CN208896509U - 一种同轴3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种同轴3D打印设备，主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，通过同轴喷嘴打印内外层材料不同的同轴熔丝。外层主要使用层，决定制品力学性能；挤出丝料的内层为辅助定型层，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料或后期可去除的材料。通过本发明工艺及设备制作的制品在重量不变的情况下可提高强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。亦可将本实用新型用于制品性能的优化，如防火制品、耐腐蚀制品、性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。

Description

一种同轴3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，具体涉及一种同轴3D打印设备。

背景技术

3D打印技术被广泛应用于模具制造、工业设计、建筑、家用制品及医疗等众多方面，该技术能很好地按照要求打印出制品。目前实现3D打印制品轻量化的措施主要有对制品原有结构进行优化或改变制品水平方向填充比，并未对3D打印最小组成单元的丝料本身进行直接结构优化。

现有3D打印技术针对轻量化的应对措施之一是在达到技术要求的前提下减少XY平面内的填充比以节省材料(本实用新型中的论述将制品放在笛卡尔坐标系中，且Z轴方向为竖直方向)；在3D打印过程中，通常使用实心的丝料进行熔融堆积。

随着市场对低碳环保领域越来越重视，制品的轻量化需求也日趋显著，目前的3D打印轻量化途径已难以满足市场需求。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种同轴3D打印设备。本实用新型一种同轴3D打印设备相较市场上其他3D打印工艺，可通过同轴打印的方式堆叠具有填充比的丝料的制品，从打印制品内部结构自身优化性能，根据理论力学分析，在保证强度的情况下本实用新型技术方法可进一步节省材料。利用本实用新型的原理，采用不同的材料组合形成原位同轴结构丝料，亦可拓展3D打印工艺的应用范围。

本实用新型一种同轴3D打印设备主要的结构为内外层分层明确的同轴打印喷头，并采用柱塞送料和螺杆送料两种供料组合的方式对内外层两种材料进行挤出动作，在此基础上出口处增加了气流辅助拉伸及冷却装置。

本实用新型一种同轴3D打印设备主要技术方案是：通过同轴喷头打印外层聚合物、内层为体积密度低的同轴材料。外层为性能保证层，也是主要使用层，制品的力学性能主要由外层决定；挤出丝料的内层为辅助定型层，辅助定型层用于辅助外层丝料挤出定型，防止挤出的外层圆环材料截面塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料例如发泡材料，或后期可去除的材料，如：水、凝胶、低熔点合金等材料。传统工艺挤出的熔丝可近似为圆形截面的圆柱，而本实用新型挤出的同轴熔丝由于外层为性能保证层，在性能分析时可将其近似看做为圆环截面的圆柱，根据理论力学分析，在相同截面面积的前提下，圆环截面制品刚度优于圆形截面制品。因此通过本实用新型设备制作的制品在重量不变的情况下可提高刚度、硬度和弯曲强度，实现3D打印技术的进一步轻量化。

本实用新型提出一种同轴3D打印设备，主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷头。环形气流出口套接供气***，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层，防止冷空气将未挤出喷头的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品，若内部材料为可去除材料，在打印过程结束后续通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造。

本实用新型一种同轴3D打印设备的同轴喷头可选用内针弯折、外针笔直型或外针弯折、内针笔直型两种型号。本实用新型优选外针弯折、内针笔直型。同轴喷头应选用导热性能较好的材料制作，本实用新型优选铍铜材料。

同轴喷头上安装有内层流道加热套、外层流道加热套和保温套。其中保温套距离喷头的出料口最近。喷头的出料口处安装有环形气流出口套，可用于对挤出丝料进行轴向拉伸和加速丝料的冷却。环形气流出口套与喷头之间加垫有隔热材料，防止气流对未挤出喷头的材料冷却导致的喷头堵塞现象的产生。

本实用新型一种同轴3D打印设备的加热套及保温套均为电阻加热套，每个加热套都包括电阻加热器和散热片，设置散热片以防止加热过程中局部过热。保温套的设置有助于同轴材料在喷头处具有良好流动性，使同轴材料顺利挤出，避免喷头堵塞。

本实用新型一种同轴3D打印设备可用于3D打印制品的优化，具体讲分为：(1)进一步优化3D打印制品的轻量化结构；(2)制造满足特殊使用要求的3D打印制品。

对于本实用新型用于3D打印制品轻量化方面：在打印过程中挤出丝料的外层为制品的主要使用层，挤出丝料的内层为辅助定型层。辅助定型层用于辅助丝料挤出定型，防止挤出丝料塌陷，辅助定型层可采用相对体积密度较小的材料，或采用成型后可去除的材料，使打印的制品丝料形成中空结构。上述两种方法均能实现3D打印丝料结构的轻量化改进。

