CN104085108A - 一种喷头组件及使用该喷头组件的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够结合加热器和散热器，从而更加轻便和安全的喷头组件。本发明公开了一种喷头组件，用于熔融沉积式3D打印机，所述喷头组件包括，引导管，其包括具有熔丝入口的第一端和设有喷嘴的第二端；第一导热件，第二导热件，所述第一导热件和第二导热件沿所述引导管的第二端至第一端的方向依次设置在所述引导管上；所述喷头组件还包括，热电装置，其具有热端和与所述热端相对设置的冷端，所述热端与所述第一导热件接触，所述冷端与所述第二导热件接触。

Description

一种喷头组件及使用该喷头组件的3D打印机

技术领域

本发明涉及于3D打印领域，尤其涉及一种熔融沉积式3D打印机的喷头组件。

本发明还涉及一种使用喷头组件的3D打印机。

背景技术

3D打印技术是快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，通过粉末状金属或塑料等粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其中3D打印技术分为多种，而其中最为广泛应用的就是熔融沉积的方式，其又称为熔丝沉积，通过将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微丝喷嘴的喷头组件把材料挤出来，同时喷头组件可以沿一定方向移动，熔融的丝材被挤出后和前一层材料粘合在一起，借此一层层地粘合直到工件完全成型。

为了使得熔丝能够有效的与前一层材料粘合在一起，喷头组件上的喷嘴必须能够达到一定温度，从而将丝材融化，现有技术是通过安装一电阻丝式加热器)来实现以上功能的，然而，一方面由于加热器与喷嘴接触，同时喷嘴又属于引导管的一部分，这样必然会导致引导管整体受热温度升高，最终造成热熔性丝材过早融化，即进入引导管的熔丝入口就开始融化，使得热熔型丝材无法从喷嘴挤出，另一方面，当加热器长时间加热后，引导管温度无法控制，造成喷嘴温度过高。为了解决以上的问题，现有的方法是，在喷头组件上加入散热风扇，对其熔丝入口以及熔丝入口至喷嘴的一部分引导管进行散热，风扇的转速可以根据具体引导管的温度改变。

首先，上述加热器和散热器分离的方式，存在以下几个缺点：第一，喷头组件作为主要的打印设备需要能够快速地移动到需要的位置上，而目前，加热器和散热器分离的方式，使得其结构过于复杂，且不够轻便；第二，当散热器出现故障，加热器依旧正常工作时，会使得喷头组件温度持续升高，烧坏相关元件，具有危险性。

其次，上述通过电阻丝式加热器的方式，具有几个缺点：第一，热损失大，效率低。众所周知，电阻丝式加热器是由电阻丝烧制而成，其热效率较低(通常在20％-30％左右)能源浪费严重；第二，由于电阻丝容易因高温氧化而被烧断，寿命较短，导致喷头组件需要经常性的维修或更换，提高了3D打印的成本。

再者，上述通过加入风扇的散热方式，亦具有几个缺点：第一，由于风扇是通过马达转动来实现散热的，其必然会引起一定的振动，导致喷头组件振动，使得3D打印出的模型产生误差，特别是当3D喷头组件长时间使用时，温度过高，导致风扇为了有效的降温，转速升高，其引起的振动幅度也就越大，3D打印出的模型产生的误差也越大；第二，考虑到风扇是通过空气对流来实现间接降温，其无法精确地控制整个引导管(包括喷嘴和熔丝入口)的温度。

因此，亟需一种能够使得喷头组件更加轻便和安全的装置。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种能够结合加热器和散热器，从而更加轻便和安全的喷头组件。

本发明公开了一种喷头组件，用于熔融沉积式3D打印机，所述喷头组件包括，引导管，其包括具有熔丝入口的第一端和设有喷嘴的第二端；第一导热件，第二导热件，所述第一导热件和第二导热件沿所述引导管的第二端至第一端的方向依次设置在所述引导管上；所述喷头组件还包括，热电装置，其具有热端和与所述热端相对设置的冷端，所述热端与所述第一导热件接触，所述冷端与所述第二导热件接触。

