CN106273509A - 振动成型的材料挤压式3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统、工作台、喷射头、机筒、电热圈、螺杆、向心推力轴承组、从动伞齿轮主动伞齿轮、电旋转接头、电机驱动系统、机架、供粉系统、供粉管及控制系统；向心推力轴承组、电旋转接头、电机驱动系统及机筒安装在机架上，机架可作X轴及Y轴水平方向移动，控制系统控制工作台移动系统、电旋转接头、电机驱动系统及供粉系统运行，工作台移动系统带动工作台作Z轴上下方向运动，从动伞齿轮及向心推力轴承组均安装在螺杆的上部从而带动螺杆旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融并向下输运融料；特点是还包括压电材料和振动头，通电后压电材料带动振动头对物料施加高频振动。其具有结构简单，成型制品结构致密，强度高，产品质量好等优点。

Description

振动成型的材料挤压式3D打印机

技术领域

本发明涉及一种三D打印装置，尤其涉及一种振动成型的材料挤压式3D打印机。

背景技术

三D打印加工成型的基本原理是：先建立零件三维计算机模型，然后对其进行分层切片，获取每一层信息数据，在此基础上进行逐层叠加制造，此制造方法由于其自身的诸多优势而被各行各业广泛使用。

材料挤压式3D打印装置是常见的一种3D成型装备，属于熔融沉积形成型方法，尽管该方法由于自身优点得到越来越广泛的应用，但也有其不足，那就是3D打印成型件结构组织较疏松，机械性能差，强度不高等；为克服此类问题，有部分研究者将各种振动引入到此类三D打印成型加工中，施振方式包括采用基板振动以及施粉机构振动方式，此二种方式尽管可部分克服原来存在的一些问题，但都只用于气动粉粒流式3D打印装备，在材料挤压式3D打印装备中，则还未见通过施加振动来改善成型件质量的专利。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种振动成型的材料挤压式3D打印机，其结构简单，成型制品结构致密，强度高，产品质量好。

为了达到上述目的，本发明的第一种技术方案是这样实现的，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统、工作台、喷射头、机筒、电热圈、螺杆、向心推力轴承组、从动伞齿轮、主动伞齿轮、电旋转接头、电机驱动系统、机架、供粉系统、供粉管及控制系统；其中所述喷射头连接在机筒的下端并与其出口联通，所述工作台位于喷射头的下方，所述向心推力轴承组、电旋转接头、电机驱动系统及机筒安装在机架上，所述机架可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统控制工作台移动系统、电旋转接头、电机驱动系统及供粉系统运行，所述供粉管的一端与供粉系统联通，供粉管的另一端与机筒上部联通，所述工作台移动系统带动工作台作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮与从动伞齿轮啮合，所述电机驱动系统带动主动伞齿轮转动，所述螺杆位于机筒内，螺杆的上端与电旋转接头连接，所述从动伞齿轮及向心推力轴承组均安装在螺杆的上部从而带动螺杆旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于还包括压电材料和振动头，所述压电材料安装在螺杆的下端头部，通电后压电材料带动振动头对物料施加高频振动。

为了达到上述目的，本发明的第二种技术方案是这样实现的，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统、工作台、喷射头、机筒、电热圈、螺杆、向心推力轴承组、从动伞齿轮、主动伞齿轮、电旋转接头、电机驱动系统、机架、供粉系统、供粉管及控制系统；其中所述喷射头连接在机筒的下端并与其出口联通，所述工作台位于喷射头的下方，所述向心推力轴承组、电旋转接头、电机驱动系统及机筒安装在机架上，所述机架可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统控制工作台移动系统、电旋转接头、电机驱动系统及供粉系统运行，所述供粉管的一端与供粉系统联通，供粉管的另一端与机筒上部联通，所述工作台移动系统带动工作台作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮与从动伞齿轮啮合，所述电机驱动系统带动主动伞齿轮转动，所述螺杆位于机筒内，螺杆的上端与电旋转接头连接，所述从动伞齿轮及向心推力轴承组均安装在螺杆的上部从而带动螺杆旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于还包括超声振动器，所述超声振动器安装在螺杆的上部，超声振动器带动螺杆在旋转的同时作超声振动。

