一种基于超声微锻的3d打印喷头及打印方法
阅读说明：本技术 一种基于超声微锻的3d打印喷头及打印方法 (3D printing nozzle based on ultrasonic micro-forging and printing method ) 是由 齐世文 杨东 门向南 荣鹏 李晓军 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光器线宽测量领域,尤其涉及一种基于超声微锻的3D打印喷头及打印方法,包括内部有熔融腔体的打印头,打印头上部与熔融喉管下端相连,熔融喉管下端外部与打印热源连接,熔融喉管上端外部和冷却装置连接,熔融喉管顶端与转接支架底部连接,转接支架顶部与连接板连接,连接板和螺纹管下端连接,螺纹管上端外部和二维模块连接架连接,二维模块连接架和连接板之间连接有第一、第二超声振动换能器,螺纹管顶端上方设有送丝器,送丝器将丝材依次输送至螺纹管、熔融喉管、熔融腔体；本申请实现打印过程中的微锻功能,改善熔体流动性,提高熔融墙体内熔体压力,提高 FDM打印强度、打印速度和打印精度。(The invention relates to the field of laser line width measurement, in particular to a 3D printing nozzle based on ultrasonic micro-forging and a printing method, which comprises a printing head with a melting cavity inside, wherein the upper part of the printing head is connected with the lower end of a melting throat pipe, the outside of the lower end of the melting throat pipe is connected with a printing heat source, the outside of the upper end of the melting throat pipe is connected with a cooling device, the top end of the melting throat pipe is connected with the bottom of a switching support, the top of the switching support is connected with a connecting plate, the connecting plate is connected with the lower end of a threaded pipe, the outside of the upper end of the threaded pipe is connected with a two-dimensional module connecting frame, a first ultrasonic vibration transducer and a second ultrasonic vibration transducer are connected between the two-dimensional module connecting frame and the connecting plate, a wire feeder is arranged above the top end of the threaded pipe, and the wire feeder sequentially conveys wires to the threaded pipe, the melting throat pipe and the melting cavity; this application realizes printing the function of forging a little of in-process, improves fuse-element mobility, improves fuse-element pressure in the melting wall body, improves FDM and prints intensity, printing speed and printing precision.)
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于超声微锻的3D打印喷头及打印方法。
背景技术
