本发明涉及熔融沉积成型技术领域，特别涉及基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件和打印方法。

背景技术：

3D打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印带来了世界性制造业革命，3D打印机的出现，打破了以前部件设计完全依赖于生产工艺能否实现的局限，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。它不需机械加工或模具，极大地缩短了产品的生产周期，降低了成本，提高了生产率。它一般由控制组件、机械组件、打印喷头、耗材和介质等组成。

熔融沉积型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)是3D打印主流技术之一。它利用热塑性材料(ABS或PLA)的热熔型、粘接性，将热塑材料在打印喷头内加热成熔融态。打印喷头在设定程序控制下，沿着模型轮廓轨迹进行X-Y平面运动和高度Z方向运动，打印材料被挤出后迅速固化，并与周围材料粘接，每一个层面都是在上一层层面上堆积而成，直至按模型层层堆积完成为止。现有熔融沉积型(FDM)3D打印机打印喷头在进行高温材料打印时存在技术不足：当材料熔化温度较高时材料软化区较长；或者由于材料熔化后粘度较高，新进入未熔化的材料会将喷头内融化的材料挤压溢出，这两种情况均会导致打印喷头堵塞。

为了解决上述问题，现有专利文献公布了一种3D打印机的喷头组件，该组件采用带有冷却功能的进料喉管内衬高润滑性的导料管解决了热塑性塑料的喷头堵塞问题；现有专利文献公开了一种熔融沉积型(FDM)3D打印机的防堵打印喷头，将加热管打印材料恒温预热后再进入被薄型加热铝块加热的打印喷头中熔融挤出，加热空间大为减少，熔融快，可防止打印喷头堵塞，提高打印稳定性和精度。上述打印设备已在热塑性塑料熔融挤出打印机上取得成功应用，但由于玻璃材料的熔融挤出温度与软化温度范围较宽，同时在熔融温度达到450℃以上时，现有打印头无法有效缩短玻璃的软化区。另一方面，常规玻璃的打印温度远远超出冷却水的气化温度，或冷却用导热油的分解温度。这导致液体冷却装置在玻璃等超高温材料打印中无法使用。

因此，为了解决玻璃材料在打印过程中堵塞喷头和提高打印的稳定性，需要改进现有打印喷头组件以及解决高温下玻璃材料提前软化、供料阻塞和打印件强度不足等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件，解决了喷头处温度较低以及玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，提高了打印件的力学性能和透明度。

一种基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件，包括：

冷端引导管，一端与送料装置连接，带有冷却模块；

热端引导管，带有第一加热器，一端连接所述冷端引导管；

隔热层，安装在冷端引导管和热端引导管之间；

喷头，连接所述热端引导管的另一端。

本发明设有两段式结构的温控引导管，除了软化玻璃的热端引导管外，还设有冷端引导管，解决了玻璃熔融沉积成型过程中玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，隔热层分隔冷端引导管和热端引导管，大大提高了冷却效果。

热端引导管、隔热层和冷端引导管之间可以通过机械固定，由于隔热层一般具有一定柔性，三者之间密封性得以保证，不会导致玻璃液流出。

为了使喷头出料顺利并提高层间(已经打印的材料和刚喷出材料之间)结合力，优选的，还包括第二加热器，安装在所述喷头靠近出口的位置。防止因为喷头处温度较低而导致的供料阻塞的问题，同时第二加热器可以加热已经打印的材料，防止已经打印的材料由于温度大幅度降低导致层间结合力下降，从而提高玻璃材料之间的结合力。这可以有效提高打印件力学性能和透明度。

由于玻璃熔融挤出温度较高，单段加热通常会导致打印头挤出的玻璃材料温度迅速降低，这会导致新挤出材料与上一层材料之间的结合性差，打印件的力学性能差。因此优化打印头的加热结构，有效提高材料之间的结合力。

为了实现玻璃的预热同时防止提前软化，优选的，所述冷却模块采用风冷结构。冷端温度不高于玻璃的软化温度(对应粘度为1010Pa·s)，采用风冷进行冷却效果好、温控范围合适。

为了进一步提高冷却效果，隔热效果以及便于安装，优选的，所述冷却模块包括安装在冷端引导管外用于通入冷却气体的环形冷却腔，所述环形冷却腔的一端与所述冷端引导管的出料端齐平形成环形的密封安装面，所述隔热层的端面与密封安装面紧贴。

所述冷端引导管和热端引导管的材料均包括但不限于铜、不锈钢、钨钢、钛合金、碳化硅、刚玉等，为了提高冷却效果，优选的，所述冷端引导管的制造材料为铜、不锈钢、耐高温合金或陶瓷。进一步优选的，所述冷端引导管的制造材料为铜。铜热导率较大，导热快，有助于冷端维持较低温度。

优选的，所述热端引导管的制造材料为铜、不锈钢、耐高温合金或陶瓷。进一步优选的，所述热端引导管的制造材料为不锈钢。不锈钢具有较大的热导率，虽然其热导率虽然不如铜的大，但它能够耐受热端所需维持的温度，且不锈钢与玻璃材料之间不易粘接，有利于打印喷头组件的多次使用。

