具有进风装置的3D打印头以及该打印头的降温方法与流程

本发明涉及3D打印机产品技术领域，特指一种具有进风装置的3D打印头以及该打印头的降温方法。

背景技术：
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3D打印机在这几年得到飞速的发展，现有3D打印机在工作前首先需要利用计算机进行建模，然后将建成的三维模型进行分层的“切片”处理，然后自下而上逐层“打印”每层切片，从而最终形成与所建模型相同的3D产品。

这种3D打印机也叫热熔材料喷涂打印，其工作原理与传统的喷墨打印机原理类似，所不同的是，这种3D打印机所使用的“墨水”为一种热熔材料，比如热熔蜡、热熔胶。通过打印机构将熔融的热熔材料喷涂在打印平台上，进行逐层的“打印”，当热熔材料被喷涂出来后，其将迅速的固化。经过不断的逐层“打印”，最终形成所需要的三维物体。这种三维打印技术相对来说制作工艺简单，并且随着三维机械臂的发展，技术已经成熟。

目前常见的3D打印机采用热熔胶料带进给的方式供料，在3D打印头内具有加热组件，用于对热熔材料进行加热融化。3D打印机运作的作用中，加热组件需要不间断加热，将通过送料组件送入的热熔胶料带进行加热熔融，并在后续未熔融的料带的推进下，将熔融的原料由打印头的喷口挤出。这种方式存在的问题就是：由于加热组件发热使热量在3D打印头内部累积，容易造成打印头内部温度过高，当温度过高时，料带在还未进入到加热组件时就已经发生了软化、甚至熔融，这样将直接影响料带的进给。由于目前采用的送料组件多为齿轮组件，通过齿轮组件推动料带前进，如果料带软化或者熔融，齿轮组件就无法完成送料。为了解决这一问题，目前的做法是将加热组件尽可能的靠近打印头的喷口，同时在加热组件上方设置一个散热组件，目前的散热组件多采用直接在3D打印头内设置金属翅片型散热器，通过散热器将加热组件传导的热量发散，避免热量向上进一步传导至送料组件。但是，由于打印头内部为一个相对封闭的空间，热量很难向外发散。散热组件作用有限，所以需要解决打印头散热的问题。

另一个方面，热熔材料3D打印机打印时是一层一层的完成，每层喷涂材料与前面一层喷涂材料是通过材料自身的热熔性固化成一个整体的。如果材料固化的速度过快，当开始打印第二层喷涂材料时，第一层喷涂材料已经完全固化，这样就会导致两层材料之间没有完全固化成一个整体，这将导致最终成型的产品结构强度不够，容易破裂。为了避免这个问题，就需要令打印头将热熔材料喷涂在打印平台上以后，该材料在固化的过程不能太快。而材料的固化自身温度直接相关，所以目前解决这一问题的方案就是：对打印平台进行加热，即在打印平台上设置一个电加热元件，通过该电加热元件产生热量来保持打印平台上的被打印材料的问题，令被打印喷涂的材料层保持在一定温度下，以便于喷涂的材料层之间可以实现固化为一个整体。

由上所述可以看出，上述的3D打印头内部累积的热量需要散发，而打印机本体内部的空气需要保持一定的温度，以防止在打印过程中打印平台上的喷涂材料固话，那么，我们可以利用于打印头内产生的热量将加热组件发散的热量输送至打印机本体内，以使打印机本体内部的达到一定温度，提升整个打印环境的温度，则可以进一步提升打印质量。

再者，目前的3D打印机已经不仅可以用来打印塑胶材料，其还可以用来打印食品，例如巧克力食品。通过3D打印机制作的巧克力食品造型更加独特。这种用来制作巧克力产品的3D打印机与现有的产品类似，但是由于巧克力产品的熔点低，固化慢，其原料不再以固态的方式进入，而是直接以液态的方式进入到打印头内，打印头内部的加热组件仅仅是用来对物料进行保温，防止其固化。当这些巧克力食品原料通过打印头挤出时，必须要对原料进行特别的方式进行冷却，以防止打印的巧克力食品造型坍塌。

