本實用新型涉及增材制造技術領域，具體地涉及3D打印技術領域，尤其涉及一種3D打印用高溫噴頭。

背景技術：

傳統(tǒng)的數(shù)控制造技術是通過各種機械加工的方法（如切割、磨拋、刨削、腐蝕、焊接等）去除原材料的多余部分，獲得所需要的形狀、尺寸和結構，從而最終制備出零部件產(chǎn)品。然而，3D打印技術與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反，其是一種基于三維數(shù)字模型，通常采用逐層制造（打?。┓绞綄⒉牧辖Y合起來的工藝，特點是“分層制造、逐層疊加”，類似于積分過程。

具體地，3D打印技術是一種增材制造方法，集合了分層制造技術、機電工程、數(shù)字建模、計算機輔助設計、材料科學等多學科的前沿科技成果，能夠實現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造。而且，3D打印技術不需要原始坯件和成形模具，在計算機輔助設計的基礎上，3D打印機根據(jù)所接收到的切片截面信息，在計算機的控制下能夠制造任何形狀的薄層，再將薄層疊加粘結，從而生產(chǎn)出任何形狀的產(chǎn)品。3D打印技術由于不需要去除原料，不會產(chǎn)生邊角料和廢料，節(jié)省了成本。加之這種技術不需要制造坯件和模具，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

此外，3D打印能夠實現(xiàn)個性化定制，這與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)大不相同。3D打印能夠滿足多元化需求，實現(xiàn)從大規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模定制的跨越，增加產(chǎn)品外部結構的多樣化，同時增強內部結構的標準化。

3D打印技術相比于傳統(tǒng)加工方法還具有大量優(yōu)點：實現(xiàn)一次成型、快速制造，3D打印屬于無模制造，不需要零件的毛坯和大型機械加工設備，生產(chǎn)工藝流程短，能夠逐層打印出產(chǎn)品，實現(xiàn)材料制備和成型的一體化，直接制備出產(chǎn)品，明顯縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；降低生產(chǎn)和運輸成本，3D打印是一種增材制造技術，不產(chǎn)生廢料和邊角料，加工工藝簡單快捷，節(jié)能環(huán)保，能夠降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本；3D打印機可現(xiàn)場生產(chǎn)，省去運輸、配送等中間環(huán)節(jié)，能夠進一步降低成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力；能夠制造形狀復雜、功能特殊的產(chǎn)品，3D打印技術利用設計軟件將三維立體產(chǎn)品切片分解為二維層狀結構，再逐層制造和疊加形成三維產(chǎn)品，因此，可柔性化地生產(chǎn)出任何結構復雜的產(chǎn)品；3D打印通過“分層制造、逐層疊加”的自下而上的制備方法，可以輕易實現(xiàn)非均勻材料、梯度材料等產(chǎn)品的生產(chǎn)等。

因此，和傳統(tǒng)的數(shù)控制造技術相比，3D打印技術具有相當大的優(yōu)勢和誘人的發(fā)展前景。其中，作為原料的工程塑料由于具有良好的機械性能、熱穩(wěn)定性、力學性能和抗老化性，可用于工業(yè)零部件或產(chǎn)品外殼，是目前應用最多的3D打印耗材。

工程塑料的3D打印一般使用熔融沉積技術，是通過電加熱的方式將絲狀的原材料加熱至略高于熔點溫度，在設計軟件的控制下，3D打印噴頭在XY平面運動，將熔融的原材料按要求涂覆在支撐架上，冷卻固化后形成產(chǎn)品的一層切片截面，然后噴頭向上移動一層的高度，進行下一次涂覆，直至疊加形成三維零件。耐高溫塑料具有獨特、優(yōu)異的物理性能，在電子電氣、特種工業(yè)等高科技領域具有廣泛的應用。

熔融沉積可能是目前應用最廣泛的一種工藝，通過加熱頭把熱熔性材料（高溫塑料等）加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)，然后加熱頭會在軟件控制下沿確定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態(tài)的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層。然而，目前大多數(shù)的熔融沉積型3D打印機的加熱溫度不到300℃，因而難以對高溫塑料和其他高溫材料進行成型。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種3D打印用高溫噴頭，可用于高溫塑料等耐高溫絲材的增材制造，拓展熔融沉積技術的應用領域。

