一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭的製作方法

2023-08-06 06:07:51 2

一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭，包括六進單岀噴頭基體、絲口補芯、加熱器、溫度傳感器及導絲軟管，設置有六個進絲口和一個出絲口。適合能實現精密列印的堆疊式(FDM)全真彩三維立體印表機控制系統使用。保證列印多彩三維立體工件時各色列印原料絲在噴頭聚熔混合攪拌腔內完成無溫差融合，擠出彩絲，出絲口徑可以更換，實現列印及全真彩色彩高精密度。使列印工件的機械強度達到材料的機械強度指標，維修更換方便，節約資源，減少能耗，降低成本，結構簡單，穩定可靠。
【專利說明】一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭
【技術領域】
[0001]本發明屬於一種堆疊式(FDM)彩色三維印表機用擠注噴頭技術，具體是一種能實現將輸入的多根單色塑料絲匯聚於混合攪拌腔內熔融，可產生旋渦式攪拌動作進行混色後從噴頭下端出絲口擠出全真彩級列印絲的六通道聚熔式擠注噴頭。
【背景技術】
[0002]公知技術中堆疊式三維立體印表機的列印程序是在惠普噴墨印表機列印程序的基礎上開發而來，在堆疊式三維立體列印過程中列印程序默認列印材料是液態流動的，只需要給出每個列印頭的關閉和給進指令，只有在工件列印結束時才給出全部列印頭關閉加熱電源的指令；因此，在堆疊式三維立體印表機當中加熱器系統是一個分立的系統模塊，由四部分組成:加熱器，受熱體，溫度傳感器，加熱和冷卻控制電路；加熱器和溫度傳感器均設置在噴頭受熱體部位(見圖1)。
[0003]見圖1，是現有的堆疊式三維立體印表機的列印頭，帶進絲口 Ι-k的送絲泵Ι-e連接進絲導管l_q，進絲導管l_q通過法蘭盤l_i連接噴咀l_j，在法蘭盤l_i上設置加熱器1-1和溫度傳感器ι-t，屬於單通道結構。
[0004]在現有的多頭彩色堆疊式三維立體印表機列印過程中換色必須通過換頭來實現，列印中斷絲是必須的，因斷絲造成列印層間結合不好，使列印出現疵點或失敗是常見故障。
[0005]見圖5，在現有技術中多頭堆疊式三維立體印表機當中雙頭列印大於雙頭噴咀間距的單個水平方向雙色(A色和B色)的工件時就會看到列印出的工件上有雙色相互摻色(Ac和Be)現象；其原因是，因已按時序指令關閉送絲的列印頭的餘溫繼續熔化剩餘在進絲導管中的塑料絲，並被漲出噴咀擠到列印工件上，在色彩分明中摻雜著餘料和餘料色彩，呈現出「珊瑚樹」現象(Ac和Be)。A和Bd兩點是以A、B色兩列印頭的實際安裝間距為圓心的兩個相切圓，摻色Be的圓心在A色實體圓的左半圓周上，因為是每層列印後的餘料，所以粘出的是與A仿形的「珊瑚樹」，色彩為B色，兩圓相切處為摻色區域；與B和Ac位置的摻色現象正好相反，摻色區域在「珊瑚樹」與工件實體的連機處。這即是現有的堆疊式多頭三維立體印表機存在的技術和質量上的缺陷，明顯浪費材料並破壞工件的整體性和機械強度。
