一种3D打印机的制作方法

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印机。

背景技术：

3D打印机又称三维打印机，是一种增材制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。是逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。

现有技术的3D打印机中的计量挤出装置采用辊轮或齿轮啮合驱动，辊轮装置的输出比较均匀，主要用于线材的打印，因此选材范围比较狭窄，过硬过软以及脆性的材料都不能使用，而且其驱动力是靠辊轮与线材之间的摩擦力，很容易打滑导致输出不精确，而齿轮啮合输送融化的浆料的方式，是利用齿轮间隙一份一份的输送材料的，输出的量是呈周期性变化的，使得3D打印机无法精确控制浆料的打印量，并且喷头装置的出料口为若干特定值，不能自动改变口径，在计量挤出装置不精确的情况下，无法喷出特定外径的浆料，使得3D打印机无法满足外部需要精确而内部需要高效粗线条填充的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种具有高精度打印及能够适用不同打印需求的3D打印机。

一种实施例中提供一种3D打印机，其包括至少两个喷头装置、计量挤出装置、挤压装置和驱动装置，挤压装置用于挤压喷头装置的开闭，驱动装置用于驱动计量挤出装置给喷头装置送料，至少两个喷头装置分别具有预设孔径的出料孔；计量挤出装置包括括轮轴、机箱和隔离机构，轮轴包括转轴和至少两个偏心轮，在转轴轴向上，至少两个偏心轮等偏心距且均匀分布在转轴上，驱动装置的输出端与转轴连接，驱动装置驱动转轴旋转；机箱设有若干个用于容置偏心轮的腔体；机箱设有总进料口和总出料孔，若干个腔体分别设有与总进料口联通的分进料口和与总出料孔联通的分出料孔；偏心轮内切于腔体内，偏心轮与腔体形成挤压腔；隔离机构包括隔板和伸缩件，隔板通过伸缩件可移动地安装在机箱的腔体内，隔板设置在分进料口和分出料孔之间，在伸缩件的作用下，隔板始终与偏心轮接触，将分进料口和分出料孔隔离。

进一步地，轮轴包括四个偏心轮，四个偏心轮中任一个偏心轮中心点到转说明书轴中轴线的垂直线与其他三个偏心轮中心点到转轴中轴线的垂直线的夹角分别为90°、180°和270°。

进一步地，机箱包括上盖和下盖，上盖和下盖固定在一起，上盖和下盖围合成若干个用于容置偏心轮的腔体，上盖设有总进料口、总出料孔、分进料口和分出料孔，上盖在进料口和出料孔之间设有用于容置隔离机构的凹槽，隔板通过伸缩件固定在凹槽内，在伸缩件的挤压下，隔板始终与偏心轮接触。

进一步地，包括四个喷头装置，喷头装置包括：

支撑座，其设有导料孔；

筒体，其可移动地安装在支撑座上，筒体侧面设有进料口，进料口与导料孔联通：

喷嘴，其可拆卸地安装在筒体上，喷嘴端部设有出料孔；

以及阀针，其容置于喷嘴与筒体围合成的腔体内，阀针通过固定件固定在支撑座上，阀针与可移动的喷嘴形成节流阀，节流时，喷嘴移动至与阀针接触，阀针端部封堵住喷嘴的出料孔

进一步地，喷头装置还包括密封圈和盖板，盖板设有凹槽，密封圈套装在筒体与支撑座的连接处，盖板固定在支撑座上，并且将密封圈固定在凹槽中。

进一步地，喷头装置还包括弹簧和垫块，筒体相对出料孔的另一端上设有凸台，垫片固定在支撑座上，弹簧安装在凸台与垫块之间，在无外力的情况下，弹簧驱动筒体与阀针按触，使得一筒体的出料孔被始终被阀针封堵住。

进一步地，垫块上设有用于安装弹簧的环形凹槽。

进一步地，筒体上设有用于安装阀针的避让口，阀针一端通过固定件固定在支撑座上。

进一步地，固定件包括安装块和螺钉，安装块通过螺钉固定在支撑座上，阀针通过螺钉穿过筒体的避让口固定在安装块上。

进一步地，3D打印机还包括机架，喷头装置、计量挤出装置挤压装置和驱动装置分别安装在机架上。

依据上述实施例的一种3D打印机，由于设有若干个预设孔径出料孔的喷头装置，喷头装置计量挤出装置的机箱内设有若干个腔体，腔体内分别内切有偏心轮，从转轴轴向上，若干个偏心轮均匀分布在转轴上，每个偏心轮挤出的浆料量相互弥补，减小了总挤出的浆料总量波动，3D打印机通过控制装置控制计量挤出装置输出预设压力的浆料给喷头装置，配合预设孔径的出料孔，使得喷头装置可喷出预设外径的浆料用于打印，精确的喷出需求外径的浆料不仅提高说明书了打印的精度，还同时满足了高效和高精两种不同的打印需求。极大的提高了效率。

