[发明专利]一种线阵喷射式FDM三维打印喷头及打印方法

说明书

本发明公开一种线阵喷射式FDM三维打印喷头及打印方法，所述喷头包括喷头主体、喷头掩模、薄片堵针阵列、堵针压力调整块、堵针阵列驱动装置。喷嘴中设置有一个狭长窄缝的熔融状打印材料流出口，形成设定宽度的扁平熔塑射流；薄片堵针阵列是由多个薄片堵针的叠合，每一薄片堵针的平面结构形状相同、厚度相同或不同，堵针阵列驱动装置用于驱动任意一片薄片堵针前后摆动，堵塞或打开任意一片薄片堵针所在位置宽度的熔塑射流时，则使得熔塑射流出现位置可控的梳状空隙；三维打印喷头按“几”字型轨迹做往复直线运动，梳式可控的扁平熔塑射流被摊铺到工作台面上沉积形成设定图案，多层图案堆积而成三维打印制件。

技术领域

本发明涉及一种线阵喷射式FDM三维打印喷头及打印方法，特别涉及一种FDM三维打印机线阵喷射式喷头设计，属于快速成型与三维打印机技术领域。

背景技术

FDM(Fused Deposition Manufacturing)于1988年由美国科特克鲁姆普发明，是一种将塑料线材送入打印头融化，经打印头头部0.1～0.4mm的小孔挤出后，在工作台上按计算机指令控制的路径采用熔塑细线填充的方式，实现三维物体的分层叠加成型。其中喷头是实现熔积成型的关键部件，也是FDM三维打印机的核心，喷头一般包括有原料进给装置、塑化装置、喷嘴、进料驱动装置与控制器；驱动装置为原料的添加和熔料的挤出提供驱动力，保证熔料能顺利通过喷嘴挤出，控制装置则控制物料的加入速度并控制加热温度，进料装置保证丝料或颗粒料能顺利加入到料筒，塑化装置保证物料均匀塑化，喷嘴是物料熔体流经的最后通道。

自FDM技术发明以来，基本堆积成型原理与喷头基本构型几无变化，如附图1所示，熔体均经过小孔喷射而出，挤出料呈现为高温熔体细丝线形射流，射流直径一般在0.1～0.4mm之间。孔式喷头在工作台上以轨迹填充的方式完成丝线对工件截面二维轮廓的扫描，实质等价于点式图案填充，填充速度取决于喷头的机械运动速度和小孔出丝的流速。由于三维打印精度与熔体细线直径、流速的矛盾，FDM的造型速度低下。一般精度要求下，每24小时能够挤出的最大熔体体积不超过36毫升，这就决定了FDM三维打印并不适合打印大型制件，或者精度较低不能打印复杂的物体。

FDM喷头的改进主要集中在进料方式、喷头丝材颜色的增加、喷头数量等方面，其出丝方式全部是小孔出丝。美国专利“Multicolored Fused Deposition Modeling Print”(US9283714B2)公开了一种彩色FDM喷头设计方案与染色出丝原理，在原料丝进入喷头之前进行染色，进而实现彩色三维打印；中国实用新型专利“三维打印装置的喷头结构”(201620114545.X)是通过齿圈上设置不同尺寸孔洞的方式，可根据成型对象的部位或打印面积大小来选择不同孔径的喷头；实用新型专利“一种三维打印高速精密定量喷头”(201520656239.4)是打印针在电磁铁的吸引下以活塞运动的形式，实现精密小量液体的小孔喷射；实用新型专利“一种可调挤出流量的三维打印机喷头”(201520336155.2)是在喷头端部喷口截面设置为长方形，同时在喷嘴侧面设置截面为T型的喷嘴活塞槽，通过活塞槽中活塞的运动实现长方形出口截面面积的动态调整，实质上依然是单出口的孔式喷头，虽然能够通过薄带式喷射提高截面填充效率，但喷出的平薄料带横截面为实心狭长矩形，喷头本身在转弯路径位置也必须同时旋转，保持喷出的料带始终与轨迹切线方向垂直，即喷头仍然需要按照工件截面轮廓的直线/曲线填充轨迹完成总长度和耗时巨大的复杂轨迹运动；实用新型专利“快速成形系统的挤压喷头结构”(98219118.9)公开了一种在喷嘴小孔位置设置溢流阀的设计，实现喷嘴内部熔体压力稳定。

上述公开的现有技术，其FDM喷头与喷射成型原理均存在如下不足之处：1、小孔喷射熔体，完成二维截面形状的点式填充，喷孔流量极为有限，直接带来了精度与效率的矛盾，是FDM三维打印技术的关键缺陷之源；2、依赖于喷头尖端的点式轨迹扫描完成实体造型，喷头实际运行轨迹总长度极其巨大，运行时间极为冗长；3、单位时间出料速度有限，不能适合进行大尺寸构件的打印需求。

发明内容