机构（2）包括：挤出电机（201）搭载于基块（4）上，所述挤出电机（201）的电机轴与同步带轮主动轮（202）进行孔轴配合，所述同步带轮主动轮（202）与同步带轮从动轮（204）由同步带（203）连接传动，所述同步带轮从动轮（204）与同步带轮从动轮轴（205）进行孔轴配合；
所述熔融挤出机构（3）包括：挤出轮（301）与同步带轮从动轮轴（205）进行孔轴配合，所述同步带轮从动轮轴（205）通过轴承固定在快插接口固定座（302）与快插接口固定座盖（304）上，气动接头（303）通过螺纹配合固定在快插接口固定座（302）上，所述快插接口固定座（302）、快插接口固定座盖（304）与压簧拨块（305）进行孔轴配合，惰轮（306）通过螺栓连接固定在压簧拨块（305）上，所述快插接口固定座（302）、快插接口固定座盖（304）通过螺栓连接固定在导料块（307）上，散热片（308）与加热块（310）由喉管（309）连接固定，所述加热块（310）与喷嘴（311）进行螺纹配合。
2.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述导料块（307）与散热片（308）通过负载连接块（103）固定在微位移放大机构（102）上，使得熔融挤出机构（3）与振动机构（1）连接，达到振动喷头的目的。
3.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述喷嘴（311）、加热块（310）、喉管（309）、散热片（308）、导料块（307）、快插接口固定座（302）、气动接头（303）的配合孔同轴心。
4.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述同步带轮主动轮（202）与所述同步带轮从动轮（204）的齿数相同。
5.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述同步带轮主动轮（202）与所述挤出电机（201）的电机轴进行孔轴配合后，需要用紧定螺钉固定；所述同步带轮从动轮（204）与所述同步带轮从动轮轴（205）进行孔轴配合后，需要用紧定螺钉固定；所述挤出轮（301）与所述同步带轮从动轮轴（205）进行孔轴配合后，需要用紧定螺钉固定。
6.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述快插接口固定座（302）的内部凸块与所述压簧拨块（305）之间装有预紧弹簧（312）来进行预紧，并可通过旋转预紧螺钉调节预紧弹簧（312）的预紧力。
7.根据权利要求1所述的一种高频振动3D打印喷头，所述压电促动器（101）连接压电陶瓷驱动电源，由压电陶瓷驱动电源驱动压电促动器（101），从而产生振动喷头的效果。
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