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CN110901068B - 一种3d打印机同轴喷头及具有其的3d打印机 - Google Patents

一种3d打印机同轴喷头及具有其的3d打印机 Download PDF

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CN110901068B CN201911100866.9A CN201911100866A CN110901068B CN 110901068 B CN110901068 B CN 110901068B CN 201911100866 A CN201911100866 A CN 201911100866A CN 110901068 B CN110901068 B CN 110901068B
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Abstract

本发明涉及3D打印的技术领域，公开了一种3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机，包括外管、内管和喷嘴，所述内管嵌套在所述外管内，所述喷嘴设置在所述外管的下端，所述内管的第一管壁内设置有半导体制冷器；所述喷嘴的管壁上设置有喷嘴加热装置，所述喷嘴加热装置与所述电源装置和所述控制装置电连接。由于设置有外管和内管，在两个管内可以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。

Description

一种3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种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。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丽成的零部件。3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型未完成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打印机同轴喷头是没有温控装置，不能够实现不同材料的温度控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种3D打印机同轴喷头，确保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。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种3D打印机同轴喷头，包括外管、内管和喷嘴，所述内管嵌套在所述外管内，所述喷嘴设置在所述外管的下端，所述内管的第一管壁内设置有半导体制冷器，所述第一管壁内侧内嵌设有第一温度传感器，所述第一管壁外侧内嵌设有第二温度传感器有，所述半导体制冷器连接有电源装置，并和第一温度传感器及第二温度传感器与控制装置电连接；所述喷嘴的管壁上设置有喷嘴加热装置，所述喷嘴加热装置与所述电源装置和所述控制装置电连接。
本发明的工作原理及有益效果是：由于设置有外管和内管，在两个管内可以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。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述半导体制冷器具有制冷面和加热面，所述加热面朝向所述第一管壁外侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：半导体制冷器的加热面朝向所述第一管壁外侧，这样可以给内管中的打印材料进行制冷，对外管中的材料进行加热。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一管壁外侧内设置有风道，所述风道与外界连通。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置风道，可以在风道的出口处风机，对风道进行抽风或送风，以便准确控制第一管壁外侧的加热温度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述外管外侧管壁为第二管壁，所述第二管壁上设置有加热装置和第三温度传感器，所述加热装置与所述电源装置电连接，所述加热装置和所述第三温度传感器与所述控制装置电连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：在第二管壁上设置加热及温控装置，可以为外管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，在半导体制冷器加热达不到设定温度的时候，启动第二管壁上的加热装置进行加热，确保管内打印材料达到设定温度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述半导体制冷器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器都为多个，多个所述半导体制冷器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均布在所述第一管壁内。
采用上述进一步方案的有益效果是：多半导体制冷器确保加热的均匀性，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。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述加热装置和所述第三温度传感器都为多个，多个所述加热装置和所述第三温度传感器均布在所述第二管壁内。
采用上述进一步方案的有益效果是：多个加热装置和多个温度传感器，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。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述喷嘴加热装置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，所述电子压力开关设置在所述喷嘴内，所述喷嘴为双层结构，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。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过喷嘴加热装置与电子压力开关连接，在打印时，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，喷嘴会发生变形，当电子压力开关会受到挤压，当其感应到压力大于设定值时，所述喷嘴加热装置发热，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。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述内层材料的膨胀系数大于所述外层材料的膨胀系数。
采用上述进一步方案的有益效果是：内层材料的膨胀系数大于所述外层材料的膨胀系数，在打印开过程中，喷嘴开口出于向外扩张状态，在打印结束时，由于打印材料的温度降低，喷嘴开口出恢复原状，进而挤压固化的打印材料，从而使固化的打印材料与喷嘴内壁松动脱落，再配合喷嘴加热装置的加热，确保打印材料的回收。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述内层和所述外层之间设有间隙。
采用上述进一步方案的有益效果是：由于内层和所述外层之间设有间隙，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，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。
本发明还提供一种3D打印机，所述打印机包括上述打印机同轴喷头。
本发明的打印机喷头设置有外管和内管，在两个管内可以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。
附图说明
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、开关装置，7、支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
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有，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；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：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，或者设置在打印季度主体上。
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，不如设置为锯齿状等。
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3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，进一步确保打印材料的回收效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明的3D打印机同轴喷头及具有其的3D打印机进行了详细介绍，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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

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)有，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；
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大于所述外层材料的热膨胀系数。
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。
8.一种3D打印机，其特征在于：所述打印机包括如权利要求1至7所述的3D打印机同轴喷头。
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