一种3d打印磁性零件的双喷头装置及其工作方法
阅读说明：本技术 一种3d打印磁性零件的双喷头装置及其工作方法 (Double-nozzle device for 3D printing of magnetic parts and working method thereof ) 是由 徐志强 陈�峰 唐志发 王晓东 陈柯文 薄新谦 姜胜强 张高峰 于 2021-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种3D打印磁性零件的双喷头装置及其工作方法。包括升降机构、升降平台、充磁线圈和两个挤出头。其中,一个挤出头固定在升降机构上,另一个挤出头固定在升降平台上,升降机构可实现升降平台的Z向移动。本发明采用边打印边充磁的方式,打印过程中可以快速改变充磁方向,实现对充磁区域和充磁方向的控制。同时,本发明采用两个挤出头,分别采用适合打印的聚合物和复合材料(聚合物和磁性颗粒)的打印丝,可以实现只有复合材料打印的部分被充磁,而用聚合物打印的部分没有磁性。因此,本发明可实现对磁性材料形状、充磁方向、充磁区域的自定义,从而获得复杂形状、特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件。(The invention provides a double-nozzle device for 3D printing of magnetic parts and a working method thereof. Comprises a lifting mechanism, a lifting platform, a magnetizing coil and two extrusion heads. One of the extrusion heads is fixed on the lifting mechanism, the other extrusion head is fixed on the lifting platform, and the lifting mechanism can realize the Z-direction movement of the lifting platform. The invention adopts a mode of printing and magnetizing, can quickly change the magnetizing direction in the printing process, and realizes the control of the magnetizing area and the magnetizing direction. Meanwhile, the invention adopts two extrusion heads and respectively adopts printing wires of polymer and composite material (polymer and magnetic particles) which are suitable for printing, so that only the part printed by the composite material is magnetized, and the part printed by the polymer has no magnetism. Therefore, the invention can realize the self-definition of the shape, the magnetizing direction and the magnetizing area of the magnetic material, thereby obtaining the magnetic part with a complex shape, special magnetic induction line arrangement and partitioned magnetizing.)
