一种线阵喷射式FDM三维打印喷头及打印方法与流程

本发明涉及一种线阵喷射式fdm三维打印喷头及打印方法，特别涉及一种fdm三维打印机线阵喷射式喷头设计，属于快速成型与三维打印机技术领域。

背景技术：

fdm（fuseddepositionmanufacturing）于1988年由美国科特克鲁姆普发明，是一种将塑料线材送入打印头融化，经打印头头部0.1~0.4mm的小孔挤出后，在工作台上按计算机指令控制的路径采用熔塑细线填充的方式，实现三维物体的分层叠加成型。其中喷头是实现熔积成型的关键部件，也是fdm三维打印机的核心，喷头一般包括有原料进给装置、塑化装置、喷嘴、进料驱动装置与控制器；驱动装置为原料的添加和熔料的挤出提供驱动力，保证熔料能顺利通过喷嘴挤出，控制装置则控制物料的加入速度并控制加热温度，进料装置保证丝料或颗粒料能顺利加入到料筒，塑化装置保证物料均匀塑化，喷嘴是物料熔体流经的最后通道。

自fdm技术发明以来，基本堆积成型原理与喷头基本构型几无变化，如附图1所示，熔体均经过小孔喷射而出，挤出料呈现为高温熔体细丝线形射流，射流直径一般在0.1~0.4mm之间。孔式喷头在工作台上以轨迹填充的方式完成丝线对工件截面二维轮廓的扫描，实质等价于点式图案填充，填充速度取决于喷头的机械运动速度和小孔出丝的流速。由于三维打印精度与熔体细线直径、流速的矛盾，fdm的造型速度低下。一般精度要求下，每24小时能够挤出的最大熔体体积不超过36毫升，这就决定了fdm三维打印并不适合打印大型制件，或者精度较低不能打印复杂的物体。

fdm喷头的改进主要集中在进料方式、喷头丝材颜色的增加、喷头数量等方面，其出丝方式全部是小孔出丝。美国专利“multicoloredfuseddepositionmodelingprint”（us9283714b2）公开了一种彩色fdm喷头设计方案与染色出丝原理，在原料丝进入喷头之前进行染色，进而实现彩色三维打印；中国实用新型专利“三维打印装置的喷头结构”（201620114545.x）是通过齿圈上设置不同尺寸孔洞的方式，可根据成型对象的部位或打印面积大小来选择不同孔径的喷头；实用新型专利“一种三维打印高速精密定量喷头”（201520656239.4）是打印针在电磁铁的吸引下以活塞运动的形式，实现精密小量液体的小孔喷射；实用新型专利“一种可调挤出流量的三维打印机喷头”（201520336155.2）是在喷头端部喷口截面设置为长方形，同时在喷嘴侧面设置截面为t型的喷嘴活塞槽，通过活塞槽中活塞的运动实现长方形出口截面面积的动态调整，实质上依然是单出口的孔式喷头，虽然能够通过薄带式喷射提高截面填充效率，但喷出的平薄料带横截面为实心狭长矩形，喷头本身在转弯路径位置也必须同时旋转，保持喷出的料带始终与轨迹切线方向垂直，即喷头仍然需要按照工件截面轮廓的直线/曲线填充轨迹完成总长度和耗时巨大的复杂轨迹运动；实用新型专利“快速成形系统的挤压喷头结构”（98219118.9）公开了一种在喷嘴小孔位置设置溢流阀的设计，实现喷嘴内部熔体压力稳定。

上述公开的现有技术，其fdm喷头与喷射成型原理均存在如下不足之处：1、小孔喷射熔体，完成二维截面形状的点式填充，喷孔流量极为有限，直接带来了精度与效率的矛盾，是fdm三维打印技术的关键缺陷之源；2、依赖于喷头尖端的点式轨迹扫描完成实体造型，喷头实际运行轨迹总长度极其巨大，运行时间极为冗长；3、单位时间出料速度有限，不能适合进行大尺寸构件的打印需求。

