CN205202193U - 一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头，包括电机、连接电机输出轴的主动锥齿轮、与所述主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮、固定在所述从动锥齿轮中心孔内同步转动的螺旋挤出装置，所述螺旋挤出装置的进料端密封地转动连接进料盖，所述螺旋挤出装置的出料端设置有喷嘴，所述进料盖上设置有分别由四个送料电机进行送料的青色材料进料口、品红色材料进料口、黄色材料进料口、黑色材料进料口。本实用新型挤出精度高，挤出速度快，易于颜色的混合，可根据需要得到不同颜色，实现全彩色3D精确打印。

Description

一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，尤其涉及一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头。

背景技术

3D打印作为近年来发展迅速的增材制造技术的一种，无论是在军事，航空航天，医疗卫生等行业，还是在普通民众生活中都无疑占有不可忽略的地位。随着技术的发展，人们需求的不断提高，迫切需要一种能实现全彩色打印的方法出现。而在此之前，纵观世界上大部分FDM桌面型3D打印机都还无法实现这一要求。

相比于绝大部分的FDM商业打印机，其仅仅能实现多色打印，例如：可实现单喷头双色交叉打印、双喷头双色打印、双喷头混合四色打印、四喷头四色打印以及渐变色材料等等，模型颜色丰富然而材料颜色却很单调，甚至有些材料是不开放的，而且也不能按照我们预期的颜色分布实现模型全彩色，于是迫使人们研究实现全彩色打印的方法和原理。

全彩色打印的方法也有许多相关的研究。Spectrom就是通过对单个线材进行染色来实现彩色3D打印的，这意味着他们在色彩控制（比如色调和饱和度）上有很大的自由度，而且颜色也是完全渗入该材料中的，并不是仅仅浮在表面。这样做的优点是可以直接改变颜色，而且打印出来的色彩准确、清晰，但是线材却是专有的，影响推广。也有一些研究是采用色母进行熔融共混然后共同挤出。这些方法实际上都存在着一些难以推广的因素和缺点。本实用新型提出的一种实现全彩色3D打印机喷头挤出原理及方法，是结合上述的方案各自的优点提出来的具有广阔前景的原理和方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决全彩色3D打印的问题，而提出来基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头及方法。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头，包括电机、连接电机输出轴的主动锥齿轮、与所述主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮、固定在所述从动锥齿轮中心孔内同步转动的螺旋挤出装置，所述螺旋挤出装置的进料端密封地转动连接进料盖，所述螺旋挤出装置的出料端设置有喷嘴，所述进料盖上设置有分别由四个送料电机进行送料的青色材料进料口、品红色材料进料口、黄色材料进料口、黑色材料进料口。

进一步地，所述螺旋挤出装置包括固定在从动锥齿轮中心孔内随从动锥齿轮同步转动的滚筒、设置在所述滚筒内的螺旋结构，所述滚筒及螺旋结构的出料端呈锥形。

进一步地，所述进料盖包括筒状连接部及设置在所述筒状连接部顶端的半球形进料部，所述半球形进料部上分别伸入地设置有青色材料进料口、品红色材料进料口、黄色材料进料口、黑色材料进料口，四个进料口的输出端交汇于进料口汇集区域后经进料通道连通所述筒状连接部内腔。

进一步地，所述滚筒的外周壁通过滚针轴承与进料盖的筒状连接部内孔圆周壁转动连接，所述螺旋结构与进料盖的筒状连接部内孔顶壁固定连接。

进一步地，所述滚筒的外周壁与进料盖的筒状连接部内孔圆周壁之间还设置有密封圈。

进一步地，所述电机为步进电机。

进一步地，所述青色材料进料口、品红色材料进料口、黄色材料进料口、黑色材料进料口的直径比丝料直径大0.2mm，便于丝料通过。

一种采用如所述打印喷头的全彩色3D打印方法，包括步骤：

1）在软件中识别模型的外形以及颜色信息后会将这些信息处理后生成对应的G代码；

2）四个送料电机分别执行G代码，采用微分原理按比例将青色丝料、品红色丝料、黄色丝料、黑色丝料分别送进青色材料进料口、品红色材料进料口、黄色材料进料口、黑色材料进料口；

3）各色丝料交汇后被送入螺旋挤出装置中加热熔融塑化，最后经位置电机驱动打印喷头移动到相应位置，由螺旋挤出装置根据G代码定量地由喷嘴挤出，实现全彩色3D打印。

进一步地，所述采用微分原理是指将每种颜色的丝料的进给量无限分段，趋于无穷小，通过将每个无限小周期的颜色按顺序进行混合使其趋向于预期设定的颜色分布，得到不同颜色，实现全彩色打印。

