WO2021093603A1 - 一种3d打印机同轴喷头及具有其的3d打印机 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印机同轴喷头及具有3D打印机同轴喷头的3D打印机，一种3D打印机同轴喷头包括外管(1)、内管(2)和喷嘴(3)，所述内管(2)嵌套在所述外管(1)内，所述喷嘴(3)设置在所述外管(1)的下端，所述内管(2)的第一管壁(4)内设置有半导体制冷器(21)；所述喷嘴(3)的管壁上设置有喷嘴加热装置(31)，所述喷嘴加热装置(31)与所述电源装置和所述控制装置电连接。由于3D打印机同轴喷头设置有外管(1)和内管(2)，通过两个管可以同时注入不同的打印材料；在内管(2)的第一管壁(4)内设置有半导体制冷器(21)，半导体制冷器(21)具有一面加热一面制冷的功能，可以分别对外管(1)和内管(2)内的打印材料进行加热或制冷，以确保打印材料在设定温度内，保持打印材料的特性。

Description

一种3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机
本申请要求于2019年11月12日提交中国专利局、申请号为201911100866.9、发明名称为“一种3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机。
背景技术
3D打印技术(3D printing)，即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去3D打印技术常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髓关节或牙齿，或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印成的零部件。3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工和叠加成型技术，但是未完成3D实体打印。
但是，在一些3D打印过程中，需要两种打印材料在输送过程中保持相对独立，在打印机的喷嘴处进行混合，特别是一些特殊材料打印机，在打印材料输送过程中需要保持一定的温度，比如需要加热或制冷来确保材料的特性；现有的3D打印机同轴喷头没有温控装置，不能够实现不同材料的温度控制。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供了一种3D打印机同轴喷头，能够在喷头中同时传送两种打印材料，同时对两种打印材料进行温度控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种3D打印机同轴喷头，包括外管1、内管2和喷嘴3，所述内管2嵌套在所述外管1内，所述喷嘴设置在所述外管1的下端，其特征在于，所述内管2的第一管壁4内设置有半导体制冷器21，所述第一管壁4内侧内嵌设有第一温度传感器41，所述第一管壁4外侧内嵌设有第二温度传感器42，所述半导体制冷器21连接有 电源装置，并和第一温度传感器41及第二温度传感器42与控制装置电连接；所述喷嘴3的管壁上设置有喷嘴加热装置31，所述喷嘴加热装置31与所述电源装置和所述控制装置电连接。
可选地，所述半导体制冷器21具有制冷面和加热面，所述加热面朝向所述第一管壁4外侧。
可选地，所述第一管壁4外侧内设置有风道43，所述风道43与外界连通。
可选地，所述外管1外侧管壁为第二管壁5，所述第二管壁5上设置有加热装置51和第三温度传感器52，所述加热装置51与所述电源装置电连接，所述加热装置51和所述第三温度传感器52与所述控制装置电连接。
可选地，所述半导体制冷器21、所述第一温度传感器41和所述第二温度传感器42都为多个，多个所述半导体制冷器21、所述第一温度传感器41和所述第二温度传感器42均布在所述第一管壁4内。
可选地，所述加热装置51和所述第三温度传感器52都为多个，多个所述加热装置51和所述第三温度传感器52均布在所述第二管壁5内。
可选地，所述喷嘴加热装置31与所述电源装置之间电连接有开关装置，所述开关装置为电子压力开关6，所述电子压力开关6设置在所述喷嘴3内，所述喷嘴3为双层结构，所述双层结构包括内层和外层，所述内层材料的热膨胀系数和所述外层材料的热膨胀系数不同。
可选地，所述内层材料的膨胀系数大于所述外层材料的膨胀系数。
可选地，所述内层和所述外层之间设有间隙。
