新型3D 打印噴頭組件及打印設(shè)備設(shè)計(jì)研究

羅文科，杜文林，李富華

（1.佛山市順德區(qū)陳村職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東佛山 528000；2.廣州暢德科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

3D 打印即3Dimensional Printing，是一種增材制造技術(shù)。3D打印是20 世紀(jì)80 年代后期發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件控制分層制造成型的技術(shù)。3D打印技術(shù)通常采用數(shù)字技術(shù)打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，3D 打印機(jī)在醫(yī)療、建筑、汽車、航空航天和教育都有廣泛應(yīng)用。常見的3D 打印機(jī)噴頭在多軸平移組件的驅(qū)動(dòng)下，在X、Y 方向或者在X、Y、Z 方向上移動(dòng)，進(jìn)而在不同位置噴出打印耗材，實(shí)現(xiàn)以逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。

1 提出問題

傳統(tǒng)的3D 打印設(shè)備在打印過程中，噴頭常常會(huì)被堵塞，而對(duì)打印裝置上的噴頭進(jìn)行清理非常不方便，導(dǎo)致工作效率低。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種新型3D 打印設(shè)備和噴頭組件。該設(shè)備的噴頭組件能夠方便地從安裝座上拆下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭組件的清洗，有效提升用戶的使用體驗(yàn)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)中通過增加散熱風(fēng)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了打印位置的快速冷卻，從而有效提升打印質(zhì)量。

2 設(shè)備構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備構(gòu)成如圖1～圖4 所示。設(shè)備由基座、連接部、第一裝配部、限位條、定位槽、第一送料通道、限位部、第一連接器、擠料機(jī)構(gòu)、擠出齒輪、擠出輔輪、擠料電機(jī)、安裝座、第二裝配部、第二送料通道、鎖緊件、風(fēng)道、散熱槽、第二連接器、噴頭、送風(fēng)機(jī)構(gòu)、第一風(fēng)機(jī)、第二風(fēng)機(jī)、X 軸導(dǎo)軌、第一滑動(dòng)座、第一驅(qū)動(dòng)桿、Y 軸導(dǎo)軌、第二滑動(dòng)座、第二驅(qū)動(dòng)桿、皮帶平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。基座上設(shè)置有連接部、第一裝配部和第一送料通道，連接部用于與3D 打印設(shè)備的平移組件傳動(dòng)連接。擠料機(jī)構(gòu)設(shè)置在基座上，與第一送料通道連接。安裝座上設(shè)置有第二裝配部，第二裝配部與第一裝配部可拆卸連接。噴頭設(shè)置在安裝座上，與第一送料通道連通。在噴頭堵塞的時(shí)候，可以拆下安裝座，對(duì)噴頭進(jìn)行清理。當(dāng)然，也可以更換設(shè)置配置其他類型噴頭的安裝座，從而實(shí)現(xiàn)更換不同類型的噴頭。噴頭與安裝座通過卡接、螺紋連接的方式連接，可以在不更換安裝座的情況下直接更換噴頭。

圖1 噴頭組件結(jié)構(gòu)

圖2 安裝座結(jié)構(gòu)

圖3 移動(dòng)定位結(jié)構(gòu)

圖4 平移驅(qū)動(dòng)組件和噴頭組件結(jié)構(gòu)

送風(fēng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在安裝座上，向噴頭的噴射路徑上送風(fēng)。由于耗材通常是熱熔材料，送風(fēng)機(jī)構(gòu)對(duì)噴頭噴射耗材的位置送風(fēng)，從而快速冷卻打印完成的位置。為了方便連通第一送料通道與噴頭準(zhǔn)確連通，第一裝配部為設(shè)置在基座上的導(dǎo)向軌道，第二裝配部與第一裝配部滑動(dòng)配合。安裝座上設(shè)置有第二送料通道，第二送料通道與噴頭連通。

安裝座上設(shè)置有若干鎖緊件，當(dāng)?shù)诙b配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動(dòng)穿過安裝座并抵壓第一裝配部。或者，在基座上設(shè)置有若干鎖緊件，當(dāng)?shù)诙b配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動(dòng)穿過基座并抵壓第二裝配部。

在將安裝座安裝在移動(dòng)座上時(shí)，將第一裝配部與第二裝配部滑動(dòng)配合，然后將第二裝配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)，使得第一送料通道與第二送料通道連通，然后移動(dòng)鎖緊件，使得鎖緊件抵壓在第一裝配部，進(jìn)而將第一裝配部和第二裝配部鎖緊，實(shí)現(xiàn)第一送料通道與第二送料通道的相對(duì)固定，也實(shí)現(xiàn)了安裝座和移動(dòng)座的相互鎖緊。拆卸安裝座也可以方便地清理第二送料通道。