[0006]現有的堆疊式雙頭或多頭三維立體印表機中使用的列印頭都為單色。一種彩色三維立體印表機技術採用彩色膠水作為列印墨水在石膏粉中噴墨列印粘結成型出彩色工件；其缺點是色彩會被石膏粉的白色基準差異形成色差，而石膏粉的機械強度較遠低於工程塑料，因此無法在工程器件及其他應用領域中使用。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種堆疊式全真彩三維立體印表機使用的六通道聚熔式擠出噴頭(以下簡稱:六進單出噴頭)，能實現全真彩色彩工件的三維立體列印的高精度質量。
[0008]本發明提供的技術方案:一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭，包括六進單出噴頭基體、絲口補芯、加熱器、溫度傳感器及導絲軟管；六進單出噴頭基體由固定螺釘孔、散熱翼、加熱腔、混合進絲通道層組和分離進絲通道層組以及聚熔混合攪拌腔構成，其特徵是:六進單出噴頭基體通過加熱腔上端設置的固定螺釘孔連接到X、Y行走支架下；噴頭基體中心部位設置一個加熱腔，散熱翼設置在加熱腔外圍，固定螺釘孔穿過散熱翼止於基座平臺；加熱器設置在加熱器腔中，被上端設置的固定螺釘孔用螺釘加墊片固定，進絲通道上端入口處嵌入導絲軟管，下端出口在聚熔混合攪拌腔內；聚熔混合攪拌腔設置在加熱器腔底部外方；聚熔混合攪拌腔內深度上設置成上下兩層，6個進絲通道設置成3個一層組，分別為混合進絲通道層組和分離進絲通道層組；混合進絲通道層組出口設置在緊貼絲口補芯內平面位置上，分離進絲通道層組出口設置在混合進絲通道層組出口徑向平面之上；來自送絲泵的單色塑料絲分別通過導絲軟管進入混合進絲通道層組和分離進絲通道層組中的進絲通道，到進絲通道下端時被加熱器釋放的熱量迅速熔化注入聚熔混合攪拌腔內，兩個層組進絲通道出口在進入聚熔混合攪拌腔時的角度設置不同，分別按時序注入的塑料絲熔漿在通過聚熔混合攪拌腔從絲口補芯的絲口被擠出時的細絲成色不同；支撐材料能夠通過分離進絲通道實現列印功能。設置成可拆卸結構的絲口補芯能夠實現通過更換來調整絲口直徑，適合絲口直徑的精密度加工和對聚熔混合攪拌腔內積累的雜質清理。
[0009]上述的混合進絲通道和分離進絲通道軸向相對六進單出噴頭基體軸向和徑向位置均設置有夾角；混合進絲通道軸向相對夾角大於分離進絲通道軸向10?15° ;進絲通道出口以軸向夾角25?45°，徑向夾角42°方向與聚熔混合攪拌腔內壁相切；分離進絲通道出口以軸向夾角10?35°，徑向平面夾角90°方向與聚熔混合攪拌腔底部內壁相切；混合進絲通道與分離進絲通道層組在六進單出噴頭基體徑向水平位置上的分布設置有60°夾角。
[0010]上述的噴頭基體設置圓柱體與圓錐臺底部連接結構；加熱腔、聚熔混合攪拌腔均設置成圓柱形；絲口補芯設置成帶止口的圓碟形。
[0011]聚熔混合攪拌腔內徑等於進絲通道直徑的1.618倍，深等於進絲通道直徑的2.8倍；分離進絲通道層組出入口與混合進絲通道層組出入口之間徑向水平夾角設置成60°錯開陣列；混合進絲通道和分離進絲通道軸向相對聚熔混合攪拌腔軸向設置有夾角，混合進絲通道軸向相對夾角大於分離進絲通道軸向10?15° ;混合進絲通道出口與聚熔混合攪拌腔壁相切，使按比例注入的塑料漿沿切向方向在聚熔混合攪拌腔內壁做圓周旋渦式運動產生攪拌混合效果；分離進絲通道出口與聚熔混合攪拌腔底部內壁相切，使注入的塑料絲熔漿穿過聚熔混合攪拌腔直通絲口補芯被擠出細絲。絲口補芯設置在聚熔混合攪拌腔向外開口處，與開口呈止口緊配合可更換結構，打破了絲口直徑與列印頭整體固定的模式，可拆卸結構的絲口補芯能夠實現通過更換來調整絲口直徑，絲口尺寸設置在0.05?0.4mm,可列印到0.0lmm的微觀級層面；適合絲口直徑的精密度加工和對聚熔混合攪拌腔內積累的雜質清理。加熱器設置在加熱腔內底部位置，對聚熔混合拌腔加熱更快更節能，對進入的塑料絲實現點加熱。溫度傳感器設置在散熱翼基座上，被穿過固定孔的螺釘壓緊固定。導絲軟管設置在進絲通道入口處，可根據原料絲的直徑調整口徑，約束原料絲不出現緩解輸送力的自由軟彎狀態，保證送絲指令與動作之間的誤差值最小；導絲軟管由高隔熱係數材料絲編制而成。
