基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件和列印方法與流程
2023-09-24 03:15:55 1
本發明涉及熔融沉積成型技術領域，特別涉及基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件和列印方法。
背景技術：
3D列印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。3D列印帶來了世界性製造業革命，3D印表機的出現，打破了以前部件設計完全依賴於生產工藝能否實現的局限，任何複雜形狀的設計均可以通過3D印表機來實現。它不需機械加工或模具，極大地縮短了產品的生產周期，降低了成本，提高了生產率。它一般由控制組件、機械組件、列印噴頭、耗材和介質等組成。
熔融沉積型技術(Fused Deposition Modeling，FDM)是3D列印主流技術之一。它利用熱塑性材料(ABS或PLA)的熱熔型、粘接性，將熱塑材料在列印噴頭內加熱成熔融態。列印噴頭在設定程序控制下，沿著模型輪廓軌跡進行X-Y平面運動和高度Z方向運動，列印材料被擠出後迅速固化，並與周圍材料粘接，每一個層面都是在上一層層面上堆積而成，直至按模型層層堆積完成為止。現有熔融沉積型(FDM)3D印表機列印噴頭在進行高溫材料列印時存在技術不足：當材料熔化溫度較高時材料軟化區較長；或者由於材料熔化後粘度較高，新進入未熔化的材料會將噴頭內融化的材料擠壓溢出，這兩種情況均會導致列印噴頭堵塞。
為了解決上述問題，現有專利文獻公布了一種3D印表機的噴頭組件，該組件採用帶有冷卻功能的進料喉管內襯高潤滑性的導料管解決了熱塑性塑料的噴頭堵塞問題；現有專利文獻公開了一種熔融沉積型(FDM)3D印表機的防堵列印噴頭，將加熱管列印材料恆溫預熱後再進入被薄型加熱鋁塊加熱的列印噴頭中熔融擠出，加熱空間大為減少，熔融快，可防止列印噴頭堵塞，提高列印穩定性和精度。上述列印設備已在熱塑性塑料熔融擠出印表機上取得成功應用，但由於玻璃材料的熔融擠出溫度與軟化溫度範圍較寬，同時在熔融溫度達到450℃以上時，現有列印頭無法有效縮短玻璃的軟化區。另一方面，常規玻璃的列印溫度遠遠超出冷卻水的氣化溫度，或冷卻用導熱油的分解溫度。這導致液體冷卻裝置在玻璃等超高溫材料列印中無法使用。
因此，為了解決玻璃材料在列印過程中堵塞噴頭和提高列印的穩定性，需要改進現有列印噴頭組件以及解決高溫下玻璃材料提前軟化、供料阻塞和列印件強度不足等問題。
技術實現要素：
本發明提供了一種基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件，解決了噴頭處溫度較低以及玻璃棒提前軟化導致的供料阻塞的問題，保證了玻璃3D列印的順利進行，提高了列印件的力學性能和透明度。
一種基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件，包括：
冷端引導管，一端與送料裝置連接，帶有冷卻模塊；
熱端引導管，帶有第一加熱器，一端連接所述冷端引導管；
隔熱層，安裝在冷端引導管和熱端引導管之間；
噴頭，連接所述熱端引導管的另一端。
本發明設有兩段式結構的溫控引導管，除了軟化玻璃的熱端引導管外，還設有冷端引導管，解決了玻璃熔融沉積成型過程中玻璃棒提前軟化導致的供料阻塞的問題，保證了玻璃3D列印的順利進行，隔熱層分隔冷端引導管和熱端引導管，大大提高了冷卻效果。