擠料機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)計(jì)，其包括擠出齒輪、擠出輔輪和擠料電機(jī)。擠出齒輪和擠出輔輪分別設(shè)置在第一送料通道的兩側(cè)，擠料電機(jī)與擠出齒輪傳動(dòng)連接，擠出齒輪和擠出輔輪轉(zhuǎn)動(dòng)一同將第一送料通道內(nèi)的打印耗材向噴頭推擠。擠料機(jī)構(gòu)也可以采用螺桿結(jié)構(gòu)來(lái)送料。鎖緊件為螺紋鎖緊件，也可采用插銷等。

為了方便用戶確定安裝座相對(duì)移動(dòng)座是否移動(dòng)到位，基座上設(shè)置有限位部。用戶將第二裝配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)后，使第二裝配部抵接限位部，此時(shí)第一送料通道與第二送料通道連通，從而方便用戶確定是否安裝座裝配到位，方便用戶操作。

第一裝配部凸出于基座，其兩側(cè)分別設(shè)置有限位條，使得第一裝配部呈T 形。第二裝配部為滑槽，其形狀與第一裝配部的形狀相匹配，提高第一裝配部和第二裝配部的穩(wěn)定性。安裝座的兩側(cè)分別設(shè)置有鎖緊件，第一裝配部在其導(dǎo)向方向的兩側(cè)分別設(shè)置有定位槽，當(dāng)?shù)诙b配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動(dòng)穿過安裝座，伸入定位槽內(nèi)?；蛘咴诨膬蓚?cè)分別設(shè)置鎖緊件，分別位于第一裝配部的導(dǎo)向方向的兩側(cè)。第二裝配部的兩側(cè)分別設(shè)置有定位槽，當(dāng)?shù)诙b配部相對(duì)第一裝配部滑動(dòng)后，第一送料通道與第二送料通道連通，鎖緊件活動(dòng)穿過基座，伸入定位槽內(nèi)。定位槽和鎖緊件定位配合，避免鎖緊件晃動(dòng)偏移，提高第一送料通道與第二送料通道連通的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中，定位槽設(shè)置在限位條上。

送風(fēng)機(jī)構(gòu)包括第一風(fēng)機(jī)和第二風(fēng)機(jī)，第一風(fēng)機(jī)向噴頭的噴射路徑送風(fēng)，打印位置位于噴頭的噴射路徑上，第一風(fēng)機(jī)對(duì)噴頭噴射到打印位置上的耗材進(jìn)行快速冷卻。由于耗材通常采用的是熱熔耗材，耗材流經(jīng)安裝座時(shí)，很容易導(dǎo)致安裝座溫度過高。第二風(fēng)機(jī)向第二送料通道送風(fēng)，從而對(duì)安裝座位于第二送料通道周圍的部分進(jìn)行冷卻，避免安裝座過熱。

為了引導(dǎo)第一風(fēng)機(jī)的風(fēng)準(zhǔn)確吹向指定的位置，安裝座內(nèi)設(shè)置有多個(gè)風(fēng)道。多個(gè)風(fēng)道圍繞噴頭布置，出風(fēng)方向朝向噴頭的噴射路徑。風(fēng)機(jī)與風(fēng)道一一對(duì)應(yīng)連通，對(duì)打印位置上的耗材進(jìn)行快速冷卻。

為了提高安裝座的散熱性能，安裝座上設(shè)置有多個(gè)散熱槽，散熱槽圍繞第二送料通道布置，第二風(fēng)機(jī)朝向第二送料通道和散熱槽送風(fēng)，從而對(duì)安裝座進(jìn)行散熱。為了方便送風(fēng)機(jī)構(gòu)接電，在一些可選的實(shí)施方式中，基座上設(shè)置有第一連接器，安裝座上設(shè)置有第二連接器，第二連接器與送風(fēng)機(jī)構(gòu)電連接，第一連接器與第二連接器電連接。

