技术领域

本发明涉及3D打印机技术。

背景技术

3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现；3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

就目前的3D打印技术而言，3D打印机的挤出机构形态单一，只能实现一种状态的打印，对于不同特征打印不能有效的实现切换，也是制约了打印效率的关键。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实现多种形态切换的3D打印机挤出机构，并且可显著的提高3D打印的效率。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下。

3D打印机的形态切换机构，包括可在竖直方向运动的阀芯体，阀芯体的下端排料端部设置有熔流道组件，阀芯体的下端部套接有位于熔流道组件外部的阀套，所述的熔流道组件包括第一流道、第二流道、挤出流道，第一流道、第二流道沿阀芯体径向布置，挤出流道沿阀芯体中心轴线方向布置，阀芯体上还设置有用于分隔第一流道、第二流道的隔板，第一流道位于隔板上端部，第二流道位于隔板的下端部，其中，阀芯体上设置有沿其中心轴线方向布置的中心流道，中心流道的入料端部可接收固态原料或者熔融态原料，中心流道的排料端部接通第一流道，挤出流道位于第二流道的下端部并且挤出流道与第二流道接通，阀套上设置有两端对通并且与阀芯体形状相匹配的导向槽，阀套内还设置有与导向槽共轴线布置并且直径大于导向槽直径的环槽，第一流道可通过环槽与第二流道接通并实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道、环槽、第二流道并由挤出流道挤出成型；

上述的阀套上设置有偏置流道，所述的偏置流道的入料端口连通于导向槽内腔，偏置流道的排料端位于阀套的底部并且与挤出流道的指向方向相同，当阀芯体沿竖直方向运动并实现第一流道与偏置流道的入料端接通时，可实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道流入偏置流道中，并由偏置流道的排料端挤出成型。

上述方案的进一步改进。

上述的偏置流道包括第一偏置流道、第二偏置流道，并且第一偏置流道的入料端位置高于第二偏置流道的入料端位置，其中，第一偏置流道、第二偏置流道的排料端分置于阀套的一侧。

上述方案的进一步改进。

上述的形态切换机构还包括套设于阀套外部并且呈固定设置的外套体，所述的外套体用于对阀套进行固定。

上述方案的进一步改进。

阀芯体连接于切换动力机构的切换动力输出部件，切换动力机构包括接收动力并向切换动力输出部件传递动力的切换动力接收部件，切换动力输出部件可将动力传递至阀芯体并实现阀芯体沿竖直方向的运动。

上述方案的进一步改进。

上述的阀芯体包括同心设置且根据原料的流动方向依次设置的螺纹段、导向段、挤出段，上述的第一流道、第二流道、挤出流道均设置于挤出段，且挤出段与设置于阀套的导向槽相匹配并沿导向槽的轴线方向滑动，导向段的壁部设置有若干个沿其圆周方向均匀间隔分布并且沿阀芯体轴线方向布置的导向板，上述的切换动力输出部件为直齿轮并且切换动力输出部件的中心处还设置有通孔，且该通孔的内壁设置有与螺纹段相匹配的内螺纹，上述的切换动力输出部件的位置固定且可绕自身轴线转动，上述的阀套上设置有与设置于导向段壁部的导向板相匹配并且用于导向阀芯体在竖直方向运动的导槽。

上述方案的进一步改进。

上述的切换动力机构包括切换动力供应机构、安装于切换动力供应机构输出轴端并且可接收切换动力供应机构旋转力的切换动力接收部件，切换动力机构还包括设置于切换动力接收部件、切换动力输出部件之间并且用于传递旋转力的中间传动部件，切换动力接收部件接收切换动力供应机构旋转力并经由中间传动部件向切换动力输出部件传递旋转力。

上述方案的进一步改进。

上述的切换动力接收部件、中间传动部件均为直齿轮，中间传动部件分别与切换动力接收部件、切换动力输出部件相啮合，并实现旋转力的传递。

本发明与现有技术相比，取得的有益效果以及优点在于，本发明所提供的3D打印机挤出机构可实现挤出端口的尺寸/截面形状的切换，可适应不同打印对象的要求，可显著的提高对平面状板体的打印效果，显著缩短打印时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为支撑部件a与束紧机构相匹配的结构示意图。

