一种直径可控的3d打印机的喷头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D打印机的喷头，用以实现3D打印设备喷出的耗材的尺寸及喷射方向的细微调节。该打印头包含进给物料的管路(13)，管路末端为出口。管路中设置有用于改变喷口尺寸和方向的控制机构(16)。本发明的控制机构可以是布置于喷口外围的致动器(16)，也可以是安置于喷口内侧的阻塞材料（27）与安装在外围的致动器（26）的组合。所述的致动器和阻塞材料均为电致伸缩材料或磁致伸缩材料制成。本申请实施例可以根据3D打印的需要实时改变喷出物料的尺寸，同时还可以对喷射方向进行细微调节。
【专利说明】-种直径可控的3D打印机的喷头
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种直径可控的3D打印机的喷头，应用于3D打印设备。
【背景技术】
[0002] 3D打印技术是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属 或塑料等可粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体。近年来3D打印逐渐被用于一些产 品的直接制造，目前已经有应用3D打印技术而制造出的零部件。这项技术在工业设计、汽 车、航空航天、医疗产业等行业中得以应用。
[0003] 3D打印设备通过喷嘴将打印物料打印在工作平台之上，当打印精细结构时需要口 径较小的喷嘴，而打印较大面积时就需要大口径的喷嘴。同时在打印一些结构时，打印头方 向的细微调节可以减少工作平台或打印头整体的移动，提高打印速度。但是目前3D打印设 备的喷嘴的方向和大小是固定的，这种结构限制了 3D打印的应用范围。
[0004] 电至伸缩效应是一种机电耦合效应，它是指当外电场作用于电介质上时，电介质 产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象。其应变的表达式为 ：
[0005]S=ME2
[0006] 式中S-应变；
[0007]E--电场强度（V/m)
[0008]M--电致伸缩系数（m2/V2)
[0009] 磁致伸缩效应是指一些磁性材料在外磁场的作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉 外磁场后，其又恢复到原始长度的现象。其应变公式为：
[0010]S=KB2
[0011] 式中S-应变；
[0012]B--磁感应强度（T)
[0013]K--比例系数，是磁感应强度B的函数
[0014] 磁致伸缩材料和电致伸缩材料的应变与伸缩量的关系式为：
[0015]AL=SL
[0016] 式中AL--伸缩量；
[0017]S--应变；
[0018]L--原始长度；
[0019] 针对现有3D打印喷头的不足，利用电致伸缩材料和磁致伸缩材料在电场或磁场 作用下产生形变的特性，本发明提出一种3D打印设备的喷头实现3D打印设备喷嘴大小和 方向的精细调节。
【发明内容】
[0020] 本发明的目的是提供一种直径可控的3D打印机的喷头，有助于解决目前3D打印 头调控不便等问题。
[0021] 本发明的技术方案在于：一种直径可控的3D打印机的喷头的推拉式结构，包括用 以进给物料的管路及连接于管路出料端上的喷头，其特征在于：所述喷口的四周外侧分别 铰接有一片用以控制喷口大小的收敛片，所述收敛片分别经各自的致动器连接于打印机的 机架上。
[0022] -种直径可控的3D打印机的喷头的阻塞式结构，包括用以进给物料的管路及连 接于管路出料端上的喷头，其特征在于：包括所述喷口的四周内侧设有控制喷口尺寸的伸 缩材料和，所述喷口的外侧设有连接于打印机机架上且用以控制喷口方向的致动器。
[0023] 其中，所述的致动器为电致伸缩材料致动器，所述电致伸缩材料致动器包含用以 产生驱动电致伸缩材料的电场的电极（611)，电致伸缩材料（612)，衬底（613)，电极支撑 (615)以及传动杆（614)，所述电致伸缩材料在机械结构上采用串联形式，在电路结构上使 用并联形式。
