可打印高温材料的3D打印机的制作方法

本实用新型涉及一种3D打印机，尤其涉及一种基于高温熔融堆积的快速成型3D打印机。

背景技术：

3D打印机是一种精密的机电一体化设备，一般由设置在机架上的X轴、Y轴和Z轴三个轴组成，X轴和Y轴设在一个垂直于Z轴的XY运动平面内，统称为XY轴；3D打印头设置在X轴上，X轴设于Y轴上，X轴、Y轴和Z轴之间相互独立运动，通过打印平台托板来调节他们之间的间距，实现3D打印机的立体打印工作。

目前FDM类3D打印机整体结构以开放式的机架居多，且打印时的工作温度控制在250摄氏度以下，为了确保长期稳定打印质量，只能使用打印融熔温度低于230摄氏度的打印材料。即其存在如下的缺陷：对于打印温度要求较高、对打印环境有严格要求的材料则无法满足打印条件，如ABS、尼龙、碳纤维、PEEK等打印材料。

技术实现要素：

为解决现有开放式3D打印机存在的上述缺陷，本实用新型提供一种的可打印高温材料的3D打印机，其方案如下：

一种可打印高温材料的3D打印机，其特征是，包括：

机箱，具有封闭的外壳，外壳内壁设有保温隔热材料；外壳正面设有可开闭的平开门，平开门设有透明观察窗；机箱顶部内侧设置有隔热空间；隔热空间紧靠机箱的侧面，机箱侧面设有与隔热空间连通的冷却孔，冷却孔内设有从外部吸入空气的涡轮散热风扇；

控制器，设置在隔热空间内部，用于可打印高温材料的3D打印机的工作和打印温度的控制；

打印预热组件，设置在机箱内部，用于在封闭的机箱产生恒定的高温环境打印温度，打印预热组件包括防护罩、调温风扇、预加热器件和环境测温装置；环境测温装置设置在机箱内部，预加热器件设置在机箱底部右侧，调温风扇设置在防护罩上；预加热器件为PTC陶瓷加热器；机箱底部设有进风排孔；机箱底侧在靠近电加热器处设有若干散热条孔；

XY轴运动机构，设置在机箱内部的上部，用于驱动3D打印头产生水平任意方向的移动，XY轴运动机构包括由硬铬光轴组成的X轴、Y轴，以及十字滑块；X轴和Y轴的两端设有滑块和驱动滑块作直线运动的驱动装置；驱动装置包括供滑块滑动的导轨和驱动滑块在导轨上滑动的同步带组件；

Z轴运动机构，纵向设置在机箱内背部，用于驱动3D打印平台产生垂直方向的移动，Z轴运动机构包括丝杆、丝杆螺母、Z轴升降步进电机、导轴、上梁、中梁、下梁和打印平台托板；导轴两端分别固定在上梁和下梁上，丝杆螺母固定于中梁上，丝杆两端设有轴承，丝杆两端通过轴承与光轴平行地安装在上梁和下梁之间；中梁设有套在导轴上的Z轴升降直线轴承；打印平台托板水平地衔接在中梁上，打印平台托板上设有作为3D打印载体的打印平台；Z轴升降步进电机设于下梁下方，Z轴升降步进电机的驱动轴从下梁处向上伸出并通过连轴器与丝杆连接；

十字滑块，作为高温3D打印头的平面运动载体，与3D打印机的XY轴平面运动机构中的X轴和Y轴配合产生平面运动；它包括方形基座、X轴直线轴承、Y轴直线轴承、盖线板，方形基座内部设有供打印线材穿过的纵向穿线槽孔，盖线板设置在将纵向穿线槽孔盖住的方形基座的外侧；方形基座内设有一上一下水平面纵横交错设置的贯通孔，X轴直线轴承和Y轴直线轴承一上一下交错设置在相应的贯通孔内；

挤料机构，设置在十字滑块的顶部，用于将打印线材输送到3D打印头内，挤料机构包括挤料座、挤料步进电机和挤料头；挤料步进电机设于挤料座一侧，挤料头竖直设置在挤料座上；挤料头内部设有供打印线材穿过的纵向穿线孔，挤料头在纵向穿线孔的左右两侧设有一对相对设置的送料孔，送料孔与纵向穿线孔连通，送料孔内分别设有相对滚动设置的齿轮和轴承滚轮，挤料步进电机的输出轴伸进齿轮所在的送料孔，齿轮套在挤料步进电机的输出轴上，齿轮和轴承滚轮之间在纵向穿线孔形成一个供打印线材通过的小缝隙；挤料头在纵向穿线孔上部和下部设有挤料口和出料口；

