一种可自动更换喷头的三维打印机的制作方法

本发明属于三维打印设备领域，具体是涉及一种可自动更换喷头的三维打印机。

背景技术：

三维打印技术也叫快速成型技术或者增材制造，相对于传统制造工艺去除材料的零件制造方法，三维打印工艺采用的是材料的逐层叠加原理来生成一个完整的零件。作为近年来先进制造领域的研究热点之一，三维打印技术已经广泛应用于制造业、航空航天、国防军工、生物医疗、食品化学等领域。运用三维打印技术可以缩短产品的开发周期，可以快速获得产品原型并加快产品迭代升级的精度，一些传统制造工艺难以生产的复杂几何形体也能通过三维打印获得。

按照工作方式的不同，三维打印方法主要有以下几种：选择性激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、分层实体制造等。目前桌面级三维打印机大多采用熔融沉积成型方法，喷头是其核心部件之一。一般的三维打印机都只有一个喷头，无法满足多材料打印的需求。也有部分三维打印机具有多个喷头，但是只能用在专用机器上，并且在控制板接口有限的情况下喷头数量无法拓展。

技术实现要素：

本发明提供一种可自动更换喷头的三维打印机，并且喷头模块与喷头模块母座可以安装在不同类型的三维打印机上。通过采用控制电磁铁吸附喷头模块的设计来实现多材料打印中喷头的自动更换，形成拥有不同材质或不同颜色的物体。并且可以通过改变喷头模块数量来满足打印过程中不同喷头数量的需求。利用了模块化的设计思路设计了喷头模块母座，在控制板接口有限的情况下，只要有足够的空间，可以增加任意数量的喷头。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可自动更换喷头的三维打印机，包括机架、安装在机架上的三维运动机构；

所述机架上安装有两个或两个以上用于定位喷头模块的定位座；

所述三维运动机构上安装有喷头模块母座，该喷头模块母座上设有用于吸附和定位对应喷头模块的电磁铁；所述喷头模块上设有与所述电磁铁配合的铁片i；

控制器，用于控制所述三维运动机构和所述电磁铁，利用三维运动机构将喷头模块母座移动至对应喷头模块所在的定位座处，然后控制电磁铁电流通断实现对喷头模块的更换；

所述喷头模块与喷头模块母座之间设有用于电信号和控制信号传输的传输模块。

本发明中，定位座设置两个或多个，可根据需要安装多个实现不同材料打印的喷头模块。本发明通过电磁铁和铁片i可实现喷头模块母座与喷头模块之间的相互固定，在需要拆卸该喷头模块时，仅需要对电磁铁断电即可实现两者的分离，方便简单，操作精度高。

本发明中，所述控制器可以是打印机原有的控制器，然后根据需要在控制器内写入相应的控制代码，也可以采用单独的控制器。

作为优选，所述机架上固定有喷头支架，该喷头支架上设有所述的定位座。所述喷头支架可以通过多种方式实现与机架的固定，比如可以采用螺栓固定，或者可以采用焊接固定，或者也可以采用卡合固定、吸合固定等。

作为优选，所述定位座上设有磁铁和定位销ii，所述喷头模块一侧设有与所述磁铁配合的铁片ii以及与所述定位销ii配合的定位孔。采用该技术方案，方便了喷头模块的定位，同时可以更好的配合喷头模块母座实现对喷头模块的更换。作为进一步优选，所述磁铁为方形磁铁。

作为优选，所述喷头模块包括可拆卸固定第一半壳和第二半壳：

所述第一半壳上设有所述的铁片i以及定位柱，所述喷头模块母座上设有与所述定位柱对应的定位销i；

所述第二半壳上设有：

用于对打印喷头进料的挤出机；

用于固定所述打印喷头的喷头夹持；

用于对打印喷头内进入喷嘴前的挤出丝材进行冷却的散热管；

对刚出喷嘴的挤出丝材进行降温的涡轮风扇。

本发明中，第一半壳和第二半壳之间可采用多种可拆卸方式固定，比如可以采用螺纹固定、卡合固定或者可以采用吸合固定，或者采用上述固定方式中的两种配合固定方式。

本发明采用喷头模块化设计，与喷头模块母座设计相结合，可以实现对任意喷头模块之间的更换，扩大了三维打印的适用范围。

本发明中，所述铁片i设置的数量可根据需要确定，一般为两个或两个以上，以保证喷头模块的稳定性。所述铁片i可选择圆形铁片，以方便电磁铁的快速准确定位。

作为优选，所述传输模块包括：设置在第二半壳上的弹簧顶针公座；所述第一半壳上设有避让所述弹簧顶针公座的窗口；设置在所述喷头模块母座上，与所述弹簧顶针公座配合的弹簧顶针母座。通过弹簧顶针接触为喷头模块上的挤出电机等部件供电。