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，涉及一种3D打印磁性零件的双喷头装置及其工作方法。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。打印头是3D打印机的核心部件，现有的3D打印磁性材料的打印头装置只能打印单种材料，而且需要打印完成之后对材料进行充磁，难以生产特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件。现有技术在对磁性材料的某个区域进行局部充磁时，不仅会影响其他充磁区域的磁感线分布和磁场方向，还会对非充磁区域的磁性造成影响。
目前，采用3D打印的方式生产复杂形状、特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件的相关装置和方法较少，如何生产这种磁性零件是一项难以解决的技术难题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种3D打印磁性零件的双喷头装置。采用两个挤出头，分别采用聚酰胺和复合材料(聚酰胺和铷铁硼)的打印丝，可以保证只有复合材料被充磁，而用聚合物打印的部分没有磁性，从而可以根据需要，实现对零件任何区域的充磁。
本发明的第二目的在于提供一种3D打印磁性零件的双喷头装置的工作方法。采用边3D打印边充磁的方式，可以在打印过程中改变充磁线圈电流方向，实现打印过程中充磁方向的快速改变，实现传统生产方式难以实现的在小区域方向的充磁，从而实现对磁性材料形状、充磁方向、充磁区域的自定义，获得复杂形状、特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件。
本发明实现第一发明目的采用的技术方案是：一种3D打印磁性零件的双喷头装置，包括升降机构、升降平台、挤出头A、挤出头B、充磁线圈；所述挤出头A通过螺钉固定在升降平台下方，所述挤出头B通过螺钉固定在升降机构上；所述升降平台开有1个螺纹孔和4个通孔，安装在升降机构上；所述升降机构驱动升降平台在Z轴方向上移动；所述充磁线圈通过螺钉固定在升降机构下面板，并罩住固定在升降机构下面板的挤出头B。
进一步特征在于：
所述升降机构包括升降电机、升降框架、滚珠丝杆、直线导杆；所述升降框架各面板开有若干螺纹孔；所述升降电机通过螺钉固定在升降框架上面板；所述滚珠丝杆沿Z轴方向固定在升降框架内部，贯穿升降框架上面板，通过联轴器与升降电机输出轴相连；所述直线导杆沿Z轴设置有4根，固定在升降框架内部。
进一步地，所述挤出头A和挤出头B内部结构相同，包括喉管、固定套筒、散热组件、连接管、加热组件、喷嘴；所述散热组件固定在固定套筒上；所述连接管外表面两端开有螺纹；所述加热组件通过连接管与散热组件相连；所述喉管贯穿固定套筒、散热组件，出口端固定在连接管内部；所述喷嘴通过螺纹固定在加热组件上。
进一步地，所述散热组件包括散热筒、液冷管道；所述散热筒内部开有螺纹；所述液冷管道螺旋环绕在散热筒外部，嵌在散热筒外部的凹槽内，用于降低打印丝和装置的温度。
进一步地，所述加热组件包括加热腔、加热丝、温度传感器；所述加热腔内部开有螺纹；所述加热丝螺旋固定在加热腔体内，用于加热打印丝至熔融状态；所述温度传感器固定在加热腔一侧，贯穿加热腔外壳，用于控制加热温度。
本发明实现第二发明目的采用的技术方案是：一种3D打印磁性零件的双喷头装置的工作方法，其特征在于，按下述步骤实施：
步骤1：用3DS MAX等建模软件创建磁性零件的三维模型，并完成磁场布置；
步骤2：用切片软件对磁性零件进行切片处理，导入3D打印机控制系统；
步骤3：将聚合物材质的打印丝安装到挤出头A，复合材料(磁性颗粒和聚合物)的打印丝安装到挤出头B；
步骤4：启动3D打印机，向液冷管道内通入冷却液，对挤出头和所用打印材料进行散热。加热组件开始通电，对打印丝进行预热。温度传感器显示打印丝温度到达材料熔融态所需温度后，挤出头A移动到设定好的初始打印位置，开始打印；
步骤5：当待打印区域为磁性区域时，计算机控制升降电机反转，挤出头A位置升高至水平线高于挤出头B，调用挤出头B进行打印，同时根据所设置的磁场方向对充磁线圈通电，对复合材料进行边充磁边打印；
步骤6：当待打印区域为非磁性区域时，计算机控制升降电机正转，挤出头A下降至水平线低于挤出头B，调用挤出头A进行打印；
步骤7：每打印一层，重复步骤5和步骤6，直至该磁性零件打印完成。
本发明的有益效果：
本发明采用两个挤出头，分别采用聚合物和复合材料(聚合物和铷铁硼)的打印丝，可以保证只有复合材料被充磁，而用聚合物打印的部分没有磁性，从而可以实现根据需要精准的对零件的任何区域充磁；
