一種直徑可控的3d打印機的噴頭的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種3D打印機的噴頭，用以實現3D打印設備噴出的耗材的尺寸及噴射方向的細微調節。該打印頭包含進給物料的管路(13)，管路末端為出口。管路中設置有用于改變噴口尺寸和方向的控制機構(16)。本發明的控制機構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側的阻塞材料（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節。
【專利說明】-種直徑可控的3D打印機的噴頭

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種直徑可控的3D打印機的噴頭，應用于3D打印設備。

【背景技術】
[0002] 3D打印技術是快速成型技術的一種。它以數字模型文件為基礎，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造物體。近年來3D打印逐漸被用于一些產 品的直接制造，目前已經有應用3D打印技術而制造出的零部件。這項技術在工業設計、汽 車、航空航天、醫療產業等行業中得以應用。
[0003] 3D打印設備通過噴嘴將打印物料打印在工作平臺之上，當打印精細結構時需要口 徑較小的噴嘴，而打印較大面積時就需要大口徑的噴嘴。同時在打印一些結構時，打印頭方 向的細微調節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 備的噴嘴的方向和大小是固定的，這種結構限制了 3D打印的應用范圍。
[0004] 電至伸縮效應是一種機電耦合效應，它是指當外電場作用于電介質上時，電介質 產生的應變正比于電場強度或極化強度的平方的現象。其應變的表達式為 ：
[0005]S=ME2
[0006] 式中S-應變；
[0007]E--電場強度（V/m)
[0008]M--電致伸縮系數（m2/V2)
[0009] 磁致伸縮效應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，其又恢復到原始長度的現象。其應變公式為：
[0010]S=KB2
[0011] 式中S-應變；
[0012]B--磁感應強度（T)
[0013]K--比例系數，是磁感應強度B的函數
[0014] 磁致伸縮材料和電致伸縮材料的應變與伸縮量的關系式為：
[0015]AL=SL
[0016] 式中AL--伸縮量；
[0017]S--應變；
[0018]L--原始長度；
[0019] 針對現有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 作用下產生形變的特性，本發明提出一種3D打印設備的噴頭實現3D打印設備噴嘴大小和 方向的精細調節。