作为优选，还包括固定在喷头右半壳内的电路板；弹簧顶针公座固定在电路板上，线路相互连接。

作为优选，所属喷头模块母座包括：

母座底板；

固定在母座底板上的母座外壳；

固定在母座外壳上的定位销，通过定位销与定位柱的配合实现喷头模块母座与喷头模块的定位；

作为优选，所述挤出机包括：

步进电机；

由步进电机驱动的挤出轮；

与挤出轮配合实现进料的定位轮。

上述技术方案中，步进电机的输出轴带动挤出轮将打印丝材挤入打印喷头；打印喷头上固定的加热棒加热喷头后，可将打印丝材融化后进行三维打印。

作为优选，还包括：

固定在第二半壳上的固定臂；

转接在所述第二半壳上的可调臂，所述定位轮轴接在该可调臂上；

固定在固定臂与可调臂之间的复位弹簧；

所述可调臂上设有正对挤出轮和定位轮进料位的进料孔；所述固定臂上设有正对挤出轮和定位轮出料位的送料孔，该送料孔同时与所述打印喷头通道导通。

采用复位弹簧，即可以保证定位轮紧靠在挤出轮，保证送丝的顺利进行；同时，也对定位轮提供了一定的柔性，避免定位轮与挤出轮卡死，保证打印的顺利进行。

作为优选，所述第二半壳上还设有开口正对所述散热管的冷却风扇。

作为优选，所述三维运动机构包括固定在机架上的x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构；

所述x轴运动机构包括x轴导轨、与x轴导轨滑动配合的x轴滑块，驱动x轴滑块沿x轴导轨移动的x轴步进电机；所述喷头模块母座固定在所述x轴滑块上；x轴步进电机带动x轴丝杆转动，通过螺纹啮合带动x轴滑块在x轴导轨上滑动。

所述y轴运动机构包括y轴导轨、与y轴导轨滑动配合的y轴滑块，驱动y轴滑块沿y轴导轨移动的y轴步进电机；所述x轴导轨固定在所述y轴滑块上；y轴步进电机带动y轴丝杆转动，通过螺纹啮合带动y轴导轨在y轴导轨上滑动。

所述z轴运动机构包括z轴导轨、与z轴导轨滑动配合的z轴滑块，驱动z轴滑块沿z轴导轨移动的z轴步进电机；所述三维打印机的打印平台固定在所述z轴滑块上。z轴步进电机带动z轴丝杆转动，通过螺纹啮合带动z轴滑块在z轴导轨上滑动。

本发明中，为了便于喷头模块的更换，选择在所述喷头模块母座上固定有电磁铁，在所述喷头模块固定有铁片，可以通过控制电磁铁的通断实现喷头模块与喷头模块母座的分离。

为便于喷头模块的自动更换，在需要更换喷头的时候，在所述控制器的控制作用下，三维运动机构驱动喷头模块母座运动到前一喷头模块对应的刀架处，卸下喷头模块，随后移动到后一喷头模块处，装夹喷头模块。具体讲，运动过程中通过电磁铁来吸附喷头模块进行运动；当第一喷头模块需要卸下时，三维运动机构运动至对应的第一喷头支架并通过喷头支架上的定位销定位以及方形磁铁固定，然后控制电磁铁去磁，三维运动机构带动喷头模块母座退出从而实现第一喷头模块与喷头模块母座的分离；当需要安装第二喷头模块时，三维运动机构运动至第二喷头支架，喷头模块母座定位销与第二喷头模块定位柱实现定位，控制电磁铁吸附第二喷头模块，然后三维运动机构向x轴正方向运动，第二喷头模块安装完成。

作为优选，所述喷头模块母座上固定有牛角连接器。控制板上引出的排线通过牛角连接器接通喷头模块母座。

本发明中，喷头模块母座内设有电路板，弹簧顶针母座固定在电路板上，在运动的过程中弹簧顶针母座与弹簧顶针公座接触，实现打印喷头模块上的各部件的供电与控制。

本发明中，采用有两个或两个以上定位座，所述定位座上固定有定位销以及方形磁铁，当喷头模块卸下时，通过定位销与左半壳实现定位，方形磁铁吸附固定喷头模块。

为便于实现自动化作业，所属三维运动机构、步进电机和电磁铁同时受控于同一控制器。所述的控制器一般为控制板或者计算机。

本发明能完成三维空间上的直线、圆弧、三维空间曲线等运动，可实现二维或三维打印，可以实现喷头的自动更换，并且喷头模块与喷头模块母座可通过螺纹联接固定在其它类型三维打印机上。可打印多种线材，包括但不限于pla、abs等。

