一种模块化3D打印双喷头结构的制作方法

本发明涉及3d打印技术领域，具体涉及一种模块化3d打印双喷头结构。

背景技术

3d打印是一种新的集成制造技术，可以减少产品开发的周期时间和成本。其中最常用的是熔融沉积成型方法(fdm)。熔融沉积成型(fdm)的主要缺点是打印材料范围较窄，多数商用3d打印机只能打印丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)或聚乳酸(pla)，其力学性能也较差，无法达到工程塑料工作零件的标准。耐热性树脂，如:聚酰亚胺(pi)、聚酰胺(pa)、聚醚醚酮(peek)等具有无腐蚀性、耐老化、耐酸碱、耐高温、绝缘、防水、抗震性能良好等优点，同时其优良的机械冲击及冷热冲击能力，固化收缩率小、无变形，在工业领域有着广泛应用。但相较于传统3d打印的abs和pla材料等，耐热性树脂材料的熔点高、熔融粘度大，打印时对喷头的成型温度、挤出力和熔池长度等有较高要求。而目前常用的3d打印头无法实现熔融耐热性树脂所须的温度要求。

基于fdm原理的3d打印机有单喷头和双喷头以及多喷头之分。在打印复杂模型的支撑结构，或打印多颜色、多材料复合模型时，通常会采用双喷头甚至多喷头的3d打印机，而目前这类打印机都是简单增加一套或多套送丝机和打印头系统到设备中，集成性、互换性较差，不仅占用空间较大，而且会使实际工作时打印区域面积减少。对耐热性树脂而言，其材料间粘接强度较普通树脂大，在实现耐热性树脂材料的复杂结构零件3d打印时，如采用急需容易去除的支撑材料，同时较为复杂的工况条件，对打印系统的集成性要求更高，目前的市面上的3d打印机不能满足这样的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模块化3d打印双喷头结构，可同时打印耐热性树脂和支撑材料(abs、pla材料)两种材料，占用空间小，使用方便。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种模块化3d打印双喷头结构，包括两端开口的壳体，所述壳体内安装有两个喷头结构，两个喷头结构均包括上下分布的送丝机构、第一散热装置、加热装置及喷嘴，位于喷头机构一侧的壳体的开口处安装有第二散热装置，喷头机构另一侧设有两个驱动机构，两个驱动机构分别与两个送丝机构连接，第一散热装置及加热装置内设有连通送丝机构及喷嘴的喉管，第二散热装置与加热装置之间设有挡风结构，驱动机构下方设有并口插板结构，用于集成第二散热装置、加热装置、驱动机构的控制线路并与外部控制装置连接。

进一步的，所述挡风结构包括固定连接的顶板及三个挡风侧板，加热装置位于顶板及三个挡风侧板形成的空腔内，顶板与第一散热装置的底面固定连接，三个挡风侧板固定于壳体上，其中一个挡风侧板位于第二散热装置与加热装置之间。

进一步的，所述第一散热装置采用开槽式散热片，两个喷头机构的开槽式散热片对称分布，提高散热效率。

进一步的，所述开槽式散热片由铝合金材质制成。

进一步的，所述第二散热装置采用大功率风扇。

进一步的，所述驱动机构采用步进电机。

进一步的，所述送丝机构包括外壳、主动齿轮及从动齿轮，所述主动齿轮与所述步进电机的输出轴连接，从动齿轮通过传动轴与外壳转动连接，主动齿轮与从动齿轮夹紧丝材，传递送丝力，所述外壳上设有进料口及与喉管连通的出料口。

进一步的，所述加热装置采用加热块，其中一个喷头结构采用多个加热块，同时内置大功率加热棒，多个加热块的总体积大于另一个喷头结构的加热块体积。

进一步的，所述加热块采用铝合金材质制成。

进一步的，所述并口插板结构包括支撑杆，支撑杆的两端固定于壳体上，所述支撑杆上固定有支座，支座上设有并口转接口板及l型的接线口板，所述接线口板上设有多个接线口，并口转接口板上设有并口转接口，并口转接口与接线口之间连接有接线，控制线通过接线口板汇集后，利用接线及并口转接口与外部控制装置连接。

