CN117416041A - 一种多模式3d打印机头及应用其的协同打印方法 - Google Patents

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CN117416041A CN202311363276.1A CN202311363276A CN117416041A CN 117416041 A CN117416041 A CN 117416041A CN 202311363276 A CN202311363276 A CN 202311363276A CN 117416041 A CN117416041 A CN 117416041A
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桑胜波
康日晖
菅傲群
郝润芳
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Taiyuan University of Technology
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Abstract

一种多模式3D打印机头，包括机头主体，所述机头主体设置有竖直的挤出孔，且挤出孔的上方设置有进料机构，下方设置有加热机构；所述机头主体沿挤出孔中心轴线周向设置有多个液滴喷射孔；所述机头主体还设置有多个与液滴喷射孔连通的液滴添加孔和辅助侧孔；所述液滴添加孔连通有液滴添加管用于添加液滴；所述辅助侧孔连接有喷射辅助件；所述喷射辅助件能够截断液滴添加孔进入液滴喷射孔的液滴，也能够在预设位置下实现对液滴喷射孔的加压喷射。且区别于现有结构的设置方式，本装置能够在挤出成型式打印和液滴喷射式打印状态间切换。因此不需频繁根据材料进行机头位置的大范围调节，且针对此，还设置了一种协同打印方法，用于完成复合材料打印。

Description

一种多模式3D打印机头及应用其的协同打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，具体为一种多模式3D打印机头及应用其的协同打印方法。
背景技术
3D打印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型材材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
然而，由于型材材料性质不同，现有3D打印机针对不同型材材料对于出料方式的需求，主要分为挤出成型式或液滴喷射式，这就导致3D打印机需要设置对应的多个3D打印机头用于打印复合型材料时，在运行打印程序时，需要更换不同的打印喷头，因此需要频繁对3D打印机头位置进行调节，以能够使用对应的材料，极大影响打印效率。
发明内容
为解决上述打印复合材料需要设置多个机头频繁调节位置，影响打印效率的问题，本发明提供了一种多模式3D打印机头及应用其的协同打印方法。
本发明技术方案如下：
一种多模式3D打印机头，包括机头主体，所述机头主体设置有竖直的挤出孔，且挤出孔的上方设置有进料机构，下方设置有加热机构；
所述机头主体沿挤出孔中心轴线周向设置有多个液滴喷射孔；
所述液滴喷射孔下端向挤出孔一端倾斜设置，且多个液滴喷射孔的下端与挤出孔的下端平齐；
所述液滴喷射孔设置偶数个，且关于挤出孔两两对称设置；
多个所述液滴喷射孔中心轴线所在直线存在一个交点，且所述交点位于挤出孔的正下方；
所述机头主体还设置有多个与液滴喷射孔连通的液滴添加孔和辅助侧孔；
所述液滴添加孔内径大于液滴喷射孔，且远离液滴喷射孔的一端连通有液滴添加管；
所述辅助侧孔垂直于液滴添加孔设置，且可拆卸连接有喷射辅助件；
所述喷射辅助件包括与辅助侧孔固定的套筒，所述套筒内设置有能够移动的移动块，所述移动块外表面与套筒内壁周向紧贴，且靠近辅助侧孔的一端能够截断液滴添加孔；
所述移动块还设置有辅助喷孔，所述辅助喷孔两个开口分别朝向液滴喷射孔和背离辅助侧孔设置；
所述套筒远离辅助侧孔的一端连接有气管，且设置有感应线圈。
区别于现有结构的设置方式，本装置能够通过进料机构配合挤出孔对部分材料进行挤出成型式打印，并且，还能够通过喷射辅助件配合液滴喷射孔完成其他材料的液滴喷射式打印，且只需要移动机头主体的高度即可完成调节过程，因此打印效率相比于现有结构更高。
为了实现对液滴添加孔内液滴的催动，所述辅助喷孔能够在移动块截断液滴添加孔时与液滴喷射孔连通。由于辅助喷孔的一端连通气管，因此在气管加压时，气流能够自辅助喷孔的另一个开口处喷出。
