CN103692653B - 熔体微分三维打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔体微分三维打印机，主要由物料熔融单元、微滴喷射单元、圆柱坐标系成型单元和机架构成；在物料熔融单元中，伺服电机驱动螺杆旋转，机筒内固定的加热器通过温度调控保证粒料完全塑化，熔融物料被螺杆输送到微滴喷射单元；在微滴喷射单元中，熔融物料沿流道板中的热流道输送到阀体中，直线伺服电机驱动阀针在阀体中往复运动，将熔融物料定量、间歇地挤出喷嘴，形成熔体微滴；在圆柱坐标系成型单元中，熔体微滴喷射到承载台上冷却沉积成型，左右、竖直方向伺服电机分别与相对应螺杆啮合旋转来驱动物料熔融单元及微滴喷射单元沿左右、竖直方向移动，周向伺服电机通过蜗杆驱动装配有蜗轮的承载台旋转，实现圆柱坐标系下的三维运动。

Description

熔体微分三维打印机
技术领域
本发明涉及一种三维打印技术领域，尤其是涉及一种可注塑加工塑料的三维成型设备及方法。
背景技术
目前，三维打印技术已有多种成型工艺，其中熔融沉积成型是最为普遍的一种，通过加热耗材使之熔融挤出，并在指定位置堆积、凝固来成型制品。常用的耗材包括ABS、PLA等，耗材在打印之前，需将其加工成具有特定直径的丝料，并进行除尘、干燥处理，使用要求较高；再加上丝料经常打滑、缠结，易造成熔融段进料不充分，致使制品出现缺陷；此外，市场上采用熔融沉积成型技术的三维打印机，大多只根据一种特定耗材进行参数设定，不能打印其他耗材，限制了应用范围。
从三维打印产量最大的塑料制品来看，打印耗材是制约三维打印技术的瓶颈。已研发出的可打印耗材与已广泛应用的塑料材料种类相比还非常稀少，此外这类耗材还存在性能差距大，价格十分昂贵等问题。因此，需要研发一种可加工多种类、通用型塑料耗材的三维打印装置。
普通小型柱塞式注塑机存在塑化效率低、塑化不均匀等缺点，不适合用于高频率的熔体喷射运动，需将其改进才能用于三维打印；此外，当前三维打印机多采用直角坐标机械机构作为成型平台运动机构，在加工圆环薄壁零件时,存在着轮廓失真、成型精度低等缺点，因此，采用圆柱坐标系以及轮廓轨迹偏置填充方式的三维打印机成为了研究热点。
发明内容
本发明旨在提供一种可加工绝大多数热塑性塑料的三维打印机，通过组合微注塑机塑化装置以及针阀式热流道装置实现定量式、间歇式的熔体微滴喷射；通过圆柱坐标系移动装置作为沉积成型平台实现物料的精确堆积；本发明将大大扩展了三维打印耗材的种类，还具有高精度、可多物料混合打印的优点，推动了三维打印技术的普及。
本发明的技术方案是，熔体微分三维打印机，由物料熔融单元、微滴喷射单元、圆柱坐标系成型单元和机架构成；在物料熔融单元中，伺服电机驱动螺杆旋转，将通过进料口倾入的塑料粒料混合、剪切，机筒内固定的加热器通过温度调控保证粒料完全塑化，最后熔融物料被螺杆输送到微滴喷射单元；在微滴喷射单元中，熔融物料沿流道板中的热流道输送到阀体中，直线伺服电机驱动阀针在阀体中往复运动，将熔融物料定量、间歇地挤出喷嘴，形成熔体微滴；在圆柱坐标系成型单元中，熔体微滴喷射到承载台上冷却沉积成型，左右、竖直方向伺服电机分别与相对应的螺杆啮合旋转来驱动物料熔融单元及微滴喷射单元沿左右、竖直方向移动，周向伺服电机通过蜗杆驱动装配有蜗轮的承载台旋转，从而实现圆柱坐标系下的三维运动。
本发明熔体微分三维打印机中的物料熔融单元包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器、隔热套；所述的伺服电机可精确控制转速，通过控制螺杆转速，保证不同物料均可在机筒内熔融塑化；进料口可直接倒入一定量高分子粒料，也可将相配套的粒料盒卡在入口处，方便定量管理以及清洁卫生；进料口与机筒相贯通，能够将粒料直接输送到机筒内部进行熔融；联轴器将螺杆与伺服电机固定在一起；隔热套位于机筒和伺服电机之间能够阻隔热量，避免机筒的热量往上传导烧坏伺服电机。
