一种用于快速冷却的3D打印喷头

技术领域

本发明涉及轮3D打印技术领域，具体涉及一种用于快速冷却的3D打印喷头。

背景技术

3D打印技术是利用计算机进行三维数字化设计，通过使用3D打印设备将“打印材料”进行逐层叠加，最终将计算机中的数字模型变成实物。3D打印设备内可装有金属、陶瓷、塑料、树脂等不同特性的“打印材料”；3D打印过程具体为将“打印材料”加热融化，然后经打印喷头挤出后固化，沉积在打印工作台面板或者前一层己固化的材料上，最终通过“打印材料”的层层堆积形成3D打印模型。

现有3D打印过程中，随着打印过程的进行，打印喷头的温度会持续升高，从而造成喷头因温度过高而严重老化、甚至喷嘴部出现热断裂现象，同时，喷头温度持续升高会造成经过喷头的“打印材料”高于其熔点、从而导致“打印材料”直接流出喷头，造成材料的浪费；因此，常常在3D打印喷头周围设置冷却装置、用于冷却打印过程中的喷头。但是，若喷头冷却温度过低（即对喷头完全冷却），则“打印材料”经过喷头时就被完全固化，从而造成“打印材料”堵塞喷头、无法实现打印；或“打印材料”被喷头喷出时已经完全固化，在沉积前一层己固化的材料上时、无法很好的与前一层固化的材料附着在一起，导致3D打印模型出现分层现象。若喷头冷却温度过高， “打印材料”沉积在打印工作台面板或者前一层己固化的材料上时虽然能很好的附着在其上，但其固化时间就相对拉长，导致层与层之间打印间隔时间拉长、从而极大的降低了打印效率。因此，3D打印过程中“打印材料”对于高温与低温的需求，是极为矛盾的；对于3D打印喷头具有不同的温控能力（即对材料具有不同的冷却能力）是现有技术中提高打印效率的同时避免喷头堵塞与分层现象所面临的一个技术难题。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于快速冷却的3D打印喷头，该喷头既能保证“打印材料”顺利通过打印喷头、不会造成喷头堵孔与“打印材料”流出喷头的问题，同时，也能很好的实现“打印材料”喷出后在打印工作台面板或前一层己固化的材料上固化，避免出现分层现象，提高打印效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于快速冷却的3D打印喷头，其特征在于：

包括驱动组件、调节组件、喷头组件、冷却组件以及送料组件；所述驱动组件与所述调节组件连接，所述喷头组件、所述冷却组件设置在所述调节组件的下端，所述送料组件设置在所述调节组件的上端；

具体的，所述调节组件包括组件本体、滑动结构、第一入口、第二入口、第三入口、第一出口以及第二入口；所述组件本体内部中空、形成空腔，所述滑动结构位于所述空腔内且滑动结构外壁与组件本体内壁共面，所述滑动结构与所述组件本体滑动连接；所述驱动组件位于所述组件本体的一侧且与组件本体固定连接，所述组件本体上端由靠近驱动组件到远离驱动组件依次设置第一入口、第二入口与第三入口且第一入口、第二入口与第三入口分别与所述空腔连通，所述组件本体下端由靠近驱动组件到远离驱动组件依次设置第一出口与第二出口且第一出口与第二出口分别与所述空腔连通，所述第一入口中轴线与所述第一出口的中轴线共线、所述第二入口的中轴线与所述第二出口的中轴线共线且第一入口、第二入口、第三入口的中轴线相互平行；所述第一入口与所述送料组件连通，所述第一出口与所述喷头组件连通，所述第二出口与所述冷却组件连通且所述冷却组件远离第二出口的一端设置在所述喷头组件远离第一出口一端的外侧；所述滑动结构包括滑动结构本体、第一连接通道、第二连接通道以及第三连接通道，所述第一连接通道与第三连接通道为贯穿所述滑动结构本体的竖直通道且它们的中轴线与所述第一入口中轴线平行，所述第二连接通道位于所述第一连接通道与所述第三连接通道之间且第二连接通道为“Z”字形通道，所述“Z”字形通道一端位于所述滑动结构本体的上侧、另一端位于所述滑动结构本体的上侧（即“Z”字形通道整体贯穿滑动结构本体）。