为了提升喷气气压，所述辅助喷孔的内径大于液滴喷射孔，且靠近液滴喷射孔的开口为喇叭口。喇叭口的设置能够避免液滴在喷射时出现液滴回流的现象。
为了实现对液滴的汇集及防止液滴的堆积，所述液滴添加孔与液滴喷射孔的连接段为锥形段。液滴能够随气流进入液滴喷射孔进而被喷出。
为了避免液滴进入喷射辅助件的套筒内，所述液滴添加孔直径大于液滴喷射孔直径，所述锥形段的倾斜角度为0°—45°。在液滴从液滴添加孔加入后，能够准确进入液滴喷射孔。
为了避免移动块影响液滴进入液滴喷射孔的添加量，所述感应线圈能够在通电后吸附所述移动块，且吸附后的移动块能够远离所述液滴添加孔。
用于安装上述加热机构的具体方式为，所述机头主体远离进料机构的一侧设置有环槽，所述环槽位于挤出孔与液滴喷射孔之间，且设置有加热机构。
上述进料机构的具体结构为，所述进料机构包括与机头主体可拆卸连接的连接架，所述连接架在挤出孔的上方相对设置有用于运输竖直型材的驱动轮和从动轮，且从动轮相对于驱动轮的间距能够调节。
上述喷射辅助件的具体结构为，所述喷射辅助件包括圆柱体的套筒，且套筒沿长度方向设置有矩形孔，所述矩形孔的宽度与液体添加孔的直径长度相同，所述移动块能够在矩形孔内移动，且移动块包括矩形段和半圆段，所述矩形段与矩形孔周向紧贴，所述半圆段的直径与矩形孔的宽度相同，半圆段能够从侧面插入液体添加孔并截断所述液滴添加孔。其中，矩形段的设计能够避免在移动过程中出现转动，确保辅助喷孔的出口竖直向下，为液体喷射孔提供气动力，将液滴喷出，而半圆段能够截断液滴添加孔，避免液滴返流。
一种多模式3D打印机头协同打印方法，使用上述的一种多模式3D打印机头，且包括以下步骤：
S1、软件虚拟打印平台获取要打印的三维模型和型材材料；
S2、软件进行三维模型切片获得模型的待打印切片；
S3、软件通过打印型材材料数量和三维模型尺寸进行整体规划，获得液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，并输送至控制器；
S4、控制器依次运行液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，且液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段间设置补偿程序；
S5、完成打印工作。
通过设置补偿程序，能够避免液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段打印位置出现错位。
上述补偿程序的实现方式为，所述补偿程序包括高度调节程序，且高度调节程序的调节高度尺寸与挤出孔下端与多个液滴喷射孔交点的间距尺寸相同。本装置只需要根据具体的打印位置高度差值进行调节，即可保证打印位置的同步，且调节幅度不需要进行计算，打印效率极高。
本发明的有益效果在于：本发明为一种多模式3D打印机头及应用其的协同打印方法，区别于现有结构，仅需要设置一个3D打印机头即可完成复合材料的打印，且根据实际型材，能够在挤出成型式和液滴喷射式打印方式间切换，并且，上述打印方式的不同，仅需要将3D打印机头调节对应的预设高度即可，并且，上述结构在使用时，能够根据需求调节感应线圈的磁力或者气管的气压压力，进而能够实现对液滴添加量的控制，能够显著提升打印效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明部分结构截面结构示意图(液滴添加状态)；
图2为本发明部分结构截面结构示意图(液滴喷射状态)；
图3为本发明机头主体截面结构示意图；
图4为本发明喷射辅助件截面结构示意图(液滴添加状态)；
图5为本发明喷射辅助件截面结构示意图(液滴喷射状态)；
图6为本发明俯视结构示意图；
图7为本发明仰视结构示意图；
图8为本发明机头主体结构示意图；
图9为本发明结构示意图；
图中各附图标记所代表的组件为：
1、机头主体；11、挤出孔；12、液滴添加孔；13、液滴喷射孔；14、辅助侧孔；15、环槽；2、喷射辅助件；21、套筒；22、感应线圈；23、移动块；24、辅助喷孔；25、喇叭口；3、连通件；4、气管；5、液滴添加座；6、液滴添加管；7、进料机构；71、连接架；72、驱动轮；73、从动轮；8、型材。
具体实施方式
如图9所示的一种多模式3D打印机头，包括如图3、8所示的机头主体1，所述机头主体1设置有竖直的挤出孔11，且挤出孔11设置在机头主体1的中心位置，只需要将型材8加入挤出孔11并将型材8加热融化后，即可从挤出孔11下端开孔进行出料，只需要设置对应的降温结构，即可对融化后的型材8进行定型，实现挤出成型式打印。
