一种变口径的3D打印机挤出头及其打印方法与流程

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种变口径的3D打印机挤出头及其打印方法。

背景技术：

熔融沉积制造(FDM-Fused Deposition Modeling)是3D打印领域较为典型的一种工艺，丝状成型材料由供丝机构送至喷头，在喷头中加热至熔融态，加热喷头在计算机的控制下按照相关截面轮廓的信息作X-Y平面运动，同时挤压并控制液体流量，使粘稠液体均匀地铺在断面层上。

在打印之前，首先需要根据所要打印零件的精度选择不同口径的挤出头，然后在上位机上设置相应的挤出头参数，对零件的模型进行切片。若所需精度要求高，则需要选择小口径的挤出头；若所需精度要求低，则可以选择大口径的挤出头，打印时间也会有所减少。但一个零件如果同时存在精度要求不同的部分，需要对精度要求低的部分加快打印，对精度要求高的部分精细打印，某一固定口径的挤出头则无法实现，停机更换挤出头显然也不方便。另外，当打印机由于某种原因需要暂停打印时，由于挤出头不能关闭，因此会不可避免地造成拉丝，继续打印时将影响打印质量。因此需要一种可以变口径的挤出头，在打印过程中实时调节挤出口的直径，在暂停打印时关闭挤出头，实现打印质量与打印速度的兼得。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种变口径的3D打印机挤出头，使挤出头在满足精度要求的同时，提高打印速度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种变口径的3D打印机挤出头，包括进料筒和调整转盘，所述进料筒沿中心轴开有通孔，其一端开口为进料口，另一端开口与调整转盘连接；所述调整转盘在驱动装置的驱动下可相对所述进料筒转动；所述调整转盘包括上转盘、下转盘以及包夹在两者中间的多个镶嵌板，所述的上转盘、下转盘和多个镶嵌板的中心位置形成与所述进料口连通的出料孔；各个所述的镶嵌板通过导向装置能沿着上转盘和下转盘的圆周方向相对滑动，使得所述的出料孔的孔径可变大可缩小，且出料孔的截面保持为等比例缩放的正多边形。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上、下转盘的轴向中心位置均开有一出料孔，该出料孔尺寸等于所述进料筒的通孔尺寸，所述上转盘的上端面内孔边缘设有一凸缘，所述进料筒通孔的底部开有一直径略大于通孔的阶梯孔，所述的凸缘卡入所述的阶梯孔内并紧密贴合，使得调整转盘只能相对进料筒转动，进料筒和调整转盘仅通过出料孔连通，保持良好的密封性。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上、下转盘的径向面上各设有多个长条形导向槽，且相对位置的长条形导向槽相对于上、下转盘的中心对称；所述镶嵌板上各有两个圆柱形导向销和一个圆柱形定位销II；所述导向销和定位销II卡入所述上、下转盘的导向槽内，构成导向装置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述进料筒底部的端面边缘处均匀安装有多个定位销I，所述上、下转盘均卡入所述定位销I内，使转盘只能在所有定位销组成的轨道内转动，不能轴向移动；

作为上述技术方案的进一步改进，所述的定位销II上连接有连杆，连接方式为铰连接；连杆的另一端连接在进料筒底部端面上的定位销I上，连接方式为铰连接,当上、下转盘相对进料筒转动时，在连杆的牵引下，镶嵌板会沿导向装置相对滑动。

作为上述技术方案的进一步改进，所述镶嵌板为不规则四边形，其中有一个锐角尖端，所述尖端由前后两个面组成，前面设有一个凸台，后面设有一个凹槽；前面的凸台卡入前一个镶嵌板后面的凹槽，后面的凹槽卡入后一个镶嵌板前面的凸台，凸台可沿凹槽滑动；以此类推，所有的镶嵌板尖端相对、互相嵌套，沿导向装置相对滑动时就组成一个中心孔径可变大可缩小的截面保持为等比例缩放正多边形的出料口。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上、下转盘的相同位置加工有一扇形区域的齿，所述进料筒底部的凸缘边缘上开有一通孔，用于安装减速齿轮，所述减速齿轮与上、下转盘的扇形齿啮合，并通过驱动装置带动调整转盘旋转。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的进料筒上定位销Ⅰ的数目、上下转盘的导向槽数目、镶嵌板的数目以及镶嵌板上连杆的数目均相等。

作为上述技术方案的进一步改进，所述镶嵌板表面涂覆惰性的不粘材料聚四氟乙烯(PTFE)，防止熔融材料粘连在表面。

利用上述装置进行3D打印的方法，包括以下步骤：

1).启动打印机；

2).上位机加载要打印的模型；

3).根据模型不同部位的精度要求，将模型切片，切片生成的G代码指令中包含出料口口径变化的路径数据；

4).开始打印，若需要改变挤出口口径，则控制驱动装置转动，使调整转盘旋转一定角度，继续打印；若不需要改变，则持续打印；直至打印完成。

本发明的有益效果：

本发明提供的自动变口径3D打印机挤出头，针对同一零件具有不同精度要求的部分时，可以通过实时调整挤出头的口径调整打印速度和打印精度，在形状简单、精度要求低的部分增大口径，缩短打印时间；在形状复杂、精度要求高的部分减小口径，提高打印质量。同时，在暂停打印时可以关闭挤出头，省略回抽，防止拉丝。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明打印机挤出头的三维轴测图；