优选地，在本发明中所述热电装置设于所述第一导热件和第二导热件之间。

优选地，在本发明中所述第一导热件包括一直径略大于所述引导管的第一通孔，所述第一导热件借由所述第一通孔套设于所述引导管上。

优选地，在本发明中所述第二导热件包括一直径略大于所述引导管的第二通孔，所述第二导热件借由所述第二通孔套设于所述引导管上。

优选地，在本发明中所述第二导热件包括主体部和延伸部，所述主体部的一面与所述冷端接触，所述延伸部与所述引导管的外缘周边接触朝着所述第一端的方向延伸

优选地，在本发明中所述延伸部的外周面上设有若干散热片。

优选地，在本发明中所述主体部与所述散热片连接。

优选地，在本发明中所述第一导热件设于所述引导管的第二端。

优选地，在本发明中所述喷嘴由所述第一导热件的一部分形成。

优选地，在本发明中所述喷头组件还包括一熔丝传动装置、一安装件，所述安装件连接所述熔丝传动装置和所述引导管。

优选地，在本发明中所述熔丝传动装置包括具有安装空间的熔丝支撑件、与所述安装空间匹配的安装熔丝传动轮和弹簧活塞，所述熔丝传动轮和所述弹簧活塞安装在所述熔丝支撑件的安装空间内。

优选地，在本发明中所述喷头组件还包括一步进马达，所述步进马达的转轴连接所述熔丝传动轮。

本发明还公开了一种使用喷头组件的3D打印机。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.通过利用热电装置的热端代替加热器，冷端代替散热器，从而相比于现有的互相分离的加热器和散热器，整个喷头组件更加轻便，同时安装更加方便。

2.由于采用热电装置替代加热器和散热器，当冷端无法正常工作时，热端也必然无法工作，避免了散热功能失效时，加热功能继续工作的情况，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明喷头组件一实施例的爆炸图；

图2为本发明喷头组件一实施例的剖面图。

附图标记：

喷头组件100、引导管110、喷嘴111、熔丝入口112、热电装置120、热端121、冷端122、第一导热件130、第二导热件140、主体部141、延伸部142、步进马达151、熔丝支撑件152、安装件153、熔丝传动轮154、弹簧活塞155、熔丝160、熔丝传动方向161、散热片170。

具体实施方式

以下将结合具体实施例以及附图进一步阐述本发明的优点。

应当注意到，在本文中，用于解释所揭露实施方式的各个部分的结构和动作的方向表示，诸如上、下、左、右、内、外、等等，并不是绝对的，而是相对的。当所揭露实施方式的各个部分位于图中所示位置时，这些表示是合适的。如果所揭露实施方式的位置或参照系改变，这些表示也要根据所揭露实施方式的位置或参照系的改变而发生改变。

如图1所示，为本发明喷头组件一实施例的示意图。本实施例中喷头组件100包括引导管110、热电装置120、第一导热件130、第二导热件140、熔丝传动装置。

结合图2所示，其中，引导管110的具有第一端和第二端，其第一端设有熔丝入口112，第二端设有喷嘴111，同时喷嘴111和熔丝入口112通过引导管110的内部空间贯通，从而熔丝160自熔丝入口112进入引导管110并通过引导管110的内部空间抵达喷嘴111，并经加热后从喷嘴111流出(如图中熔丝传动方向161所示)。

