一种基于电涡流场补偿加热的三维打印装置及三维打印头的制作方法

本发明涉及快速成型技术领域，具体地说，涉及一种基于电涡流场补偿加热的三维打印头及以该三维打印头构建的熔融挤压型三维打印装置。

背景技术：

三维打印装置是一种基于三维物体的数字模型，利用成型丝等材料逐层打印的方式构建出三维物体的装置。现有的成型技术分为多种，主要有熔融沉积成型、激光烧结等，其中又以熔融沉积成型(fdm)应用最为广泛。

对于如公开号为cn108819222a等专利文献所公开的fdm，常用如图1所示结构的三维打印喷头01打印pla材料。在该打印喷头01中，固定在支座010上的聚四氟乙烯耐高温喉管011与铁氟龙管012通过接头连接，以使pla丝料在穿过耐高温喉管011后，再通过铁氟龙管012进入加热块013的解热腔内，并最后在丝料推力的作用下，从打印喷嘴014挤出；具体结构还可参见公开号为cn105459402a所公开的打印喷头。

在打印过程中，由于加热块013与打印喷嘴014的末端间存在一定的距离，若传热效果达不到预期效果，熔融的打印材料流动至打印喷嘴014末端处时，其温度可能会低于熔点从而凝固而堵塞喷头，尤其是为了提高打印精度而刻意减少打印喷嘴014出料孔径的三维打印装置，出现堵塞的概率更高，即在现有技术中存在小径喷嘴的堵丝问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种基于电涡流场补偿加热的三维打印装置，以能有效地减少打印喷头堵塞概率；

本发明的另一目的是提供一种基于电涡流场补偿加热的三维打印喷头，以能减少堵塞概率。

为了实现上述主要目的，本发明提供的三维打印装置为熔融挤压成型装置，具体地包括机架、控制单元及安装在机架上且受控制单元控制的打印头与行走机构，行走机构用于驱使打印头相对机架移动，打印头包括加热块及安装在加热块的下端处的打印喷嘴；打印喷嘴由金属材料制成，在其周向上为铁磁导电连续结构；打印喷嘴的侧壁安装有温度监测传感器，温度监测传感器向控制单元输出温度监测信号；打印头包括基于电涡流场补偿加热的加热模块，加热模块包括安装在打印喷嘴的外侧处的交变磁场发生模块；控制单元包括用于向交变磁场发生模块供给电能的驱动电路；交变磁场发生模块为弧度式凹面板结构，弧度式凹面板与打印喷嘴共中心轴线；打印头包括二维行走机构，用于驱使交变磁场发生模块相对打印喷嘴沿中心轴线的轴向移动与绕中心轴线转动。

在打印头上增设交变磁场发生模块，与能利用该交变磁场发生模块在其中形成电涡流场的打印喷嘴配合，而能实现非接触式加热，以解决了现有技术中在打印喷嘴上无法安装加热模块的技术问题。从而确保在打印过程中，能基于温度监测传感器的监测数据，对流经打印喷嘴的成型材料进行补偿加热，而使从打印喷嘴挤出的成型材料的温度高于其熔点，从而有效地减少打印喷嘴堵塞的概率。此外，利用现成的加热模块进行熔融加热，不仅能降低成本，且能提高能量的转化率；及有效避免成型材料因温度降低而导致地打印通孔堵塞问题，从而可将打印通孔做地比较小而提高打印精度，即解决了现有技术中小径喷嘴的堵丝问题。能根据实际打印情况，调整交变磁场发生模块与打印喷嘴之间在垂向上的相对位置，从而满足实际需要；通过调整周向相对位置而避免有些地方加热不均匀或加热不到的问题。由于交变磁场发生模块为弧度式凹面板结构，且弧度式凹面板与打印喷嘴共中心轴线布置，即弧度式凹面板的中心轴线与打印喷嘴的中心轴线共轴线布置，且内凹面朝向打印喷嘴布置，以使其在二维行走机构的驱动下绕打印喷嘴转动，能有效地减少对打印过程的干涉。

更具体的方案为二维行走机构包括位于加热块的下侧且与该加热块固定连接的支撑板，升降板，用于驱使该升降板相对支撑板升降的升降驱动机构，与打印喷嘴共中心轴线布置地固设在升降板的下板面上的环形内齿轮，及可绕中心轴线转动地安装在环形内齿轮上的旋转支架；环形内齿轮的外周面内凹地形成有环形滑槽，旋转支架包括可沿环形滑槽滑动地卡接于环形滑槽内的滑块；旋转支架上可转动地安装有与环形内齿轮啮合的驱动齿轮，及安装有用于驱使驱动齿轮转动的旋转驱动电机；弧度式凹面板固定在旋转支架上；打印喷嘴的出料口端依次穿过设于支撑板上的通孔、设于升降板上的通孔及环形内齿轮的内环孔。