本发明采用边3D打印边充磁的方式，改变充磁线圈的电流方向，可以改变磁场方向，实现了打印过程中充磁方向的快速改变，与传统的制造磁性零件的技术相比，实现了小区域的内进行不同方向的充磁，从而实现对磁性材料形状、充磁方向、充磁区域的自定义，获得复杂形状、特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件。
附图说明
图1为本发明的整体三维示意图；
图2为本发明的升降机构三维示意图；
图3为本发明的挤出头三维示意图；
图4为本发明的散热组件三维示意图；
图5为本发明的加热组件三维示意图；
图6为本发明的挤出头转换原理图；
图7为本发明的一种打印成品外形示意图；
附图中：(1)为升降机构、(2)为升降平台、(3)为挤出头A、(4)为挤出头B、(5)为充磁线圈、(1-1)为升降电机、(1-2)为升降、(1-3)为滚珠丝杆、(1-4)为直线导杆、(3-1)为喉管、(3-2)为固定套筒、(3-3)为散热组件、(3-4)为连接管、(3-5)为加热组件、(3-6)为喷嘴、(3-3-1)为散热、(3-3-2)为液冷管道、(3-5-1)为加热腔、(3-5-2)为加热丝、(3-5-3)为温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示的一种3D打印磁性零件的双喷头装置，包括升降机构(1)、升降平台(2)、挤出头A(3)、挤出头B(4)、充磁线圈(5)。具体地，挤出头A(3)通过螺钉固定在升降平台上，并穿过升降框架下面板。挤出头B(4)通过螺钉固定在升降机构上，并穿过升降框架下面板。升降平台(2)开有1个螺纹孔和4个通孔，安装在升降机构(1)的滚珠丝杆和4个直线导杆上。升降机构(1)驱动升降平台(2)在Z轴方向上移动，以实现打印过程中对打印头的切换。充磁线圈(5)通过4个螺钉固定在升降机构(1)下面板，并罩住挤出头B(3)的加热区域，用于给熔融状态的打印丝充磁。
升降机构(1)为一体式结构，其结构如图2所示，具体地，包括升降电机(1-1)、升降框架(1-2)、滚珠丝杆(1-3)、直线导杆(1-4)。升降框架(1-2)上中下面板各开有4个螺纹孔，升降电机(1-1)采用步进电机，通过4个螺钉固定在升降框架(1-2)上面板。滚珠丝杆(1-3)沿Z轴方向固定在升降框架(1-2)内部，贯穿升降平台(2)和升降框架(1-2)上面板，通过联轴器与升降电机(1-1)输出轴相连。直线导杆(1-4)沿Z轴设置有4根，固定在升降框架(1-2)内部，用于保证升降平台(2)的稳定。
挤出头A(3)和挤出头B(4)结构相同，其结构如图3所示，具体地，包括喉管(3-1)、固定套筒(3-2)、散热组件(3-3)、连接管(3-4)、加热组件(3-5)、喷嘴(3-6)。散热组件(3-3)固定在固定套筒(3-2)上用于给打印丝和装置降温，防止熔融状态的材料回流造成管道堵塞。连接管(3-4)外表面两端开有螺纹，加热组件(3-5)通过连接管(3-4)与散热组件相连，用于加热打印丝至熔融状态。喉管(3-1)所用材料为聚四氟乙烯，贯穿固定套筒(3-2)、散热组件(3-3)，出口端固定在连接管(3-4)内部。喷嘴(3-6)通过螺纹固定在加热组件(3-5)上。
散热组件(3-3)结构如图4所示，具体地，包括散热筒(3-3-1)、液冷管道(3-3-2)。液冷管道(3-3-2)螺旋环绕在散热筒(3-3-1)外部，嵌在散热筒(3-3-1)外部的凹槽内，打印时，管道内通冷却液。
加热组件(3-5)结构如图5所示，具体地，包括加热腔(3-5-1)、加热丝(3-5-2)、温度传感器(3-5-3)。加热丝(3-5-2)螺旋固定在加热腔(3-5-1)内。温度传感器(3-5-3)固定在加热腔(3-5-1)一侧，贯穿加热腔(3-5-1)外壳，用于控制加热温度。
如图6所示为挤出头A(3)转换为挤出头B(4)的原理图，被打印磁性零件的白色区域为非磁性区域(6-1)，由使用聚合物材料的挤出头A(3)打印；被打印磁性零件的黑色区域为磁性区域(6-2)，由使用复合材料的挤出头B(4)打印。待打印区域为磁性区域(6-2)时，升降电机(1-1)带动滚珠丝杆(1-3)反转，挤出头A(3)位置升高至水平线高于挤出头B(4)，升降框架(1)水平右移然后竖直下移，使挤出头B(4)的喷嘴对准待打印位置，同时根据所设置的磁场方向对充磁线圈(5)通电，开始打印磁性区域(6-2)。挤出头B(4)转换为挤出头A(3)为该过程的逆过程。
