CN214236289U - 一种针管式3d打印机头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种针管式3D打印机头，包括有针管容器、针头管、送粉机构和驱动送粉机构送粉的电机，所述针管容器和针头管连通连接；所述送粉机构具有设于针管容器和针头管内的旋转主轴及设置在旋转主轴上的搅拌拨叉，所述电机的输出轴和旋转主轴连接；所述电机驱动带动旋转主轴转动，旋转主轴带动搅拌拨叉搅动针管容器内的金属粉末形成动态的金属粉末精细流线，并将金属粉末精细流线送出；本实用新型针管式3D打印机头能将针管容器内静止态的粉末变成为连续不断流动、流量和流速可控、直径很细的金属粉末流线；在扫描移动时金属粉末流线的扫描轨迹不会间断，扫描铺粉均匀且效率高，提高3D打印制品的质量和精度。

Description

一种针管式3D打印机头

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印领域，尤其是指一种针管式3D打印机头。

背景技术

近年来3D打印技术飞快发展，3D打印技术已在各个制造领域发挥了巨大作用；例如，在航空航天领域：制造整体蜗轮叶片、高温高速喷管等，在医疗领域：制造人工关节、牙齿、胸腔整体筋骨等，在精密制造领域制造各种复杂零件，在艺术领域中：制造人体塑像等等，不胜繁举；在3D打印制造技术使用的增材原材料上主要可分为丝状增材和粉末(如金属粉、陶瓷粉)增材两种；采用丝状材料如塑料丝或低熔点金属丝为增材原料的缺点是制造丝材本身的成本很高，而且有些金属很难制成各种直径很细的丝材；因此目前对于高熔点金属类 3D打印，较多的采用金属粉末增材；金属粉末增材的3D打印技术中广泛使用的是粉末床激光选择性烧结(SLS)和粘结剂喷射烧结(BJS)。

其中，粉末床激光选择性烧结的缺点是需要反复层层铺粉再激光束烧结、成型，最后还要扫除未烧结粉末；因此生产效率很低，这也是制约3D打印成本居高不下的根本原因；其次粉床厚度难控制，特别是在激光烧结区剧烈收缩后再铺粉，随着粉床高度增加，还容易出现粉床崩塌、层裂、和与烧结区形成拱桥粘连等问题，直接影响产品质量；还有不易加工精细零件，随着零件的复杂程度增加，零件各部彼此靠近的细小区域内，粉床中的粉末会相互粘连；在激光烧结时，激光束很难将加热区间按细小的零件间隙分开，难于生产精细的零件；而且金属粉末污染浪费较大，在靠近零件处的大量粉末未能烧结，易污染、脏化，利用率很低；因为激光束烧结的区域很难与粉末床中的周围粉末分开；在烧结过程中，灼热的金属零件表面必然粘接有大量金属粉末，使粉床3D打印激光烧结的产品尺寸精度和表面光洁度很低；而粘结剂喷射烧结是先用金属粉末与有机快凝塑胶液制成金属粉末料浆，装入3D打印机头的料仓内，在气体压力、或螺旋推杆、或活塞推动下，使金属粉末料浆从料仓通过针管小孔挤出，并同时完成零件型坯的扫描堆积和快凝成型工序；这种3D打印头的功能仅仅是连续不断地从针管小孔中推出金属粉末料浆膏线的任务，之后塑性坯的干燥，脱脂、烧结工序实际上与现有的注射成型产品工序完全相同；这种作法的缺点是料浆中金属的体积含量不稳定，尤其是穿过料仓挤出口的针管小孔时，会进一步降低挤出料浆中的金属含量；而且不能制备大型零件，烧结后产品的残留孔隙度较高，导致相对密度低、强度低。