综合以上所述，本发明人经过不断的改进，提出了一种全新的技术方案，以可以解决上述问题。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题就在于针对目前产品所存在的不足，提供一种具有进风装置的3D打印头。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该具有进风装置的3D打印头包括：壳体，以及安装于壳体内的加热组件，打印用原料进入壳体内后经过加热组件的加热熔融后由打印头喷嘴送出，进行打印作业，该打印头还包括一进风装置，该进风装置包括：设置于壳体上部的进风口和设置于壳体下部的出风口，外部气体经进风口进入壳体内，经过加热组件后，由出风口排出。

进一步而言，上述技术方案中，于所述进风口上连接有风道，通过风道将外部气体经进风口送入壳体内。

进一步而言，上述技术方案中，所述风道的进口处设置有风机，或者所述的风道的进口与一具有压缩气体的压缩容器连通。

进一步而言，上述技术方案中，所述风道的进口的口径大于风道的管径；所述的风道的进口内形成多条螺旋风槽。

进一步而言，上述技术方案中，所述的出风口设置于打印头喷嘴的周围。

进一步而言，上述技术方案中，所述的进风装置还包括有一循环风扇，壳体上对应该循环风扇的位置开设有循环风口。

进一步而言，上述技术方案中，所述的壳体内沿打印原料进给路径依次设置有进料口、送料组件、散热组件和所述的加热组件；所述的壳体内还是设置有温度传感器和信号指示灯；所述的散热组件为金属翅片散热器；所述的送料组件为齿轮送料组。

本发明所要解决的第二个技术问题就在于提供一种3D打印头的降温方法。

为了解决上述第二个技术问题，本发明采用了下述技术方案：该3D打印头的降温方法是将外部的气通过风道引入到打印头内部，利用外部的气体气对打印头内部的进行降温；所述的风道通过风机将外部气体引入到打印头内，或者将压缩气体通过风道引入到打印头内；外部气体通过风道由打印头壳体上部设置的进风口进入，经过打印头壳体内部的加热组件后，由壳体下部设置的出风口排出。

进一步而言，上述技术方案中，所述设置于壳体下部的出风口位于打印头喷嘴旁，气体有出风口排出时，将对喷嘴挤出的物料进行冷却降温。

进一步而言，上述技术方案中，所述的进入风道的冷却气体以涡流形式进入。

采用上述技术方案后，本发明可根据需要被用于不同类型的3D打印机。当本发明被用于传统的塑胶材料3D打印机时，其与现有技术相比较具有如下有益效果：

1、本发明于打印头内设置有进风装置，将打印头内加热组件辐射的热量发散到打印头外部，由于进入打印头内部的空气为外部冷空气，而加热组件辐射产生的热量通过出风口排出到打印头外部，所以可以保证打印头内部的温度不至于上升太高，确保打印用热熔胶料带在未进入加热组件之前不会因过热变软或者熔融。

2、本发明通过进风装置将打印头内部的热量排出后，可以对该热量加以利用，打印头内部的热量经过壳体出风口排出口，直接排出在打印头喷口出，该热量将对打印喷出的热熔胶体进行保温，从而防止打印胶体不至于快速固化。同时，打印头是安装在3D打印机的打印腔体内，这样热量就被保留在打印机的打印腔体内，从而可以使打印腔体内的温度保持在在一定温度，可以确保打印时打印头喷出的热熔胶不至于过快固化，有利于打印产品的结构稳固，保证打印质量。

3、本发明通过进风装置将打印头内的热量及时发散，能够有效地保证打印头内部的温度不会太高，同时利用进风装置中的循环风扇将热量实现在打印腔体内的循环流动，使热量能够作用至被打印对象上，保证打印质量。

4、本发明通过进风装置引入的外部气体还可以设置为惰性气体，当惰性气体进入打印头内部时，其不仅具有冷却、散热的效果，并且当惰性气体通过出风口排出时，其还可以对由打印头喷嘴送出的原料(例如低熔点金属)进行保护，防止打印材料在高温下环境下发生氧化等影响打印效果的情况出现。