本发明的有益效果：

1.本发明的模块化3d打印双喷头结构，具有两个喷头结构，可同时打印耐热性树脂及支撑材料(abs、pla材料)两种材料，其中在打印耐热性材料的喷头处，为保证材料熔融更充分，采用多个体积较大的加热块同时加热，打印结合强度低或水溶性好的支撑材料有效解决了耐热性树脂类复杂结构零件在打印后去除支撑材料难的问题。

2.本发明的壳体两端开口，采用流道式设计，利用大功率风扇同时对双喷头大面积散热片进行散热，同时，为减少冷风对加热块升温速率的影响，在加热块和散热片之间设置挡风隔板，既能使加热区流道内的耐热性树脂温度达到熔融要求又能使散热区流道内材料温度及时降低，保证良好的送丝和挤出效果。

3.本发明的模块化3d打印双喷头结构，相比于传统多打印头系统的简单增加模式，该设备将双喷头集成到一起，占用空间较小，双喷头结构内所需线路集成到并口插板结构，通过并口转接口可以直接与控制板连接使用，插拔式接线更加独立方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明壳体内部结构示意图；

图3为本发明第一喷头结构及第二喷头结构示意图一；

图4为本发明第一喷头结构及第二喷头结构示意图二；

图5为本发明并口插板结构示意图一；

图6为本发明并口插板结构示意图二；

图7为本发明有限元仿真示意图；

其中，1.壳体，2.大功率风扇，3.送丝机构，3-1.进料口，4.开槽式散热片，5.加热块，6.并口插板结构，6-1.支撑杆，6-2.支座，6-3.并口转接口板，6-4.接线口板，6-5.25针并口转接口，6-6.接线口，6-7.接线，7.挡风结构，7-1.顶板，7-2.挡风侧板，8.步进电机，9.喷嘴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，对耐热性树脂而言，其材料间粘接强度较普通树脂大，在实现耐热性树脂材料的复杂结构零件3d打印时，如采用急需容易去除的支撑材料，同时较为复杂的工况条件，对打印系统的集成性要求更高，目前的市面上的3d打印机不能满足这样的需求，而且目前的双喷头3d打印机占地空间大，集成度差，针对上述问题，本申请提出了一种模块化3d打印双喷头结构。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-6所示，一种模块化3d打印双喷头结构，包括两端开口的壳体1，所述壳体内安装有两个喷头结构，两个喷头结构均包括由上至下分布的送丝机构3、第一散热装置、加热装置及喷嘴9，位于喷头机构一侧的的壳体开口处安装有第二散热装置，喷头机构另一侧设有两个驱动机构，两个驱动机构分别与两个送丝机构连接，第一散热装置及加热装置内设有连通送丝机构及喷嘴的喉管，第二散热装置与加热装置之间设有挡风结构7，驱动机构下方设有并口插板结构6，用于集成第一散热装置、加热装置、驱动机构的控制线路并与外部控制装置连接。

所述壳体1采用长方体结构，包括四个壳壁，沿长度方向的两端不设壳壁，形成两端开口的流道型结构，壳体下部的壳壁上开设有矩形的开口，用于喷嘴伸出，将料喷出。

所述的两个喷头结构分别为第一喷头结构及第二喷头结构，两个喷头结构沿壳体的宽度方向并排设置。

所述第二散热装置采用大功率风扇2，大功率风扇通过螺栓固定于壳体上。

所述送丝机构包括外壳，所述外壳的顶端壳面上设有进料口3-1，用于放入丝料，所述外壳的底端壳面上设有出料口，用于丝料的流出，所述外壳内部设有主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮夹紧丝料，并提供送丝力，所述主动齿轮与驱动机构连接，所述从动齿轮通过传动轴与外壳转动连接。