图2是本发明打印机挤出头的三维轴测爆炸图；

图3是本发明打印机挤出头的俯视图；

图4是本发明打印机挤出头的仰视图；

图5是本发明打印机挤出头的主视图；

图6是镶嵌板透视图；

图7是打印过程的控制流程图；

其中：1微电机，2减速齿轮，3进料筒，4定位销Ⅰ，5上转盘，6导向销，7定位销Ⅱ，8连杆，9镶嵌板，10下转盘，11凸缘，12阶梯孔，13导向槽，14扇形齿，15穿孔,16锐角尖端，17凸台，18凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明为了解决3D打印机的挤出头精度不高以及打印速度不可变的问题，本发明公开了一种变口径的3D打印机挤出头，包括进料筒和调整转盘，进料筒沿中心轴开有通孔，其一端开口为进料口，另一端开口与调整转盘连接；调整转盘在驱动装置的驱动下可相对所述进料筒转动；所述调整转盘包括上转盘、下转盘以及包夹在两者中间的多个镶嵌板，所述的上转盘、下转盘和多个镶嵌板的中心位置形成与所述进料口连通的出料孔；各个所述的镶嵌板通过导向装置能沿着上转盘和下转盘的圆周方向相对滑动，使得所述的出料孔的孔径可变大可缩小，且出料孔的截面保持为等比例缩放的正多边形。

该结构可以针对同一零件具有不同精度要求的部分时，可以通过实时调整挤出头的口径调整打印速度和打印精度，在形状简单、精度要求低的部分增大口径，缩短打印时间；在形状复杂、精度要求高的部分减小口径，提高打印质量。同时，在暂停打印时可以关闭挤出头，省略回抽，防止拉丝。

具体的如图1-6所示，本发明公开了一种变口径的3D打印机挤出头，包括进料筒3、调整转盘，进料筒3是一个沿中心轴开有通孔的圆筒，顶部开口为进料口，底部开口与调整转盘连接，进料筒顶部外壁设有螺纹，用于与打印机加热块相连接；进料筒的底面有一凸缘，边缘均匀固定有多个定位销Ⅰ4，用于连接调整转盘。

如图2所示调整转盘包括上转盘5、下转盘10以及包夹在两者中间的多个镶嵌板9，上、下转盘为圆盘状，中间均开有一内孔(内孔为进料孔)，该内孔尺寸等于进料筒3的内孔；上转盘5的上端面内孔边缘设有一凸缘11，进料筒3通孔的底部开有一直径略大于通孔的阶梯孔12，使得凸缘11卡入阶梯孔12内并紧密贴合，这样调整转盘只能相对进料筒3转动，进料筒3和转盘仅通过中心孔连通，保持良好的密封性。

上、下转盘上各有多个中心对称分布的长条形导向槽13，镶嵌板9上各有两个圆柱形导向销6和一个圆柱形定位销Ⅱ7；导向销6和定位销Ⅱ7卡入上、下转盘的导向槽13内，定位销Ⅱ7上连接有连杆8，连接方式为铰连接；连杆8的另一端连接在进料筒底部端面上的定位销上，连接方式为铰连接。上、下转盘均卡入进料筒3底部端面上的定位销Ⅰ4内，使转盘只能在所有定位销Ⅰ4组成的轨道内转动，不能轴向移动。

如图6所示，镶嵌板9为不规则四边形，其中有一个锐角尖端16，尖端16由前后两个面组成，前面设有一个凸台17，后面设有一个凹槽18；前面的凸台17卡入前一个镶嵌板9后面的凹槽18，后面的凹槽18卡入后一个镶嵌板9前面的凸台17，凸台17可沿凹槽18滑动；以此类推，所有的镶嵌板尖端16相对、互相嵌套；当上、下转盘相对进料筒3转动时，在连杆8的牵引下，镶嵌板9通过导向销6沿转盘上的导向槽13移动，组成一个中心孔径可变大可缩小的截面保持为等比例缩放的正多边形出料口。

为了实现调整转盘的旋转，本实施例采用了齿轮传动的方式。具体来说，在上、下转盘的相同位置加工有一扇形区域的齿14，进料筒底部的凸缘边缘上开有一穿孔15，用于安装减速齿轮2，减速齿轮2由大齿数齿轮和小齿数齿轮两个齿轮组成，大齿轮与微电机1的齿轮啮合，小齿轮穿过穿孔15与上、下转盘的扇形齿14啮合。微电机1的启动可以带动减速齿轮2及调整转盘转动。

进料筒3上定位销Ⅰ4的数目、上下转盘的导向槽13数目、镶嵌板9的数目以及镶嵌板上连杆8的数目均相等，在本实施例中为九个，故镶嵌板的锐角角度为20°，出料口截面为正九边形。

优选地，镶嵌板9表面涂覆惰性的不粘材料聚四氟乙烯(PTFE)，防止熔融材料粘连在表面。

打印完成后控制调整转盘旋转到内孔最大位置，防止熔融材料冷却后粘结镶嵌板9。

本实施例中还提供了上述打印机挤出头的控制方法，其具体原理是：上位机根据模型精度要求切片，生成出料口口径变化的路径数据，上传到下位机，下位机根据路径数据自动调节出料口的口径，调节进料筒3的进料速率，使出料口的出料速率恒定不变。结合图7描述本实施例打印机喷头的工作流程。

a.启动打印机；

b.上位机加载要打印的模型；

c.根据模型不同部位的精度要求，将模型切片，切片生成的G代码指令中包含出料口口径变化的路径数据；

d.开始打印，若需要改变挤出口口径，则控制微电机1转动，使调整转盘旋转一定角度，继续打印；若不需要改变，则持续打印，上述流程不断循环，直至打印完成。

以上所述只是本发明优选的实施方式，仅用于对本发明的原理解释和示例性解释，不构成对本发明的限制。本领域内的专业人员，很容易对本发明做出变化和改进，但在不偏离本发明的原理和精神情况下，所有变化和改进都认为包含在本发明保护范围内。