一种带有自适应喷嘴3D打印装置及其打印方法

本发明涉及增材制造，尤其涉及一种带有自适应喷嘴3d打印装置及其打印方法。

背景技术：

1、现有基于挤出的3d打印技术普遍采用固定出口形状的喷嘴，存在分辨率与打印速度难以兼顾的核心问题：小直径喷嘴保证精度但限制沉积速率，大直径喷嘴提升速度却降低分辨率，且喷嘴直径与沉积速率的反比立方关系加剧了多特征尺寸零件的设计约束，无法实现连续梯度打印，倾斜表面打印易产生“阶梯”伪影。形状方面，圆形喷嘴虽适配多方向打印，但挤出的圆柱形长丝堆叠易形成间隙，降低零件致密度；方形或矩形喷嘴虽可减少间隙，却存在方向性限制，打印倾斜结构需旋转喷嘴，既加剧“阶梯”伪影，又增加控制复杂度和精度误差。

2、因此，当前亟需一种能够同时实现喷嘴尺寸和横截面形状动态调节、结构紧凑、打印质量高且适用范围广的3d打印技术，以解决现有固定喷嘴3d打印技术存在的上述缺陷。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种带有一种带有自适应喷嘴3d打印装置及其打印方法，通过设置可独立控制的针脚模块与柔性橡胶膜组成的自适应喷嘴结构，首次实现了喷嘴出口尺寸和横截面形状的解耦独立调节——既能连续改变出口直径（3-10mm），又能灵活切换截面形状（圆形、方形、矩形等），从根本上解决了传统固定喷嘴分辨率与速度的权衡问题，同时克服了现有可变截面喷嘴方案中形状不可调或调节范围受限的缺陷。

2、本发明是通过以下技术方案实现的:

3、一种带有自适应喷嘴3d打印装置，包括打印头组件、自适应喷嘴和驱动组件；

4、所述打印头组件包括基板、进料机构和自适应喷嘴安装座，所述进料机构用于将打印墨水输送至自适应喷嘴；

5、所述自适应喷嘴包括柔性橡胶膜和多个可独立控制的针脚模块，多个针脚模块沿柔性橡胶膜的周向均匀分布，相邻两个针脚模块之间的圆心角相等，确保对柔性橡胶膜施加的作用力均匀对称。所述针脚模块包括金属针脚、复位弹簧和铰接旋转关节，所述铰接座固定安装在针脚模块上，所述金属针脚的中部通过铰接旋转关节转动连接，形成杠杆结构，金属针脚的一端为作用端，贴合于柔性橡胶膜的外侧壁，另一端为驱动端，用于与传动机构连接。

6、所述复位弹簧套设在铰接旋转关节的外侧，其一端固定在喷嘴安装座上，另一端抵接在金属针脚的驱动端，常态下在复位弹簧的弹性作用力下，金属针脚的作用端紧贴柔性橡胶膜，使柔性橡胶膜保持初始形状。所述柔性橡胶膜紧密包裹在多个针脚模块的作用端内侧，形成用于墨水流动的内部通道，所述内部通道呈锥形收缩结构，从入口端到出口端的横截面面积逐渐减小，其中入口端的内径为8-10mm，出口端的初始内径为2mm，锥形结构的锥角为15-20°，该锥角设计能够使剪切变稀墨水在流动过程中形成稳定的剪切场，避免出现流动死区或涡流。所述自适应喷嘴的外部同样呈锥形结构，外部锥形结构的锥角为25-30°，相较于内部锥角更大，能够有效减少打印过程中喷嘴与已打印结构之间的干涉，提升工具可达性。

7、所述驱动组件包括多个步进电机、传动机构和导向组件，所述传动机构包括驱动滑轮、不可伸长的电缆，所述电缆的一端固定在驱动滑轮上，绕过喷嘴安装座，另一端通过张紧固定，所述驱动滑轮与步进电机的输出轴通过键连接，实现动力的传递；所述导向组件包括导向柱，导向柱的一端与喷嘴安装座连接，用于限制金属针脚驱动端的运动轨迹，确保其仅沿设定方向摆动，避免电缆受力偏移。

8、所述步进电机通过电缆驱动针脚模块绕铰接旋转关节转动，当步进电机正转时，驱动滑轮收紧电缆，拉动金属针脚的驱动端向远离喷嘴中心的方向摆动，此时金属针脚的作用端向靠近喷嘴中心的方向挤压柔性橡胶膜，使柔性橡胶膜的出口尺寸缩小；当步进电机反转时，电缆放松，在复位弹簧的弹性作用力下，金属针脚的驱动端复位，作用端远离柔性橡胶膜，柔性橡胶膜在自身弹性和内部墨水压力的作用下恢复原状，出口尺寸增大。

9、本发明通过控制不同针脚模块的摆动幅度，可实现喷嘴出口横截面形状的多样化调节，如圆形、椭圆形、方形、矩形、星形等。例如：所有针脚模块同步等幅摆动时，出口保持圆形，仅改变直径；仅对两组相对的针脚模块施加不同幅度时，可实现椭圆形出口；通过四组针脚模块的差异化调节，可实现近似方形或矩形出口。

10、进一步的，所述控制系统与驱动组件连接，用于控制驱动组件的步进电机动作以及进料机构的墨水流量。

11、进一步地，所述针脚模块的数量为8个，8个针脚模块沿柔性橡胶膜的周向均匀分布，相邻两个针脚模块之间的圆心角为45°，该数量设计能够在保证调节精度的同时，兼顾结构的紧凑性。8个针脚模块分为4组，每组包含2个相对设置的针脚模块，每组对应一个步进电机驱动，采用相对设置的分组方式，可确保对柔性橡胶膜的挤压作用力对称，同时将所需步进电机数量从8个减少为4个，降低了系统复杂度和成本。

