增材制造挤出切换装置及3D打印机

增材制造挤出切换装置及3d打印机
技术领域
1.本发明涉及墨水直写成型技术领域，特别是涉及一种增材制造挤出切换装置及3d打印机。


背景技术：

2.墨水直写成型(direct inkwriting，diw)增材制造基于材料挤出(material extrusion，me)原理，不需要额外的加热装置，直接通过机械结构或气泵推动活塞，将预装的油墨材料从打印头挤出，挤出材料层层堆叠，打印制造模型零件，是一种油墨材料应用最为灵活的增材制造技术。
3.目前主流的diw增材制造材料挤出方案可分为三类：压缩空气，活塞挤压和螺杆挤压，而应用最广泛的便是基于压缩空气挤出油墨材料的点胶机式的diw增材制造平台；但是对于多种油墨材料的共同制造，目前往往需要通过更换材料储存针筒，短暂中断制造过程来实现材料的切换，流程较为繁琐，效率较低，无法实现高频的材料连续切换。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种增材制造挤出切换装置及3d打印机，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现多种油墨材料的共同挤出及连续切换，完成对多材料零件的制造。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种增材制造挤出切换装置，包括：
7.流道组件，所述流道组件包括汇流喷嘴和流道壳体，所述流道壳体内设置有多条分流流道，且全部所述分流流道的出料端均与所述汇流喷嘴连通；
8.料筒，所述料筒设置有多个，所述料筒内用于储存油墨材料，且各个所述料筒内储存的油墨材料均不相同；所述料筒与所述分流流道一一对应，所述料筒的出料端与对应的所述分流流道的进料端连通；
9.挤出机构，每个所述料筒内均安装有一所述挤出机构，所述挤出机构用于将对应的所述料筒内的油墨材料挤出。
10.优选的，所述流道组件、所述料筒以及所述挤出机构均安装于一安装件上，所述安装件用于安装于3d打印机的移动平台上。
11.优选的，所述挤出机构包括推块和驱动组件，所述推块能够伸入对应的所述料筒内，所述推块与所述驱动组件连接，所述驱动组件能够带动所述推块沿所述料筒的长度方向移动，以将所述料筒内的油墨材料从所述料筒的出料端挤出。
12.优选的，所述驱动组件为齿轮齿条机构，包括驱动电机以及啮合连接的齿条和齿轮，所述齿条与所述料筒的长度方向平行，所述推块安装于所述齿条靠近所述料筒的一端，所述齿轮与所述驱动电机的输出轴连接，所述驱动电机能够带动所述齿轮转动，从而带动所述齿条沿所述料筒的长度方向移动；
13.所述驱动电机为减速步进电机。
14.优选的，所述齿轮背对所述驱动电机的一侧还设置有挡板，所述挡板能够限制所述齿条沿所述齿轮的轴向方向上的运动。
15.优选的，所述驱动电机的输出轴的端部转动安装于一支撑板上，所述支撑板与所述安装件之间设置有多个导向块，所述齿条与所述导向块一一对应，所述导向块上设置有导向槽，所述齿条设置于对应所述导向块上的导向槽内，并能沿该导向槽移动。
16.优选的，所述料筒通过快装件可拆卸安装于所述安装件上，所述快装件为卡扣，所述卡扣内设置有安装槽，所述料筒安装于所述安装槽内；所述卡扣上设置有镂空部，所述镂空部沿所述安装槽的长度方向贯穿所述卡扣，所述卡扣上还设置有卡槽，所述料筒的外壁上设置有与所述卡槽相对应的凸起，所述料筒通过所述凸起卡接在所述卡槽上。
17.优选的，所述分流流道的进料端设置有一连接块，所述连接块通过鲁尔接头与所述料筒的出料端连接；所述连接块与所述分流流道的进料端之间设置有密封圈。
18.优选的，所述流道壳体包括分体设置的第一半壳体和第二半壳体，所述第一半壳体和所述第二半壳体对称设置，且将所述分流流道分为对称设置的第一半流道和第二半流道，所述第一半流道和所述第二半流道的连接处设置有密封条；
