CN106217867A - 一种螺杆式增材制造喷头 - Google Patents

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刘建睿
陈超
徐天文
黄卫东
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西北工业大学
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    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Abstract

本发明一种螺杆式增材制造喷头,能够使用常规尺寸的颗粒料为原材料,物料挤出过程稳定、挤出力度大、成形效率高。其包括机筒,固定在机筒前端的喷嘴,设置在机筒中的螺杆,以及固定在机筒后端的驱动电机;螺杆的末端成圆锥设置;螺杆的前端与驱动电机输出端连接;螺杆设置螺纹部分从前端到末端按螺纹槽深依次分为加料段、压缩段和计量段,加料段槽深最大且成等槽深设置,计量段槽深最小且成等槽深设置,压缩段的槽深由最大槽深渐变为最小槽深;机筒上对应螺杆的加料段设置有进料口,对应压缩段和计量段分别设置有第一加热圈和第二加热圈;喷嘴内部呈与螺杆末端配合的圆锥面设置,喷嘴上插入设置一组加热棒。

Description

一种螺杆式増材制造喷头
技术领域
[0001]本发明属于增材制造(3D打印)材料加工领域,涉及熔融沉积成形技术,具体为一种螺杆式增材制造喷头。
背景技术
[0002]熔融沉积成形工艺(FDM)在快速成形领域是一门较为成熟的技术,其主要工作原理为:材料在喷头内被加热融化,并以一定的挤出力从喷头挤出,在计算机的控制下喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,熔体材料被挤出堆积、固化,后一层挤出的材料与前一层粘结在一起,逐层叠加,直至零件最终成形。螺杆式增材制造喷头以其挤出力大、成形效率高等优势,受到了人们的广泛关注。然而现有的螺杆式增材制造喷头在原料的选择范围、螺杆的尺寸与结构设计等方面存在不足,致使它的应用范围受到了一定限制。
[0003]现有技术中主要存在以下不足:1.大部分螺杆式增材制造喷头只能以丝材作为原材料,增加了原材料的制作成本并且限制了原材料的选择种类。2.目前螺杆式增材制造喷头用螺杆的尺寸较小,其直径普遍在16mm以下,刘光富等人设计了螺杆直径为12mm的螺杆式增材制造喷头,并在2003年9月《机械设计》第20卷第9期公开的《熔融沉积快速成形机的螺旋挤压机构设计》进行了说明。螺杆直径较小会产生如下问题:无法顺利使用较大尺寸颗粒料,运行过程中易出现卡顿现象;限制材料挤出效率无法进一步提高。现有文献中认为螺杆直径大于18mm后成形效果明显下降,在2010年I月《塑料工业》第38卷第I期中公开的《塑料熔体微型挤出流变行为及形态演变》中给出了详细的阐述。螺杆直径的增加导致成形效果下降的原因是:(I)螺杆与机筒间的空间增大,物料不易密实地填充,导致出料不均匀影响成形质量;(2)螺杆尺寸的增大使其转动时所需扭矩增大、负载增大,影响了喷头运转的稳定性进而影响物料挤出过程的稳定性;(3)螺杆尺寸的增大使得喷头整体尺寸增大、重量增加,影响了设备运行过程的稳定性。螺杆直径直接限制了螺杆深度,较小的螺杆直径致使无法顺利使用颗粒体材料作为原料,并且螺杆直径直接限制了喷头出料速度,致使无法进一步提升熔融沉积成形技术的成形效率。
发明内容
[0004]针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种螺杆式增材制造喷头,能够使用常规尺寸的颗粒料为原材料,物料挤出过程稳定、挤出力度大、成形效率高。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0006] —种螺杆式增材制造喷头,包括机筒,固定在机筒前端的喷嘴,设置在机筒中的螺杆,以及固定在机筒后端的驱动电机;螺杆的末端成圆锥设置;螺杆的前端与驱动电机输出端连接;螺杆设置螺纹部分从前端到末端按螺纹槽深依次分为加料段、压缩段和计量段,加料段槽深最大且成等槽深设置,计量段槽深最小且成等槽深设置,压缩段的槽深由最大槽深渐变为最小槽深;螺棱横截面为梯形,与螺杆根部为圆角过度连接;机筒上对应螺杆的加料段设置有进料口,对应压缩段和计量段分别设置有第一加热圈和第二加热圈;喷嘴内部呈与螺杆末端配合的圆锥面设置,喷嘴上插入设置一组加热棒。
[0007] 优选的,螺杆2的外径为20-30mm;加料段槽深4.5-6.5111111,长度50-65111111;压缩段槽深1.5-6.5mm,长度90-11Omm;计量段槽深1.5_3mm,长度60-75mm;螺旋升角25°-35°。
[0008]优选的,驱动电机通过联轴器与螺杆连接。
[0009]优选的,机筒上沿轴向依次固定进料处支架、轴套和电机支架;驱动电机固定在电机支架上,连接进料端的漏斗固定在进料处支架上,轴套内部设置有固定支撑螺杆的高温轴承。
[0010]优选的,共设置有一对高温轴承,一对高温轴承之间设置有用于保持安装距离的第二挡圈,高温轴承与驱动电机相邻的一端设置有用于限位的第一挡圈。
[0011]优选的,喷嘴外部有伸出的凸台,喷嘴通过凸台和螺栓与机筒固定连接。
[0012]与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