作进一步优化，所述驱动组件包括驱动电机、电机支架以及丝杠；所述电机支架一端与所述组件本体固定连接、另一端与所述驱动电机固定连接；所述驱动电机输出端贯穿所述电机支架且在电机支架内部固定连接所述丝杠，所述丝杠远离所述驱动电机的一端依次贯穿所述电机支架和所述组件本体、与所述滑动结构螺纹连接。

作进一步优化，所述驱动电机输出端与所述丝杠通过联轴器固定连接。

作进一步优化，所述丝杠通过轴承与所述电机支架、所述组件本体转动连接。

作进一步优化，所述第三连接通道初始位置对应所述第二入口、所述第一连接通道初始位置对应所述第一入口，所述丝杠远离所述驱动电机的一端（即位于所述滑动结构内部的部分）端部不与所述第一连接通道接触。

作进一步优化，所述第一入口、第二入口、第三入口、第一出口、第二出口、第一连接通道、第二连接通道以及第三连接通道的直径均一致。

作进一步优化，所述第三连接通道中轴线与靠近其的第二连接通道的中轴线（即靠近第三连接通道的“Z”字形通道的竖管）距离大于第三连接通道的直径；保证移动过程中，第三连接通道未完全脱离第二入口、第二连接通道不与第二入口连通。

作进一步优化，所述第三入口中轴线与第二出口中轴线的距离与所述“Z”字形通道两平行竖管的中轴线距离一致。

作进一步优化，所述喷头组件包括喷射通道以及喷头，所述喷射通道一端与所述第一出口连通、另一端与所述喷头连通。

作进一步优化，所述冷却组件包括冷却腔体、连接通道、冷却流道以及扇形滑片，所述冷却腔体套接在所述喷射通道外壁且冷却腔体包裹所述喷头，所述冷却腔体中轴线与所述喷头中轴线共线；所述连接通道位于所述冷却腔体的一侧且与冷却腔体连通，所述冷却流道一端与所述连接通道连通、另一端与所述第二出口连通；所述冷却腔体远离所述喷射通道的一端均匀分布若干扇形滑片，所述扇形滑片与所述冷却腔体滑动连接且若干扇形滑片组成一个完整的圆环形。通过扇形滑片组成完整的圆环形实现对冷却腔体的封闭、避免冷却物质从喷头喷射“打印材料”的方向流出，进而避免“打印材料”在空气中被冷却物质固化以及冷却物质与打印材料混合；同时，扇形滑片组成完整的圆环形也实现了对喷头的对中固定（即中心轴相对位置的固定），避免打印过程中因喷射力导致喷头中心轴发生偏移，出现打印误差。

作进一步优化，所述冷却腔体远离所述连接通道的一端设置溢出流道，保证冷却物质的流出，所述溢出流道上设置电磁阀。

作进一步优化，所述扇形滑片为4～10块。

作进一步优化，所述送料组件包括送料通道与加热腔体，所述送料通道一端与所述第一入口连通、另一端外接外部送料装置，所述加热腔体位于所述送料通道上，用于加热送料通道内的“打印材料”。

作进一步优化，所述第二入口外接第一冷却源，所述第一冷却源为气体冷却装置或液体冷却源装置中的任一种；第三入口外接第一冷却源，所述第二冷却源为气体冷却装置。

作进一步优化，所述3D打印喷头为多个时，通过安装基座固定连接，组成多联3D打印喷头系统。

本发明具有如下技术效果：

本发明通过驱动组件与调节组件的配合，通过丝杠驱动滑动结构在组件本体内移动，进而改变调节组件的状态，从而实现喷涂过程中进行第一次冷却，保证“打印材料”顺利通过打印喷头、不会造成喷头堵孔以及“打印材料”流出喷头的问题；在打印结束后实现对附着在打印模型上的材料进行第二次冷却，从而高效的实现“打印材料”喷出后在打印工作台面板或前一层己固化材料上的固化，避免出现分层现象、提高打印效率。并且，本发明还能在打印过程中同时调节“打印材料”的流量和冷却物质的流量，保证“打印材料”的用量与冷却物质的用量同步改变、处于联动状态，进而有效确保不同用量的“打印材料”进行适当冷却的目的，避免“打印材料”的用量改变而冷却物质用量不变而出现喷嘴堵塞或“打印材料”流出的问题（例如，“打印材料”用量减少、冷却物质用量不变，则冷却效率变高，喷嘴中的“打印材料”温度降低而固化在喷嘴中，堵塞喷孔）。