19.所述汇流喷嘴为一体式3d打印而成的汇流喷嘴，且所述汇流喷嘴可拆卸安装于所述流道壳体上。
20.本发明还提供一种3d打印机，包括上述的增材制造挤出切换装置。
21.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
22.本发明中流道壳体内设置有多条分流流道，全部分流流道的出料端均与汇流喷嘴连通，且每个分流流道均连接有一个料筒，各个料筒内储存的油墨材料均不同，通过挤出机构能够将对应料筒内的油墨材料挤出到对应的分流流道内，最终由汇流喷嘴挤出，可以实现多种油墨材料的同时挤出，而且能够切换不同的油墨材料，完成对多材料零件的制造。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例中增材制造挤出切换装置的结构示意图；
25.图2为图1中增材制造挤出切换装置的主视图；
26.图3为本发明实施例中挤出机构的立体结构示意图；
27.图4为图3中挤出机构的分体结构示意图；
28.图5为本发明实施例中齿轮的安装示意图；
29.图6为本发明实施例中挡板的安装示意图；
30.图7为本发明实施例中导向块的结构示意图；
31.图8为本发明实施例中推块的结构示意图；
32.图9为本发明实施例中料筒与流道组件的安装示意图；
33.图10为本发明实施例中流道组件的分体结构示意图；
34.图11为本发明实施例中快装件的结构示意图；
35.图12为本发明实施例中安装板的结构示意图；
36.图13为本发明实施例中软硬复合铰链样件的结构示意图；
37.其中，1为流道组件，101为流道壳体，102为分流流道，103为汇流喷嘴，104为密封圈，105为密封条，106为连接块，2为料筒，3为挤出机构，301为步进电机，302为蜗轮蜗杆减速箱，303为齿条，304为挡板，305为法兰盘联轴器，306为齿轮，307为输出轴，308为推块，4为安装板，401为安装孔，5为支撑板，6为导向块，7为快装件，701为镂空部，702为卡槽，8为鲁尔接头。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明的目的是提供一种增材制造挤出切换装置及3d打印机，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现多种油墨材料的共同挤出及连续切换，完成对多材料零件的制造。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.实施例一
42.如图1-图12所示，本实施例提供一种增材制造挤出切换装置，主要包括流道组件1、料筒2和挤出机构3；其中，流道组件1包括汇流喷嘴103和流道壳体101，流道壳体101内设置有多条分流流道102，且全部分流流道102的出料端均与汇流喷嘴103连通；料筒2设置有多个，料筒2内用于储存油墨材料，且各个料筒2内储存的油墨材料均不相同，料筒2与分流流道102一一对应，料筒2的出料端与对应的分流流道102的进料端连通；每个料筒2内均安装有一挤出机构3，挤出机构3用于将对应的料筒2内的油墨材料挤出。其中，油墨材料为3d打印油墨材料，其为本领域成熟现有技术，可以根据具体工作需要进行选择；本实施例中，料筒2优选设置有两个，或者还可以根据具体工作需要设置三个、四个或者其它数量的料筒2。
43.本实施例中流道壳体101内设置有多条分流流道102，全部分流流道102的出料端均与汇流喷嘴103连通，且每个分流流道102均连接有一个料筒2，各个料筒2内储存的油墨材料均不同，通过挤出机构3能够将对应料筒2内的油墨材料挤出到对应的分流流道102内，最终由汇流喷嘴103挤出，可以实现多种油墨材料的同时挤出，而且能够切换不同的油墨材料，完成对多材料零件的制造。