為了解決上述技術問題，本實用新型所提供的3D打印用高溫噴頭，包括：有兩個相互垂直的通孔及一個盲孔的安裝單元；分別固定于所述安裝單元的所述通孔內的加熱單元、和噴嘴；以及固定于所述安裝單元的所述盲孔內的溫度檢測單元；上述各單元之間彼此絕緣。

又，在本實用新型中，所述高溫噴頭的加熱溫度不低于500℃。又，本實用新型中，所述安裝單元由高溫合金制成，耐熱溫度大于600℃。

根據(jù)本實用新型的3D打印用高溫噴頭結構簡單、設計新穎、可實現(xiàn)高溫打印、溫度穩(wěn)定性好。此外，3D打印用高溫噴頭的加熱溫度不低于500℃，大大拓展了熔融沉積技術所能打印的材料種類，能夠有效促進熔融沉積技術在增材制造領域的應用范圍。

又，在本實用新型中，所述盲孔位于固定所述加熱單元的所述通孔附近。根據(jù)本實用新型，固定加熱單元的通孔和固定溫度檢測單元的盲孔越是靠近，則溫度檢測單元檢測到的加熱單元的溫度約精確，可提供有效的溫度檢測，進一步改善對原料加熱的控制。

又，在本實用新型中，所述溫度檢測單元包括熱電偶、及熱電偶保護套；所述熱電偶的熱電偶裸絲外側套有絕緣管，并以使所述熱電偶的頭部沉入所述熱電偶保護套的一端的槽內的形式、使所述熱電偶裸絲穿過所述熱電偶保護套。此外，可通過耐熱膠布纏繞所述溫度檢測單元，并通過帶有墊片的螺釘將所述溫度檢測單元固定于所述安裝單元。

根據(jù)本實用新型，通過使熱電偶的頭部沉入熱電偶保護套的槽內，使之免受刮擦等傷害，從而保證了測量精度。此外，熱電偶的兩根熱電偶裸絲分別套有絕緣管，從而可較好地確保熱電偶裸絲之間彼此絕緣。又，通過耐熱膠布纏繞所述溫度檢測單元，藉此形成的獨特的溫度檢測單元不僅能夠保證測溫的準確性，還可以防止熱電偶在噴頭運動過程中松動或者脫落，增加系統(tǒng)的可靠性。

又，在本實用新型中，所述加熱單元包括加熱爐膽、和套在所述加熱爐膽外側的陶瓷管；所述加熱爐膽具備陶瓷芯、和盤繞于所述陶瓷芯的外表面的發(fā)熱絲。由此形成的盤式加熱爐膽，能夠提高單位長度的發(fā)熱量、降低加熱功率；且可根據(jù)所提供的功耗，計算達到500℃以上高溫所需要的電阻，結合電阻率，得到所需發(fā)熱絲的長度。

此外，該陶瓷管例如可以是氧化鋁陶瓷管；且該陶瓷芯例如可以是氧化鋁陶瓷芯。優(yōu)選地，所述加熱爐膽的兩端可通過高溫陶瓷膠封裝并固定于所述陶瓷管內。根據(jù)本實用新型，通過高溫陶瓷膠封裝，使陶瓷管和加熱爐膽能夠彼此固定，避免發(fā)生移位脫離等現(xiàn)象，并起到保護發(fā)熱絲的作用。

又，在本實用新型中，所述陶瓷芯的外表面具有用于容納所述發(fā)熱絲的螺紋。根據(jù)本實用新型，氧化鋁陶瓷芯的外表面具有可容納發(fā)熱絲的螺紋，因而可將發(fā)熱絲以彈簧螺旋狀盤繞在氧化鋁陶瓷芯的螺紋處，可實現(xiàn)發(fā)熱絲的高密度纏繞，可明顯提高加熱單元單位長度的發(fā)熱量和電能的利用效率。

