3D打印头及设置有该打印头的打印机以及打印方法与流程

本发明涉及3d打印增材制造技术领域，尤其涉及一种3d打印头及设置有该打印头的打印机以及打印方法。

背景技术：

3d打印机是快速成型技术的一种设备，它是一种以数字模型文件为基础，以粉末状金属或塑料等可粘接性材料，通过逐层打印方式来构建物体的技术。

例如，熔融沉积型技术(fdm)是目前增材打印制造的主流技术之一。它利用热塑性材料(abs或pla)的热熔性、粘接性，将热塑性材料在挤出机构内加热成熔融态。挤出机构在设定程序控制下，沿着模型轮廓轨迹进行x-y平面运动和高度z方向运动，打印材料被挤出后固化，并与周围材料粘接，每一个层面都是在上一层层面上堆积而成，直至按模型层层堆积完成为止。

现有工业级熔融沉积型打印设备存在的主要技术不足有：

一是现有pla材料密度大，介于1.3kg/m3；材料为实心结构，打印产品质量重；二是现有技术材料为实心结构，打印产品热量散失不完全，内部应力较大，存在翘曲和变形；三是由于实心材料，打印耗材量大，打印成本较高。

而且使用常规的打印头连接超临界流体，存在超临界流体混合进入到材料中的量有限，也就是形成的微孔量较少，而且容易造成材料在混合处滞留，混合效果欠佳。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种3d打印头及设置有该打印头的打印机以及打印方法，本发明公开的一个方面解决的一个技术问题是，一方面解决了熔融沉积型打印产品实心造成问题，另一方面提高了超临界流体进入材料的混入量，同时提高效率。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：

一种3d打印头，包括容纳腔、螺杆、超临界流体输送装置、驱动装置、入料装置、加热装置、出料头，容纳腔的一端设置有出料头，容纳腔内设置有螺杆，驱动装置驱动螺杆转动，入料装置与容纳腔连通，且为容纳腔供物料，加热装置设置在容纳腔或者螺杆上，即使得容纳腔中的物料被加热，超临界流体输送装置与容纳腔连通，向容纳腔中输入超临界流体，容纳腔中的容纳空间由超临界流体输送装置与容纳腔的连通处向出料头方向增加。

优选的，所述容纳腔和所述螺杆中的至少一个为直径渐变状，即所述容纳腔中的容纳空间由所述超临界流体输送装置与所述容纳腔的连通处向所述出料头方向渐变增加。

优选的，所述容纳腔中容纳空间由所述超临界流体输送装置与所述容纳腔连通处向出料头方向的增加量，与单位体积物料中要混入的超临界流体的量成正相关。

优选的，所述螺杆外周设置有螺旋槽，且螺旋槽的槽深由入料装置一端向出料头一端逐渐变浅。

优选的，所述出料头包括混匀段、收缩段和突出段，混匀段与容纳腔连通，混匀段的下游设置有直径渐变收缩的收缩段，收缩段的末端设置有向外延伸的突出段，混匀段包括正向叶轮和反向叶轮中的至少一个，正向叶轮和反向叶轮中的至少一个设置在混匀段中，向出料口运动的物料驱动正向叶轮顺时针旋转，且驱动反向叶轮逆时针旋转。

优选的，所述正向叶轮与所述反向叶轮相邻设置；所述正向叶轮包括正向叶片，正向叶片扭转180°～270°；所述反向叶轮包括反向叶片，反向叶片扭转180°～270°；所述出料头的突出段由铜材料制成，且所述突出段向外延伸1～5毫米。

优选的，所述加热装置设置在所述入料装置与容纳腔连通处和出料头之间；所述入料装置为容纳腔供pla颗粒；所述螺杆外周镀有聚四氟乙烯。

优选的，所述超临界流体输送装置包括超临界流体发生装置和可控式注射器，流体发生装置通过可控式注射器连通容纳腔，所述超临界流体输送装置为等压式超临界流体装置，且输出的是超临界二氧化碳流体。

一种3d打印机，使用上述3d打印头。

一种3d打印机的工作方法，使用上述3d打印机进行增材打印。

优选的，根据出料口挤出材料的密度值，改变所述超临界流体输送装置与所述容纳腔连通处相对应的所述螺杆向出料头方向的渐变收缩量，进而调节用于容纳超临界流体和物料混合物的空间。

