一种具有旋转式数字阀的3d打印装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有旋转式数字阀的3D打印装置。旋转式数字阀作为3D打印喷射系统的控制元件，从内向外分别由阀芯、阀套、阀体和位移传感器等部件组成。阀芯两个凸肩上开有周期性分布的槽口，与其相对应的阀套表面上开有对应阀芯设置的进料孔与负压孔；阀芯由电机驱动旋转，结合进料孔与负压孔与阀芯对称三角槽的位置变化，实现周期性快速通断，由此达到喷射液滴的高频率输出。该装置具有联动回吸结构，可消除两次喷射间液体因重力而滴落的现象，可靠性强。此外，这种旋转式开关结构使得喷射液滴的输出流量，伴随阀芯高速旋转而迅速增大，尤其适用于高频响和大流量的工业级快速成型领域。
【专利说明】一种具有旋转式数字阀的3D打印装置
【技术领域】
[0001]本发明是涉及用于快速成型的装置，特别是涉及一种具有旋转式数字阀的3D打印装置。
【背景技术】
[0002]当前主流的3D打印技术，通过材料的逐层叠加与固化成型，实现快速制造。在单层打印过程中，打印头工作腔内液体材料在外部驱动力的作用下形成液滴，并以一定频率和速率喷射到相应位置。因此，稳定、精确和快速的微滴喷射是确保3D打印品质的关键。
[0003]3D微滴喷射主要有热气泡式，压电式和阀控式三种形式。热气泡式(如参考专利200980159776.5)通过将液体材料加热至30(TC以产生蒸汽气泡，使材料在喷嘴处挤压分离；然而，高温加热工艺对打印材料及喷头提出了苛刻要求，大幅压缩了其使用范围。压电式(如参考专利201110098956.6，US10035055)利用压电材料在通电时产生形变的原理实现喷射，具有喷射装置简单、喷射精度较高等优点，但因压电材料形变范围有限，主要应用于小流量系统。阀控式(如参考专利US005988807A)则是通过阀芯的快速启闭来形成离散的喷射液滴，增大阀芯开度可迅速提升喷射流量，面对工业级3D打印的大流量需求，该喷射方式逐渐成为了研究热点。然而，其仍存在以下一些不足，主要表现为:
I)作为核心指标的打印效率仍不足，制约了 3D打印的进一步大规模推广。当前阀控式喷射主要采用直动式开关阀，该阀每个启闭周期均存在阀芯加减速过程，启闭时间长；尤其在大流量工况下，阀芯启闭惯性力的不利影响更加显著，由此严重制约了打印效率的提升。
[0004]2)阀控式喷射的可靠性随输出流量增大而降低，流量提升遇到瓶颈。面对大流量3D打印需求，由于阀芯的开度大小有限，阀控式喷射常通过增大阀芯直径提升流量，却大幅增加了阀芯的重量与惯性。高速喷射下，大质量阀芯的惯性冲击迫使输出压力及流量发生波动，打印可靠性随之迅速降低。
[0005]3)两次喷射间易发生微液体滴落，制约高品质打印。在完成一次喷射、二次喷射未开始的时间内，喷头内的液体在重力作用易发生滴落，这严重影响了打印的精度。当前阀控式喷射(如参考专利W0058373A2)缺乏对液体滴落的有效控制，抑制了打印精度的进一步提升。
【发明内容】
[0006]本发明目的是提供一种适用于3D打印系统的旋转式数字阀，通过旋转式阀体的快速通断，实现高频响、大流量的精确液滴喷射，尤其适用于大尺寸产品的快速成型。
[0007]本发明的具体实施方案是:一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，包括3D喷射液体进料装置，与进料装置出液端相连通的旋转式数字阀、与旋转式数字阀出料口相连接的打印喷头，所述旋转式数字阀内设有可与打印喷头连通以形成3D喷射液体的输料通道的原料腔，所述原料腔还连通有负压管路，所述负压管路与负压装置相连接，当打印喷头停止喷料时，负压装置控制经负压管路控制原料腔形成负压以防止打印喷头内的3D喷射液体液体因重力发生滴落。
[0008]进一步的，所述旋转式数字阀包括:
一阀体:阀体左侧上开设有与进料装置连通的进料口，阀体右侧与负压管连通的负压口、与打印喷头连通的出料口 ；
