送料装置及三维打印机的制作方法

2021-02-21 19:02:58|

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[0001]
本实用新型涉及3d打印技术领域，具体涉及一种适用于多种材料的送料装置以及包括了该送料装置的三维打印机。

背景技术：

[0002]
增材制造是把打印材料用逐层累加的方法制造实体零件的技术，简称为3d打印技术，是基于离散-堆积原理，依据二维层片数据将材料逐层堆积，是一种“自下而上”的快速制造方法，构建三维实体零件的成形原理。
[0003]
fdm(fused deposition modeling)熔融沉积打印机通常使用的打印材料是直径1.75mm和3mm的丝材，打印用的丝材料缠绕在供料轮上，打印时由送料装置将打印丝材料送到加热装置里加热，热熔性材料(如abs、pla、尼龙、蜡等)被加热到临界状态，使其呈现半流体状态，从出丝嘴挤出，形成打印材料生成打印层。fdm熔融沉积打印机的打印头或工作台能够在垂直方向z上下移动，出丝头在水平面xy平面上来回移动，它能让打印材料逐层快速进行叠加累积，并且每层都是按cad图形确定的轨迹打印出一定的形状，经过层层叠加最终能够打印出需要的三维物体模型。叠加在一起的原理是热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预先设定的层厚下降一个层厚的距离，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。
[0004]
现有技术中的多色送料装置，不同的材料同时进入打印头经常引起拥堵，出丝不畅。其中的一个原因是现有技术中的送料装置在进行多种材料的送料时无法稳定持续送料。

技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种改进的送料装置，能够稳定输送材料，解决由材料输送引起的出丝不畅的问题。
[0006]
为了达到上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：
[0007]
一种送料装置，包括固定板、用于进行送料的输送机构以及用于将耗材与所述输送机构压紧的压紧机构，所述输送机构和压紧机构固定在所述固定板上，所述压紧机构包括用于将耗材与输送机构压紧的压紧轮以及用于提供所述压紧轮压紧所述输送机构趋势的弹性件。
[0008]
通过压紧轮将耗材与输送机构压紧，使得输送机构能够持续稳定的输送耗材，送料可靠，避免输送不良，导致出丝不畅。
[0009]
优选地，所述输送机构包括电机以及位于所述电机输出轴端部的输送轮，所述压紧轮用于将耗材与所述输送轮压紧，通过压紧轮的压紧作用从而将耗材与输送轮压紧，并通过输送轮持续稳定输送耗材。
[0010]
优选地，所述压紧机构还包括转动设置在所述固定板上的活动支架，所述压紧轮
和所述弹性件分别安装在所述活动支架的两端部，使得通过弹性件的作用推动竖直部上的压紧轮始终将耗材压紧在输送轮上。
[0011]
更加优选地，所述活动支架包括竖直部和水平部，所述竖直部和水平部的连接处通过转动轴转动连接在所述固定板上，所述压紧轮安装在所述竖直部的顶端，所述弹性件作用在所述水平部远离所述转动轴的一端。活动支架沿旋转轴转动，使得通过弹性件的作用推动竖直部上的压紧轮始终将耗材压紧在输送轮上。
[0012]
在本实用新型的一些实施例中，活动支架的水平部上也开设有供耗材穿过的孔，可以进一步对耗材的运动进行限位。
[0013]
进一步优选地，所述固定板上固定有固定支架，所述固定支架对应所述弹性件安装有安装块，所述弹性件的一端作用在所述安装块上，所述弹性件的另一端作用在所述活动支架上。安装块固定不动，固定在其上的弹性件抵住固定支架的水平部，使得固定支架竖直部上的压紧轮始终将耗材压紧在输送轮上。
