一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头的制作方法

本实用新型涉及一种新型3D打印头装置，尤其涉及了一种将丝材的熔融挤出功能与喷墨打印功能集成的新型3D打印头。

背景技术：

目前随着3D打印领域的快速发展，在大领域划分主要包含了FDM(熔融挤出)打印方式、SLA(光敏树脂打印)及SLM打印(激光选区熔融)的打印方式。其中FDM为最早的应用市场的3D打印技术，其原理为采用加热棒将塑料丝材熔融挤出逐层堆叠而形成三维模型，其可打印的材料包括PLA、PC、ABS、PCTG等材料。其特点为打印精度较低及零件悬空部分需要加支撑、所应用材料有限(在PC、ABS等材料打印过程中容易出现翘曲变形及开裂的风险)。SLA的成型原理为利用光敏树脂在特定波长光源下感光固化的原理，形成材料的堆叠。主要有喷墨方式堆叠和树脂槽中固化两种主流的成型方式。其打印的材料为光敏树脂。特点为：成型精度较高，但是所应用的材料有限，常用的光敏树脂材料较脆，目前也有开发出超韧性的光敏树脂材料，但力学性能和耐温性均较差。SLM为激光选择性烧结，其成型原理为采用激光对平面区域的粉末进行选择性熔化，经过多层堆叠形成三维实体。其可打印的材料包括铝合金、钛合金、高温合金等。特点为：成型精度高、成型的材料范围广。

在3D打印复合料的制备方面，在行业内涌现出了各种复合材料的打印方式，按照目前的应用情况分为在材料制备阶段进行掺杂调节和在打印过程中进行多材料的混合。在材料制备阶段，如FDM熔融挤出方式，在PLA丝材中加入碳纤维、玻璃纤维(短纤维)及石墨烯进行材料的混料改性及在激光烧结尼龙粉的打印方式中对尼龙粉进行掺杂改性。在打印过程中改性的，如starasys的Ployjet类型的打印头，采用喷墨技术实现了异质材料的改性添加，但是可实现的材料均为光固化材料，在进一步提升材料力学性能方面受到限制。也有报道在FDM的打印过程中，采用双打印头进行PLA和连续的长碳纤维、玻璃纤维进行混料，但根据打印效果来看其仍然继承了FDM的特点打印精度及表面粗糙度较差，在打印的产品表面形成层状痕迹。通过以上可以看出目前复合材料3D打印制备主要集中在材料端的掺杂混料。在过程段的复合材料制备又存在精度差的问题，且不能制备内含骨架式的结构(如混凝土+钢筋式)。基于目前的3D打印工艺对于复合材料的制备方式的局限性，亟须开发一种新的复合打印装置来解决复合材料打印的制造难题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，可应用于实现内含骨架类复合材料的制备。采用该打印装置可实现异质材料的复合制造，也可选择单项功能实现同质材料的打印。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：包括熔融挤出打印头和光敏树脂喷墨打印头；所述熔融挤出打印头与所述光敏树脂喷墨打印头平行固定连接，且打印方向相同；

所述熔融挤出打印头具有打印头安装架和内嵌打印头；打印头安装架上安装有打印头高度调节机构，能够在打印方向上调节内嵌打印头的高度。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述打印头高度调节机构能够控制内嵌打印头在打印方向上两个不同位置处固定。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述打印头高度调节机构采用电磁阀机构作为驱动机构，电磁阀的吸合部件分别安装在打印头安装架和内嵌打印头上，当熔融挤出打印头工作时，电磁阀吸合，内嵌打印头高度下降；当熔融挤出打印头不工作时，电磁阀断开，内嵌打印头通过与打印头安装架连接的复位机构复位。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述复位机构采用弹簧机构。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述打印头高度调节机构采用气阀机构作为驱动机构。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述打印头高度调节机构采用螺杆传动机构作为驱动机构。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：还包括固化灯；所述固化灯与所述光敏树脂喷墨打印头平行固定连接，且照射方向与打印方向相同；所述固化灯波长为用于所述光敏树脂固化反应的特定波长。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述内嵌打印头包括驱动齿轮、加热喷嘴、加热棒；所述驱动齿轮能够将丝材挤入加热喷嘴，所述加热棒能够将加热喷嘴温度升高，并将挤入加热喷嘴的丝材塑化。

进一步的优选方案，所述一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，其特征在于：所述光敏树脂喷墨打印头采用压电式喷墨打印头或热泡式喷墨打印头。

有益效果

与背景技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

1)本实用新型通过对打印头装置的改进，将熔融挤出功能和喷墨功能在同一打印头上进行集成，从而实现了3D打印方式的复合。这种新的3D打印方式将实现异质材料(类似水泥+钢筋式结构)的复合制造，在力学性上将弥补光固化材料的不足。