图3为支撑部件a与束紧机构相匹配的结构示意图。

图4为支撑部件a的结构示意图。

图5为束紧机构的结构示意图。

图6为切换动力机构与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图7为切换动力机构与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图8为支撑部件b与导料管相匹配的结构示意图。

图9为切换动力机构与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图10为切换动力机构与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图11为支撑部件d与切换动力输出部件相匹配的结构示意图。

图12为切换动力机构与阀芯体相匹配的结构示意图。

图13为切换动力输出部件与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图14为切换动力输出部件与形态切换机构相匹配的结构示意图。

图15为支撑主体的结构示意图。

图16为冷却机构的结构示意图。

图17为形态切换机构的结构示意图。

图18为形态切换机构的结构示意图。

图19为形态切换机构的结构示意图。

图20为形态切换机构的结构示意图。

图21为形态切换机构的结构示意图。

图22为形态切换机构的结构示意图。

图23为形态切换机构的结构示意图。

图24为外套体的结构示意图。

图25为阀套的结构示意图。

图26为阀套的结构示意图。

图27为阀芯体的结构示意图。

图28为阀芯体的结构示意图。

图29为切换动力输出部件与阀芯体相匹配的结构示意图。

图30为切换动力输出部件的结构示意图。

图31为阀芯体的结构示意图。

图中标示为：

10、支撑体；110、支撑部件a；111、夹持槽；112、入料孔；113、轴槽；

120、支撑部件b；130、导料管；131、上导料管；132、下导料管；140、支撑部件c；150、支撑部件d；160、支撑主体；161、连接孔；

20、束紧机构；210、束紧动力供应机构；210、拨杆；220、动力轮；230、夹持轮；240、弹性件；

30、切换动力机构；310、切换动力供应机构；320、切换动力接收部件；330、中间传动部件；340、切换动力输出部件；

40、形态切换机构；

410、阀芯体；411、第一流道；412、第二流道；413、挤出流道；414、导向段；415、螺纹段；416、隔板；

420、阀套；421、环槽；422、第一偏置流道；423、第二偏置流道；

430、外套体；431、连接凸台；432、导槽；

50、冷却机构；510、风轮；520、风道。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明中提及的固态原料为3D打印机的常规耗材，其截面为圆形的线状体。

如图1所示，多形态3D打印机挤出机构，其包括支撑体10、安装于支撑体10底部的形态切换机构40、安装于支撑体10的切换动力机构30，形态切换机构40设置成可在中心挤出状态、偏置挤出状态之间切换，所述的切换动力机构30用于向形态切换机构40提供状态切换的动力。

如图17-31所示，形态切换机构40包括可在竖直方向运动的阀芯体410，阀芯体410的下端排料端部设置有熔流道组件，阀芯体410的下端部套接有位于熔流道组件外部的阀套420，所述的熔流道组件包括第一流道411、第二流道412、挤出流道413，第一流道411、第二流道412沿阀芯体410径向布置，挤出流道413沿阀芯体410中心轴线方向布置，阀芯体410上还设置有用于分隔第一流道411、第二流道412的隔板416，第一流道411位于隔板416上端部，第二流道412位于隔板416的下端部，其中，阀芯体410上设置有沿其中心轴线方向布置的中心流道，中心流道的入料端部可接收固态原料或者熔融态原料，中心流道的排料端部接通第一流道411，挤出流道413位于第二流道412的下端部并且挤出流道413与第二流道412接通，阀套420上设置有两端对通并且与阀芯体410形状相匹配的导向槽，阀套420内还设置有与导向槽共轴线布置并且直径大于导向槽直径的环槽421，第一流道可通过环槽421与第二流道412接通并实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道、环槽421、第二流道412并由挤出流道413挤出成型；上述的阀套420上设置有偏置流道，所述的偏置流道的入料端口连通于导向槽内腔，偏置流道的排料端位于阀套420的底部并且与挤出流道413的指向方向相同，当阀芯体410沿竖直方向运动并实现第一流道411与偏置流道的入料端接通时，可实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道流入偏置流道中，并由偏置流道的排料端挤出成型。

尤为重要地，当第一流道经过环槽421与第二流道412接通时，阀芯体410上位于第二流道412下端的壁部与阀套420的导向槽内壁紧密贴合，并实现环槽421与导向槽下端开口隔绝；其意义在于，避免自第一流道流入的熔融态原料自环槽直接流向导向槽下端开口，造成机构的不稳定。