[0014]
再优选地，所述安装块上还安装有用于对所述弹性件进行限位的限位件，所述弹性件套设在所述限位件的外侧。弹性件优选为弹簧，限位件优选为螺钉，弹簧套设在螺钉的外侧，螺钉对弹簧的拉伸或压缩运动进行限位。
[0015]
优选地，所述送料装置包括送料管，所述固定支架上安装有接头，所述送料管连接在所述接头上。
[0016]
更加优选地，所述固定支架上对应所述接头开设有输送孔，所述耗材通过所述输送孔进入所述送料管。即固定支架上开设有输送孔，输送孔上方安装有接头，接头上连接有送料管，送料管一直延伸至打印头。耗材(打印丝)有储料轮放出，经过活动支架进入输送轮和压紧轮之间，并由输送轮带动向前输送，经过输送孔进入送料管，进而向前运动至打印头。
[0017]
优选地，所述输送轮为齿轮；所述压紧轮上开设有用于对耗材运动进行限位的限位槽，所述限位槽沿所述压紧轮的周向开设。设置限位槽使得耗材的运动得以限位，始终沿沟槽运动，防止跑偏，造成输送不良。
[0018]
本实用新型还提供了一种包括了如上所述的送料装置的三维打印机。
[0019]
与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：本实用新型的送料装置，其结构设计合理，通过压紧轮将耗材与输送机构压紧，使得输送机构能够持续稳定的输送耗材，送料可靠，避免输送不良，导致出丝不畅。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1为本实用新型优选实施例中三维打印机第一视角的立体图；
[0022]
图2为本实用新型优选实施例中三维打印机的主视图；
[0023]
图3为本实用新型优选实施例中三维打印机的侧视图；
[0024]
图4为本实用新型优选实施例中送料装置的立体图；
[0025]
图5为本实用新型优选实施例中打印头第二视角的立体图；
[0026]
图6为本实用新型优选实施例中打印头第三视角的立体图；
[0027]
图7为本实用新型优选实施例中打印头的俯视图；
[0028]
图8为本实用新型优选实施例中打印头的主视图；
[0029]
图9为图8中a-a的剖面图；
[0030]
图10为本实用新型优选实施例中连接体和加热头的主视图；
[0031]
图11为图10中b-b的剖面图；
[0032]
图12为本实用新型优选实施例中送料部件的立体图；
[0033]
图13为本实用新型优选实施例中送料部件的主视图；
[0034]
图14为图13中c-c的剖面图；
[0035]
图15为本实用新型优选实施例中出丝头的立体图；
[0036]
图16为本实用新型优选实施例中出丝头的剖视图；
[0037]
其中：三维打印机-1，上防护罩-11，侧防护罩-12，下防护罩-13，直线导轨-14，储丝轮-15，控制装置-16，立柱-17，送料装置-2，输送轮-21，压紧轮-22，活动支架-23，弹性件-24，安装块-25，限位件-26，送料管-27，固定支架-28，转动轴-29，打印头-3，连接体-31，容纳孔-311，顶孔-312，顶丝-313，散热腔-314，散热孔-315，散热槽-316，进料部件-32，内衬套-321，外衬套-322，散热纹-323，锥形孔-324，螺纹-325，加热头-33，螺纹孔-331，安装孔-332，出丝头-34，混合槽-341，混合凸起-342，出料嘴-343，外螺纹-344，支撑体-35，加热器-36，冷却风扇-4，接头-5，耗材-6，安装法兰-7。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0039]