44.在本实施例中，挤出机构3包括推块308和驱动组件，推块308能够伸入对应的料筒2内，且推块308仿照料筒2的形状设置，与料筒2相匹配；推块308与驱动组件连接，驱动组件能够带动推块308沿料筒2的长度方向移动，以将料筒2内的油墨材料从料筒2的出料端挤出。其中，料筒2优选为圆筒形料筒，进一步优选为10cc美式针筒，料筒2的长度方向即为料筒2的轴线方向，本实施例中料筒2竖直放置，其轴线方向与竖直方向平行。
45.在本实施例中，驱动组件为直线运动机构，能够带动推块308竖直上下运动，从而能够将对应的料筒2内的油墨材料挤出；其中，直线运动机构优选为齿轮齿条机构，主要包
括驱动电机以及啮合连接的齿条303和齿轮306，齿条303与料筒2的长度方向平行，推块308安装于齿条303靠近料筒2的一端(即底端)，其中，推块308可以固定安装于齿条303上，或者铰接安装于齿条303上；齿轮306与驱动电机的输出轴307连接，驱动电机能够带动齿轮306转动，从而带动齿条303沿料筒2的长度方向移动；本实施例中，采用齿轮齿条机构，齿轮306、齿条303、推块308以及料筒2等均可以设置在同一竖直平面内，有利于控制整体尺寸。
46.进一步地，驱动电机优选为减速步进电机，能够实现较大的传动比；具体地，减速步进电机为具有670减速比的蜗轮蜗杆减速箱302的步进电机301，其集成度高、减速比大，能为油墨材料的挤出提供足够的正压力，同时提高油墨材料挤出的控制精度，也有利于模块化的机构设计。
47.在本实施例中，齿轮306通过法兰盘联轴器305与减速步进电机的输出轴307连接，其中，减速步进电机的输出轴307为d形输出轴，法兰盘联轴器305通过顶丝与d形输出轴平面锁紧，以传递输出扭矩。
48.在本实施例中，齿轮306、齿条303均为碳纤维板材制成，齿厚较薄，且齿条303在用于储存油墨材料的料筒2内无周向限位，为避免齿条303啮合在齿轮306上时，沿齿轮306的轴向方向发生错位，如图6所示，在齿轮306背对驱动电机的一侧还设置有挡板304，挡板304贴近齿轮306设置，其可以安装于驱动电机的输出轴307上，或者安装于齿轮306上；其中，挡板304为直径略大于齿轮306和齿条303的啮合圆直径的圆形挡板，其采用2mm厚的碳板制作而成，能够限制齿条303的前后摆动。进一步地，前后方向即为与齿轮306的轴向平行的方向。
49.在本实施例，还可以根据需要选择其它的直线运动机构，如采用直线电机或者液压杆等。
50.在本实施例中，流道组件1、料筒2以及挤出机构3均安装于一安装件上，安装件用于安装于3d打印机的移动平台上；其中，安装件优选为安装板4，或者还可以根据工作需要选择安装支架、安装箱或其它的安装结构等。进一步地，安装板4优选为碳纤维材质的安装板4，具有较高的强度；安装板4上设置有安装孔401，通过螺栓或者连接杆等连接件穿过安装孔401，可以将安装板4安装在3d打印机的移动平台上，同时还可以通过改变安装板4上安装孔401的大小、形状以及位置等，将安装板4与不同型号的3d打印机的移动平台连接。
51.其中，3d打印机为本领域成熟现有技术，本实施例中便不再进行赘述。
52.在本实施例中，驱动电机的输出轴307的端部安装于一支撑板5上，支撑板5与上述的安装板4共同组成支撑结构；支撑板5与安装板4之间设置有多个导向块6，齿条303与导向块6一一对应，导向块6上竖直设置有导向槽，齿条303设置于对应的导向槽内，导向槽的两侧设置有挡板304，对齿条303进行限制，使齿条303只能沿对应的导向槽上下移动，保证齿条303沿直线运动，对推块308施加正压力；其中，导向块6为采用pla材料的3d打印件，齿条303底端连接的推块308同样为3d打印件，能够更好地传递挤出推力；进一步地，在导向槽的槽壁上粘贴有聚四氟胶带，能够减小与齿条303之间的摩擦，保证齿条303移动顺滑。
