CN114834040B - 一种针对直写式3d打印的自动化墨水保护套筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒。保护套筒包括套筒内壳、套筒外壳、环形密封滑块；套筒外壳与套筒内壳由外向内同轴套装形成环形密闭腔体；套筒外壳的锥形结构与套筒内壳的锥形结构形成空隙；环形密闭腔体内的底部设置有S型子腔体，环形密封滑块在S型子腔体内上下滑动，带动密封保护液体分别在打印时和打印间歇时缩回和挤出，保证不影响正常打印的情况下，在打印间歇时隔绝打印墨水与外界接触，对打印墨水起到保护作用。本发明结构简单、安装方便、能够自动运行，且不影响正常打印，能够对打印墨水起到保护作用，减少堵头现象的发生，节省材料，从而能够提高整个打印系统的功能性和集成度。

Description

一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒

技术领域

本发明涉及了墨水直写式3D打印领域的一种墨水保护套筒，尤其涉及一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒。

背景技术

近些年，随着3D打印技术的兴起，越来越多的材料可以通过这项技术进行复杂结构的成形制造。在众多3D打印技术中，墨水直写式3D打印技术具有成本低、灵活性高、制造范围大等优点，受到了大家的广泛关注。墨水直写式3D打印技术将具有剪切变稀性能的打印墨水通过打印针头挤出，沿着预定好的打印路线层层堆积，实现复杂模型的制备。随着学者们的不断深入研究，含有生物材料、陶瓷材料、有机高分子材料等一系列打印墨水被成功研制出来，制备出的产品在医学、催化、航空航天领域有广泛的应用前景。

随着墨水直写式3D打印技术的发展，打印墨水中材料种类的不断增加，这其中有很多材料具有高挥发性，含有这种材料的打印墨水在打印针头处与空气接触时，极易挥发，从而导致材料性能的改变；在打印间歇时，打印针头处墨水的挥发还会导致打印针头出现堵头现象，这时需要重新更换打印针头，造成材料与时间成本上的浪费；还有部分材料在与空气接触时会发生性质变化，也会影响墨水的打印性能。因此在打印间歇时，保护墨水避免其与空气接触，减少材料性能变化，提高墨水的保存时间显得尤为重要。

中国发明专利(申请号201610886241.X)公开了一种密封装置及装有该密封装置的三维打印机及其打印方法，密封装置包括底座、与底座形成密闭腔体的柔性密封罩以及工作台，实现在打印过程中与空气的阻隔。但该装置主要应用于金属材料3D打印技术中，且装置结构复杂，体积庞大，使得制造与安装成本较高。

中国发明专利(申请号201610128215.0)公开了一种注射器针头保护装置，装置内部含有连杆、密封板、多个弹簧、旋转销、两个限位孔和一个定位球，通过定位球的移动实现针头的伸出和缩回动作，实现对针头的保护。该保护装置结构复杂，安装困难，在使用过程中，需要手动按压旋转销才能够运行，且未能完全阻绝针头与空气的接触。

在以公开的发明专利中，尚未发现针对墨水直写式3D打印技术中墨水材料的保护装置。墨水材料的保护装置能够在打印间歇时避免材料与外界接触，从而避免材料性质的改变，保证打印精度并减少成本损耗，因此有必要设计一种自动化的直写式3D打印的墨水保护套筒装置。

发明内容

针对墨水直写式3D打印中部分打印墨水不能长时间接触空气、已发生堵头等问题，本发明的目的在于提供一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒。通过打印过程中的挤出气压的变化，实现密封保护液体的自动挤出和缩回，从而在不影响正常打印过程的前提下，阻隔打印墨水与外部空气，实现对打印墨水的保护，提高其放置时间。

本发明采用的技术方案是：

所述保护套筒包括套筒内壳、套筒外壳和环形密封滑块；所述套筒内壳上部间隔开设有多个气体导流孔，所述套筒外壳与套筒内壳由外向内同轴套装，所述套筒外壳与套筒内壳之间形成环形密闭腔体；所述套筒外壳与套筒内壳底端均连接有一个锥形结构，所述套筒外壳的锥形结构与套筒内壳的锥形结构形成空隙；

所述环形密闭腔体内的底部设置有一个S型子腔体，所述S型子腔体的两端开口，所述S型子腔体的一端开口向下与环形密闭腔体连通，所述S型子腔体的另一端与空隙连通，所述环形密封滑块设置在S型子腔体内，使得S型子腔体通过环形密封滑块同时分别与环形密闭腔体、空隙相对封闭，所述环形密封滑块与S型子腔体的内壁滑动连接；所述保护套筒套装在待套装3D打印机上，所述空隙内填充有密封保护液体，所述子腔体内填充有空气，压缩气体通过气体导流孔在所述环形密闭腔体与待套装3D打印机内往返流动，所述环形密封滑块分别与空隙内的密封保护液体、环形密闭腔体内的压缩气体接触连接。