更为完善地，阀芯体410下端排料端设置成锥状；可提高打印的效果，避免阀芯体410的挤出排料端与打印对象发生碰撞。

更为优化地，上述的偏置流道包括第一偏置流道422、第二偏置流道423，并且第一偏置流道422的入料端位置高于第二偏置流道423的入料端位置，其中，第一偏置流道422、第二偏置流道423的排料端分置于阀套420的一侧。

更为完善地，上述的挤出流道413、第一偏置流道422、第二偏置流道423的挤出截面形状和/或形状各不相同；利用第一流道与不同挤出端口的接通，可实现不同尺寸/形状的挤出成型，可适应更多的特征打印。

更为完善地，上述的第一偏置流道422、第二偏置流道423的挤出截面呈矩形形状，且第一偏置流道422的挤出端口长度延伸方向与第二偏置流道423的挤出端口长度延伸方向交接处所成夹角为90度。其意义在于，当需要对基面打印或者打印较大尺寸的板体时，可通过第一流道与第一偏置流道422或第二偏置流道423接通采用“刷”的方式进行大面积的喷涂，可显著的提高对平板类特征的打印效率，并且第一偏置流道422、第二偏置流道423的偏置角度相反，可根据不同的特征进行适应性选择。

如图17-24所示，上述的形态切换机构40还包括套设于阀套420外部并且呈固定设置的外套体430，所述的外套体430用于对阀套420进行固定。

如图13-15所示，支撑体10包括支撑主体160，支撑主体160上开设有与外套体430相匹配并且的连接孔161，所述的外套体430与支撑主体160呈固定连接，其中阀芯体410与连接孔161共轴线布置并且穿设于连接孔161，上述的切换动力机构30安装于支撑主体160，且阀芯体410连接于切换动力机构30的切换动力输出部件340，切换动力机构30还包括接收动力并向切换动力输出部件340传递动力的切换动力接收部件320，切换动力输出部件340可将动力传递至阀芯体410并实现阀芯体410沿竖直方向的运动。

更为完善地，参见附图17-31，上述的阀芯体410包括同心设置且根据原料的流动方向依次设置的螺纹段415、导向段414、挤出段，上述的第一流道411、第二流道412、挤出流道413均设置于挤出段，且挤出段与设置于阀套420的导向槽相匹配并沿导向槽的轴线方向滑动，导向段414的壁部设置有若干个沿其圆周方向均匀间隔分布并且沿阀芯体410轴线方向布置的导向板，上述的切换动力输出部件340为直齿轮并且切换动力输出部件340的中心处还设置有通孔，且该通孔的内壁设置有与螺纹段415相匹配的内螺纹，上述的切换动力输出部件340的位置固定且可绕自身轴线转动，上述的阀套420/外套体430上设置有与设置于导向段414壁部的导向板相匹配并且用于导向阀芯体410在竖直方向运动的导槽432。切换动力输出部件340接收动力并实现绕自身轴线的转动，此时切换动力输出部件340可向阀芯体410的螺纹段415传递旋转力，并在导槽432与导向板的匹配限制下，实现阀芯体410在竖直方向上发生位移，并实现形态切换机构40在多形态之间的切换。

更为具体地，参见附图10-12，上述的切换动力机构30包括切换动力供应机构310（伺服电机）、安装于切换动力供应机构310输出轴端并且可接收切换动力供应机构310旋转力的切换动力接收部件320，切换动力机构30还包括设置于切换动力接收部件320、切换动力输出部件340之间并且用于传递旋转力的中间传动部件330，切换动力接收部件320接收切换动力供应机构310旋转力并经由中间传动部件330向切换动力输出部件340传递旋转力。

更为完善地，上述的切换动力接收部件320、中间传动部件330均为直齿轮，中间传动部件330分别与切换动力接收部件320、切换动力输出部件340相啮合，并实现旋转力的传递。

如图13-15、18-31所示，上述的支撑主体160上设置有可向阀芯体410传递热能的热源，阀芯体410的中心流道的入料端接收固态原料，且设置于中心流道的固态原料吸收热源提供的热能并在中心流道中发生熔化、产生熔融态原料。