[0013]本发明通过提升螺杆直径并采用三段式设计,有利于顺利使用颗粒体原料,大大降低了原材料成本并增加了原材料种类范围;压缩段渐变式槽深提高材料内部压力,配合螺杆的分段设计采用分段式加热,提高加热效率,使物料充分熔化而不出现老化分解现象;提高了材料密实程度进而提高材料打印质量;大幅度提高打印速率与挤出力度,可以挤出较高粘度材料;配合结构简单的喷头结构设置,制造成本低廉;实现以较低的成本、较广的材料来源进行快速打印,为工业生产中打印大型零件提供设备基础。
[0014]进一步的,采用三段式设计,S卩加料段、压缩段、计量段。并采用较大的螺杆直径,配合分段加热的设置解决现有技术中直径大于18mm后成形效果下降的问题,满足加料段对固体颗粒料的输送需求,其槽深设计较大可容纳普遍尺寸颗粒料。压缩段槽深为渐变式,目的是通过空间的变化以适应颗粒料熔化后体积的变化,并使物料逐渐被压缩在其内部形成压力,达到增加材料密实程度的效果,以使得材料挤出更加均匀、制件更加致密。计量段槽深较浅,使物料熔化均匀、流动平稳,以提高打印质量。
[0015]进一步的,采用步进电机与螺杆轴通过联轴器直接相连,不需要复杂的传动装置,使得控速更加精确以及螺杆转动更加平稳,并且同时简化了喷头结构、减轻了喷头质量。
附图说明
[0016]图1为本发明实例中所述喷头的结构示意图。
[0017]图2为本发明实例中所述采用本发明成形的管材示意图。
[0018]图中:I为喷嘴、2为螺杆、3为机筒、4高温轴承、5为轴套、6为电机支架、7为联轴器、8为驱动电机、9为第一挡圈、10为第二挡圈、11为漏斗、12位进料处支架、13为第一加热圈、14为第二加热圈。
具体实施方式
[0019]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
[0020]本发明优化设计了其核心部件螺杆的尺寸与几何结构,可以使用常规尺寸的颗粒料为原材料,并且物料挤出过程稳定、挤出力度大、成形效率高。同时优化设计了喷头的机械支撑结构,在保证喷头结构可靠性的前提下减轻了其质量,提高了喷头运行时的稳定性并且降低了成本。本发明一种针对熔融堆积成形技术的螺杆式挤出喷头,包括:喷嘴1、螺杆
2、机筒3、漏斗11、驱动电机8、高温轴承4、联轴器7、相关支架机构、加热元件和控温系统。如图1所示,其中,相关支架机构由进料处支架12、轴套5和电机支架6组成。喷嘴I与机筒3由螺栓相连接。
[0021 ]进料处支架12下端由螺钉固定在机筒3凸台上,进料处支架12上端由螺栓与轴套5下端相连接,轴套5上端与电机支架6下端由螺栓相连接。驱动电机8安装在电机支架6上端。螺杆2上端与驱动电机8输出轴由弹性联轴器7连接,并由两个高温轴承4固定支承。漏斗11与进料口采用间隙配合。
[0022]其中,螺杆2采用三段式设计,S卩加料段、压缩段、计量段。加料段用来输送固体颗粒料,其槽深可容纳普遍尺寸颗粒料。压缩段槽深为渐变式,目的是通过空间的变化以适应颗粒料熔化后体积的变化,并使物料逐渐被压缩在其内部形成压力,达到增加材料密实程度的效果,以使得材料挤出更加均匀、制件更加致密。计量段槽深较浅,使物料熔化均匀、流动平稳,以提高打印质量。
[0023]加热装置为一组加热圈和一组加热棒。加热线圈分为两个,固定在机筒外壁,第一加热圈13对螺杆压缩段控制加热温度,第二加热圈14对计量段控制加热温度。一组加热棒插入喷嘴的开孔中,对喷嘴处物料最终挤出温度进行调节。
[0024]喷嘴I内部为一定角度的圆锥形,与螺杆2末端圆锥部分相配合。喷嘴I外部有伸出的凸台与机筒3凸台配合固定。
[0025]机筒3下端与中部设有凸台,用以与喷嘴I和进料处支架12固定。机3筒包含一个与水平方向呈一定角度的圆柱形孔洞,以便固定漏斗11、使颗粒料顺利进入机筒内部。
[0026]加料处支架11为半封闭结构,以便放置漏斗U。其四周有长方形凸台,以便机械手臂对其进行夹持。
[0027]轴套5下端为半封闭结构,与加料处支架11相配合放置漏斗11。
[0028]采用一对高温轴承4,并通过第一挡圈9和第二挡圈10限位保持一段距离安装,以严格控制螺杆2垂直度。驱动电机8采用步进电机以便精确控速。
[0029]具体的,如图1所示,螺杆2为喷头中的核心部件,螺杆2的外径为20-30mm;加料段槽深4.5-6.5mm,长度50_65mm ;压缩段槽深1.5-6.5mm,长度90_1 1mm ;计量段槽深1.5_3mm,长度60-75mm;螺旋升角25°-35° ;其中优选的外径20-25mm,分为三段式设计:加料段槽深4.5-5.5mm,长度50_55mm ;压缩段槽深1.5-5.5mm,长度90_1 OOmm ;计量段槽深1.5_2mm,长度60-65mm;螺杆全长约为370-380mm。喷嘴I内部为60度圆锥形,出料口直径为1mm。机筒3外径50_55mm,长度220-230mm,在距机筒3底端约210mm处开有倾斜角为30度的圆柱形进料孔。驱动电机8采用步距角为1.8°的两相86mm步进电机。加热元件采用订制不锈钢加热圈和单头电热管。控温元件采用PT100热电阻贴片温度传感器和PT100热电阻探头式温度传感器。使用时,首先根据物料的种类不同而设定不同的加热温度,待机筒3加热到预定温度后从漏斗11处加入颗粒料,物料在机筒3内熔化并随螺杆2转动从喷嘴处挤出。将此喷头固定在机床上,设定好相关运行程序即可进行堆积成形。
[0030]成形后的圆柱形管材如图2所示,材料选用熔点较高的高强度工程塑料PC颗粒料,成形高度50cm,直径15cm,壁厚2.2mm,重量481g,成形时间约3小时。

