CN103737935A - 3d打印机的打印头喷头结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于印刷设备技术领域，涉及一种3D打印机的打印头喷头结构。它解决了现有技术能耗高、喷头的出丝效率低下、喷头易堵住、耗材挤出困难等技术问题。它包括加热机构，所述加热机构内设有喷嘴组件和加热组件，加热机构连接呈筒状的散热机构，加热机构和散热机构之间还设有隔热机构且该隔热机构连通喷嘴组件和散热机构。本发明具有能耗低、出丝效率高、喷嘴不易堵住、耗材挤出容易等优点。

Description

3D打印机的打印头喷头结构

技术领域

本发明属于印刷设备技术领域，涉及一种打印机的喷头结构，具体涉及一种3D打印机的打印头喷头结构。

背景技术

3D打印机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。过去其常在模具制造、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。

在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。这些原材料经加热后熔化，从3D打印机的打印头喷头中喷出后冷却为固态，整个打印的过程就是喷头按照程序不断的喷出液体的原材料并成功在模型上冷却，最终得到3D的固体实物。但现有的3D打印机的喷头结构的加热端与散热端之间的隔热效果较差，因此加热端的热量会快速传递到散热端中，这样就引起两个问题：1、加热端的热量迅速传递到散热端中，导致加热端热量散失较大，能耗较高；2、散热端中的温度较高，耗材在散热端中过早软化，导致喷头的出丝效率低下、喷头易堵住、耗材挤出困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种3D打印机的打印头喷头结构，解决了现有技术能耗高、喷头的出丝效率低下、喷头易堵住、耗材挤出困难等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种3D打印机的打印头喷头结构，包括加热机构，所述加热机构内设有喷嘴组件和加热组件，加热机构连接呈筒状的散热机构，加热机构和散热机构之间还设有隔热机构且该隔热机构连通喷嘴组件和散热机构。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述隔热机构包括隔热连接管，所述隔热连接管由一体成型的大管和小管组成，大管与喷嘴组件可拆卸的连接，小管与散热机构可拆卸的连接。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述隔热机构还包括设在散热机构内的导料管，该导料管一端插入到小管内，另一端插入到散热机构内与散热机构的端部内壁贴合。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述散热机构包括呈圆筒状的散热管，散热管外壁均匀设置有多片散热片，小管插入到与散热管内与散热管螺接，散热管远离小管的一端设有一个卡口，该卡口与散热管端部的连接处形成缩口，导料管一端插入到小管内，另一端插入到散热管内与缩口贴合。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述加热机构包括呈方柱形的加热块，所述加热块内设有加热孔且该加热孔贯穿加热块相对置的两个侧面，所述加热块内还设有喷嘴孔且该喷嘴孔贯穿加热块另一相对置的两个侧面，所述加热孔内设有加热组件，所述喷嘴孔内设有与加热块螺接的喷嘴组件且喷嘴组件两端凸出加热块外壁，加热块内还设有测温孔且测温孔内设有能检测喷嘴组件温度的热电偶组件。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述加热孔和喷嘴孔相互垂直且不连通，所述加热块上还设有一个与加热孔垂直的固定螺孔且该固定螺孔一端连通加热孔，另一端贯穿加热块的外壁，所述测温孔与加热孔平行，测温孔一端连通喷嘴孔，另一端贯穿加热块的外壁，所述加热组件包括设在加热孔内的热电阻和与热电阻连接的第一导线，所述喷嘴组件包括具有外螺纹且中间具有喷嘴流道的喷嘴本体，所述喷嘴本体的一个端部膨大形成喷头，喷头中心设有贯穿喷头且连通喷嘴流道的喷孔，该喷孔的孔径小于喷嘴流道，喷嘴本体通过喷嘴孔与加热块螺接且喷嘴本体的喷头与加热块紧贴，喷嘴本体远离喷头的另一端延伸出加热块外壁并与大管螺接，所述热电偶组件包括设在测温孔内的热电偶，所述热电偶连接第二导线，热电偶与喷嘴本体贴合。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述喷嘴本体延伸出加热块外壁的一端插入到大管内与大管螺接且导料管的两端分别抵住喷嘴本体的端部和缩口，导料管的外壁与散热管的内壁贴合。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述喷嘴流道的孔径小于导料管的孔径。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述隔热机构由低热导率塑料制成。