进一步的方案为升降板通过沿轴向布置的导杆而可滑动地安装在支撑板的下方侧；升降驱动机构包括关于中心轴线对称布置的两套升降模块及驱动电机；升降模块包括固定在支撑板下板面上的螺栓，与螺栓旋合的螺母，及套装在螺母外的从动齿轮；驱动电机的转子轴上套装有驱使两个从动齿轮同步且等速转动的主动齿轮；螺母可转动地固定在升降板的上板面上。采用对称式升降驱动机构，能有效地提高升降驱动的稳定性。

更进一步的方案为螺母通过螺母座而可转动地安装在升降板上；升降板的上板面内凹地设有轴承安装孔，升降板上设有与轴承安装孔共轴布置且供螺栓通孔的避让孔，轴承安装孔内过盈配合地安装有支撑轴承；螺母座为筒体结构，具有外凸环部、位于外凸环部下侧的下套装筒部及位于外凸环部上侧的上套装筒部；筒体结构的内孔构成螺栓的避让孔；下套装筒部过盈配合地套装在支撑轴承的内圈内，从动齿轮套装在上套装筒部外且与之固定连接；上套装筒部的内孔的上端部为与螺母配合的螺母安装孔部，螺母固定在螺母安装孔部内。采用套装结构，能有效地简化将螺母可转动地安装在升降板上的连接结构。

优选的方案为交变磁场发生模块包括线圈，驱动电路向线圈供给交变电流；打印喷嘴为复合金属套层结构，包括由黄铜制成的内套层结构，与紧贴地套装在内套层结构外且由铁磁材料制成的外套层结构；温度监测传感器具有埋设在打印喷嘴内的感应端部的接触式温度监测传感器。采用接触式方式进行温度监测，能提高其监测的准确性；采用内外两层结构，以兼具铁合金的感应加热特性和黄铜的良好导热性，且对于不同的打印材料和工作条件，可以制造不同设计尺寸和材料比例的喷头。

另一个优选的方案为控制单元包括处理器及存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：(1)判断步骤，当监测信号表征打印喷嘴的温度低于第一预设温度时；(2)补偿步骤，对交变磁场发生模块施加预设电能，至监测信号表征打印喷嘴的温度高于第二预设温度。

为了实现上述另一目的，本发明提供的三维打印头包括加热块及安装在加热块下端处的打印喷嘴；打印喷嘴由金属材料制成，在其周向上为铁磁导电连续结构；打印头包括基于电涡流场补偿加热的加热模块，加热模块包括安装在打印喷嘴的外侧处的交变磁场发生模块；交变磁场发生模块为弧度式凹面板结构，弧度式凹面板与打印喷嘴共中心轴线；打印头包括二维行走机构，用于驱使交变磁场发生模块相对打印喷嘴沿中心轴线的轴向移动与绕中心轴线转动。

具体的方案为打印喷嘴为复合金属套层结构，包括由黄铜制成的内套层结构，与紧贴地套装在内套层结构外且由铁磁材料制成的外套层结构；温度监测传感器具有埋设在打印喷嘴内的感应端部的接触式温度监测传感器。

更具体的方案为交变磁场发生模块包括线圈，驱动电路向线圈供给交变电流；二维行走机构包括位于加热块的下侧且与该加热棒固定连接的支撑板，升降板，用于驱使升降板相对支撑板升降的升降驱动机构，与打印喷嘴共中心轴线布置地固设在升降板的下板面上的环形内齿轮，及可绕中心轴线转动地安装在环形内齿轮上的旋转支架；环形内齿轮的外周面内凹地形成有环形滑槽，旋转支架包括可沿环形滑槽滑动地卡接于环形滑槽内的滑块；旋转支架上可转动地安装有与环形内齿轮啮合的驱动齿轮，及安装有用于驱使驱动齿轮转动的旋转驱动电机；弧度式凹面板固定在旋转支架上；打印喷嘴的出料口端依次穿过设于支撑板上的通孔、设于升降板上的通孔及环形内齿轮的内环孔。

