3d打印機噴絲截面積可調結構及其速度和精度控制方法
【專利摘要】本發明涉及3D打印【技術領域】，尤其是一種3D打印機噴絲截面積可調結構及其速度和精度控制方法。本發明包括有輸料管路、擠料噴嘴；擠料噴嘴位于輸料管路下方；還包括有外圍殼體和驅動裝置，輸料管路內嵌于外圍殼體內，擠料噴嘴同軸固定連接在輸料管路下方；輸料通道與擠料噴嘴的內通道截面形狀的重心位于垂直輸料管路和擠料噴嘴內通道截面的同一軸上；輸料管路在驅動裝置的驅動下可以相對于擠料噴嘴繞前述軸轉動；從而調節噴頭噴絲的截面積。本發明可以控制打印的速度和精度，在確保精度要求的情況下，提升整體打印速度；可以應用于3D打印機的噴頭結構及控制上。
【專利說明】3D打印機噴絲截面積可調結構及其速度和精度控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及3D打印【技術領域】，尤其是一種3D打印機噴絲截面積可調結構及其速 度和精度控制方法。
【背景技術】
[0002] 3D打印，作為一種快速成形技術，是通過軟件將3D數字模型進行分層離散化處 理，然后運用粉末狀金屬或塑料等可粘合性材料，通過逐層堆積的方式來構造實體。3D打印 技術是一種加式制造范疇，有別于傳統的減式制造范疇，能夠更好的節約生產原料。
[0003]目前，常見的3D打印技術有熔絲沉積技術，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通 過帶有一個微細通道的噴頭擠噴出來，從噴嘴噴出后，沉積在工作臺上，溫度低于固化溫度 后開始固化，通過材料的層層堆積最終形成成品。3D打印中，噴頭是其一個核心部件；但是 常規的3D打印機的打印噴頭的擠料噴嘴內徑截面形狀只有固定的圓形，單位時間內噴嘴 噴絲的體積一定。由于噴嘴內徑截面面積的不可調，我們不能控制3D打印機的打印精度和 速度；無法針對不同的打印目的和不同的打印區域（不同模型或者同一模型），實現不同的 打印精度和速度。
【發明內容】
[0004] 本發明解決的技術問題之一在于基于目前的3D打印機噴嘴內徑截面形狀都是圓 形的，不能做到針對不同模型或者同一模型不同區域的打印速度和精度的控制的現狀，提 供一種3D打印機噴絲截面積可調結構，可以調節打印速度和精度。
[0005] 本發明解決的技術問題之二在于基于目前的3D打印機噴嘴內徑截面形狀都是圓 形的，不能做到針對不同模型或者同一模型不同區域的打印速度和精度的控制的現狀，提 供一種可以根據打印需求控制打印速度和精度的速度和精度控制方法。
[0006] 本發明解決上述技術問題之一的技術方案是：
[0007] 包括有輸料管路、擠料噴嘴；擠料噴嘴位于輸料管路下方；其特征在于：還包括有 外圍殼體和驅動裝置，輸料管路內嵌于外圍殼體內，擠料噴嘴同軸固定連接在輸料管路下 方；輸料通道與擠料噴嘴的內通道截面形狀的重心位于垂直輸料管路和擠料噴嘴內通道截 面的同一軸上；輸料管路在驅動裝置的驅動下可以相對于擠料噴嘴繞前述軸轉動；從而調 節噴頭噴絲的截面積。
[0008] 所述的驅動裝置包括轉盤和電機；轉盤與打印機機體相連，電機位于外圍殼體內 并可驅動轉盤轉動；輸料管路固定安裝于轉盤的下端。
[0009] 所述的輸料管路的內通道截面形狀與擠料噴嘴的內通道截面形狀均為規則的多 邊形。
[0010] 所述的規則的多邊形可為三角形、四邊形等規則的多邊形。
[0011] 所述的輸料管路的內通道截面形狀和擠料噴嘴的內通道截面形狀為相同的矩形， 其中矩形的長邊為L max，短邊為Lmin ;輸料管路繞垂直于輸料管路和擠料噴嘴的內通道截面 形狀的軸的旋轉角度為θ ;當旋轉角度為Θ的噴頭往一方向進行工作時，有效的打印區域 寬度為Lmaxsin Θ +Lminc〇S Θ ;在噴頭移動速度大小不變、每層的Ζ軸成型高度為一定值時， 單位時間內不同旋轉角度的噴頭有效的打印區域面積與打印區域寬度成正比。
[0012] 所述的外圍殼體內包含有加熱裝置，用于加熱輸料管路中的ABS或PLA等易熔融 的傳輸物料，使其為熔融狀態。