本发明还公开了一种3D打印机，所述打印机包括上述任意3D打印机同轴喷头。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的一种3D打印机同轴喷头及3D打印机，由于3D打印机同轴喷头设置有外管和内管，通过两个管能够同时注入不同的打印材料；在内管的第一管壁内设置有半导体制冷器，半导体制冷器具有一面加热一面制冷的功能，可以分别对外管和内管内的打印材料进行加热或制 冷，以确保打印材料在设定温度内，保持打印材料的特性。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一3D打印机同轴喷头剖视图；
图2是本发明实施例二3D打印机同轴喷头剖视图；
图3是本发明实实施例三3D打印机同轴喷头剖视图；
图4是本发明喷嘴实施例一剖视图；
图5是本发明喷嘴实施例二剖视图；
图6是本发明喷嘴实施例二喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图；
图7是本发明喷嘴实施例三剖视图；
图8是本发明喷嘴实施例三喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图；
图9是本发明喷嘴实施例四剖视图；
图10是本发明喷嘴实施例四喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、外管，2、内管，21、半导体制冷器，3、喷嘴，31、喷嘴加热装置，4、第一管壁，41、第一温度传感器，42、及第二温度传感器，43、风道，5、第二管壁，51、加热装置，52、第三温度传感器，6、电子压力开关，7、支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围。
本发明的目的是提供一种3D打印机同轴喷头，能够在喷头中同时传送两种打印材料，同时对两种打印材料进行温度控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例一3D打印机同轴喷头剖视图参见图1。
一种3D打印机同轴喷头，包括外管1、内管2和喷嘴3，内管2嵌套在外管1内，喷嘴设置在外管1的下端，内管2的第一管壁4内设置有半导体制冷器21，第一管壁4内侧内嵌设有第一温度传感器41，第一管壁4外侧内嵌设有第二温度传感器42，半导体制冷器21连接有电源装置，半导体制冷器21和第一温度传感器41及第二温度传感器42与控制装置电连接；喷嘴3的管壁上设置有喷嘴加热装置31，喷嘴加热装置31与电源装置(本实施例中未示出)和控制装置(本实施例中未示出)电连接。在本实施例中，半导体制冷器21具有制冷面和加热面，加热面朝向第一管壁4外侧。在外管1的外侧设置有支架7，支架7用于固定喷头。在具体实施例中，打印机喷头可以通过螺纹等方式与输送打印材料装置连接。
本发明的工作原理为：在涉及两种3D打印材料同时混合打印时，特别是一些特殊材料的打印，为了保证材料的有效性和活性，在两种材料混合前，需要对其中一种材料进行较低温度冷却，另外一种材料进行加热。在打印时，需要低温冷却的材料注入内管2，需要加热的材料注入外管1，由于在内管2的第一管壁4内设置有半导体制冷器21，半导体制冷器21具有制冷面和加热面，加热面朝向第一管壁4外侧。通过电源装置为半导体制冷器21进行供电，控制装置使半导体制冷器21工作，内管2中的打印材料进行冷却，外管1中的材料进行加热；然后通过通过第一温度传感器41反馈内管2中打印材料的温度，通过第二温度传感器42反馈外管1中的材料温度，控制装置根据反馈的温度实时控制半导体制冷器21的制冷和加热，确保管内的打印材料的温度达到要求。
同时，喷嘴加热装置31对流经喷嘴的混合打印材料进行加热，确保打印材料具有良好的可塑性；再有，在打印结束后，由于半导体制冷器21停止工作，在喷嘴的打印材料会冷凝凝固，这时候，启动喷嘴加热装 置31对喷嘴的打印材料进行加热，确保喷嘴的打印材料与喷嘴内壁脱落，便于喷嘴打印材料的回收。
由于半导体制冷器21的特殊制冷发热特性，加热面朝向第一管壁4外侧，使得半导体制冷器21的发热面的接触面积较大，其热量很容易散发出来，并传递给外管1内的打印材料中；同时，也确保了半导体制冷器21另一面的制冷效果，并提高了半导体制冷器21的可靠性和使用寿命。
在具体实施例中，为了确保制冷和散热及加热效果，确保半导体制冷器21的两面与第一管壁4良好接触。
本发明实施例二3D打印机同轴喷头剖视图参见图2，与实施例一相比，其区别在于：外管1外侧管壁为第二管壁5，第二管壁5上设置有加热装置51和第三温度传感器52，加热装置51与电源装置电连接，加热装置51和第三温度传感器52分别与控制装置电连接。