[0012]上述的混合進絲通道和分離進絲通道軸向相對聚熔混合攪拌腔軸向設置有夾角，混合進絲通道軸向相對夾角大於分離進絲通道軸向10?15° ;混合進絲通道出口相對六進單出噴頭基體設置成出口以軸向夾角25?45°，徑向夾角42°與聚熔混合攪拌腔壁相切；分離進絲通道出口以軸向夾角10?35°，徑向夾角90°與聚熔混合攪拌腔底部內壁相切。
[0013]上述的混合進絲通道適合設置三基色塑料絲，分離進絲通道適合設置定義色和支撐材料塑料絲。
[0014]上述六進單出噴頭基體和絲口補芯採用高導熱特性材料製造。
[0015]上述六進單出噴頭的導絲軟管採用高隔熱特性材料製造。
[0016]上述六進單出噴頭的溫度傳感器材質、阻值、容值和熱穩定性，溫度響應頻率需具有聞穩定性。
[0017]本發明的積極效果:設置有六進單出噴頭的堆疊式多彩三維立體印表機能夠實現工件的全真彩標準的彩色列印效果，相當於計算機中24位色彩解析度。單個加熱器置於中心加熱方式使熱效利用率提高95 %以上，節能效率提高5倍，省去主板上重複設置的溫度控制電路和器件，簡化主板加熱控制電路和軟體包，消除各加熱電路迴路中每個硬體單件技術參數未保證一致性造成熔絲溫差引起的列印質量問題的缺陷，消除現有技術的列印頭多頭方案中多個噴咀帶來的組裝和調平麻煩和多頭刮碰破壞列印層面的弊端。
[0018]混合進絲通道以徑向夾角42°切向進入聚熔混合攪拌腔構成旋渦攪拌混合能力，保證六進單出噴頭的列印材料調色和換色在攪拌腔內熔融狀態下完成，只要列印指令沒有停止，吐絲就不會中斷；分離進絲通道近似軸向進入聚熔混合攪拌腔內，在混合指令停止瞬間快速穿過混合進絲通道層使定義色彩極大限度不受混色幹擾，保證色彩分明的從出絲口擠出；在分離進絲通道層組與混合進絲通道層組色彩交換指令實現一致時可在被列印出的工件上看到色彩分明的幾何圖案，且表面平整和層間熔融合牢固；其良好的分離特性為支撐材料提供了列印的可能性。從單色到混色，再到支撐材料的切換都是在六進單出噴頭內部完成，使某種顏色料絲停止送絲後，因餘料壓力小於其它送絲壓力而被阻無法滲出；公知的現有多頭堆疊式三維立體印表機中的斷絲換色和相互摻色的缺陷及缺陷造成的列印質量問題完全消除，保證彩色列印工件的整體質量。
[0019]導絲軟管和絲口補芯的可調整和可更換結構便於製造流程中的質量控制和三維立體印表機的升級擴容，提高對列印材料的適應能力。導絲軟管採用不鏽鋼絲編制能充分發揮不鏽鋼材料的隔熱特性和提高散熱率，並能獲得伸縮變徑的功能。
[0020]本實用新型發明的六進單出噴頭的調色配色方案完全能夠實現全真彩級的彩色效果，六進單出結構能夠實現列印工件的機械強度的要求。具有節約資源，減少能耗，降低製造成本，結構簡單，穩定可靠。具有適用廣泛，降低使用成本和方便用戶維護的優勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是現有的列印頭結構示意圖。