如图13-15所示，上述的热源为呈圆柱状结构的加热棒；更为优化地，上述的加热棒呈水平方向安装于支撑主体160内；更为优化地，上述的加热棒数目为两个并且分置于阀芯体410的一侧，可实现热源向阀芯体410提供稳定、可靠的热能。

如图18-31所示，中心流道由同心设置的固态接收段、熔融发生段组成，固态接收段用于接收固态原料，熔融发生段用于导向熔融态原料朝向第一流道411流道，其中，固态接收段的直径与固态原料的横截面尺寸相同并且固态接收段的直径大于熔融发生段的直径；其意义在于，固态接收段、熔融发生段的连接处形成用于限制固态原料向下运动的台阶，并且位于固态接收段的固态原料吸收热源提供的热能时，产生的熔融态原料直接流入至熔融发生段中，可避免固态原料浸泡于熔融态原料中，可进一步的实现固态原料与熔融态原料的分离布置。

如图17-31所示，上述的外套体430套接于阀芯体410的外部，外套体430的上端部中心处设置有与连接孔161相匹配的连接凸台431，连接凸台431与外套体430连接处的端面上开设有与阀芯体410相匹配的导向孔，且导向孔上设置有与导向板相匹配并且用于导向阀芯体410沿竖直方向运动的导槽432。

如图9-11所示，支撑主体160上还固定连接有套设于切换动力输出部件340外部并且用于约束切换动力输出部件的支撑部件d150；利用支撑部件d150的约束作用，可实现切换动力输出部件340只能绕自身轴线的转动。

支撑主体160上还连接有冷却机构50，该冷却机构50用于将自形态切换机构40挤出成型的原料进行冷却，便于3D打印过程中的快速成型，提高打印质量；参见附图13、14、16，所述的冷却机构50包括风轮510、风道520，风轮510设置于风道520的起始端部，风道520的出风端朝向形态切换机构40的挤出方向；利益风冷的方式进行冷却降温；更为优化地，风道520的截面形状呈矩形形状，可提高风冷面积。

如图6、7、9所示，支撑部件d150的上端部还连接有与支撑主体160相固定的支撑部件c140，支撑部件c140可用于对切换动力供应机构310（伺服电机）的固定。

如图6-8所示，支撑部件c140的上端部还设置有与之固定的支撑部件b120，支撑部件b120上开设有用于固态原料穿过的避让孔；固态原料自外部引入，经过避让孔向阀芯体410的中心流道延伸。

更为优化地，支撑部件b120上还连接有与避让孔相匹配并且用于引导固态原料的导料管130，所述的引料管130包括同心设置的上导料管131、下导料管132，下导料管132与避让孔相匹配并且上导料管131位于避让孔的上方，且上导料管131的外壁直径大于下导料管132的外壁直径；其意义在于，利用上导料管131、下导料管132连接处构成的台阶与避让孔连接，并利用导料管的引导作用避免固态原料与避让孔周围发生摩擦，避免受热软化的固态原料发生断裂。

如图1-6所示，支撑部件b120的上端部还设置有用于推动固态原料朝向阀芯体410方向运动的束紧机构20，所述的束紧机构20包括束紧动力供应机构210（电机）、安装于束紧动力供应机构210输出轴端的动力轮220，该动力轮220与固态原料的表面摩擦接触，动力轮220接收束紧动力供应机构210提供的旋转力并推动固态原料朝向阀芯体410的方向运动。

更为完善地，上述的束紧机构20还包括拨杆210，所述的拨杆210包括长杆段、短杆段，长杆段与短杆段垂直设置并且呈L型布局，拨杆210可绕长杆段、短杆段垂直连接处为中心发生偏转，短杆段的自由端部还安装有可绕自身轴线转动的夹持轮230，动力轮220、夹持轮230的中心轴线相互平行并且动力轮220、夹持轮230之间的区域构成夹持区域，且动力轮220、夹持轮230分置于固态原料的一端侧，固态原料由外部引入并延伸至动力轮220、夹持轮230之间的夹持区域，由动力轮220、夹持轮230提供的预紧力增大动力轮220与固态原料之间的摩擦力，从而实现对固态原料的稳定推进。

