[发明专利]一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头

说明书

本发明涉及一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头。包括：线材导管，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；机筒，内部设置螺杆，螺杆的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒过盈配合，机筒与线材导管的出口端相通连接。通过在线材导管上设置激光加热装置，实现线材通过线材导管时快速的加热熔化，然后以熔融态进入到机筒中，通过在机筒中设置螺杆，螺杆对线材导管中的线材进行压缩，螺杆的转动为腔内流体增大压力，解决了打印头装置仅能输出有限的体积填充速度和挤压力的问题。

技术领域

本发明属于熔融沉积设备技术领域，具体涉及一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

3D打印技术作为科技发展的前沿技术，是当今世界的研究热点之一。熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)因为原理简单、设备成本低、成型原料广泛、产品生产周期短、材料利用率高、制件形状可控等特点是目前应用最广泛的3D打印技术之一。但由于FDM常用材料的热穿透性比较低，打印喷头的挤出力较小，FDM打印机普遍存在打印速度慢的问题。

为了缩短构建时间，在现有条件下通常采用的策略有：第一，降低填充密度；第二，增加喷嘴直径；第三，避免一次性打印异形结构；第四，对于异形结构，先打印若干小件然后拼成大件。研究显示，降低填充密度能够有效缩短构建时间，但是制件的力学性能却随填充密度的降低而显著减弱，特别是经过填充密度的临界点后(临界点由线材类型与制件结构决定)。同样地，增加喷嘴直径能有效缩短构建时间，但是制件(水平方向)分辨率却随之降低，此外，制件也出现了层间与层内缺陷。显然，现有的策略难以解决FDM 3D打印中高构建速度和制件高分辨率的矛盾问题。亟需探寻新的方法，解决FDM 3D打印所面临的难点问题。

从本质上来讲，决定三维构建速度和分辨率的关键部件是FDM设备的打印头装置。最初，美国公司Stratasys FDM打印设备使用的打印头装置是装有直径相同的主动轮和从动轮导料马达，如图1(a)所示，即初代打印头装置。此后，研究人员先后推出的FDM设备打印头装置都与此类似。该类打印头装置的线材体积填充速度(送丝速度与线材导管横截面积的乘积)约为21cm³/hr，挤压力约为30N。受限于高分子聚合物线材的低热穿透性和导料马达与线材间有限的摩擦力，初代打印头装置仅能输出有限的体积填充速度和挤压力；也正因此，才制约了传统FDM技术的构建速度与打印分辨率的提升。

在FDM打印过程中，制件分辨率由打印头装置的喷嘴直径大小决定，而构建速度则由打印头装置的挤出速度大小决定。虽然合理地调控打印工艺参数(如层厚和扫描速度)亦能决定制件分辨率(垂直方向)和构建速度的大小，但是不能获得本质上的突破。根据流体连续性方程，决定挤出速度的因素有体积填充速度和喷嘴直径，因此提升挤出速度的思路有三种：第一，保持喷嘴直径不变，增大体积填充速度；第二，保持体积填充速度不变，减小喷嘴直径；第三，减小喷嘴直径的同时增大体积填充速度。

一方面，若保持喷嘴直径不变，为了增大体积填充速度，需提升导料马达圆周运动转化为线材直线运动的效率(如图1(b)所示)，或增大导料主动轮数目进而增加导料马达与线材之间的摩擦力(如图1(c)所示)。但速度的增大也会产生新的问题，由于体积填充速度的极大提升，对加热模式也提出了新的要求。这是因为当不改变传统打印头装置加热模式时，由于熔融区线材纵向移动速度过高，线材的低热穿透性会造成熔融腔中心区域线材熔融不完全的现象，其结果就是易造成堵料的现象，从而致使打印过程断丝。倘若喷嘴直径较大，由于喷嘴壁存在较大的瞬时粘滞力，加之中心区域线材熔融不完全，从而造成制件冷却固化后丝材内部缺陷的问题，如制件层内空心。