一種直徑可控的3d打印機的噴頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種3D打印機的噴頭，用以實現(xiàn)3D打印設(shè)備噴出的耗材的尺寸及噴射方向的細微調(diào)節(jié)。該打印頭包含進給物料的管路(13)，管路末端為出口。管路中設(shè)置有用于改變噴口尺寸和方向的控制機構(gòu)(16)。本發(fā)明的控制機構(gòu)可以是布置于噴口外圍的致動器(16)，也可以是安置于噴口內(nèi)側(cè)的阻塞材料（27）與安裝在外圍的致動器（26）的組合。所述的致動器和阻塞材料均為電致伸縮材料或磁致伸縮材料制成。本申請實施例可以根據(jù)3D打印的需要實時改變噴出物料的尺寸，同時還可以對噴射方向進行細微調(diào)節(jié)。
【專利說明】-種直徑可控的3D打印機的噴頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種直徑可控的3D打印機的噴頭，應(yīng)用于3D打印設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬 或塑料等可粘合材料通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。近年來3D打印逐漸被用于一些產(chǎn) 品的直接制造，目前已經(jīng)有應(yīng)用3D打印技術(shù)而制造出的零部件。這項技術(shù)在工業(yè)設(shè)計、汽 車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等行業(yè)中得以應(yīng)用。
[0003] 3D打印設(shè)備通過噴嘴將打印物料打印在工作平臺之上，當(dāng)打印精細結(jié)構(gòu)時需要口 徑較小的噴嘴，而打印較大面積時就需要大口徑的噴嘴。同時在打印一些結(jié)構(gòu)時，打印頭方 向的細微調(diào)節(jié)可以減少工作平臺或打印頭整體的移動，提高打印速度。但是目前3D打印設(shè) 備的噴嘴的方向和大小是固定的，這種結(jié)構(gòu)限制了 3D打印的應(yīng)用范圍。
[0004] 電至伸縮效應(yīng)是一種機電耦合效應(yīng)，它是指當(dāng)外電場作用于電介質(zhì)上時，電介質(zhì) 產(chǎn)生的應(yīng)變正比于電場強度或極化強度的平方的現(xiàn)象。其應(yīng)變的表達式為 ：
[0005]S=ME2
[0006] 式中S-應(yīng)變；
[0007]E--電場強度（V/m)
[0008]M--電致伸縮系數(shù)（m2/V2)
[0009] 磁致伸縮效應(yīng)是指一些磁性材料在外磁場的作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉 外磁場后，其又恢復(fù)到原始長度的現(xiàn)象。其應(yīng)變公式為：
[0010]S=KB2
[0011] 式中S-應(yīng)變；
[0012]B--磁感應(yīng)強度（T)
[0013]K--比例系數(shù)，是磁感應(yīng)強度B的函數(shù)
[0014] 磁致伸縮材料和電致伸縮材料的應(yīng)變與伸縮量的關(guān)系式為：
[0015]AL=SL
[0016] 式中AL--伸縮量；
[0017]S--應(yīng)變；
[0018]L--原始長度；
[0019] 針對現(xiàn)有3D打印噴頭的不足，利用電致伸縮材料和磁致伸縮材料在電場或磁場 作用下產(chǎn)生形變的特性，本發(fā)明提出一種3D打印設(shè)備的噴頭實現(xiàn)3D打印設(shè)備噴嘴大小和 方向的精細調(diào)節(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明的目的是提供一種直徑可控的3D打印機的噴頭，有助于解決目前3D打印 頭調(diào)控不便等問題。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種直徑可控的3D打印機的噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)，包括用 以進給物料的管路及連接于管路出料端上的噴頭，其特征在于：所述噴口的四周外側(cè)分別 鉸接有一片用以控制噴口大小的收斂片，所述收斂片分別經(jīng)各自的致動器連接于打印機的 機架上。
[0022] -種直徑可控的3D打印機的噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)，包括用以進給物料的管路及連 接于管路出料端上的噴頭，其特征在于：包括所述噴口的四周內(nèi)側(cè)設(shè)有控制噴口尺寸的伸 縮材料和，所述噴口的外側(cè)設(shè)有連接于打印機機架上且用以控制噴口方向的致動器。
[0023] 其中，所述的致動器為電致伸縮材料致動器，所述電致伸縮材料致動器包含用以 產(chǎn)生驅(qū)動電致伸縮材料的電場的電極（611)，電致伸縮材料（612)，襯底（613)，電極支撐 (615)以及傳動桿（614)，所述電致伸縮材料在機械結(jié)構(gòu)上采用串聯(lián)形式，在電路結(jié)構(gòu)上使 用并聯(lián)形式。