有鉴于此，本设计人针对上述3D打印机头结构设计上未臻完善所导致的诸多缺失及不便，而深入构思，且积极研究改良试做而开发设计出本案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种针管式3D打印机头，能将针管容器内静止态的粉末变成为连续不断流动、流量和流速可控、直径很细的金属粉末流线；在扫描移动时金属粉末流线的扫描轨迹不会间断，扫描铺粉均匀且效率高，同时配合以激光跟踪扫描烧结完成精密零件的3D打印工作，提高3D打印制品的质量和精度。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种针管式3D打印机头，包括有针管容器、针头管、送粉机构和驱动送粉机构送粉的电机，所述针管容器和针头管连通连接；所述送粉机构具有设于针管容器和针头管内的旋转主轴及设置在旋转主轴上的搅拌拨叉，所述电机的输出轴和旋转主轴连接；所述电机驱动带动旋转主轴转动，旋转主轴带动搅拌拨叉搅动针管容器内的金属粉末形成动态的金属粉末精细流线，并将金属粉末精细流线送出。

所述针管容器由上至下分成圆筒料仓段、锥斗料仓段和喂料口段；所述搅拌拨叉包括有丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉、反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉，所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉位于圆筒料仓段，所述反向螺旋松粉拨叉位于锥斗料仓段，所述丝状送粉拨叉位于喂料口段。

所述送粉机构还包括有设置于旋转主轴上且位于针头管内的精细送粉弹簧；所述针头管具有套接于喂料口段外的连接段，所述细送粉弹簧的下端延伸至针头管的出料口。

所述旋转主轴的下端设置有快速接头基座和锁固于快速接头基座下方的快速接头；所述快速接头设置有底面中心向上延伸的中心孔，所述精细送粉弹簧的上端插置于中心孔内。

所述中心孔内设置一加固钢丝，所述加固钢丝穿入精细送粉弹簧的内径内且伸出中心孔外2.5-3mm；所述精细送粉弹簧的弹簧内径与加固钢丝的直径相同；且所述精细送粉弹簧和加固钢丝通过水玻璃粘接固定于中心孔中。

所述反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉分别通过快速接头螺母锁固在快速接头上；所述丝状送粉拨叉环绕在精细送粉弹簧的上端外圈。

所述针管容器的容量为10-20cc。

所述针头管的内径为0.5-0.7mm，且金属粉末精细流线的直径为 0.5-0.7mm；所述针头管的外径为1.5-1.7mm。

所述针头管的内径为Φ0.5±0.01mm、Φ0.6±0.01mm或Φ0.7± 0.01mm中一种。

所述针头管采用耐火陶瓷材料制成。

所述针头管采用Al₂O₃或ZrO₂耐火陶瓷材料制成。

所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉的丝直径为0.3-0.4mm，且丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉设有两个螺距；所述反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉的丝直径为0.15-0.25mm。

所述针管容器内设置有限制旋转主轴左右摆动的上限位环、下限位环，所述上限位环、下限位环设置有供旋转主轴通过的轴孔和多个供金属粉末通过的通孔，且所述轴孔的孔径大于所述旋转主轴的直径。