本发明结构简单、设计合理，打印速度快、效率高，能广泛用于工业设计、服装设计、珠宝设计、家具设计、展示设计、艺术品保护和修复等与艺术设计相关的领域中。

附图说明

图1为本发明实施例中3D打印喷头的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中3D打印喷头的剖视图。

图3为图2的A向视图。

图4为本发明实施例中3D打印喷头的调节组件的结构示意图（第一状态）。

图5为本发明实施例中多联3D打印喷头系统的结构示意图。

图6为本发明实施例中3D打印支撑系统的结构示意图。

图7为本发明实施例中3D打印喷头的调节组件改变后的状态示意图（第二状态）。

图8为本发明实施例中3D打印喷头的调节组件改变后的状态示意图（第三状态）。

图9为本发明实施例中3D打印喷头的调节组件改变后的状态示意图（第四状态）

其中，1、驱动组件；11、驱动电机；110、联轴器；12、电机支架；13、丝杠；130、轴承；2、调节组件；21、组件本体；210、空腔；22、滑动结构；221、滑动结构本体；222、第一连接通道；223、第二连接通道；224、第三连接通道；23、第一入口；24、第二入口；25、第三入口；26、第一出口；27、第二入口；3、喷头组件；31、喷射通道；32、喷头；4、冷却组件；41、冷却腔体；410、溢出流道；42、连接通道；43、冷却流道；44、扇形滑片；5、送料组件；51、送料通道；52、加热腔体；6、安装基座；7、3D打印支撑系统；71、底座；72、导杆；73、导轨；74、固定架；75、支撑组件；76、橡胶紧固垫；77、复位组件；78、压紧组件；79、支撑杆；70、顶杆组件。

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。

实施例：

如图1～9所示，一种用于快速冷却的3D打印喷头，其特征在于：包括驱动组件1、调节组件2、喷头组件3、冷却组件4以及送料组件5；驱动组件1与调节组件2连接，喷头组件3、冷却组件4设置在调节组件2的下端，送料组件5设置在调节组件2的上端；

具体的，调节组件2包括组件本体21、滑动结构22、第一入口23、第二入口24、第三入口25、第一出口26以及第二入口27；组件本21体内部中空、形成空腔210，滑动结构22位于空腔210内且滑动结构22外壁与组件本体21内壁共面，滑动结构22与组件本体21滑动连接；驱动组件1位于组件本体21的一侧且与组件本体21固定连接，组件本体21上端由靠近驱动组件1到远离驱动组件1依次设置第一入口23、第二入口24与第三入口25且第一入口23、第二入口24与第三入口25分别与空腔210连通，组件本体21下端由靠近驱动组件1到远离驱动组件1依次设置第一出口26与第二出口27且第一出口26与第二出口27分别与空腔210连通，第一入口23中轴线与第一出口26的中轴线共线、第二入口24的中轴线与第二出口27的中轴线共线且第一入口23、第二入口24、第三入口25的中轴线相互平行；第一入口23与送料组件5连通，第一出口26与喷头组件3连通，第二出口27与冷却组件4连通且冷却组件4远离第二出口27的一端设置在喷头组件3远离第一出口26一端的外侧；滑动结构22包括滑动结构本体221、第一连接通道222、第二连接通道223以及第三连接通道224，第一连接通道222与第三连接通道224为贯穿滑动结构本体221的竖直通道且它们的中轴线与第一入口23中轴线平行，第二连接通道223位于第一连接通道222与第三连接通道224之间且第二连接通道223为“Z”字形通道，“Z”字形通道223一端位于滑动结构本体221的上侧、另一端位于滑动结构本体221的上侧（即“Z”字形通道整体贯穿滑动结构本体221）。第一入口23、第二入口24、第三入口25、第一出口26、第二出口27、第一连接通道222、第二连接通道223以及第三连接通道224的直径均一致。第三连接通道224中轴线与靠近其的第二连接通道223的中轴线（即靠近第三连接通道224的“Z”字形通道的竖管）距离（即图4所示的S）大于第三连接通道224的直径；保证移动过程中，第三连接通道224未完全脱离第二入口24、第二连接通道223不与第二入口24连通。第三入口25中轴线与第二出口24中轴线的距离（即图4所示的N）与“Z”字形通道两平行竖管的中轴线距离（即图4所示的M）一致、即M=N。

