CN218838649U - 在线无级变截面3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在线无级变截面3D打印喷头，在打印过程中、不停机的情况下，通过改变喷头开口大小，配合工艺参数的实时调整，实现一根线条上截面尺寸大小的无级流畅变化；且采用方形截面，线条之间接触面积大，间隙小，几何精度和力学性能都显著提高。不同于现有的多喷头切换的方式，线条截面大小的变化是连续的，无级的，大尺寸范围的，运行效率更高，能够形成跨尺度结构、功能梯度结构以及质量更好的结构表面。

Description

在线无级变截面3D打印喷头

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，尤其是一种在线无级变截面3D打印喷头。

背景技术

3D打印(Three-dimensional printing)，即快速成型技术(Rapid prototypetechnique)，是增材制造(Additive manufacturing)的一种方式。与传统减材制造、等材制造不同，它以数字化文件为基础，运用金属或陶瓷粉末、聚合物浆料甚至是生物组织等材料，层层堆叠打印来构造物体。3D打印存在不同的方式，它们的不同在于所用材料，以及材料的使用方式，其中FDM(Fused deposition modeling熔融沉积成型),DIW(墨水直写打印技术)等材料挤出式的3D打印方法就是将三维模型导入切片软件获取打印路径，通过气压、活塞、螺杆阀等驱动力，将浆料通过喷头挤出，在指定路径上层层堆叠来构型。材料挤出3D打印材料适应范围广，被广泛应用于医疗、航天、能源等领域。

但当有不同粗细线条需求时，要更换不同粗细的针管，或者使用多喷头切换，它们的粗细变化是突然的、不流畅的，如果要连在一起是不紧密的；或者通过打印气压、移动速度等打印参数调节，它的粗细变化是连续的但存在打印极限，超出范围后会出现打印不连续或者不稳定现象；且传统的3D打印线条截面都是圆形，线条之间的接触小，粘附性差，且有较大的孔隙率，影响几何精度、构型能力和力学性能。

实用新型内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的在线无级变截面3D打印喷头，能够挤出一条线条上截面尺寸大小的无级流畅变化的物料，且方形截面线条之间接触面积大，间隙小，几何精度和力学性能都显著提高。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种在线无级变截面3D打印喷头，包括支撑板，所述支撑板上设有传动组件，传动组件带动有活动出料组件，

所述传动组件包括主动轴、被主动轴带动的若干从动齿轮；所述主动轴与外界动力源相接，

所述活动出料组件包括被从动齿轮带动的叶根，叶根上延伸出插板，插板环形阵列设置，围拢形成出料空间；出料空间随插板的转动而改变自身截面大小。

所述叶根旋转对称设置；每个叶根包括两条相交的直线棱边，相邻两叶根之间的直线棱边处相互贴合。

插板安装在叶根的直线棱边处，每个插板包括与叶根的两条直线棱边相接触的安装边，在安装边背离支撑板一侧延伸出楔形的板体，板体面向支撑板中垂线的一侧为平行于该中垂线的平面。

所述板体的竖直方向分为若干个侧壁，包括至少两个相互垂直的平面、至少两个相接的斜面，相邻侧壁之间的平面相互贴合。

同一板体上的相邻垂直平面分别为：

用于围成出料通道的出料壁面；

作为出料壁面滑移调节基准的滑移壁面。

其中一条安装边与叶根之间设有弹簧。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型结构紧凑、合理，操作方便，通过将开口截面的形状设置为方形，方形截面较圆形截面，线条之间的接触面积大，黏附性好，干燥后收缩率小且打印的构件孔隙率更小，有着更好的力学性能；

可以在同一条线条上实现截面的无极变化，不用停机更换喷头，且不同于现有的多喷头切换的方式，线条截面大小的变化是连续的，无极的，运行效率更高，同时能够节约材料；

运用该方法实现分区打印的加工方式，即构件精度要求高的地方使用细线条打印，在构件精度要求低的地方使用粗线条打印；细线条打印的构件几何精度高，力学性能好，粗线条构件打印速度快，且该方法可在同一线条上实现无极变化，分区间的联系紧密，可以在保证原目标功能实现的同时，提高加工效率。