在本設(shè)計(jì)中，第一連接器為插拔式的接線端子的母頭，第二連接器為插拔式的接線端子的公頭。3D 打印設(shè)備包括：機(jī)架、平移驅(qū)動(dòng)組件以及上述噴頭組件。平移驅(qū)動(dòng)組件設(shè)置在機(jī)架上，與噴頭組件的連接部連接，平移驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)3D 打印的噴頭組件的基座平移。平移驅(qū)動(dòng)組件為2 軸平移驅(qū)動(dòng)組件，其包括設(shè)置在機(jī)架上的X 軸導(dǎo)軌、與X 軸導(dǎo)軌連接的第一滑動(dòng)座、設(shè)置在第一滑動(dòng)座上的第一驅(qū)動(dòng)桿、設(shè)置在機(jī)架上的Y 軸導(dǎo)軌、與Y軸導(dǎo)軌連接的第二滑動(dòng)座、設(shè)置在第二滑動(dòng)座上的第二驅(qū)動(dòng)桿以及2 個(gè)皮帶平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。第一驅(qū)動(dòng)桿沿Y 軸方向延伸，第二驅(qū)動(dòng)桿沿X 軸方向延伸，2 個(gè)皮帶平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別與第一滑動(dòng)座和第二滑動(dòng)座傳動(dòng)連接。連接部位設(shè)置在基座上的第一通孔和第二通孔，第一驅(qū)動(dòng)桿穿過第一通孔，第二驅(qū)動(dòng)桿穿過第二通孔，皮帶平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第一滑動(dòng)座沿X 軸移動(dòng)時(shí)，第一滑動(dòng)座通過第一驅(qū)動(dòng)桿推動(dòng)基座沿X 軸移動(dòng)，此時(shí)基座通過第二通孔沿著第二驅(qū)動(dòng)桿滑動(dòng)，皮帶平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第二滑動(dòng)座沿Y 軸移動(dòng)時(shí)，第二滑動(dòng)座通過第二驅(qū)動(dòng)桿推動(dòng)基座沿Y軸移動(dòng)，此時(shí)基座通過第一通孔沿著第一驅(qū)動(dòng)桿滑動(dòng)。

3 設(shè)備工作流程

3.1 操作流程

本設(shè)計(jì)的具體操流程是通過基座對(duì)擠料機(jī)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，設(shè)備啟動(dòng)后，3D 打印材料從第一送料通道進(jìn)入3D打印設(shè)備的擠料機(jī)構(gòu)，然后擠料點(diǎn)擊通過齒輪帶動(dòng)擠料齒輪和輔輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將3D 打印材料通過第二送料通道送到3D打印設(shè)備的噴頭。在這過程中，位于安裝結(jié)構(gòu)的第一風(fēng)機(jī)和第二風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。其中第一風(fēng)機(jī)朝向噴頭的噴射路徑進(jìn)行送風(fēng)，使讓噴頭噴射在打印位置的材料快速冷卻。第二風(fēng)機(jī)朝向第二輸料通道進(jìn)行送風(fēng)，來(lái)對(duì)第二輸料通道進(jìn)行降溫，防止安裝座過熱。在噴料的過程中平移驅(qū)動(dòng)組件通過X 軸軌道和Y 軸軌道移動(dòng)位置，通過第一驅(qū)動(dòng)桿來(lái)驅(qū)動(dòng)3D 打印設(shè)備在X 軸方向移動(dòng)，通過第二驅(qū)動(dòng)桿來(lái)驅(qū)動(dòng)3D 打印設(shè)備在Y 軸方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)增材打印。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的3D 打印設(shè)備的噴嘴位置為可拆卸的形式，設(shè)備在進(jìn)行工作的過程中如果噴嘴發(fā)生堵塞的情況，可以及時(shí)將安裝結(jié)構(gòu)從3D 打印設(shè)備取下清理。在噴嘴口通過風(fēng)機(jī)送風(fēng)的方式來(lái)降低打印位置的溫度，使打印位置能夠快速冷卻，有效提升打印的質(zhì)量和效率。同時(shí)通過風(fēng)機(jī)對(duì)第二輸料通道進(jìn)行降溫處理，能夠有效降低設(shè)備在工作過程中的溫度，使設(shè)備處于正常工作的溫度范圍內(nèi)，從而保證設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備溫度過高而無(wú)法繼續(xù)工作的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型3D 打印噴頭組件和打印設(shè)備，能夠有效地解決傳統(tǒng)3D 打印設(shè)備在工作過程中容易出現(xiàn)的噴嘴堵塞問題，有效提升3D 打印設(shè)備的打印效率。同時(shí)將噴嘴位置設(shè)計(jì)成可拆卸的模式，使用戶可以更加方便地清理打印設(shè)備的噴嘴位置。