[0013] 本發明解決上述技術問題之二的技術方案是：
[0014] 所述的打印速度調控方法是：
[0015] 打印速度V = K*S*L ;其中S為噴嘴實際噴絲的截面積，L為單位打印成形面積，K 是與打印機有關的常量；
[0016] 噴嘴實際噴絲截面積S和單位打印成形面積L決定進料速度，并影響熱熔速度；進 料速度和熱熔速度共同決定打印速度；
[0017] 通過S與L的改變形成一個信號來控制打印速度，即調控噴頭輸料管路的進料速 度；
[0018] 所述的精度調控方法是：根據打印精度的不同需求，調整打印速度以控制打印精 度；打印精度要求高時，打印速度慢；打印精度要求低時，打印速度快。
[0019] 通過電機調控擠料噴嘴旋轉的角度來改變單位時間內擠料噴嘴實際擠出物料的 截面積S ;由于打印噴頭的工作移動速度不變，為確保每層Z軸成形高度為一定值，要實時 地根據擠料噴嘴實際擠出物料的截面積S來調控輸料管路的進料速度；進料速度與傳輸物 料的熱熔速度大小相等，同時也為打印機工作時的打印速度V。
[0020] 所述的輸料管路的內通道截面形狀和擠料噴嘴的內通道截面形狀為相同的矩形 時，其中矩形的長邊為L max，短邊為Lmin ;在噴頭移動速度大小不變、每層的Z軸成型高度為 一定值時，單位時間內不同旋轉角度的噴頭有效的打印區域面積與打印區域寬度成正比； 所述的打印區域寬度為1^^0+1^(^0;其中，0;為輸料管路繞垂直于輸料管路和擠 料噴嘴的內通道截面形狀的軸的旋轉角度Θ。
[0021] 有益效果：
[0022] 本發明通過控制電機的轉動，進而控制擠料噴嘴相對于輸料管路的旋轉角度；從 而實現對噴嘴實際噴絲截面積的控制；以控制打印機的打印精度和速度。可針對不同的打 印目的和不同的打印區域，調整不同的打印精度和速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 下面結合附圖對本發明進一步說明：
[0024] 圖1是本發明打印機噴頭主視圖；
[0025] 圖2為是本發明噴頭在不同旋轉角度時的俯視圖；
[0026] 圖3是本發明打印速度影響因素的邏輯圖；
[0027] 圖4是本發明打印速度調控系統圖。
【具體實施方式】
[0028] 如圖1所示，是本發明打印機噴頭主視圖；，包含有外圍殼體602、輸料管路604和 擠料噴嘴605。外圍殼體602包含加熱元件，加熱輸料管路中的傳輸物料，使其為熔融狀態。 其中，擠料噴嘴605固定連接在輸料管路604的下方。輸料管路的內通道603截面與擠料 噴嘴的內通道606截面為規則的三角形、四邊形等多邊形，同時輸料通道的內通道603截面 形狀的重心與擠料噴嘴的內通道606截面形狀的重心在垂直于輸料管路內通道603截面和 擠料噴嘴內通道606截面的軸上。
[0029] 輸料管路604固定安裝于轉盤601的下端，同時轉盤601與打印機體相連，轉盤 601可繞垂直于輸料管路內通道603截面和擠料噴嘴內通道606截面的軸旋轉。外圍殼體 602中包含有電機可控制轉盤601的轉動，通過電機的轉動圈數來調控轉盤的旋轉角度。
[0030] 在本方案中為簡明地描述發明思路，設計輸料管路的內通道603截面形狀與擠料 噴嘴的內通道606截面形狀為相同的矩形，其中矩形的長邊為L max，短邊為Lmin。
[0031] 通過轉盤601的轉動可調控噴頭的旋轉。如圖2所示，a、b、c為不同旋轉角度噴 頭的內通道截面俯視圖。當旋轉角度為Θ的噴頭往一方向進行工作時，有效的打印區域寬 度為L maxsin Θ +Lminc〇S Θ。由于噴頭在工作位時的移動速度大小不變，每層的Z軸成型高度 為一定值，單位時間內不同旋轉角度的噴頭有效的打印區域面積與打印區域寬度成正比。 針對不同旋轉角度噴頭工作時，要實時地調控輸料管路的進料速度。如圖2所示，c中噴頭 的旋轉角度為〇,此時噴頭有效地打印區域寬度為L min，打印的精度最高，同時打印的速度也 最慢，可應用在對打印精度要求高的情況下。
[0032] 如圖3、4所示，本發明中，打印速度調控方法是：