驱动组件1包括驱动电机11、电机支架12以及丝杠13；电机支架12一端与组件本体21固定连接、另一端与驱动电机11固定连接；驱动电机11输出端贯穿电机支架12且在电机支架12内部通过联轴器110固定连接丝杠13，丝杠13远离驱动电机11的一端依次贯穿电机支架12和组件本体21、与滑动结构22螺纹连接；丝杠13通过轴承130与电机支架12、组件本体21转动连接。

如图4所示，第三连接通道224初始位置对应第二入口24、第一连接通道222初始位置对应第一入口23，丝杠13远离驱动电机11的一端（即位于滑动结构22内部的部分）端部不与第一连接通道222接触。

喷头组件3包括喷射通道31以及喷头32，喷射通道31一端与第一出口26连通、另一端与喷头32连通。冷却组件4包括冷却腔体41、连接通道42、冷却流道43以及扇形滑片44，冷却腔体41套接在喷射通道31外壁且冷却腔体41包裹喷头32，冷却腔体41中轴线与喷头32中轴线共线；连接通道42位于冷却腔体41的一侧且与冷却腔体41连通，冷却流道43一端与连接通道42连通、另一端与第二出口27连通；冷却腔体41远离喷射通道31的一端均匀分布若干扇形滑片44，扇形滑片44与冷却腔体41滑动连接且若干扇形滑片44组成一个完整的圆环形。通过扇形滑片44组成完整的圆环形实现对冷却腔体41的封闭、避免冷却物质从喷头喷射“打印材料”的方向流出，进而避免“打印材料”在空气中被冷却物质固化以及冷却物质与打印材料混合；同时，扇形滑片44组成完整的圆环形也实现了对喷头32的对中固定（即中心轴相对位置的固定），避免打印过程中因喷射力导致喷头32中心轴发生偏移，出现打印误差。冷却腔体41远离连接通道42的一端设置溢出流道410，保证冷却物质的流出，溢出流道410上设置电磁阀（图中未标示，安装本领域常规电磁阀进行设置）。扇形滑片44为4～10块、优选8块。

送料组件5包括送料通道51与加热腔体52，送料通道51一端与第一入口23连通、另一端外接外部送料装置，加热腔体52位于送料通道51上，用于加热送料通道51内的“打印材料”。第二入口24外接第一冷却源，第一冷却源为气体冷却装置或液体冷却源装置中的任一种；第三入口25外接第一冷却源，第二冷却源为气体冷却装置。

3D打印喷头为多个时，通过安装基座6固定连接，组成多联3D打印喷头系统。通过多联3D打印喷头系统实现不同“打印材料”的需求，如控制打印喷头温度使其适用于不同熔融温度的材料，并可以调节流量等，使其具备不用的打印喷头冷却作用。

由于目前大多数3D打印均是对于异形件进行打印，需要采用支撑结构对最先打印的模型进行支撑，避免打印过程中3D模型的垮塌；但目前支撑结构缺乏合理的设计，在打印过程中为此需要耗费大量时间进行设计以及消耗“打印材料”，而且打印完成后，支撑结构很难去除，从而降低了打印的效率；为此，本发明实施例中提供一种3D打印支撑系统7，其无需在打印前专门设置支撑结构、打印结束后也无需考虑对支撑结构进行去除，从而提高了打印效率、节约了人力物力，减少“打印材料”的消耗。