2)采用本实用新型的3D打印头装置能够进行复合打印，由于内部骨架结构采用熔融挤出方式，外部采用喷墨方式，可以弥补FDM打印精度及粗糙度差的问题，同时由于骨架材料的添加解决了普通光敏树脂材料的脆性问题。

3)本实用新型可以衍生出其他应用功能装置，如将FDM打印头替换为目前FDM+连续纤维的打印头则制备连续纤维增强的复合材料可大大提升材料的力学性能。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本实用新型中一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头装置示意图：

其中：1、熔融挤出打印头；2、丝材；3、加热棒；4、高度调节装置第一部件；5、高度调节装置第二部件；6、热敏电阻；7、齿轮；8、光敏树脂进料管；9、光敏树脂喷墨打印头；10、固化灯。

图2：熔融挤出打印头工作示意图；

图3：光敏树脂喷墨打印头工作示意图；

图4：固化灯工作示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型的目的是提出一种具备挤出与喷墨功能的3D打印头，该打印头装置具有熔融挤出和喷墨两种打印功能，在打印过程中可开启挤出和喷墨两种打印功能实现复合材料制造，也可仅开启其中一项功能实现同质材料的打印。在该打印头装置挤出头一侧配有高度调节装置用于调节挤出头高度。另外该打印头配置有用于光敏材料固化反应特定波长的固化灯。

如图1所示，该具备挤出与喷墨功能的3D打印头包括熔融挤出打印头、光敏树脂喷墨打印头和固化灯；所述熔融挤出打印头与所述光敏树脂喷墨打印头平行固定连接，且打印方向相同；所述固化灯与所述光敏树脂喷墨打印头平行固定连接，且照射方向与打印方向相同；所述固化灯波长为用于所述光敏树脂固化反应的特定波长。

所述熔融挤出打印头具有打印头安装架和内嵌打印头；打印头安装架上安装有打印头高度调节机构，能够在打印方向上调节内嵌打印头的高度，避免了两种打印方式在实现过程中由于层高不一致而导致在打印过程中的刮蹭现象。

所述打印头高度调节机构可采用电磁阀机构、气阀机构或螺杆传动机构作为驱动机构，当采用电磁阀机构作为驱动机构时，电磁阀的吸合部件分别安装在打印头安装架和内嵌打印头上，当熔融挤出打印头工作时，电磁阀吸合，内嵌打印头高度下降H进行打印工作；当熔融挤出打印头不工作时，电磁阀断开，内嵌打印头通过与打印头安装架连接的复位机构复位。所述复位机构可采用弹簧机构。

所述内嵌打印头包括驱动齿轮、加热喷嘴、加热棒；PLA丝材在齿轮的驱动下进入已被加热棒加热的加热喷嘴，丝材经过加热喷嘴变为塑性挤出。

而所述光敏树脂喷墨打印头采用压电式喷墨打印头或热泡式喷墨打印头，光敏材料墨滴在喷墨式打印头的驱动下按需喷射，并通过特定波长的固化灯在完成光敏材料打印后沿着原有的打印路径进行光照固化。

在打印过程中通过开启两种打印头或开启一种打印头，可实现复合材料打印或同质材料的打印。在复合打印模式下，在同一高度层的打印过程中，先启用熔融挤出头的工作模式，在熔融挤出打印完成之后通过高度控制装置抬起挤出头，再开启光敏树脂的喷墨打印功能，随后再开启固化灯进行光敏树脂的固化。

下面以打印含有骨架类复合材料为例对本装置的工作方式进行说明，图2-4为整个打印过程的示意图。本实例中采用的热熔挤出头直径为0.08～0.5mm范围内，选用光敏树脂感光365nm，配制365nm波长紫外灯。在打印开始，启动熔融挤出打印头进行骨架层的打印，在高度调节装置在给特定信号后，高度调节装置第一部件4与高度调节装置第二部件5闭合，挤出头向下移动距离H，如图2所示。在完成挤出打印后，信号断开高度调节装置A复位，挤出头复位向上抬起，开启喷墨打印头在挤出丝材空位进行喷印光敏材料，如图3所示。在完成光敏树脂喷印后，此时挤出头仍为复位状态，启动固化灯按照喷墨路径运动，完成对光敏材料的固化效果。由于丝材挤出所形成的层厚与喷墨层高的差别，因此喷墨打印和固化两个步骤需要重复2-3次以保证与熔融挤出层齐平后再重复以上整个步骤。经过多层打印堆叠后可形成内含骨架式结构的复合材料。

本实用新型可解决内含骨架式结构的打印、碳纤及玻璃纤维复合材料的打印问题。采用该装置后可实现异质增强型光固化复合材料的制备，可使光固化成型结构的力学性能大大提高。这种挤出与光固化复合的打印方式丰富了光固化手板模型制备的领域，可实现对研发过程中所涉及对力学性能有要求的模型的快速验证，缩短产品研发周期。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。