一种可用于3D打印机的喷头快换系统及打印机的制作方法

本发明属于3d打印设备领域，具体是涉及一种可以作为附件安装于3d打印机上的喷头快换系统及带有该系统的打印机。

背景技术：

3d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，3d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一，3d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3d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3d打印获得。

但随着3d打印技术在越来越多的领域得以应用，一般的单喷头3d打印机已经无法满足多材料打印的需求。也有部分3d打印机具有多个喷头，但是可打印材料的范围较小，拓展能力差。

技术实现要素：

本发明提供一种可用于3d打印机的喷头快换系统，并且可以安装于不同类型的3d打印机上，使得安装了这套系统的3d打印机具备可以更换喷头模块进行打印的能力。其中不同类型的喷头模块可以打印不同的材料，大大扩展了3d打印机的适用范围。

达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可用于3d打印机的喷头快换系统，所述3d打印机包括驱动打印喷头工作的运动机构以及打印平台，包括：

固定在所述打印平台上的喷头库，该喷头库上固定有至少两个喷头模块；

固定在所述运动机构上的运动机构抓取模块，该运动机构抓取模块根据指令抓取和放回对应的喷头模块。

本发明中，所述的喷头模块一般具有不同打印功能或者打印材料不同，包括但不限于可以打印丝状材料的电机挤出喷头模块与可以打印液状材料的气动挤出喷头模块。上述两种打印模块可以根据具体打印材料的不同，可设置一组或多组。

本发明中，所述喷头库用于存放喷头模块，所述喷头库可以对闲置喷头模块进行加热和保温等。

3d打印的运动机构一般为三维或者二维的运动机构，本发明的运动机构抓取模块一般固定在运动机构上的运动臂上。

本发明通过运动机构抓取模块可快速实现对喷头模块的更换，提高了打印效率，同时扩展了3d打印的适用范围。

作为优选，所述喷头模块包括：

喷头组件；

与所述打印功能模块相互固定的连接组件，该连接组件与运动机构抓取模块之间设有配合定位的第一定位件，该连接组件与喷头库之间设有配合定位的第二定位件。

所述喷头组件一般由现有的零部件组成，也可以根据需要自行加工。比如针对电机挤出喷头模块，喷头组件一般包括料盒、电机安装座、挤出电机、进料管、散热风扇、散热片、加热块、喷嘴等；针对气动挤出喷头模块，喷头组件一般包括气管接头、气管、注射器安装座、冷却风扇、注射器夹持、注射器加热块、注射器喷嘴、注射器等等。

本发明中，连接组件是整个系统比较关键的部件，起到连接喷头模块与运动机构抓取模块，以及喷头模块与喷头库的作用。

作为优选，所述第一定位件、第二定位件均为快速接头。进一步降低了整个系统的制作难度，降低了制作成本。快速接头可选用现有的标准件，一般包括公头和母头，公头端部一般包括用于与母头锁定的环形的凹槽。母头内部设有钢珠，外部套设有套筒，通过套筒的移动，可以改变钢珠的位置，从而可实现对公头的锁定和释放。

作为优选，所述快速接头中的公头固定在所述连接组件上，所述述快速接头中的母头固定在所述运动机构抓取模块、喷头库上。

作为优选，所述母头包括母管、活动设置在母管上的钢珠以及滑动套设在母管外壁用于限制钢珠移动的套筒；

所述运动机构抓取模块、喷头库包括：

气缸；

固定在气缸输出端的滑块，该滑块与所述母头的套筒相对固定。

通过气缸控制套筒的移动，进而控制母头的工作状态，完成对公头的锁定和释放。

作为优选，所述运动机构抓取模块、喷头库还包括固定块，所述固定块上设有用于容纳母头的定位槽，该定位槽底部设有限定母头径向运动的凸台，通过气管快插接头或者螺母将母头的母管固定在定位槽内。母头上一般设有与所述凸台配合的卡台，将母头置入定位槽后，母头的卡台卡在凸台上，不会继续滑落，母头的螺纹端穿出定位槽槽底，通过所述气管快插接头或者螺母拧紧，即可实现对母管的固定，此时套筒可轴向滑动。

本发明，通过设置气管快插接头，可对喷头模块提供气路，保证整个装置更加紧凑。

作为优选，所述连接组件与运动机构抓取模块之间设有用于电信号和控制信号传输的电气连接器；所述连接组件与喷头库之间设有用于电信号和控制信号传输的电气连接器。所述电气连接器可选择现有的弹簧顶针连接器。

