一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3D打印头

本发明涉及增材制造，具体涉及一种高温连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头。

背景技术：

1、连续纤维增强树脂基复合材料由纤维材料与基体材料构成，具有重量轻、强度高、成形方便、耐腐蚀等优点，主要应用于航空航天、轨道交通、汽车船舶等领域。相比传统的纤维铺放或缠绕制造技术，基于熔融挤出原理的3d打印制造技术凭借更易成形复杂结构，且不需模具，工艺相对简单实现等特性，已成为未来重点的发展趋势。

2、当前的连续纤维打印头没有针对连续纤维的打印特性进行针对性优化，在打印过程中易出现连续纤维丝材融化不彻底、喷头堵头、纤维剪断机构复杂等诸多问题，同时没有针对高温连续纤维、高温树脂同时打印进行结构优化，在打印诸如peek、pei等高温高性能树脂及连续纤维丝材时易堵头，且无法实现一体化打印成型。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高温连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，针对连续纤维的打印特性进行针对性优化，解决了热塑性连续纤维丝材在打印过程中易出现的树脂融化不彻底、喷头堵头、纤维剪断机构复杂、纤维磨损等诸多问题，同时没有针对高温连续纤维、高温树脂同时打印进行结构优化，解决了在打印诸如peek、pei等高温高性能树脂及连续纤维丝材时易堵头，且无法实现一体化打印成型的问题。

2、一种高温连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，包括用于固定、冷却喉管的水冷散热块，该水冷散热块可通过紧固螺丝或顶丝夹紧喉管，避免喉管产生的热量扩散至送丝结构处；同时在撒热块底部开有供冷水循环的冷却流道，维持散热块温度恒定；在冷却流道外围开有密封槽，防止水冷液溢出；下方安装有密封板，用以密封水道；水冷散热块四周有用于与其他打印头组件定位、连接的螺纹孔及用于放置热敏电阻测量水温的开口。

3、进一步地，在水冷散热块上方安装有连续纤维剪断装置，该装置通过舵机带动连杆，再由连杆带动刀片实现对连续纤维丝材的剪断；同时该剪断装置上安装有气动接头，用于与铁氟龙送丝管相连接；整个装置安装于水冷散热块上方，零件上开有多个螺纹孔，通过该零件实现打印头与打印机运动装置的连接。

4、进一步地，在水冷散热块下方固定有高温直通喉管，喉管表面无螺纹，中间具有缩颈设计，减少冷端和热端的热量交换；其中冷端通过紧固螺丝或顶丝实现与水冷散热块的连接，喉管与水冷散热块间涂抹导热硅脂用以填充缝隙，同时提升导热效率；热端通过紧固螺丝或顶丝与紫铜加热块连接。

5、进一步地，热块上安装有高温直通喉管热端、加热棒、温度传感器；加热块沿纵向安装，增大与高温直通喉管热端的接触面积，提升加热效率与加热均匀性；加热块使用t1紫铜材质，保证高温下使用强度及到热效率，同时加热块表面镀镍，防止高温下氧化；温度传感器使用高温热电偶，以实现500℃以上能够稳定测温。

6、进一步地，喷头整体上安装有冷风循环装置，水冷散热块表面安装有铜翅片，用以借助水冷降低铜翅片温度；铜翅片下方安装有散热风扇，将铜翅片降温后的冷风吹出冷却打印喷头挤出后的树脂及纤维；风扇，铜翅片被导流罩包裹，形成内部风道。

7、本发明的工作原理是：

8、在进行连续纤维/树脂打印时，连续纤维/树脂丝材通过铁氟龙送丝管送入打印头内，经过高温直通喉管加热熔融后从喉管热端挤出，其中高温直通喉管的热端和冷端一体成形，中间无需螺纹连接，保证连续纤维/树脂出丝顺畅；加热块使用t1紫铜材质，同时表面镀镍处理，保证高温稳定性及加热效率，同时使用热电偶进行测温，可在500℃以上的稳定加热，实现peek、pei等高温高性能树脂及连续纤维丝材的稳定熔融；挤出后的树脂再经过冷风循环装置的冷却实现挤出树脂的及时固化；在打印过程中，水冷散热块及其内部的水冷液循环保证高温喉管冷端温度恒定，防止堵头；纤维剪断装置通过舵机带动摇臂，从而带动刀片对连续纤维丝材的剪断，可实现连续纤维打印过程中的挤出头打印完成后的位置切换。