一阀套:所述阀固定于阀体内，所述阀套的套体设有与进料口连通的进料孔、与负压口连通的负压孔以及与出料口连通的出料孔；
一阀芯:所述阀芯固定于阀体内，所述阀芯包括套设于一转轴上且与转轴同步旋转的左凸肩与右凸肩，所述转轴一端穿过阀套与阀体与驱动装置相连接，所述阀套内左凸肩与右凸肩之间的空间形成原料腔，所述左凸肩与右凸肩分别与阀套两内侧端形成弹簧腔与控制腔，所述控制腔与弹簧腔经电磁阀控制连通以驱动左凸肩与右凸肩沿转轴轴向滑动，当左凸肩外壁遮蔽进料孔时，原料腔与负压孔相连通，当右凸肩外壁遮蔽负压孔时，左凸肩与原料腔连通。
[0009]进一步的，所述左凸肩表面上开有周期性分布的左槽口阵列，右凸肩表面上开有周期性分布的右槽口阵列，所述任意一个以阀芯轴线为边界的平面，只与左槽口阵列和右槽口阵列其中一个相交，以使当左槽口位于进料孔下方时，负压孔与右槽口错位，当右槽口位于负压孔下方时，进油孔与左槽口错位。
[0010]进一步的，所述左槽口阵列为三角槽阵列，所述右槽口阵列也为三角槽阵列，所述左槽口与右槽口的形状为等腰三角形，所述进料孔与负压孔截面为菱形，所述进料孔的内锐角与左槽口顶角相等，负压孔的内锐角与右槽口顶角相等。
[0011]进一步的，所述的菱形进料口的长对角线距离值与阀芯在向右移动的最大位移处进料孔外顶点和左槽口阵列外顶点之间轴向距离值相等；负压孔的长对角线距离值与阀芯在向左移动的最大位移处负压孔外顶点和右槽口外顶点之间轴向距离值相等。
[0012]进一步的，所述的左凸肩背离右凸肩一侧连接有穿过阀套及阀体的测试杆，所述测试杆与位移传感器连接。
[0013]进一步的，所述的左槽口阵列和右槽口阵列的三角槽个数为2?12个，所述的进料孔与负压孔的长对角线长度为4?15_。
[0014]进一步的，所述左凸肩与阀套朝向左凸肩内壁通过弹簧连接。
[0015]进一步的，所述进料装置包括内置有加热装置的材料盒，所述材料盒经管路与旋转式数字阀相连接，所述管路上设有过滤装置、泵及单向阀。
[0016]进一步的，所述驱动装置为电机，所述转轴与阀芯采用花键或平键连接，阀芯与阀套配合面设有阀芯密封圈。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
I)通过阀芯凸肩上设置机械PWM结构，大幅提高3D打印的喷射频率。在阀芯凸肩的径向圆周上，周期性开有阵列槽口结构；伴随电机带动的阀芯旋转，该结构与静止阀套上的流道实现周期性快速通断，由此调节输出液滴的频率。加快电机转速与增加槽口个数，均可迅速提升喷射频率。
[0018]2)通过旋转开关阀结构，突破了传统喷射方式流量低的瓶颈。该旋转式数字阀利用阀芯旋转克服了传统阀控式(如滑阀、锥阀结构)的阀芯惯性问题。阀芯上开有液体输出流道，结合阀芯的高速旋转将喷射液滴的流量提升至10L/min以上，尤其适用于大尺寸产品的快速成型。
[0019]3)该装置具有联动结构，可消除两次喷射间液体因重力而滴落的现象，3D打印品质高。当完成一次喷射时，所设置的负压装置起作用，喷嘴内的液体微幅回吸，避免了在下次喷射前液体因重力发生滴落，该负压装置在第二次喷射开始时自动关闭，由此消除了严重影响打印质量的液体滴落问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是基于本发明的3D打印喷射系统的连接结构示意图。
[0021]图2是本发明数字阀内部结构的示意图。
[0022]图3是本发明图2 C-C剖面的示意图。
[0023]图4是本发明实施例阀芯上所开三角槽与阀套上菱形孔的位置关系图。
[0024]图5是本发明实施例阀芯处于右极限位置阀芯三角槽与菱形孔的位置关系图。
[0025]图6是本发明实施例阀芯处于左极限位置阀芯三角槽与菱形孔的位置关系图。
[0026]图7表征阀芯复位状态下三角槽与菱形孔的位置关系。
[0027]图8表征本发明在喷射状态下的工作原理示意图。
