一种支持多打印材料的高效高温喷头的制作方法

本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种支持多打印材料的高效高温喷头。

背景技术：

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。

金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。除金属材料3D打印以外，一些常温下为非液态的非金属材料的3D打印同样需要在高温熔融条件下进行。目前，墨水、聚合物溶液等常温液态材料的微滴喷射技术已有成熟应用，但在金属等常温固态材料喷射和三维实体结构打印方面，还有较多的技术难题需要解决。材料熔点高，粘性和表面张力大，部分材料还具有较强的腐蚀性，以往成熟的常温液态材料喷射装置及控制方法很难直接用于常温固态材料的喷射和打印成型。

技术实现要素：

基于本发明公开了一种支持多打印材料的高效高温打印喷头，所述打印喷头包括：驱动装置、循环水冷却系统、进料口、高压保护气进气管、高温液体腔和加热装置；

所述循环水冷却系统用于对驱动装置进行冷却；

所述进料口用于对高温液体腔内填充打印材料；

所述高压保护气进气管用于向高温液体腔内通入高压保护气体，为带打印材料熔化的液滴的喷出提供主要动力；

所述加热装置用于加热熔化 高温液体腔内的打印材料。

本发明具有以下优点：

1)高温液体腔由坩埚构成，坩埚具有很高的熔点，并且具有很强的抗腐蚀性和抗氧化性，可以保证喷头具有良好的可靠性；

2)压电陶瓷片组采用多片厚度可不同的压电陶瓷片，对各压电陶瓷片施加合适的驱动信号可以获得不同的驱动力与驱动位移，可以用于不同材料的打印，也可用于同一材料不同液滴尺寸的打印；

3)压电陶瓷片组与冲击杆之间用调节装置进行连接，调节装置可以调节冲击杆的初始位置，同时调节装置与冲击杆连接面有一层隔热层，阻隔热量向压电陶瓷片组的传递；

4)驱动装置内的复位弹簧用于冲击杆和传振杆的快速复位，加快相应速度；

5)本发明中采用多个喷孔同时工作，相对现有单孔喷头工作效率得到极大提升；

6)驱动装置处设有循环水冷却系统，可以保证驱动装置在正常工作条件下长期工作，从而保证了工作的可靠性；

7)高压保护气通过高压保护气进气管道通入高温液体腔内，为液滴的喷出提供主要驱动力，同时保证熔融状态的打印材料不被氧化；

8)保护气在同轴保护气罩内经过匀气片后均匀充满同轴保护气罩腔内，同时使得喷头与基底之间充满保护气，防止液滴在飞行过程中被氧化；

9)高温液体腔内设有两层过滤层，上层的过滤层过滤孔径较大，用于过滤未完全熔化的打印材料，下层的过滤层过滤孔径较小，用于过滤微小颗粒及气泡等，使得喷出的液滴具有良好的一致性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中多打印材料种类多成型液滴尺寸高效高温喷头结构组成示意图；

附图中，驱动装置(101)、压电陶瓷片组(1011)、调节装置(1012)、冲击杆(1013)、复位弹簧(1014)、循环水冷却系统(102)、进水口(1021)、出水口(1022)、连接部分(103)、进料口(104)、温度检测装置(105)、高压保护气进气管道(106)、密封隔热膜(107)、同轴保护气罩(108)、保护气进气管道(109)、上层过滤层(110)、匀气片(111)、加热装置(112)、传振杆(113)、下层过滤层(114)、高温液体腔(115)、喷孔(116)、三维运动平台(117)；

图2(a)、2(b)为本发明一个实施例中压电陶瓷片组局部示意图；

附图中，上电极(201)、压电陶瓷片(202)、下电极(203)、绝缘层(204)，本图为各层材料类型示意图，压电陶瓷片的具体层数不局限于图2(a)所示的两层和图2(b)所示的三层；

图3(a)为本发明一个实施例中高温液体腔底部设置有5个喷孔时的排列示意图；

图3(b)为本发明一个实施例中高温液体腔底部设置有12个喷孔时的排列示意图；

图3(c)为本发明一个实施例中高温液体腔底部设置有21个喷孔时的排列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明：

