[发明专利]三维打印机和打印方法、三维打印头

说明书

技术领域

本发明属于三维打印机领域，具体地说，是涉及一种螺杆挤压三维成型的三维打印机、三维打印头以及这种打印机的打印方法。

背景技术

快速成型技术能够用于三维（3D）打印的成型过程，通过电脑数据的转换过程实现三维物体的制造。通常，3D打印快速成型技术主要包括三种类型：立体雕刻（Stereolithography）、逐层叠加制造（Laminated Object Manufacturing）和选择性沉积塑形（Selective Deposition Modeling，SDM）。熔融堆积成型技术（FDM）是属于选择性沉积塑形（SDM)的一种技术工艺。现阶段，FDM三维打印机通常是利用热塑性聚合物材料在熔融状态下，从打印喷嘴处挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，再一层一层地叠加最终形成产品。

申请号为CN201410066757.0中国发明专利申请公开了一种三维打印机，这种三维打印机的原理采用螺杆挤压成型，在控制系统的作用下，通过螺杆把加热熔融的打印材料由打印喷嘴喷涂在打印平台上。螺杆挤压成型原理的三维打印机属于FDM型的三维打印机，然而，这种类型的三维打印机存在一些缺陷。

目前，市场上FDM三维打印机所使用的聚合物材料通常是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龙（PA）和聚碳酸酯（PC），使用这些材料的三维打印机的打印头的加热温度通常在200℃以上。例如，使用ABS材料的三维打印机需要打印头的加热温度达到220℃，而使用PLA材料的三维打印机需要打印头的加热温度达到205℃，这样就需要耗费大量的热量来使材料熔融，从而造成过多能源的浪费，并且打印头的温度过高也容易造成人员烫伤。另外，这种三维打印机在挤出成型物体时，由于高温熔融线材需要经逐渐缓慢冷却固化成型，因此其打印速度很慢。此外，由于打印线材在打印物体的表面产生的拉丝效应，会导致打印物体的表面不是很光滑。并且，对于高温熔融材料成型的物体，在物体内部还存在因分子取向和温差而产生的内应力，从而导致成型物体收缩时不均匀，尺寸偏差较大，最终使得三维打印物体产生翘曲、变形等问题。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种三维打印机的三维打印头。

本发明的另一目的是提供一种三维打印机。

本发明的再一目的是提供一种三维打印机的打印方法。

本发明提供的三维打印头包括材料容积腔，螺杆设置在材料容积腔内，电机与螺杆连接并驱动螺杆转动，供料装置与材料容积腔连通，打印喷嘴设置在材料容积腔的端部，加热器设置在材料容积腔上，且位于供料装置和打印喷嘴之间，超临界流体供应系统与材料容积腔连通, 向材料容积腔输出超临界流体。

由上述方案可见，熔融的打印材料加入超临界流体，在螺杆的混合搅拌作用下产生单相熔融混合物，形成均匀的微孔气泡化作用，从而降低打印物体的密度值，相比于没有加入超临界流体的技术方案，本方案得到的三维打印物体的密度降低6%至10%，不仅节省材料而且降低成本，虽然三维打印物体的密度有所降低，但是由于打印物体的密度均一，其物理机械性能反而会大幅提升，从而保证了三维打印物体的质量；另外，还有效改善三维打印物体由于应力和收缩不均匀而产生的翘曲、变形，使三维打印物体的表面光滑平整、尺寸稳定，降低三维打印物体的尺寸偏差，三维打印物体的平直性提升50%以上；此外，有效降低打印时候的熔融打印材料所需要的温度，节省能源并且防止操作人员的烫伤。

一个优选的方案是，在超临界流体供应系统与材料容积腔之间设置有流量控制装置。

由上述方案可见，调节超临界流体进入材料容积腔的流量，控制超临界流体和熔融的打印材料的重量比例在合理的范围内，从而更好地控制熔融材料的微孔气泡化作用。

一个优选的方案是，加热器为缠绕在材料容积腔的内腔体外的加热线圈。

一个优选的方案是，打印喷嘴以可拆卸方式连接在材料容积腔的端部。

由上述方案可见，在三维打印物体的打印过程中，在一些情况下需要调整打印喷嘴挤出丝料的截面大小，当需要进行快速打印的时候，可以首先增加超临界流体的流量供应，熔融材料的密度会相应降低但是会提高材料容积腔内熔融材料的体积，这个时候通过手动或者电动的方式更换更大孔径的打印喷嘴就可以进行更快速的打印过程。

一个优选的方案是，三维打印头还包括控制系统，在打印喷嘴的位置设置有密度传感器，控制系统分别与密度传感器、流量控制装置电连接。