一种3D打印磁性零件的双喷头装置的工作方法，其特征在于，按下述步骤实施：
步骤1：用3DS MAX等建模软件创建磁性零件的三维模型，并完成磁场布置；
步骤2：用切片软件对磁性零件进行切片处理，导入3D打印机控制系统；
步骤3：将聚合物材质的打印丝安装到挤出头A，将复合材料(聚合物和磁性颗粒)的打印丝安装到挤出头B；
步骤4：启动3D打印机，向液冷管道(3-3-2)内通入冷却液，对挤出头和所用打印材料进行散热。加热组件(3-3)开始通电，对打印丝进行预热。温度传感器(3-5-3)显示打印丝温度到达材料熔融态所需温度后，挤出头A(3)移动到设定好的初始打印位置，开始打印；
步骤5：当待打印区域为磁性区域时，计算机控制升降电机(1-1)反转，挤出头A(3)位置升高至水平线高于挤出头B(4)，调用挤出头B(4)进行打印，同时根据所设置的磁场方向对充磁线圈(5)通电，对复合材料进行边充磁边打印；
步骤6：当待打印区域为非磁性区域时，计算机控制升降电机(1-1)正转，挤出头A(3)下降至水平线低于挤出头B(4)，调用挤出头A(3)进行打印；
步骤7：每打印一层，重复步骤5和步骤6，直至该磁性零件打印完成。
实施例
应用如图1所示的本发明一种3D打印磁性零件的双喷头装置打印，以图7所示的成品为例，工作方法如下：
一、用3DS MAX等建模软件创建如图6所示的磁性零件的三维模型，将选定的区域设定为磁性材料，并设定好每个区域的磁场方向，完成磁场布置；
二、用切片软件MPrint对磁性零件进行切片处理，并将建模软件中导出的STL格式的文件转化为3D打印机能够直接识别的X3G格式文件，用U盘将文件拷贝至3D打印机控制系统；
三、将聚合物材质的打印丝安装到挤出头A，将复合材料的打印丝(此实施例中材料体积分数比为钕铁硼：聚酰胺＝4：6，由钕铁硼粉末和聚酰胺原料加热混合，通过制丝机制得)安装到挤出头B；
四、启动3D打印机，向液冷管道内通入冷却液，对挤出头和所用打印材料进行散热。加热组件开始通电，对打印丝进行预热。温度传感器显示打印丝温度到达材料熔融态所需温度后，挤出头A移动到设定好的初始打印位置，开始打印；
五、当待打印区域为磁性区域时，计算机控制升降电机反转，挤出头A位置升高至水平线高于挤出头A，且所处位置不会影响挤出头A的正常工作，调用挤出头B，将挤出头B移动到正在打印位置，同时根据所设置的磁场方向对充磁线圈通电，对复合材料进行边充磁边打印；
六、当待打印区域为非磁性区域时，计算机控制升降电机正转，挤出头A下降至水平线低于挤出头B(注意：挤出头B下降时应同时将打印头升高，以免喷嘴撞到已打印好的磁性零件)，且所处工作位置不会受到挤出头A的影响，调用挤出头A，挤出头A移动到正在打印位置进行打印；
七：每打印一层，重复步骤五和步骤六，直至打印出如图7所示的磁性零件。
通过上述步骤，一种3D打印磁性零件的双喷头装置打印出如图7所示的磁性零件。S表示该区域的S极，N表示该区域的N极。图7中标明了每一个圆柱形磁性区域的S极和N极，区域大小和磁场方向不同的磁性区域按照一定的规律排布在磁性零件上，以获得特殊的磁感线排布。磁性区域以外的区域由聚酰胺打印而成，不具有磁性，因此不会影响磁感线排布。
上述实施例中，采用两个挤出头，分别采用聚酰胺和复合材料(体积分数比为铷铁硼：聚酰胺＝4：6)的打印丝，可以保证只有复合材料被充磁，而用聚酰胺打印的部分没有磁性，实现了根据需要精准的对零件的任何特定区域的充磁。采用边3D打印边充磁的方式，改变充磁线圈的电流方向，可以改变磁场方向，实现了打印过程中充磁方向的快速改变。最终获得了如图7所示的充磁方向、充磁区域自定义的磁性零件，获得了特殊的磁感线排布。
除此之外，本发明的实施例并不局限于该实施例，如所用的适合打印的聚合物材料可为PLA、ABS和尼龙等，所用的磁性颗粒可以为永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等，如通过对建模形状、磁场分布、磁场方向的自定义，可以根据需求获得各种复杂形状、特殊磁感线排布、分区充磁的磁性零件，在磁性零件的自定义生产方面具有较大的应用前景。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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