一种气压式增材制造喷头的制作方法

本发明属于增材制造(3D打印)材料加工领域，涉及熔融沉积成形技术，具体为一种气压式增材制造喷头。

背景技术：

熔融沉积成形技术(FDM)是快速成形领域内一种较为成熟的技术，其基本成形原理是将复杂的三维立体加工转变为简单的二维平面加工，即由三维建模软件或者三维扫描仪等工具得到的零件三维模型输入到前处理软件，得到控制该零件成形的程序，在数控系统的控制下，将熔融态的材料按需经喷嘴挤出，由点及线、到面、最终成体的逆向获得所需成形的零件。

气压式熔融沉积成形设备，由于具有设备构造简单、耗材形状不受限制以及喷头质量较轻等方面的优势，在科研与实践应用中都受到了广泛的关注，然而由于它在喷头的物料储量、加热方式、气压稳定等方面存在缺陷，致使它的应用面受到了一定的限制。

现有技术中主要存在以下缺陷：1.喷头腔体空间过小造成单次可供成形物料量偏少的问题；2.由于物料导热能力的限制，单一依靠腔体外壁加热使得物料熔融效率较低；3.提供挤出力的压缩气体在进入喷头腔体后由于对熔融物料的冲击过大，容易进入物料层内部或将物料层击穿，造成成形零件内夹杂气体或引起成形失败；4.在喷头料筒内物料厚度较大的情况下，由于成形材料自身导热率偏低引起的熔融状态不均匀，腔体内边缘材料易于老化。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种气压式增材制造喷头，储料量大、加热效率高、挤出力供给稳定，能够拓展气压式熔融沉积成形技术的应用面。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种气压式增材制造喷头，包括喷嘴，以及依次连接在喷嘴输入端的多级储料筒；喷嘴外部依次设置有喷嘴加热单元和喷嘴隔热层，喷嘴与连接的料筒之间设置喷嘴垫片；每级料筒外部分别套设有独立的料筒温控单元，各级料筒温控单元中的加热腔依次轴向串接在一起，料筒控温单元外部分别设置有料筒隔热层；每级料筒内部设置有物料导热单元，物料导热单元包括多个均匀设置在料筒内部的导热板，导热板上设置有若干通孔；相邻料筒之间设置有料筒垫片；远离喷嘴的最后一级料筒进料端依次设置有料筒垫片、料筒上盖和料筒上盖隔热层；料筒上盖上分别设置供料及挤出力稳定装置接口和挤出力控制接口；料筒上盖隔热层和各级料筒的料筒隔热层，一级喷嘴隔热层密封连接为一体。

优选的，挤出力控制接口的出气端设置有导气缓冲装置，导气缓冲装置呈筒状设置，底部密封，侧壁上开设有若干水平通孔。

优选的，与喷嘴连接的料筒的出料端外部设置有金属导热块。

进一步，喷嘴外部设置有喷嘴测温单元，喷嘴测温单元、喷嘴加热单元和金属导热块依次沿轴向排列固定设置。

优选的，喷嘴、各级料筒和料筒上盖之间均采用螺栓连接。

优选的，喷嘴输入端依次连接有两级料筒。

优选的，每级料筒内部的多个导热板呈平行设置，也可以为呈均匀角度交叉放置。

优选的，每级料筒内部的多个导热板呈呈均匀角度交叉设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过喷嘴加热单元和料筒温控单元引入多级加热机制，对采用喷嘴和各级料筒分别加热、预热，每级之间采用独立的温控单元，然后将多个加热腔体串连在一起，增加了腔体的总空间，解决了喷头腔体空间过小的问题；后一级加热腔体中的物料在前一级加热的基础上进行加热，缩短了加热所需时间，解决了增加物料后物料加热慢的问题，增加了气压式熔融沉积成形设备单位时间内可供成形的物料量。

进一步的，通过对应除一级料筒以外的其他各级料筒的加热装置将温度控制在物料老化温度以下，解决了物料长期处于高温状态而发生的老化分解现象，保证了材料的使用性能。

进一步的，本发明通过导气缓冲装置在进气通道的末端加入导气缓冲装置，将进入物料腔的气体由垂直于熔融物料上表面的方向改变为平行于上表面的方向，同时采用均布的小孔增大气体进入的阻力来实现降低冲击强度，在供压气体进入物料腔前改变气体的速度方向，同时减小气体的冲击力度，解决提供挤出力的气体在进入喷头腔体后击穿物料层的问题。