所述S型子腔体主要由第一锁定套环和第二锁定套环形成；所述第一锁定套环是由L型截面形成的环形套环，所述第二锁定套环是由条型截面形成的环形套环，所述第二锁定套环和第一锁定套环由内向外同轴间隔套装在套筒内壳外侧，形成S型通道，使得流体从空隙经S型通道流向环形密闭腔体，所述S型通道即所述的S型子腔体。

所述待套装3D打印机主要由打印针筒、活塞和打印针头组成，所述打印针筒上部间隔开设有多个与气体导流孔相同的通孔，所述活塞设置在打印针筒内，所述活塞与打印针筒内壁滑动连接，所述打印针头固定安装在打印针筒底端，所述打印针筒内在活塞下方填装有打印墨水。

所述套筒外壳与套筒内壳之间通过卡扣或密封胶进行密封连接。

所述锥形结构均与待套装3D打印机的打印针头适配。

所述套筒内壳与待套装3D打印机的打印针筒过盈配合。

所述密封保护液体与待套装3D打印机的打印原料不互溶，且密封保护液体具有粘度，所述密封保护液体为矿油、硅油、机油或者液体橡胶。

所述环形密封滑块竖切横截面的形状为倒L形。

本发明具有的有益效果是：

1.防止打印针头发生堵头现象。一些打印墨水中含有易挥发溶剂，如丙酮、甲苯等。当针尖处的打印墨水与空气接触时，这些溶剂极易挥发，导致溶解在溶剂中的物质析出，从而堵塞打印针头，导致无法正常打印；本发明中的密封保护液体能够在打印间隔时自动挤出并包裹在打印针头底部，避免了易挥发溶剂与空气的接触，从而减缓了挥发速率，有效防止打印针头处出现堵头现象。

2.防止打印墨水性能发生变化。当打印结束时，包裹在打印针头底部的密封保护液体与顶部的活塞将打印墨水密封在打印料筒和打印针头中，避免了其与外界的接触，从而防止了打印墨水流变性能、内部成分等参数的改变，进而提高了打印墨水的保存时长。

3.对打印墨水实现自动化保护。环形密封滑块能够随着挤出气压的变化实现自动的上下移动，带动底部的密封保护液体实现挤出保护和缩回打印的动作，整个过程不需要人工操作，在实现对打印墨水保护的同时，并未使操作过程变得更为复杂，能够提高整个打印系统的集成度和功能性。

4.对打印针头及打印原料的通用性强。市场上现有的打印针头长度一般是固定的，因此该墨水保护套筒可以适用于多种打印针头，针头直径范围为0.10～1.50mm，这一范围能够覆盖到绝大多数打印墨水的打印要求；同时密封保护液体可以随时更换为适合于待打印墨水的材料，因此该装置对于打印针头以及打印原料具有很强的通用性，能够适用于多种领域的打印需求。

附图说明

图1是本发明的正视断面示意图；

图2是本发明打印开始阶段的工作示意图；

图3本发明打印结束阶段的工作示意图；

图4是本发明的左右二等角轴测图；

图5是本发明套筒内壳的左二等角轴测图；

图6是本发明套筒外壳的右二等角轴测图；

图7是本发明环形密封滑块的左右二等角轴测图。

图中：1、套筒内壳；2、套筒外壳；3、打印针筒；4、活塞；5、环形密封滑块；6、打印针头；7、打印墨水；8、密封保护液体；9、气体导流孔；10、空隙；11、第一锁定套环；12、第二锁定套环；13、S型子腔体；14、环形密闭腔体。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本保护套筒包括套筒内壳1、套筒外壳2、环形密封滑块5；套筒内壳1上部间隔开设有多个气体导流孔9，套筒内壳1通过气体导流孔9与待套装3D打印机连通，套筒外壳2与套筒内壳1由外向内同轴套装，套筒外壳2与套筒内壳1之间形成环形密闭腔体14。

如图5和图6所示，套筒外壳2与套筒内壳1底端均连接有一个锥形结构，套筒外壳2的锥形结构与套筒内壳1的锥形结构形成空隙10。

环形密闭腔体14内的底部设置有一个S型子腔体13，S型子腔体13的两端开口，S型子腔体13的一端开口向下与环形密闭腔体14连通，S型子腔体13的另一端与空隙10连通，环形密封滑块5设置在S型子腔体13内，使得S型子腔体13通过环形密封滑块5同时分别与环形密闭腔体14、空隙10相对封闭，环形密封滑块5在压力及重力作用下与S型子腔体13的内壁滑动连接。