又，在本實用新型中，所述陶瓷管的長度比所述加熱爐膽長4-6mm，所述爐膽位于陶瓷管中央，并灌封陶瓷膠。以此能夠避免兩者相互移位或脫離。

又，在本實用新型中，所述噴嘴由高溫材料制成，耐熱溫度不低于700℃。根據(jù)本實用新型的噴嘴由高溫材料制成，因而具有良好的抗熱震性，高溫下不變形。

又，在本實用新型中，所述隔熱保溫陶瓷纖維套包裹在安裝單元外側，耐500℃以上高溫。根據(jù)本實用新型，通過大面積包裹高性能的隔熱保溫套，能夠起到良好的隔熱保溫效果，保證加熱溫度的高穩(wěn)定性。

根據(jù)下述具體實施方式并參考附圖，將更好地理解本實用新型的上述內容及其它目的、特征和優(yōu)點。

附圖說明

圖1是示出了根據(jù)本實用新型一實施形態(tài)的3D打印用高溫噴頭的整體結構示意圖；

圖2為根據(jù)本實用新型一實施形態(tài)的3D打印用高溫噴頭的安裝單元的示意圖；

圖3為上述高溫噴頭的加熱單元的發(fā)熱絲的示意圖；

圖4為上述高溫噴頭的加熱單元的氧化鋁陶瓷芯的示意圖；

圖5為圖4所示的溫度檢測單元的熱電偶保護套的示意圖；

附圖標記：

1 安裝單元；

2 加熱單元；

3 噴嘴；

4 溫度檢測單元；

11、12 通孔；

13 盲孔；

14 螺紋孔；

23 氧化鋁陶瓷芯；

24 發(fā)熱絲；

44 絕緣管；

45 槽；

100 高溫噴頭。

具體實施方式

以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本實用新型，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本實用新型，而非限制本實用新型。

針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提供了一種3D打印用高溫噴頭100，包括：有兩個相互垂直的通孔11、12及一個盲孔13的安裝單元1；分別固定于安裝單元1的通孔11、12內的加熱單元2、和噴嘴3；以及固定于安裝單元1的盲孔13內的溫度檢測單元4。此外，高溫噴頭100的加熱溫度不低于500℃，上述各單元之間彼此絕緣。

根據(jù)本實用新型的高溫噴頭100結構簡單、設計新穎、可實現(xiàn)高溫打印、溫度穩(wěn)定性好，可用于高溫塑料等耐高溫絲材的增材制造，拓展熔融沉積技術的應用領域。

以下，結合本實用新型的優(yōu)選實施形態(tài)進一步詳細說明。圖1是示出了根據(jù)本實用新型一實施形態(tài)的3D打印用高溫噴頭100的整體結構示意圖；圖2為根據(jù)本實用新型一實施形態(tài)的3D打印用高溫噴頭100的安裝單元1的示意圖；圖3為上述高溫噴頭100的加熱單元2的發(fā)熱絲24的示意圖；圖4為上述高溫噴頭100的加熱單元2的氧化鋁陶瓷芯23的示意圖；圖5為圖4所示的溫度檢測單元4的熱電偶保護套的示意圖。

[安裝單元1]

本實施形態(tài)中的安裝單元1為高溫合金材質，易于加工，能耐600℃高溫。如圖2所示，安裝單元1被加工為長方體，并進行表面陽極氧化發(fā)黑處理以加熱保溫，但安裝單元1并非必須為長方體。分別在安裝單元1的兩個相鄰的垂直面上形成用于安裝加熱單元2和噴嘴3的兩個通孔11、12。為方便說明，將通孔12的貫通方向定義為上下方向（垂直方向），通孔11的貫通方向定義為前后方向，但并非對此限定。

本實施形態(tài)中，用于安裝加熱單元2的通孔11的直徑可為6-35mm，并且，在與通孔11的貫通方向正交的方向上形成有螺紋孔14，可通過螺釘在安裝單元1上固定后敘的加熱單元2。其中，螺釘型號例如可為Φ2-Φ5，但不限于此。

用于安裝噴嘴3的通孔12的直徑可為5-20mm，且形成有內螺紋，后敘的噴嘴3上對應地設置有外螺紋，通過螺紋連接固定于安裝單元1上。此外，在固定加熱單元2的通孔11附近，形成有用于安裝溫度檢測單元4的盲孔13。該盲孔13的直徑可為2-6mm，具有內螺紋。如圖1所示，該盲孔13內安裝。