[0022]圖2是本發明的六通道聚熔旋渦式擠注噴頭結構主視示意圖。
[0023]圖3是圖2的俯視圖。
[0024]圖4是圖2的聚熔混合攪拌腔局部AA放大簡剖結構示意圖。
[0025]圖5是現有頭三維立體印表機列印的水平方向雙色工件時顯現的缺陷實物照片 改繪的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]參見圖2、4，六進單出噴頭基體I為高導熱率的合金銅金屬體，結構設置成一個圓柱形與一個圓錐臺底部連接，圓心部位設置有加熱腔13，底部與設置在圓錐臺頂部的聚熔混合攪拌腔16底部相連；六進單出噴頭基體通過加熱腔上端設置的4個固定螺釘孔3中對稱的兩孔連接到X、Y行走支架下，固定螺釘孔穿至散熱翼基座7上平面，設置散熱翼6為減少加熱器19釋放的熱量上傳到X、Y行走支架上；另兩個對稱固定螺釘孔為加熱器和溫度傳感器8固定設置；進絲通道設置成Φ 1.9mm，入口 9、10處嵌入導絲軟管4、5，出口在聚熔混合攪拌腔內；聚熔混合攪拌腔設置成圓柱桶形，內徑等於進絲通道直徑的1.618倍，深度等於進絲通道直徑的2.8倍；聚熔混合攪拌腔內深度上設置成上下兩層，6個進絲通道設置成3個一層組，分別為混合進絲通道層組和分離進絲通道層組；混合進絲通道層組10入口設置在分離進絲通道層組9入口外圍，混合進絲通道層組出口 15設置在緊貼絲口補芯17內平面位置上為下層，分離進絲通道層組出口 14設置在混合進絲通道層組出口徑向平面之上為上層，接近聚熔混合攪拌腔內底部；分離進絲通道層組出入口與混合進絲通道層組出入口之間徑向水平夾角3設置成60°錯開陣列；混合進絲通道和分離進絲通道軸向相對六進單出噴頭基體軸向和徑向位置均設置有夾角；混合進絲通道出口以軸向夾角5為25?45°，徑向逆時針方向上的夾角11、15為42°方向與聚熔混合攪拌腔內壁相切，混合進絲通道軸向相對夾角大於分離進絲通道軸向夾角4為10?15° ;分離進絲通道出口以軸向夾角10?35，徑向夾角90°方向與聚熔混合攪拌腔底部內壁相切。
[0027]混合進絲通道設置成一個徑向逆時針方向上的42°夾角與聚熔混合攪拌腔壁相切，能使按比例注入的原料熔漿沿42°切向方向在聚熔混合攪拌腔內壁做旋渦式圓周運動產生攪拌混合作用，並在絲口補芯的絲口釋放內壓功能的共同作用下擠出混合後的彩絲，適合三基色塑料絲使用；當紅、黃、藍三基色ABS塑料絲從導絲軟管進入混合進絲通道時，設置成230°C加熱溫度的電阻式陶瓷加熱管已將六進單出噴頭整體加熱到預定的列印溫度，進入到混合進絲通道中下部位置紅、黃、藍三基色單色塑料絲呈熔融狀態分別從三個出口 15注入聚熔混合攪拌腔內，在連續進絲的推力作用下沿聚熔混合攪拌腔內壁做旋渦式圓周運動，對各色熔漿進行攪拌混合，同時產生的向心力將混合熔漿集中到絲口補芯中心的絲口並得到釋放，混色後的塑料熔漿被擠出絲口成絲；使混合攪拌後的塑料熔絲達到三基色配色方案即時指令約束的混色標準。