9、本发明的有益效果：

10、1．为高温连续纤维丝材打印优化设计的快换直通喉管设计，可以防止纤维堵头，同时减少纤维挤出过程中的磨损，降低剪断机构剪断纤维后的重送难度，提升加热、冷却效率，降低更换难度。

11、2．水冷高温双喷头设计，可以同时打印高温连续纤维和高温树脂，打印过程无需更换喷头，实现打印过程的无缝切换，避免了重复定位，提升打印精度及打印效率。

技术特征：

1.一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：包括导流罩（9），所述导流罩（9）内从下到上依次设有冷却风扇（11）、水冷散热块密封板（10）、水冷散热块（8）和纤维剪断装置固定块（3）；其中所述水冷散热块的上方安装有剪断装置（4）且下方设有高温直通喉管5；气动接头（2）固定于纤维剪断装置固定块（3）和水冷散热块（8）上，用以连接铁氟龙送丝管和水冷散热管；剪断装置（4）由舵机带动的舵机摇臂、牵引铁丝和末端刀片构成。

2.根据权利要求1所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：纤维剪断装置固定块（3）材质为6061铝合金，与舵机（1）、气动接头（2）、水冷散热块（8）和导流罩（9）通过螺纹或螺栓连接，水冷散热块表面安装有铜翅片（7）。

3.根据权利要求1所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：所述高温直通喉管（5）的材质为304不锈钢；高温直通喉管（5）由冷端和热端两个部分构成，上方冷端涂抹导热硅脂后固定于水冷散热块（8）上，下方热端固定于加热块（6）上；在高温直通喉管（5）的冷端及热端过渡连接处通过收口（54）降低冷端及热端间的热量交换，同时喉管的冷端、热端无断口。

4.根据权利要求3所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：其中所述高温直通喉管（5）的内腔依次设有空腔（51）、倒角（52）、喉管内腔（53）；所述高温直通喉管（5）的喷头末端有圆角（55）过渡，防止纤维丝材挤出过程中的纤维磨损。

5.根据权利要求3所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：在舵机（1）带动的剪断装置（4）运动处开槽尺寸大于刀片厚度，内部固定铜管，可通过上下顶丝调节铜管间隙，以适应不同厚度及形状的剪断装置（4），防止纤维弯曲变形及剪切损伤。

6.根据权利要求1所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：水冷散热块（8）的材质为6061铝合金，密封板螺纹孔（81）用于固定水冷散热块密封板（10），与橡胶圈安装槽（82）配合实现内部液体流道（83）的密封。

7.根据权利要求6所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：其中水冷散热块（8）上开有热电偶安装孔（84），对水冷散热块（8）进行测温；螺纹孔一（85）用于连接纤维剪断装置固定块（3），通孔（86）、螺纹孔二（87）用于连接、夹紧高温直通喉管（5），保证散热效果。

8.根据权利要求6所述的一种高温熔融挤出连续纤维/树脂双喷嘴快换3d打印头，其特征在于：加热块（6）的材质为t1紫铜，；加热块6固定于高温直通喉管（5）上，加热块安装孔（61）与高温直通喉管（5）上的安装孔（63）直径相同，加热块（6）竖向安装，增加了树脂的加热熔融区长度，保证树脂丝材能够完全熔融，通过加热块螺纹孔（62）实现对加热棒和高温直通喉管（5）的夹紧，热电偶安装孔（64）安装k型热电偶，对加热块进行测温。

技术总结
本发明提供一种高温连续纤维/树脂双喷嘴快换3D打印头，包括用于固定、冷却喉管的水冷散热块，该水冷散热块可通过紧固螺丝或顶丝夹紧喉管，避免喉管产生的热量扩散至送丝结构处；同时在撒热块底部开有供冷水循环的冷却流道，维持散热块温度恒定；在冷却流道外围开有密封槽，防止水冷液溢出；下方安装有密封板，用以密封水道；水冷散热块四周有用于与其他打印头组件定位、连接的螺纹孔及用于放置热敏电阻测量水温的开口。本发明为高温连续纤维丝材打印优化设计的快换直通喉管设计，可以防止纤维堵头，同时减少纤维挤出过程中的磨损，降低剪断机构剪断纤维后的重送难度，提升加热、冷却效率，降低更换难度。

技术研发人员：范聪泽,张昊,单忠德,陈意伟,郑菁桦,宋文哲
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13