更具体的方案为升降板通过沿轴向布置的导杆而可滑动地安装在支撑板上；升降驱动机构包括关于中心轴线对称布置的两套升降模块及驱动电机；升降模块包括固定在支撑板下板面上的螺栓，与螺栓旋合的螺母，及套装在螺母外的从动齿轮；驱动电机的转子轴上套装有驱使两个从动齿轮同步且等速转动的主动齿轮；螺母可转动地固定在升降板的上板面上。采用对称式升降驱动机构，能有效地提高升降驱动的稳定性。

进一步的方案为螺母通过螺母座而可转动地安装在升降板上；升降板的上板面内凹地设有轴承安装孔，升降板上设有与轴承安装孔共轴布置且供螺栓通孔的避让孔，轴承安装孔内过盈配合地安装有支撑轴承；该螺母座为筒体结构，具有外凸环部、位于外凸环部下侧的下套装筒部及位于外凸环上侧的上套装筒部；筒体结构的内孔构成螺栓的避让孔；下套装筒部过盈配合地套装在支撑轴承的内圈内，从动齿轮套装在上套装筒部外且与之固定连接；上套装筒部的内孔的上端部为与螺母配合的螺母安装孔部，螺母固定在螺母安装孔部内。采用套装结构，能有效地简化将螺母可转动地安装在升降板上的连接结构。

附图说明

图1为现有三维打印装置常用打印头的结构示意图；

图2为本发明三维打印装置实施例中打印头的主视图；

图3为本发明三维打印装置实施例中打印头的轴测视图；

图4为本发明三维打印装置实施例中打印头的结构分解图；

图5为本发明三维打印装置实施例中打印头在另一视角下的上半部分结构分解图；

图6为本发明三维打印装置实施例中打印头在前述另一视角下的下半部分结构分解图；

图7为本发明三维打印装置实施例中升降驱动机构上的从动齿轮、螺母、螺母座、轴承及升降板之间的安装结构示意图；

图8为本发明三维打印装置实施例中升降板及升降驱动机构中齿轮传动机构的立体图；

图9为本发明三维打印装置实施例中打印喷嘴的结构示意图；

图10为利用有限元分析软件仿真本发明三维打印装置实施例在工作时线圈接通高频交变电流，打印喷嘴的中部横截面的磁感应强度等值线图；

图11为利用有限元分析软件仿真本发明三维打印装置实施例在正常工作模拟加热2秒后，打印喷嘴的中部横截面的温度等值线图；

图12为利用有限元分析软件仿真本发明三维打印装置在正常工作模拟加热2秒后，打印喷嘴的纵向截面的温度等值线图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明的主要构思是通过对打印头的结构进行改进，即增设基于电涡流场补偿的加热模块，及对打印喷嘴的结构进行改进以能在交变磁场中形成电涡流，以能对流经打印喷嘴内的熔融打印材料进行加热，以减少打印喷嘴堵塞的技术问题，因此，在下述实施例中，主要为对打印头的结构进行示例性描述，对于三维打印装置中的供丝料系统、行走机构、打印平台、机架及控制单元的具体结构可采用现有产品结构进行设计。

三维打印装置实施例

本发明三维打印装置为熔融挤压成型装置，其具体包括机架、控制单元及安装在该机架上行走机构、打印平台与如图2至图9所示的打印头1，行走机构用于驱使打印头1相对打印平台做三维空间移动。其中，控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，能孔行走机构、打印头等功能单元动作，以进行三维打印。

如图2至图9所示，打印头1包括加热块10、打印喷头3、温度监测传感器及加热模块4，加热模块4包括支撑板2，打印喷嘴3固定在支撑板2上，加热块10固定在支撑板2上且位于其上方侧，打印喷嘴3安装在加热块10的下端处，且其出料口端穿过设于支撑板2的中心区域上的通孔。

打印喷嘴3由金属材料制成，在其周向上为铁磁导电连续结构，以使交变磁场能够在其内产生电涡流；具体地，可采用铁镍合金等金属进行制造，在本实施例中，其具体结构如图9所示，打印喷嘴3包括由黄铜制成的内套层结构30，及紧贴地套装在内套层结构30外且由铁磁材料制成的外套层结构31，内套层结构30的内腔300构成打印喷头3的打印通道，以在工作过程中，兼具铁合金的感应加热特性和黄铜的良好导热性，且对于不同的打印材料和工作条件，可以制造不同设计尺寸和材料比例的喷头。而温度监测传感器具体采用接触式热传感器，例如热电偶，且温度监测传感器具有埋设在打印喷嘴内的感应端部，从而提高温度监测的精度。

其中，支撑板2包括上夹板20、下夹板21及安装板22，其中安装板22用于安装升降驱动机构，而上夹板20与下夹板21配合而实现对打印喷嘴3的上端部的可拆卸固定安装。