12、进一步的，所述金属针脚采用sus304不锈钢材料制成，该材料具有优良的耐腐蚀性、高强度和良好的弹性回复性能，其弹性模量为193gpa，屈服强度≥205mpa，能够满足反复摆动过程中的强度和疲劳寿命要求。

13、进一步地，所述柔性橡胶膜采用柔性高弹性硅橡胶材料制成，具体选用邵氏硬度为10-15a的医用级硅橡胶，该材料具有优良的生物相容性、耐高低温性和化学稳定性，其弹性模量为0.15mpa，断裂伸长率为1000%，能够承受反复的挤压变形而不发生永久损坏；膜的厚度优选为0.5mm，采用均匀厚度设计，确保变形过程的一致性；膜的尖端设有初始直径为2mm的圆形孔，孔的边缘经过抛光处理，表面粗糙度ra≤0.8μm，减少墨水挤出时的流动阻力，避免出现墨水粘附或拉丝现象。

14、进一步地，所述电缆采用不可伸长的高强度尼龙线材或超高分子量聚乙烯纤维，其断裂强度不低于2gpa，伸长率不高于3%，确保在张紧力作用下不会发生显著的塑性变形，从而保证传动精度。

15、一种基于上述自适应喷嘴3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：

16、s1：根据打印零件的模型，规划打印路径，确定打印过程中各位置的喷嘴出口尺寸、横截面形状、进给速度和墨水流量，并将相关参数输入控制系统；

17、s2：将打印墨水装入进料机构的注射器中，通过控制系统启动装置，龙门系统带动打印头组件移动至打印起始位置；

18、s3：控制系统控制驱动组件的步进电机动作，通过传动机构带动针脚模块运动，使柔性橡胶膜变形至初始打印所需的喷嘴出口尺寸和横截面形状；

19、s4：进料机构的注射器泵启动，将墨水以设定流量输送至自适应喷嘴，同时龙门系统带动打印头组件按照规划的打印路径移动，进行打印；

20、s5：在打印过程中，控制系统根据预设的打印路径参数和实时反馈信号，精准控制驱动组件的步进电机动作，实现喷嘴出口尺寸和横截面形状的动态调节。

21、具体而言，控制系统内置有喷嘴出口尺寸-形状-步进电机转角的映射关系数据库，该数据库通过前期标定实验建立，包含不同目标尺寸和形状下各步进电机的转角参数组合。标定方法如下：以一定的转角步长遍历各步进电机的转角组合，通过图像采集模块记录每种转角组合对应的出口实际尺寸和形状，建立转角空间到出口状态空间的查找表；对于查找表中未直接覆盖的中间状态，通过插值或拟合多项式模型获得所需转角参数。当需要调整喷嘴出口状态时，控制系统从数据库中调用对应的转角参数，驱动步进电机动作，带动针脚模块挤压柔性橡胶膜变形。同时，通过图像采集模块实时监测喷嘴出口的实际尺寸和形状，将实际值与目标值进行对比，通过pid闭环控制算法进行偏差修正。

22、在调节喷嘴出口尺寸和形状的同时，控制系统同步调节进给速度和墨水流量，确保打印过程的稳定性。材料流量v与进给速度v、喷嘴出口横截面面积a之间满足关系式：v =v / a。

23、当喷嘴出口尺寸和形状变化导致喷嘴内部通道体积增大时，若保持墨水流量不变，会导致墨水在通道内的填充不充分，进而出现打印长丝的缩颈现象，此时控制系统通过降低进给速度来补偿体积增加，进给速度的调节量与体积增加量呈线性关系；当喷嘴体积减小时，通道内的墨水会出现堆积，导致过挤出，此时控制系统提高进给速度，将多余的墨水及时带出，避免墨水在打印表面堆积。此外，控制系统还根据压力传感器反馈的墨水压力信号，微调墨水流量，当压力升高时，适当降低流量，避免压力过高；当压力降低时，适当提高流量，确保墨水挤出的连续性。

24、进一步地，当打印具有连续梯度的零件时，通过控制系统控制针脚模块的运动速度，实现喷嘴出口尺寸和形状的连续平滑过渡；当打印离散尺寸变化的零件时，在尺寸变化处设置暂停时间，等待喷嘴适应体积变化，暂停时间根据两种状态的体积差和流量确定。

25、s6：打印完成后，控制系统控制各组件停止工作，取出打印零件。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、1、本发明通过可独立控制的针脚模块配合柔性橡胶膜，实现了出口尺寸在3-10mm范围内连续可调，同时横截面形状可在圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形和星形等多种形状之间灵活切换，真正解决了固定喷嘴以及现有可变截面喷嘴方案中"形状不可调"或"调节自由度受限"的核心缺陷。

28、2、本发明通过实时同步调节喷嘴出口尺寸、形状、进给速度和材料流量，确保在不同打印阶段均能保持最佳的挤出状态和成型质量；可以一次性打印具有连续梯度特征和多尺度几何特征的复杂零件，无需中途更换喷嘴或暂停打印过程，显著提高了打印效率和适用范围。

29、3、采用电缆传动机构配合分组驱动设计，具有结构紧凑、传动精度高、噪音低等特点。将步进电机设置在打印头的基板上，与喷嘴本体分离，有效减小了喷嘴运动部分的体积和重量，减轻了龙门系统的运动负载，有利于提升打印头的运动速度和定位精度。电缆传动机构相较于齿轮传动、丝杆传动等传统机械传动方式，具有零间隙、免润滑、维护简便的优势。同时，复位弹簧和柔性橡胶膜构成双重弹性复位机制，确保针脚模块在每次调节后能够精准复位，避免调节滞后或定位偏差。