[加熱單元2]

現(xiàn)結合圖3及4詳細說明作為上述高溫噴頭100的核心部件的加熱單元2。加熱單元2由加熱爐膽和套在加熱爐膽外側的氧化鋁陶瓷管構成。所述加熱爐膽由氧化鋁陶瓷芯23和發(fā)熱絲24構成。

本實施形態(tài)中，發(fā)熱絲24例如可以是FeCrAl或者鎢錸電熱絲。在使用之前，需要仔細檢查發(fā)熱絲24表面是否有劃痕、孔洞等缺陷，并利用游標卡尺等工具測量發(fā)熱絲24的直徑。直徑例如可為0.5-2mm，但不限于此。根據(jù)所需功耗，計算發(fā)熱絲24達到500℃以上高溫所需要的電阻，結合電阻率，進而計算得到發(fā)熱絲24的長度。如圖3所示，將規(guī)定長度的發(fā)熱絲24繞制成彈簧狀，外徑例如可為2-10mm，螺距可為0.5-3mm。

如圖4所示，本實施形態(tài)中，氧化鋁陶瓷芯23可形成為直徑3-30mm的圓柱狀，外表面具有可容納發(fā)熱絲24的螺紋，螺紋的深度可為1-10mm，以便于盤簧式的發(fā)熱絲24的固定，但不局限于此。借助于此，在特殊制作的高純的氧化鋁陶瓷芯23上，盤簧式的發(fā)熱絲24在其外表面高密度繞行，形成加熱爐膽。其中，加熱爐膽的兩端各留有一定長度的發(fā)熱絲作為引線。

此外，發(fā)熱絲24高密度盤繞于氧化鋁陶瓷芯外表面，可使相鄰兩組發(fā)熱絲24內流通的電流的方向正好相反，這樣的設計可以抵消由于螺線電流感應而產(chǎn)生的磁場干擾。而且，由于發(fā)熱絲24形成為彈簧狀并高密度盤繞，以此可提高單位長度的發(fā)熱量、降低加熱功率。這種氧化鋁陶瓷芯盤式高密度繞制的結構，明顯提高了加熱單元單位長度的發(fā)熱量和電能的利用效率。

在加熱爐膽的外側套上氧化鋁陶瓷管，本實施形態(tài)中，氧化鋁陶瓷管的壁厚為1-3mm，長度略長于加熱爐膽，例如比加熱爐膽長約4-6mm，優(yōu)選4mm，但不限于此。將加熱爐膽置于氧化鋁陶瓷管中央后，通過高溫陶瓷膠將加熱爐膽的兩端封裝并固定于氧化鋁陶瓷管內。以此氧化鋁陶瓷管和加熱爐膽能夠彼此固定，避免發(fā)生移位或脫離等現(xiàn)象，進而可保護和固定發(fā)熱絲24。

如上構成的加熱單元1通過螺釘固定于安裝單元1的通孔11內，然后通過高溫陶瓷膠封裝其兩端。

[噴嘴3]

本實施形態(tài)中，噴嘴3由耐高溫材料形成，耐熱溫度應為700℃以上，例如可以是高溫合金或者陶瓷等材料。噴嘴3為中空結構，其一端形成為圓錐狀，另一端形成為圓柱狀。在形成為圓錐狀的一端的梢端部形成有開孔，用以噴出原料。開孔的孔徑例如可為0.2-2mm，但不限于此，可根據(jù)具體需要變更。形成為圓柱狀的另一端的外表面具有螺紋，用以旋入安裝單元1并固定。

如上由高溫材料構成的噴嘴3具有良好的抗熱震性，高溫下不變形。藉此，可進一步促進熔融沉積技術在增材制造領域的應用范圍。

[溫度檢測單元4]