所述轴孔的孔径和所述旋转主轴的直径相差≤0.05-0.1mm，所述旋转主轴旋转时的左右摆动量≤0.2mm。

所述旋转主轴上设置有限制旋转主轴上下窜动的上凸肩和下凸肩，所述上凸肩位于上限位环下方且两者之间具有间距，所述下凸肩位于下限位环上方且两者之间具有间距。

所述上限位环和下限位环之间具有第一间距，所述上凸肩和下凸肩之间具有第二间距，所述第一间距和第二间距之差为旋转主轴上下摆动间距，所述旋转主轴上下摆动间距≤2mm。

所述电机为微型直流调速电机。

所述精细送粉弹簧的参数根据以下公式计算确定，

d＝3.8do+0.12，

D-d≥δ≥0.12，

h≥1.2d，

这里，d是精细送粉弹簧的外径，do是精细送粉弹簧的丝直径，D是针头管的内径，δ是精细送粉弹簧在针头管内的旋转间隙，h是精细送粉弹簧的螺距。

所述精细送粉弹簧的螺距大于或等于金属粉末中最大颗粒粒径的8倍。

所述精细送粉弹簧是采用冷加工硬化的铂丝或钨丝或钨铼丝制成。

所述针头管的金属粉流量Q根据以下公式计算确定，Q＝k·π /4·D²·h·ρ·N，

这里，Q是针头管的金属粉流量，N是精细送粉弹簧转速，k是粉末加速系数，随转数N增加而增大；ρ是金属粉末松装密度。

采用上述结构后，本实用新型针管式3D打印机头在打印工作时，电机驱动带动旋转主轴转动，旋转主轴带动送粉机构搅动针管容器内的金属粉末，可将静止态的金属粉末变成为动态的极细的金属粉末流线，并金属粉末能从极细的针头管内快速送出；在扫描移动时金属粉末流线的扫描轨迹不会间断，扫描铺粉均匀且效率高；且由于金属粉末流线的直径很小且稳定，粉床厚度均匀且可控制，并配置以激光束快速跟踪加热；不易出现粉床崩塌、层裂、和与烧结区形成拱桥粘连等问题，提高3D打印制品的质量和精度；而且，本实用新型打印机头连续产生的精细纯金属粉末流线，在零件图形的有效断面范围内进行精确扫描、铺粉；来解决3D打印技术中在零件有效断面上直接用金属粉末精细流线扫描铺粉代替现有的粉床大面积(含无效断面)盲目铺粉的难题；使金属粉末流线严格按零件断面图形范围进行逐层精细扫描，程控铺粉，充填；与此同时在金属粉末达到零件表面过程中配置以激光束(或电子束)，快速跟踪加热，将扫描铺盖的金属粉末区快速烧结或熔化，最终可制成精细复杂的金属与合金零件。

附图说明

图1为本实用新型打印机头的剖视示意图一；

图2为本实用新型打印机头的剖视示意图二。

符号说明

针管容器1 针头管2

送粉机构3 电机4

旋转主轴31 丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉32

丝状送粉拨叉33 精细送粉弹簧34

出料口21 反向螺旋松粉拨叉35

圆筒料仓段11 锥斗料仓段12

喂料口段13 连接段22

快速接头基座51 快速接头52

中心孔521 加固钢丝341

快速接头螺母53 上限位环54

下限位环55 轴孔56

通孔57 上凸肩58

下凸肩59 输出轴41

盖板42 圆筒槽孔式拨叉43

钢棒拨杆44。

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来对本实用新型进行详细阐述。

请参阅图1、图2，本实用新型揭示了一种针管式3D打印机头，包括有针管容器1、针头管2、送粉机构3和驱动送粉机构3送粉的电机4，所述针管容器1和针头管2连通连接；所述送粉机构3具有设于针管容器1和针头管2内的旋转主轴31及设置在旋转主轴31上的搅拌拨叉，所述电机4的输出轴和旋转主轴31连接；所述电机4 驱动带动旋转主轴31转动，旋转主轴31带动搅拌拨叉搅动针管容器 1内的金属粉末形成动态的金属粉末精细流线，并将金属粉末精细流线送出。