进一步的，本发明采用在料筒内部均匀布置导热板的方法，更好的能够利用导热率大的铜板实现料筒内部熔体的均匀加热。在具体设计导热板的过程中，在导热板上均布小孔，使被导热板隔开的腔体间在任何时刻都可以实现物料流通，解决物料熔融状态不均匀的问题，同时也提高了物料加热速度和物料均匀受热的程度，解决了腔体边缘处材料易于老化的问题，使成形过程中的连续供料成为了可能。

进一步的，喷嘴口与一级料筒之间采用螺栓连接的方式，更换与连接变得方便，同时避免了螺纹连接带来的不稳定性。

附图说明

图1为本发明实例中所述喷头的整体装配示意图。

图2为本发明实例中所述导热板布置的三种情况示意图。

图3为本发明实例中所述利用本发明成形工件示意图。

图中：A.喷嘴部分；B.一级料筒部分；C.二级料筒部分；D.料筒上盖部分；1.喷嘴；2.喷嘴测温单元；3.喷嘴加热单元；4.金属导热块；5.一级料筒；6.一级物料导热单元；7.二级料筒隔热层；8.二级物料导热单元；9.二级料筒垫片；10.料筒上盖；11.料筒上盖隔热层；12.供料及挤出力稳定装置接口；13.挤出力控制接口；14.导气缓冲装置；15.第一螺栓紧固件；16.二级料筒温控单元；17.二级料筒；18.一级料筒垫片；19.第二螺栓紧固件；20.一级料筒温控单元；21.一级料筒隔热层；22.喷嘴隔热层；23.第三螺栓紧固件；24.喷嘴垫片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种气压式增材制造喷头，如图1所示，通过采用多级加热结构，每级之间设置有隔热垫片，以减小各级之间温度场的相互干扰，从而达到精确控温的目的。由于各级温度场采用独立控制的方式，而且每一级之间采用的是易于装卸的螺栓连接方式，因而在具体实施的过程中，还可以根据实际情况增加或者减少加热的级数。

本优选实例以两级料筒为例进行说明。在加热系统方面：喷嘴测温单元2和喷嘴加热单元3，主要作用是使经喷嘴口沉积的物料保持适宜的成形温度，从而保证携带的热量足以驱动当前沉积层与前一层实现良好的熔接；一级料筒温控单元20，主要作用是使位于一级料筒内的物料达到熔融温度，保证熔融物料稳定的熔融挤出；二级料筒温控单元16，主要作用为对处于该段的物料进行预热并且控温温度在物料老化温度以下，一级料筒是在二级料筒预热的基础上进行加热，使物料能够在进入一级料筒后迅速达到熔融温度，进而提高单位时间可供沉积物料的总量；二级料筒垫片9、一级料筒垫片18和喷嘴垫片24，主要作用是是各加热单元之间尽可能的避免直接热交换，从而保证独立温控的效果。

挤出力稳定系统方面：供料及挤出力力稳定装置接口12，主要作用是通过该接口实现物料的连续供给，同时维持喷头内挤出力的稳定；挤出力控制接口13和导气缓冲装置14，主要作用是将进入物料腔的气体由垂直于熔融物料上表面的方向改变为平行于上表面的方向，使得气体挤出力在物料上表面均匀分布，同时增大气体进入的阻力来实现降低冲击强度，防止气体将物料层击穿。

熔体温度均匀化方面：金属导热块4、一级物料导热单元6和二级物料导热单元8均是利用热导率大的金属实现均匀传热与供热，其放置方式如图2所示，能够根据导热板的数量和需求进行平行设置、十字形设置或三块成交叉设置进而实现熔体快速且均匀地熔融，同时可以有效地防止腔体边缘材料已老化而腔体中心材料熔融不良的问题。

各部件间的连接：第一、二和三螺栓紧固件15、19、23，主要是便于各单元之间的装卸，同时第三螺栓紧固件23的存在避免了喷嘴1与一级料筒5连接时采用螺纹方式，进而避免由于螺纹造成沉积不稳定的问题。

使用时，首先向最后一级料筒中加入所需成形的物料，然后根据物料物性设定各加热元件的加热温度，待各加热元件的温度达到设定值后保温15分钟，最后加载设定的挤出力将熔融态物料从喷嘴1处按需挤出。将此喷头固定在数控机床上，设定好相关运行程序即可进行沉积成形。

如图3所示，采用本发明所述的喷头，喷嘴口径1.5mm，挤出力0.2MPa，喷嘴温度175℃；一级料筒温度150℃；二级料筒温度60℃，分层厚度0.4mm，扫描速率900mm/min，耗时2h得到PLA材料成形件。