保护套筒套装在待套装3D打印机上，空隙10内填充有密封保护液体8，子腔体13内填充有空气，压缩气体通过气体导流孔9在环形密闭腔体14与待套装3D打印机内往返流动，环形密封滑块5分别与空隙10内的密封保护液体8、环形密闭腔体14内的压缩气体接触连接。

S型子腔体13主要由第一锁定套环11和第二锁定套环12形成；第一锁定套环11是由L型截面形成的环形套环，第二锁定套环12是由条型截面形成的环形套环，第二锁定套环12和第一锁定套环11由内向外同轴间隔套装在套筒内壳1外侧，形成S型通道，使得流体从空隙10经S型通道流向环形密闭腔体14，S型通道即S型子腔体13。

具体的，第一锁定套环11设置在环形密闭腔体14内的底部，第二锁定套环12间隔设置在第一锁定套环11中下部，且第二锁定套环12的底端正好密封连接到套筒外壳2内部底端，第二锁定套环12和第一锁定套环11由内向外同轴间隔套装在套筒内壳1外侧，第一锁定套环11的底端与套筒外壳2内部底端不接触，第二锁定套环12的顶端与第一锁定套环11不接触，环形密封滑块5在S型子腔体13内同时与第一锁定套环11和第二锁定套环12滑动连接。

待套装3D打印机主要由打印针筒3、活塞4和打印针头6组成，打印针筒3上部间隔开设有多个与气体导流孔9相同的通孔，待套装3D打印机上的多个通孔与套筒内壳1上的多个气体导流孔9一一对应配合，实现待套装3D打印机内部气体与套筒环形密闭腔体14内气体的连通。活塞4设置在打印针筒3内，活塞4与打印针筒3内壁滑动连接，打印针头6固定安装在打印针筒3底端，打印针筒3内在活塞4下方填装有打印墨水7。

套筒外壳2与套筒内壳1之间通过卡扣或密封胶进行密封连接。

锥形结构均与待套装3D打印机的打印针头6适配，使得保护套筒的锥形结构正好与待套装3D打印机的打印针头6配合套装。

套筒内壳1与待套装3D打印机的打印针筒3过盈配合，实现卡紧密封。

密封保护液体8与待套装3D打印机的打印原料不互溶，且密封保护液体8具有粘度，密封保护液体8为矿油、硅油、机油或者液体橡胶。

如图7所示，环形密封滑块5竖切横截面的形状为倒L形。

本自动化墨水保护套筒的工作原理为：

如图2所示，在打印开始阶段，打印针筒3内部气压增大，推动活塞4挤出打印墨水7实现打印；同时，由于气体导流孔9的连通作用，套筒内部气压与打印针筒3内部气压相同，并作用于环形密封滑块5底部；此时环形密封滑块5底部压力远大于环形密封滑块5顶部压力，使得环形密封滑块5在S型子腔体13内向上运动到平衡位置，并使得包裹在打印针头6底部出口端的密封保护液体8吸入空隙10内，使得打印针头6底部出口端无密封保护液体8，以保证打印墨水7的正常挤出。

如图3所示，在打印结束阶段，打印针筒3和套筒内部的气压恢复到正常大气压的值，活塞4静止，打印墨水7停止挤出。此时环形密封滑块5位于S型子腔体13上部，S型子腔体13内的压力远大于正常大气压的值，再加重力的作用，使得环形密封滑块5在S型子腔体13内向下移动，实现自动复位，并推动密封保护液体8挤出并包裹打印针头6底部出口端，阻绝打印墨水7与空气接触，实现对打印墨水的保护作用。

如图4所示，墨水保护套筒位于打印针筒3和打印针头6外围，对打印针筒3与气压传输连接件的连接以及打印针头6的正常挤出没有影响，同时也不会对打印过程中的其他操作带来不便影响。

具体的，待套装3D打印机打印针筒3的容量范围为3～50CC，待套装3D打印机打印针头6的直径范围为0.10～1.50mm。

保护套筒使用方法具体包括以下过程：

准备阶段：

首先将打印墨水7装入待套装3D打印机中，再将保护套筒套装在待套装3D打印机上，调整套筒使得待套装3D打印机上的多个通孔与套筒内壳1上的多个气体导流孔9一一对应配合，实现待套装3D打印机内部气体和保护套筒环形密闭腔体14内气体的连通；此时，环形密封滑块5位于S型子腔体13底部。

然后，采用细针管将密封保护液体8注入到套筒的空隙10内，使得密封保护液体8包裹住待套装3D打印机打印针头6的底部出口端。

打印阶段：

首先将压缩气体通入待套装3D打印机打印针筒3内，压缩气体的一部分流通到待套装3D打印机活塞4处，挤压活塞4进而将打印墨水7挤出；压缩气体的另一部分通过气体导流孔9流通到环形密闭腔体14内；在环形密闭腔体14内，压缩气体作用在环形密封滑块5的底面，使得环形密封滑块5在S型子腔体13中沿远离保护套筒锥形结构的方向移动一定距离后静止；在环形密封滑块5移动过程中，包裹在待套装3D打印机打印针头底部出口端的密封保护液体8回流入保护套筒的空隙10内，使得打印墨水7被正常挤出，保证直写式3D打印的正常打印。