[0028]图9表征本发明在回吸状态下的工作原理示意图。
[0029]图中:1、主材料盒，2、加热装置，3、泵，4、溢流阀，5、过滤器，6、单向阀，7、旋转式数字阀，8、打印喷头，9、负压装置，9A、副材料盒，9B、空气过滤器，10、第一高速开关阀，11、阀体，12、阀套，12A、左菱形孔，12B、右菱形孔，13、阀芯，13A、左三角槽阵列，13B、右三角槽阵列，14、阀套端盖，15、阀盖，16、电机，16A、电机输出轴，17、阀芯密封圈阵列，18、控制腔，19、第二高速开关阀，20、弹簧，21、弹簧腔，22、位移传感器，22A、测试杆。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0031]如图1所示，图1表示了本发明实施方案具有旋转式数字阀7在3D打印喷射系统中的整体结构。系统中在具有加热装置2的主材料盒I中放入材料进行加热，使其满足喷射条件。当旋转式数字阀7左位工作时，材料依次经主材料盒1、泵3、过滤器5、单向阀
6、旋转式数字阀7，而后从打印喷头8中喷射出；旋转式数字阀7是打印喷射系统的关键元件，通过阀芯13的转动实现离散液体的输出该喷射系统工作过程中，为了避免了重力作用下液体的滴漏现象，旋转式数字阀7连通经管路连通有负压装置9，当停止进料时，打印喷头8与负压装置9接通，在负压作用下，打印喷头8内的液体材料形成微幅回吸状态，避免了重力作用下液体的滴漏现象。
[0032]图2?3示意性地表示了本发明实施方案的旋转式数字阀7结构的示意图。
[0033]旋转式数字阀包括阀体11、阀套12、阀芯13和位移传感器22 ;其中:阀套12安装在阀体11内部，阀芯13安装在阀套12内部，位移传感器22安装在阀体11端面上；旋转式数字阀7为二位三通结构，阀体11上的三个通口分别接液体输入端、打印喷头8和负压装置9。阀套上亦设有与三个通口连通的孔，包括图中位于左侧的进料孔(与液体输入端连通)、右侧负压孔(与负压装置9连通)以及下方的出料孔(与打印喷头8连通)。
[0034]阀芯13通过电机16带动实现转动，所述电机的输出轴与阀芯采用花键或平键连接，阀芯与阀套配合面由阀芯密封圈阵列17密封，阀芯13包括两个部分即左凸肩与右凸肩，左凸肩表面上开有周期性分布的左槽口阵列，右凸肩表面上开有周期性分布的右槽口阵列，所述任意一个以阀芯轴线为边界的平面，只与左槽口阵列和右槽口阵列其中一个相交，以使当左槽口位于进料孔下方时，负压孔与右槽口错位，当右槽口位于负压孔下方时，进油孔与左槽口错位。
[0035]本发明设计了阀芯周期性开有阵列槽口结构配合进料孔、负压孔的结构实现出料孔的快速通断。
[0036]在本实施例中，左凸肩与右凸肩凸肩表面上开有周期性分布的左三角槽阵列13A(即左槽口阵列)和右三角槽阵列13B (即右槽口阵列)，与其相对应的阀套12内表面上开有左菱形孔12A (即进料孔)和右菱形孔12B (即负压孔)。
[0037]左菱形孔12A和右菱形孔12B为菱形，左菱形孔12A与右菱形孔12B的形状结构—致。
[0038]左三角槽阵列13A和右三角槽阵列13B的三角槽为等腰三角形，左三角槽阵列13A和右三角槽阵列13B的三角槽形状结构一致。
[0039]左菱形孔12A的内锐角α I与左三角槽阵列13Α的三角槽顶角α 2相等，右菱形孔12Β的内锐角α 3与右三角槽阵列13Β的三角槽顶角α 4相等。左菱形孔12Α的长对角线距离值Α2，与阀芯13在向右移动的最大位移处左菱形孔12Α外顶点和左三角槽阵列13Α外顶点之间轴向距离值Al相等；右菱形孔12Β的长对角线距离值Α4，与阀芯13在向左移动的最大位移处右菱形孔12Β外顶点和右三角槽阵列13Β外顶点之间轴向距离值A3相等。
[0040]位移传感器22通过测试杆22Α与阀芯13连接，阀芯13和测试杆22Α连接的端面，与阀套10内端面形成与外部连通的弹簧腔21，弹簧腔21内阀芯左凸肩与阀套12通过弹簧20连接；阀芯13右凸肩与阀套端盖14间形成向外连通的控制腔18。