技术实现要素：

本发明目的是针对背景技术所述不足，设计一种线阵喷射式fdm三维打印喷头及打印方法的实现方案，实现高速fdm三维打印；是通过薄片堵针阵列限制fdm三维打印机扁平喷头喷射出的射流瞬时分布，使得出射射流呈空隙位置任意可控的扁平梳状，实现扁平连续射流在每层图案沉积过程中的形状变化，fdm喷嘴的每一次直线运动都能沉积出设定宽度的条带式图案形状，喷嘴在当前条带相邻位置的回程直线运动中，喷射沉积下一条图案形状，如此多次往复拼接出工件在任意高度位置截面的完整图案，多层图案的不断堆积，完成三维打印制件的制作。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，包括：喷头进料嘴（1）、喷头主体、加热棒（6）和测温探头（7）；所述喷头主体包括位于左侧的固定喷嘴（9）和位于右侧的可控喷嘴；所述喷头进料嘴（1）旋接在固定喷嘴（9）的上方，所述加热棒（6）和测温探头（7）设置在固定喷嘴（9）内部；其特征在于：

所述可控喷嘴包括：喷头掩模（2）、薄片式堵针阵列（5）、堵针压力调整块（3），还包括：堵针阵列驱动装置（4）；

所述薄片式堵针阵列（5）由叠合在一起的m片薄片堵针组成，每一薄片堵针的形状相同、厚度相等或者是不等，各薄片堵针上有：拉杆（5.1）、振动杆（5.2）、预压弹簧针（5.3）、柔性连杆（5.4）、堵针头部（5.5）、挂钩凸出部（5.6）六个部位；所述拉杆（5.1）是位于振动杆（5.2）右侧垂直向上延伸的细长条；所述柔性连杆（5.4）位于振动杆（5.2）左侧垂直向上延伸，柔性连杆（5.4）上部是所述挂钩凸出部（5.6）；所述预压弹簧针（5.3）是位于振动杆（5.2）中部向上延伸的端部有弯头的细长条；所述堵针头部（5.5）位于振动杆（5.2）的左下侧；柔性连杆（5.4）的与所述振动杆（5.2）之间的转折部位设有过渡圆角（5.7）；

所述喷头掩模（2）通过坚固件与固定喷嘴（9）锁紧；所述喷头掩模（2）内加工有堵针挂扣槽，所述薄片式堵针阵列（5）的各薄片堵针的挂钩凸出部（5.6）嵌入喷头掩模（2）的堵针挂扣槽中，并与喷头掩模（2）紧配合；所述柔性连杆（5.4）的背面紧贴喷头掩模（2），所述过渡圆角（5.7）与喷头掩模（2）相应部位圆角之间呈间隙配合；

所述薄片式堵针阵列（5）中，所有堵针头部（5.5）的直立面外侧与固定喷嘴（9）之间构成一个扁平空腔（9.1），所述扁平空腔（9.1）的下部是呈狭长窄缝状的喷嘴，所述狭长窄缝的长度是喷头一次喷射成型的最大宽度，狭长窄缝的宽度限定了喷头喷射物料的厚度；每一薄片堵针的厚度是fdm打印最小横向分辨率；

所述堵针压力调整块（3）通过紧固件固连在喷头掩模（2）上，堵针压力调整块（3）下端抵住预压弹簧针（5.3）的弯头，堵针压力调整块（3）的位置上下可调；

所述堵针阵列驱动装置（4）与每一薄片堵针的拉杆（5.1）连接，堵针阵列驱动装置（4）用于拉动各薄片堵针的振动杆（5.2）以过渡圆角（5.7）为中心，绕喷头掩模（2）的左下角边缘小角度摆动，振动杆（5.2）拉动堵针头部（5.5）前后摆动，从而驱动喷嘴处的窄缝张开或关闭。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，其特征在于：所述堵针阵列驱动装置（4）用于驱动每一片薄片堵针的堵针头部（5.5）按控制指令要求独立的前后摆动，进一步地，控制所述呈窄缝状的喷嘴中对应位置的物料喷射或关闭；堵针阵列驱动装置（4）是：压电陶瓷驱动装置、或者是音圈电机驱动装置、或者是直线电机驱动装置、或者是电磁铁驱动装置中的一种。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，其特征在于：所述固定喷嘴（9）的喷嘴出口处布置有一个小斜面，所述小斜面与堵针头部（5.5）配合，用于关闭喷嘴对应位置的物料喷射。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，其特征在于：所述薄片式堵针阵列（5）中，薄片堵针的片数m值≥3。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，其特征在于：所述薄片式堵针阵列（5）中，每一薄片堵针的厚度优选值为0.1~0.4mm。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，其特征在于：所述薄片式堵针阵列（5）中，每一薄片堵针的厚度相同，或者是各不相同。