优选的，当需要挤出物料时，驱动电机驱动螺杆正转，将物料挤出；当不需要物料挤出时，驱动电机驱动螺杆反转，将物料保留在容纳腔中。

由上述技术方案可知，本发明公开的一个方面带来的一个有益效果是，改进了工业级熔融沉积型打印设备存在的不足，向打印材料中输入超临界流体，降低了现有打印出来产品的材料密度大，密度为原实心材料的20-50％，打印产品质量轻便很多，也降低了打印成本，费用缩减了16-20％。另一方面印产品热量均匀且迅速，内部应力降低，有效抑制打印翘曲和变形，提升了打印产品成型质量。同时提高超临界流体混合进入到材料中的量，提升微孔形成率，也使得打印更为流畅便捷，提高打印效率。

附图说明

附图1是根据本发明公开的一种实施方式的3d打印头的结构示意图。

附图2是根据本发明公开的另一种实施方式的3d打印头的结构示意图。

附图3是根据本发明公开的一个方面的3d打印头出料头混匀段的剖视图。

图中：容纳腔10、螺杆20、螺旋槽21、超临界流体输送装置30、超临界流体发生装置31、可控式注射器32、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70、混匀段71、正向叶轮710、反向叶轮711、收缩段72、突出段73。

具体实施方式

结合本发明的附图，对发明实施例的一个技术方案做进一步的详细阐述。

实施例1:

一种3d打印头，包括容纳腔10、螺杆20、超临界流体输送装置30、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70，容纳腔10的一端设置有出料头70，容纳腔10内设置有螺杆20，驱动装置40驱动螺杆20转动，入料装置50与容纳腔10连通，且为容纳腔10供物料，加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，即使得容纳腔10中的物料被加热，超临界流体输送装置30与容纳腔10连通，向容纳腔10中输入超临界流体，容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向增加。

其中容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向增加，具体的增加方式可以是阶段性递增，即这段容纳腔10的空间成阶梯状增加；也可以是渐变递增，即这段容纳空间成弧形或者锥形状增加；或者是不规则递增，即这段容纳空间每段的递增率都不同；甚至可以是在这段容纳空间递增的中间插入骤减的阻挡段，以提高混合效率。

向3d打印头中输入超临界流体，从而获得含有微孔的打印材料，但是如果不改变容纳腔10的状况，直接输入超临界流体存在两个情况，一个是输入的超临界流体使得之前的打印材料流速忽然变缓，物料流动不顺畅，存在阻塞状况；一个是输入的超临界流体混入的效率不高，因为空间限制，导致超临界流体混入的比例十分有限。所以本申请从超临界流体流入处之后就开始使得容纳空间递增，一方面使得容纳腔10中增加了流入的超临界流体所占空间，而使得物料流速不受太大影响，从而打印流畅，不存在阻塞情况；另一方面，空间的逐渐增大，利于超临界流体发泡，使得超临界流体混入的效率大大提高。

实施例2：

参照附图1所示，

一种3d打印头，包括容纳腔10、螺杆20、超临界流体输送装置30、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70，容纳腔10的一端设置有出料头70，容纳腔10内设置有螺杆20，驱动装置40驱动螺杆20转动，入料装置50与容纳腔10连通，且为容纳腔10供物料，入料装置50是pvc透明钢丝管，加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，即使得容纳腔10中的物料被加热，超临界流体输送装置30与容纳腔10连通，向容纳腔10中输入超临界流体，容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向渐变增加。且容纳腔10中容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10连通处向出料头70方向的增加量与单位体积物料中要混入的超临界流体的量成正相关。

根据制作产品需要的物料密度，决定超临界流体的注入量以及由超临界流体输送装置30与容纳腔10连通处向出料头70方向的增加量，根据需要更换螺杆20，由此可以高效打印出密度不同的产品。

实施例3：

参照附图2所示，

一种3d打印头，包括容纳腔10、螺杆20、超临界流体输送装置30、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70，容纳腔10的一端设置有出料头70，容纳腔10内设置有螺杆20，驱动装置40驱动螺杆20转动，入料装置50与容纳腔10连通，且为容纳腔10供物料，入料装置50是pvc透明钢丝管，加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，即使得容纳腔10中的物料被加热，超临界流体输送装置30与容纳腔10连通，向容纳腔10中输入超临界流体，容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向渐变增加。且容纳腔10中容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10连通处向出料头70方向的增加量与单位体积物料中要混入的超临界流体的量成正相关。