熱端引導管、隔熱層和冷端引導管之間可以通過機械固定，由於隔熱層一般具有一定柔性，三者之間密封性得以保證，不會導致玻璃液流出。
為了使噴頭出料順利並提高層間(已經列印的材料和剛噴出材料之間)結合力，優選的，還包括第二加熱器，安裝在所述噴頭靠近出口的位置。防止因為噴頭處溫度較低而導致的供料阻塞的問題，同時第二加熱器可以加熱已經列印的材料，防止已經列印的材料由於溫度大幅度降低導致層間結合力下降，從而提高玻璃材料之間的結合力。這可以有效提高列印件力學性能和透明度。
由於玻璃熔融擠出溫度較高，單段加熱通常會導致列印頭擠出的玻璃材料溫度迅速降低，這會導致新擠出材料與上一層材料之間的結合性差，列印件的力學性能差。因此優化列印頭的加熱結構，有效提高材料之間的結合力。
為了實現玻璃的預熱同時防止提前軟化，優選的，所述冷卻模塊採用風冷結構。冷端溫度不高於玻璃的軟化溫度(對應粘度為1010Pa·s)，採用風冷進行冷卻效果好、溫控範圍合適。
為了進一步提高冷卻效果，隔熱效果以及便於安裝，優選的，所述冷卻模塊包括安裝在冷端引導管外用於通入冷卻氣體的環形冷卻腔，所述環形冷卻腔的一端與所述冷端引導管的出料端齊平形成環形的密封安裝面，所述隔熱層的端面與密封安裝面緊貼。
所述冷端引導管和熱端引導管的材料均包括但不限於銅、不鏽鋼、鎢鋼、鈦合金、碳化矽、剛玉等，為了提高冷卻效果，優選的，所述冷端引導管的製造材料為銅、不鏽鋼、耐高溫合金或陶瓷。進一步優選的，所述冷端引導管的製造材料為銅。銅熱導率較大，導熱快，有助於冷端維持較低溫度。
優選的，所述熱端引導管的製造材料為銅、不鏽鋼、耐高溫合金或陶瓷。進一步優選的，所述熱端引導管的製造材料為不鏽鋼。不鏽鋼具有較大的熱導率，雖然其熱導率雖然不如銅的大，但它能夠耐受熱端所需維持的溫度，且不鏽鋼與玻璃材料之間不易粘接，有利於列印噴頭組件的多次使用。
優選的，隔熱層分為兩層，靠近熱端引導管的一層採用耐高溫隔熱材料，耐高溫隔熱材料包括輕質剛玉莫來石磚、輕質高鋁磚和微納隔熱板等，靠近冷端引導管的一層採用柔性隔熱材料，柔性隔熱材料包括氣凝膠氈、耐火石棉和陶瓷纖維等。進一步優選的，所述耐高溫隔熱材料採用微納隔熱板，所述柔性隔熱材料採用氣凝膠氈，微納隔熱板在1000℃以上依然可以保持很低的導熱係數和良好的強度，而氣凝膠氈在500℃左右具有極低的導熱係數且其具有一定柔性，有助於冷端引導管與熱端引導管之間的隔熱和密封。
本發明還提供了一種基於熔融沉積成型的玻璃3D列印方法，採用上述的玻璃3D列印噴頭組件，包括以下步驟：
(1)送料裝置向玻璃3D列印噴頭組件輸送玻璃棒；
(2)冷卻模塊冷卻冷端引導管內的玻璃使其粘度不低於1010Pa·s；
(3)第一加熱器工作使熱端引導管內的玻璃的粘度為102～103Pa·s；
(4)噴頭擠出玻璃完成列印。
優選的，步驟(4)中，同時第二加熱器加熱噴頭使其溫度不低於步驟(3)中的熱端引導管的溫度。列印玻璃材料由於列印溫度需要達到1000℃左右，而印表機的成型室溫度需要控制在500℃左右，兩者之間存在較大的溫度差，導致列印頭處溫度達不到順暢出料的要求且列印件層間結合力較差，因此需要安裝第二加熱器保證其溫度不低於玻璃粘度為103Pa·s時的溫度。
本發明的有益效果：
本發明的基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件和列印方法，解決了玻璃熔融沉積成型過程中由於玻璃棒提前軟化導致的供料阻塞的問題，保證了玻璃3D列印的順利進行，提高了列印件的力學性能和透明度。
附圖說明
圖1是本發明的噴頭組件的剖視結構示意圖。
圖中：