[0024] 或者，所述的致動器為磁致伸縮材料致動器，所述磁致伸縮材料致動器包含磁致 伸縮材料（622)，殼體（623)，用以產(chǎn)生驅(qū)動磁致伸縮材料的磁場的線圈（621)和傳動桿 (624)。
[0025] 所述管路包含有加熱段、進給段、噴口，位于加熱段外圍設(shè)置有用以對物料進行加 熱的加熱元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的3D打印噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造示意圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明的3D打印噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的3D打印噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造示意圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明的3D打印噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
[0030] 圖5是電致伸縮材料致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖6是電致伸縮材料致動器的截面示意圖。
[0032] 圖7是磁致伸縮材料致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖8a_8b是本發(fā)明的3D打印噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)使用電致伸縮材料致動器
[0034] 圖9a_9b是本發(fā)明的3D打印噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)使用磁致伸縮材料致動器
[0035] 圖10a-10b是本發(fā)明的3D打印噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)使用電致伸縮材料。
[0036] 圖1la-1lb是本發(fā)明的3D打印噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)使用磁致伸縮材料。
[0037] 上述圖中編號的方式如下：
[0038] 2位編碼的第一位是結(jié)構(gòu)類型代碼，1代表推拉式結(jié)構(gòu)，2代表阻塞式結(jié)構(gòu)；第二位 是結(jié)構(gòu)號，代表相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。例如11代表3推拉式結(jié)構(gòu)的外殼，21代表阻塞式結(jié)構(gòu)的外殼。
[0039] 3位編碼的第一位是器件代碼，與2位編碼的第二位對應(yīng)，例如6代表是致動器； 第二位是伸縮材料代碼，1代表電至伸縮材料，2代表磁致伸縮材料；第三位是部件編號，分 別代表不同的部件。例如611代表電致伸縮材料致動器的電極，621代表磁致伸縮材料致動 器的線圈。
[0040] 4位編碼的第一位是實施例編號；第二位是結(jié)構(gòu)類型代碼，1代表推拉式結(jié)構(gòu)，2代 表阻塞式結(jié)構(gòu)；第三位是材料類型代碼，1代表電致伸縮材料，2代表磁致伸縮材料；第四位 是部件編號，分別代表不同的部件。例如1111代表實施例一的3D打印噴頭的外殼。

【具體實施方式】
[0041] 為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，結(jié)合附圖作詳細 說明如下。
[0042] 本發(fā)明提供了一種3D打印設(shè)備的噴頭，其特征在于這種噴頭具有阻塞式和推拉 式兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
[0043] 圖1和圖2所示為本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)，其特征在于： 包括
[0044] -外殼（11);
[0045]-支座（12)，與外殼（11) 一體，用以支撐控制機構(gòu)（16);
[0046]-進給物料的管路（13);
[0047]-加熱設(shè)備（14)，設(shè)置于管路（13)的前段，用于軟化進給的物料；
[0048]-控制機構(gòu)（16)，設(shè)置于管路（13)的末端外圍，用于改變噴口尺寸和方向；
[0049] _收斂片（15)，管路（13)的末端，可以在一定方向和一定范圍內(nèi)擺動，收斂片（15) 之間使用柔性材料（17)連接；
[0050]本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的推拉式結(jié)構(gòu)的控制機構(gòu)（16)，其特征在于：控 制機構(gòu)（16)為電致伸縮材料或磁致伸縮材料制成的微致動器（16)，微致動器（16)對稱布 置于噴口外圍。微致動器（16) -端剛性連接于打印噴頭外殼（11)的支座（12)上，另一端 鉸接與收斂片（15)上。