其中，螺杆20外周设置有螺旋槽21，且螺旋槽21的槽深由入料装置50一端向出料头70一端逐渐变浅。

这种加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，并且螺旋槽21渐变的设置，使得前段的物料加热段，螺杆20与容纳腔10之间的空间较小，但是螺旋槽21深较深，螺杆20和容纳腔10均被加热，这种设置一方面提高了物料的容纳空间，另一方面提高了物料接触的加热面，使得尽量多的物料被有效加热，随着螺旋槽21的逐渐变浅，增加了熔融材料的挤出压力，保证其基础量。这种渐变设置，加快了单位物料的加热速度，并且保证后期挤出压力，不会造成空洞，提高了打印效率和打印质量。

实施例4：

一种3d打印头，包括容纳腔10、螺杆20、超临界流体输送装置30、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70.

容纳腔10的一端设置有出料头70，容纳腔10内设置有螺杆20，驱动装置40驱动螺杆20转动，入料装置50与容纳腔10连通，且为容纳腔10供物料，入料装置50是pvc透明钢丝管，加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，即使得容纳腔10中的物料被加热，超临界流体输送装置30与容纳腔10连通，向容纳腔10中输入超临界流体。

容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向渐变增加。且容纳腔10中容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10连通处向出料头70方向的增加量与单位体积物料中要混入的超临界流体的量成正相关。

其中，螺杆20外周设置有螺旋槽21，且螺旋槽21的槽深由入料装置50一端向出料头70一端逐渐变浅。

出料头70包括混匀段71、收缩段72和突出段73，混匀段71与容纳腔10连通，混匀段71的下游设置有直径渐变收缩的收缩段72，收缩段72的末端设置有向外延伸的突出段73，出料头70的突出段73由铜材料制成，且所述突出段73向外延伸1～5毫米。

混匀段71包括正向叶轮710和反向叶轮711中的至少一个，正向叶轮710和反向叶轮711中的至少一个设置在混匀段71中，正向叶片扭转180°～270°；所述反向叶轮711包括反向叶片，反向叶片扭转180°～270°。向出料口运动的物料驱动正向叶轮710顺时针旋转，且驱动反向叶轮711逆时针旋转。参照附图3所示，正向叶轮710与所述反向叶轮711相邻设置，以混合的更均匀。

这种带有混匀段71的打印头，尤其是正向叶轮710和反向叶轮711相邻设置的时候，相比较那种单纯正向叶轮710或者单纯反向叶轮711的，物料混合效率显著提高很多。

实施例5：

一种3d打印头，包括容纳腔10、螺杆20、超临界流体输送装置30、驱动装置40、入料装置50、加热装置60、出料头70.

容纳腔10的一端设置有出料头70，容纳腔10内设置有螺杆20，驱动装置40驱动螺杆20转动，入料装置50与容纳腔10连通，且为容纳腔10供物料pla颗粒，入料装置50是pvc透明钢丝管，加热装置60设置在容纳腔10或者螺杆20上，即使得容纳腔10中的物料被加热，设置在容纳腔10上的加热装置60位于入料装置50与容纳腔10连通处和出料头70之间，设置在螺杆20上的加热装置60，使得螺杆20整体发热。

容纳腔10中的容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10的连通处向出料头70方向渐变增加。且容纳腔10中容纳空间由超临界流体输送装置30与容纳腔10连通处向出料头70方向的增加量与单位体积物料中要混入的超临界流体的量成正相关。

超临界流体输送装置30与容纳腔10连通，超临界流体输送装置30包括超临界流体发生装置31和可控式注射器32，流体发生装置通过可控式注射器32连通容纳腔10，可控式注射器32向容纳腔10中精准提供超临界流体。超临界流体输送装置30为等压式超临界流体装置，且输出的是超临界二氧化碳流体。

实施例6：

一种3d打印机，是一种使用实施例1～实施例5中任意一种3d打印头的打印机。

实施例7：

一种3d打印机的工作方法，是使用实施例6所述的打印机进行增材打印的工作方法。

实施例8：

一种3d打印机的工作方法，是使用实施例6所述的打印机进行打印的工作方法。

根据出料口挤出材料的密度值，改变所述超临界流体输送装置30与所述容纳腔10连通处相对应的所述螺杆20向出料头70方向的渐变收缩量，进而调节用于容纳超临界流体和物料混合物的空间。

当需要挤出物料时，驱动电机驱动螺杆20正转，将物料挤出；当不需要物料挤出时，驱动电机驱动螺杆20反转，将物料保留在容纳腔10中。