[0028]分離進絲通道設置成一個徑向方向上的90°夾角與聚熔混合攪拌腔壁相切，能使注入的原料絲熔漿穿過聚熔混合攪拌腔沿軸向直通絲口補芯的絲口被擠出成絲，可避免其它彩色熔漿幹擾；適合設置黑、白色，文化色，企業色、定義色和支撐材料塑料絲使用；當黑、白兩種基色ABS塑料絲分別從導絲軟管進入兩個分離進絲通道時，設置成240°C加熱溫度的電阻式陶瓷加熱管已將六進單出噴頭整體加熱到預定的列印溫度，進入的黑、白單色塑料絲呈熔化狀態分別從兩個分離進絲通道出口 14豎直注入聚熔混合攪拌腔內，在連續進絲的推力作用下沿聚熔混合攪拌腔內軸向方向做向下的直線運動，快速穿過下方混合進絲通道層組形成的混色漿層，以極少的起始點沾染代價實現後續黑、白兩種基色純正；由於來自灰色調配色方案指令約束了黑、白兩種基色塑料絲進料的注入比例，差速產生簡單的粘連混合作用，使混合後的塑料熔漿達到灰色調配色方案即時指令約束的混色標準，少量沾染在絲頭的彩絲不會影響到灰色調的色彩列印質量。
[0029]在色彩混合和分離度選擇合適時可以在被列印出的工件上看到色彩分明的幾何圖案，比如，在彩色工件上列印出企業色的商標或L0G0，且表面工整，層間熔融合牢固。
[0030]當一種可水解塑料支撐材料絲從導絲軟管進入一個分離進絲通道時，電阻式陶瓷加熱管的加熱器在設置成適合水解塑料溫度的加熱指令下將六進單出噴頭整體加熱調整到預定的列印溫度，按水解塑料支撐材料所在通道列印指令熔漿注入聚熔混合攪拌腔沿軸向做豎直運動，直通絲口出絲；少量沾染在絲頭的彩絲不會影響到支撐材料的列印質量。
[0031]混合進絲通道設置在分離進絲通道下層可儘量避免混色後的熔漿不受黑、白色和支撐材料的沾染影響。兩層組間的相互沾染影響只是在切換初始的瞬間發生，沾染影響被控制在微量級。
[0032]絲口補芯17採用與噴頭基體I相同材質的銅合金，設置成帶止口的圓碟形狀通過精細加工成型，設置在聚熔混合攪拌腔16向外開口處，與開口呈止口緊配合，為可更換結構，打破了絲口直徑與列印頭整體固定的現有模式；精細加工的絲口補芯設置成Φ5πιπι外徑，止口臺高1mm，出絲口 18直徑設置在0.05?0.4mm之間，最小直徑可滿足列印到0.0lmm微觀級層面的苛刻要求；需要絲口變徑時可使用通用工具鉗將絲口補芯取下，再將所需絲口尺寸的絲口補芯按原位壓入即可，完全實現了方便廉價。
[0033]加熱腔13設置成圓柱桶形狀，加熱腔外部開口端到散熱翼基座7止設置有散熱片結構，用於散去連接結構不需要地熱量，加熱腔內徑和深度由採用的公知的加熱器19型號尺寸決定，開口端內外徑之間圓周平面設置有4個對稱排列的固定螺釘孔，底部連接聚熔混合拌腔底部，兩底相隔距離不大於Imm以保證加熱和受熱效率最高，對進入的原料絲實現點加熱；加熱器設置在加熱腔內底部，利用設置在上端的固定螺釘孔3擰入螺釘加墊片被封固在加熱腔內，加熱器對圓柱形加熱腔進行內熱式加熱，封口隔絕空氣交換使加熱效率達到最高值，去氧化作用可延長加熱器使用壽命；且消除了機械結構造成的讀數誤差，提高加熱控制迴路模塊的± 1°C控制精度，保證了腔內始終為恆溫加熱，液態塑料漿一直保持良好的流動性，良好的流動性使混合能力和效果達到彩色噴墨印表機的要求。
[0034]公知的溫度傳感器8設置在散熱翼基座7上於加熱器固定螺釘孔位置下，被穿過固定螺釘孔的螺釘壓緊固定；導線2沿散熱翼外向上牽引至行走支架上。