附图说明

图1为本发明一种3D打印机的结构框图；

图2为本发明一种3D打印机的局部结构示意图；

图3为本发明一种3D打印机的喷头装置的结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为本发明一种3D打印机的计量挤出装置的爆炸结构示意图；

图6为本发明一种3D打印机的计量挤出装置的爆炸结构示意图；

图7为本发明一种3D打印机的计量挤出装置的截面剖视图；

图8为本发明一种3D打印机的计量挤出装置的挤出原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，在本发明实施例中提供了一种3D打印机，3D打印机包括喷头装置1、计量挤出装置2、挤压装置3、驱动装置4和机架。喷头装置1、计量挤出装置2、挤压装置3和驱动装置4分别安装在机架上；挤压装置3为气缸，其输出端与喷头装置1连接，挤压驱动喷头装置1的开闭；驱动装置4为电机，其输出端与计量挤出装置2连接，驱动计量挤出装置2给喷头装置1送料。在其他实施例中，3D打印机还包括控制装置，控制装置分别与挤压装置3和驱动装置4电倌号连接，用于分别控制挤压装置3和驱动装置4的驱动。

如图2所示，本实施例提供的3D打印机的四个并排设置的喷头装置1固定在计量挤出装置2上，在其他实施例中，可根据实际需求设置喷头装置1的数量及安装排列方式。

如图3和图4所示，喷头装置1，其包括支撑座11、筒体12、喷嘴13和阀针14。

支撑座11可将整个喷头装置安装固定到3D打印机上。支撑座11具有凸出的悬臂梁，悬臂梁上设有两端开口的腔体。支撑座11上设有导料孔111，导料孔111的一端与计量挤出装置连接，另一端延伸到悬臂梁的腔体内。

筒体12侧壁上设有进料口121，喷嘴13端部设有出料孔131，喷嘴13通过螺纹可拆卸地安装在筒体12的端部，筒体12和喷嘴13围合成腔体，该腔体与进料口121和出料孔131联通。

筒体12可移动地安装在支架11上。筒体12的侧面设有进料口121，筒体12的进料口121与支撑座11的导料孔111联通，使得物料能够通过导料孔111导入到筒体12中进行3D打印。

由于筒体12为可移动安装设置，使得在安装有多个筒体12的3D打印机工作时，可通过移动筒体12避让其他在进行打印的筒体12，而不需要其他的移动机构将不工作的筒体12移开。

喷嘴3和筒体12可拆卸安装在一起，可便于阀针14的安装，并且有利于筒体12清洁维护，若筒体12的出料孔131或内部被堵塞，只需通过拆卸喷嘴3便能进行快速疏通维护。喷嘴3上具有出料孔131，若更换其他口径的出料孔131时，只需更换相应的喷嘴3即可。

优选的，筒体12的进料口121的孔径大于与之对接的导料孔111的孔径，并且保证筒体12在移动的行程范围内，导料孔111始终与进料口121完全对接，保证导料孔111与进料口121完全联通，即使在移动过程中，导料孔111的导通物料的对接口也不会被移动中的筒体12的侧壁阻挡住。

阀针14为具有圆锥形端部的圆柱体，阀针14容置于筒体12和喷嘴13围合成的腔体内，阀针14与腔体内壁之间具有间隙，该间隙将筒体12酌进料口121和喷嘴13的出料孔131联通，且阀针14的圆锥形端部与喷嘴13的出料孔131中心对齐设置。为了安装阀针14，筒体12上设有避让阀针14安装的避让孔，螺钉穿过该避让孔将阀针14悬挂固定在支撑座11上，并且盖板15的避让孔在安装阀针14被封堵住，而筒体12的避让孔相应的扩大，以满足阀针14移动的需求。

优选的，为了方便阀针14的安装及利于筒体12的移动，阀针14相对圆锥形端部的另一端的轴径等于或略小于腔体的内径，并且在该端上设有径向的凹槽，凹槽面对进料口121设置，使得阀针14悬挂安装时，只需从外部直接通过螺钉固定，同时留有导通进料口121和出料孔131的凹槽间隙。

