阅读说明：本技术 一种面向复杂工件3d打印的fdm喷丝机构 (FDM that prints towards complicated work piece 3D spouts a mechanism ) 是由 刘浩 刘州鹏 许书豪 刘磊 刘睿 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向复杂工件3D打印的FDM喷丝机构,所述FDM喷丝机构包括安装于上方的进丝系统和固定于其下方的出丝系统；在所述进丝系统中,优化与喉管进行连接的L型连接件,在连接架侧方安装风扇调速器,并在所述出丝系统中设计出一种加长喉管以打印复杂工件。所述喷丝机构不仅可以有效解决了FDM三维打印机打印复杂工件的问题,并且进一步解决了目前三维打印中所存在的丝材容易受热膨胀从而导致喷嘴堵塞的问题。本发明在提高打印效率和打印产品精度的同时,拓展了FDM三维打印的应用范围,具有较高的经济效益。(The invention discloses an FDM spinning mechanism for 3D printing of complex workpieces, which comprises a filament feeding system arranged above the filament feeding system and a filament discharging system fixed below the filament feeding system; in the wire feeding system, an L-shaped connecting piece connected with a throat is optimized, a fan speed regulator is installed on the side of a connecting frame, and a lengthened throat is designed in the wire discharging system to print complex workpieces. The spinneret mechanism can effectively solve the problem that a complex workpiece is printed by an FDM three-dimensional printer, and further solve the problem that a nozzle is blocked due to the fact that wires existing in the existing three-dimensional printing are easy to expand when heated. The invention improves the printing efficiency and the printing product precision, expands the application range of FDM three-dimensional printing and has higher economic benefit.)

一种面向复杂工件3D打印的FDM喷丝机构

技术领域

本发明涉及一种面向复杂工件3D打印的FDM喷丝机构，属于3D打印领域设备组件技术领域。

背景技术

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印技术是3D打印领域的传统技术之一，因其熔丝逐层堆积成型的制造方式易于实现而受到诸多用户的欢迎，可用于打印各种实物模型甚至实用工件。喷丝机构是这种打印设备的核心部件，目前市场上通常采用短喉管和大加热块组合的传统喷丝机构。由于这种喷丝机构容易与工件发生干涉，因此它只适用于2.5轴打印工艺，无法适用于复杂工件的多轴无支撑3D打印。而复杂工件的无支撑3D打印是当前3D打印技术的重要发展趋势之一。因此，面向复杂工件的多轴无支撑3D打印技术设计出一种干涉少、性能稳定的喷丝结构，对于FDM三维打印技术的发展有着重要的作用。

发明内容

为解决现有技术不足等问题，本发明的目的在于提供了一种面向复杂工件3D打印的FDM喷丝机构，有效的解决了多轴打印中打印复杂工件并且防止堵丝的问题，为多轴3D打印中出的该类问题提供了有效的解决方法，该发明具有成本低，加工效率高、可操作性强等特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向复杂工件3D打印的FDM喷丝机构，包括进丝系统和出丝系统；所述进丝系统包括连接架、压紧螺丝、压紧块、紧压弹簧、紧固螺栓、调节螺钉、进料齿轮、压紧轮和步进电机；所述出丝系统包括喉管、喷嘴和加热块；所述进丝系统还包括散热风扇，用于降低喉管温度。

进一步的，还包括L型连接件，所述L型连接件由竖板和横板组成；竖板上设有通孔，竖板的外侧面固定于连接架的一侧，步进电机固定于连接架的另一侧，其输出轴穿过所述通孔，且输出轴露出通孔的一端固定有进料齿轮；压紧块的几何中心与竖板的内侧面铰接，压紧块上纵向贯穿有压紧螺丝，紧固螺柱固定于横板上表面，调节螺钉纵向依次贯穿横板和紧固螺柱，调节螺钉与压紧螺丝之间连接有紧压弹簧；压紧块的下方设有压紧轮；横板上设有纵向通孔，用于穿过PLA丝材。

步进电机带动进料齿轮传动，进料齿轮、压紧轮和压紧块、紧压弹簧在共同作用下将丝材送进下方的出丝系统以实现成送丝动作。紧压弹簧一方面用于手动换丝，另一方面可以防止丝材在进给过程中跳动。紧压弹簧套在压紧块上的压紧螺丝和固定于L型连接件上调节螺钉上的紧固螺柱，通过拧紧/放松压紧螺丝可以改变压紧块和L型连接件的横板的有效距离，通过拧紧/放松调节螺钉可以调节紧压弹簧的松紧度。压紧块的几何中心固定在L型连接件的竖板上，其可以手动压紧/放松，压紧轮固定在压紧块上将丝材推到进料齿轮上便于进丝。