在第二管壁5上设置加热及温控装置，可以为外管1内的打印材料进行辅助加热，确保管内的打印材料受热均匀，同时，在半导体制冷器21加热达不到设定温度的时候，启动第二管壁5上的加热装置进行加热，确保管内打印材料达到设定温度。
本发明实实施例三3D打印机同轴喷头剖视图参见图3，与实施例一相比，其区别在于：第一管壁4外侧内设置有风道43，风道43与外界连通。
通过设置风道43，可以在风道43的出口处设置风机，风机与控制装置电连接，风机对风道进行抽风或送风，以便准确控制第一管壁4外侧的加热温度。在具体实施例中，当外管1中打印材料需要加热的温度不是太高的时候，需要对半导体制冷器21的加热面的热量进行适当的散发，来调节半导体制冷器21的加热面对外管1中打印材料的加热温度。
在具体实施例中，风道43可以设置为U型风道，进一步在风道口上设置抽风装置来确保对半导体制冷器21的加热面温度更为准确的控制。
本发明喷嘴实施例一剖视图参见图4，喷嘴3的管壁上设置有喷嘴加热装置31，喷嘴加热装置31分别与电源装置和控制装置电连接。
其作用是：喷嘴加热装置31对流经喷嘴的混合打印材料进行加热，确保打印材料具有良好的可塑性；再有，在打印结束后，由于半导体制冷 器21停止工作，在喷嘴的打印材料会冷凝凝固，这时候，启动喷嘴加热装置31对喷嘴的打印材料进行加热，确保喷嘴的打印材料与喷嘴内壁脱落，便于喷嘴打印材料的回收。
本发明喷嘴实施例二剖视图参见图5，喷嘴3为双层结构，双层结构包括内层和外层，内层材料的热膨胀系数和外层材料的热膨胀系数不同。
在打印时，内层材料的热膨胀系数和外层材料的热膨胀系数不同，喷嘴会发生变形即是向外扩张(如图6所示，即是喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图)，在打印结束时，打印机停止为打印材料加热，但是由于喷嘴在恢复变形的过程中，这样可以对喷嘴处的冷却的打印材料进行挤压，避免打印材料与喷嘴内壁粘连；确保在回收打印材料时，打印材料顺利回缩至进料管内。
本发明喷嘴实施例三剖视图参见图7，与实施例三相比，其区别在于：喷嘴3为双层结构，双层结构包括内层和外层，内层和外层之间设有间隙。
由于内层和外层之间设有间隙，当高温打印材料流经喷嘴时，喷嘴的内层温度会很高，由于，外层和内层部直接接触，其外层的温度较低；同时，由于内层的热膨胀系数较大和外层的热膨胀系数较小，这样内层就会在喷嘴的管口处向外膨胀弯曲变形较大(如图8所示，即是喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图)，进而确保在喷嘴冷却后内层恢复原状时产生较大的挤压力，很容易使冷却固化的打印材料与内层管壁脱落。
本发明喷嘴实施例四剖视图参见图9，与实施例三相比，其区别在于：喷嘴加热装置31与电源装置之间电连接有开关装置，开关装置为电子压力开关6，电子压力开关6设置在喷嘴3内，喷嘴3为双层结构，双层结构包括内层和外层，内层材料的热膨胀系数和外层材料的热膨胀系数不同。
通过喷嘴加热装置31与电子压力开关6连接，在打印时，内层材料的热膨胀系数和外层材料的热膨胀系数不同，喷嘴会发生变形即是向外扩张(如图10所示，即是喷嘴处容有加热后的打印材料工作状态剖视图)，当电子压力开关6会受到挤压，当其感应到压力大于设定值时，喷嘴加热装置31发热，这样可以对喷嘴处的打印材料进行辅助加热，确保打印材料的加热效果；同时，在打印结束时，打印机停止为打印材料加热，但是 由于喷嘴在恢复变形的过程中，相嵌在喷嘴内的电子压力开关6感应到压力会大于设定值，这样可以对喷嘴处的冷却的打印材料进行持续辅助加热，避免打印材料与喷嘴内壁粘连；确保在回收打印材料时，打印材料顺利回缩至进料管内。
在具体实施例中，半导体制冷器21、第一温度传感器41和第二温度传感器42都为多个，多个半导体制冷器21、第一温度传感器41和第二温度传感器42均布在第一管壁4内。
多半导体制冷器21确保加热的均匀性，多个温度传感器确保温度反馈的准确性；提高了内管和外管的温度的准确性。
在具体实施例中，加热装置51和第三温度传感器52都为多个，多个加热装置51和第三温度传感器52均布在第二管壁5内。
多个加热装置51和多个温度传感器，确保温度加热及反馈的准确性；提高了外管的温度的准确性。
在具体实施例中，本发明的控制装置和电源装置可以根据打印机的情况进行设置，比如设置在喷头的外侧，支架上，或者设置在打印机主体上。
本发明还提供一种3D打印机，打印机包括如上述的3D打印机同轴喷头。
由于本发明的打印机喷头设置有外管1和内管2，在两个管内可以同时注入不同的打印材料；在内管2的第一管壁4内设置有半导体制冷器21，半导体制冷器21具有一面加热一面制冷的功能，可以分别对外管1和内管2内的打印材料进行加热或制冷，以确保打印材料在设定温度内，保持打印材料的特性。