一种线阵喷射式fdm三维打印喷头的打印方法，其特征在于：工作中，喷头进料嘴（1）向所述扁平内腔（9.1）中连续输送打印所需的熔融物料，扁平内腔（9.1）中的喷射物料再通过呈窄缝状的喷嘴向下喷出，熔融料从狭长窄缝出口流出时，呈现空隙位置可控的梳式扁平射流，摊铺在工作台上沉积成设定图案，形成3d打印材料的熔融堆积。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头的打印方法，其特征在于：所述三维打印喷头的窄缝状喷嘴在熔融堆积成型过程中，是往复直线运动，喷嘴轨迹呈“几”字型分布；每一次单向运动过程中，窄缝状喷嘴喷射出设定宽度的扁平薄片物料堆积成型，扁平薄片物料是连续喷射，或者是在指令控制下，控制薄片式堵针阵列（5）中每片堵针的位置进行随机喷射。

如上所述一种线阵喷射式fdm三维打印喷头的打印方法，其特征在于：通过调整堵针压力调整块（3）的上下位置，实现各堵针头部（5.5）相对于固定喷嘴（9）的预压力大小的调整，当任一薄片堵针未受到堵针阵列驱动装置（4）驱动力作用时，位于窄缝状喷嘴中的熔融物料不能向下喷射，反之，当任一薄片堵针受到堵针阵列驱动装置（4）驱动力作用时，位于窄缝状喷嘴中的熔融物料向下喷射。

本发明有益效果是：

本发明通过薄片式堵针阵列限制fdm三维打印机扁平喷头喷射出的射流瞬时分布，使得出射射流呈现空隙位置任意可控的扁平梳状，实现扁平连续射流在每层图案沉积过程中的形状变化，fdm喷嘴的每一次直线运动都能沉积出特定宽度的条带式图案形状，喷头按“几”字型轨迹做往复直线运动，喷嘴在当前条带相邻位置的回程直线运动中，喷射沉积下一条图案形状，如此多次往复拼接出工件在任意高度位置截面的完整图案，多层图案的不断堆积，完成三维打印制件的制作。工作效率高，特别适合于打印大件物品。

附图说明

图1是现有喷头基本结构及熔体经小孔喷出示意图；

图2是本发明实施例一种线阵喷射式fdm三维打印喷头的工作过程示意图；

图3是本发明一种线阵喷射式fdm三维打印喷头内部结构示意图；

图4是图3中a处放大图；

图5是本发明实施例一种线阵喷射式fdm三维打印喷头喷嘴出口正面示意图；

图6是本发明实施例的单片薄片堵针外形示意图。

附图中的标记说明，图2~图6中：

1—喷头进料嘴，2—喷头掩模，3—堵针压力调整块，4—堵针阵列驱动装置，5—薄片式堵针阵列，5.1—拉杆，5.2—振动杆，5.3—预压弹簧针，5.4—柔性连杆，5.5—堵针头部，5.6—挂钩凸出部，5.7—过渡圆角，6—加热棒，7—测温探头，8—紧定螺栓，9—固定喷嘴，9.1—扁平内腔，10—喷头“几”字型往复运动轨迹。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。本发明的下述实施例仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式在内的全部变化和修改例。为了更清楚的进行阐述，下述说明省略了对众所周知的装置和方法进行详细说明。

参见图2～3，本发明一种线阵喷射式fdm三维打印喷头，包括：喷头进料嘴1、喷头主体、加热棒6和测温探头7；所述喷头主体包括位于左侧的固定喷嘴9和位于右侧的可控喷嘴；所述喷头进料嘴1旋接在固定喷嘴9的上方，所述加热棒6和测温探头7设置在固定喷嘴9内部。所述可控喷嘴包括：喷头掩模2、薄片式堵针阵列5、堵针压力调整块3，还包括：堵针阵列驱动装置4。

加热棒6和测温探头7用于加热并控制喷头主体工作时的温度，本实施例中，利用热传导效应维持整个喷头部件保持190~250℃高温；喷头主体的维持温度数值取决于熔体的物料性质，通过温控调节熔体粘度在恰当范围，例如对于abs材料，喷头主体维持在200~210℃之间，对于pla材料，喷头主体维持在190~200℃之间，以保持熔体的运动粘度在100pa•s左右。