加热模块4包括安装在打印喷嘴3的外侧处的线圈及二维行走机构5，该二维行走机构用于驱使该线圈相对打印喷嘴3在打印喷嘴3的轴向与周向上做二维空间移动，从而能根据实际情况，调整线圈的位置，从而能够实现不同情况下的加热。该二维行走机构5包括位于加热块10下侧且与之固定连接的支撑板2，用于驱使升降板6相对支撑板2升降的升降驱动机构，与打印喷嘴3共中心轴线布置地固设在升降板6的下板面上的环形内齿轮7，及可绕中心轴线转动地安装在环形内齿轮7上的旋转支架8。

环形内齿轮7的外周面内凹地形成有环形滑槽70，旋转支架8包括可沿环形滑槽70滑动地卡接在该环形滑槽70内的滑块81；旋转支架8上可转动地安装有与环形内齿轮7啮合的驱动齿轮91，及安装有用于驱使驱动齿轮91转动的旋转驱动电机；旋转支架8在位于驱动齿轮91的下侧的弧度式凹面板82，该弧度式凹面板82与打印喷嘴3共中心轴线100布置，上述线圈安装在该弧度式凹面板82内，二者一起构成本实施例中的交变磁场发生模块；打印喷嘴3的出料口端301在穿过设于支撑板2上的通孔后，再依次设于升降板6上的通孔68及环形内齿轮7的内环孔78。

升降板6通过沿打印喷嘴3的轴向布置的导杆93而可沿垂向往复滑动地安装在安装板22上；前述用于驱动升降6进行升降的升降驱动机构包括关于中心轴线100对称布置的两套升降模块94及驱动电机；升降模块94包括固定在安装板上的螺栓940，与该螺栓940旋合的螺母941，及套装在该螺母941外的从动齿轮942；驱动电机945的转子轴上套装有驱使两个从动齿轮942同步且等速转动的主动齿轮943，在主动齿轮943与从动齿轮942之间布设有传动齿轮944。

对于螺母941可转动地固定在升降板6的上板面上的具体安装结构如图6至图8所示，即该螺母941通过螺母座947而可转动地安装在升降板6上；升降板6的上板面内凹地设有轴承安装孔658，轴承安装孔658与构成轴承避让孔的通孔608共轴布置，轴承安装孔658内过盈配合地安装有支撑轴承949；该螺母座947的本体为筒体结构，具有外凸环部9470、位于外凸环部9470下侧的下套装筒部9472及位于外凸环部9470上侧的上套装筒部9471；该筒体结构的内孔9476构成螺栓940的避让孔；下套装筒部9472过盈配合地套装在支撑轴承949的内圈内，从动齿轮942套装在上套装筒部9471外且与之通过键槽机构而实现固定连接，该键槽机构包括平键9473及设在从动齿轮942上的槽9420；上套装筒部9471的内孔的上端部为与螺母941配合的螺母安装孔部9475，螺母941通过粘接、过盈配合等方式固定在螺母安装孔部9475内。

上夹板20和平板下夹板21通过四组紧固螺母11及十字头盘头螺钉12固定，同时在螺母11与上夹板20之间加装垫片13起到防松作用。安装板22通过紧定螺钉14固定在下夹板21之上，同时下夹板21上的定位环210与安装板22上的环形定位槽220相配合，可以快速而精确完成两者相对位置的固定。

在升降板6的上板面上安装有受控制单元所控制的驱动电机945，当输入信号后转动设定圈数，通过其上的联轴器带动主动齿轮943转动。两个从动齿轮942分别与传动齿轮944对称啮合，传动齿轮944通过滚动轴承9440过盈配合而实现转动地固定在支撑轴9441上，该支撑轴9441固定在升降板6上，传动齿轮944再将动力传递到从动齿轮942。从动齿轮942转动使得与其固连的螺母座947及六角螺母941转动。螺母941与螺栓940互相配合，螺母941的转动使得其在螺栓940上移动一定的距离，从而实现垂向的移动，即沿中心轴线100的轴向移动。螺栓940固定在安装板22上，其螺杆的头部与设于安装板22上对应位置开的槽222过盈配合，同时通过锁定螺母223固定安装在安装板22上实现z轴方向上的位置限制。