本发明熔体微分三维打印机中的微滴喷射单元由流道板、直线伺服电机、阻隔套、阀针、阀体、喷嘴组成；所述的直线伺服电机可将电能转化为往复直线运动机械能，运动速度可调，能够控制阀针的移动速度，从而控制熔体微滴的喷射速度；所述的流道板内的流道与物料熔融单元中的机筒相贯穿，可使熔融物料沿流道板进入阀体；流道板及阀体内固定有加热器,可根据物料的种类调节温度，既可保证物料处于熔融状态，又避免温度过高而造成物料分解，阀体末端收缩形成喷嘴，喷嘴内径约1mm左右；所述的阀针直径略小于喷嘴内径，二者为间隙配合，保证针体可伸出喷嘴，从而把熔体微滴顶出喷嘴外，阀针上端与阻隔套密封配合，保证熔体不向上流动而污染直线伺服电机。
本发明熔体微分三维打印机中的圆柱坐标系成型单元由承载板、左右方向伺服电机、竖直方向伺服电机、周向伺服电机、丝杠，导轨、蜗轮、蜗杆构成；所述的承载板作为熔融粒料冷却凝固成型的平台，由耐高温材质做成，保证在受热状态下不发生翘曲变形；伺服电机可精确控制转速，能够变速旋转、停转以及正逆向旋转；其中左右伺服电机、竖直伺服电机与物料熔融单元及微滴喷射单元通过支撑架连接在一起，电机通过滚珠丝杠的结构与丝杠啮合，能够将电机的转动转化为沿丝杠的平移，从而使物料熔融单元及熔体喷射单元可沿左右及竖直方向移动；承载板下方固定有蜗轮结构，周向伺服电机通过蜗杆驱动蜗轮旋转，从而保证承载板沿竖直垂线旋转。
本发明熔体微分三维打印机中的物料熔融单元可设有多套，并通过流道板与微滴喷射单元连接，通过加装时序性控制器，使不同物料熔融单元中的熔融物料按顺序进入微滴喷射单元；此方法可生成多材质、多色彩的三维打印制品。
本发明熔体微分三维打印机中的流道板上可装配多套微滴喷射单元，不同的微滴喷射单元可设置不同规格的喷嘴和液滴计量规格，根据制品的不同部位采取高速初加工和低速精加工相结合的方法，可提高制品的打印速度和精度。
本发明熔体微分三维打印机中可在喷嘴和承载板之间加静电场，使喷射微滴带电，通过静电排斥力克服熔体的表面张力，减小微滴的体积，提高成型精度。
本发明熔体微分三维打印机的成型方法是：三维制品成型轨迹采用轮廓轨迹偏置填充方式，即沿着截面的轮廓线向实心部分一层一层偏置一个距离所得的填充路径。这种成型方式特别适合基于圆柱坐标系的成型单元，它成型速度快，生成的截面精度高，能够很好地解决成型过程中的变形、翘曲等问题。
本发明结合了熔体微滴喷射及圆柱坐标系成型理念，结构合理简单，同时由控制系统控制整个装置的协调运作，成型速度快，控制精度高，实现了三维立体模型的可控式快速成型；本发明可采用多种物料大大扩展了3D打印耗材的种类，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明熔体微分三维打印机物料熔融单元及微滴喷射单元的剖视图。
图2是是本发明熔体微分三维打印机的整体示意图。
图3是本发明熔体微分三维打印机轮廓轨迹偏置填充方式的示意图。
1-伺服电机，2-隔热套，3-联轴器，4-进料口，5-螺杆，6-机筒，7-加热器，8-流道板，9-热流道，10-直线伺服电机，11-阻隔套，12-阀体，13-阀针，14-喷嘴，15-连接架，16-左右伺服电机，17-竖直伺服电机，18-丝杠，19-导轨，20-承载板，21-周向伺服电机，22-蜗杆，23-蜗轮，24-机架，25-轮廓轨迹。
具体实施方式