除非特殊说明，本发明提到的“第一”、“第二”或者“i”、“ii”等，均是为了区别部件，其对部件的安装次序、结构或者安装方式等均没有限定作用。

发明具有的有益的效果是：

本发明的创新之处在于采用了可以自动更换的喷头模块。

由于采用了电磁铁吸附喷头模块的设计，使喷头模块的安装与卸下变得简单可行。

由于打印过程中可以自动更换接有不同打印丝材的喷头模块，增加了可打印材料的种类以及颜色，可以打印具有多种材料的物体，丰富了产品的组成结构。

由于采用了喷头模块母座来为喷头模块传输信号的设计，以及利用弹簧顶针连接喷头模块母座与喷头模块，可以避免多喷头直接接在控制板上导致控制板接口数量不能满足使用等问题。

附图说明

图1是本发明的可自动更换喷头的三维打印机的总装配体的结构示意图；

图2是本发明的喷头模块的结构示意图；

图3是喷头模块的拆解结构示意图；

图4是喷头模块母座27的结构示意图；

图5是第一喷头模块安装的过程示意图；

图6是第一喷头模块打印状态的结构示意图；

图7是将第一喷头模块拆卸的过程示意图；

图8是将第二喷头模块安装的结构示意图；

图中：1-机架，2-喷头支架，3-y轴导轨，4-y轴导轨，5-x轴步进电机，6-y轴步进电机，7-x轴导轨，8-x轴滑块，9-打印平台，10-打印喷头，11-喷头夹持，12-挤出机，13-挤出轮，14-左半壳，15-定位柱，16-右半壳，17-冷却风扇，18-涡轮风扇，19-圆形铁片，20-方形铁片，21-步进电机，22-散热管，23-电路板，24-弹簧顶针公座，25-电磁铁，26-弹簧顶针母座，27-喷头模块母座，28-定位销，29-母座底板，30-牛角连接器，31-定位销，32-方形磁铁，33-加热棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种可自动更换喷头的三维打印机，包括机架1、以及安装在机架1上的喷头支架2、x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构。

x轴运动机构包括x轴导轨7、x轴步进电机5、x轴滑块8和丝杆。x轴步进电机5带动丝杆转动，通过螺纹啮合带动x轴滑块8在x轴导轨7上滑动。y轴运动机构包括y轴导轨3、y轴步进电机6、y轴滑块4和丝杆。y轴步进电机6带动丝杆转动，通过螺纹啮合带动y轴导轨4在y轴导轨3上滑动。z轴运动机构包括z轴导轨、z轴步进电机、z轴滑块和丝杆。z轴步进电机带动丝杆转动，通过螺纹啮合带动z轴滑块在z轴导轨上滑动。z轴运动机构可以用于驱动打印喷头模块或者用于驱动打印平台9上下移动。由此打印喷头模块可以在x、y、z三个运动机构的调节下相对打印平台9做三维空间运动，亦可在z轴不动的情况下在xy平面上作二维运动。x轴运动机构、y轴运动机构、z轴运动机构均可采用现有技术的结构。本实施例中，z轴运动机构用于驱动打印平台9，即，打印平台9安装在z轴滑块上。

如图2和图3所示，喷头模块包括：左半壳14、步进电机、挤出机12、喷头夹持11、右半壳16以及打印喷头10，左半壳14通过螺纹联接与右半壳16固定，两者也可采用其他常规方式固定，比如也可以采用卡合固定等。

左半壳14上设有用于定位打印喷头10的第一凹槽；喷头夹持11上设有第二凹槽的，喷头夹持11与左半壳14的第一凹槽、第二凹槽相互对正，形成打印喷头10的定位槽，通过螺纹联接(螺栓和螺孔配合结构)夹紧打印喷头10，使打印喷头10在打印过程中保持稳定；