如图1-3所示，本实施例的三维打印机1包括机架以及局部覆盖机架的上防护罩11、下防护罩13和侧防护罩12等组成。机架是该打印机的主体部分，由三根铝型材立柱17和上下三块铝合金板构成，形成一个三棱柱型框架，强度高稳定性好、抗冲击能力强、重量轻便于搬运。机架的三根铝型材立柱17按正三角形布置受力均匀，立柱17内则各安装一根直线导轨14，立柱17的顶部各安装一个同步带轮，与立柱17下部的三个驱动电机轴上的同步带轮相对应，三个驱动电机安装在立柱17下方的铝合金板上，三根同步带分别跨接在三组同步带轮上，直线导轨14上的三个滑块由这三根同步带驱动沿立柱17上下运动。三个滑块以铰链形式连接三组连杆，连杆也以铰链形式连接打印头3上的安装法兰7，滑块移动带动打印头3做平面运动和上下运动，实现打印头3打印工作。
[0040]
机架最上面的铝合金板除固定立柱17位置外，经过翻边形成了上防护罩11，保护立柱17上部的带轮安全；机架上中间的铝合金板既要起到支撑立柱17，与最下面的铝合金板组成电气安装室，还兼有工作台的作用，产品打印在此铝合金板上；机架最下面的铝合金板是立柱17的安装板，机架的支撑底板，既要安装立柱17、安装驱动电机、安装电气部件外，
还是整台打印机的支撑板，支撑打印机稳定工作。最下面的铝合金板与工作台之间还安装有控制装置16。
[0041]
打印机的立柱17外侧有防护罩，能防止烫伤误入打印区域的伤害，防止损坏已打印好的产品。防护罩占据打印机空间较大，防护罩的上面安装了三套送料装置2和三个储料轮15，打印过程中能直观了解打印材料的使用情况，三套送料装置2安装在防护罩外面易于更换打印材料，如图1-3所示。
[0042]
如图4所示，打印机的送料装置2包括安装在侧防护罩12上的用于进行送料的输送机构以及用于将耗材6与输送机构压紧的压紧机构。其中，输送机构包括伺服驱动电机、安装在电机轴端部上的输送轮21；压紧机构包括用于将耗材6与输送轮21压紧的压紧轮22、用于提供压紧轮22压紧输送轮21趋势的弹性件24、通过转动轴29转动设置在固定板上的活动支架23。压紧轮22用于将耗材6与输送轮21压紧，通过压紧轮22的压紧作用从而将耗材6与输送轮21压紧，并通过输送轮21持续稳定输送耗材6。
[0043]
活动支架23包括竖直部和水平部，竖直部和水平部的连接处通过转动轴29转动连接在固定板上，压紧轮22安装在竖直部的顶端，弹性件24作用在水平部远离转动轴29的一端。在本实施例中，活动支架23的水平部上也开设有供耗材6穿过的孔，可以进一步对耗材6的运动进行限位。
[0044]
压紧轮22和弹性件24分别安装在活动支架23的两端部。且侧防护罩12上固定有固定支架28，固定支架28对应弹性件24安装有安装块25，弹性件24的上端作用在安装块25上，弹性件24的下端作用在活动支架23上。安装块25固定不动，固定在其上的弹性件24抵住固定支架28的水平部，使得固定支架28竖直部上的压紧轮22始终将耗材6压紧在输送轮21上。
[0045]
安装块25上还安装有用于对弹性件24进行限位的限位件26，弹性件24套设在限位件26的外侧。弹性件24优选为弹簧，限位件26优选为螺钉，弹簧套设在螺钉的外侧，螺钉对弹簧的拉伸或压缩运动进行限位。
[0046]
本实施例中固定支架28上还通过接头5安装有送料管27，固定支架28上对应接头5开设有输送孔，耗材6通过输送孔进入送料管27。即固定支架28上开设有输送孔，输送孔上方安装有接头5，接头5上连接有送料管27，送料管27一直延伸至打印头3。耗材6(打印丝)由储料轮15放出，经过活动支架23进入输送轮21和压紧轮22之间，并由输送轮21带动向前输送，经过输送孔进入送料管27，进而向前运动至打印头3。
[0047]
本实施例中输送轮21为齿轮；压紧轮22上开设有用于对耗材6运动进行限位的限位槽，限位槽沿压紧轮22的周向开设。设置限位槽使得耗材6的运动得以限位，始终沿沟槽运动，防止跑偏，造成输送不良。
[0048]
打印机工作时伺服电机在程序控制下按比例转动，电机轴上的输送轮21分别将储料轮15上三种颜色的耗材6(打印丝)推入送料管27，送入打印头3里，打印头3里的加热器36进行加热，在出丝头34里融化混合，最后从出丝口343挤出混合打印材料，打印头3完成打印工作。