[0051] 圖3和圖4所示為本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)，其特征在于： 包括
[0052] -外殼（21);
[0053]-支座（22)，與外殼（21) -體，用以支持偏轉(zhuǎn)機構(gòu)（26);
[0054] -管路（23);
[0055]-加熱設(shè)備（24)，設(shè)置于管路（23)前段，用于軟化進給的物料；
[0056]-阻塞材料（27)，安裝在管路（23)最末端的內(nèi)側(cè)，用于調(diào)節(jié)噴口大小，表面具有保 護層；
[0057]-偏轉(zhuǎn)機構(gòu)（26)，安裝在支座（22)上，用于改變噴口的方向；
[0058]-電極或線圈（28)，安裝在與阻塞材料（27)對應(yīng)的殼體（21)上，用于為阻塞材料 (27)提供電場或磁場；
[0059]本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)的管路（23)，其特征在于，在管路 中段由一圈柔性材料連接（25)，使噴口可以在偏轉(zhuǎn)機構(gòu)（26)的作用下偏轉(zhuǎn)。
[0060] 本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)的阻塞材料（27)，其特征在于，阻 塞材料（27)為電致伸縮材料或磁致伸縮材料。
[0061]本發(fā)明提供的3D打印設(shè)備的噴頭的阻塞式結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)機構(gòu)（26)，其特征在于，偏 轉(zhuǎn)機構(gòu)（26)為電致伸縮材料或磁致伸縮材料制成的微致動器。
[0062] 本發(fā)明所涉及的致動器，其特征在于，使用電致伸縮材料或磁致伸縮材料作為伸 縮器件，分別稱為電致伸縮材料致動器（如圖5和圖6所示）和磁致伸縮材料致動器（如 圖7所示）。每個致動器均單獨供電。
[0063]圖5和圖6所示為本發(fā)明所述的電致伸縮材料致動器的電致伸縮材料，其特征在 于，在機械結(jié)構(gòu)上串聯(lián)，在電路結(jié)構(gòu)上并聯(lián)，這種方式克服了單片電致伸縮材料應(yīng)變過小的 缺點；電致伸縮材料時應(yīng)選擇電致伸縮系數(shù)較大的材料。
[0064]圖7所示為本發(fā)明所述的磁致伸縮材料致動器的磁致伸縮材料，其特征在于，磁 致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)較大。
[0065]圖5和圖6所示的本發(fā)明所述的電致伸縮材料致動器，其特征在于，包含：
[0066]-電極（611)，設(shè)置在垂直于伸縮方向的方向，用于產(chǎn)生電致伸縮材料（612)所需 的電場；
[0067] _電極支撐材料（615);
[0068] _電致伸縮材料（612)，安裝在電極（611)和電極支撐材料（615)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)內(nèi)， 多片串聯(lián)；
[0069] -基座（613);
[0070] -傳動桿（614);
[0071] 圖7所示的本發(fā)明所述的磁致伸縮材料致動器，其特征在于，包含：
[0072]-磁致伸縮材料（622);
[0073] -外殼（623);
[0074]-線圈（621)，安裝在外殼（623)上，用于提供磁致伸縮材料（622)所需的磁場；
[0075] -傳動桿（624);
[0076] 本發(fā)明還提供一種3D打印噴頭大小和方向的控制方式，其特征在于，物料在輸送 至出口并由出口打印至工作平臺上時，其大小由出口的大小決定，其方向出口偏轉(zhuǎn)方向決 定，即本打印設(shè)備的出口對于打印物料最終的大小和打印方向具有決定作用。
[0077] 伸縮式結(jié)構(gòu)的控制方式為：當(dāng)向相對布置的致動器（16)加相同電壓時，其伸縮量 一至，收斂片（15)同步動作，出口的大小發(fā)生改變。當(dāng)向相對布置的致動器（16)加不同電 壓時，其伸縮量不一致，收斂片（15)動作存在差異，出口中心的方向發(fā)生改變，同時噴口的 大小發(fā)生改變。
[0078] 阻塞式結(jié)構(gòu)的控制方式為：向相對布置的電極或線圈（28)加電壓時，阻塞材料 (27)在電場或磁場的作用下，產(chǎn)生形變。這種形變阻塞了噴口的一部分空間，實現(xiàn)了噴口大 小的調(diào)節(jié)。偏轉(zhuǎn)方式為在對置的致動器（26)上加上不同的電壓，致動器（26)產(chǎn)生不同形 變，噴口中心實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。
[0079] 在所附示意圖中，為了表示清楚放大了各個結(jié)構(gòu)，但作為示意圖不應(yīng)該被認為嚴 格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。參考圖是本發(fā)明的理想化實施例的示意圖，本發(fā)明所示的 實施例不應(yīng)該被認為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀，在本發(fā)明所屬的領(lǐng)域之內(nèi)，可以 依照本發(fā)明的精神和范圍對實施的形式和細節(jié)進行修改和變化。本發(fā)明的專利保護范圍， 應(yīng)以所附權(quán)利要求書界定的范圍為準。