熔融沉积成型（fused deposition modeling,简称FDM）技术利用热塑性材料的热熔性，粘结性等特点，在计算机控制下利用热源将丝材加热熔化，通过喷头底部的微细喷嘴将熔融材料在打印平台上挤出，并进行层层堆积叠加，最终成形所需产品或模型。由于打印机设备结构简单，操作方便，成型速度快，材料种类丰富，同时由于其无需采用激光系统，因而维护及运行成本低，FDM 3D打印技术已经越来越多地应用于医疗卫生、航空航天、汽车工业、教育教学等诸多领域，是目前应用领域广、成熟度高、应用价值大和前景广阔的3D打印技术之一。
FDM成形虽然有其结构简单、操作方便、打印成本低等优势，但是也存在着成形件强度不够，成形表面质量差、成形精度低、加工速度慢、颗粒或纤维增强复合材料成形界面差等诸多缺点。其中FDM成形件强度较弱也是目前限制FDM技术进一步发展和应用的主要限制因素之一。打印件强度问题主要是由于打印工艺和成形材料本身决定的，但是同时也受FDM成形方法本身影响。FDM原理是将实体模型分成若干个层，对每层进行打印，层与层、线与线之间都是依靠材料融化后重新凝固进行连接，而这种熔融后的重新凝固连接方式极易受到打印温度、打印速度、材料物性、打印线宽等因素影响，打印过程中极易导致层与层和线与线之间结合存在微小空隙或粘结不牢固等问题，最终导致打印连接强度不够，以至于打印件在后期处理或受力过程中发生裂纹、断裂等现象。另一方面；纤维强化PEEK基复合材料界面结合强度弱，是限制其在FDM成形工业化应用的主要限制因素之一。纤维增强相材料表面活性低，与基体材料结合强度弱，在传统热压成形中由于压力诱导效应，其结合强度还可以控制，但是在FDM成形中由于近乎无压力成形与快速结晶收缩过程，更容易造成界面结合强度差，从而造成打印件质量下降，所以高质量分数的增强PEEK基复合材料高性能成形更为困难。
针对这些问题，诸多的学者与技术人员主要通过打印材料选择、材料改性、优化打印工艺等方法，但是目前还没有一种较好的整体解决方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超声微锻的3D打印喷头及打印方法，能够增强熔道层间和层内粘结强度，提升颗粒或纤维与基体界面强度，降低成形空隙缺陷，减小结晶尺寸，从而提高打印件性能；通过超声波振动提高打印头腔体内的熔体压力从而提高打印速度；在线控制打印头内熔体流动性，从而提高打印精度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于超声微锻的3D打印喷头，包括内部有熔融腔体的打印头，打印头上部与熔融喉管下端相连，熔融喉管下端外部与打印热源依靠过盈配合连接，熔融喉管上端外部和冷却装置连接，熔融喉管顶端与转接支架底部中孔过盈配合连接，转接支架顶部与连接板连接，连接板中孔和螺纹管下端连接，螺纹管上端外部和二维模块连接架连接，二维模块连接架和连接板之间连接有第一超声振动换能器和第二超声振动换能器，螺纹管顶端上方设有送丝器，送丝器将丝材依次输送至螺纹管、熔融喉管和熔融腔体。
进一步地，所述送丝器与打印控制系统相连；所述冷却装置、打印热源和打印控制系统相连。
进一步地，所述第一超声振动换能器和第二超声振动换能器与外部超声波发生控制器相连接，超声波发生控制器与打印控制系统相连。
进一步地，所述打印头和熔融喉管具有高导热性，打印头做表面强化。
进一步地，所述冷却装置采用风冷、水冷或冷却剂冷却。
进一步地，所述打印热源外部设有隔热涂层或保温层。
一种基于超声微锻的3D打印喷头的打印方法，包括以下步骤：
第一步，将基于超声微锻的3D打印喷头安装到3D打印机上，开启冷却装置和打印热源，待熔融喉管和打印头及熔融腔体温度达到设定工作熔融温度后，通过送丝器将丝材输送入打印头内部的熔融腔体，开启第一超声振动换能器和第二超声振动换能器，将高频振动力场依次通过连接板、螺纹管、转接支架、熔融喉管传递给打印头和熔融腔体，打印机控制系统控制二维模块连接架做打印任务，在重力作用下，熔融腔体内熔化的丝材从打印头的喷嘴处流出，开始正常打印；
第二步，打印头在第一超声振动换能器和第二超声振动换能器作用下开始对打印熔道和前一层树脂做微锻处理。
在超高频振动中，所述打印头、熔融喉管在第一超声振动换能器和第二超声振动换能器及送丝器的作用下相对于丝材实现Z方向高频往复运动。
进一步地，所述第一超声振动换能器和第二超声振动换能器通过连接板、转接支架、螺纹管、熔融喉管和打印头将高频振动力场传递至熔融腔体，超高频振动力场对高分子聚合物熔体起到分子链解缠。
进一步地，当打印头在打印工作时，开启第一超声振动换能器和第二超声振动换能器，提高熔融腔体内熔体流动性和压力，使得熔体从超细孔径打印头喷出，从而正常打印；当打印头处于跳转打印位置过程中，控制第一超声振动换能器和第二超声振动换能器频率或振幅，降低熔融腔体内熔体流动性和压力，从而使得熔体在超细孔径打印头出口停止流动。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过第一超声振动换能器和第二超声振动换能器将振动力场经过打印头施加在打印熔道上，对已经成型的打印层和熔道进行微锻，从而提高打印粘结强度、消减孔隙率，细化组织，提高打印质量。