作为优选，还包括用于控制运动机构、气缸运行以及喷头模块温度控制的控制器。通过控制器，可实现对整个系统的自动控制，此处的控制器可以是现有3d打印机自身的控制器，也可以另外增加的新的控制器。

本发明还提供了一种3d打印机，包括上述任一技术方案所述的喷头快换系统。

将喷头快换系统安装至一般3d打印机上，当打印过程中需要更换不同材料的喷头模块时，3d打印机的运动臂带动运动机构侧抓取模块运动至前一喷头模块对应的喷头库抓取模块处，控制喷头库抓取模块气缸动作，将喷头模块固定锁紧，随后控制运动机构抓取模块气缸动作，完成前一喷头模块的卸下。然后运动至后一喷头模块对应的喷头库抓取模块处，控制运动机构抓取模块气缸动作将喷头模块固定锁紧，随后控制喷头库模块气缸动作，完成第二喷头模块的安装。返回至打印平台继续进行打印工作。

发明具有的有益的效果是：

本发明的创新之处在于采用模块化设计思想设计了一套可用于3d打印机的喷头快换系统，使得安装了这套系统的普通3d打印机具备了可更换喷头打印的能力。

由于打印过程中可以自动更换不同打印类型的喷头模块，使得3d打印机可以打印多种材料混合的3d打印件，所打印的打印件具有特殊的性能。

由于采用了模块化设计，只要是开发带有所述连接组件的喷头模块都可以用于所述喷头快换系统中。

附图说明

图1是本发明的喷头快换系统的总装配体的结构示意图；

图2是本发明的喷头库的装配体的结构示意图；

图3是本发明的电动挤出喷头模块的结构示意图；

图4是本发明的气动挤出喷头模块的结构示意图；

图5是连接组件的结构示意图；

图6(a)是抓取模块的结构示意图；

图6(b)是抓取模块中滑块的结构示意图；

图6(c)是抓取模块中滑块与母头之间的定位关系图；

图7是实施例中所述喷头快换系统装夹喷头模块过程示意图；

图8是实施例中所述喷头快换系统卸下喷头模块过程示意图。

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，一种可用于3d打印机的喷头快换系统，包括运动机构抓取模块1、喷头库2以及具有不同功能的喷头模块，图1中所示的喷头模块为电机挤出喷头模块3和气动挤出喷头模块4。

所述喷头库2固定于打印平台5上。

所述运动机构抓取模块1固定于3d打印机的运动臂6上。运动臂6固定于3d打印机的运动机构上(图中未示)。

所述运动机构抓取模块1通过气源气管7与压缩气源连接。

本发明中，抓取模块需要具备喷头模块工作所需的电信号与控制信号的输出接口以及能够可靠装卸喷头模块的能力；与功能模块固连的连接组件则需要具备与抓取模块输出接口引脚对应的标准输入接口以及被抓取装置，标准输入接口与功能模块各个元器件连接。当抓取模块锁紧喷头模块时，两者引脚对应的标准电气接口导通，使得喷头模块的功能模块部分能够正常工作。

下面进一步说明本发明的各个部件：

如图2所示，喷头库2包括：第一喷头库抓取模块8、第二喷头库抓取模块9、固定板10以及底座11。固定板10与底座11相互固定，底座11可以通过螺纹与打印平台5联结固定。固定板10主要用于实现对第一喷头库抓取模块8、第二喷头库抓取模块9的定位，底座11主要实现对整个喷头库2的定位。

如图3所示，电机挤出喷头模块3包括：连接组件12、料盒13、电机安装座14、挤出电机15、进料管16、散热风扇17、散热片18、加热块19、喷嘴20。电机安装座用于安装固定喷头模块的各个零部件，同时起到衔接连接组件与喷头组件之间电路连接和机械连接的作用，使两者结合为所述的电机挤出喷头模块。安装座整体为“l”型造型，可以分为与连接组件连接的连接组件侧以及与电机等连接的电机侧。连接组件12与电机安装座14的连接组件侧通过螺纹联接固定。安装座的电机侧主要起到固定电机以及挤出机的作用。安装座可以通过螺栓实现对电机的固定。料盒13通过螺栓固定在连接组件侧的一侧。料盒13中装有缠绕有打印丝材的料盘，当运动机构抓取模块1装夹电机挤出喷头模块3进行打印工作时，电路导通，挤出电机将料盒13中的丝材沿着进料管16推入至加热块19中熔化再从喷嘴20挤出成形。