在上述的3D打印机的打印头喷头结构中，所述隔热连接管的材质为Peek，所述导料管的材质为Ptfe。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、用Peek制成的隔热连接管的热导率远低于金属（如不锈钢）连接件，可可有效的阻隔加热机构的热量往散热机构传导，从而防止耗材过早软化及加热机构的热量损失，既降低了能耗又保证了耗材容易挤出；2、Ptfe制成的导料管具有自润滑特性，使得耗材在通过该导料管时阻力更小，送料更方便，该导料管内壁还可与部分熔融耗材形成类似针筒活塞结构以便将喷嘴组件中液化后的耗材挤出，该管外壁紧贴散热管，散热更高效，因此喷嘴组件的出丝效率高、喷嘴不易堵住、耗材挤出容易。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图；

图2是本发明提供的爆炸图；

图3是本发明提供的加热块的内部结构示意图。

图中：加热机构1、加热块11、加热孔12、喷嘴孔13、测温孔14、固定螺孔15、喷嘴组件2、喷嘴本体20、喷嘴流道21、喷头22、加热组件3、热电阻31、第一导线32、散热机构4、散热管40、散热片41、卡口42、缩口43、隔热机构5、隔热连接管50、大管51、小管52、导料管53、热电偶组件6、热电偶61、第二导线62。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1、图2、图3所示，一种3D打印机的打印头喷头结构，包括加热机构1，所述加热机构1内设有喷嘴组件2和加热组件3，加热机构1连接呈筒状的散热机构4，加热机构1和散热机构4之间还设有隔热机构5且该隔热机构5连通喷嘴组件2和散热机构4，隔热机构5由低热导率塑料制成。隔热机构5可有效的阻隔加热机构1的热量往散热机构4传导，一方面可以防止加热机构1的热量直接传导到散热机构4，从而导致加热机构1的热量损失；另一方面可以防止散热机构4内的耗材（如墨棒、塑料条等）过早软化，避免耗材挤出困难。

隔热机构5包括隔热连接管50，所述隔热连接管50由一体成型的大管51和小管52组成，大管51与喷嘴组件2可拆卸的连接，小管52与散热机构4可拆卸的连接。隔热机构5还包括设在散热机构4内的导料管53，该导料管53一端插入到小管52内，另一端插入到散热机构4内与散热机构4的端部内壁贴合。隔热连接管50的材质为Peek，所述导料管53的材质为Ptfe。Peek属耐高温特种塑料，软化温度大于300℃，热导率远低于金属（如不锈钢等）连接件，可有效的阻隔加热机构1的热量往散热机构4传导；Ptfe同属耐高温材料，软化温度大于250℃，且具有自润滑特性，使得耗材在通过导料管53时阻力更小，送料更方便，该导料管53内壁还可与部分熔融耗材形成类似针筒活塞结构以便将喷嘴组件2中液化后的耗材挤出（耗材通常是条状的，穿入在导料管53中），该导料管53外壁紧贴散热机构4，散热更高效（散热效率不高会导致上端耗材过早软化，无法推动活塞结构出料）。

散热机构4包括呈圆筒状的散热管40，散热管40外壁均匀设置有多片散热片41，散热片41的形状可以多种多样，如三角形、多边形、圆形、椭圆形等等，在本实施例中，散热片41为圆形翅片，小管52插入到与散热管40内与散热管40螺接，散热管40远离小管52的一端设有一个卡口42，该卡口42与散热管40端部的连接处形成缩口43，在这个结构中，导料管53一端插入到小管52内，另一端插入到散热管40内与缩口43贴合。卡口42便于与耗材的输料机构连接，缩口43与导料管53贴合后可直接将耗材输入到导料管53中，并由导料管53进入到喷嘴组件2中。