本实用新型针管式3D打印机头在打印工作时，电机4驱动带动旋转主轴31转动，旋转主轴31带动送粉机构3搅动针管容器1内的金属粉末，可将静止态的金属粉末变成为动态的极细的金属粉末流线，并金属粉末能从极细的针头管2内快速送出；在扫描移动时金属粉末流线的扫描轨迹不会间断，扫描铺粉均匀且效率高；且由于金属粉末流线的直径很小且稳定，粉床厚度均匀且可控制，并配置以激光束快速跟踪加热；不易出现粉床崩塌、层裂、和与烧结区形成拱桥粘连等问题，提高3D打印制品的质量和精度；而且，本实用新型打印机头连续产生的精细纯金属粉末流线，在零件图形的有效断面范围内进行精确扫描、铺粉；来解决3D打印技术中在零件有效断面上直接用金属粉末精细流线扫描铺粉代替现有的粉床大面积(含无效断面) 盲目铺粉的难题；使金属粉末流线严格按零件断面图形范围进行逐层精细扫描，程控铺粉，充填；与此同时在金属粉末达到零件表面过程中配置以激光束(或电子束)，快速跟踪加热，将扫描铺盖的金属粉末区快速烧结或熔化，最终可制成精细复杂的金属与合金零件。

本实用新型的所述针管容器1由上至下分成圆筒料仓段11、锥斗料仓段12和喂料口段13，所述针头管2具有套接于喂料口13段外的连接段22；所述搅拌拨叉包括有丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉32、反向螺旋松粉拨叉35和丝状送粉拨叉33，所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉31位于圆筒料仓段11，所述反向螺旋松粉拨叉35位于锥斗料仓段12，所述丝状送粉拨叉33位于喂料口段13；在针管容器1的锥斗料仓段12增加反向螺旋松粉拨叉35，在喂料口段13设置了丝状松粉拨叉33，消除了锥斗料仓段12的粉层中容易产生的“垂直空洞竖井”现象，保证了直接连续供粉的功能。

本实用新型的所述送粉机构3还包括有设置于旋转主轴31上且位于针头管2内的精细送粉弹簧34；所述针头管2具有套接于喂料口段外的连接段22，所述细送粉弹簧34的下端延伸至针头管的出料口21；所述精细送粉弹簧34转动并推动金属粉末，可保持金属粉末在出料口21送出之前都处于动态流动状态，金属粉末流线连续不断流动，打印效果更好。

本实用新型的所述旋转主轴31的下端设置有快速接头基座51和锁固于快速接头基座51下方的快速接头52；所述快速接头52设置有底面中心向上延伸的中心孔521，所述精细送粉弹簧34的上端插置于中心孔521内；且所述中心孔内设置一加固钢丝341，所述加固钢丝341穿入精细送粉弹簧34的内径内且伸出中心孔521外 2.5-3mm；且所述精细送粉弹簧34的弹簧内径与加固钢丝341的直径相同；且所述精细送粉弹簧34和加固钢丝341通过水玻璃粘接固定于中心孔521中；可先将精细送粉弹簧34的上端插置有一根直径与精细送粉弹簧34内径相同的加固钢丝341，然后将精细送粉弹簧34 和加固钢丝341一同插入快速接头52的中心孔521内，再用水玻璃粘接固定；且加固钢丝341部分伸出中心孔521外2.5-3mm，可使精细送粉弹簧34与快速接头52处的剪切应力得以缓冲，目的是为了降低精细送粉弹簧34与快速接头52处应力过于集中的问题，彻底解决精细送粉弹簧34和快速接头52之间的连接处易疲劳折断、断裂的问题，提高精细送粉弹簧34寿命，工作寿命可大于3000小时，同时便于安装，维修和标准件程序化生产。

本实用新型的所述反向螺旋松粉拨叉35和送粉拨叉33分别通过快速接头螺母53锁固在快速接头52上；其中，所述精细送粉弹簧 34、反向螺旋松粉搅拌拨叉32、反向螺旋松粉拨叉35和送粉拨叉33 先安装在快速接头螺母53上，再与快速接头52相接，便于安装、维修和标准件程序化生产。

本实用新型的所述送粉拨叉33环绕在精细送粉弹簧34外圈；打印时，送粉拨叉33和精细送粉弹簧34同时转动，可进一步拨动金属粉末，金属粉末流线送粉连续不断流动，打印效果更好。

