一种3D打印机头及3D打印机的制作方法

本实用新型属于3D打印技术领域，涉及一种3D打印机头及3D打印机，特别涉及一种FDM型3D打印机头及3D打印机。

背景技术：

3D打印技术(3D printing)，又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、非金属粉或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印技术最早应用在塑料材料上。FDM(Fused Deposition Modeling) 熔融层积成型技术是目前的主要方式，它是将热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)继续成型，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件精度较高、价格便宜，主要适用于成型小塑料件。然而，这种方式产生的塑料产品强度低，并不能满足客户的要求。为了增加产品的强度，改善产品的性能，将金属/非金属与粘结剂混合经3D打印成形与传统粉末冶金脱脂烧结工艺相结合，可以得到高强度的金属/非金属零部件。

CN206967985U公开了一种3D打印机头及3D打印机，一种3D打印机头，其特征在于，包括：打印机头主体；所述打印机头主体包括进料端和出料端，且所述进料端与所述出料端之间设置有用于加热及储存打印原材料的融腔，且所述融腔的两端部分别与所述进料端及所述出料端连通；所述融腔与所述进料端之间设置有隔热组件。该实用新型缓解打印机在打印过程中由于原材料受热不合理而出现堵塞打印机头或者断料的问题。但是，其原料也局限于线型材料，且打印层与打印层之间的接合情况也有待进一步改善。

但是，目前实际运作上仍有些瓶颈亟待解决：(1)喂料型态性能；(2)打印层与打印层间的脱落问题。当前所使用的MIM喂料材料，因为线材强度不足易断裂造成生产的不连续问题，故不能像PLA塑料一样有效运用在3D打印机上，目前的解决方式有下列几点：(a)改善喂料特性：在现有FDM机台上使用线状喂料，需考虑线材的断裂问题，故要加强线材的抗拉强度。(b)改变打印机的进料方式：将直径6mm×150mm的棒材经由独特的送料机构将喂料送入加热腔；其次，在打印层与打印层接合问题，因金属/非金属的导热系数远高于塑料材料，故使用金属/非金属与粘结剂混合喂料时，由于易散热导致下一层材料容易凝固，造成上下层接合不良、断裂或脱离，使得3D打印制程的产品缺陷偏高。目前的改善方式是在打印机腔内通过调整腔内温度来作改善，但效果有限，且电子组件易因高温造成伤害，影响电器的基本功能。

因此，如何改善打印层与打印层之间的接合问题是业界人士所汲汲努力的方向。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种3D打印机头，不限于喂料的形态，有效改善了打印层与打印层之间的接合问题，打印层与打印层之间无开裂、断层、翘曲等结合不良现象。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种3D打印机头，包括打印机头主体和机架，所述打印机头主体包括进料端和出料端，所述进料端与所述出料端之间设置有喂料腔体，所述喂料腔体的两端部分别与所述进料端与所述出料端相连通；

所述喂料腔体的内部设置有旋转轴，所述旋转轴的顶部通过连接块与所述机架相连接，所述旋转轴的底部连接有挤料机构；

所述喂料腔体的外壁环向设置有加热熔融机构，所述打印机头主体的内壁设置有破碎机构，所述破碎机构的底端与所述加热熔融机构相连接；

所述出料端的侧部设置有预热机构，所述预热机构与所述加热熔融机构的底端相连接。

所述破碎机构包括定子和具有螺旋槽的转子，所述定子固设于所述打印机头主体的内壁，所述具有螺旋槽的转子设置于所述旋转轴的顶端且与所述定子相对应设置。所述定子和所述具有螺旋槽的转子成一配合角度，使其具有不同尺寸的间隙，以渐进方式将不同型态的喂料破碎成不同尺寸状态。

所述预热机构与所述出料端的出料口的距离为3～50mm，所述预热机构可以为1个、2个、3个或更多，即预热机构环向分布在半径为3～50mm的圆周上，优选的半径距离为5～30mm。

所述预热机构的加热温度50～170℃，优选的温度是60～120℃。

所述预热机构的加热方式为加热片加热、高周波加热或激光加热。

所述加热熔融机构的加热温度具有温度梯度，所述温度梯度为从上到下温度逐渐升高。

所述加热熔融机构的加热方式为线圈加热或高周波加热。

所述挤料机构为具有螺纹结构的倒圆锥体。所述挤料机构的螺纹结构具强制导向功能，当螺纹旋转动作后，进料端面积大于出料端，同体积的喂料经熔融后由大断面进入小断面区域造成的压力差，使得喂料有被挤压效果。故因此强制的螺旋作用力将大量熔融态的喂料，由机械力挤压作用挤至出料端的喷嘴，依照程序设计路径依序涂布在产品平台上。