针对于此，具体的设计方式为，如图9所示，挤出孔11的上方设置有进料机构7，且上述进料机构7的具体结构为，所述进料机构7包括与机头主体1可拆卸连接的连接架71，且连接方式为所述机头主体1的顶端设置为外螺纹，所述连接架71设置内螺纹，通过内外螺纹的配合，即可实现固定，之后，所述连接架71在挤出孔11的上方相对设置有用于运输竖直型材8的驱动轮72和从动轮73，且从动轮73相对于驱动轮72的间距能够调节，能够根据型材8的直径进行调节，且从动轮73能够将行型材8加紧，并且向下运输型材8，通过持续将型材8加入挤出孔11，即可实现出料。
并且上述结构设置加热机构的方式为，所述机头主体1远离进料机构7的一侧设置有环槽15，所述环槽15位于挤出孔11与液滴喷射孔13之间，且设置有加热机构，所述加热机构为加热丝，且加热丝为环形设置，并且埋入环槽15内，保温效果较好，且上述环槽15的设置位置能够同时对液滴进行加热，如果有需求的话。
为了在同一个机头实现液滴喷射式打印，如图1、2、6、7所示，所述机头主体1沿挤出孔11中心轴线周向设置有多个液滴喷射孔13。
需要注意的是，所述液滴喷射孔13下端向挤出孔11一端倾斜设置，倾斜设置的目的在于将液滴喷射而出时，能够将液滴喷射至挤出孔11的下方，并且为了避免移动过程中，出现碰撞打印后结构的问题，多个液滴喷射孔13的下端与挤出孔11的下端平齐，因此在正常进行挤出成型式打印程序的同时，能够避免液滴喷射孔13的影响。
且上述结构中，上述液滴喷射孔13需要通过气流将液滴喷出，而为了避免液滴被喷射至脱离预设位置的地方，所述液滴喷射孔13设置偶数个，且关于挤出孔11两两对称设置，通过气流的相互作用，能够将液滴准确喷射至预设位置，并且打印成型。
为了对上述预设位置准确进行定位，在上述结构基础上，进一步地，多个所述液滴喷射孔13中心轴线所在直线存在一个交点，且所述交点位于挤出孔11的正下方，并且在挤出孔11中心轴所在直线上，因此喷射位置与挤出孔11的挤出位置仅在竖直方向上存在差异，而横向和纵向均没有区别，使用时，只需要调节机头主体1的高度即可。
且具体方式为，当从挤出成型式打印程序切换至液滴喷射式打印程序时，上述机头主体1需要抬升高度，且抬升高度的尺寸为挤出孔11下端开口与交点的间距尺寸，反之，当液滴喷射式打印程序切换至挤出成型式打印程序时，则需要将机头主体1的高度降低，且上述高度降低的尺寸与上述提升高度的尺寸相同。
仅通过上述液滴喷射孔13无法完成对液滴的喷射，还需设置液滴添加结构和喷气机构，且具体方式为，所述机头主体1还设置有多个与液滴喷射孔13连通的液滴添加孔12和辅助侧孔14。
其中，所述液滴添加孔12内径大于液滴喷射孔13，进而能够完成液滴正常的添加，且在上述结构基础上，才能够连接喷气机构用于驱动喷射，并且，为了实现液滴添加，所述液滴添加孔12远离液滴喷射孔13的一端连通有液滴添加管6，并且，为了实现定量添加，所述液滴添加管6与液滴添加孔12间还设置有液滴添加座5。
实现上述液滴的添加后，即可进行喷气机构的设计，且具体方式为，所述辅助侧孔14垂直于液滴添加孔12设置，且可拆卸连接有喷射辅助件2，喷射辅助件2在连接后，同样能够垂直于液滴添加孔12。
且如图4、5所示，所述喷射辅助件2包括与辅助侧孔14固定的套筒21，所述套筒21为圆筒结构，且所述套筒21内设置有能够移动的移动块23，所述移动块23移动后，能够用于截断上述液滴添加孔12，且为了避免液滴从缝隙处泄露，所述移动块23外表面与套筒21内壁周向紧贴，确保相互之间的密封连接，不会产生液滴或者气体的泄漏，且为了在截断上述液滴添加孔12后，还需要对液滴喷射孔13内液滴的驱动喷射，为此，所述移动块23还设置有辅助喷孔24，所述辅助喷孔24两个开口分别朝向液滴喷射孔13和背离辅助侧孔14设置，气流能够自两个开口间穿过。
需要注意的是，上述喷射辅助件2的具体结构为，所述喷射辅助件2包括圆柱体的套筒21，且套筒21沿长度方向设置有矩形孔，所述矩形孔的宽度与液体添加孔的直径长度相同，所述移动块23能够在矩形孔内移动，且移动块23包括矩形段和半圆段，所述矩形段与矩形孔周向紧贴，所述半圆段的直径与矩形孔的宽度相同，半圆段能够从侧面插入液体添加孔并截断所述液滴添加孔12。其中，矩形段的设计能够避免在移动过程中出现转动，确保辅助喷孔24的出口竖直向下，为液体喷射孔提供气动力，将液滴喷出，而半圆段能够截断液滴添加孔12，避免液滴返流。
为了实现喷气驱动，如图9所示，为了实现对液滴添加孔12内液滴的催动，所述辅助喷孔24能够在移动块23截断液滴添加孔12时与液滴喷射孔13连通。由于辅助喷孔24的一端连通气管4，因此在气管4加压时，气流能够自辅助喷孔24的另一个开口处喷出。