[0041]图4飞表示阀芯13处于不同位置时，所开三角槽与阀套上菱形孔的位置关系图。阀芯13上所开的左三角槽阵列13Α和右三角槽阵列13Β是旋转式数字阀7设计的重点。结合图2，将左三角槽阵列13Α和右三角槽阵列13Β所对应的凸肩部分沿圆周方向展开；同时将起液体入口作用的左菱形孔12Α与接通负压装置9的右菱形孔12Β，分别投影到左三角槽阵列13Α和右三角槽阵列13Β的展开图上。需要注意的是，当左菱形孔12Α与左三角槽阵列13Α连通时，右菱形孔12Β与右三角槽阵列13Β处于断开状态，由此避免从P 口输入的液体直接从B 口经负压装置9抽离，反义亦然。左上角槽阵列13Α与右三角槽阵列13Β的每个三角槽结构相同。同时，由于本发明旋转式数字阀7的开关频率，等于电机16转速与左三角槽阵列13Α的三角槽个数乘积，因此增大电机转速与三角槽个数，旋转式数字阀7获得闻的开关频率。
[0042]为便于分析，下文中将液体输出状态与液体未输出状态的比值定义为“占空比”，该参数与阀芯旋转速度，决定了喷射的速率及频率。
[0043]如图4所示，阀套12上所开的左菱形孔12Α和右菱形孔12Β为菱形状，该结构的节流损失小。菱形孔与三角槽阵列的配合结构，比圆孔配合在单位时间内的面积变化梯度大，“开” “关”过渡时所需时间短、能量损失小。为精确控制占空比，如图5所示，左菱形孔12Α的内锐角α I与左三角槽阵列13Α的三角槽顶角α 2相等，如图6，右菱形孔12Β的内锐角α 3与右三角槽阵列13Β的三角槽顶角α 4相等。同时，为实现旋转式数字阀7的占空比在(TlOO%之间大范围变化，当阀芯13处于右极限位置时，如图5所示，左三角槽阵列13Α的三角槽顶端到左菱形孔12Α的外顶点的轴向距离值hl，与左菱形孔12A的长对角线力2相等；当阀芯13处于左极限位置时，如图6所示，右三角槽阵列13B的三角槽顶点到右菱形孔12B的外顶点的轴向距离值A3，与右菱形孔12B的长对角线A4相等。
[0044]图7表征阀芯复位状态下三角槽与菱形孔的位置关系。此时左菱形孔12A对应阀芯13的右极限位置，伴随阀芯的旋转，左菱形孔12A与左三角槽阵列13A不连通，液体不输入，即不发生喷射，机械占空比为0%。与此同时，右菱形孔12B位于右三角槽阵列13B的最左端，在阀芯13旋转状态下右菱形孔12B与右三角槽阵列13B处于连通状态，即与负压装置9相通的机械占空比最高可达100%。所以在阀芯复位工作时，结合图2，打印喷头8始终与负压装置9相通，由此避免了打印喷头5的滴漏现象。
[0045]图8、表征本发明喷射状态与回吸状态工作原理图。当处于喷射状态时，液体由阀体11上的P 口进入，并经A 口与打印喷头8相通，此时B 口关闭，由此实现液体的喷射。当完成一次喷射后，进入回吸状态；此时，阀体11的P 口关闭，打印喷头8经A 口和B 口后与负压装置9连接，打印喷头8内的液体小幅回吸，以此避免液体滴漏，为下一次喷射做好准备。
[0046]如图9的回吸状态实施例中，负压装置9由与大气相通的副材料盒9A和空气过滤器9B组成，副材料盒9A中的液面高度低于打印喷头8内的最低液面高度，二者液位差为A。利用第一高速开关阀10控制进入副材料盒9A中液体的液面高度，通过调整液位差值由此获得满足不同喷射需求的回吸负压值。
[0047]左三角槽阵列13A和右三角槽阵列13B的三角槽个数为2?12个，左菱形孔12A与右菱形孔12B的长对角线h2的取值为:4?15mm。
[0048]控制腔与弹簧腔经电磁阀控制连通以驱动左凸肩与右凸肩沿转轴轴向滑动，位移传感器22实时监测阀芯13的位移且作为实际阀芯13位置反馈信号，并通过阀芯13闭环控制，提高阀芯13控制精度。