本发明实施例中，所述薄片式堵针阵列5由叠合在一起的16片薄片堵针组成，每一薄片堵针的平面结构形状相同、厚度相同且优选值为0.1~0.4mm，因此薄片式堵针阵列5的总宽度值为1.6~6.4mm，从结构及功能上看，每一薄片堵针上各部位分别为：拉杆5.1、振动杆5.2、预压弹簧针5.3、柔性连杆5.4、堵针头部5.5、挂钩凸出部5.6；所述拉杆5.1是位于振动杆5.2右侧垂直向上延伸的细长条；所述柔性连杆5.4位于振动杆5.2左侧垂直向上延伸，柔性连杆5.4上部是所述挂钩凸出部5.6；所述预压弹簧针5.3是位于振动杆5.2中部向上延伸的端部有弯头的细长条；所述堵针头部5.5位于振动杆5.2的左下侧，且堵针头部5.5高度超出振动杆上边缘呈一小斜面；柔性连杆5.4的与所述振动杆5.2之间的转折部位设有过渡圆角5.7。

本发明实施例中，堵针头部5.5超出振动杆5.2的距离优选值为1.5mm，振动杆5.2部分保持一定高度提供足够结构刚性，本发明实施例中，振动杆5.2高度优选值为4.5mm，堵针头部5.5相对于柔性连杆5.4的前端面呈斜面凸出，凸出角度优选为75度；在堵针阵列驱动装置4无动作的常态，堵针头部5.5紧密贴合在喷头主体的固定喷嘴9的出口边缘，堵塞相应位置的熔体流出通道；堵针的挂钩凸出部5.6的挂钩部位呈l型，嵌入到喷头掩模2相应的安装槽口固定。柔性连杆5.4联接着挂钩凸出部5.6与堵针头部5.5两个部位，限定了堵针头部5.5的运动轨迹；柔性连杆5.4部分的宽度设置得较窄而长度设置得较长，在该部位形成足够的柔性，确保振动杆5.2在相对较小的驱动力作用下，能够绕喷头掩模2配合面的边缘作来回摆动运动，打开或关闭当前薄片堵针在该位置的射流喷射，柔性连杆5.4部位宽度的优选值0.5mm，长度的优选值为8mm；柔性连杆5.4的内端面在打印材料熔体高压作用下与喷头掩模2产生紧密贴合，在柔性连杆5.4与堵针头部5.5的接合位置，设有一个半径为0.8mm的过渡圆角5.7，薄片堵针的振动杆5.2部位与喷头掩模2之间存在着楔形间隙，振动杆5.2以过渡圆角5.7相邻的柔性连杆5.4紧接位置点为近似回转中心，作微小振幅的上下摆动，直到向后为喷头掩模2配合的楔形限制面所限定，或者向前为固定喷嘴9的喷口边缘配合面所限定，在摆动过程中，堵针头部5.5或者向后打开0.1mm的喷口开度，或者回复正常位置关闭喷口。

如图3和图6所示，薄片堵针中间部位设有一预压弹簧针5.3，预压弹簧针5.3的针脚抵住图3中堵针压力调整块3的下沿，为堵针头部5.5提供向前的闭合压力，当扁平内腔9.1中存在高压熔体时，平衡高压熔体对堵针头部5.5造成的打开喷头开口的1.5~40mpa压力，熔体压力的取值主要依熔体材料本身的物理特性而有所不同，以某型abs材料为例，在200℃时优选值可以取为9~10mpa，在210℃时可以取为7~8mpa；堵针压力调整块3的位置设置总是使得高压熔体压力略小于预压弹簧针5.3提供的预压力，两种压力的差值在10%~15%倍左右的熔体压力，即预压弹簧针5.3处的预压力引起的堵针头部5.5与固定喷嘴9端配合面的前向压强等于1.10~1.15倍左右的熔体维持压力，从而在拉杆5.1传递来的薄片堵针驱动力为零的情形下，可靠地堵塞喷口对应薄片堵针宽度的射流出口。