且具体实现方式为，所述套筒21远离辅助侧孔14的一端连接有气管4，气管4远离套筒21的一端连接有空压机，用于提供喷射动力，使用时，当空压机的气流进入套筒21后，当辅助侧孔14朝向液滴喷射孔13的开口被套筒21遮挡后，气流能够推动移动块23移动，且移动后，能够抵触液滴添加孔12的表面，将其截断，而此时，所述辅助侧孔14背离辅助侧孔14设置的开口则能够与液滴喷射孔13连通，气流自一端开口进入后，由此开口排除即可实现喷气，且喷气过程中，能够将液滴携带而出，实现液滴喷射式打印。
之后，为了实现后续过程中液滴的添加，所述套筒21远离液滴添加孔12的一端设置有感应线圈22，所述感应线圈22能够在通电后吸附所述移动块23，且吸附后的移动块23能够远离所述液滴添加孔12。进而液滴能够从液滴添加孔12流入液滴喷射孔13，通过上述状态的切换，即可实现周期式液滴喷射式打印。
通过上述结构即可实现，区别于现有结构的设置方式，本装置能够通过进料机构7配合挤出孔11对部分材料进行挤出成型式打印，并且，还能够通过喷射辅助件2配合液滴喷射孔13完成其他材料的液滴喷射式打印，且只需要移动机头主体1的高度即可完成调节过程，因此打印效率相比于现有结构更高。
之后，除上述结构外，为了提升喷气气压，所述辅助喷孔24的内径大于液滴喷射孔，且靠近液滴喷射孔13的开口为喇叭口25。喇叭口25的设置能够避免液滴在喷射时出现液滴回流的现象。喇叭口25的设置能够避免液滴被喷射至角落无法从液滴喷射孔13处正常喷射的现象。
与此同时，为了实现对液滴的汇集及防止液滴的堆积，所述液滴添加孔12与液滴喷射孔13的连接段为锥形段。液滴能够随气流进入液滴喷射孔13进而被喷出。在对机头主体1的加工时，可以通过圆形钻头加工液体添加孔12的上半段，之后通过直径较小的圆形钻头加工液体喷射孔13，两者此时不连通，而之后则通过锥形钻头，加工液体添加孔12的下半段并与液体喷射孔13连通即可。
最后，为了避免液滴进入喷射辅助件2的套筒21内，所述液滴添加孔12远离液滴喷射孔的一端向挤出孔11倾斜设置，且倾斜角度为0°—45°。在液滴从液滴添加孔12加入后，能够准确进入液滴喷射孔13。
一种多模式3D打印机头协同打印方法，使用上述的一种多模式3D打印机头，且包括以下步骤：
S1、软件虚拟打印平台获取要打印的三维模型和型材8材料；
S2、软件进行三维模型切片获得模型的待打印切片；
S3、软件通过打印型材8材料数量和三维模型尺寸进行整体规划，获得液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，并输送至控制器；
S4、控制器依次运行液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，且液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段间设置补偿程序；
S5、完成打印工作。
通过设置补偿程序，能够避免液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段打印位置出现错位。
其中，所述液滴喷射打印程序段能够控制与气管4远离连通件3一端的供气机构，还能够控制与液滴添加管6远离液滴添加座5一端的供液机构和感应线圈22的供电机构，程序运行时，控制供液机构通过液滴添加管6进行供液，确保液滴进入液滴添加孔12的下端后，控制供气机构供气，之后，在气流作用下，所述移动块23快速移动并推动至抵触液滴添加孔12的内壁，将液滴截断，并且气流能够从辅助喷孔24的出口继续流出，并携带液滴从液滴喷射孔13喷出，并且，上述结构中，多个液滴喷射孔13的液滴能够喷射在同一位置，之后，关闭供气机构，开启供电机构，控制感应线圈22将移动块23吸附，因此，上述移动块23必须为磁吸材质制作，而套筒21等其他结构均为非磁吸材质制作，之后，循环开启供电及供气机构即可完成液滴喷射打印。
而挤出成型打印程序段只需要控制进料机构7及环槽15内的加热机构即可，持续加热并控制进料机构7持续添加型材8，即可从挤出孔11的下方进行型材8的3D打印，为了加快型材8成型，还能够从侧面设置冷却机构。
从上述打印程序段能够开除，液滴喷射打印和挤出成型打印的打印位置是存在高度差距的，因此，上述补偿程序的设置是必要的。
上述补偿程序的实现方式为，所述补偿程序包括高度调节程序，且高度调节程序的调节高度尺寸与挤出孔11下端与多个液滴喷射孔13交点的间距尺寸相同。本装置只需要根据具体的打印位置高度差值进行调节，即可保证打印位置的同步，且调节幅度不需要进行计算，打印效率极高。