加热机构1包括呈方柱形的加热块11，所述加热块11内设有加热孔12且该加热孔12贯穿加热块11相对置的两个侧面，所述加热块11内还设有喷嘴孔13且该喷嘴孔13贯穿加热块11另一相对置的两个侧面，所述加热孔12内设有加热组件3，所述喷嘴孔13内设有与加热块11螺接的喷嘴组件2且喷嘴组件2两端凸出加热块11外壁，加热块11内还设有测温孔14且测温孔14内设有能检测喷嘴组件2温度的热电偶组件6。喷嘴组件2的材质为铜，加热块11的材质为铝，铜和铝的热导率都较高，能够较快的传递加热组件3产生的热量。

加热孔12和喷嘴孔13相互垂直且不连通，从而防止加热组件3直接给喷嘴组件2直接加热导致喷嘴组件2的温度过高，耗材过分软化；所述加热块11上还设有一个与加热孔12垂直的固定螺孔15且该固定螺孔15一端连通加热孔12，另一端贯穿加热块11的外壁，固定螺孔15中可以插入螺丝或螺栓等用于固定加热组件3；所述测温孔14与加热孔12平行，测温孔14一端连通喷嘴孔13，另一端贯穿加热块11的外壁，所述加热组件3包括设在加热孔12内的热电阻31和与热电阻31连接的第一导线32，所述喷嘴组件2包括具有外螺纹且中间具有喷嘴流道21的喷嘴本体20，喷嘴流道21的孔径小于导料管53的孔径，显然，喷嘴流道21与导料管53的孔径为1:1时为最佳状态，但当导料管53遇热时会产生膨胀，其膨胀系数要大于喷嘴组件2的膨胀系数，因此导料管53的孔径会缩小，此时喷嘴流道21与导料管53的孔径基本为1:1，达到送料的最佳状态；所述喷嘴本体20的一个端部膨大形成喷头22，喷头22中心设有贯穿喷头22且连通喷嘴流道21的喷孔（图中未示出），该喷孔的孔径小于喷嘴流道21，喷孔的孔径控制在0.2-0.35mm之间，喷嘴本体20通过喷嘴孔13与加热块11螺接且喷嘴本体20的喷头22与加热块11紧贴，喷嘴本体20远离喷头22的另一端延伸出加热块11外壁，所述热电偶组件6包括设在测温孔14内的热电偶61，所述热电偶61连接第二导线62，热电偶61与喷嘴本体20贴合，热电偶61与喷嘴本体20贴合，使测温更准确。

喷嘴本体20延伸出加热块11外壁的一端插入到大管51内与大管51螺接且导料管53的两端分别抵住喷嘴本体20的端部和缩口43，导料管53的外壁与散热管40的内壁贴合,从而可以将导料管53中的耗材的热量及时传递给散热管40，防止耗材过早软化。

下表是各种材料的热导率数值。

材料	热导率（20℃，W/m.K）
		铜	401
铝	237
		不锈钢	60
Peek	0.25
		Ptfe	0.24

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了加热机构1、加热块11、加热孔12、喷嘴孔13、测温孔14、固定螺孔15、喷嘴组件2、喷嘴本体20、喷嘴流道21、喷头22、加热组件3、热电阻31、第一导线32、散热机构4、散热管40、散热片41、卡口42、缩口43、隔热机构5、隔热连接管50、大管51、小管52、导料管53、热电偶组件6、热电偶61、第二导线62等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种3D打印机的打印头喷头结构，包括加热机构（1），所述加热机构（1）内设有喷嘴组件（2）和加热组件（3），加热机构（1）连接呈筒状的散热机构（4），其特征在于，加热机构（1）和散热机构（4）之间还设有隔热机构（5）且该隔热机构（5）连通喷嘴组件（2）和散热机构（4）。