如图4和图5所示，气动挤出喷头模块4包括：连接组件21、气管接头22、气管23、注射器安装座24、冷却风扇25、注射器夹持26、注射器加热块27、注射器喷嘴28、注射器29。注射器安装座24其与电机挤出喷头模块3的电机安装座功能类似，主要用于安装固定喷头模块的各个零部件，同时起到衔接连接组件与喷头组件电路连接和机械连接的作用，使两者结合为所述的气动挤出注射喷头模块。连接组件21与注射器安装座24通过螺纹联接固定。所述注射器29，通过注射器夹持26与注射器安装座24夹紧固定。注射器29与气管接头22头部通过气管23连接。

结合图6，所述气管接头22尾端与连接组件21的快速接头公头30通过气管(未示)在所述注射器安装座内部相连。注射器29内装有打印材料，当运动机构抓取模块1装夹气动挤出喷头模块4进行打印时，运动机构抓取模块1的快速接头母头33与连接组件21的快速接头公头30锁紧，气路以及电路导通。通过注射器加热块27对注射器29进行加热，使注射器29内的打印材料熔化。压缩气体经由压缩气管7流至运动机构抓取模块1，随后进入气动挤出喷头模块4的连接组件21，最后通过气管23进入至注射器29中，将注射器内熔化的材料通过注射器喷嘴28挤出成形。

如图5所示，连接组件(连接组件12或连接组件21)具有喷头模块所需的标准电气接口以及被抓取机构，是连接抓取模块与喷头组件的电路以及机械连接的枢纽，连接组件与喷头组件固定为一体组成喷头快换系统的枢纽，与功能模块固定为一体组成喷头快换系统的喷头模块。

连接组件包括：快速接头公头30、电气连接器31、箱体32。箱体32内部空间可以用于容纳线路。所述电气连接器31与快速接头公头30布置与箱体32上下两面，上表面与运动机构抓取模块1结合，下表面与喷头库抓取模块9结合。箱体32的上下结合面加工有四个沉孔台阶，沉孔底部与箱体3内部打通，因此可以将快速接头公头放入沉孔台阶实现定位。快速接头公头头部加工有凹槽，使得抓取模块快速接头母头在连接时可以将锁定钢珠卡入实现锁紧。尾部加工有螺纹，通过螺母可以将其与主体拧紧。

电机挤出喷头模块3和气动挤出喷头模块4中的连接组件功能相似，机械结构可以相同，以方便模块化快速加工，也可以不同。比如，气动挤出喷头模块4中的连接组件中，需要设置中心为通孔结构的快速接头公头，底部通过螺纹结构连接气管接头螺母；气管接头螺母旋紧后可以同时起到固定快速接头公头以及夹紧气管的作用，以实现气路的连接。考虑到此处的气管接头螺母管积较大，而箱体32内部空间较小，当气管接头螺母放入后扳手没有足够的空间转动。因此快速接头公头30上设计有台阶平面(图5中标号a处)使得扳手可以通过转动快速接头公头来拧紧气管接头螺母。

如图6(a)所示，抓取模块包括：快速接头母头33、电气连接器34、固定块35、气管快插接头36、气缸37、滑块38。

参考图6(b)和图6(c)，滑块38主要起到固定快速接头母头套筒的作用。滑块38底部与气缸37的活塞杆输出端固定，滑块两侧对称设置有四个凸出的带螺纹孔的抓手38a，两个快速接头母头33可以卡入两侧的抓手之间，通过紧定螺钉将抓手与快速接头套筒38b顶紧，从而实现快速接头母头套筒的固定。滑块与套筒固定后可以通过气缸带动滑块上下运动，从而实现快速接头的锁紧与脱开。

固定块35位于抓取模块的前端，其在抓取模块内主要起到固定弹簧顶针连接器与快速接头母头的作用，同时它也是整个抓取模块与系统其他零部件连接固定的关键零件。固定块35上表面为与连接组件结合的结合面，中心开有方槽用于放置弹簧顶针连接器母座。方槽两侧设有对称的深孔用于放置快速接头母头。深孔孔底部具有径向向内凸起的台阶平面，用于快速接头母头的定位。将快速接头母头放入深孔后，其六角台阶与固定块深孔底部台阶贴合限位，尾端螺纹露出，调整完两个快速接头中心距后，通过气管快插接头36(或者螺母，本实施例中，若为运动机构抓取模块1，则两个母头中至少一个连接气管快插接头，实现气路连通)将其拧紧固定；固定块正面开有引线孔，与弹簧顶针连接器方槽底面所开的深槽相互连通，以此可以将弹簧顶针连接器母座背部所焊接的线路接出，所接出的线路与相应的控制板引脚连接，实现抓取模块弹簧顶针母座与控制板之间电信号与控制信号的传输。