Claims (10)

1.一种多模式3D打印机头，其特征在于，包括机头主体(1)，所述机头主体(1)设置有竖直的挤出孔(11)，且挤出孔(11)的上方设置有进料机构(7)，下方设置有加热机构；
所述机头主体(1)沿挤出孔(11)中心轴线周向设置有多个液滴喷射孔(13)；
所述液滴喷射孔(13)下端向挤出孔(11)一端倾斜设置，且多个液滴喷射孔(13)的下端与挤出孔(11)的下端平齐；
所述液滴喷射孔(13)设置偶数个，且关于挤出孔(11)两两对称设置；
多个所述液滴喷射孔(13)中心轴线所在直线存在一个交点，且所述交点位于挤出孔(11)的正下方；
所述机头主体(1)还设置有多个与液滴喷射孔(13)连通的液滴添加孔(12)和辅助侧孔(14)；
所述液滴添加孔(12)内径大于液滴喷射孔(13)，且远离液滴喷射孔(13)的一端连通有液滴添加管(6)；
所述辅助侧孔(14)垂直于液滴添加孔(12)设置，且可拆卸连接有喷射辅助件(2)；
所述喷射辅助件(2)包括与辅助侧孔(14)固定的套筒(21)，所述套筒(21)内设置有能够移动的移动块(23)，所述移动块(23)外表面与套筒(21)内壁周向紧贴，且靠近辅助侧孔(14)的一端能够截断液滴添加孔(12)；
所述移动块(23)还设置有辅助喷孔(24)，所述辅助喷孔(24)两个开口分别朝向液滴喷射孔(13)和背离辅助侧孔(14)设置；
所述套筒(21)远离辅助侧孔(14)的一端连接有气管(4)，且设置有感应线圈(22)。
2.根据权利要求1所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述辅助喷孔(24)能够在移动块(23)截断液滴添加孔(12)时与液滴喷射孔(13)连通。
3.根据权利要求2所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述辅助喷孔(24)的内径大于液滴喷射孔，且靠近液滴喷射孔(13)的开口为喇叭口(25)。
4.根据权利要求3所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述液滴添加孔(12)与液滴喷射孔(13)的连接段为锥形段。
5.根据权利要求1所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述液滴添加孔(12)直径大于液滴喷射孔直径，所述锥形段的倾斜角度为0°—45°。
6.根据权利要求1所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述感应线圈(22)能够在通电后吸附所述移动块(23)，且吸附后的移动块(23)能够远离所述液滴添加孔(12)。
7.根据权利要求1所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述机头主体(1)远离进料机构(7)的一侧设置有环槽(15)，所述环槽(15)位于挤出孔(11)与液滴喷射孔(13)之间，且设置有加热机构。
8.根据权利要求1所述的一种多模式3D打印机头，其特征在于，所述进料机构(7)包括与机头主体(1)可拆卸连接的连接架(71)，所述连接架(71)在挤出孔(11)的上方相对设置有用于运输竖直型材(8)的驱动轮(72)和从动轮(73)，且从动轮(73)相对于驱动轮(72)的间距能够调节。
9.一种多模式3D打印机头协同打印方法，其特征在于，使用权利要求1-8任意一项所述的一种多模式3D打印机头，且包括以下步骤：
S1、软件虚拟打印平台获取要打印的三维模型和型材材料；
S2、软件进行三维模型切片获得模型的待打印切片；
S3、软件通过打印型材材料数量和三维模型尺寸进行整体规划，获得液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，并输送至控制器；
S4、控制器依次运行液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段，且液滴喷射打印程序段和挤出成型打印程序段间设置补偿程序；
S5、完成打印工作。
10.根据权利要求9所述的一种多模式3D打印机头及应用其的协同打印方法，其特征在于，所述补偿程序包括高度调节程序，且高度调节程序的调节高度尺寸与挤出孔(11)下端与多个液滴喷射孔(13)交点的间距尺寸相同。
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