2、本发明打印头、熔融喉管在第一超声振动换能器和第二超声振动换能器及送丝器的作用下相对于打印丝材实现Z方向高频往复运动，有利于提高熔融腔体内部熔体压力，从而有利于提高打印喷头速度。
3、本发明中第一超声振动换能器和第二超声振动换能器通过连接板、转接支架、熔融喉管、打印头将高频振动力场传递至熔融腔体，有利于改善熔融腔体内熔体粘度和流动性，从而可以选择使用更细的打印喷头孔径，实现更精细的打印，即提高打印表面质量与精度。
4、本发明中第一超声振动换能器和第二超声振动换能器通过外部超声发生控制器和设备打印控制系统相连接，可以实现通过控制第一超声振动换能器和第二超声振动换能器的频率与振幅及打印工艺优化，实现对基于打印需要的超细喷头孔径内熔体通断，并解决打印过程中拉丝问题，提高打印精度。
5、本发明第一超声振动换能器和第二超声振动换能器与其上下侧的二维模块连接架和连接板 之间除了刚性连接外，另设由螺纹管压紧，这样既可以保证第一超声振动换能器和第二超声振动换能器两者振幅和频率同步，同时又给打印头预留了输料空间。
附图说明
图1为本发明的外形结构示意图。
图2为本发明的内部结构剖面图。
图1中，1-打印头，2-打印热源，3-冷却装置，4-连接板，5-第一螺钉，6-螺纹管，7-第一超声振动换能器，8-二维模块连接架，9-丝材，10-送丝器，11-第二超声振动换能器，12-第二螺钉，13-熔融喉管，14-转接支架，15-熔融腔体。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
一种基于超声微锻的3D打印喷头，包括内部有熔融腔体15的打印头1，打印头1上部依靠螺纹与熔融喉管13下端相连，熔融喉管13下端外部与打印热源2依靠过盈配合连接，熔融喉管13上端外部和冷却装置3连接，熔融喉管13顶端与转接支架14底部中孔过盈配合连接，转接支架14顶部与连接板4连接，连接板4中孔和螺纹管6下端连接，螺纹管6上端外部和二维模块连接架8连接，二维模块连接架8和连接板4之间连接有第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，螺纹管6顶端上方设有送丝器10，送丝器10将丝材9依次输送至螺纹管6、熔融喉管13和熔融腔体15。
送丝器10与打印控制系统相连；所述冷却装置3、打印热源2和打印控制系统相连。打印控制系统可采用现有技术中使用的打印控制系统。
第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11与外部超声波发生控制器相连接，超声波发生控制器与打印控制系统相连。这里提到的外部超声波发生控制器为超声振动领域常用的超声波发生控制器。
打印头1和熔融喉管13具有高导热性，其采用导热性良好的材质，包括但不限于铜及铜合金，同时打印头1做表面强化，提高其硬度与耐磨性。
冷却装置3采用但不限于风冷、水冷或冷却剂冷却。
打印热源2外部设有隔热涂层或保温层。
实施例2
一种基于超声微锻的3D打印喷头的打印方法，包括以下步骤：
第一步，将基于超声微锻的3D打印喷头安装到3D打印机上，首先依次开启冷却装置3和打印热源2，待熔融喉管13和打印头1及熔融腔体15温度达到设定工作熔融温度后，通过送丝器10将丝材9输送入打印头1内部的熔融腔体15，随后开启第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，将高频振动力场依次通过连接板4、螺纹管6、转接支架14、熔融喉管13传递给打印头1和熔融腔体15，打印机控制系统控制二维模块连接架8做打印任务，在重力作用下，熔融腔体15内熔化的丝材9从打印头1的喷嘴处流出，开始正常打印；
第二步，打印头1在第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11作用下开始对打印熔道和前一层树脂做微锻处理，经过打印头1的超声高频往复挤压过程，熔道与打印平台、熔道与打印层间、层内的粘结强度得到提高，降低孔隙率与结合缺陷，降低聚合物晶体尺寸，提升打印件质量。
在超高频振动中，所述打印头1、熔融喉管13在第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11及送丝器10的作用下相对于丝材9实现Z方向高频往复运动，从提高了熔融腔体15内部熔体压力，从而有利于提高打印头1内熔体喷射速度，提高打印速度。
第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11通过连接板4、转接支架14、螺纹管6、熔融喉管13和打印头1将高频振动力场传递至熔融腔体15，超高频振动力场能够对高分子聚合物熔体起到分子链解缠作用，降低熔体粘度，改善熔融腔体15内熔体粘度和流动性，从而能够选择使用更细的打印头1孔径，实现更精细的打印，即提高打印表面质量与精度。