所述进料机构为送料管或振动筛网。

本实用新型的目的之二在于提供一种3D打印机，包括如上所述的3D打印机头。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)简化原料的前处理工艺：FDM型的3D打印机打印材料的型态种类不再受限，不管线材、颗粒、片材或粉状在进入3D打印头都将被转化成细粉状而成熔融状态，简化了原料的前处理工艺。

(2)喂料特性无特殊要求：加热熔融机构具有温度梯度可以避免喂料长期处于高温环境下高分子材料的裂解问题，同时可以不必考虑喂料在金属注塑成形所强调的流动性(MFI)，也不需要刻意考虑使用线型材料时的韧性不够导致的断裂问题。

(3)改善层与层间的接合：预加热机构可以在平铺一层喂料时，因上一层仍保有一定的温度，故可以有效将上下层接合更紧密。

附图说明

图1为本实用新型的3D打印机头的结构示意图；

附图标记如下：

1-打印机头主体；11-进料端；12-出料端；2-喂料腔体；3-破碎机构；31- 定子；32-具有螺旋槽的转子；4-加热熔融机构；5-预热机构；6-打印层；7-挤料机构；8-旋转轴；9-连接块。

具体实施方式

下面结合附图1，并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实用新型一种3D打印机头，包括打印机头主体和机架，打印机头主体1包括进料端11和出料端12，进料端11与出料端12之间设置有喂料腔体2，喂料腔体2的两端部分别与进料端11与出料端12相连通；喂料腔体2的内部设置有旋转轴8，旋转轴8的顶部通过连接块9与机架相连接，旋转轴8的底部连接有挤料机构7；喂料腔体2的外壁环向设置有加热熔融机构 4，打印机头主体1的内壁设置有破碎机构3，破碎机构3的底端与加热熔融机构4相连接；出料端12的侧部设置有预热机构5，预热机构5与加热熔融机构 4的底端相连接。

打印机头工作时，旋转轴8旋转，在进料端11加入喂料，经破碎机构3破碎成细粉状后，因此喂料不受形态的控制，破碎后细粉状的喂料进入喂料腔体 2，经加热熔融机构4加热后，喂料变为熔融状态，熔融后的喂料进入出料端 12，在挤料机构7的导向挤压后挤压至出料端的喷嘴，依照程序设计路径依序涂布在产品平台上形成打印层6，开启预热机构5对打印出的上一层打印层进行预热，进入下一循环进行第二层的打印，使得相邻两打印层之间的温差不致太大，由此打印出的产品层与层之间结合紧密，无开裂、断层、翘曲等不良问题。

进料机构可以是送料管或是振动筛网，将各种型态的喂料送入进料端。其中，喂料可以为高分子粘结剂包裹的金属/非金属粉体，喂料的形状可以呈颗粒状、线状、片状或长条状。

进料端11与出料端12之间设置有喂料腔体2，喂料腔体2的两端部分别与进料端11与出料端12相连通。

破碎机构3包括定子31和具有螺旋槽的转子32，定子31固设于打印机头主体1的内壁，具有螺旋槽的转子32设置于旋转轴8的顶端且与定子31相对应设置。定子31和具有螺旋槽的转子32成一配合角度，使其具有不同尺寸的间隙，以渐进方式将不同型态的喂料破碎成不同尺寸状态。破碎机构3将不同形态的喂料渐进破碎成细粉状，然后导入喂料腔体2。

喂料腔体2的外部设置有加热熔融机构4，加热熔融机构4的加热方式为线圈加热或高周波加热；同时，加热熔融机构4具有温度梯度，使喂料在不同位置有不同的熔融状态，以利于喂料的使用寿命及出料控制。

预热机构5设置于出料端12的前端，用于加热出的上一层的打印层6，使相邻两层打印层的温差不至于太大导致层与层直接结合不良，预热机构5与出料端12的距离为3～50mm，预热机构可以为1个、2个、3个或更多，即预热机构环向分布在半径为3～50mm的圆周上，优选的半径距离为5～30mm，例如可以为3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、 22mm、25mm、28mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm。预热机构5的温度50～170℃，优选的温度是60～120℃，例如预热机构5的温度50℃、70℃、 90℃、110℃、120℃、140℃、150℃、170℃。使底层有足够的粘滞力不受上层喂料的流动而移动，造成产品填充不良，先将前置位置的喂料区域作预热动作，尽量保持新、旧层喂料间的温度差异，确保层与层之间的紧密接合，避免因为散热太快导致层与层间接合出现开裂、断层、翘曲等结合不良等问题。预热机构5的加热方式为加热片加热、高周波加热或激光加热。当预热机构5的加热方式为激光加热时，可以控制激光的聚焦尺寸为0.1～0.5mm，当聚焦尺寸小于0.1mm时，局部受热太高会破坏产品的性能，当聚焦尺寸大于0.5mm时，受热力度不够，对打印出的产品层起不到有效的预热作用。