附图说明

图1为本实用新型的喷头结构示意图。

图2为本实用新型的喷头结构另一视角的示意图。

图3为本实用新型的喷头结构的仰视图。

图4为本实用新型的喷头结构隐藏掉一个叶根的结构示意图。

图5为本实用新型的喷头结构隐藏掉一个叶根和一个插板的结构示意图。

图6为本实用新型中单独一块插板的结构示意图。

图7为本实用新型的喷头结构隐藏掉两块插板的结构示意图。

图8为本实用新型的喷头结构隐藏掉两块插板的另一视角结构示意图。

图9-1为本实用新型的喷头结构初始状态示意图。

图9-2为本实用新型的喷头结构调节后的使用状态示意图。

图10为本实用新型使用流程框图。

图11为本实用新型挤出的一条带有变径段的物料。

图12为本实用新型挤出的一条带有三段变径的拐弯物料。

图13为本实用新型的打印小船示意图。

其中：1、支撑板；2、传动组件；3、活动出料组件；4、出料口；

201、主动轴；202、从动齿轮；

301、叶根；302、插板；303、安装边；304、弹簧；305、板体；306、出料壁面；307、滑移壁面。

具体实施方式

下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1-图13所示，本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，包括支撑板1，支撑板1上设有传动组件2，传动组件2带动有活动出料组件3，

传动组件2包括主动轴201、被主动轴201带动的若干从动齿轮202；主动轴201与外界动力源相接，

活动出料组件3包括被从动齿轮202带动的叶根301，叶根301上延伸出插板302，插板302环形阵列设置，围拢形成出料空间；出料空间随插板302的转动而改变自身截面大小。

本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，叶根301旋转对称设置；每个叶根301包括两条相交的直线棱边，相邻两叶根301之间的直线棱边处相互贴合。

本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，插板302安装在叶根301的直线棱边处，每个插板302包括与叶根301的两条直线棱边相接触的安装边303，在安装边303背离支撑板1一侧延伸出楔形的板体305，板体305面向支撑板1中垂线的一侧为平行于该中垂线的平面。

本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，板体305的竖直方向分为若干个侧壁，包括至少两个相互垂直的平面、至少两个相接的斜面，相邻侧壁之间的平面相互贴合。

本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，同一板体305上的相邻垂直平面分别为：

用于围成出料通道的出料壁面306；

作为出料壁面306滑移调节基准的滑移壁面307。

本实施例的在线无级变截面3D打印喷头，其中一条安装边303与叶根301之间设有弹簧304。

本实用新型的具体结构及工作过程如下：

本实施例中，在一块矩形的支撑板1上方设置从动齿轮202，从动齿轮202带动支撑板1下方的叶根301转动。从动齿轮202啮合有主动轴201，主动轴201被外界电机带动，主动轴201可以啮合一个从动齿轮202，也可以同时啮合两个从动齿轮202。考虑到叶根301之间是相贴的，一个叶根301转动可以推动所有叶根301同向转动，因此主动轴201与一个从动齿轮202啮合即可实现出料口4活动调节的目的。

本实用新型的一个实施例中，四个从动齿轮202带动四个叶根301、每个叶根301带动一个插板302，采用四片插板302围成横截面为方形的出料通道。由于出模膨胀以及浆料沉积的原因，从截面为方形的出料口4输出的物料截面为趋于圆角矩形，如果增加插板302和对应从动齿轮202的数量，理论上插板302数量越多，所围成的出料口4越趋于圆形，实现圆形截面的无级调节。

本实施例的优势在于：与传统打印的圆形截面输出物料相比，相邻两条物料之间的接触面积明显增大，圆形截面输出物料之间为线接触，方形截面输出物料之间为面接触；圆形截面输出物料之间形成较大孔隙，方形截面输出物料之间的间隙明显小。根据现有文献Begum S R,Kumar M S,Pruncu C I,etal.Optimization and Fabrication ofCustomized Scaffold Using Additive Manufacturing to Match the Property ofHuman Bone[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2021:1-12.的记载，方形结构植入物有利于药物的释放和细胞的恢复生长，能够满足基本的生活负载。

本实施例的无级变截面调整原理为：由电机驱动，带动插板302开合，从而调节出料口4截面大小；并配合挤出速度，平移速度以及喷头高度等参数，保持截面形状大小稳定。出料口4截面变大时，挤出速度提高，平移速度减缓，喷头高度提高。