[0049]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，其特征在于，包括3D喷射液体进料装置，与进料装置出液端相连通的旋转式数字阀、与旋转式数字阀出料口相连接的打印喷头，所述旋转式数字阀内设有可与打印喷头连通以形成3D喷射液体的输料通道的原料腔，所述原料腔还连通有负压管路，所述负压管路与负压装置相连接，当打印喷头停止喷料时，负压装置控制经负压管路控制原料腔形成负压以防止打印喷头内的3D喷射液体液体因重力发生滴落。
2.根据权利要求1所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述旋转式数字阀包括: 一阀体:阀体左侧上开设有与进料装置连通的进料口，阀体右侧与负压管连通的负压口、与打印喷头连通的出料口 ； 一阀套:所述阀固定于阀体内，所述阀套的套体设有与进料口连通的进料孔、与负压口连通的负压孔以及与出料口连通的出料孔； 一阀芯:所述阀芯固定于阀体内，所述阀芯包括套设于一转轴上且与转轴同步旋转的左凸肩与右凸肩，所述转轴一端穿过阀套与阀体与驱动装置相连接，所述阀套内左凸肩与右凸肩之间的空间形成原料腔，所述左凸肩与右凸肩分别与阀套两内侧端形成弹簧腔与控制腔，所述控制腔与弹簧腔经电磁阀控制连通以驱动左凸肩与右凸肩沿转轴轴向滑动，当左凸肩外壁遮蔽进料孔时，原料腔与负压孔相连通，当右凸肩外壁遮蔽负压孔时，左凸肩与原料腔连通。
3.根据权利要求2所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述左凸肩表面上开有周期性分布的左槽口阵列，右凸肩表面上开有周期性分布的右槽口阵列，所述任意一个以阀芯轴线为边界的平面，只与左槽口阵列和右槽口阵列其中一个相交，以使当左槽口位于进料孔下方时，负压孔与右槽口错位，当右槽口位于负压孔下方时，进油孔与左槽口错位。
4.根据权利要求3所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述左槽口阵列为三角槽阵列，所述右槽口阵列也为三角槽阵列，所述左槽口与右槽口的形状为等腰三角形，所述进料孔与负压孔截面为菱形，所述进料孔的内锐角与左槽口顶角相等，负压孔的内锐角与右槽口顶角相等。
5.根据权利要求4所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述的菱形进料口的长对角线距离值与阀芯在向右移动的最大位移处进料孔外顶点和左槽口阵列外顶点之间轴向距离值相等；负压孔的长对角线距离值与阀芯在向左移动的最大位移处负压孔外顶点和右槽口外顶点之间轴向距离值相等。
6.根据权利要求1所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述的左凸肩背离右凸肩一侧连接有穿过阀套及阀体的测试杆，所述测试杆与位移传感器连接。
7.根据权利要求4所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述的左槽口阵列和右槽口阵列的三角槽个数为2?12个，所述的进料孔与负压孔的长对角线长度为4?15mm。
8.据权利要求1或6所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述左凸肩与阀套朝向左凸肩内壁通过弹簧连接。
9.据权利要求1所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述进料装置包括内置有加热装置的材料盒，所述材料盒经管路与旋转式数字阀相连接，所述管路上设有过滤装置、泵及单向阀。
10.根据权利要求2所述的一种具有旋转式数字阀的3D打印装置，所述驱动装置为电机，所述转轴与阀芯采用花键或平键连接，阀芯与阀套配合面设有阀芯密封圈。
【文档编号】B29C67/00GK104260350SQ201410473585
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】陈晖 , 吴强斌, 杨鸿艺, 梁红星, 杜恒 申请人:福州大学