3D打印头，衔接在十字滑块底部，用于将打印线材融熔后进行增材打印在3D打印载体上，打印头包括不锈钢喉管，将打印材料融熔并挤出的融熔喷头，以及对融熔喷头进行加热的铝块；不锈钢喉管上端固定在十字滑块底部，融熔喷头设置在不锈钢喉管下端，融熔喷头通过不锈钢喉管与挤料机构的出料口连通；铝块套在不锈钢喉管和融熔喷头上，将不锈钢喉管和融熔喷头连接在一起；融熔喷头固定在隔热管下端，隔热管上端固定在十字滑块上并与挤料机构的出料口相通；铝块内埋设有加热管和热电偶；融熔喷头上部为安装部，融熔喷头下部设有圆锥结构的喷嘴，喷嘴内部设有一个倒圆台形结构的熔腔，熔腔下方设有延伸到喷嘴外的喷孔。

作为上述方案的说明，由于高温3D打印头采用近距离送料的方式，挤料机构直接安装在十字滑块上部，3D打印喷头衔接在十字滑块底部，送料距离短，送料更准确。避免了长距离送料将受到导料管间隙的影响，送料回抽的时候，打印材料在导料管中弯曲变形，从而影响了送料的精度。XY轴平面运动机构中的X轴和Y轴通过X轴直线轴承和Y轴直线轴承穿过十字滑块，X轴和Y轴的移动直接带动高温3D打印头的移动，X轴和Y轴在不同的平面移动互不干扰，定位精度高。喉管散热片用来给不锈钢喉管散热，防止不锈钢喉管内的打印材料过早的熔化。打印喷头的高温加热部分通过不锈钢喉管连接固定到十字滑块底部，不锈钢喉管从十字滑块下的喉管散热片穿过，不锈钢导热系数较低，有利于加热部分温度保持稳定。热电偶安装在铝块内，直接测铝块的温度，铝的导热性非常好，热电偶测温精度高。

作为上述方案的改进和说明，前述十字滑块设置的X轴直线轴承和Y轴直线轴承数量均为两套，相应地，X轴和Y轴数量均为两根；十字滑块底部设有喉管散热片，喉管散热片一端套设在不锈钢喉管上部，喉管散热片另一端伸出到十字滑块侧旁，喉管散热片的伸出部分顶面设有喉管散热风扇，喉管散热片的伸出部分底面设有模型散热风扇，模型散热风扇下方衔接有风口对着喷嘴的导风配件；挤料座上设有约束线材的拖链；挤料座侧面设有挤料散热风扇；不锈钢喉管的内部设有延伸到喷嘴内的铁氟龙管。设铁氟龙管在打印温度要求较低时适用，如不高于260℃时。不锈钢喉管内部设铁氟龙管，是为了增加打印的通用性能，在打印高温材料时，将不锈钢喉管更换为小内径的配件，此时不锈钢喉管内部孔为直通模式，这样可支持打印温度更高。模型散热风扇与导风配件形成定向冷却，将打印喷头挤出的融熔的打印材料快速降温成型，有利于提高打印精度，避免因材料的在融熔状态下产生小变形，影响打印效果。拖链更好的保护线材。

作为上述方案的改进和说明，前述同步带组件包括同步步进电机、同步带、同步轮和传动杆，传动杆平行地设于X轴或Y轴的两侧，同步轮设于传动杆的两端，同步带设于相对应的两个同步轮上，滑块固定在同步带，传动杆由同步步进电机驱动。

作为上述方案的改进和说明，前述外壳顶部前侧设有倾斜过渡面；倾斜过渡面上设有从倾斜过渡面内部分露出的显示屏，隔热空间内部分割出一个安装显示屏的独立空间，机箱侧面设有与该独立空间相通的进风口和出风口；机箱底部四角安装有脚轮；机箱背部设有安装打印材料的挂料轴；外壳顶部设有顶门，顶门设有透明观察窗。

作为上述方案的总说明，打印预热组件为机箱内部提供高温环境打印温度进行预加热，缩短打印材料的加热时间，使打印头更快地将打印温度在短时间内急速提升，从而达到大幅提高打印融熔温度，实现高温材料的打印。XY轴运动机构结构紧凑、科学，磨损小，寿命长。Z轴运动机构整体结构紧凑、科学，Z轴运动步长精度高。调温风扇让预加热器件更快地均匀分布到机箱各个角落。温度较高的打印喷头与温度较低的十字滑块之间隔热效果好，有效地降低了打印喷头的热量损耗，有利于节能环保。