优选的，隔热层分为两层，靠近热端引导管的一层采用耐高温隔热材料，耐高温隔热材料包括轻质刚玉莫来石砖、轻质高铝砖和微纳隔热板等，靠近冷端引导管的一层采用柔性隔热材料，柔性隔热材料包括气凝胶毡、耐火石棉和陶瓷纤维等。进一步优选的，所述耐高温隔热材料采用微纳隔热板，所述柔性隔热材料采用气凝胶毡，微纳隔热板在1000℃以上依然可以保持很低的导热系数和良好的强度，而气凝胶毡在500℃左右具有极低的导热系数且其具有一定柔性，有助于冷端引导管与热端引导管之间的隔热和密封。

本发明还提供了一种基于熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，采用上述的玻璃3D打印喷头组件，包括以下步骤：

(1)送料装置向玻璃3D打印喷头组件输送玻璃棒；

(2)冷却模块冷却冷端引导管内的玻璃使其粘度不低于1010Pa·s；

(3)第一加热器工作使热端引导管内的玻璃的粘度为102～103Pa·s；

(4)喷头挤出玻璃完成打印。

优选的，步骤(4)中，同时第二加热器加热喷头使其温度不低于步骤(3)中的热端引导管的温度。打印玻璃材料由于打印温度需要达到1000℃左右，而打印机的成型室温度需要控制在500℃左右，两者之间存在较大的温度差，导致打印头处温度达不到顺畅出料的要求且打印件层间结合力较差，因此需要安装第二加热器保证其温度不低于玻璃粘度为103Pa·s时的温度。

本发明的有益效果：

本发明的基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件和打印方法，解决了玻璃熔融沉积成型过程中由于玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，提高了打印件的力学性能和透明度。

附图说明

图1是本发明的喷头组件的剖视结构示意图。

图中：

100、玻璃3D打印喷头组件，110、耐高温冷却模块，111、冷却气体入口，112、冷却气体出口，120、冷端引导管，130、喷头，131、热端引导管，140、第一加热器，141、第二加热器，150、隔热层，160、161、温度传感器，170、密封环，180、玻璃棒，190、191、玻璃棒传动方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件包括：冷端引导管120、热端引导管131、喷头130、耐高温冷却模块110、加热装置、隔热层150、温度传感器和密封环170。

其中耐高温冷却模块110环绕冷端引导管120设置；加热装置由第一加热器140和第二加热器141组成，分别设置在热端引导管131和喷头130上；隔热层150置于冷端引导管120和热端引导管131之间；温度传感器160与喷头130接触，温度传感器161与冷端引导管120接触；密封环170位于喷头130和热端引导管131的衔接处。

耐高温冷却模块110包括安装在冷端引导管120外用于通入冷却气体的环形冷却腔，环形冷却腔的一端与冷端引导管120的出料端齐平形成环形的密封安装面，隔热层150的上端面与密封安装面紧贴。

热端引导管131连接隔热层150的一端设有与隔热层150的下端面贴靠的连接盘以提高密封性和隔热效果。

本实施例的工作过程如下：

玻璃棒180沿传动方向190和191依次通过冷端引导管120和热端引导管131伸至喷头130处。

装在冷端引导管120上的耐高温冷却模块110通过温度传感器161调节冷却气体的流量，且冷却模块110的冷却腔内设有多个散热片，增大了传热面积，以保证冷端引导管120处的温度不高于玻璃的软化温度，防止玻璃棒提前软化膨胀造成阻塞。

第一加热器140将热端引导管131升温至玻璃粘度为102～103Pa·s时的温度；第二加热器141通过温度传感器160保证喷头130处的温度不低于上述温度，以保证玻璃可以顺利挤出。

耐高温冷却模块110中的冷却气体采用风冷形式，从冷却气体入口111流入耐高温冷却模块110的冷却腔，从冷却气体出口112流出。

隔热层150将喷头组件100的冷端和热端分开，既保证了喷头组件100中的温度梯度，又可以防止喷头组件100上端的运动部件及电子器件发生过热而缩短寿命。本实施例中隔热层150分为两层，靠近热端引导管131的一层采用微纳隔热板，靠近冷端引导管120的一层采用气凝胶毡，微纳隔热板在1000℃左右依然可以保持很低的导热系数和良好的强度，而气凝胶毡在500℃左右具有极低的导热系数且其具有一定柔性，有助于冷端引导管120与热端引导管131之间的隔热和密封。

本实施例中，冷端引导管120和耐高温冷却模块110的材料用铜，铜热导率较大，导热快，有助于冷端维持较低温度。热端引导管131和喷头130的材料用不锈钢，不锈钢具有较大的热导率，虽然其热导率虽然不如铜或铝等的大，但它能够耐受热端所需维持的温度，且不锈钢与玻璃材料之间不易粘接，有利于打印喷头组件的多次使用。

密封环170可使用的材料包括但不限于石墨、铜等。

综上所述，本实施例的基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件和打印方法，解决了玻璃熔融沉积成型过程中由于玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，提高了打印件的力学性能和透明度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。