在本实施例中，筒体12相对喷嘴3的另一端与挤压装置气缸连接，气缸驱动筒体12移动，筒体12的移动行程在2～4毫米之间均可，本实施例优选为3毫米，气缸驱动筒体12向图1所示方位向上移动3毫米，阀针14的圆锥形端部插入筒体12的出料孔131中将出料孔131封堵住；相反气缸驱动筒体12向下移动3毫米，阀针14的圆锥形端部全部退出出料孔131，出料孔131被全部导通。

在本实施例中，因筒体12为可移动件，筒体12穿过支撑座11的腔体，必然支撑座11和筒体12中间存在一定间隙，故为了防止物料外泄，喷头装置还包括两个盖板15和两个密封圈16，盖板15固定在支撑座11的腔体两端出口上，并且套设在筒体12上。盖板15的设有安装密封圈16的凹槽，安装时，盖板15的凹槽面向支撑座11设置，密封圈16容置于盖板15的凹槽内，密封圈16封堵住筒体12与支撑座11的间隙，避免了料从腔体内向外部泄漏。

固定件17包括安装块和螺钉，安装块通过螺钉固定在支撑座11上，阀针14则通过螺钉固定在安装块上，即阀针14通过安装块和螺钉安装固定在支撑座11上。并且安装块延伸到支撑座11内，实现对避让孔的密封。

本实施例提供的3D打印机的喷头装置，其节流工作原理为：当需打印时，气缸驱动筒体12向下移动，使得喷嘴3的出料孔131被全部导通，再通过计量挤出装置将高温融化的物料从导料孔111中导入筒体12内，最后从出料孔131挤出进行逐层的3D打印；当打印机打印完成，或打印途中需暂时停止打印将喷头装置移动下一个打印位置时，先通过计量挤出装置或者与导料孔连接的回抽装置，将完成打印后还留在出料孔131外的物料吸回，再通气缸驱动筒体12向上移动3毫米，使得阀针14的圆柱形端部封堵住出料孔131，实现节流。

为了固定弹簧18，在筒体12相对出料孔的另一端的端部设有凸台122，设有垫块19固定在盖板15上，弹簧18套设在筒体12的凸台122与盖板15之间，弹簧18处于被压缩的状态，在无外力的情况下，弹簧18将筒体12的凸台122向远离垫块9的方向施加推力，使得筒体12的出料孔131被阀针14封堵住。

若进行3D打印，则需通过外界驱动装置给筒体12施加推力，使得筒体12向下移动，出料孔131被导通。若打印结束或需暂停打印时，只需撤去外界驱动装置给筒体12施加的推力，在弹簧18的作用下，筒体12被退回到原来被封堵的位置。

在其他实施例中，盖板15上设有环形凹槽。弹簧18卡设在环形凹槽上，使得弹簧18的安装更稳固。

本实施例提供的3D打印机的喷头装置，由于设有弹簧18，实现了喷头装置的自动复位，代替了驱动装置的做功，节约了运行成本。

由于阀针14和可移动的筒体12组成节流阀，使得阀针14可封堵住筒体12的出料孔131；喷头装置1在打印过程中，当喷头装置1结束打印或暂停打印移动到其他位置继续打印时，阀针14可封堵住喷嘴13的出料孔131，实现了浆料的节流，避免了浆料的泄露，特别是大型3D打印机的筒体12在长距离移动过程中，能够避免大量浆料泄露导致的浪费及破坏产品。

如图5和图6所示，计量挤出装置2，其包括轮轴21、机箱22和四个隔离机构23。轮轴21和隔离机构23分别安装机箱22上。

具体的，轮轴21包括转轴211和四个偏心轮212，四个偏心轮212的大小一致，即直径和厚度均相等。优选的，四个偏心轮212等间距设置在转轴211上，从转轴211的轴向上看，四个偏心轮212等偏心距且均匀分布在转轴211上。转轴211和四个偏心轮212为一体式结构，通过车屑加工而成。相邻两个偏心轮212中心点到转轴211中轴线的垂直线的夹角为90°，且任一个偏心轮212中心点到转轴211中轴线的垂直线与其他三个偏心轮212中心点到转轴211中轴线的垂直线的夹角为90°、180°和270°，四个偏心轮212均匀分别在旋转圆周上，四个偏心轮212在转轴211上的排列顺序可任意调换。

机箱22包括上盖221和下盖222，上盖221通过螺钉固定在下盖222上。上盖221和下盖222上分别设有安装及容置轮轴21的凹槽，上盖221和下盖222的凹槽围合成四个腔体223，四个腔体223沿直线等距排列。