进一步的，所述散热风扇的前后分别设有前导风罩和后导风罩，前导风罩固定于所述横板，散热风扇固定于前导风罩，后导风罩固定于前导风罩。

进一步的，还包括风扇调速器，固定于所述连接架，风扇调速器电性连接所述散热风扇。

所述风扇调速器连接在连接架的一侧，其在散热过程中起着举足轻重的作用。打印复杂工件对于工艺要求极高，因此打印速度之类的参数在不同时间段都不同，而丝材堵塞可能出现在任何一个环节，因此该开调速器可以实现在各个时段调节风扇的温度，同时技术人员也可以根据打印的状况进行手动调节，确保喷嘴的温度始终在合适范围内。

进一步的，所述纵向通孔内安装直通管道，直通管道的上端延伸至进料齿轮和压紧轮下方，下端与喉管连接。

丝材由进料齿轮的作用向下会进入到新连接的直通管道口中，因丝材本身为塑料，购买来时是缠绕在一起，故而手动换丝时常堵在进丝系统里，直通管道保证丝材由进料齿轮挤出后顺利进入到L型连接件以及下方的出丝系统，下方与喉管通过螺纹连接。

进一步的，所述纵向通孔下方的直通管道的长度为喉管长度的1/5。

由于该喉管为加长型喉管，因由304不锈钢制作保证了强度，但是因为过长从而刚度不够，直通管道一直往下延伸1/5喉管长度，在不减小打印范围下提高了加长型喉管的刚度。

进一步的，所述喉管上部与直通管道连接，下部连接着加热块。喉管的长度适用于复杂工件的打印，如熔覆等。在已有的基体材料的基础上打印会容易发生干涉等不良现象，尤其作为复杂工件，单基体的打印便要很长时间，如果因后期熔覆出现意外则大大降低了工作效率。因此本发明的加长型喉管的长度是现有市面上喉管长度的3～5倍，由304不锈钢加工而成，在与加热块连接处的上部开有四个热量阻滞槽，可以迅速阻断加热块的热量向上传递进而防止喷头阻塞。热量阻滞槽上方用铣刀铣有两个对称的长方形平面，方便用扳手把喉管固定到加热块和L型连接件上，使喉管的连接更加稳定。贯穿于所述加长型喉管内部设有铁氟龙管，其下部与喷嘴连通，将打印丝材顺利导向喷嘴，在喷嘴中熔化。

进一步的，加热块外部为长方块实体，体积是现有加热块的一半，可以有效地减少干涉，其上表面设有两个空心圆台，其中一个圆台内设有与喉管的外螺纹匹配的内螺纹，用于与喉管螺纹连接；另一个圆台的下方的加热块表面上开有加热孔，加热棒自上而下先后经圆台和加热孔***加热块内，该圆台可保证热量上行减慢，防止喉管堵塞，另一方面可以减小其整体厚度。加热块由铝合金材料制作而成，温度传感器与加热块通过内六角螺钉固定；加热棒通过尖端紧定螺钉锁紧，温度传感器和加热棒分别通过导线连接于温控仪和继电器，通过设定给定温度将加热块的温度加热到一定温度。

本发明所达到的有益效果：本喷丝系统从上到下进行了全面的结构优化，有效地解决了多轴打印中打印复杂工件并且防止堵丝的问题，在提高打印效率的同时，提高了三维打印的制造精度和可加工的范围，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为喷丝系统轴侧图；图2为喷丝系统正视图；图3为喷丝系统俯视图；图4为进丝系统主视图；图5为进丝系统侧视图；图6为L型连接件轴测图；图7为L型连接件主视图；图8为L型连接件剖视图；图9为进丝系统主视图；图10为进丝系统剖视图；图11为加热部分剖视图；图12为加热块轴测图；

图中标记及含义：

1-连接架，2-压紧螺丝，3-压紧块，4-紧压弹簧，5-紧固螺柱，6-散热风扇，7-风扇调速器，8-进料齿轮，9-压紧轮，10-步进电机，11-L型连接件，12-调节螺钉，13-后导风罩，14-前导风罩，15-PLA丝材，16-铁氟龙导管，17-加长型喉管，18-喷嘴，19-加热块，20-尖端紧定螺钉，21-加热棒，22-温度传感器，23-内六角螺钉，24-第一空心圆台，25-第二空心圆台，26-热量阻滞槽，27-长方形平面。