[0035]導絲軟管5由高隔熱係數的不鏽鋼絲編制，下端設置在6個進絲通道9、10入口內，上端連接送絲泵；不鏽鋼絲編制的導絲軟管從結構上最大限度的提高了不鏽鋼材料的隔熱和散熱性能，效能遠遠大於現有的實體管狀結構；具有的柔韌性可隨意連接在不同位置角度的送絲泵上，改變了現有的實體管狀結構只能垂直設置固定送絲泵的模式；具有的剛性能夠約束原料絲不出現緩解輸送力的自由軟彎狀態，尤其是對小於Φ Imm直徑的尼龍絲的約束支撐作用，保證了送絲指令與動作之間的誤差值最小；具有的可塑性令使用者可根據原料絲的直徑只憑對導絲軟管做長度上的拉伸與壓縮就可以獲得口徑在Φ0.5?2mm之間的任意變徑調整，當拉伸變細時，增加的長度可伸入進絲通道中填充其無法變徑產生的剩餘空間阻止原料熔漿倒溢。導絲軟管以結構的優越性可淘汰現有的不鏽鋼結構的進絲導管。
[0036]本發明的六進單出噴頭實現了所有換色和混色都是在聚熔混合攪拌腔內完成，當某種顏色料絲停止送絲後，餘料喪失進料推力，壓力小於其它送絲壓力而被阻止於本進絲通道中無法滲出，避免和消除了公知的多頭列印技術實現的斷絲和摻色破壞列印工件的整體性質量的缺陷，實現了全真彩色彩和符合機械強度要求的列印效果，為彩色三維立體印表機的普及創造了技術條件。
[0037]可以在六進單出噴頭整體外增加防塵罩結構。
【權利要求】
1.一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭，包括六進單出噴頭基體、絲口補芯、加熱器、溫度傳感器及導絲軟管；六進單出噴頭基體由固定螺釘孔、散熱翼、加熱腔、混合進絲通道層組和分離進絲通道層組以及聚熔混合攪拌腔構成，其特徵是:六進單出噴頭基體通過加熱腔上端設置的固定螺釘孔連接到X、Y行走支架下；噴頭基體中心部位設置一個加熱腔，散熱翼設置在加熱腔外圍，固定螺釘孔穿過散熱翼止於基座平臺；加熱器設置在加熱器腔中，被上端設置的固定螺釘孔用螺釘加墊片固定，進絲通道上端入口處嵌入導絲軟管，下端出口在聚熔混合攪拌腔內；聚熔混合攪拌腔設置在加熱器腔底部外方?』聚熔混合攪拌腔內深度上設置成上下兩層，6個進絲通道設置成3個一層組，分別為混合進絲通道層組和分離進絲通道層組；混合進絲通道層組出口設置在緊貼絲口補芯內平面位置上，分離進絲通道層組出口設置在混合進絲通道層組出口徑向平面之上；來自送絲泵的單色塑料絲分別通過導絲軟管進入混合進絲通道層組和分離進絲通道層組中的進絲通道，到進絲通道下端時被加熱器釋放的熱量迅速熔化注入聚熔混合攪拌腔內，兩個層組進絲通道出口在進入聚熔混合攪拌腔時的角度設置不同。
2.根據權利要求1所述的一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭，其特徵是:上述的混合進絲通道和分離進絲通道軸向相對六進單出噴頭基體軸向和徑向位置均設置有夾角；混合進絲通道軸向相對夾角大於分離進絲通道軸向10~15° ;混合進絲通道出口以軸向夾角25~45°，徑向夾角42°方向與聚熔混合攪拌腔內壁相切；分離進絲通道出口以軸向夾角10~35°，徑向平面夾角90°方向與聚熔混合攪拌腔底部內壁相切；混合進絲通道與分離進絲通道層組在六進單出噴頭基體徑向水平位置上的分布設置有60°夾角。
3.根據權利要求1所述的一種堆疊式彩色三維印表機用六通道聚熔式擠注噴頭，其特徵是:上述的噴頭基體設置圓柱體與圓錐臺底部連接結構；加熱腔、聚熔混合攪拌腔均設置成圓柱形；絲口補芯 設置成帶止口的圓碟形。
【文檔編號】B29C67/00GK203752528SQ201320873923
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年12月29日 優先權日:2013年12月29日
【發明者】周建 申請人:周建