3D打印支撑系统7包括底座71、导杆72、导轨73、固定架74、支撑组件75、橡胶紧固垫76、复位组件77、压紧组件78、支撑杆79以及顶杆组件70；其中，导杆72一端与底座71上端面固定连接且导杆72均匀分布在底座71外圈、另一端与固定架74固定连接，从而保证整个结构的稳固性；两根导杆72之间设置导轨73，导轨73上下端分别与固定架74、底座71固定连接；支撑组件75包括支撑板、第一导向滑套以及支撑孔，第一导向滑套一端与支撑板固定连接且第一导向滑套固定套接在导杆72上，支撑板通过第一导向滑套实现与导杆72的固定连接，支撑板上均匀分布若干支撑孔且支撑孔为贯穿支撑板的通孔。橡胶紧固垫76设置在支撑板上表面且橡胶紧固垫76底面与支撑板顶面共面，橡胶紧固垫76上相对于支撑孔均匀分布若干橡胶孔，且橡胶孔为贯穿橡胶紧固垫76的通孔。橡胶紧固垫76上侧设置压紧组件78，压紧组件78包括压缩板、第一夹持件、第一电机、第一驱动齿轮以及第二导向滑套，压缩板相对于支撑孔均匀分布若干压缩孔且压缩孔为贯穿压缩板的通孔，第二导向滑套一端与压缩板固定连接，第二导向滑套套接在导杆72上且与导杆72滑动连接，压缩板侧壁相对于导轨73设置第一夹持件，第一夹持件一端夹持压缩板、另一端与第一电机固定连接，第一电机输出端固定套接第一驱动齿轮，第一驱动齿轮与导轨73啮合。支撑板下侧设置复位组件77，复位组件77包括复位板、第二夹持件、第二电机、第二驱动齿轮以及第三导向滑套，复位板相对于支撑孔均匀分布若干复位孔且复位孔为贯穿复位板的通孔，第三导向滑套一端与复位板固定连接，第三导向滑套套接在导杆72上且与导杆72滑动连接，复位板侧壁相对于导轨73设置第二夹持件，第二夹持件一端夹持复位板、另一端与第二电机固定连接，第二电机输出端固定套接第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与导轨73啮合。支撑杆79包括杆头、杆身以及杆尾，杆头为半球结构且杆头位于压缩板上侧，杆头处设置加热层、用于加热后从3D打印支撑系统上取下3D打印模型；杆身一端与杆头固定连接，另一端依次穿过压缩孔、橡胶孔、支撑孔以及复位孔，与杆尾固定连接；杆尾为圆台状结构且其直径大于复位孔直径。顶杆组件70设置在底座71上，用于将支撑杆79向上顶起。

工作原理：

首先，控制复位组件77的第二电机转动、复位板下移，从而带动所有支撑杆79下移，完成支撑杆79复位，然后复位组件77回到初始位置；顶杆组件70根据需要打印的3D模型的支撑面将对应支撑杆79向上顶起，从而使若干支撑杆79形成支撑面；然后控制压紧组件78的第一电机转动、压缩板下移，压缩板底面与橡胶紧固垫76接触且压缩板持续下移对橡胶紧固垫76进行挤压，橡胶紧固垫76由于挤压力的变形而对其橡胶孔内的支撑杆79进行挤压、从而实现支撑杆79的固定，避免打印过程中支撑杆79由于打印模型重量增加而下移。

然后开始打印，首先控制第一入口23中轴线与第一连接通道222中轴线共线、第二入口24中轴线与第三连接通道224中轴线共线，如图4所示，向送料通道51通入“打印材料”并控制加热腔体52的加热温度为“打印材料”所需温度（即“打印材料”的熔点）、向第二入口24通入冷却物质（为冷却液体或冷却气体中的一种），“打印材料”依次经第一入口23、第一连接通道222、第一出口26、喷射通道31与喷头32，并在喷头32内被冷却腔体41内的冷却物质进行第一次冷却（冷却物质依次经第二入口24、第三连接通道224、冷却流道43与连接通道42进入冷却腔体41，此时扇形滑片44处于封闭状态、即形成一个完整的圆环形，如图3所示），此时第一次冷却是将“打印材料”的温度冷却至熔点以下、避免“打印材料”流出以及喷头32温度过高；经第一次冷却后的“打印材料”被喷头32喷出实现3D打印，冷却物质经溢出流道410流出。当完成一个面的打印后，启动驱动电机11转动、带动丝杠13转动，使滑动结构22在空腔210内滑动，第二连接通道223上端竖管中轴线与第三入口25中轴线共线、第二连接通道223下端端竖管中轴线与第二出口27中轴线共线，如图7所示，此时第一入口23、第二入口24、第一出口26被滑动结构本体封闭，停止向第一入口23与第二入口24通入物料，向第三入口25通入冷却气体、并打开扇形滑片44、关闭溢流流道410，冷却气体依次经第三入口25、第二连接通道223、冷却流道43、连接通道42与冷却腔体41，从冷却腔体41喷嘴处喷出，作用于喷头32喷出“打印材料”，实现对“打印材料”的第二次冷却固化。

本发明还可以通过滑动结构22在空腔210内移动实现所有入口的关闭（如图8所示）；同时，也可以调节物料的喷涂用量（通过调节第一入口23、第一出口26与第一连接通道222的连通面积实现），如图9所示，同时，由于第一连接通道222、第三连接通道224之间的距离恒定，因此调节“打印材料”用量的同时也调节了冷却物质的用量，使其处于联动状态，进而避免“打印材料”改变而冷却物质用量不变导致的喷涂温度过热或过冷、“打印材料”流出或堵塞喷头的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定，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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。