[发明专利]基于多段温度控制的熔丝沉积成型3D打印喷头及温控方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术，具体涉及熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）打印装置及控制方法。更详细的说，本发明涉及熔丝沉积成型3D打印新型打印喷头，具备多段温度控制，防止断丝、堵塞和溢流问题。

背景技术

熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）也称为熔丝沉积成型（FDM）3D成型、FDM成型、FDM 3D成型、FDM打印或者FDM 3D打印等，是目前发展最为迅速、最有前途的快速成型技术、也称3D打印成型技术之一。熔融沉积成型的工作原理是将热熔性材料（如ABS、蜡等材料）通过加热器熔化，材料先抽成丝状供打印使用。然后FDM成型设备通过送丝机构将丝状打印材料送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料按照加工产品CAD分层数据控制的路径挤出并沉积在指定的位置凝固成形，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用，所以FDM等工艺被称为3D打印成型技术。熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，通过送丝机构以丝状供料。

FDM技术可以将所需产品CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成物理实体，比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。而且采用ABS等高分子原料作为打印材料，加工出的产品具有一定的机械强度和硬度，设计者可以利用FDM快速加工出所需产品进行前期设计的设计评审、性能测试及装配实验，保证设计的产品满足预期要求。而且将FDM技术和传统的模具制造技术结合在一起，快速模具制造技术可以缩短模具的开发周期，提高生产效率。另外在生物医学领域、微型机械领域等等都由广泛的应用。

熔融挤压成形工艺比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，功能测试及验证，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。该技术无需激光系统，因而价格低廉，运行费用很低且可靠性高；FDM快速成型工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾，没有毒气或化学物质的危险，因此制造系统可用于办公环境。

熔丝沉积成型机构包括三轴运动机构、送丝机构、打印喷头及控制机构组成。三轴运动机构实现熔丝沉积成型（FDM）打印喷头按照设计产品CAD数据处理获得的分层数据在三维空间的运动进行打印成型；送丝结构通过电机将丝状的打印材料送入打印喷头融化进行打印；打印喷头中的加热装置将送丝机构送入的丝状打印材料加热到熔融态，然后再送丝机构未融化材料的挤压力下挤出打印喷头沉积到上一层产品上冷却成型。而控制机构则实现对三轴运动机构、送丝机构及打印喷头及其加热装置的控制。

打印喷头中打印材料通道通常为一个圆柱形通道，加热状态包裹在通道金属外部对其进行加热，目前的熔丝沉积成型（FDM）打印喷头都是采用一个温度加热控制装置进行温度控制。喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度，如何保证成形材料能否以稳定的温度从嘴中挤出将直接影响原型的成形精度。

喷头温度太低，材料偏向于固态，则材料粘度增大使挤出摩擦阻力加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了挤压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞，而材料层间粘结强度降低，还会引起层间剥离；而温度太高，材料偏向于液态，出现焦黄，材料分子破裂，粘性系数变小，流动性强，无法形成可精确控制的丝，使挤出的丝表面粗糙，而且会出现加工层坍塌和破坏。

更为关键的是在熔丝沉积成型（FDM）打印成型过程中，经常出现停顿过程以实现打印路径转移、打印喷头跟换以打印支撑空间等等，这样在正常打印的停顿时间内由于熔融的打印材料过多会出现溢出问题，时间过长则靠近进丝入口部分的材料冷却后会出现堵塞打印喷头及断丝等严重故障而使得打印过程失败，影响打印产品质量。

本发明就是为了解决上述传统熔丝沉积成型（FDM）打印喷头这个问题，设计一个新的FDM成型打印喷头，根据打印丝材由送丝机构送入打印喷头中的成型室被加热到熔融态的直到挤出成型渐变过程，严格控制过程中的温度变换，提高熔丝沉积成型（FDM）成型质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于多段温度控制的熔丝沉积成型3D打印喷头及温控方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：