具体实施方式

现将结合图1-12，对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。

如图1-12所示，本发明公开了一种面向复杂工件的3D打印的FDM喷丝机构设计。本机构包括进丝系统和出丝系统两个部分，其中进丝系统连接控制系统，下端连接出丝系统，打印过程中步进电机的传动轴带动进料齿轮的转动，PLA丝材在压紧轮与进料齿轮的共同作用下被迫向下运动，该过程实现打印原材料的不断补给。

如图4-8所示，所述的进丝系统包括依次连接于连接架1上的步进电机10、压紧块3、压紧轮9、压紧螺丝2、紧压弹簧4、L型连接件11、调节螺钉12、风扇调速器7、前后导风罩13-14和散热风扇6；所述步进电机10的输出端通过紧定螺钉与所述进料齿轮8固定，带动进料齿轮转动，所述进料齿轮另一端依次连接压紧轮9和压紧块3，所述进料齿轮8和压紧轮9、压紧块3的压力下实现成送丝动作；

与此同时，紧压弹簧4分别缠绕在压紧块3的压紧螺丝2和L型连接件的紧固螺柱5上，L型连接件的紧固螺柱5被调节螺钉12锁死，通过拧紧/放松压紧块3的压紧螺丝2可以来调节预紧力，通过拧紧/放松调节螺钉12可以调节压紧块的移动长度进而控制压紧轮9和进料齿轮8的间隙。

对于打印复杂工件，打印过程的散热问题便显得尤为重要。为了使得散热效率最大化，本发明在进丝系统中加入了风扇调速器7，其固定在连接架1的一侧，并且通过控制系统进行实时输出信号控制输出电压，在打印过程中的任何时刻风速都实时改变。与此同时风扇的导风罩也经过结构设计，此结构下可使得加热块上方的喉管处热量迅速降低，避免打印过程中发生丝材堵塞。

所述的L型连接件一侧固定调节螺柱，一侧连接着加长型喉管，并且散热风扇和导风罩也固定在上面。PLA丝材由进料齿轮的作用向下会进入到新连接的直通管道口中，通过直通管道口顺利进入到出丝系统中。

所述进丝系统下端连接出丝系统。

结合图9至图12，出丝系统具体包括：喷嘴18连接于加热块19，通过加热块将热量传导到喷嘴完成对PLA丝材15的融化出丝，加热棒21和温度传感器22通过内六角螺钉23固定于加热块19上，分别通过导线连接于继电器和温度控制仪实现加热并对加热块实现恒温控制。加长型喉管17在喷嘴18处的四个热量阻滞槽可以有效阻隔热量上传。热量阻滞槽上方用铣刀铣有两个对称的长方形平面，方便用扳手把喉管固定到加热快和连接件上。加长型喉管17内部有铁氟龙导管16可以阻止热量向加长型喉管内部传递到PLA丝材，有效防止丝材在加长型喉管内部因受热膨胀而堵丝，温度传感器22检测温度，加热棒21对加热块19加热完成打印过程中喷嘴部位的温度恒定，零部件的共同作用实现了打印工作的完整进行。

本实施例提供了两种散热方法和一种加热方式，一种是在所述加长型喉管由304不锈钢制成，同时与加热块连接处开了四个等距等宽的热量阻滞槽，可以从根源上阻隔热量的传递进而防止喷头堵塞。

另一种是在进丝系统中加入可调速的散热风扇，所述的导风罩经过系统分析使其在加热块上方的散热效果最好，避免因散热过快而导致加热块温度上升过慢。所述风扇调速器与控制系统连接，由控制板卡实时调节风速，在打印过程中可以保证工件的制造精度。

其中加热方式是所设计的加热块由铝合金制成，加热棒由传统的由右边***改为了由上***，减小了加热块的质量和体积，在工作上可以有效地减少干涉，提高了工作效率。同时，在加热块外部贴上隔热胶，减少热量的损失并提高其寿命。

两种散热方式以及加热方式结合使用，解决了现有面向多轴三维打印中不能打印复杂工件或者打印精度过低等问题，并且进一步解决了存在的喉管和喷头的散热不均从而导致容易堵丝的问题。本发明在提高打印效率的同时，提高了三维打印的制造精度和可加工的范围，具有较高的经济效益。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。