2.根据权利要求1所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述隔热机构（5）包括隔热连接管（50），所述隔热连接管（50）由一体成型的大管（51）和小管（52）组成，大管（51）与喷嘴组件（2）可拆卸的连接，小管（52）与散热机构（4）可拆卸的连接。

3.根据权利要求2所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述隔热机构（5）还包括设在散热机构（4）内的导料管（53），该导料管（53）一端插入到小管（52）内，另一端插入到散热机构（4）内与散热机构（4）的端部内壁贴合。

4.根据权利要求3所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述散热机构（4）包括呈圆筒状的散热管（40），散热管（40）外壁均匀设置有多片散热片（41），小管（52）插入到散热管（40）内与散热管（40）螺接，散热管（40）远离小管（52）的一端设有一个卡口（42），该卡口（42）与散热管（40）端部的连接处形成缩口（43），导料管（53）一端插入到小管（52）内，另一端插入到散热管（40）内与缩口（43）贴合。

5.根据权利要求3或4所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述加热机构（1）包括呈方柱形的加热块（11），所述加热块（11）内设有加热孔（12）且该加热孔（12）贯穿加热块（11）相对置的两个侧面，所述加热块（11）内还设有喷嘴孔（13）且该喷嘴孔（13）贯穿加热块（11）另一相对置的两个侧面，所述加热孔（12）内设有加热组件（3），所述喷嘴孔（13）内设有与加热块（11）螺接的喷嘴组件（2）且喷嘴组件（2）两端凸出加热块（11）外壁，加热块（11）内还设有测温孔（14）且测温孔（14）内设有能检测喷嘴组件（2）温度的热电偶组件（6）。

6.根据权利要求5所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述加热孔（12）和喷嘴孔（13）相互垂直且不连通，所述加热块（11）上还设有一个与加热孔（12）垂直的固定螺孔（15）且该固定螺孔（15）一端连通加热孔（12），另一端贯穿加热块（11）的外壁，所述测温孔（14）与加热孔（12）平行，测温孔（14）一端连通喷嘴孔（13），另一端贯穿加热块（11）的外壁，所述加热组件（3）包括设在加热孔（12）内的热电阻（31）和与热电阻（31）连接的第一导线（32），所述喷嘴组件（2）包括具有外螺纹且中间具有喷嘴流道（21）的喷嘴本体（20），所述喷嘴本体（20）的一个端部膨大形成喷头（22），喷头（22）中心设有贯穿喷头（22）且连通喷嘴流道（21）的喷孔，该喷孔的孔径小于喷嘴流道（21），喷嘴本体（20）通过喷嘴孔（13）与加热块（11）螺接且喷嘴本体（20）的喷头（22）与加热块（11）紧贴，喷嘴本体（20）远离喷头（22）的另一端延伸出加热块（11）外壁并与大管（51）螺接，所述热电偶组件（6）包括设在测温孔（14）内的热电偶（61），所述热电偶（61）连接第二导线（62），热电偶（61）与喷嘴本体（20）贴合。

7.根据权利要求6所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述喷嘴本体（20）延伸出加热块（11）外壁的一端插入到大管（51）内与大管（51）螺接且导料管（53）的两端分别抵住喷嘴本体（20）的端部和缩口（43），导料管（53）的外壁与散热管（40）的内壁贴合。

8.根据权利要求6所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述喷嘴流道（21）的孔径小于导料管（53）的孔径。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述隔热机构（5）由低热导率塑料制成。

10.根据权利要求3或4所述的3D打印机的打印头喷头结构，其特征在于，所述隔热连接管（50）的材质为Peek，所述导料管（53）的材质为Ptfe。

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