本实用新型的所述针管容器的容量为10-20cc。

本实用新型的所述针头管的内径为0.5-0.7mm，且金属粉末精细流线的直径为0.5-0.7mm；所述针头管的外径为1.5-1.7mm。

本实用新型的所述针头管的内径为Φ0.5±0.01mm、Φ0.6± 0.01mm或Φ0.7±0.01mm中一种。

本实用新型的所述针头管采用耐火陶瓷材料制成；可保证在激光束高温加热时针头管内的金属粉末不会被烧结或熔化。

本实用新型的所述针头管采用Al₂O₃或ZrO₂耐火陶瓷材料制成。

本实用新型的所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉的丝直径为 0.3-0.4mm，且丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉设有两个螺距；所述反向螺旋松粉拨叉32对金属粉末只有轻微的托起作用，特别是消除了高转速下因托起作用过大，而使金属粉末流线的直径和流量不稳定的问题；所述反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉的丝直径为0.15-0.25mm。

所述针管容器1内设置有限制旋转主轴31左右摆动的上限位环 54、下限位环55，所述上限位环54、下限位环55设置有供旋转主轴 31通过的轴孔56和多个供金属粉末通过的通孔57，且所述轴孔56 的孔径大于所述旋转主轴31的直径；由于旋转主轴31转动时会产生沿轴线的左右摆动和上下串动，严重影响了针头管2内的精细送粉弹簧34的旋转稳定性和使用寿命，因此，在针管容器1的旋转主轴31 上设置上限位环54、下限位环55，并在上限位环54、下限位环55 设置轴孔56来限制旋转主轴31的左右摆动量，提高精细送粉弹簧 34的旋转稳定性和使用寿命；所述上限位环54、下限位环55在轴孔外另开设有五个漏粉圆形的通孔57；以利于金属粉末通过。

本发明的所述轴孔56的孔径和所述旋转主轴31的直径相差≤ 0.05-0.1mm，所述旋转主轴31旋转时的左右摆动量≤0.2mm。

本发明的所述旋转主轴31上设置有限制旋转主轴31上下窜动的上凸肩58和下凸肩59，所述上凸肩58位于上限位环54下方且两者之间具有间距，所述下凸肩59位于下限位环55上方且两者之间具有间距；且所述上限位环54和下限位环55之间具有第一间距，所述上凸肩58和下凸肩59之间具有第二间距，所述第一间距和第二间距之差为旋转主轴上下摆动间距，所述旋转主轴上下摆动间距≤2mm；所述旋转主轴31转动时，所述旋转主轴31的上下串动量是由上限位环和下限位环之间的距离H与上凸肩和下凸肩之间的距离R之差△ H＝H-R；所述旋转主轴31向上串动最大量时，所述上凸肩58抵靠上限位环54；旋转主轴31向下串动最大量时，所述下凸肩59抵靠下限位环55；旋转主轴31上下串动量控制在△H≤2mm安全区内，旋转主轴转动更平稳，提高精细送粉弹簧34的旋转稳定性和使用寿命。

本发明的所述电机4的输出轴41插置于针管容器1的上开口，且设置一盖合针管容器1的上开口的盖板42，所述输出轴41和旋转主轴31之间通过快速接头连接。

本发明的所述输出轴41上设置有圆筒槽孔式拨叉43，并通过钢棒拨杆44将圆筒槽孔式拨叉43固定于输出轴41上；可以通过简单的上下插接动作，即可将旋转主轴与调速电机轴快速联接；且在未装电机之前，可从针管容器的上部开口处装粉，便于装粉；安装拆卸时不怕粉尘干扰，成本低，实用性好。