【發明內容】

[0020] 本發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 頭調控不便等問題。
[0021] 本發明的技術方案在于：一種直徑可控的3D打印機的噴頭的推拉式結構，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構，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側設有控制噴口尺寸的伸 縮材料和，所述噴口的外側設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 產生驅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構上采用串聯形式，在電路結構上使 用并聯形式。
[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)，用以產生驅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是本發明的3D打印噴頭的推拉式結構的內部構造示意圖。
[0027] 圖2是本發明的3D打印噴頭的推拉式結構的截面示意圖。
[0028] 圖3是本發明的3D打印噴頭的阻塞式結構的內部構造示意圖。
[0029] 圖4是本發明的3D打印噴頭的阻塞式結構的截面示意圖。
[0030] 圖5是電致伸縮材料致動器的結構示意圖。
[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構示意圖。
[0033] 圖8a_8b是本發明的3D打印噴頭的推拉式結構使用電致伸縮材料致動器
[0034] 圖9a_9b是本發明的3D打印噴頭的推拉式結構使用磁致伸縮材料致動器
[0035] 圖10a-10b是本發明的3D打印噴頭的阻塞式結構使用電致伸縮材料。
[0036] 圖1la-1lb是本發明的3D打印噴頭的阻塞式結構使用磁致伸縮材料。
[0037] 上述圖中編號的方式如下：
[0038] 2位編碼的第一位是結構類型代碼，1代表推拉式結構，2代表阻塞式結構；第二位 是結構號，代表相應的結構。例如11代表3推拉式結構的外殼，21代表阻塞式結構的外殼。
[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，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；第二位是結構類型代碼，1代表推拉式結構，2代 表阻塞式結構；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] 為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，結合附圖作詳細 說明如下。
[0042] 本發明提供了一種3D打印設備的噴頭，其特征在于這種噴頭具有阻塞式和推拉 式兩種實現結構。
[0043] 圖1和圖2所示為本發明提供的3D打印設備的噴頭的推拉式結構，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（16);
[0046]-進給物料的管路（13);
[0047]-加熱設備（14)，設置于管路（13)的前段，用于軟化進給的物料；
[0048]-控制機構（16)，設置于管路（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擺動，收斂片（15) 之間使用柔性材料（17)連接；
[0050]本發明提供的3D打印設備的噴頭的推拉式結構的控制機構（16)，其特征在于：控 制機構（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所示為本發明提供的3D打印設備的噴頭的阻塞式結構，其特征在于： 包括
[0052] -外殼（21);
[0053]-支座（22)，與外殼（21) -體，用以支持偏轉機構（26);
[0054] -管路（23);
[0055]-加熱設備（24)，設置于管路（23)前段，用于軟化進給的物料；
[0056]-阻塞材料（27)，安裝在管路（23)最末端的內側，用于調節噴口大小，表面具有保 護層；
[0057]-偏轉機構（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)對應的殼體（21)上，用于為阻塞材料 (27)提供電場或磁場；
[0059]本發明提供的3D打印設備的噴頭的阻塞式結構的管路（23)，其特征在于，在管路 中段由一圈柔性材料連接（25)，使噴口可以在偏轉機構（26)的作用下偏轉。
[0060] 本發明提供的3D打印設備的噴頭的阻塞式結構的阻塞材料（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]本發明提供的3D打印設備的噴頭的阻塞式結構的偏轉機構（26)，其特征在于，偏 轉機構（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，在機械結構上串聯，在電路結構上并聯，這種方式克服了單片電致伸縮材料應變過小的 缺點；電致伸縮材料時應選擇電致伸縮系數較大的材料。
[0064]圖7所示為本發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較大。
[0065]圖5和圖6所示的本發明所述的電致伸縮材料致動器，其特征在于，包含：
[0066]-電極（611)，設置在垂直于伸縮方向的方向，用于產生電致伸縮材料（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)構成的結構內， 多片串聯；
[0069] -基座（613);
[0070] -傳動桿（614);
[0071] 圖7所示的本發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，其方向出口偏轉方向決 定，即本打印設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] 伸縮式結構的控制方式為：當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，出口的大小發生改變。當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，出口中心的方向發生改變，同時噴口的 大小發生改變。
[0078] 阻塞式結構的控制方式為：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，產生形變。這種形變阻塞了噴口的一部分空間，實現了噴口大 小的調節。偏轉方式為在對置的致動器（26)上加上不同的電壓，致動器（26)產生不同形 變，噴口中心實現偏轉。
[0079] 在所附示意圖中，為了表示清楚放大了各個結構，但作為示意圖不應該被認為嚴 格反映了幾何尺寸的比例關系。參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的 實施例不應該被認為僅限于圖中所示的區域的特定形狀，在本發明所屬的領域之內，可以 依照本發明的精神和范圍對實施的形式和細節進行修改和變化。本發明的專利保護范圍， 應以所附權利要求書界定的范圍為準。
[0080] 實施例一
[0081] 如圖8所示，圖8為本發明推拉式結構的結構示意圖，本實施例中的致動器使用的 是電致伸縮材料致動器。采用的推拉式結構的具體結構如下：
[0082] -外殼（1111);
[0083]-支座（1112)，與外殼（1111) 一體，用以支撐控制機構（1116);
[0084]-進給物料的管路（1113);
[0085]-加熱設備（1114)，設置于管路（1113)的前段，用于軟化進給的物料；
[0086]-控制機構（1116)，設置于管路（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構如下：
[0089]-電極（611)，設置在垂直于伸縮方向的方向，用于產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)構成的結構內， 多片串聯；
[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)每個都會產生相同的伸長量（AL)，實現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，極板間產生的電場強度（E)為

【權利要求】
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：所述噴口的四周內側設有控制噴口尺寸的伸縮材料（27)，所 述噴口的外側設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. 根據權利要求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生驅動電致伸 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)在機械結構上采用串聯形式，在電路結構上使用并 聯形式。
4. 根據權利要求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)，用以產生驅動磁致伸縮材料（622)的磁場的線圈（621和傳動桿（624)。
5. 根據權利要求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 優先權日:2014年5月31日
【發明者】郭太良, 周雄圖, 葉蕓, 張啟飛, 林毅斌 申請人:福州大學