本发明提供了熔体微分三维打印机，由物料熔融单元、微滴喷射单元、圆柱坐标系成型单元和机架构成；其中物料熔融单元包括伺服电机1、隔热套2、联轴器3、进料口4、螺杆5、机筒6和加热器7；其中微滴喷射单元包括流道板8、热流道9、直线伺服电机10、阻隔套11、阀体12、阀针13和喷嘴14；其中圆柱坐标系成型单元包括左右伺服电机16、竖直伺服电机17、丝杠18、导轨19、承载板20、周向伺服电机21、蜗杆22和蜗轮23；机筒6内腔与热流道9贯通，流道板8外端通过连接架15与丝杠18及导轨19连接；整套系统通过机架24来支撑。
本发明熔体微分三维打印机中，伺服电机1驱动螺杆5在机筒6中旋转，联轴器2用于连接伺服电机1和螺杆5，塑料粒料通过进料口4进入机筒6，在螺杆5的剪切摩擦作用下变为熔融物料，并被螺杆5输送到流道板8内部的热流道9中，隔热套2将伺服电机1和机筒6隔离。避免伺服电机1被烧坏；并沿热流道9输送到阀体12内部，直线伺服电机10固定在阻隔套11上方，并驱动阀针13沿阀体12内腔做往复运动，熔融物料被阀针12间歇地推出喷嘴14，形成微滴；机筒6、流道板8及阀体12表面固定有加热器7，通过调控温度保证物料完全熔融塑化，阻隔套11固定在阀体12内腔，阻隔熔融物料向上流动污染直线伺服电机；微滴被喷射到承载板20上固化成型，同时左右伺服电机16、竖直伺服电机17通过与丝杠18啮合旋转，带动物料熔融单元、微滴喷射单元做左右、竖直运动，周向伺服电机21通过蜗杆22带动23蜗轮旋转，从而使承载板20沿轴向竖直垂线旋转，从而完成三维成型过程。
本发明熔体微分三维打印机的成型方法是：三维制品成型轨迹采用轮廓轨迹偏置填充方式，即沿着截面的轮廓轨迹25向实心部分一层一层偏置一个距离所得的填充路径。

Claims (5)

1.熔体微分三维打印机，其特征在于：主要由物料熔融单元、微滴喷射单元、圆柱坐标系成型单元和机架构成；物料熔融单元包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器和隔热套；所述的伺服电机可精确控制螺杆转速，通过控制螺杆转速，保证不同物料均可在机筒内熔融塑化；进料口可直接倒入一定量高分子粒料；进料口与机筒相贯通，能够将粒料直接输送到机筒内部进行熔融；联轴器将螺杆与伺服电机固定在一起；隔热套位于机筒和伺服电机之间能够阻隔热量；微滴喷射单元由流道板、直线伺服电机、阻隔套、阀针、阀体、喷嘴组成；所述的直线伺服电机可将电能转化为往复直线运动机械能，运动速度可调，能够控制阀针的移动速度，从而控制熔体微滴的喷射速度；所述的流道板内的流道与物料熔融单元中的机筒相贯穿；流道板及阀体内固定有加热器，阀体末端收缩形成喷嘴；所述的阀针直径略小于喷嘴内径，阀针上端与阻隔套密封配合；所述的圆柱坐标系成型单元由承载板、左右方向伺服电机、竖直方向伺服电机、周向伺服电机、丝杠，导轨、蜗轮和蜗杆构成；所述的承载板作为熔融粒料冷却凝固成型的平台，由耐高温材质做成；伺服电机可精确控制转速；其中左右方向伺服电机、竖直方向伺服电机与物料熔融单元及微滴喷射单元通过支撑架连接在一起，电机通过滚珠丝杠的结构与丝杠啮合，能够将电机的转动转化为沿丝杠的平移，从而使物料熔融单元及微滴喷射单元可沿左右及竖直方向移动；承载板下方固定有蜗轮结构，周向伺服电机通过蜗杆驱动蜗轮旋转。
2.根据权利要求1所述的熔体微分三维打印机，其特征在于：所述的物料熔融单元设有多套，并通过流道板与微滴喷射单元连接，通过加装时序性控制器，使不同物料熔融单元中的熔融物料按顺序进入微滴喷射单元。
3.根据权利要求1所述的熔体微分三维打印机，其特征在于：流道板上装配多套微滴喷射单元，不同的微滴喷射单元设置不同规格的喷嘴和液滴计量规格。
4.根据权利要求1所述的熔体微分三维打印机，其特征在于：在喷嘴和承载板之间加静电场，使喷射微滴带电。
5.根据权利要求1所述的熔体微分三维打印机，其特征在于：三维制品成型轨迹采用轮廓轨迹偏置填充方式。
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