5、本发明采用的进风装置不仅可以用来对打印头内部进行降温，其还可以直接对打印头喷嘴挤出的原料进行降温，当本发明被用于巧克力等食品3D打印机时，其相对目前的同类产品具有以下优点，本发明可直接采用冷却气体(例如直接通过冷却气体压缩容器来供气)，这些冷却气体通过打印头壳体下方的出口排出时，将直接作用在打印的食品产品上，通过冷却气体的加速冷却，可以令这些固化慢的材料加速固化，从而确保打印的产品造型成型稳固，不至于坍塌，从而可以制作造型更加复杂的食品。

附图说明：

图1是本发明实施例一的立体图；

图2是本发明实施例一的内部结构图；

图3是本发明实施例一与打印机结合的结构示意图；

图4是图3中的局部放大图；

图5是本发明实施例二的内部结构图；

图6是本发明实施例三与打印机结合的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

见图1、2、3、4所示，这是本发明的实施例一，其为一种具有进风装置的3D打印头，该打印头安装于打印机本体6内，打印机本体6内形成一腔体60，打印头于腔体60内作业。打印头采用机械臂62驱动，可以实现X/Y/Z方向上的运行，机械臂62作为已经成熟使用的技术被记载于许多的专利文献中，见专利公告号为US 8621953 B2、US 20120103124 A1、US20120171383 A1、20130049261A1的美国专利文献，其均提出了基于这种机械臂的相关技术方案。这种机械臂相对于一般的水平移动三维机械臂具有速度快，精度高的优点。

腔体60下方安装有打印平台61，打印头通过机械臂62驱动于打印平台61上移动进行打印操作,该打印平台61内部设置有电加热元件，该电加热元件可以采用电热丝、电热片等元件，加热元件用于对打印平台61加热。

所述的打印头包括：壳体1、安装于壳体1内的送料组件2、散热组件5和加热组件3，热熔胶料带8通过送料组件2进入打印头内，并通过加热组件3加热熔融于打印头的喷嘴10送出，以进行打印。打印头内部还安装有一进风装置4，该进风装置4将打印头内部的加热组件3发散出的热量吹出到打印头，并且将热量送入腔体60内，从而确保腔体60内整个打印环境的温度处于一个合理的区间，确保打印用热熔材料实现良好的固化并固为一个整体。

所述的散热组件5为金属翅片散热器，其设置于加热组件3上方，通过散热组件5将加热组件3与送料组件2隔离，防止加热组件3的热量过快传导至送料组件2，影响送料组件2的进料。本实施例中，所述的送料组件2为齿轮送料组，为了保持送料的精准，必须令料带8保持一定的硬度，所以需要通过散热组件5将热量进行发散。

由于散热组件5作用有限，所以本发明增加了进风装置4，该进风装置4包括：设置于壳体1顶部的进风口41、设置于壳体1底部的出风口42、外部空气经进风口41进入壳体1内，并通过将壳体1内的热空气由出风口42排出。

所述的进风口41与料带8的进料口11均设置于壳体1的顶部，所述的出风口42设置于壳体1的底部，出风口42呈环形开设于打印头喷嘴10外部。

进风口41设置于壳体1顶部是为了便于远离热源，令进入的空气温度相对较低。由于打印头被设置在一个相对封闭的腔体60内，所以为了获取温度较低的空气，于所述进风口41上连接有风道43，通过风道43将腔体60外部空气经进风口41送入壳体1内。这样进入打印头内部的气流温度较低，可以获得较好的冷却效果。

根据以上所述，进风装置4为了获得较好的冷却效果，进入风道43内的气流应当足够，为了扩大进风量，本发明采用了以下技术方案。

见图5所示，本实施例二为了获得较好的冷却效果，所述的风道43具有一较大口径进口431，该进口431的口径远大于风道43的管径。同时，在进口431处设置了一个风机45或风扇，通过风机45产生一个鼓风效果，提升空气流量，从而进一步增加打印头内部的散热效果。为了防止气流过大在风道43内产生串动，同时为了减少风噪，所述的风道43的进口431内形成多条螺旋风槽44。外部空气经过螺旋风槽44形成涡流，可以顺利进入风道43。