溫度檢測單元4包括熱電偶、及熱電偶保護套。本實施形態(tài)中，熱電偶保護套為雙孔圓筒狀管，優(yōu)選地，熱電偶保護套的直徑為5mm以下且長度為10mm以下，其雙孔的直徑可為0.5-2 mm，但不限于此。并且，如圖5所示，熱電偶保護套的一端形成有可容納熱電偶的頭部的槽45。

如上構成的熱電偶保護套的槽45內，正好可容納下述熱電偶的頭部，藉此，可良好地保護熱電偶，使之免受刮擦等傷害，從而保證了測量精度。上述熱電偶保護套例如可選用氧化鋁陶瓷材質。

熱電偶可選用已經(jīng)過檢定和通斷性測量的K型或者S型。本實施形態(tài)中，熱電偶的兩根熱電偶裸絲先穿過熱電偶保護套，并使熱電偶的頭部沉入熱電偶保護套的一端的槽45內，然后于兩根熱電偶裸絲外側分別再套上絕緣管44，以保證熱電偶裸絲之間彼此絕緣。其中，絕緣管44例如可以是石英纖維管，但只要能起到絕緣作用，不限材質。

隨后，用耐熱膠布纏繞溫度檢測單元4、尤其是絕緣管44以起到保護作用，并通過帶有墊片的螺釘將溫度檢測單元4固定于安裝單元1的盲孔13內。該帶有墊片的螺釘?shù)某叽缋缈蛇x用Φ2-Φ6mm，但不限于此，只要能緊固溫度檢測單元4即可。

分別將加熱單元2、噴嘴3和溫度檢測單元4固定于安裝單元1后，利用陶瓷纖維套完全包裹住安裝單元1，并在陶瓷纖維套上需要與外部連接的部位相應開口，最后用耐熱膠布纏繞并固定陶瓷纖維套，從而組成高溫噴頭100。

由于陶瓷纖維套不僅能夠耐500℃以上高溫，還具有良好的絕熱性能，進而起到隔熱保溫的作用，同時根據(jù)材料特性可任意彎折、打孔。因而，可保證高溫噴頭100具有良好的保溫隔熱性能，并可保持較高的溫度穩(wěn)定性能。

[高溫噴頭100]

初步制備完成的高溫噴頭100需進行絕緣導通性檢測，利用萬用表測量熱電偶和發(fā)熱絲24的電阻，確保熱電偶和發(fā)熱絲24的電阻正常，沒有發(fā)生斷開、短路等現(xiàn)象。再測量熱電偶和發(fā)熱絲24、熱電偶和安裝單元1、發(fā)熱絲24和安裝單元1之間的電阻，確保彼此之間保持良好的絕緣性。

隨后，確認高溫噴頭100的外形是否正常，表面是否有污染物、通斷性是否良好、陶瓷纖維套是否松動等。在使用高溫噴頭100之前，需進行加熱測試。即、將發(fā)熱絲24連接入電路，并將熱電偶裸絲末端分別與電控盒（省略圖示）的接線連接，該電控盒內包含冷端恒溫塊、溫度信號轉換裝置等。將電控盒與電腦主機連接，啟動電腦內的溫度信號采集軟件。啟動電源，加熱單元2開始加熱，溫度信號采集軟件開始采集溫度信息，得到熱電偶測量的溫度和冷端恒溫塊的溫度。加熱單元2在設定的溫度下保溫，利用熱電偶測量加熱溫度的穩(wěn)定性。溫度信息采集結束后，關閉電源，自然冷卻到常溫。

本實施形態(tài)的上述高溫噴頭100結構簡單、設計新穎、可實現(xiàn)高溫打印、溫度穩(wěn)定性好，而且采用了可在極端條件下使用的高性能陶瓷材料，有效地拓展了熔融沉積型3D打印機的應用領域和使用范圍，有利于實現(xiàn)3D打印機對材料的通用性，最終促進增材制造技術在工業(yè)中的應用。