本发明的所述针管容器1与针头管2采用螺纹式连接；螺纹连接方式是为了便于安装、维修或更换精细送粉弹簧34而设。

本发明的所述电机4为微型直流调速电机，且电机4规格为 DC.12v.、0-120周/分，或者电机4规格为电机直径20mm、DC.12V.、 0-180周/分。

本实用新型的所述精细送粉弹簧的参数根据以下公式计算确定，

d＝3.8do+0.12(mm)……(1)，

D-d≥δ≥0.12(mm)……(2)，

h≥1.2d(mm)……(3)，

这里，d是精细送粉弹簧的外径(mm)，do是精细送粉弹簧的丝直径(mm)，D是针头管的内径(mm)，δ是精细送粉弹簧在针头管内的旋转间隙(mm)，h是精细送粉弹簧的螺距(mm)；

所述精细送粉弹簧的参数是保证弹簧旋转平衡条件；在设计制造和安装过程中，上述任何参数变动都会使精细送粉弹簧不能正常工作，严重时会卡死或折断。

所述精细送粉弹簧的螺距大于或等于金属粉末中最大颗粒粒径的8倍；避免出现精细送粉弹簧送粉时将会断续送粉或卡死或扭断，在使用球形粉时精细送粉弹簧的旋转状态最稳定时该金属粉末流线的流量最稳定。

所述精细送粉弹簧是采用冷加工硬化的铂丝或钨丝或钨铼丝制成；这几种材质及加工硬化手段可保证精细送粉弹簧在高温状态下仍能保持原有的各种几何参数不变，从而才能保证长时间正常工作。

本发明的所述针头管总长度包括有精细流线导流长度和第一安装长度，所述精细送粉弹簧的总长度包括有精细流线导流长度和第二安装长度。

本发明的所述精细流线导流长度为18mm，第一安装长度为5mm，所述针头管总长度为23mm；所述第二安装长度为15mm，所述精细送粉弹簧的总长度33mm。

所述针头管的金属粉流量Q(g/分)根据以下公式计算确定， Q＝k·π/4·D²·h·ρ·N……(4)，

这里，Q是针头管的金属粉流量(g/分)，N是精细送粉弹簧转速 (周/分)，k是粉末加速系数，随转数N增加而增大；ρ是金属粉末松装密度(克/cm³)，D是针头管的内径(cm)，h是精细送粉弹簧的螺距(cm)。

实施例1：设计一个金属粉末流线打印机头装置；其中：金属流线直径D＝0.7mm＝0.07cm，导流管长18mm；使用球形金属钛粉(-200 目)金属粉末松装密度ρ＝2.54g/cm³，3D打印零件的单重Wo＝6g，单件完成时间15-20分钟，一次装粉可打8件。

1、本发明的精细送粉弹簧的参数计算如下：

(1)、精细送粉弹簧的外径d:由式D-d≥δ＝0.12(mm)……(2)，

可知d＝0.7-0.12＝0.58(mm)；

(2)、精细送粉弹簧的丝直径do:由式d＝3.8do+0.12(mm)…… (1)，

可知do＝0.121(mm)；

其中，实际可选do＝0.11-0.12(mm)；

(3)、精细送粉弹簧的螺距h；由式h≥1.2d(mm)……(3)，

可知h＝1.2*0.58＝0.696(mm)≈0.7(mm)＝0.07cm；

(4)、精细送粉弹簧的长度L1＝18+△L1＝18+15＝33(mm)；

其中：△L1为精细送粉弹簧的安装长度，略为15mm；

2、针头管的导流长度参数：

针头管内径即金属流线直径D1＝0.7mm；

针头管外径D2＝0.7+1＝1.7(mm)；

针头管的导流长度L2＝L1+△L2＝18+5＝23mm；

其中，△L2为针头管的安装长度，略为5mm。

3、本发明的所述针头管的金属粉流量Q(g/分)计算如下：Q＝k·π /4·D²·h·ρ·N……(4)；

其中，本发明的所述金属粉末为粒径为-200目的球形金属钛粉，ρ＝2.54(克/cm³)；并代入以上D＝0.07(cm)、h＝0.07(cm)参数，且取K＝8，当N＝80周/分时，可知金属粉末流量Q＝8·π /4·(0.07)²·0.07·2.54·80＝0.438(g/分)。