[0024] 或者，所述的致动器为磁致伸缩材料致动器，所述磁致伸缩材料致动器包含磁致 伸缩材料（622)，壳体（623)，用以产生驱动磁致伸缩材料的磁场的线圈（621)和传动杆 (624)。
[0025] 所述管路包含有加热段、进给段、喷口，位于加热段外围设置有用以对物料进行加 热的加热元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的3D打印喷头的推拉式结构的内部构造示意图。
[0027] 图2是本发明的3D打印喷头的推拉式结构的截面示意图。
[0028] 图3是本发明的3D打印喷头的阻塞式结构的内部构造示意图。
[0029] 图4是本发明的3D打印喷头的阻塞式结构的截面示意图。
[0030] 图5是电致伸缩材料致动器的结构示意图。
[0031] 图6是电致伸缩材料致动器的截面示意图。
[0032] 图7是磁致伸缩材料致动器的结构示意图。
[0033] 图8a_8b是本发明的3D打印喷头的推拉式结构使用电致伸缩材料致动器
[0034] 图9a_9b是本发明的3D打印喷头的推拉式结构使用磁致伸缩材料致动器
[0035] 图10a-10b是本发明的3D打印喷头的阻塞式结构使用电致伸缩材料。
[0036] 图1la-1lb是本发明的3D打印喷头的阻塞式结构使用磁致伸缩材料。
[0037] 上述图中编号的方式如下：
[0038] 2位编码的第一位是结构类型代码，1代表推拉式结构，2代表阻塞式结构；第二位 是结构号，代表相应的结构。例如11代表3推拉式结构的外壳，21代表阻塞式结构的外壳。
[0039] 3位编码的第一位是器件代码，与2位编码的第二位对应，例如6代表是致动器； 第二位是伸缩材料代码，1代表电至伸缩材料，2代表磁致伸缩材料；第三位是部件编号，分 别代表不同的部件。例如611代表电致伸缩材料致动器的电极，621代表磁致伸缩材料致动 器的线圈。
[0040] 4位编码的第一位是实施例编号；第二位是结构类型代码，1代表推拉式结构，2代 表阻塞式结构；第三位是材料类型代码，1代表电致伸缩材料，2代表磁致伸缩材料；第四位 是部件编号，分别代表不同的部件。例如1111代表实施例一的3D打印喷头的外壳。
【具体实施方式】
[0041] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，结合附图作详细 说明如下。
[0042] 本发明提供了一种3D打印设备的喷头，其特征在于这种喷头具有阻塞式和推拉 式两种实现结构。
[0043] 图1和图2所示为本发明提供的3D打印设备的喷头的推拉式结构，其特征在于： 包括
[0044] -外壳（11);
[0045]-支座（12)，与外壳（11) 一体，用以支撑控制机构（16);
[0046]-进给物料的管路（13);
[0047]-加热设备（14)，设置于管路（13)的前段，用于软化进给的物料；
[0048]-控制机构（16)，设置于管路（13)的末端外围，用于改变喷口尺寸和方向；
[0049] _收敛片（15)，管路（13)的末端，可以在一定方向和一定范围内摆动，收敛片（15) 之间使用柔性材料（17)连接；
[0050]本发明提供的3D打印设备的喷头的推拉式结构的控制机构（16)，其特征在于：控 制机构（16)为电致伸缩材料或磁致伸缩材料制成的微致动器（16)，微致动器（16)对称布 置于喷口外围。微致动器（16) -端刚性连接于打印喷头外壳（11)的支座（12)上，另一端 铰接与收敛片（15)上。
[0051] 图3和图4所示为本发明提供的3D打印设备的喷头的阻塞式结构，其特征在于： 包括
[0052] -外壳（21);
[0053]-支座（22)，与外壳（21) -体，用以支持偏转机构（26);
[0054] -管路（23);
[0055]-加热设备（24)，设置于管路（23)前段，用于软化进给的物料；