[0049]
送料装置2是打印机的重要部件，直接影响打印机的打印质量，送料装置2工作时，储料轮15上的耗材6从输送轮21和压紧轮22之间穿过，涨紧弹簧使活动支架23上的压紧轮22将打印丝压紧在输送轮21上，输送轮21依靠摩擦力将打印丝材料推进送料管27，三根送料管27将打印丝材料按比例送入打印头3里加热、融化、混合，最后从出丝口343挤出。
[0050]
以下以三色混合打印头3为例详细介绍本实施例中的多色混合打印头3的结构。
[0051]
三色混合打印头3用三种颜色的打印材料同时送到打印头3里，经过加热熔化在出丝头34内腔进行混合，混合后由出丝头挤出混合打印料，三基色的打印材料按不同比例混合，可生成丰富多彩的全颜色打印材料。
[0052]
如图5-16所示，本实施例中的混合打印头3，包括相互匹配的连接体31和加热头33、连接在连接体31和加热头33上的进料部件32、以及安装在加热头33上的出丝头34，出丝头34内开设有与进料部件32贯通的混合槽341以及位于混合槽341下方的出丝口343，混合槽341螺旋式分布在出丝头34的内壁上，内壁上具有向混合槽341凸出的混合凸起342。螺旋式分布的混合槽341以及形成的混合凸起342能够进一步增强混合效果。
[0053]
连接体31上开设有散热结构，散热结构包括开设在连接体31内的散热中空314、开设在连接体31上的散热孔315以及散热腔316，散热孔315连通散热中空314与外部空间，散热腔316开设在连接体31的外表面上。通过散热中空314、散热孔315以及散热腔316形成的散热结构，使得连接体31上的热量快速散出。
[0054]
进料部件32包括位于内部的内衬套321以及套设在内衬套321外的外衬套322，内衬套321材料的导热系数小于外衬套322的导热系数。通过将进料部件32设置为内衬套321和外衬套322的复合结构，进一步减少加热头33上的热量传递给连接体31，减少加热头33的能量损耗。
[0055]
外衬套322的底端部设置有用于与出丝头34连接的螺纹325，加热头33上对应开设有螺纹孔331，连接体31上开设有用于安装外衬套322的容纳孔311，容纳孔311与对应的螺纹孔331的轴心线重合，加热头33上还开设有用于安装出丝头34的安装孔332，多个螺纹孔331的轴心线的交点位于安装孔332的轴心线上，如图9和图11所示，其中容纳孔311和螺纹孔331的轴心线与竖直方向的夹角为17
°
。以保证三个进料部件32的角度一致，保证了相同的送料阻力，保证了出丝比列，混料均匀，出丝顺畅，达到较好的打印效果。
[0056]
外衬套322的外壁上沿外衬套322的周向开设有散热槽323，使得外衬套322和连接体31上的热量更快散去。外衬套322远离螺纹325的一端开设有锥形孔324，锥形孔324形成的角度为60
°
。锥形孔324具有锥形面，锥形面背向内衬套321，锥形面与外衬套322之间形成用于抵住内衬套321的台阶。锥形孔324用于使得耗材6能够更加顺利的进入内衬套321内，台阶用于抵住内衬套321，固定内衬套321在外衬套322中的位置。
[0057]
连接体31上对应容纳孔311开设有顶孔312，顶孔312内设置有用于将外衬套322固定在连接体31上的顶丝313。通过顶孔312和顶丝313的配合将送料部件固定在连接体31上。
[0058]
本实施例中的连接体31和加热头33为一体成型后再分离得到。通过这样的设置，保证连接体31内的容纳孔311的角度一致，且与加热头33上的螺纹孔331的角度一致，保证容纳孔311、螺纹孔331轴心线的交点位于安装孔332的轴心线上。
[0059]