对于将本实用新型用于制备特殊领域3D打印制品方面：可利用本实用新型的原理打印出满足特殊使用性能的制品。在打印挤出过程中，主要使用材料和辅助材料(例如防火材料、耐腐蚀材料、增强材料等)可根据实际需要设置挤出量及挤出丝料的内层材料和外层材料包覆组合类型。例如加工性能增强制品，则内层材料为辅助增强材料，外层材料为基体材料；如果制造有防火要求的制品，则内层材料为基体材料，外层为防火材料。本实用新型未对打印丝料的包覆层数做限制，可根据实际使用要求组合各类材料制备同轴材料及制品，利用本实用新型的原理均属本实用新型的保护范围。

本实用新型一种同轴3D打印设备的具体工作方式为：

先将内层材料放入活塞筒中，打印前预热，内层加热套用于加热熔融内层材料，外层加热套用于加热熔融外层材料，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料挤出；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；保温套用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷头。环形气流出口套连接供气***，气流可辅助拉伸挤出熔丝，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热材料，防止冷空气将未挤出喷头的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品。若内部材料为可去除材料，在打印过程结束后需通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造

本实用新型一种同轴3D打印设备打印的制品相比于传统3D打印技术而言，在XY水平方向网格填充的轻量化方案基础上进一步使制品从最小成型单元的熔丝实施轻量化设计，在对制品性能要求不变的前提下，可降低制品重量，减少耗材使用量，使3D打印技术更加绿色环保；针对本实用新型的3D同轴打印技术，亦可将本实用新型用于制品性能的优化，如防火制品、耐腐蚀制品、性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。

附图说明

图1是本实用新型一种同轴3D打印设备的同轴挤出装置示意图。

图2是本实用新型一种同轴3D打印设备打印制品结构示意图。

图中：1-活塞；2-内层加热套；3-外层加热套；4-外层材料通道；5-保温套；6-环形气流出口套；7-隔热层；8-活塞筒；9-外层材料；10-内层材料；11-喷嘴。

具体实施方式

本实用新型一种同轴3D打印设备，如图1所示，主要包括活塞1、内层加热套2、外层加热套3、外层材料通道4、保温套5、环形气流出口套6、隔热层7和活塞筒8，外层材料通道4下端为同轴喷嘴11，活塞筒8中放入内层材料10，内层加热套2将熔融内层材料10加热预热，外层加热套3将位于外层材料通道4的外层材料9加热熔融，在打印过程中通过活塞1压缩使内层材料10进入保温套5范围内；外层材料9通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料9导入外层材料通道4；保温套5用于在喷嘴流道处使同轴材料具有较好流动性，使其在喷嘴处顺利挤出，避免堵塞喷头。环形气流出口套6接供气***，环形气流出口套6与外层材料通道4间有隔热层7，防止冷空气将未挤出喷头的材料冷却。在打印过程中，同轴结构熔丝按需铺设在成型平台上并层层堆积成制品，若内部材料10为可去除材料，在打印过程结束后续通过倾倒或加热抽空方式排出制品本体，使制品实现轻量化结构制造

本实用新型一种同轴3D打印设备打印的制品相比于传统3D打印技术而言，在XY水平方向网格填充的轻量化方案基础上进一步使制品从最小成型单元-熔丝实施轻量化设计，在对制品性能要求不变的前提下，可降低制品重量，减少耗材使用量，使3D打印更加绿色环保；针对本实用新型的3D同轴打印技术，亦可将本实用新型用于制品性能的优化，如外层材料为防火材料、耐腐蚀材料或性能增强材料，得到防火制品、耐腐蚀制品或性能增强制品，以满足不同使用条件的要求，扩展了3D打印制品的应用范围。

对将本实用新型用于3D打印制品轻量化的情境：如图2所示，在打印过程中挤出丝料的外层材料9为制品的主要使用层，即在制品中占有较大体积比的材料；挤出丝料的内层材料10为辅助定型层。

对于将本实用新型用于制造满足特殊使用要求的3D打印制品的情境：可利用本实用新型的原理及所述的同轴打印及技术打印出满足特殊使用性能的制品。在打印挤出过程中，主要使用材料和辅助材料(例如防火材料、耐腐蚀材料、增强材料等)可根据实际需要设置挤出量及挤出同轴丝料的特殊使用性能内层材料及特殊使用性能外层材料包覆的材料组合类型。

Claims (3)

1.一种同轴3D打印设备，其特征在于：主要包括活塞、内层加热套、外层加热套、外层材料通道、保温套、环形气流出口套、隔热层和活塞筒，外层材料通道下端为同轴喷嘴，活塞筒中放入内层材料，内层加热套将熔融内层材料加热预热，外层加热套将位于外层材料通道的外层材料加热熔融，在打印过程中通过活塞压缩使内层材料进入保温套范围内；外层材料通过活塞挤出装置或螺杆挤出机将外层材料导入外层材料通道；环形气流出口套接供气***，环形气流出口套与外层材料通道间有隔热层。

2.根据权利要求1所述的一种同轴3D打印设备，其特征在于：同轴喷嘴选用内针弯折、外针笔直型或外针弯折、内针笔直型两种型号。

3.根据权利要求1所述的一种同轴3D打印设备，其特征在于：外层材料为防火材料、耐腐蚀材料或增强材料。