100、玻璃3D列印噴頭組件，110、耐高溫冷卻模塊，111、冷卻氣體入口，112、冷卻氣體出口，120、冷端引導管，130、噴頭，131、熱端引導管，140、第一加熱器，141、第二加熱器，150、隔熱層，160、161、溫度傳感器，170、密封環，180、玻璃棒，190、191、玻璃棒傳動方向。
具體實施方式
下面結合附圖和實施案例對本發明進一步說明。
如圖1所示，本實施例的基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件包括：冷端引導管120、熱端引導管131、噴頭130、耐高溫冷卻模塊110、加熱裝置、隔熱層150、溫度傳感器和密封環170。
其中耐高溫冷卻模塊110環繞冷端引導管120設置；加熱裝置由第一加熱器140和第二加熱器141組成，分別設置在熱端引導管131和噴頭130上；隔熱層150置於冷端引導管120和熱端引導管131之間；溫度傳感器160與噴頭130接觸，溫度傳感器161與冷端引導管120接觸；密封環170位於噴頭130和熱端引導管131的銜接處。
耐高溫冷卻模塊110包括安裝在冷端引導管120外用於通入冷卻氣體的環形冷卻腔，環形冷卻腔的一端與冷端引導管120的出料端齊平形成環形的密封安裝面，隔熱層150的上端面與密封安裝面緊貼。
熱端引導管131連接隔熱層150的一端設有與隔熱層150的下端面貼靠的連接盤以提高密封性和隔熱效果。
本實施例的工作過程如下：
玻璃棒180沿傳動方向190和191依次通過冷端引導管120和熱端引導管131伸至噴頭130處。
裝在冷端引導管120上的耐高溫冷卻模塊110通過溫度傳感器161調節冷卻氣體的流量，且冷卻模塊110的冷卻腔內設有多個散熱片，增大了傳熱面積，以保證冷端引導管120處的溫度不高於玻璃的軟化溫度，防止玻璃棒提前軟化膨脹造成阻塞。
第一加熱器140將熱端引導管131升溫至玻璃粘度為102～103Pa·s時的溫度；第二加熱器141通過溫度傳感器160保證噴頭130處的溫度不低於上述溫度，以保證玻璃可以順利擠出。
耐高溫冷卻模塊110中的冷卻氣體採用風冷形式，從冷卻氣體入口111流入耐高溫冷卻模塊110的冷卻腔，從冷卻氣體出口112流出。
隔熱層150將噴頭組件100的冷端和熱端分開，既保證了噴頭組件100中的溫度梯度，又可以防止噴頭組件100上端的運動部件及電子器件發生過熱而縮短壽命。本實施例中隔熱層150分為兩層，靠近熱端引導管131的一層採用微納隔熱板，靠近冷端引導管120的一層採用氣凝膠氈，微納隔熱板在1000℃左右依然可以保持很低的導熱係數和良好的強度，而氣凝膠氈在500℃左右具有極低的導熱係數且其具有一定柔性，有助於冷端引導管120與熱端引導管131之間的隔熱和密封。
本實施例中，冷端引導管120和耐高溫冷卻模塊110的材料用銅，銅熱導率較大，導熱快，有助於冷端維持較低溫度。熱端引導管131和噴頭130的材料用不鏽鋼，不鏽鋼具有較大的熱導率，雖然其熱導率雖然不如銅或鋁等的大，但它能夠耐受熱端所需維持的溫度，且不鏽鋼與玻璃材料之間不易粘接，有利於列印噴頭組件的多次使用。
密封環170可使用的材料包括但不限於石墨、銅等。
綜上所述，本實施例的基於熔融沉積成型的玻璃3D列印噴頭組件和列印方法，解決了玻璃熔融沉積成型過程中由於玻璃棒提前軟化導致的供料阻塞的問題，保證了玻璃3D列印的順利進行，提高了列印件的力學性能和透明度。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。