所述驱动机构采用步进电机8，所述步进电机的输出轴与主动齿轮连接，驱动主动齿轮的转动。

所述第一散热装置采用由303不锈钢材质制成的开槽式散热片4，第一喷头机构及第二喷头机构的开槽式散热片对称分布，且开槽结构所在的一侧相对，有利于大功率散热风扇产生的冷风的流动，提高散热效率。

所述加热装置采用铝合金制成的加热块5，第二喷头结构的加热装置采用双加热块组合而成，内置大功率加热棒，体积大于第一喷头结构的加热块，加热温度可达500℃以上，满足耐高温树脂的熔融温度要求。

所述开槽式散热片及加热块内部贯穿有喉管，所述喉管通过位于散热片及加热块侧部的顶丝进行固定，所述喉管的上端与送丝机构的出料口连通，下端与喷嘴连通，丝料经送丝机构进入喉管后，沿喉管运动，经加热块加热至熔融状态后，由喷嘴喷出。

所述挡风结构包括顶板7-1，及固定于顶板三个边缘处的挡风侧板7-2，第一喷头结构及第二喷头结构的加热块均位于顶板及三个挡风侧板形成的空腔内部，所述顶板与开槽式散热片的底端面固定连接，三个挡风侧板上端与顶板固定连接，下端具有折弯结构，通过折弯结构及螺栓固定于壳体上，其中一个挡风侧板位于加热块与大功率风扇之间，既能使加热块所在的加热区流道内的耐热性树脂温度达到熔融要求又能使散热片所在的散热区流道内材料温度及时降低，保证良好的送丝和挤出效果。

所述并口插板结构包括两根支撑杆6-1，两根支撑杆的两端分别固定于壳体的底部壳壁上，两根支撑杆之间固定有支座6-2，沿壳体宽度方向，支座上固定有并口转接口板6-3及l型的接线口板6-4，其中并口转接口板位于外侧，所述接线口板上设有多个接线口6-6，并口转接口板上设有25针并口转接口6-5，接线口与25针并口转接口之间连接有接线6-7，所述壳体上设有将25针并口转接口露出的开口，方便25针并口转接口与外部控制装置插拔连接。

步进电机、加热块、加热棒、大功率风扇等结构的控制线路汇入接线口板，利用接线和25针并口转接口与外部的控制装置连接。

本发明的双喷头结构使用时，第二喷头结构的送丝机构中送入耐热性树脂材料的丝料，如peek材质的丝料，利用第二喷头结构采用熔融沉积成型的方法对零件进行3d打印，在熔融沉积成型耐热性树脂复杂结构零件时，往往需要打印支撑材料，由于耐热性树脂粘结强度较大，作为支撑时不易去除，因此要考虑其他易去除材料作为支撑材料如abs、pla等，因此在第一喷头结构的送丝机构中送入abs或pla材质的丝料，进行支撑材料的打印，解决了支撑材料不易去除的问题。

本发明的喷嘴、喉管等结构可由一体化制造而成，整个双喷头结构采用全金属加工，耐热性树脂材料采用peek材质，双加热块加热温度为420℃，大功率散热风扇的散热功率为20w/m²·k，送丝机构的送丝速度为4mm/s，采用上述参数后，对本发明的双喷头结构利用fluent仿真软件建立喷头热流分析模型，分析喷头结构的流道中peek材质熔体的温度场、流动场及压力场，得到的有限元仿真示意图如图7所示，可以看出，本发明的双喷头结构可长期稳定在peek熔融温度343℃范围工作。熔池区直径为2mm，熔池区长度为15-25mm。此外本发明喷头增大散热片面积，使熔池末端喉管温度得到及时冷却，从图中可以看出，在散热区peek材料的温度已经降低到200℃以下，远远低于peek材料的熔融温度，这样可以有效防止熔融peek倒流后溢而造成喷嘴堵塞损坏打印失败的问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。