进一步地，所述丝料的材料为PLA（聚乳酸）或ABS，环保，危害少。

本实用新型对比已有技术具有以下显著优点：

1、本实用新型采用一种套色模式——印刷四分色模式（CMYK）实现全彩色材料打印，此颜色可根据调整CMYK参数设置不同的进给量等实现，不同颜色材料经过微分处理以及旋转螺旋以及挤出滚筒的处理，使材料混合更加均匀，挤出颜色更为均一。

2、结合大型挤出机挤出原理设计螺旋挤出滚筒，其挤出原理有很大相似之处，包括螺距以及直径等与转速配合实现材料的定量输出，具有挤出精度高，挤出速度快的优点。

3、此种方法可采用应用广泛的PLA或ABS材料，不会对环境造成很大的危害；同时也不会产生其他全彩色打印方法遗留的副产物。

附图说明

图1是本实用新型的实施例装置示意图。

图2是图1示实例中螺旋结构和滚筒以及喷嘴装置示意图。

图3是图1示实例中进料盖（忽略螺旋结构）装置剖面示意图。

图4是图1示实例中进料盖装置俯视示意图。

图5是实现全彩色的CMYK颜色丝料挤出顺序示意图。

图中所示为：1-电机；2-主动锥齿轮；3-从动锥齿轮；4-喷嘴；5-滚筒；6-螺旋结构；7-滚针轴承；8-密封圈；9-进料口汇集区域；10-进料盖；11-青色材料进料口；12-品红色材料进料口；13-黄色材料进料口；14-黑色材料进料口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。

实施例一

如图1至图4所示，一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头，包括电机1、连接电机1输出轴的主动锥齿轮2、与所述主动锥齿轮2啮合的从动锥齿轮3、固定在所述从动锥齿轮3中心孔内同步转动的螺旋挤出装置，所述螺旋挤出装置包括固定在从动锥齿轮3中心孔内随从动锥齿轮3同步转动的滚筒5、设置在所述滚筒5内的螺旋结构6，所述滚筒5及螺旋结构6的出料端呈锥形。所述螺旋挤出装置的进料端密封地转动连接进料盖10，所述螺旋挤出装置的出料端设置有喷嘴4，所述进料盖10上设置有分别由四个送料电机进行送料的青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14，电机1采用步进电机，额定电流为1.3A，电机轴直径尺寸为5mm，电机轴与锥齿轮2孔轴配合，并且通过紧定螺钉将其固定，控制电机的转动角度可以通过给定脉冲数量来决定。主动锥齿轮2和从动锥齿轮3相互啮合，采用强度和精度等级较高的锥齿轮，尽量消除齿间间隙，锥齿轮3与滚筒5孔轴配合，并且也用紧定螺钉将其固定。

喷头4相对于电机1垂直距离可以通过调节锥齿轮3与滚筒5的相对位置而定。喷嘴尺寸分为0.2mm,0.3mm,0.4mm共三个档次，可根据打印模型的要求选择不同的喷嘴直径。

所述进料盖10包括筒状连接部及设置在所述筒状连接部顶端的半球形进料部，所述半球形进料部上分别伸入地设置有青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14，四个进料口的输出端交汇于进料口汇集区域9后经进料通道连通所述筒状连接部内腔。

所述滚筒5的外周壁通过滚针轴承7与进料盖10的筒状连接部内孔圆周壁转动连接，所述螺旋结构6与进料盖10的筒状连接部内孔顶壁固定连接。

所述滚筒5的外周壁与进料盖10的筒状连接部内孔圆周壁之间还设置有密封圈8。

所述青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14的直径比丝料直径大0.2mm。

滚筒5在打印过程中作旋转运动，但是垂直位置不改变，因此并不会对打印造成影响。滚筒5在旋转过程中，由青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14送进的丝料高温熔融后通过螺旋结构可将熔融后的材料沿着螺旋结构顺利挤出，并且挤出量由螺旋结构的螺距大小、直径大小以及转速大小等来衡量，通过精确控制这几个变量的相互关系就可以实现材料精确的定量挤出。由于受到径向尺寸的限制，在滚筒5与进料盖10之间装配有滚针轴承7；在材料挤出阶段，熔融后的材料有向外溢出的倾向，因此必须做好密封工作，因此选用密封性良好的滚针轴承7以及装配好密封圈8作为密封件。进料盖10外开有4个进料口，4个进料口分别对应4种不同颜色的丝料（C:青色M:品红色Y:黄色K:黑色），每个进料口尺寸略比丝料尺寸大0.2mm，以保证材料顺利进入熔融区域。