由上可知，本实用新型具有如下的优点：结构简单、紧凑、科学，设计合理，容易制造；近距离送料，送料更精准；热电偶测温，更准确，测温范围更宽；铁氟龙管及不锈钢喉管隔热控制，打印出丝均匀顺畅准确，打印效果更佳；全封闭的机箱设计和打印预热组件的组合创新，对打印高温材料进行预热，实现了打印温度的叠加，实现3D打印头快速加热，同时打印工作温度大幅提高至450摄氏度，成功解决了打印高温材料的技术问题，打印时机箱内部空间环境温度可预加热至100摄氏度，实现了高温材料的稳定成型。

附图说明

图1为本实用新型实施的立体图。

图2为图1的内部结构图。

图3为图1的右侧透视图。

图4为XY轴运动机构和Z轴运动机构的结构图。

图5为3D打印头与X轴、Y轴连接示意图。

图6为3D打印头、十字滑块和挤料机构安装状态的的主视图。

图7为图6的立体图。

图8为图6的B-B向剖视图。

附图标号说明：1-机箱， 2-显示屏，3- XY轴运动机构，4- Z轴运动机构，5-挤料机构，6-3D打印头，7-打印预热组件，8-控制器，9-十字滑块； 10-外壳，11-顶门， 12-平开门，13-透明观察窗，14-散热条孔，15-脚轮，17-隔热空间， 18-进风口， 19-出风口， 20-冷却孔， 21-涡轮散热风扇， 22-挂料轴；30-X轴，31-Y轴， 32-导轨，34-滑块，35-同步带组件，36-同步带，37-同步步进电机，38-同步轮， 39-传动杆；40-Z轴升降步进电机，41-丝杆， 42-丝杆螺母，43-导轴，44-Z轴升降直线轴承，45-上梁， 46-中梁，47-下梁，48-打印平台托板， 49-打印平台；50-挤料座，51-挤料头 52-挤料步进电机，53-纵向穿线孔，54-输出轴，55-齿轮，56-轴承滚轮， 57-挤料口， 58-出料口， 59-送料孔， 5a-挤料散热风扇，5b-拖链；60-融熔喷头，61-不锈钢喉管， 62-铝块，63-隔热管，64-喷嘴，65-熔腔，66-喷孔， 68-加热管， 69-热电偶， 6a-铁氟龙管；71-调温风扇， 72-预加热器件，73-环境测温装置， 74-防护罩， 75-进风排孔；90-方形基座，91-X轴直线轴承， 92-Y轴直线轴承，93-纵向穿线槽孔，94-盖线板，95-贯通孔，96-喉管散热片，97-喉管散热风扇，98-模型散热风扇，99-导风配件。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行进一步详细说明。

参见图1 ~图8，一种可打印高温材料的3D打印机，其特征是，包括：

机箱1，具有封闭的外壳10，外壳10内壁设有保温隔热材料；外壳10正面设有可开闭的平开门12，平开门12设有透明观察窗13；机箱1顶部内侧设置有隔热空间17；隔热空间17紧靠机箱1的侧面，机箱1侧面设有与隔热空间17连通的冷却孔20，冷却孔20内设有从外部吸入空气的涡轮散热风扇21；

控制器8，设置在隔热空间17内部，用于可打印高温材料的3D打印机的工作和打印温度的控制；

打印预热组件7，设置在机箱1内部，用于在封闭的机箱1产生恒定的高温环境打印温度，打印预热组件7包括防护罩74、调温风扇71、预加热器件72和环境测温装置73；环境测温装置73设置在机箱1内部，预加热器件72设置在机箱1底部右侧，调温风扇71设置在防护罩74上；预加热器件72为PTC陶瓷加热器；机箱1底部设有进风排孔75；机箱1底侧在靠近电加热器处设有若干散热条孔14；

XY轴31运动机构3，设置在机箱1内部的上部，用于驱动3D打印头6产生水平任意方向的移动，XY轴31运动机构3包括由硬铬光轴组成的X轴30、Y轴31，以及十字滑块9；X轴30和Y轴31的两端设有滑块34和驱动滑块34作直线运动的驱动装置；驱动装置包括供滑块34滑动的导轨32和驱动滑块34在导轨32上滑动的同步带组件35；