[0056]-阻塞材料（27)，安装在管路（23)最末端的内侧，用于调节喷口大小，表面具有保 护层；
[0057]-偏转机构（26)，安装在支座（22)上，用于改变喷口的方向；
[0058]-电极或线圈（28)，安装在与阻塞材料（27)对应的壳体（21)上，用于为阻塞材料 (27)提供电场或磁场；
[0059]本发明提供的3D打印设备的喷头的阻塞式结构的管路（23)，其特征在于，在管路 中段由一圈柔性材料连接（25)，使喷口可以在偏转机构（26)的作用下偏转。
[0060] 本发明提供的3D打印设备的喷头的阻塞式结构的阻塞材料（27)，其特征在于，阻 塞材料（27)为电致伸缩材料或磁致伸缩材料。
[0061]本发明提供的3D打印设备的喷头的阻塞式结构的偏转机构（26)，其特征在于，偏 转机构（26)为电致伸缩材料或磁致伸缩材料制成的微致动器。
[0062] 本发明所涉及的致动器，其特征在于，使用电致伸缩材料或磁致伸缩材料作为伸 缩器件，分别称为电致伸缩材料致动器（如图5和图6所示）和磁致伸缩材料致动器（如 图7所示）。每个致动器均单独供电。
[0063]图5和图6所示为本发明所述的电致伸缩材料致动器的电致伸缩材料，其特征在 于，在机械结构上串联，在电路结构上并联，这种方式克服了单片电致伸缩材料应变过小的 缺点；电致伸缩材料时应选择电致伸缩系数较大的材料。
[0064]图7所示为本发明所述的磁致伸缩材料致动器的磁致伸缩材料，其特征在于，磁 致伸缩材料的磁致伸缩系数较大。
[0065]图5和图6所示的本发明所述的电致伸缩材料致动器，其特征在于，包含：
[0066]-电极（611)，设置在垂直于伸缩方向的方向，用于产生电致伸缩材料（612)所需 的电场；
[0067] _电极支撑材料（615);
[0068] _电致伸缩材料（612)，安装在电极（611)和电极支撑材料（615)构成的结构内， 多片串联；
[0069] -基座（613);
[0070] -传动杆（614);
[0071] 图7所示的本发明所述的磁致伸缩材料致动器，其特征在于，包含：
[0072]-磁致伸缩材料（622);
[0073] -外壳（623);
[0074]-线圈（621)，安装在外壳（623)上，用于提供磁致伸缩材料（622)所需的磁场；
[0075] -传动杆（624);
[0076] 本发明还提供一种3D打印喷头大小和方向的控制方式，其特征在于，物料在输送 至出口并由出口打印至工作平台上时，其大小由出口的大小决定，其方向出口偏转方向决 定，即本打印设备的出口对于打印物料最终的大小和打印方向具有决定作用。
[0077] 伸缩式结构的控制方式为：当向相对布置的致动器（16)加相同电压时，其伸缩量 一至，收敛片（15)同步动作，出口的大小发生改变。当向相对布置的致动器（16)加不同电 压时，其伸缩量不一致，收敛片（15)动作存在差异，出口中心的方向发生改变，同时喷口的 大小发生改变。
[0078] 阻塞式结构的控制方式为：向相对布置的电极或线圈（28)加电压时，阻塞材料 (27)在电场或磁场的作用下，产生形变。这种形变阻塞了喷口的一部分空间，实现了喷口大 小的调节。偏转方式为在对置的致动器（26)上加上不同的电压，致动器（26)产生不同形 变，喷口中心实现偏转。
[0079] 在所附示意图中，为了表示清楚放大了各个结构，但作为示意图不应该被认为严 格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的 实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，在本发明所属的领域之内，可以 依照本发明的精神和范围对实施的形式和细节进行修改和变化。本发明的专利保护范围， 应以所附权利要求书界定的范围为准。
[0080] 实施例一
[0081] 如图8所示，图8为本发明推拉式结构的结构示意图，本实施例中的致动器使用的 是电致伸缩材料致动器。采用的推拉式结构的具体结构如下：
