一种3D打印机用新型打印头的制作方法

本发明涉及3D打印机结构设计领域，具体涉及一种3D打印机用新型打印头。

背景技术：

3D打印在工业中的应用越来越广泛，因其成型简单、调整便捷、成本低廉、出样周期短等优点，越来越受用户的青睐。

FDM级的3D打印机其基本原理是电机驱动挤出轮将耗材以丝状进料，经过散热体、喉管，最终在喷嘴处由加热组件加热熔融成微米级细丝并随着打印头的移动，按照3D模型截面轮廓通过堆积、凝固及成型，形成实物零件的过程。其中，喷嘴、加热组件热传导性能强，以确保耗材熔融充分；喉管热传导低，能够将加热组件的热量隔断，避免热量传递到散热体导致其内部耗材提前熔化造成堵塞。作为散热体和加热组件的连接件，为防止在安装受力时隔热段断裂，及满足打印头的高速打印不断裂，喉管的强度必须足够高，以承受质量较大的加热组件及喷嘴组件的快速移动，实现快速打印。

传统的打印头结构形式如图1所示，喉管1与散热体2、加热组件3通过螺纹连接，喷嘴4与加热组件3通过螺纹连接，如图2所示，3D打印过程中，丝状耗材分别经过“常温固态区”101、“中温软化区”102以及“高温熔融区”103。其中，耗材在“中温软化区”102依然与喉管1接触，因此对喉管1的隔热要求非常严苛，若热量不能有效阻隔，耗材在“中温软化区”102将直接熔化，导致打印头堵塞，降低3D打印效率。

目前针对上述问题，通常采用两种解决方法：第一种是改进喉管材质，用热传导率更低的钛合金代替不锈钢，提高其隔热效果；第二种是减小喉管隔热段壁厚，提高其隔热效果。两种方法均可显著降低打印过程中的热量上传，但采用第一种方法后，打印头成本增加，且堵塞依然存在；采用第二种方法后，喉管作为连接件，其强度降低，无法实现快速打印。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种3D打印机用新型打印头以解决上述技术问题。

本发明采用的技术方案是：提供一种3D打印机用新型打印头，包括依次连接的散热体、喉管、加热组件和喷嘴，所述散热体包括散热基体及设置在所述散热基体中部的进料通道，所述喉管包括由上至下依次设置的散热段、隔热段和连接段，在所述隔热段和连接段中部设置有送料通道，所述加热组件包括加热块及贯通所述加热块顶底设置的安装通道，所述喷嘴包括喷嘴腔；

所述散热段镶嵌在所述散热基体内，所述隔热段位于所述散热体与所述加热组件之间，所述连接段连接所述安装通道上部，所述喷嘴连接在所述安装通道下部，所述进料通道、送料通道、喷嘴腔从上至下依次连通。

作为对上述方案的改进，在所述散热体与加热组件之间设置有多根支撑管，所述多根支撑管围绕所述隔热段设置，所述多根支撑管的上端镶嵌在所述散热基体内，下端镶嵌在所述加热块内。

作为对上述方案的改进，所述散热段包括水平设置的第一卡盘及由所述第一卡盘竖直向上延伸的散热壁，所述散热壁镶嵌在所述散热基体内，所述第一卡盘卡设于所述散热体底部。

作为对上述方案的改进，所述散热壁与所述散热基体之间为小间隙配合。

作为对上述方案的改进，所述隔热段设置为柱状，其直径小于所述散热段和连接段的直径，所述隔热段的壁厚设置为0.2mm～0.3mm。

作为对上述方案的改进，所述连接段包括水平设置的第二卡盘和竖直连接在该第二卡盘下侧的连接部，所述第二卡盘卡设于所述加热组件顶部，所述连接部连接在所述安装通道上部。

作为对上述方案的改进，所述多根支撑管的上端与所述散热基体、所述多根支撑管的下端与所述加热组件之间均为小间隙配合。

作为对上述方案的改进，在所述散热体与加热组件之间设置有四根支撑管，所述支撑管的壁厚设置为0.3mm～0.5mm。

作为对上述方案的改进，所述四根支撑管中，至少两根支撑管内穿入螺钉将所述散热体和加热组件进行轴向锁紧。

作为对上述方案的改进，在所述加热块与所述至少两根支撑管的接触端开设有通孔，在所述散热基体上与所述至少两根支撑管的接触端开设有螺纹孔，所述螺钉依次穿过所述通孔、支撑管后与所述螺纹孔通过螺纹连接。