Z轴运动机构4，纵向设置在机箱1内背部，用于驱动3D打印平台49产生垂直方向的移动，Z轴运动机构4包括丝杆41、丝杆螺母42、Z轴升降步进电机40、导轴43、上梁45、中梁46、下梁47和打印平台49托板48；导轴43两端分别固定在上梁45和下梁47上，丝杆螺母42固定于中梁46上，丝杆41两端设有轴承，丝杆41两端通过轴承与光轴平行地安装在上梁45和下梁47之间；中梁46设有套在导轴43上的Z轴升降直线轴承44；打印平台49托板48水平地衔接在中梁46上，打印平台49托板48上设有作为3D打印载体的打印平台49；Z轴升降步进电机40设于下梁47下方，Z轴升降步进电机40的驱动轴从下梁47处向上伸出并通过连轴器与丝杆41连接；

十字滑块9，作为高温3D打印头6的平面运动载体，与3D打印机的XY轴31平面运动机构中的X轴30和Y轴31配合产生平面运动；它包括方形基座90、X轴直线轴承91、Y轴直线轴承92、盖线板94，方形基座90内部设有供打印线材穿过的纵向穿线槽孔93，盖线板94设置在将纵向穿线槽孔93盖住的方形基座90的外侧；方形基座90内设有一上一下水平面纵横交错设置的贯通孔95，X轴直线轴承91和Y轴直线轴承92一上一下交错设置在相应的贯通孔95内；

挤料机构5，设置在十字滑块9的顶部，用于将打印线材输送到3D打印头6内，挤料机构5包括挤料座50、挤料步进电机52和挤料头51；挤料步进电机52设于挤料座50一侧，挤料头51竖直设置在挤料座50上；挤料头51内部设有供打印线材穿过的纵向穿线孔53，挤料头51在纵向穿线孔53的左右两侧设有一对相对设置的送料孔59，送料孔59与纵向穿线孔53连通，送料孔59内分别设有相对滚动设置的齿轮55和轴承滚轮56，挤料步进电机52的输出轴54伸进齿轮55所在的送料孔59，齿轮55套在挤料步进电机52的输出轴54上，齿轮55和轴承滚轮56之间在纵向穿线孔53形成一个供打印线材通过的小缝隙；挤料头51在纵向穿线孔53上部和下部设有挤料口57和出料口58；

3D打印头6，衔接在十字滑块9底部，用于将打印线材融熔后进行增材打印在3D打印载体上，打印头包括不锈钢喉管61，将打印材料融熔并挤出的融熔喷头60，以及对融熔喷头60进行加热的铝块62；不锈钢喉管61上端固定在十字滑块9底部，融熔喷头60设置在不锈钢喉管61下端，融熔喷头60通过不锈钢喉管61与挤料机构5的出料口58连通；铝块62套在不锈钢喉管61和融熔喷头60上，将不锈钢喉管61和融熔喷头60连接在一起；融熔喷头60固定在隔热管63下端，隔热管63上端固定在十字滑块9上并与挤料机构5的出料口58相通；铝块62内埋设有加热管68和热电偶69；融熔喷头60上部为安装部，融熔喷头60下部设有圆锥结构的喷嘴64，喷嘴64内部设有一个倒圆台形结构的熔腔65，熔腔65下方设有延伸到喷嘴64外的喷孔66。

参见图4~图5，十字滑块9设置的X轴直线轴承91和Y轴直线轴承92数量均为两套，相应地，X轴30和Y轴31数量均为两根；十字滑块9底部设有喉管散热片96，喉管散热片96一端套设在不锈钢喉管61上部，喉管散热片96另一端伸出到十字滑块9侧旁，喉管散热片96的伸出部分顶面设有喉管散热风扇97，喉管散热片96的伸出部分底面设有模型散热风扇98，模型散热风扇98下方衔接有风口对着喷嘴64的导风配件99；挤料座50上设有约束线材的拖链5b；挤料座50侧面设有挤料散热风扇5a；不锈钢喉管61的内部设有延伸到喷嘴64内的铁氟龙管6a。

参见图4 ，同步带组件35包括同步步进电机37、同步带36、同步轮38和传动杆39，传动杆39平行地设于X轴30或Y轴31的两侧，同步轮38设于传动杆39的两端，同步带36设于相对应的两个同步轮38上，滑块34固定在同步带36，传动杆39由同步步进电机37驱动。

参见图4 ~图2，外壳10顶部前侧设有倾斜过渡面；倾斜过渡面上设有从倾斜过渡面内部分露出的显示屏2，隔热空间17内部分割出一个安装显示屏2的独立空间，机箱1侧面设有与该独立空间相通的进风口18和出风口19；机箱1底部四角安装有脚轮15；机箱1背部设有安装打印材料的挂料轴22；外壳10顶部设有顶门11，顶门11设有透明观察窗13。

根据上述说明书及具体实施例并不对本实用新型构成任何限制，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变形，也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。