上盖221上设有总进料口2211和总出料孔2212。总进料口2211一端与给料装置连接，另一端通过四个分进料口2213分别与腔体223联通，用于将融化的浆料导入腔体223中。总出料孔2212-瑞与喷头装置连接，另一端通过四个分出料孔2214分别与四个腔体223联通，用于将融化的浆料挤送到喷头装置中，实现送料。优选的，上盖221上的总进料口2211和总出料孔2212孔径相等对称设置，且分进料口2213与分出料孔2214孔径相等对称设置，孔径相等保证了进出量平稳导通，对称设置有利于模具或加工生产，降低生产成本。

上盖221上还设有安装隔板23的四个凹槽2215，凹槽2215位于分进料口2213与分出料孔2214的中间，并与腔体223联通，四个凹槽2215在四个腔体223内的位置是一致的。在其他实施例中，为了安装隔板23，上盖221上设有通槽，并配合封盖将隔板23安装在通槽内，封盖和通槽组合成本实施例的凹槽2215结构。

如图7所示，安装时，轮轴21的转轴211安装在机箱22的上盖221和下盖222上，转轴211两端通过轴承可旋转安装，转轴211的一端穿出机箱22与外界驱动装置的输出端连接。

四个偏心轮212轮分别容置于四个腔体223内，并偏心轮212与腔体223始终保持内切接触，又偏心轮212的厚度与腔体223的宽度相等，使得偏心轮212在圆柱形腔体内形成挤压腔。

隔离机构23包括隔板231扣弹簧232，隔板231通过弹簧232可移动地固定在凹槽2215上，隔板23部分伸入腔体223内与偏心轮212接触，并隔板231与凹槽2215没有间隙。偏心轮212在做偏心转动过程中，在弹簧232的挤压作用下，隔板231始终与偏心轮212接触，使得隔板231将偏心轮212在圆柱形腔体内形成挤压腔分隔成进料腔和出料腔，进料腔和出料腔的空间大小交替变换，实现挤料。

优选的，为了方便隔板23的安装，在隔板23上设有凹槽或凸条，隔板23通过凹槽或凸条与弹簧232连接。

由于计量挤出装置2的机箱22内设有四个腔体223，四个腔体223内分别内切有偏心轮212，且一个偏心轮212中心点到转轴211中轴线的垂直线与其他三个偏心轮212中心点到转轴211中轴线的垂直线的夹角分别为90°、180°和270°，即四个偏心轮212均匀分布在旋转圆周上，四个偏心轮12在匀速驱动的单位时间内挤出的物料总量是恒定的，使得计量挤出装置可对流量输出做精确控制，满足高精度的3D打印。

在其他实施例中，总进料口2211、总出料孔2212、分进料口2213、分出料孔2214和隔板23设置在下盖222上，同样能够实现物料的导入及挤出。

四个喷头装置1的出料孔131的孔径分别为2mm、4mm、6mm和8mm。喷头装置1在特定的压力下喷出的浆料的外径是不同的，高温融化的浆料从出料孔131挤出后会形成大于出料孔131的柱状体，并且在高压下可形成出料孔131两倍孔径的柱状体，故本3D打印机可通过控制装置3拉制计量挤出装置2给喷头装置1提供预设的压力，使得喷头装置1喷出预设外径的浆料，并且四个喷头装置1的出料孔131的孔径分别为2mm、4mm、6mm和8mm，使得3D打印机至少可实现喷出2-lOmm之间任意外径的浆料，用于满足不同打印需求。

在其他实施例中，喷头装置1的出料孔131孔径可根据需要设置，对于的阀针14的锥形端部做相应的调整，使得阀针14与出料孔131形成节流阀。

控制装置3分别与喷头装置1的气缸和计量挤出装置2的电机电信号连接，控制装置3控制电机的转速控制计量挤出装置2的送料速度及送料的量，并提供一定的压力将浆料导入喷头装置1中。控制装置3控制气缸的输出，驱动喷头装置1上出料孔131的开启和闭合。控制装置3同时控制喷头装置1和计量挤出装置2实现自动的3D打印出2-lOmm之间任意外径的浆料。在其他实施例中，为了加强压力的控制，可增加压力装置，压力装置设置在喷头装置1和计量挤出装置2之间，为喷头装置1提供正压和负压，正压用于使得浆料挤出后形成更大外径的浆料，负压用于回吸浆料。压力装置与控制装置3电信号连接，控制装置3控制压力装置的输出。