本发明所提供的3D打印机用新型打印头，喉管的散热段镶嵌在散热体内，可实现“中温软化区”耗材的充分散热，且在散热体和加热组件之间连接有多根支撑管，提高了散热体和加热组件的连接强度和3D打印机用新型打印头的整体刚度，可进一步减小喉管隔热段的壁厚，以提高其隔热效果，防止加热组件、喷嘴的热量传递到散热体使其内部耗材提前熔化造成堵塞，提高了3D打印效率，可实现快速打印。

附图说明

图1是现有技术中3D打印机用打印头的轴截面示意图；

图2是现有技术中3D打印机用打印头的温度区域分布图；

图3是本申请实施例中3D打印机用新型打印头的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是图3的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图；

图7是本申请实施例中3D打印机用新型打印头的温度区域分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种3D打印机用新型打印头，其散热体和加热组件的的连接强度及打印头的整体刚度高，可减小喉管隔热段的壁厚，隔热效果较好，且“中温软化区”的耗材可充分散热，可有效防止耗材提前熔化造成堵塞，提高了3D打印效率，可实现快速打印，尤其适用于FDM级3D打印机。

请参阅图3-图4，图3示出了本发明实施例中所述3D打印机用新型打印头的外形结构，图4示出了图3中所述3D打印机用新型打印头的左视结构，所述3D打印机用新型打印头包括依次连接的散热体10、喉管20、加热组件30和喷嘴40，耗材从所述散热体10的顶部以丝状进料，经过所述散热体10、喉管20，最终在喷嘴40处由加热组件30加热熔融成微米级细丝并随着打印头的移动，按照3D模型截面轮廓通过堆积、凝固及成型，形成实物零件将熔融耗材连续的喷出以完成3D打印操作。

其中，所述加热组件30用于加热喷嘴40，以使其内的耗材受热熔融，所述喉管20用于阻隔所述加热组件30及喷嘴40的热量上移，避免耗材在进料阶段软化，所述散热体10用于快速散去通过所述加热组件30及喷嘴40传递来的热量，避免耗材在进料过程中软化导致打印头堵塞，在所述散热体10外侧设置有散热翅片。

请结合参阅图5-图7，图5示出了图3中3D打印机用新型打印头的A-A剖视结构，图6示出了图4中3D打印机用新型打印头的B-B剖视结构，图7示出了本申请实施例中3D打印机用新型打印头的温度区域分布，所述散热体10包括散热基体11及设置在所述散热基体11中部的进料通道12，所述喉管20包括由上至下依次设置的散热段21、隔热段22和连接段23，在所述隔热段22和连接段23中部设置有送料通道24，所述加热组件30包括加热块31及贯通所述加热块31顶底设置的安装通道32，所述喷嘴40包括喷嘴腔41。

其中，所述散热段21镶嵌在所述散热基体11内，所述隔热段22位于所述散热体10与所述加热组件30之间，所述连接段23连接所述安装通道32上部，所述喷嘴40连接在所述安装通道32下部，所述进料通道12、送料通道24、喷嘴腔41从上至下依次连通。

丝状耗材通过所述进料通道12进入该3D打印机用新型打印头，后依次通过所述送料通道24、喷嘴腔41后以熔融的微米级细丝形式喷出，完成3D打印操作。本实施例中，丝状耗材分别经过“常温固态区”201、“中温软化区”202以及“高温熔融区”203后以熔融的微米级细丝形式喷出，在通过“中温软化区”202时，所述散热段21与散热体11接触，可实现耗材的充分散热，防止耗材提前熔化。

本实施例中，所述进料通道12下部、送料通道24和所述喷嘴腔41的直径相等，可以理解的，在本发明其他的实施例中，所述进料通道12、送料通道24和所述喷嘴腔41的直径也设置为依次减小，以提升3D打印过程中耗材喷出的流畅度。

所述喉管20通过所述散热段21与所述散热体10连接，通过所述连接段23与所述加热组件30连接，所述隔热段22阻隔所述加热组件30及喷嘴40的热量上移。所述散热段21镶嵌在所述散热基体11内，与所述散热体10充分接触，确保可能通过所述隔热段22传递上来的热量可通过所述散热体10及时散出。

进一步的，所述散热段21与所述散热基体11之间为小间隙配合，所述连接段23、所述喷嘴40与所述安装通道32通过螺纹连接，便于安装拆卸及清洁维护，具体的，所述连接段23、喷嘴40设置有外螺纹，与所述安装通道32设置的内螺纹匹配。