以下通過具體的實施例及測量結果進一步詳細說明本實用新型。

（實施例）

如圖1所示，本實施例根據(jù)使用要求，選擇直徑為0.9mm的FeCrAl絲作為發(fā)熱絲24，經(jīng)過高密度繞制，得到外徑為3mm的FeCrAl彈簧，螺距為1.5mm。選取直徑為5mm長為15mm的氧化鋁陶瓷芯23，經(jīng)過特殊加工，氧化鋁陶瓷芯23的表面具有深為2mm的螺紋。將彈簧狀的發(fā)熱絲24螺旋盤繞在氧化鋁陶瓷芯23的螺紋處，實現(xiàn)發(fā)熱絲24的高密度纏繞，形成加熱爐膽，再將發(fā)熱絲24的兩根引線分別從氧化鋁陶瓷芯23的上下端引出。

將外徑為10mm壁厚為2mm的氧化鋁陶瓷管套在加熱爐膽外側，使加熱爐膽放置于氧化鋁陶瓷管中央，從兩端將發(fā)熱絲24的兩根引線引出，而后用高溫陶瓷膠對兩端進行封裝，使氧化鋁陶瓷管和加熱爐膽能夠彼此固定，避免發(fā)生移位脫離等現(xiàn)象，并起到保護發(fā)熱絲24的作用。

將長40mm、寬40mm、高20mm的鈦合金塊進行陽極氧化發(fā)黑，在前后方向和上下方向各打一個直徑為10mm的通孔11、12，上下方向的通孔12為攻螺紋。此外，在上下方向上形成一尺寸為M3的螺紋孔14，并與前后方向延伸的通孔11連通。并且，在靠近通孔11的位置處，與打一尺寸為M5、深度為10mm的盲孔13。

將K型熱電偶在1000℃范圍內進行檢定，并測量熱電偶的電阻值，利用光學顯微鏡檢查熱電偶裸絲是否有損傷，熱電偶的頭部是否焊接良好。

熱電偶保護套為氧化鋁陶瓷管，雙孔直徑均為1mm，陶瓷管外徑為3mm，管長5mm，在陶瓷管的一端中間處開槽45，槽45深2mm、寬1mm。將熱電偶的兩根裸絲插入雙孔內，熱電偶的頭部沉沒于陶瓷管的槽45中，并用作為絕緣管44的細石英纖維管套住熱電偶裸絲，在靠近熱電偶保護套部分利用耐熱膠布纏繞熱電偶裸絲。

將直徑為10mm、長度為30mm的鈦合金柱的一端加工為圓錐形，該圓錐形高度為10mm，錐角為60度。并且，在余下20mm長度的圓柱形的表面上形成攻螺紋。隨后，將鈦合金柱內部進行掏空處理，使其壁厚為1.5mm，并在圓錐尖角處（梢端部）打一個直徑為0.5mm的通孔。

在安裝單元1上，將加熱單元2放入沒有螺紋的通孔11內，用螺釘固定后于兩端用高溫陶瓷膠封裝；將溫度檢測單元4插入盲孔13，用帶有墊片的螺釘擰進盲孔，固定溫度檢測單元4；將噴嘴3中帶有螺紋的圓柱形一端擰進安裝單元1；利用陶瓷纖維套完整包裹安裝單元1，在需要開口的地方打孔，最后用膠帶固定，從而保證良好的溫度穩(wěn)定性。以此，根據(jù)本實施例的3D打印用高溫噴頭的組裝完成。

（其他實施形態(tài)）

根據(jù)本實用新型的高溫噴頭100的發(fā)熱絲24可選用不同型號和材質的合金絲，滿足不同加熱溫度的要求，熱電偶也可根據(jù)不同精度和測溫范圍要求而選擇不同的型號，安裝單元1和噴嘴3的材質也可根據(jù)使用溫度而選擇不同的耐熱合金，甚至是陶瓷材料，設計和制作都可以靈活多變，能夠有效地滿足工業(yè)和技術的要求，材料適用范圍廣。

使用該高溫噴頭可以實現(xiàn)耐熱塑料、高熔點材料等絲材的增材制造，用途廣泛。

在不脫離本實用新型的基本特征的宗旨下，本實用新型可體現(xiàn)為多種形式，因此本實用新型中的實施形態(tài)是用于說明而非限制，由于本實用新型的范圍由權利要求限定而非由說明書限定，而且落在權利要求界定的范圍，或其界定的范圍的等價范圍內的所有變化都應理解為包括在權利要求書中。