当升降板6完成上下位置的移动后，控制单元控制安装在旋转支架8上的驱动电机转动，以通过联轴器驱使驱动轮91转动，在与驱动齿轮91啮合的环形内齿轮7的作用下，驱使旋转支架8带动线圈绕中心轴线100转动。当控制单元根据温度监测传感器反馈到的温度经过计算后，确定最优转动方向及角度，对应电机转动相应圈数，则驱动齿轮91沿环形内齿轮7转动相应角度，从而实现对相应位置的集中加热。

在工作过程中，当温度低于设定值时，升降驱动模块开始工作，以驱使线圈在垂向上的运动，由于在升降板6上开有两个对称通孔608，其构成供螺栓通过的避让孔，使得螺栓940可以穿过升降板6，同时开设有导向孔609，使得导杆93实现导向功能。

在该三维打印装置上设有非接触式限位装置，具体为在导杆93的下端设有一个光电式限位传感器930，对应的升降板6有光电传感接收器607，当光电接收器607接收到传感器930所发出的光电信号后，说明升降板6已经到达下极限位置，不可再往下运动，此控制单元立即控制升降驱动模块停止动作。同样，在升降板6上设计有一个限位柱606，其上方开设安装孔，在该安装孔内设有光电信号发射器，当该光电信号被安装在安装板22上的光电接收器所接收，则表征升降板6已经运动到上极限位置，升降驱动模块同样将停止运动。在下夹板21上安装有电器盒16，在其侧边有进线孔共计三个，将各驱动电机、线圈上的供电线由此孔引入，在电器盒16内可安装电源进行供电或在集线后由底边的孔161引出至打印头外部进行供电。

在工作过程中，温度监测传感器向控制单元输出温度监测信号。具体为，存储在存储器内的计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

判断步骤，当监测信号表征打印喷嘴3打印通道300内的温度低于第一预设温度时；

补偿步骤，对线圈施加预设频率的交变电流，以产生交变磁场，从而使打印喷嘴3生热而对位于打印通道300内的打印材料进行加热，至监测信号表征打印喷嘴内的温度高于第二预设温度。其中第二预设温度高于第一预设温度，具体情况根据实际打印材料进行设置。

本发明的有益效果：

1、采用弧度式凹面加热线圈，使得对磁场实现集中加热，电涡流场加热更快。结合铁磁材料的强化磁场作用，喷头处可产生强磁场，由图10可知磁感应强度最高可达1.75t(特斯拉)，高频率的交变强磁场可产生极大的电涡流效应，从而使加热十分迅速。由图11及图12可见，喷头区域温度达到200摄氏度，只需2秒钟，瞬态加热效果好。

2、在利用电涡流加热时，可以实现加热平台的移动和转动，其效果是加热无死角，有效地防止堵塞。

3、在原有喷头外部加装移动加热装置，既可以快速更换不同孔径、不同长度的喷头，又不影响原有三维坐标的行程，因不是在喷头外壁加装装置，不改变喷头直径，不影响三维打印机的避障效果。

4、在升降板6上下移动过程中，采用光电式限位，采用这种不接触的测量方式好处是可根据不同长度型号的喷头快速调整移动行程，减少冲击和振动，增加了装置运行的稳定性。

5、电涡流热作为喷头的内热源，减少了传统喷头对外部加热的依赖，具有低温差且加热均匀的优点，由图11及图12可见，电涡流仅加热2秒时喷头的加热区域内外两层材料的温度一致，且横截面的温差在2摄氏度内，纵截面的温差基本在15摄氏度内。

在上述数据，其仿真模型的参数如下表1所示：

表1仿真模型中各材料的属性表

在该仿真模型中，打印喷嘴与弧度式凹面板的结构尺寸为喷嘴整体长度为50mm。上顶面内径(打印材料的通道)为φ8mm,外径为φ13mm,下底面内径为φ1mm,外径为φ6mm。喷嘴有两层材料，外层铁磁和内部黄铜的厚度为2:1，具体来说就是顶面直径φ8mm到φ9.67mm的圆环是黄铜，直径φ9.67mm到φ13mm为铁磁，底面则为直径φ1mm到φ2.67mm的圆环是黄铜，直径φ2.67mm到φ6mm为铁磁。圆弧形线圈放置在喷嘴中部，为1/4圆弧形，线圈距离喷嘴轴线20mm远，高度为10mm，厚度为3mm。

打印头实施例

在上述三维打印装置实施例的描述中，已对本发明打印头实施例的结构进行了描述，在此不再赘述。

在上述实施例中，线圈构成本发明中的交变磁场发生器的一个示例，在本发明中，交变磁场发生器的具体结构并不局限线圈，还可采用套装在打印喷嘴外的环形线圈进行构建。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。