或者，本发明的所述金属粉末为粒径为-200目的球形金属钛粉，ρ＝2.54(克/cm³)；并代入以上D＝0.07(cm)、h＝0.07(cm)参数，且取K＝8，当N＝100周/分时，可知金属粉末流量Q＝8·π /4·(0.07)²·0.07·2.54·100＝0.547(g/分)。

4、本发明的所述3D打印机头打印单一零件所需时间根据以下公式计算确定，t＝W/Q(分)……(5)；

t是打印单一零件所需时间，W是单一零件的重量，Q是金属粉末流量(g/分)。

本发明当单一零件重量W＝6克时，打印一个零件所需时间t＝6克 /0.438(g/分)＝13.7(分)或t＝6克/0.547(g/分)＝10.97(分)。

5、本发明的所述针管容器的有效容积根据以下公式计算确定，V ＝W·n/ρ(cm³)……(6)；

这里，V是针管容器的有效容积(cm³)，W是单一零件的重量(克)， n是针管容器中金属粉末可供打印的零件数量(个)，ρ是金属粉末松装密度(克/cm³)。

本发明的所述3D打印机头一次装粉可打印8个零件(n＝8)，针管容器的有效容积V＝6*8/2.54＝18.897cm³＝20cm³。

本发明的针管容器直径为Φ20mm时(S＝3.14cm²)，则高H ＝20cm³/3.14cm²＝6.37cm。

本发明当需要大直径如Φ1-Φ1.5mm的金属粉末流线打印时，如快速打印大型零件制品时只需将针管筒体放大即可；但精细送粉弹簧的各种参数及针头管内径D等参数设计仍需严格按公式(1)(2)(3) 进行。

本发明的所述3D打印机头在真空状态下工作，或者在保护气体 (Ar、He或N等气体)下工作，但不需要气体输送粉末。

本实用新型打印装置在打印使用时，金属粉末颗粒从直径很细小的针头管内流出，形成精细的粉末流线来解决3D打印技术中在零件有效断面上直接用金属粉末精细流线扫描铺粉代替现有的粉床大面积(含无效断面)盲目铺粉的难题。这种粉末精细流线的流量稳定而且不同于气流输送的粉末流线，在扫描铺粉过程中没有气流干扰，流线直径稳定，金属粉末颗粒不会飞溅，流速精确可控；在扫描移动速度为40mm/s时金属粉末流线的扫描轨迹仍不会间断；将这种打印机头安装在常规的三维冷打印装置上，利用上述这种打印机头连续产生的精细纯金属粉末流线，在零件图形的有效断面范围内进行精确扫描、铺粉；使金属粉末流线严格按零件断面图形范围进行逐层精细扫描，程控铺粉，充填；与此同时在金属粉末从针头管送出并达到零件表面过程中配置以激光束(或电子束)，快速跟踪加热，将扫描铺盖的金属粉末区快速烧结或熔化，最终可制成精细复杂的金属与合金零件；该打印装置特别适用于在真空条件下制造精细结构的金属制品。

上述实施例和附图并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。

Claims (21)

1.一种针管式3D打印机头，其特征在于：包括有针管容器、针头管、送粉机构和驱动送粉机构送粉的电机，所述针管容器和针头管连通连接；所述送粉机构具有设于针管容器和针头管内的旋转主轴及设置在旋转主轴上的搅拌拨叉，所述电机的输出轴和旋转主轴连接；所述电机驱动带动旋转主轴转动，旋转主轴带动搅拌拨叉搅动针管容器内的金属粉末形成动态的金属粉末精细流线，并将金属粉末精细流线送出。

2.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针管容器由上至下分成圆筒料仓段、锥斗料仓段和喂料口段；所述搅拌拨叉包括有丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉、反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉，所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉位于圆筒料仓段，所述反向螺旋松粉拨叉位于锥斗料仓段，所述丝状送粉拨叉位于喂料口段。