第一导热件130设置在引导管110上，其包括与引导管110外周面接触的第一接触壁，通过该第一接触壁，第一导热件130上的热量可以传导至引导管110上。

同样的，第二导热件140设置在引导管110上，其包括与引导管110外周面接触的第二接触壁，通过该第二接触壁，引导管110上的热量可以传导至第二导热件140上。

热电装置120，即，通过半导体制冷技术(基于帕尔帖原理)实现一端制热、另一端制冷的装置，其包括热端121和冷端122，以及导通热端121和冷端122的电源，该热端121和冷端122相对设置(此为现有技术，不再详述)，并且该热端121与第一导热件130接触，将热端121产生的热量传导至第一导热件130，该冷端122与第二导热件140接触，将第二导热件140上的热量吸收，实现散热的目的。这样通过将加热功能和散热功能结合通过该热电装置120实现，有效的减少了喷头组件100的体积，使其更加轻便，同时也方便安装或替换。另外，由于热电装置120正常工作时需要热端121和冷端122同时运行，一旦其中一个无法正常工作其必然导致另一个无法运行，这样能够保证当冷端122发生问题时(即喷头组件100散热功能失效时)，其热端121必然会停止工作(即喷头组件100加热功能失效)，从而避免喷头组件100散热功能失效而加热器继续加热导致喷头组件100温度过高烧坏，并产生起火的危险性。

需要说明的是，由于热电装置120本身是通过电力将冷端122的热量传送至热端121，这样热电装置120需要的致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定，即通过电流的控制能够有效的控制热电装置120的热端121和冷端122，从而进一步更加精确的控制引导管110的温度。

同时，由于其热端121的大部分热量由冷端122通过电子传导至热端121，形成热端121高温，冷端122低温的状态，相比于通过加热器(如，热电阻丝)加热，再通过散热器(如，风扇)散热的工作方式，热电装置120的工作方式对于能量的利用效率明显更高。

熔丝传动装置，安装在引导管110的熔丝入口112处，其包括了步进马达151、熔丝支撑件152、熔丝传动轮154、弹簧活塞155、安装件153，其中熔丝支撑件152内具有安装空间和用于熔丝传动的通道，熔丝传动轮154和弹簧活塞155匹配的设置在该安装空间内，同时步进马达151与熔丝传动轮154连接，带动其转动，而熔丝160位于该熔丝传动轮154的外周面与该弹簧活塞155之间，并通过该弹簧活塞155被压紧到该熔丝传动轮154的外周面上，使得当该熔丝传动轮154转动时，熔丝160因熔丝传动轮154外周面上的摩擦力被带动，从而进入引导管110的熔丝入口112。安装件153用于连接引导管110和上述熔丝支撑件152。

上述结构的具体工作过程为：步进马达151带动熔丝传动轮154转动，借此由弹簧活塞155夹紧到熔丝传动轮154外表面的熔丝160被带动，并且熔丝160通过引导管110传动至喷嘴111，热电装置120通电后，其借由内部的电子迁移将冷端122处的热量传输至热端121，热端121的热量再借由第一导热件130传导至喷嘴111，通过喷嘴111加热熔丝160，使其融化并借由后续熔丝160的挤压，从喷嘴111流出，同时，由于冷端122的温度较低，根据热平衡原理，第二导热件140上的热量必然会被大量传导至冷端122，而同样的，引导管110上的热量也会一部分被第二导热件140吸收，这样整个引导管110的热量就会产生高温区和低温区，低温区保证熔丝160不会过早融化，而高温区实现熔丝融化，并且整个引导管110能够长时间保持该工作状态。

优选地，该第一导热件130设于引导管110的第二端，因为第一导热件130的目的是将热量传导至处于第二端的喷嘴111，所以第一导热件130与喷嘴111之间的距离越近，其热量传输效率越高。进一步地，上述喷嘴111由所述第一导热件130的一部分形成，这样由于第一导热件130直接通过内部传导热量，其传导效率是最高的。

优选地，该热电装置120设于第一导热件130和第二导热件140之间，这样第一导热件130就与热端121的端面接触，而第二导热件140就与冷端122的端面接触，考虑到热电装置120(通常呈板状)通过将冷端122的热量传输至热端121实现制热和制冷的效果，其热端121的端面具有最高的温度，而冷端122的端面具有最低的温度，这个位置对于热电装置120能够实现最高效的制热和制冷效果。需要指出的是，热电装置120的位置并不限定于第一导热件130和第二导热件140之间，其还可以是多样的，凡是能够使得热端121与第一导热件130接触，冷端122与第二导热件140接触的任意位置都是可行的。