[0033] 打印速度V = K*S*L ;其中S為噴嘴實際噴絲的截面積，L為單位打印成形面積，K 是與打印機有關的常量；
[0034] 噴嘴實際噴絲截面積S和單位打印成形面積L決定進料速度，并影響熱熔速度；進 料速度和熱熔速度共同決定打印速度；
[0035] 通過S與L的改變形成一個信號來控制打印速度，即調控噴頭輸料管路的進料速 度。
【權利要求】
1. 3D打印機噴絲截面積可調結構，包括有輸料管路、擠料噴嘴；擠料噴嘴位于輸料管 路下方；其特征在于：還包括有外圍殼體和驅動裝置，輸料管路內嵌于外圍殼體內，擠料噴 嘴同軸固定連接在輸料管路下方；輸料通道與擠料噴嘴的內通道截面形狀的重心位于垂直 輸料管路和擠料噴嘴內通道截面的同一軸上；輸料管路在驅動裝置的驅動下可以相對于擠 料噴嘴繞前述軸轉動；從而調節噴頭噴絲的截面積。
2. 根據權利要求1所述的3D打印機噴絲截面積可調結構，其特征在于：所述的驅動裝 置包括轉盤和電機；轉盤與打印機機體相連，電機位于外圍殼體內并可驅動轉盤轉動；輸 料管路固定安裝于轉盤的下端。
3. 根據權利要求1或2所述的3D打印機噴絲截面積可調結構，其特征在于：所述的輸 料管路的內通道截面形狀與擠料噴嘴的內通道截面形狀均為規則的多邊形。
4. 根據權利要求3所述的3D打印機噴絲截面積可調結構，其特征在于：所述的規則的 多邊形可為三角形、四邊形等規則的多邊形。
5. 根據權利要求4所述的3D打印機噴絲截面積可調結構，其特征在于：所述的輸 料管路的內通道截面形狀和擠料噴嘴的內通道截面形狀為相同的矩形，其中矩形的長 邊為L max，短邊為Lmin ;輸料管路繞垂直于輸料管路和擠料噴嘴的內通道截面形狀的軸的 旋轉角度為Θ ;當旋轉角度為Θ的噴頭往一方向進行工作時，有效的打印區域寬度為 Lmaxsin Θ +Lminc〇S Θ ;在噴頭移動速度大小不變、每層的Z軸成型高度為一定值時，單位時間 內不同旋轉角度的噴頭有效的打印區域面積與打印區域寬度成正比。
6. 根據權利要求5所述的3D打印機噴絲截面積可調結構，其特征在于：所述的外圍殼 體內包含有加熱裝置，用于加熱輸料管路中的ABS或PLA等易熔融的傳輸物料，使其為熔融 狀態。
7. 權利1至6任一項所述的3D打印機速度和精度控制方法，其特征在于： 所述的打印速度調控方法是： 打印速度V = K*S*L ;其中S為噴嘴實際噴絲的截面積，L為單位打印成形面積，K是與 打印機有關的常量； 噴嘴實際噴絲截面積S和單位打印成形面積L決定進料速度，并影響熱熔速度；進料速 度和熱熔速度共同決定打印速度； 通過S與L的改變形成一個信號來控制打印速度，即調控噴頭輸料管路的進料速度； 所述的精度調控方法是：根據打印精度的不同需求，調整打印速度以控制打印精度； 打印精度要求高時，打印速度慢；打印精度要求低時，打印速度快。
8. 根據權利要求7所述的3D打印機噴頭的速度和精度調控方法，其特征在于：通過電 機調控擠料噴嘴旋轉的角度來改變單位時間內擠料噴嘴實際擠出物料的截面積S ;由于打 印噴頭的工作移動速度不變，為確保每層Z軸成形高度為一定值，要實時地根據擠料噴嘴 實際擠出物料的截面積S來調控輸料管路的進料速度；進料速度與傳輸物料的熱熔速度大 小相等，同時也為打印機工作時的打印速度V。
9. 根據權利要求7或8所述的3D打印機噴頭的速度和精度調控方法，其特征在于；所 述的輸料管路的內通道截面形狀和擠料噴嘴的內通道截面形狀為相同的矩形時，其中矩形 的長邊為L max，短邊為Lmin ;在噴頭移動速度大小不變、每層的Z軸成型高度為一定值時，單 位時間內不同旋轉角度的噴頭有效的打印區域面積與打印區域寬度成正比；所述的打印區 域寬度為1_以110+1^1^〇80;其中，0;為輸料管路繞垂直于輸料管路和擠料噴嘴的內通 道截面形狀的軸的旋轉角度Θ。
【文檔編號】B29C67/00GK104097327SQ201410331972
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】王飛躍, 熊剛, 沈震, 劉學 申請人:東莞中國科學院云計算產業技術創新與育成中心