[0080] 實施例一
[0081] 如圖8所示，圖8為本發(fā)明推拉式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例中的致動器使用的 是電致伸縮材料致動器。采用的推拉式結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如下：
[0082] -外殼（1111);
[0083]-支座（1112)，與外殼（1111) 一體，用以支撐控制機構(gòu)（1116);
[0084]-進給物料的管路（1113);
[0085]-加熱設(shè)備（1114)，設(shè)置于管路（1113)的前段，用于軟化進給的物料；
[0086]-控制機構(gòu)（1116)，設(shè)置于管路（1113)的末端外圍，用于改變噴口尺寸和方向；
[0087] _收斂片（1115)，管路（1113)的末端，可以在一定方向和一定范圍內(nèi)擺動，收斂片 之間使用柔性材料（1117)連接；
[0088] 本實施例使用的電致伸縮材料是PMN基弛豫鐵電體（1-y) [ (1-x) PMN-xPT]-yW03(x= 0? 1 ?0? 13，y= 0? 01 ?0? 015)，其電致伸縮系數(shù)為 8. 6Xl(T16m2/V2。 電致伸縮材料致動器（1116)由8片上述電致伸縮材料構(gòu)成伸縮器件，每片電致伸縮材料厚 度為2臟，高度為1臟，寬度為1mm。電致伸縮材料致動器（1116)的電極（611)間距為1mm。 電致伸縮材料致動器的具體結(jié)構(gòu)如下：
[0089]-電極（611)，設(shè)置在垂直于伸縮方向的方向，用于產(chǎn)生電致伸縮材料所需的電 場；
[0090] _電極支撐材料（615);
[0091] -電致伸縮材料（612)，安裝在電極（611)和電極支撐材料（615)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)內(nèi)， 多片串聯(lián)；
[0092] -基座（613);
[0093]-傳動桿（614);
[0094]本實施例使用4片收斂片（1115)，每片收斂片（1115)連接一個電致伸縮材料致動 器（1116)，4片收斂片（1115)形成一個矩形。
[0095] 在4個電致伸縮材料致動器（1116)的電極（611)上均加上190V電壓，此時4個 電致伸縮材料致動器（1116)每個都會產(chǎn)生相同的伸長量（AL)，實現(xiàn)噴口大小在每個方向 上縮小2AL。AL的具體計算如下：
[0096] 在電極（611)上加上190V電壓時，極板間產(chǎn)生的電場強度（E)為

【權(quán)利要求】
1. 一種直徑可控的3D打印機的噴頭，包括用以進給物料的管路（13)及連接于管路出 料端上的噴頭，其特征在于：所述噴口的四周外側(cè)分別鉸接有一片用以控制噴口大小的收 斂片（16)，所述收斂片（16)分別經(jīng)各自的致動器（16)連接于打印機的機架上。
2. -種直徑可控的3D打印機的噴頭，包括用以進給物料的管路（23)及連接于管路出 料端上的噴頭，其特征在于：所述噴口的四周內(nèi)側(cè)設(shè)有控制噴口尺寸的伸縮材料（27)，所 述噴口的外側(cè)設(shè)有連接于打印機機架上且用以控制噴口方向的致動器（26)，所述伸縮材料 的表面具有保護層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直徑可控的3D打印機的噴頭，其特征在于：所述的 致動器（16)為電致伸縮材料致動器，所述電致伸縮材料致動器包含用以產(chǎn)生驅(qū)動電致伸 縮材料（612)的電場的電極（611)，電致伸縮材料（612)，襯底（613)，電極支撐（615)以及 傳動桿（614)，所述電致伸縮材料（612)在機械結(jié)構(gòu)上采用串聯(lián)形式，在電路結(jié)構(gòu)上使用并 聯(lián)形式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直徑可控的3D打印機的噴頭，其特征在于：所述的 致動器（26)為磁致伸縮材料致動器，所述磁致伸縮材料致動器包含磁致伸縮材料￠22)， 殼體（623)，用以產(chǎn)生驅(qū)動磁致伸縮材料（622)的磁場的線圈（621和傳動桿（624)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直徑可控的3D打印機的噴頭，其特征在于：所述管 路（13, 23)包含有加熱段、進給段、噴口，位于加熱段外圍設(shè)置有用以對物料進行加熱的加 熱元件（14，24)。
【文檔編號】B22F3/115GK104441651SQ201410237592
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月31日
【發(fā)明者】郭太良, 周雄圖, 葉蕓, 張啟飛, 林毅斌 申請人:福州大學(xué)