通过所述第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11的频率与振幅及打印工艺优化控制，实现超细孔径打印头1内熔体粘度在线控制，通过工艺参数优化，实现基于打印需求的超细孔径打印头1内部熔体通断；具体是当打印头1在打印工作时，开启第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，提高熔融腔体15内熔体流动性和压力，使得熔体从超细孔径打印头1喷出，从而正常打印；当打印头1处于跳转打印位置过程中，控制第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11频率或振幅，降低熔融腔体15内熔体流动性和压力，从而使得熔体在超细孔径打印头1出口停止流动，从而解决打印过程中拉丝问题，提高打印精度。
实施例3
如图1和图2所示，一种基于超声微锻的3D打印喷头，包括内部有熔融腔体15的打印头1，打印头1上部依靠螺纹与熔融喉管13下端相连，熔融喉管13下端外部与打印热源2依靠过盈配合连接，熔融喉管13上端外部和冷却装置3连接，熔融喉管13顶端与转接支架14底部中孔过盈配合连接，转接支架14顶部与连接板4通过第一螺钉5、第二螺钉12连接，连接板4中孔和螺纹管6下端连接，螺纹管6上端外部和二维模块连接架8连接，二维模块连接架8和连接板4之间连接有第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，螺纹管6顶端上方设有送丝器10，送丝器10将丝材9依次输送至螺纹管6、熔融喉管13、熔融腔体15；
所述的送丝器10与打印控制系统相连；所述的冷却装置3、打印热源2和打印控制系统相连；
所述的第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11与外部超声波发生控制器相连接，超声波发生控制器与打印控制系统相连。
所述的打印头1和熔融喉管13采用导热性良好的材质，包括但不限于铜及铜合金，同时打印头1需要做表面强化，提高其硬度与耐磨性。
所述的冷却装置3采用但不限于风冷、水冷或冷却剂冷却。
所述的打印热源2外部设有隔热涂层或保温层。
所述的一种基于超声微锻的3D打印喷头的打印方法，包括以下步骤：
第一步，将基于超声微锻的3D打印喷头安装到3D打印机上，首先依次开启冷却装置3和打印热源2，待熔融喉管13和打印头1及熔融腔体15温度达到设定工作熔融温度后，通过送丝器10将丝材9输送入打印头1内部的熔融腔体15，随后开启第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，将高频振动力场依次通过连接板4、螺纹管6、转接支架14、熔融喉管13传递给打印头1和熔融腔体15，打印机控制系统控制二维模块连接架8做打印任务，在重力作用下，熔融腔体15内熔化的丝材9从打印头1的喷嘴处流出，开始正常打印；
第二步，打印头1在第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11作用下开始对打印熔道和前一层树脂做微锻处理，经过打印头1的超声高频往复挤压过程，熔道与打印平台、熔道与打印层间、层内的粘结强度得到提高；在超声高频振动力场中能够消除熔道中微型汽包，进一步降低孔隙率与结合缺陷；在超高频振动力场能够降低聚合物晶体尺寸，从而提升打印件质量。
在超高频振动中，打印头1、熔融喉管13在第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11及送丝器10的作用下相对于丝材9实现Z方向高频往复运动，从而提高了熔融腔体15内部熔体压力，从而有利于提高打印头1内熔体喷射速度，从而提高打印速度。
所述的第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11通过连接板4、转接支架14、螺纹管6、熔融喉管13、打印头1将高频振动力场传递至熔融腔体15，超高频振动力场能够对高分子聚合物熔体起到分子链解缠作用，从而降低熔体粘度，有利于改善熔融腔体15内熔体粘度和流动性，从而能够选择使用更细的打印头1孔径，实现更精细的打印，即提高打印表面质量与精度。
通过所述的第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11的频率与振幅及打印工艺优化控制，实现超细孔径打印头1内熔体粘度在线控制，通过工艺参数优化，实现基于打印需求的超细孔径打印头1内部熔体通断。具体是当打印头1在打印工作时，开启第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11，提高熔融腔体15内熔体流动性和压力，使得熔体从超细孔径打印头1喷出，从而正常打印；当打印头1处于跳转打印位置过程中，控制第一超声振动换能器7和第二超声振动换能器11频率或振幅，降低熔融腔体15内熔体流动性和压力，从而使得熔体在超细孔径打印头1出口停止流动，从而解决打印过程中拉丝问题，提高打印精度。
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