进一步的，所述散热段21包括水平设置的第一卡盘210及由所述第一卡盘210竖直向上延伸的散热壁211，所述散热壁211镶嵌在所述散热基体11内，所述第一卡盘210卡设于所述散热体10底部。所述散热壁211与所述散热基体11之间为小间隙配合，优选所述散热壁211与所述散热基体11之间的配合间隙为0.02mm。

本实施例中，所述第一卡盘210为圆形盘，所述第一卡盘210紧贴所述散热基体11的底面设置，所述隔热段22的直径小于所述第一卡盘210的直径，在阻隔所述加热组件30及喷嘴40处热量向上传递的同时，进一步提高所述喉管20与所述散热体10之间的连接强度；所述散热壁211由所述第一卡盘210的外周竖直向上延伸，所述散热壁211呈圆筒状，所述散热壁211与所述第一卡盘210为一体成型结构，由所述散热壁211限定出一圆柱形中空腔，所述散热基体11及进料通道12下部嵌入在该圆柱形中空腔内，增加了所述散热段21与所述散热基体11的接触面积，提高了两者之间的传热效率。

进一步的，所述连接段23包括水平设置的第二卡盘230和竖直连接在该第二卡盘230下侧的连接部231，所述第二卡盘230卡设于所述加热组件30顶部，所述连接部231连接所述安装通道32。所述连接段23与所述安装通道32通过螺纹连接，便于拆卸。

本实施例中，所述第二卡盘230为圆形盘，所述第二卡盘230紧贴所述加热组件30的顶面设置，所述第二卡盘230与所述连接部231为一体成型结构，所述隔热段22的直径小于所述第二卡盘230的直径，在阻隔所述加热组件30及喷嘴40处热量的向上传递的同时，提高了所述喉管20与所述加热组件30之间的连接强度。

进一步的，所述第一卡盘210的直径等于所述第二卡盘230的直径，所述连接部231的外径小于所述第二卡盘230的直径，所述隔热段22位于所述第一卡盘210与第二卡盘230之间。优选所述隔热段22与所述散热段21、连接段23为一体成型结构。

请继续参阅图3-图7，在本实施例的一个实施方式中，在所述散热体10与加热组件30之间还设置有多根支撑管50，所述多根支撑管50的上端镶嵌在所述散热基体11内，下端镶嵌在所述加热块31内，所述多根支撑管50围绕所述隔热段22设置。

所述多根支撑管50的设置，提高了所述喉管20与所述散热体10、所述加热组件30之间的连接强度，大幅度增加了所述3D打印机用新型打印头的固有刚度，以承受质量较大的加热组件30及喷嘴40等组件的高速移动，满足打印头的高速打印不断裂，实现快速打印，在此基础上，可大幅减小所述喉管20隔热段22的壁厚，提高其隔热效果。

本实施方式中，所述喉管20由不锈钢制得，其壁厚设置为0.2mm～0.3mm，优选所述喉管20的壁厚设置为0.2mm，而目前不锈钢材质喉管的最小壁厚为0.45mm，故，本实施例中所提供的3D打印机用新型打印头结构，其喉管20可有效地隔绝所述加热组件30、喷嘴40的热量上传，从而避免了耗材在“中温软化区”202提前熔化及堵料情况的发生。可以理解的，在其他实施方式中，所述喉管20也可采用热传导率更低的钛合金制得。

优选所述支撑管50设置三根以上，本实施方式中，所述支撑管50设置有四根，所述支撑管50为钛合金管，其壁厚设置为0.3mm～0.5mm，优选设置为0.4mm，在保证连接强度的基础上可阻隔所述加热组件30的热量向上传导。

进一步的，所述支撑管50的上端与所述散热基体11、所述支撑管50的下端与所述加热组件30之间均为小间隙配合，优选所述支撑管50的上端与所述散热基体11、所述支撑管50的下端与所述加热组件30之间的配合间隙为0.01mm。

在一个优选的实施方式中，所述四根支撑管50中，至少两根支撑管50内穿入螺钉60将所述散热体10和加热组件30进行轴向锁紧，以实现所述散热体10、喉管20和加热组件30的固定装配。

进一步的，在所述加热块31与所述至少两根支撑管50的接触端开设有通孔，在所述散热基体11上与所述至少两根支撑管50的接触端开设有螺纹孔110，所述螺钉60从下至上依次穿过所述通孔、支撑管50后与所述螺纹孔110通过螺纹连接。进一步的，在所述通孔的下侧设置有沉头孔，在所述螺纹孔110的上侧也设置有沉头孔，便于安装拆卸。可以理解的，在所述支撑管50中部也开设有通孔。

更进一步的，所述至少两根支撑管50相对设置，以进一步提高所述散热体10、喉管20和加热组件30之间的装配刚度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。