优选地，第一导热件130包括一直径略大于引导管110的第一通孔，第一导热件130通过该第一通孔来套设与该引导管110上，此时，上述第一接触壁即为该第一通孔的内周面，其与引导管110对应的外周面接触，从而第一导热件130上的热量能够较为均匀的传导至引导管110上。

优选地，第二导热件140包括一直径略大于引导管110的第二通孔，第二导热件140通过该第二通孔来套设与该引导管110上，此时，上述第二接触壁即为该第二通孔的内周面，其与引导管110对应的外周面接触，从而引导管110上的热量也能较为均匀的传导至第二导热件140上。

优选地，第二导热件140包括主体部141和延伸部142，如图2所示，该主体部141的一面与冷端122接触，延伸部142与引导管110的外缘周边接触并朝着引导管110第一端的方向延伸，借此引导管110上的大部分热量能够通过延伸部142传导至主体部141，主体部141再传导至冷端122。进一步地，延伸部142为中空圆柱，其内部中空空间的直径略大于引导管110直径，从而其内周面能够与引导管110的外周面接触，借此引导管110与延伸部142的接触面积最大，传导至延伸部142的效率也最高。更进一步地，延伸部142的外周面上还可以设置若干散热片170，将延伸部142的一部分热量通过散热片170散发至空气中。更进一步地，将散热片170与第二导热件140主体部141连接，从而延伸部142上的热量有效地传导至第二导热件140主体部141，并且同时可以将一部分热量散至空气中，这样整个喷头组件100的散热效率就更高。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种喷头组件，用于熔融沉积式3D打印机，所述喷头组件包括，

引导管，其包括具有熔丝入口的第一端和设有喷嘴的第二端；

第一导热件、第二导热件，所述第一导热件和第二导热件沿所述引导管的第二端至第一端的方向依次设置在所述引导管上；

其特征在于，所述喷头组件还包括，

热电装置，其具有热端和与所述热端相对设置的冷端，所述热端与所述第一导热件接触，所述冷端与所述第二导热件接触。

2.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述热电装置设于所述第一导热件和第二导热件之间。

3.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述第一导热件包括一直径略大于所述引导管的第一通孔，所述第一导热件借由所述第一通孔套设于所述引导管上。

4.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述第二导热件包括一直径略大于所述引导管的第二通孔，所述第二导热件借由所述第二通孔套设于所述引导管上。

5.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述第二导热件包括主体部和延伸部，所述主体部的一面与所述冷端接触，所述延伸部与所述引导管的外缘周边接触朝着所述第一端的方向延伸。

6.如权利要求5所述的喷头组件，其特征在于，所述延伸部的外周面上设有若干散热片。

7.如权利要求6所述的喷头组件，其特征在于，所述主体部与所述散热片连接。

8.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述第一导热件设于所述引导管的第二端。

9.如权利要求8所述的喷头组件，其特征在于，所述喷嘴由所述第一导热件的一部分形成。

10.如权利要求1所述的喷头组件，其特征在于，所述喷头组件还包括一熔丝传动装置、一安装件，所述安装件连接所述熔丝传动装置和所述引导管。

11.如权利要求10所述的喷头组件，其特征在于，所述熔丝传动装置包括具有安装空间的熔丝支撑件、与所述安装空间匹配的安装熔丝传动轮和弹簧活塞，所述熔丝传动轮和所述弹簧活塞安装在所述熔丝支撑件的安装空间内。

12.如权利要求11所述的喷头组件，其特征在于，所述喷头组件还包括一步进马达，所述步进马达的转轴连接所述熔丝传动轮。

13.一种使用如权利要求1所述喷头组件的3D打印机。