薄片堵针尾部设有拉杆5.1，拉杆5.1的上端与堵针阵列驱动装置4相联接，拉杆5.1用于传递堵针阵列驱动装置4提供的向上拉力，与喷头扁平内腔9.1内熔体压力一起，共同将预压弹簧针5.3进一步压缩，从而使得薄片堵针的振动杆5.2向后发生微小角度的转动，进一步使得堵针头部5.5向后方旋转，打开喷头射流出口。薄片堵针振动杆5.2部分在拉杆5.1提供的拉力与预压弹簧针5.3提供的回复力共同作用下，产生高频随机振动，使得堵针头部5.5能够在恰当的时刻打开或者关闭喷头射流某特定位置上特定宽度的喷射，实现空隙随机可控的扁平梳式射流。

每一根薄片堵针互相紧密并排贴合，由于堵针挂钩凸出部5.6嵌入堵针挂扣槽内，所有堵针柔性连杆5.4的前端面严格齐平，与固定喷嘴9相对的平面共同围出容纳熔体的扁平内腔9.1，扁平内腔9.1呈狭长窄缝形状，窄缝高度优选值为10mm，窄缝缝宽优选值为0.1mm，窄缝的横向开口长度等于打印喷头的最大射流宽度，在本实施例中取为6.4mm时，对应16片薄片堵针，每片堵针厚度0.4mm；打印原料熔体由喷头进料嘴1的小孔注入喷头扁平内腔9.1，保持1.5~40mpa的维持压力，经过10mm扁平内腔9.1后，由0.1mm窄缝开口喷射到工作台面或工件表面沉积出特定图案。由图3、图4可知，所述窄缝的长度是喷头一次喷射成型的最大宽度，窄缝的宽度限定了喷头喷射物料的厚度；每一薄片堵针的厚度是fdm打印最小横向分辨率。

本发明一种线阵喷射式fdm三维打印喷头进行打印作业时，堵针阵列5最边缘的两片薄片堵针，即位置最外层的薄片堵针为静止堵针，工作中保持静止与侧向密封垫配合以便实现良好的喷嘴出口侧向密封；针对16片0.4mm厚度堵针组成的堵针阵列5，打印喷头的喷嘴呈梳式扁平射流的理论有效宽度为5.6mm，对应14片活动薄片堵针。活动薄片堵针在堵针阵列驱动装置4的作用下可以在14个位置点上，实现任意0.4mm宽度的射流喷射控制，结合打印喷头的匀速直线运动，一次沉积出5.6mm宽度的扁平熔体图案条带。在打印喷头扁平内腔9.1中维持10mpa情形下，对abs材料的喷射速度大约为6~7mm/s，打印喷头每24小时实际喷射流量最高上限不小于330ml；若进一步提升熔体压力，对应的熔体喷射速度也会等比例提高，相应也必须提高打印喷头本身的运动速度，打印喷头在24小时内可以喷射出的熔体体积也会相应大幅增加。在本实施例中，每一条图案条带的横向分辨率为0.4mm，等于每片薄片堵针的厚度，纵向分辨率取决于打印喷头运动的实际速度与堵针阵列驱动装置4的最高振动频率。在打印喷头运动速度为10mm/s，堵针阵列驱动装置4的最高振动频率为100hz情形下，喷头射流沉积出的图案条带的纵向分辨率为0.1mm。

在本发明实施例中，堵针阵列5喷射出的熔体扁平射流最大宽度5.6mm，按每0.4mm的横向分辨率和0.1mm的纵向分辨率，空隙位置梳式可控的扁平熔融射流在工作台面或工件截面上沿线阵喷头的直线运动方向沉积出特定的工件截面图案；线阵喷头每次偏移一个喷嘴窄缝出口宽度做连续往复直线喷射，完成一个完整工件截面图案的材料沉积，随后线阵喷嘴升高一个沉积截面图案的单位高度，或者沉积截面图案下降一个单位高度，开始下一层截面图案的材料沉积，连续完成所有高度层截面图案沉积之后，即实现了线阵喷射式的fdm三维打印全过程。

本发明通过薄片式堵针阵列限制fdm三维打印机扁平喷头喷射出的射流瞬时分布，使得出射射流呈现空隙位置任意可控的扁平梳状，实现扁平连续射流在每层图案沉积过程中的形状变化，fdm喷嘴的每一次直线运动都能沉积出特定宽度的条带式图案形状，喷头按“几”字型轨迹10做往复直线运动，喷嘴在当前条带相邻位置的回程直线运动中，喷射沉积下一条图案形状，如此多次往复拼接出工件在任意高度位置截面的完整图案，多层图案的不断堆积，完成三维打印制件的制作。工作效率高，特别适合于打印大件物品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。