更为优化地，上述的束紧机构20还包括弹性件240，弹性件240可推动拨杆210上的夹持轮230朝向动力轮220的方向偏转；更为具体地，上述的弹性件240为弹簧，弹性件240的一端抵向支持体10、另一端抵向长杆段，且弹性件240提供的弹力可实现拨杆上的夹持轮230朝向动力轮220靠拢。

更为完善地，上述的拨杆210的长杆段上设置有让固态原料穿过的避让缺口；固态原料经过避让缺口向动力轮220、夹持轮230之间的夹持区域延伸。

如图1-4、6所示，上述的支撑体10还包括设置于支撑部件b120上端部并且用于对束紧机构20进行支撑的支撑部件a110，所述的支撑部件a110上开设有与拨杆210旋转轨迹相匹配的夹持槽111，支撑部件a110上还开设有与夹持槽111相接通并且用于引导固态原料向避让缺口延伸的入料孔112，支撑部件a110上还开设有中心轴线方向与入料孔112的中心轴线相垂直并且与夹持槽111相接通的轴槽113，束紧动力供应机构210的输出轴与轴槽113相匹配并且与位于夹持槽111中的动力轮220相连接。

上述的多形态3D打印机挤出机构还可以连接于3D打印机的轴向导向机构，所述的轴向导向机构包括X轴向导向机构、Y轴向导向机构、Z轴向导向机构；利用轴向导向机构提供的动力并实现多形态3D打印机挤出机构在空间范围内自由运动，并且轴向导向机构为现有技术，也是本领域普通技术人员容易获知的，故在本文中不再赘述。

3D打印机的多形态挤出方法，其方法包括：

S1：阀芯体410中心处的中心流道接收固态原料或者熔融态原料，当中心流道接收的为固态原料时，可通过设置于阀芯体410外部的热源向中心流道传递热能并实现位于中心流道中的固态原料发生熔化；

S2：由于阀芯体410的下端排料端部设置有熔流道组件，阀芯体410的下端部套接有位于熔流道组件外部的阀套420，所述的熔流道组件包括第一流道411、第二流道412、挤出流道413，第一流道411、第二流道412沿阀芯体410径向布置，挤出流道413沿阀芯体410中心轴线方向布置，阀芯体410上还设置有用于分隔第一流道411、第二流道412的隔板416，第一流道411位于隔板416上端部，第二流道412位于隔板416的下端部，中心流道的排料端部接通第一流道411，挤出流道413位于第二流道412的下端部并且挤出流道413与第二流道412接通，阀套420上设置有两端对通并且与阀芯体410形状相匹配的导向槽，阀套420内还设置有与导向槽共轴线布置并且直径大于导向槽直径的环槽421，第一流道可通过环槽421与第二流道412接通；上述的阀套420上设置有偏置流道，所述的偏置流道的入料端口连通于导向槽内腔，偏置流道的排料端位于阀套420的底部并且与挤出流道413的指向方向相同；其中，阀芯体410连接于切换动力机构30的切换动力输出部件340，切换动力机构30还包括接收动力并向切换动力输出部件340传递动力的切换动力接收部件320，切换动力输出部件340可将动力传递至阀芯体410并实现阀芯体410沿竖直方向的运动；

当阀芯体410沿竖直方向运动并实现第一流道411与偏置流道接通时，可实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道流入偏置流道中，并由偏置流道的排料端挤出成型；

当阀芯体410沿竖直方向运动并实现第一流道411、第二流道412通过环槽421接通时，可实现中心流道内的熔融态原料经过第一流道、环槽421、第二流道412并由挤出流道413挤出成型。

更为完善地，上述的步骤S2中，上述的偏置流道包括第一偏置流道422、第二偏置流道423，并且第一偏置流道422的入料端位置高于第二偏置流道423的入料端位置，其中，第一偏置流道422、第二偏置流道423的排料端分置于阀套420的一侧。

更为完善地，上述的步骤S2中，阀套420外部还套接有呈固定设置的外套体430，所述的外套体430用于对阀套420进行固定。

更为完善地，外套体430上端部还固定连接有支撑主体160，支撑主体160上开设有与外套体430相匹配并且的连接孔161，其中阀芯体410与连接孔161共轴线布置并且穿设于连接孔161，上述的切换动力机构30安装于支撑主体160。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明；对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限定于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。