3.如权利要求2所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述送粉机构还包括有设置于旋转主轴上且位于针头管内的精细送粉弹簧；所述针头管具有套接于喂料口段外的连接段，所述细送粉弹簧的下端延伸至针头管的出料口。

4.如权利要求3所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述旋转主轴的下端设置有快速接头基座和锁固于快速接头基座下方的快速接头；所述快速接头设置有底面中心向上延伸的中心孔，所述精细送粉弹簧的上端插置于中心孔内。

5.如权利要求4所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述中心孔内设置一加固钢丝，所述加固钢丝穿入精细送粉弹簧的内径内且伸出中心孔外2.5-3mm；所述精细送粉弹簧的弹簧内径与加固钢丝的直径相同；且所述精细送粉弹簧和加固钢丝通过水玻璃粘接固定于中心孔中。

6.如权利要求4所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉分别通过快速接头螺母锁固在快速接头上；所述丝状送粉拨叉环绕在精细送粉弹簧的上端外圈。

7.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针管容器的容量为10-20cc。

8.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针头管的内径为0.5-0.7mm，且金属粉末精细流线的直径为0.5-0.7mm；所述针头管的外径为1.5-1.7mm。

9.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针头管的内径为Φ0.5±0.01mm、Φ0.6±0.01mm或Φ0.7±0.01mm中一种。

10.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针头管采用耐火陶瓷材料制成。

11.如权利要求10所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针头管采用Al₂O₃或ZrO₂耐火陶瓷材料制成。

12.如权利要求2所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉的丝直径为0.3-0.4mm，且丝状反向螺旋松粉搅拌拨叉设有两个螺距；所述反向螺旋松粉拨叉和丝状送粉拨叉的丝直径为0.15-0.25mm。

13.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针管容器内设置有限制旋转主轴左右摆动的上限位环、下限位环，所述上限位环、下限位环设置有供旋转主轴通过的轴孔和多个供金属粉末通过的通孔，且所述轴孔的孔径大于所述旋转主轴的直径。

14.如权利要求13所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述轴孔的孔径和所述旋转主轴的直径相差≤0.05-0.1mm，所述旋转主轴旋转时的左右摆动量≤0.2mm。

15.如权利要求13所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述旋转主轴上设置有限制旋转主轴上下窜动的上凸肩和下凸肩，所述上凸肩位于上限位环下方且两者之间具有间距，所述下凸肩位于下限位环上方且两者之间具有间距。

16.如权利要求15所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述上限位环和下限位环之间具有第一间距，所述上凸肩和下凸肩之间具有第二间距，所述第一间距和第二间距之差为旋转主轴上下摆动间距，所述旋转主轴上下摆动间距≤2mm。

17.如权利要求1所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述电机为微型直流调速电机。

18.如权利要求3所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述精细送粉弹簧的参数根据以下公式计算确定，

d＝3.8do+0.12，

D-d≥δ≥0.12，

h≥1.2d，

这里，d是精细送粉弹簧的外径，do是精细送粉弹簧的丝直径，D是针头管的内径，δ是精细送粉弹簧在针头管内的旋转间隙，h是精细送粉弹簧的螺距。

19.如权利要求18所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述精细送粉弹簧的螺距大于或等于金属粉末中最大颗粒粒径的8倍。

20.如权利要求18所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述精细送粉弹簧是采用冷加工硬化的铂丝或钨丝或钨铼丝制成。

21.如权利要求18所述的一种针管式3D打印机头，其特征在于：所述针头管的金属粉流量Q根据以下公式计算确定，Q＝k·π/4·D²·h·ρ·N，

这里，Q是针头管的金属粉流量，N是精细送粉弹簧转速，k是粉末加速系数，随转数N增加而增大；ρ是金属粉末松装密度。

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