实施例二

一种采用如所述打印喷头的全彩色3D打印方法，包括步骤：

1）在软件中识别模型的外形以及颜色信息后会将这些信息处理后生成对应的G代码；

2）四个送料电机分别执行G代码，采用微分原理按比例将青色丝料、品红色丝料、黄色丝料、黑色丝料分别送进青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14；

3）各色丝料交汇后被送入螺旋挤出装置中加热熔融塑化，最后经位置电机驱动打印喷头移动到相应位置，由螺旋挤出装置根据G代码定量地由喷嘴4挤出，实现全彩色3D打印。

具体而言，所述采用微分原理是指将每种颜色的丝料的进给量无限分段，趋于无穷小，通过将每个无限小周期的颜色按顺序进行混合使其趋向于预期设定的颜色分布，得到不同颜色，实现全彩色打印。

具体而言，所述丝料的材料为PLA(聚乳酸)或ABS，环保，危害少。

本实施例采用的一种套色模式——印刷四分色模式（CMYK）实现全彩色材料输出打印，同时利用大型挤出机螺杆螺旋原理，采用螺旋结构以及挤出滚筒设计可实现不同颜色材料的熔融共混和定量挤出。

四种颜色材料的输入利用微积分原理，将每种颜色材料的进给量无限分段，趋于无穷小，因此每个无限小周期的颜色混合趋向于预期设定的颜色分布，易于不同颜色的混合，实现全彩色打印。

本实施例中，每种颜色材料（C:青色M:品红色Y:黄色K:黑色）各分配一个送料电机负责进给送料，按照预先设定的CMYK数值的不同，分别控制送料电机的转动量，并且将其微分化，实现全彩色打印。

材料可在旋转螺旋以及挤出滚筒中均匀混合，挤出则利用螺旋结构7和滚筒5机械结构的设计，包括螺距以及直径等与转速配合实现材料的定量输出。

丝料送进青色材料进料口11、品红色材料进料口12、黄色材料进料口13、黑色材料进料口14中的交汇点进料口汇集区域9时，被顺利挤入旋转滚筒5中加热熔融塑化，沿着螺旋结构慢慢往下运送，其中滚筒5的旋转是由电机1，主动锥齿轮2，从动锥齿轮3驱动。仿照大型挤出机螺杆原理，熔融后的材料会根据相关参数定量地挤出，最终实现FDM的精确打印。若要根据不同的需要改变颜色，可预先设定CMYK数值，电机会响应改变量进行调整，实现全彩色3D打印。

以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本实用新型的范围，本实用新型的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本实用新型权利要求基础上的改动都是本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微分及螺旋挤出的全彩色3D打印喷头，其特征在于：包括电机(1)、连接电机(1)输出轴的主动锥齿轮(2)、与所述主动锥齿轮(2)啮合的从动锥齿轮(3)、固定在所述从动锥齿轮(3)中心孔内同步转动的螺旋挤出装置，所述螺旋挤出装置的进料端密封地转动连接进料盖(10)，所述螺旋挤出装置的出料端设置有喷嘴(4)，所述进料盖(10)上设置有分别由四个送料电机进行送料的青色材料进料口(11)、品红色材料进料口(12)、黄色材料进料口(13)、黑色材料进料口(14)。

2.根据权利要求1所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述螺旋挤出装置包括固定在从动锥齿轮(3)中心孔内随从动锥齿轮(3)同步转动的滚筒(5)、设置在所述滚筒(5)内的螺旋结构(6)，所述滚筒(5)及螺旋结构(6)的出料端呈锥形。

3.根据权利要求2所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述进料盖(10)包括筒状连接部及设置在所述筒状连接部顶端的半球形进料部，所述半球形进料部上分别伸入地设置有青色材料进料口(11)、品红色材料进料口(12)、黄色材料进料口(13)、黑色材料进料口(14)，四个进料口的输出端交汇于进料口汇集区域(9)后经进料通道连通所述筒状连接部内腔。

4.根据权利要求3所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述滚筒(5)的外周壁通过滚针轴承(7)与进料盖(10)的筒状连接部内孔圆周壁转动连接，所述螺旋结构(6)与进料盖(10)的筒状连接部内孔顶壁固定连接。

5.根据权利要求4所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述滚筒(5)的外周壁与进料盖(10)的筒状连接部内孔圆周壁之间还设置有密封圈(8)。

6.根据权利要求1所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述电机(1)为步进电机。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的全彩色3D打印喷头，其特征在于：所述青色材料进料口(11)、品红色材料进料口(12)、黄色材料进料口(13)、黑色材料进料口(14)的直径比丝料直径大0.2mm。