在一个实施例中，本发明公开了一种支持多打印材料的高效高温喷头，所述喷头包括：驱动装置、循环水冷却系统、进料口、高压保护气进气管、高温液体腔和加热装置；

所述循环水冷却系统用于对驱动装置进行冷却；

所述进料口用于对高温液体腔内填充打印材料；

所述高压保护气进气管用于向高温液体腔内通入高压保护气体，为带打印材料熔化的液滴的喷出提供主要动力；

所述加热装置用于加热熔化 高温液体腔内的打印材料。

本实施例所述的喷头能够提供不同的驱动位移，适用于不同材料的打印，同时也适用于同种材料不同液滴尺寸的打印。本实施例所述的循环水冷却系统用于防止所述喷头用于过热造成故障。

在一个实施例中，所述高温液体腔由坩埚构成，并且高温液体腔内设有两层过滤层，上层的过滤层用于过滤未完全熔化的打印材料，下层的过滤层用于过滤微小颗粒及气泡。

在本实施例中，所述坩埚具有很高的熔点，并且具有很强的抗腐蚀性和抗氧化性，用于构成高温液体腔有显而易见的特点。本实施例所述高温液体腔内设有两层过滤层，上层的过滤层过滤孔径较大，用于过滤未完全熔化的打印材料，下层的过滤层过滤孔径较小，用于过滤微小颗粒及气泡等，使得喷出的液滴具有良好的一致性。

在一个实施例中，所述高温液体腔的底部设置有多个喷孔，且多个喷孔能够单独工作、部分工作或者全部工作。

本实施可采用多个喷孔同时工作，相对现有单孔喷头工作效率得到极大提升。

在一个实施例中，所述高温液体腔外有同轴保护气罩，所述同轴保护气罩内通入了保护气体，用于防止喷出的熔融液滴氧化。

在本实施例中，所述保护气体为惰性气体或其它可用于防止熔融液滴氧化的气体。

在一个实施例中，所述同轴保护气罩与高温液体腔之间设有匀气片，用于保证同轴保护气罩内的保护气均匀分布。

在本实施例中，所述保护气体在同轴保护气罩内经过匀气片后均匀充满同轴保护气罩腔内，同时使得喷头与基底之间充满保护气，防止液滴在飞行过程中被氧化。

在一个实施例中，所述同轴保护气罩外设有加热装置，用于保证高温液体腔内的打印材料保持熔融状态，同时保证液滴在喷孔与基板之间飞行过程中仍为液态。

本实施例中所述的加热装置可根据待打印材料的液滴的熔点调节不同的温度，用于适用多种打印材料的打印。

在一个实施例中，所述高温液体腔内设置有温度检测器，所述温度检测器用于检测高温液体腔内的温度。

在本实施例中，所述温度检测器用于检测高温液体腔内的温度，保证不同的打印材料在高温液体腔内能根据不同的温度进行熔化。

在一个实施例中，所述驱动装置由压电陶瓷片组、调节机构、冲击杆和复位弹簧构成；

所述调节机构用于调节冲击杆的位置，同时用于连接压电陶瓷片组与冲击杆，复位弹簧用于冲击杆的复位。

在本实施例中，所述复位弹簧用于冲击杆和传振杆的快速复位，加快相应速度。

在一个实施例中，所述压电陶瓷片组由压电陶瓷片、上下电极和绝缘层组成，各压电陶瓷片之间相互独立，通过给不同的压电陶瓷片提供不同的驱动信号实现压电陶瓷片组不同的形变量，从而满足不同材料的喷出，也能够与满足同一种材料不同液滴尺寸的喷出。