挤料机构7为具有螺纹结构的倒圆锥体。挤料机构7的螺纹结构具强制导向功能，当螺纹旋转作动后，进料端面积大于出料端，同体积的喂料经熔融后由大断面进入小断面区域造成的压力差，使得喂料有被挤压效果。故因此强制的螺旋作用力将大量熔融态的喂料，由机械力挤压作用挤至出料端的喷嘴，依照程序设计路径依序涂布在产品平台上。

本实用新型的3D打印机，包括如上所述的3D打印机头。本实用新型的 3D打印机可以将金属/非金属粉体和高分子粘结剂混炼制备成各型态的喂料，将得到的喂料利用3D打印机打印成型得到生坯，将所得生胚依次经过脱脂、烧结和后加工，得到成品件。

为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，本实用新型的典型但非限制性的实施例如下：

实施例

本实施例的一种3D打印用喂料的制备方法如下所示：

(1)将60vol％不锈钢金属与40vol％的高分子粘结剂混合，所述高分子粘结剂包括：聚甲醛86wt％、聚丙烯8wt％、硬脂酸1wt％、热稳定剂0.5wt％、增塑剂2wt％、界面活性剂1wt％、润滑剂1.5wt％；将所述原料加入密炼机中，在 170℃下混炼1h；

(2)利用造粒机将步骤(1)混炼后得到的材料挤出为直径为3mm的呈颗粒状材料，冷却后得到所述3D打印用喂料，将所述颗粒加工成线材状喂料备用。

(3)将步骤(2)得到的喂料放置于FDM型3D打印机的进料端11。

(4)将步骤(3)进料端11的喂料进入破碎机构3中，将颗粒状喂料破碎或粉碎，随着破碎机构3螺纹的导向作用移至加热熔融机构4，经加热熔融使其成为凝态或熔融态。

(5)将步骤(4)在加热熔融机构4的凝态喂料亦经由挤料机构7挤压后挤压至打印机的出料端12，将喂料出料端12温度设定为210℃，同时启用预热机构5，设置预热区温度为190℃，依序涂敷在工作平台上完成产品生胚制作。同时将气体排至上端储存空间喂料腔体2后排出腔体。

(6)将步骤(5)的生胚产品经过110℃催化脱脂、1360℃真空烧结工艺可以得到完全316不锈钢金属产品。本实用新型的打印机打印出的产品层与层之间结合紧密，无开裂、断层、翘曲等不良问题。

对比例

与实施例的差别在于对比例中未启用预热机构，本对比例的一种3D打印用喂料的制备方法如下所示：

(1)将60vol％不锈钢金属与40vol％的高分子粘结剂混合，所述高分子粘结剂包括：聚甲醛86wt％、聚丙烯8wt％、硬脂酸1wt％、热稳定剂0.5wt％、增塑剂2wt％、界面活性剂1wt％、润滑剂1.5wt％；将所述原料加入密炼机中，在 170℃下混炼1h；

(2)利用造粒机将步骤(1)混炼后得到的材料挤出为直径为3mm的呈颗粒状材料，冷却后得到所述3D打印用喂料，将所述颗粒加工成线材状喂料备用。

(3)将步骤(2)得到的喂料放置于FDM型3D打印机的进料端11。

(4)将步骤(3)进料区的喂料进入一破碎机构3中，将颗粒状喂料破碎或粉碎，随着破碎机构3螺纹的导向作用移至加热熔融机构4，使其成为凝态或熔融态。

(5)将步骤(4)在加热熔融机构4的凝态喂料亦经由挤料机构7挤压后挤压至打印机的出料端12，将喂料经由210℃出料口依序涂敷在工作平台上完成产品生胚制作，同时将气体排至上端储存空间喂料腔体2后排出腔体。

(6)将步骤(5)的生胚产品经过110℃催化脱脂、1360℃真空烧结工艺可以得到完全316不锈钢金属产品。在打印过程中容易发生层与层间接合问题造成后续脱脂烧结产品开裂、翘曲等不良问题。

本实用新型的3D打印机，不限于喂料的形态，有效改善了打印层与打印层之间的接合问题，打印层与打印层之间无开裂、断层、翘曲等结合不良现象。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。