当需要装夹固定喷头模块时，控制器控制电磁阀动作使气缸37将滑块38顶出，带动快速接头母头33套筒滑动，实现对公头的锁紧，进而实现将喷头模块锁紧；当需要卸下喷头模块时，控制器控制电磁阀动作使气缸37将滑块38拉下，使快速接头母头33松开，喷头模块弹出。

所述气管快插接头36可以与气源气管7相连，当运动机构抓取模块1装夹气动挤出喷头模块4后压缩气体可以经快速接头母头33流向气动挤出喷头模块4。

第一喷头库抓取模块8、第二喷头库抓取模块9以及运动机构抓取模块1均可采用上述抓取模块结构。

本实施例中，喷头模块有两个，分别为气动挤出喷头模块4和电机挤出喷头模块3。

本实施例中，电气连接器一般均可采用现有的标准件，比如可采用弹簧顶针连接器。

本实施例中，快速接头均可采用标准件，快速接头是一种不需要工具就能实现管路连通或断开的接头，其基本结构一般包括相互配合的母头和公头；母头包括母管，以及设置在母管内的锁定钢珠和滑动套设在母管外套筒的等；公头一般包括用于与母管配合锁定的锁定段以及用于公头固定的定位段，锁定段外壁设有用于锁定钢珠配合的凹槽结构。

可用于3d打印机的喷头快换系统按照以下步骤进行自动更换喷头模块：

(1)如图7所示，装夹指定喷头模块进行打印工作，本实施例中演示的为气动挤出喷头模块4的装夹。

1)运动臂6运动至相应的第一喷头库抓取模块8上方，随后控制板控制电磁阀动作使运动机构抓取模块1的气缸37将滑块38上拉，带动套筒向上运动，使运动机构抓取模块1中的快速接头母头33处于松开状态。随后运动臂6带动运动机构抓取模块1竖直向下运动。

2)运动臂6向下运动直至运动机构抓取模块1与气动挤出喷头模块4的连接组件21的上表面贴合，气动挤出喷头模块4中的快速接头公头30与对应的运动机构抓取模块1的快速接头母头33完全对插，电气连接器34导通。随后控制板控制第一喷头库抓取模块8的电磁阀动作使气缸37将滑块38拉下，带动快速接头母头33松开，气动挤出喷头模块4弹出。然后控制运动机构抓取模块1电磁阀动作使气缸37将滑块38顶出，带动运动机构抓取模块1的快速接头母头33将气动挤出喷头模块4的连接组件21相应的快速接头公头30锁紧，实现气动挤出喷头模块4的装夹。

3)完成气动挤出喷头模块4的装夹后，运动臂6向上抬升，运动机构抓取模块1带动气动挤出喷头模块4离开第一喷头库抓取模块8。随后前往打印平台5开始打印工作。

(2)如图8所示，将完成打印工作的喷头模块放回至喷头库，本实施例中演示的为气动挤出喷头模块4的放回。

1)运动臂6带动装夹有气动挤出喷头模块4的运动机构抓取模块1运动至第一喷头库抓取模块8的上方。随后控制板控制电磁阀动作使第一喷头库抓取模块8的气缸37将滑块38拉下，使第一喷头库抓取模块8的快速接头母头33处于松开状态。随后运动臂6带动运动机构抓取模块1竖直向下运动。

2)运动臂6向下运动直至第一喷头库抓取模块8与气动挤出喷头模块4的连接组件21下表面贴合，快速接头公头30与对应的第一喷头库抓取模块8的快速接头母头33完全对插，电气连接器34导通。随后控制板控制运动机构抓取模块1的电磁阀动作使气缸37将滑块38拉下，带动快速接头母头松开，气动挤出喷头模块弹出。然后控制第一喷头库抓取模块8电磁阀动作使气缸37将滑块38顶出，带动第一喷头库抓取模块8的快速接头母头33将气动挤出喷头模块4的连接组件21相应的快速接头公头30锁紧，实现气动挤出喷头模块4的释放。

3)完成气动挤出喷头模块4的释放后，运动臂6向上抬升，运动机构抓取模块1离开气动挤出喷头模块4。随后前往第二喷头库抓取模块9上方准备装夹电机挤出喷头模块3继续打印工作。重复以上步骤后，便可以获得具有多种材料混合打印的打印件。