使用本实用新型的打印喷头进行无级变截面调整时，分为变截面变大或变小两种状态。出料截面变大阶段原理如下：

外界动力源带动主动轴201；

主动轴201转动，带动其中一个或几个从动齿轮202；

从动齿轮202带动其对应的叶根301，叶根301转动，其直线棱边推动相邻的叶根301，使所有叶根301同向转动；

叶根301带动对应的插板302摆动，插板302随叶根301的转动，呈螺旋线路径，向背离支撑板1中心的方向摆动，使插板302之间围成的空间变大，即出料截面变大；

出料截面变小阶段原理如下：

主动轴201反转，带动其中一个或几个从动齿轮202；

从动齿轮202带动其对应的叶根301反转，叶根301的直线棱边推动相邻的叶根301，使所有叶根301反向转动；

叶根301带动对应的插板302摆动，插板302随叶根301的反向转动，呈螺旋路径，向靠近支撑板1中心的方向摆动，使插板302之间围成的空间变小，即出料截面变小。

结合参考图11和图12，本实施例能够随时在一根挤出物料上实现截面大小的无极变化。同时也可以通过设置多个喷头，直接打印目标截面大小，形成突变截面。理论上，只要电机的转速和活动出料组件3能够正常运转、不卡滞，通过增加插板302数量，出料口4截面变成可以完成从cm级到μm级的变化，实现高精度打印。

本实施例还能实现斜面打印，无极变化截面喷头能实现更加光滑的斜面；传统3D打印通过层层堆叠成型，无论线条再细，斜面也会是阶梯状的，粗糙度较高；无极截面变化喷头打印的斜面时，通过截面积大小的逐渐变小形成斜面，变化的过程是无极的，连续的，所以斜面的粗糙度是光滑的。

本实施例还能实现分区打印，小截面积线条打印的零件，整体结构的几何精度高，形状分辨高；大截面积线条打印的零件，打印速度快；本实施例提出一种分区打印方法，在精度要求高的地方运用小截面的线条，在精度要求较低的地方放大截面积，可以保持原有目标性能又加快打印速度，且由于在一根线条上无极变化截面大小，不同区域之间的联系更为紧密；若采用多喷头，无法实现连续无极变化，不同区域是分割的，不紧密。

分区打印时，以打印带有斜面和平面的小船为例，如图13所示，线条截面边长可以从10mm缩小至1mm，从而实现小船船身中部到尖端的平滑打印。打印过程中，切片路径使用贯穿所有截面中心的连线。

本实施例的喷头结构还能够用于打印突变截面，突变界面主要针对特征尺寸相差较大的区域。以图13的小船为例，船两头区域采用连续变截面实现；船身中间采用单一粗线条快速打印；船身顶部细节通过细线条实现精确打印。

本实用新型的分区打印的加工方式，即构件精度要求高的地方使用细线条打印，在构件精度要求低的地方使用粗线条打印；细线条打印的构件几何精度高，力学性能好，粗线条构件打印速度快，且该方法可在同一线条上实现无极变化，分区间的联系紧密，可以在保证原目标功能实现的同时，提高加工效率。

以上描述是对本实用新型的解释，不是对实用新型的限定，本实用新型所限定的范围参见权利要求，在本实用新型的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种在线无级变截面3D打印喷头，包括支撑板(1)，其特征在于：所述支撑板(1)上设有传动组件(2)，传动组件(2)带动有活动出料组件(3)，

所述传动组件(2)包括主动轴(201)、被主动轴(201)带动的若干从动齿轮(202)；所述主动轴(201)与外界动力源相接，

所述活动出料组件(3)包括被从动齿轮(202)带动的叶根(301)，叶根(301)上延伸出插板(302)，插板(302)环形阵列设置，围拢形成出料空间；出料空间随插板(302)的转动而改变自身截面大小。

2.如权利要求1所述的一种在线无级变截面3D打印喷头，其特征在于：所述叶根(301)旋转对称设置；每个叶根(301)包括两条相交的直线棱边，相邻两叶根(301)之间的直线棱边处相互贴合。

3.如权利要求2所述的一种在线无级变截面3D打印喷头，其特征在于：插板(302)安装在叶根(301)的直线棱边处，每个插板(302)包括与叶根(301)的两条直线棱边相接触的安装边(303)，在安装边(303)背离支撑板(1)一侧延伸出楔形的板体(305)，板体(305)面向支撑板(1)中垂线的一侧为平行于该中垂线的平面。

4.如权利要求3所述的一种在线无级变截面3D打印喷头，其特征在于：所述板体(305)的竖直方向分为若干个侧壁，包括至少两个相互垂直的平面、至少两个相接的斜面，相邻侧壁之间的平面相互贴合。

5.如权利要求4所述的一种在线无级变截面3D打印喷头，其特征在于：同一板体(305)上的相邻垂直平面分别为：

用于围成出料通道的出料壁面(306)；

作为出料壁面(306)滑移调节基准的滑移壁面(307)。

6.如权利要求3所述的一种在线无级变截面3D打印喷头，其特征在于：其中一条安装边(303)与叶根(301)之间设有弹簧(304)。

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