本实施例中的连接体31上方还安装有支撑体35，支撑体35上安装有冷却风扇4。用螺纹325连接形式将漏斗状支撑体35与打印头3的连接体31连接，冷却风扇4装在漏斗状支撑体35上端，冷风吹进打印头3的连接体31内，冷却打印头3的连接体31，使进料部件32冷却。
[0060]
打印头3连接体31上面有三个均匀布置的接头5，连接着三根由送料装置2延伸过来的送料管27，连接体31内部有三个与其对应的进料部件32。进料部件32是打印头3的核心
部件，影响出丝头34出丝是否顺畅、换料时穿丝是否容易等。
[0061]
加热头33里有热传感器，能直接检测打印头3温度。加热头33通过三根进料部件32与连接体31进行连接，且由于本实施例中的加热部件的特殊结构和材质，使得加热头33的热量尽量少传到连接体31上，避免热量损失，最大限度集中在出丝头34上熔化打印耗材6。加热头33的下面是出丝头34，出丝头34通过外螺纹344与加热头33连接，出丝头34是打印头3关键的部件，出丝头34内部进行材料的熔化和混合，其直接影响打印质量。
[0062]
连接体31是打印头3的基础部件，打印头3的各功能部件均安装在此部件上，如图5-11所示，该部件为铝合金材料制成，重量轻传热快，内部设计成中空结构的散热中空314，且开设有与散热中空314的散热孔315，外围还设置有散热腔316，有利于冷风带走连接体31的热量，降低连接体31内部的进料管温度。连接体31重量轻有利于减少打印头3的运动惯量，减小换向冲击振动、减小噪音、提高打印速度，有利于提高打印质量。
[0063]
打印头3的连接体31结构复杂，加工精度高，连接体31上部安装送料管27、送料接头5、内部安装有进料部件32，安装风扇冷却连接体31，使连接体31保持低温状态。连接体31的下部是加热部分，需要保持高温状态，熔化出丝头34内部的打印材料，连接体31和加热头33为一体成型后切开形成连接体31和加热头33上下两部分，使高温部分和低温部分不互传热量。连接体31内部均布有三个用于安装进料部件32的容纳孔311，如果不采用一体加工技术，三个进料管的角度可能不一致，角度不一致送料的阻力也会不一致，使混合料的比例不准确，影响打印颜色的质量。加热头33上的3个m6螺纹孔331与连接体31的容纳孔311是对应的，如果加热头33上的螺纹孔331位置、角度和上部连接体31的容纳孔311不一致，打印头3无法组装。且加热头33上出丝头34的安装孔332在三个螺纹孔331轴心线的交点处，无论偏向那一边都会影响出丝比例，影响打印质量。本实施例中连接体31的三个送料部件的容纳孔311与打印头3轴心线成17
°
夹角，加热头33上的3个m6螺纹孔331均与打印头3轴线成17
°
夹角。度数太小，结构上布置有难度，度数太大，阻力大，出丝不顺畅。
[0064]
打印头3是一个独立部件，为了便于装配与维修，打印头3安装在机架的安装法兰7上，通过3个m3螺钉连接。
[0065]
现有技术中，打印材料进入加热头33前，由加热头33传导出的热量会传输到进料部件内，使进料部件的温度升高引起打印材料软化，软化的打印材料受出丝口343阻力影响，打印材料直径会变大，直径增大的打印材料在进料管里阻力变大，引起阻力越来越大直径越来越粗，打印材料便会卡在进料管内，引起出丝不畅，剰至出现堵塞故障。
[0066]
进料部件32作为一个核心部件，按照它的作用必须达到耐高温、不传热、高强度等要求，本实施例中采用复合结构能够较好的解决上述问题，如图9和12-14所示，进料部件32选用两个零件组成复合结构，包括内部的内衬套321以及外部的外衬套322，其中内衬套321选用陶瓷材料或玻璃材料，打印低温耗材6时也可选用聚四氟乙烯材料，要求内衬套321的内孔必须光滑、滑摩擦系数低，进料阻力小。孔径2mm的内衬套321打印直径1.75mm的打印材料。外衬套322采用不锈钢材料，达到耐高温、散热快、强度高的要求。
[0067]