打印间歇阶段：

打印结束时，先释放出待套装3D打印机及套筒内的压缩气体，待套装3D打印机及保护套筒内的气压恢复至外界大气压时，活塞静止，打印墨水停止挤出，此时作用在环形密封滑块5底面的压力变小，环形密封滑块5在重力作用下移动至初始位置；在环形密封滑块5移动过程中，保护套筒空隙10内的密封保护液体8被挤出，再次包裹住待套装3D打印机打印针头6的底部出口端，阻止待套装3D打印机内的打印墨水7与外界接触，从而对打印墨水7起到保护作用。

本发明一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，通过采用密封保护液体8包覆在打印针头6底部的方法，避免了打印墨水7与外界的接触，对打印墨水7起到一定的保护作用，从而避免了由于打印墨水7溶剂挥发、与空气接触发生反应造成的打印针头6堵头以及打印原料性能改变等一系列问题；通过结构设计，使得密封保护液体8能够随着打印状态的变化实现自动化的挤出保护和缩回打印动作，在增加整个打印系统功能性的同时，没有使得操作过程更为复杂；墨水保护套筒位于打印针筒外围，装置整体体积较小，对打印过程中的其他操作没有带来影响的同时，能够提升打印墨水7的保存时长，从而提高打印效率，减少打印原料的浪费。

Claims (7)

1.一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述保护套筒包括套筒内壳(1)、套筒外壳(2)和环形密封滑块(5)；所述套筒内壳(1)上部间隔开设有多个气体导流孔(9)，所述套筒外壳(2)与套筒内壳(1)由外向内同轴套装，所述套筒外壳(2)与套筒内壳(1)之间形成环形密闭腔体(14)；所述套筒外壳(2)与套筒内壳(1)底端均连接有一个锥形结构，所述套筒外壳(2)的锥形结构与套筒内壳(1)的锥形结构形成空隙(10)；

所述环形密闭腔体(14)内的底部设置有一个S型子腔体(13)，所述S型子腔体(13)的两端开口，所述S型子腔体(13)的一端开口向下与环形密闭腔体(14)连通，所述S型子腔体(13)的另一端与空隙(10)连通，所述环形密封滑块(5)设置在S型子腔体(13)内，使得S型子腔体(13)通过环形密封滑块(5)同时分别与环形密闭腔体(14)、空隙(10)相对封闭，所述环形密封滑块(5)与S型子腔体(13)的内壁滑动连接；所述保护套筒套装在待套装3D打印机上，所述空隙(10)内填充有密封保护液体(8)，所述S型子腔体(13)内填充有空气，压缩气体通过气体导流孔(9)在所述环形密闭腔体(14)与待套装3D打印机内往返流动，所述环形密封滑块(5)分别与空隙(10)内的密封保护液体(8)、环形密闭腔体(14)内的压缩气体接触连接；

所述待套装3D打印机主要由打印针筒(3)、活塞(4)和打印针头(6)组成，所述打印针筒(3)上部间隔开设有多个与气体导流孔(9)相同的通孔，所述活塞(4)设置在打印针筒(3)内，所述活塞(4)与打印针筒(3)内壁滑动连接，所述打印针头(6)固定安装在打印针筒(3)底端，所述打印针筒(3)内在活塞(4)下方填装有打印墨水(7)。

2.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述S型子腔体(13)主要由第一锁定套环(11)和第二锁定套环(12)形成；所述第一锁定套环(11)是由L型截面形成的环形套环，所述第二锁定套环(12)是由条型截面形成的环形套环，所述第二锁定套环(12)和第一锁定套环(11)由内向外同轴间隔套装在套筒内壳(1)外侧，形成S型通道，使得流体从空隙(10)经S型通道流向环形密闭腔体(14)，所述S型通道即所述的S型子腔体(13)。

3.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述套筒外壳(2)与套筒内壳(1)之间通过卡扣或密封胶进行密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述锥形结构均与待套装3D打印机的打印针头(6)适配。

5.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述套筒内壳(1)与待套装3D打印机的打印针筒(3)过盈配合。

6.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述密封保护液体(8)与待套装3D打印机的打印原料不互溶，且密封保护液体(8)具有粘度，所述密封保护液体(8)为矿油、硅油、机油或者液体橡胶。

7.根据权利要求1所述的一种针对直写式3D打印的自动化墨水保护套筒，其特征在于：所述环形密封滑块(5)竖切横截面的形状为倒L形。

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