Claims (6)

1.一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,包括机筒(3),固定在机筒(3)前端的喷嘴(I),设置在机筒(3)中的螺杆(2),以及固定在机筒(3)后端的驱动电机(8); 螺杆(2)的末端成圆锥设置;螺杆(2)的前端与驱动电机(8)输出端连接;螺杆(2)设置螺纹部分从前端到末端按螺纹槽深依次分为加料段、压缩段和计量段,加料段槽深最大且成等槽深设置,计量段槽深最小且成等槽深设置,压缩段的槽深由最大槽深渐变为最小槽深;螺棱横截面为梯形,与螺杆根部为圆角过度连接; 机筒(3)上对应螺杆(2)的加料段设置有进料口,对应压缩段和计量段分别设置有第一加热圈(13)和第二加热圈(14); 喷嘴(I)内部呈与螺杆末端配合的圆锥面设置,喷嘴(I)上插入设置一组加热棒。
2.根据权利要求1所述的一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,螺杆2的外径为20-30mm;加料段槽深4.5-6.5mm,长度50_65mm;压缩段槽深1.5-6.5mm,长度90-1 1mm;计量段槽深1.5-3mm,长度60-75mm;螺旋升角25° -35°。
3.根据权利要求1所述的一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,驱动电机(8)通过联轴器(7)与螺杆(2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,机筒(3)上沿轴向依次固定进料处支架(12)、轴套(5)和电机支架(6);驱动电机(8)固定在电机支架(6)上,连接进料端的漏斗(11)固定在进料处支架(12)上,轴套(5)内部设置有固定支撑螺杆(2)的高温轴承(4)。
5.根据权利要求1所述的一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,共设置有一对高温轴承(4),一对高温轴承(4)之间设置有用于保持安装距离的第二挡圈(10),高温轴承(4)与驱动电机(8)相邻的一端设置有用于限位的第一挡圈(9)。
6.根据权利要求1所述的一种螺杆式增材制造喷头,其特征在于,喷嘴(I)外部有伸出的凸台,喷嘴(I)通过凸台和螺栓与机筒(3)固定连接。
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