在具体实施例中，内层的厚度与外层的厚度比例为3:1至4:1之间进行任意选择。
通过选择适当的厚度差值，热膨胀和冷收缩产生的挤压力较大，提高对固化的打印材料的挤压效果。
在具体实施例中，在内层与外层相对的面上设置有凹凸结构，比如设置为锯齿状等。
在内层的内表面上设置凹凸结构的锯齿状，在喷嘴流过加热的打印材料时，喷嘴内层向外层变形过程中，由于内层的内表面上设置凹凸结构 23，内层变形受到的反作用力较小，比较容易变形；较大的变形可以确保当打印材料冷却时，内层对固化的打印材料的较大作用了，以推动固化的打印材料与内层脱落。
同时，在具体实施例中，锯齿深度的设置，将锯齿的深度为内层厚度的1/3至1/2之间，在确保内层在加热过程中产生足够的形变同时，在冷却的过程中因为内层足够的厚度，可以产生足够的压力以推动固化的打印材料与内层脱落。
在具体实施例中，可以将根据电子压力开关6感应到压的大小对喷嘴加热装置的功率进行自动调整，比如，随着压力的增大，加热的功率变大。这样，当在打印结束后，当喷嘴3的打印材料急剧降温，瞬间固化，由于此时；电子压力开关感应到压最大，喷嘴加热装置的功率也为最大，喷嘴的打印材料不会固化，进一步提高打印材料的回收效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

  1. 一种3D打印机同轴喷头，包括外管(1)、内管(2)和喷嘴(3)，所述内管(2)嵌套在所述外管(1)内，所述喷嘴设置在所述外管(1)的下端，其特征在于，所述内管(2)的第一管壁(4)内设置有半导体制冷器(21)，所述第一管壁(4)内侧内嵌设有第一温度传感器(41)，所述第一管壁(4)外侧内嵌设有第二温度传感器(42)，所述半导体制冷器(21)连接有电源装置，并和第一温度传感器(41)及第二温度传感器(42)与控制装置电连接；所述喷嘴(3)的管壁上设置有喷嘴加热装置(31)，所述喷嘴加热装置(31)与所述电源装置和所述控制装置电连接。
  2. 根据权利要求1所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述半导体制冷器(21)具有制冷面和加热面，所述加热面朝向所述第一管壁(4)外侧。
  3. 根据权利要求2所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述第一管壁(4)外侧内设置有风道(43)，所述风道(43)与外界连通。
  4. 根据权利要求3所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述外管(1)外侧管壁为第二管壁(5)，所述第二管壁(5)上设置有加热装置(51)和第三温度传感器(52)，所述加热装置(51)与所述电源装置电连接，所述加热装置(51)和所述第三温度传感器(52)与所述控制装置电连接。
  5. 根据权利要求1至4任一所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述半导体制冷器(21)、所述第一温度传感器(41)和所述第二温度传感器(42)都为多个，多个所述半导体制冷器(21)、所述第一温度传感器(41)和所述第二温度传感器(42)均布在所述第一管壁(4)内。
  6. 根据权利要求4所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述加热装置(51)和所述第三温度传感器(52)都为多个，多个所述加热装置(51)和所述第三温度传感器(52)均布在所述第二管壁(5)内。
  7. 根据权利要求1至4任一所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述喷嘴加热装置(31)与所述电源装置之间电连接有开关装置，所述开关装置为电子压力开关(6)，所述电子压力开关(6)设置在所述喷嘴(3)内，所述喷嘴(3)为双层结构，所述双层结构包括内层和外层，所述内层材料的热膨胀系数和所述外层材料的热膨胀系数不同。
  8. 根据权利要求7所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所 述内层材料的膨胀系数大于所述外层材料的膨胀系数。
  9. 根据权利要求8所述的一种3D打印机同轴喷头，其特征在于：所述内层和所述外层之间设有间隙。
  10. 一种3D打印机，其特征在于：所述打印机包括如权利要求1至9所述的3D打印机同轴喷头。
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