[0082] -外壳（1111);
[0083]-支座（1112)，与外壳（1111) 一体，用以支撑控制机构（1116);
[0084]-进给物料的管路（1113);
[0085]-加热设备（1114)，设置于管路（1113)的前段，用于软化进给的物料；
[0086]-控制机构（1116)，设置于管路（1113)的末端外围，用于改变喷口尺寸和方向；
[0087] _收敛片（1115)，管路（1113)的末端，可以在一定方向和一定范围内摆动，收敛片 之间使用柔性材料（1117)连接；
[0088] 本实施例使用的电致伸缩材料是PMN基弛豫铁电体（1-y) [ (1-x) PMN-xPT]-yW03(x= 0? 1 ?0? 13，y= 0? 01 ?0? 015)，其电致伸缩系数为 8. 6Xl(T16m2/V2。 电致伸缩材料致动器（1116)由8片上述电致伸缩材料构成伸缩器件，每片电致伸缩材料厚 度为2臟，高度为1臟，宽度为1mm。电致伸缩材料致动器（1116)的电极（611)间距为1mm。 电致伸缩材料致动器的具体结构如下：
[0089]-电极（611)，设置在垂直于伸缩方向的方向，用于产生电致伸缩材料所需的电 场；
[0090] _电极支撑材料（615);
[0091] -电致伸缩材料（612)，安装在电极（611)和电极支撑材料（615)构成的结构内， 多片串联；
[0092] -基座（613);
[0093]-传动杆（614);
[0094]本实施例使用4片收敛片（1115)，每片收敛片（1115)连接一个电致伸缩材料致动 器（1116)，4片收敛片（1115)形成一个矩形。
[0095] 在4个电致伸缩材料致动器（1116)的电极（611)上均加上190V电压，此时4个 电致伸缩材料致动器（1116)每个都会产生相同的伸长量（AL)，实现喷口大小在每个方向 上缩小2AL。AL的具体计算如下：
[0096] 在电极（611)上加上190V电压时，极板间产生的电场强度（E)为
【权利要求】
1. 一种直径可控的3D打印机的喷头，包括用以进给物料的管路（13)及连接于管路出 料端上的喷头，其特征在于：所述喷口的四周外侧分别铰接有一片用以控制喷口大小的收 敛片（16)，所述收敛片（16)分别经各自的致动器（16)连接于打印机的机架上。
2. -种直径可控的3D打印机的喷头，包括用以进给物料的管路（23)及连接于管路出 料端上的喷头，其特征在于：所述喷口的四周内侧设有控制喷口尺寸的伸缩材料（27)，所 述喷口的外侧设有连接于打印机机架上且用以控制喷口方向的致动器（26)，所述伸缩材料 的表面具有保护层。
3. 根据权利要求1或2所述的一种直径可控的3D打印机的喷头，其特征在于：所述的 致动器（16)为电致伸缩材料致动器，所述电致伸缩材料致动器包含用以产生驱动电致伸 缩材料（612)的电场的电极（611)，电致伸缩材料（612)，衬底（613)，电极支撑（615)以及 传动杆（614)，所述电致伸缩材料（612)在机械结构上采用串联形式，在电路结构上使用并 联形式。
4. 根据权利要求1或2所述的一种直径可控的3D打印机的喷头，其特征在于：所述的 致动器（26)为磁致伸缩材料致动器，所述磁致伸缩材料致动器包含磁致伸缩材料￠22)， 壳体（623)，用以产生驱动磁致伸缩材料（622)的磁场的线圈（621和传动杆（624)。
5. 根据权利要求1或2所述的一种直径可控的3D打印机的喷头，其特征在于：所述管 路（13, 23)包含有加热段、进给段、喷口，位于加热段外围设置有用以对物料进行加热的加 热元件（14，24)。
【文档编号】B22F3/115GK104441651SQ201410237592
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年5月31日 优先权日:2014年5月31日
【发明者】郭太良, 周雄图, 叶芸, 张启飞, 林毅斌 申请人:福州大学