在本实施例中，压电陶瓷通电变形带动冲击杆推传振杆，在传振杆的作用下为液滴的形成提供扰动力。

在一个实施例中，所述喷头还包括有传振杆，所述传振杆与冲击杆机械连接，中间设有密封隔热膜，传振杆用于为待打印材料的液滴的形成提供扰动力。

在一个实施例中，本发明公开了一种支持多打印材料的高效高温打印喷头，所述喷头包括驱动装置(101)、循环水冷却系统(102)、连接部分(103)、进料口(104)、温度检测装置(105)、高压保护气进气管道(106)、密封隔热膜(107)、同轴保护气罩(108)、保护气进气管道(109)、上层过滤层(110)、匀气片(111)、加热装置(112)、传振杆(113)、下层过滤层(114)、高温液体腔(115)、喷孔 (116)；

所述驱动装置(101)包括压电陶瓷片组(1011)、调节装置(1012)、冲击杆(1013)和复位弹簧(1014)；

所述压电陶瓷片组(1011)包括上电极(201)、压电陶瓷片(202)、下电极(203)和绝缘层(204)；

所述循环水冷却系统(102)包括进水口(1021)、出水口(1022)；

在本实施例中，如图1所示，压电陶瓷片组(1011)在适当的驱动信号作用下会产生形变，进而带动冲击杆(1013)向下运动，冲击杆(1013)将驱动位移与驱动力传递给传振杆(113)，传振杆(113)向下运动压缩传振杆(113)底部与喷孔(116)之间的液态打印材料，使得喷孔(116)处的液态打印材料受到扰动，喷出后形成液滴。当作用在压电陶瓷片组(1011)的驱动信号撤销时，压电陶瓷片组(1011)恢复形变，在复位弹簧(1014)的作用下冲击杆(1013)向上运动，冲击杆(1013)带动传振杆(113)向上运动，液态打印材料再次充满传振杆(113)与喷孔(116)之间的空间。至此完成了一个喷射周期。在喷头与三维运动平台(117)相对运动下完成产品的打印。

在一个实施例中，所述驱动装置(101)用于为液滴的形成提供扰动；

所述循环水冷却系统(102)用于对驱动装置(101)进行冷却，保证驱动装置(101)在高工作频率，长工作时间下仍能正常工作；

所述进料口(104)用于向高温液体腔(115)内填充打印材料，进料孔(104) 处有密封圈，填充材料拟采用丝状；

所述高压保护气进气管道(106)用于向高温液体腔(115)内通入高压保护气，使高温液体腔(115)形成内高外低的压差，为液滴的喷出提供主要驱动力：

所述温度检测装置(105)用于检测高温液体腔(115)内熔融液体的温度，从而反馈控制加热装置(112)，实现高温液体腔(115)内部的温度恒定；

所述密封隔热膜(107)用于隔离高温液体腔与连接部分的压力与温度；

所述上层过滤层(110)用于过滤未完全熔化的打印材料；

所述下层过滤层(114)用于过滤微小颗粒及气泡等，使得喷出的液滴具有良好的一致性；

所述同轴保护气罩(108)用于使喷孔(116)与三维运动平台(117)之间充满保护气，防止喷出的液滴在飞行过程中被氧化；

所述匀气片(111)用于使由保护气进气管道(109)通入的保护气均匀的充满同种保护气罩(108)整个腔内；

所述加热装置(112)用于加热熔化 高温液体腔(115)内的打印材料，使打印材料保持熔融状态，加热装置(112)的温度受温度检测装置(105)的反馈调节。

在本实施例中，如图2(a)和图2(b)所示为压电陶瓷片组(1011)局部示意图，压电陶瓷片组(1011)由多层压电陶瓷片(202)组成，每层压电陶瓷片(202) 都有上电极(201)和下电极(203)，两层压电陶瓷片(202)之间用绝缘层(204) 隔开。当压电陶瓷片(202)的上电极(201)与下电极(203)通入相应的电压信号会使压电陶瓷片(202)产生变形，由于绝缘层(204)的作用各压电陶瓷片 (202)之间互不影响，各压电陶瓷片(202)产生的变形合成之后为压电陶瓷片组(102)的总变形。

在本实施例中，如图3(a)-(c)所示为高温液体腔(115)底部喷孔(116)排列示意图。喷孔排列要保证均匀性，同一排喷孔间隔距离要相同，各排之间的距离也要相同，本图为示意图，具体喷孔个数及排列可与本图不同。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术任一来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术任一应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。