挤出机12包括步进电机21、挤出轮13、与挤出轮13配合的定位轮、用于固定定位轮的可调臂12a和固定臂12b。步进电机21和固定臂12b分别固定安装在左半壳14上。步进电机21输出轴上固定有用于将打印丝材送入打印喷头10的挤出轮13；可调臂12a上轴接有定位轮，定位轮与挤出轮13配合，实现对打印丝材的进料。可调臂12a铰接在左半壳14上，可调臂12a与固定臂12b之间设有复位弹簧，保证定位轮将打印丝材压紧在挤出轮13上，同时防止定位轮卡死。可调臂12a顶部设有进丝孔，用于打印丝材的进入，固定臂12b上设有相互对正的送丝孔，送丝孔与打印喷头10内的打印通道导通。

打印喷头10通过喷头夹持11固定在左半壳14上，打印喷头10中上部外壁设有散热管22，同时左半壳14上还固定有出口针对所述散热管22的冷却风扇17。同时左半壳14底部还固定有涡轮风扇18，靠口朝下，用于对打印平台9上打印区域(喷嘴出口处)送风。打印喷头10通过加热棒33加热后熔化丝材进行打印工作。

如图3所示，同时结合图4右半壳16上固定有定位柱15以及圆形铁片19。定位柱15与固定在喷头模块母座27上的定位销28配合实现喷头模块与喷头模块母座27的定位。工作时，圆形铁片19被固定在喷头模块母座27的电磁铁25吸附实现固定；电路板23以及弹簧顶针公座24固定在左半壳14内，弹簧顶针公座24头部露出左半壳14表面，同时右半壳16上设有用于避让弹簧顶针公座24的窗口，打印时弹簧顶针公座24与弹簧顶针母座26相接触，从而实现喷头模块的供电与控制。

同时，右半壳16一侧设有方形铁片20和定位孔，用于与喷头模块刀架上的方形磁铁32和定位销31配合定位。

如图4所示，喷头模块母座27固定在母座底板29上，喷头母座固定有电磁铁25以及弹簧顶针母座26以及牛角连接器30。牛角连接器30与弹簧顶针母座26接通，牛角连接器30通过排线与控制板相连，从而实现弹簧顶针母座26与控制板的接通，利用牛角连接器30作为电路中转使装置结构更加简洁美观。

如图5和图7所示，喷头支架2上固定有两个定位座，定位座上设有定位销31以及方形磁铁32，在方形磁铁32的作用下，未在工作的喷头模块可以可靠地固定在喷头支架2上，同时定位销31与喷头模块右半壳16的定位孔可以实现定位的功能。定位座的数量可根据实际需要调整。

本实施例中，喷头模块有两个，分别是第一喷头模块和第二喷头模块。

本发明的工作过程如下：

1)准备阶段：将打印丝材接入第一喷头模块和第二喷头模块，吸附在喷头支架2上。

2)将所设计的一个或多个三维造型导出为stl格式，输入三维打印机系统。系统分层切片完成后生成可供本三维打印机加工的g代码。其打印方式是熔融沉积式逐层打印。

3)自动装夹：系统根据需要的材料将喷头模块母座27运动至对应的喷头模块刀架一侧，如图5所示。喷头模块母座27的定位销与右半壳16的定位柱定位配合后，电磁铁25通电，将第一喷头模块固定。随后，三维运动机构带动第一喷头模块移出。4)当弹簧顶针公座24与弹簧顶针母座26接触后，冷却风扇17开启，使散热管22温度不会过高，避免丝材未进入打印喷头10就已经融化。控制加热棒33加热打印喷头10，加热至指定温度后完成打印准备。

5)开始打印：如图6所示，三维运动机构带动喷头模块母座27与喷头模块在打印平台9上运动，步进电机带动挤出轮13转动将熔化的丝材从打印喷头10挤出，沉积在打印平台9上。在高速打印时开启涡轮风扇19，使挤出的丝材快速冷却固化。逐层堆积，形成一个三维实体。

6)更换喷头模块：如图7所示，当需要更换打印材料时，三维运动机构运动至当前第一喷头模块的喷头支架2处，使右半壳16上的定位孔对准喷头支架2上的定位销31进入，当方形磁铁32吸附住第一喷头模块后，控制喷头模块母座27上的电磁铁25断电。三维运动机构向后移出，使喷头模块与喷头模块母座27分离，完成第一喷头模块的释放。

7)释放第一喷头模块后，三维运动机构运动至下一喷头模块处(此处举例第二喷头模块，重复3)、4)步)，如图8所示，即可完成下一喷头模块的装夹。

8)打印完毕后，重复第6)步释放喷头模块。三维运动机构归零回到原点。

9)从打印平台9上拆下完成后的产品。