进料部件32装在加热头33与送料管27之间，进料部件32的一端是m6的外螺纹344，与打印头3的加热头33连接，另一端嵌入在连接体31的容纳孔311内，不锈钢外衬套322的外周开设有散热槽323，最大限度的减少热量传导，加速散热。外衬套322的内部有一个台阶，用于阻挡内衬套321移动，外衬套322的内锥面能引导打印材料顺利进入到内衬套321内，有
利于更换打印材料。
[0068]
三色混合打印头3的加热头33内通过安装孔332安装有出丝头34，打印材料从进料管进入送料部件，再进入出丝头34里加热，热熔化的材料在出丝头34的混合槽341内混合前进，混合后的材料直接从出丝头34的出丝口343挤出，如图15-16所示。
[0069]
现有技术中，三种颜色打印材料进入到出丝头34里加热，加热熔化的三种材料在出丝头34里混合，由于现有的出丝头34的结构设置，其混合区域小，混合均匀性不好，将影响打印产品外观质量，三颜色混合均匀性是这种打印机的重要指标。为此对出丝头34重新设计，制造出混合功能比较好的出丝头34，增加混合接触距离，经过翻转强化混合。
[0070]
本实施例中的出丝头34较现有的出丝头34相对减小内腔的直径，增加螺旋式的混合槽341，使得融化后的材料沿着混合槽341混合前进，增加三种材料熔化后的接触长度，增加了混合凸起342，增强了混合效果。
[0071]
本实施例中打印耗材6的直径为1.75mm，设置混合槽341导程为4.5mm、旋转1.5圈，出丝口343的出丝直径为0.3mm。耗材6与出丝口343的直径比大概是6:1，出料比进料快6倍，混合作用也增加了6倍，本实施例的出丝头34混色效果、出丝顺畅等效果均比较好。
[0072]
混合槽341导程小，出丝阻力大、出丝顺畅性差、混色滞后。混合槽341导程太大起不到混合作用，混合槽341的导程既要兼顾颜色混合的均匀性，又要兼顾出丝的顺畅性，同时考虑混色的滞后性。本实施例中将混合槽341导程设置为4.5mm，能够解决上述问题。且本实施例中的出丝头34选用钛合金材料制作，传热快、耐磨损耐腐蚀、强度高，出丝头34用螺纹325方式与加热头33安装在一起。
[0073]
本实施例中的三维打印机1相对于现有技术具有如下的优点：
[0074]
1、连接体31与加热头33一体化成型：一体结构加工，加工完成后切开形成连接体和加热头，才能使三个容纳孔311的角度一致，位置一致，且轴心线交点位于出丝头34螺孔轴心线上；只有这种连接体31与加热头33一体化结构，才能制造出多送料部件倾斜的送料结构，送料的阻力最小，送料比例准确；
[0075]
2、送料管27与打印头3轴线成一定的夹角三种颜色混合打印头3：多种颜色混合打印头3送料部件多，直上直下送料阻力很大，出丝不通畅，影响打印质量；送料部件与打印头3轴线成一定的夹角(17
°
)、对称分布多个送料管27，送料不拐弯，结构阻力最小，出丝最顺畅，且结构紧凑；
[0076]
3、出丝头34的内腔设计成螺旋结构：出丝头34内部制成螺旋式的混合槽341，加长了三种材料熔化后的接触长度，混合槽341的混合凸起342增加了材料混合，混合效果好；
[0077]
4、进料部件32的复合结构：进料部件32一端连接加热头33，另一端连接送料管27，加热头33的热量传导到进料部件32内，引起进料部件32内的打印材料软化，受出丝口343阻力影响，打印材料直径变大，送料阻力越大直径越粗，打印材料便会卡在进料管内出不了丝；采用本实施例中的内衬套321和外衬套322的复合结构解决上述问题；
[0078]
5.送料装置2：通过压紧轮22将耗材6与输送机构压紧，使得输送机构能够持续稳定的输送耗材6，送料可靠，避免输送不良，导致出丝不畅。
[0079]
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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