四个偏心轮相互弥补，使得共同挤出的浆料在任意叶刻为恒定值的原理如下：

如图8所示，大圆圆形为A，小圆圆形为B.大圆固定不动，小圆以A点为中心进行旋转，做偏心运动。C点为小圆对称轴与大圆对称轴交叉角度为P的时候，大圆对称轴与小圆的交点。AB的长为偏心距。直线CD处为隔离装置，将两边分隔开。

计算过程：

设大圆半径为R，小圆半径为r，角P的值为alfa(弧度)，角N的值为beta则挤出区域瞬时面积表达式为：

S＝大圆面积一小圆面积-CDE三个点包围的面积

CDE三个点包围的面积＝扇形ADE-扇形BCE-_角形ABC

所以：

S＝大圆面积-小圆面积-(扇形ADE-扇形BCE-三角形ABC)

即：

s＝(pi*R*R-pi*r*r)-(alfa/(2*pi)*pi*R*R-(alfa+beta)/(2*pi)*pi*r*r-0.5*(R-r)*r*sin(alfa+beta))；(方程1)

通过正弦定理可得alfa与beta的关系

beta＝asin((R-r)/r*sin(alfa))；(方程2)

联立方程1与2，消除beta。可得S相对于alfa为自变量的函数F(alfa)，R与r为常数。

即：S＝F(alfa)取值范围：[O，2*PI]

这个函数代表了挤出腔内面积与角度alfa的对应关系

对这个一元函数求导，Sd＝F’(alfa)取值范围：[O.2*PI]

这个函数代表了挤出腔内面积变化速度与角度alfa的对应关系，也就是流体的流速与alfa的函数关系。

使用四个同样的装置，每个装置的初始角度分别为：O，PI/2，PI，3pi/2也就是流体的流速与alfa的函数分别为：

Sd＝F’(alfa)；

Sdl＝F’(alfa+pi/2)；

Sd2＝F’(alfa+pi)；

Sd3＝F’(alfa+3*pi/2)；

则四个的合成速度为：

Final_Sum＝F’(alfa)+F’(alfa+pi/2)+F’(alfa+pi)+F’(alfa+3*pi/2)；

以圆半径参数，进过计算，此时SUM＝2*r^2-2*R^2

当大小圆半径确定的时候，SUM为一常量，故挤出的浆料在任意时刻为恒定值。

公式的详细计算过程推导如下：

beta＝asin((R-r)/r*sin(alfa))；

s＝(pi*R*R-pi*r*r)-(alfa/(2*pi)*pi*R*R-(alfa+beta)/(2*pi)*pi*r*r-0.5*(R-r)*r*sin(alfa+beta))；

sd＝r^2*((cos(alfa)*(R-r))/(2*r*(1-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)(1/2))+1/2)-R^2/2+r*cos(alfa+asin((sin(alfa)*(R-r))/r))*((cos(alfa)*(R-r))/(r*(1-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(1/2))+1)*(R/2-r/2)；

sdl＝r^x2*((cos(pi/2+alfa)*(R-r))

/(2*r*(-(sin(pi/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+1)^(1/2))+1/2)-

R^2/2+r*cos(pi/2+alfa+asin((sin(pi/2+alfa)*(R-r))/r))*(R/2-r/2)*((cos(pi/2+alfa)*(R-r))

/(r*(-(sin(pi/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+1)^(1/2))+1)；

sd2＝r*cos(asin((sin(alfa)*(R-r))/r)-alfa)*((cos(alfa)*(R-r))/(r*(1-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(1/2))-1)*(R/2-r/2)-R^2/2-r^2*((cos(alfa)*(R-r))/(2*r*(1-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(1/2))-1/2)；

sd3＝r^2*((cos((3*pi)/2+alfa)*(R-r))

/(2*r*(-(sin3*pi)/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+1)^(1/2))+1/2)-R^2/2+r*cos((3*pi)/2+alfa+asin((sin((3*pi)/2+alfa)*(R-r))/r))*(R

/2-r/2)*((cos((3*pi)/2+alfa)*(R-r))

/(r*(-(sin((3*pi)/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+1)^(1/2))+1)；

sum_halfl＝sd+sd2＝-2*(R-r)*(R-R*cos(alfa)^2+r*cos(alfa)^2)

sum_half2＝sdl+sd3＝-2*(R-r)*(R+r*sin(alfa)^2-R*sin(alfa)^2)

final_sum＝sum_halfl+sum_half2＝2*r^2-2*R^2。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。