通过以上所述可以看出，本发明相对于目前的产品，其提出了一种新的3D打印头的降温方法，该方法是将外部的冷空气通过风道43引入到打印头内部，利用外部的冷却气体气对打印头内部的进行降温；所述的风道43通过风机45将外部冷却气体引入到打印头内，或者将压缩冷却气体通过风道43引入到打印头内；外部冷却气体通过风道43由打印头壳体1上部设置的进风口41进入，经过打印头壳体1内部的加热组件3后，由壳体1下部设置的出风口42排出。为了提高进风的流量和流速，所述的进入风道41的气体以涡流形式进入。本方法中，所述设置于壳体1下部的出风口42位于打印头喷嘴10旁，气体由出风口42排出时，将对喷嘴10挤出的物料进行降温。

另外，本发明的进风装置4还包括一循环风扇40，壳体1上对应该循环风扇40的位置开设有循环风口13。该循环风扇40靠近散热组件5，并位于加热组件3的上方，这样不至于影响加热组件3的正常加热，同时也可以防止加热组件3的热量向上辐射到送料组件2，确保料带8在送料组件2时还不会因温度过高变软或熔融。

另外，为了进一步监控打印头，所述的壳体1内还是设置有温度传感器和信号指示灯。

结合图4所示，由于热熔材料3D打印机打印时是一层一层的完成，每层喷涂材料与前面一层喷涂材料是通过材料自身的热熔性固化成一个整体的。如果材料固化的速度过快，当开始打印第二层喷涂材料时，第一层喷涂材料已经完全固化，这样就会导致两层材料之间没有完全固化成一个整体，这将导致最终成型的产品结构强度不够，容易破裂。采用本发明后，热量从打印头内的喷嘴10吹出至腔体60内，但是空气在腔体60内进行循环，使腔体60内整体温度保持一致，具体地：空气循环通过循环风扇40实现腔体60内的空气流动，带动空气沿打印平台61的上下区域经过，使空气循环。同时将打印平台61内部加热元件发散出的热量也在腔体60内空气流动，使腔体60内环境温度提升。

工作时，打印平台61内加热元件开始加热，打印平台61被加热，打印材料的料带8从送料组件2的料管进入打印头内，通过加热组件3加热，实现热熔，热熔后通过喷头喷出于打印平台61上作业，与此同时，进风装置4同时启动。空气由进风口11进入到壳体1内，经过加热组件3后从出风口42吹出，加热组件3辐射的热量被送入腔体61内。空气循环风扇40带动空气沿打印平台61的上下区域经过，使空气循环，将对整个腔体60的环境温度进行加热，如果是打印过程中，热空气将同时对被打印对象进行加热，有效地保持腔体60内的温度，通常腔体内的温度可保持在65°左右，以保证打印质量。

见图6所示，这是本发明的实施例三，本实施例与前面所述的实施例不同之处在于，本实施例需要直接对特殊材料3D打印机进行降温。例如巧克力产品3D打印机。本实施例三的结构与前面实施例类似，所不同的是，其打印头内部根据打印材料的不同无需设置齿轮进料机构。原料通常已经是流体，并通过泵(或者活塞压力)直接泵入打印头内。本实施例三采用进风装置直接对打印头喷嘴挤出的原料进行降温，以巧克力等食品3D打印机为例，本实施例三中的外部冷却气体不再直接采用空气，而是可采用压缩容器7，如图6所示的压缩罐罐装的食品级冷却气体，其温度相对室温更低，并且压缩气体释放时也会吸收大量的热。进一步提高降温效果。这些冷却气体通过打印头壳体下方的出口排出时，将直接作用在打印的巧克力产品上，通过冷却气体的加速冷却，可以令这些固化慢的巧克力材料加速固化，从而确保打印的产品造型成型稳固，不至于坍塌，从而可以制作造型更加复杂的巧克力食品。

本发明不仅具有降温、保温的功效，其还可以用于对打印材料的保护。例如，将本发明通过进风装置4引入的外部气体设置为惰性气体，当惰性气体进入打印头内部时，其不仅具有冷却、散热的效果，并且当惰性气体通过出风口42排出时，其还可以对由打印头喷嘴10送出的原料(例如低熔点金属)进行保护，防止该打印材料在高温下环境下发生氧化等影响打印效果的情况出现。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。