53.在本实施例中，料筒2通过快装件7可拆卸安装于安装板4上，快装件7采用pla材料3d打印制作而成，其整体为一能够包覆料筒2的卡扣，其通过螺栓可拆卸安装于安装板4上；卡扣内设置有安装槽，料筒2安装于安装槽内；进一步地，考虑分层纹理方向，卡扣上设置有镂空部701，镂空部701沿安装槽的长度方向贯穿卡扣，增加卡扣向两侧打开的可变形程度；
卡扣上还设置有卡槽702，料筒2的外壁上设置有与卡槽702相对应的凸起，料筒2通过凸起卡接在卡槽702上，保证料筒2的轴向定位，并且在挤出机构3挤压油墨材料时，对料筒2提供支撑。
54.在本实施例中，分流流道102的进料端设置有一连接块106，连接块106通过鲁尔接头8与料筒2的出料端连接；具体地，鲁尔接头8的上下两端均设置螺纹，上端螺纹和下端螺纹分别与料筒2以及连接块106螺纹连接，从而实现流道组件1与料筒2的连接。
55.在本实施例中，流道组件1包括流道壳体101和汇流喷嘴103，流道壳体101和汇流喷嘴103上下分体设置；其中，流道壳体101中的分流流道102较长，为保证加工的导通率，将流道壳体101分体设置为第一半壳体和第二半壳体，其中，第一半壳体和第二半壳体左右对称设置，且将流道壳体101内的分流流道102分为左右对称设置的第一半流道和第二半流道，第一半流道和第二半流道分别位于第一半壳体和第二半壳体上；而且，流道壳体101部分使用耗材较多，流道壳体101采用分体设置，还便于清理，能够实现多次回收反复利用。而汇流喷嘴103的体积较小，其内的流道较短，故汇流喷嘴103采用单独一体式3d打印成型，其耗材较小，与流道壳体101通过内嵌的方形螺母以及螺栓连接，结构紧凑，容易更换，可根据不同加工需求安装具有不同汇流角度与喷嘴直径的汇流喷嘴103。
56.在本实施例中，需要说明的是，“左”为面对流道壳体101上面积较小的侧面时的左手侧，“右”为面对流道壳体101上面积较小的侧面时的右手侧。
57.在本实施例中，连接块106与分流流道102的进料端之间设置有密封圈104；第一半流道和第二半流道的连接处两侧设置有密封槽，密封槽内嵌入设置有密封条105，保证密封性。
58.本实施例中增材制造挤出切换装置的设计以及打印3d多材料模型主要包含以下几个步骤：
59.1.设计基于diw技术的增材制造挤出切换装置，主要包括挤出机构3以及流道组件1的设计；
60.2.搭建diw多材料增材制造的控制系统，主要包括对普通多材料3d打印机主控板进行二次开发，实现多材料增材制造打印平台的五轴控制，以及对多材料模型进行切片生成g代码控制程序；
61.3.调配具有不同性能的油墨材料进行样件打印，按需将多种油墨材料装填入不同料筒2中，利用g代码完成多材料模型的3d打印。
62.本实施例中增材制造挤出切换装置搭载于3d打印机的移动平台后，可以实现多种油墨材料的联合打印，实现多种油墨材料的无缝切换，具有较高的材料切换频率和打印精度；例如，如图13所示，一体打印成型软硬复合铰链样件，铰链样件的两端通过硬质油墨材料打印而成，中部通过柔性油墨材料打印而成，从而能够实现软硬复合铰链样件沿中部的弯曲变形。
63.本实施例中，在多材料打印工作中，油墨材料连续切换时，由于油墨材料本身粘弹性以及汇流喷嘴103处共用流道的存在，油墨材料的切换存在一定的响应滞后性，需在模型g代码生成时做一定的修改处理；此外，在单次打印结束后，可通过对流道组件1进行拆解，清理流道内残留的油墨材料。
64.实施例二
65.本实施例提供一种3d打印机，包括实施例一中的增材制造挤出切换装置。
66.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
67.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。