为了达到上述目的，本发明的第三种技术方案是这样实现的，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统、工作台、喷射头、电热圈，锥形机筒、锥形螺盘、向心推力轴承组、从动伞齿轮、主动伞齿轮、芯轴、控制座、电机驱动系统、机架、芯轴、座板、进料接口、送丝机构、丝料、丝盘及控制系统；其中所述喷射头连接在锥形机筒的下端并与其出口联通，所述工作台位于喷射头的下方，所述向心推力轴承组、控制座、电机驱动系统、座板及送丝机构安装在机架上，所述锥形机筒安装在座板的下方，所述机架可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统控制工作台移动系统、电机驱动系统、送丝机构及压电材料和振动头的运行，所述丝料绕设在丝盘上，所述进料接口固定在锥形机筒的上方并联通，所述送丝机构带动丝料通过进料接口进入到锥形机筒中，所述工作台移动系统带动工作台作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮与从动伞齿轮啮合，所述电机驱动系统带动主动伞齿轮转动，所述锥形螺盘位于锥形机筒内，锥形螺盘有中心孔，其外圆锥面有螺槽，所述芯轴穿过锥形螺盘的中心孔，所述芯轴的上端与控制座连接，所述从动伞齿轮及向心推力轴承组均安装在锥形螺盘上伸出端上从而带动锥形螺盘旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于在所述芯轴的下端头部设有压电材料和振动头，所述压电材料和振动头位于锥形螺盘的下方，通电后压电材料带动振动头对物料施加高频振动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1. 在成型过程中对物料振动有利于强化物料熔融及均化，使成型制品的密度变大，拉伸和冲击强度提高，制品内在品质和外观质量得到很大改善和提高；

2. 成型过程中的振动能有利于物料中混入气体的逸出，减少了制品出现气孔和裂纹等缺陷的几率，还能使物料的混合、交融充分，物料熔体更加密实，内部组织致密，机械力学强度更高，尤其是多重物料混合加工时，此优点更为突出；

3. 适应性强，适用于丝式挤压及螺旋式挤压等多种三D打印装置。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图；

图3是本发明实施例三的结构示意图；

图4是图3的局部A的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语“上”及“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统1、工作台2、喷射头4、振动头5、压电材料6、机筒7、电热圈8、螺杆9、向心推力轴承组10、从动伞齿轮11、主动伞齿轮12、电旋转接头13、电机驱动系统14、机架15、供粉系统16、供粉管17及控制系统18；其中所述喷射头4连接在机筒7的下端并与其出口联通，所述工作台2位于喷射头4的下方，所述向心推力轴承组10、电旋转接头13、电机驱动系统14及机筒7安装在机架15上；所述机架15可作X轴及Y轴水平方向移动（由于机架作X轴及Y轴水平方向移动为现有技术，因此在图中没有画出）；所述控制系统18控制工作台移动系统1、电旋转接头13、电机驱动系统14及供粉系统16运行，所述供粉管17的一端与供粉系统16联通，供粉管17的另一端与机筒7上部联通，这样粉末可以通过供粉管17进入到机筒7内；所述工作台移动系统1带动工作台2作Z轴上下方向运动即上下移动，所述主动伞齿轮12与从动伞齿轮11啮合，所述电机驱动系统14带动主动伞齿轮12转动，所述螺杆9的中下部位于机筒7内，螺杆9的上端与电旋转接头13连接，所述从动伞齿轮11及向心推力轴承组10均安装在螺杆9的上部，主动伞齿轮12带动从动伞齿轮11转动从而带动螺杆9旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；压电材料6和振动头5安装在螺杆9的下端头部，通电后压电材料6带动振动头5对物料施加高频振动，被施加振动后的物料通过喷射头4在工作台2上形成3D打印成型件3；所述电热圈8设在机筒7外用于加热机筒7。

工作时，先建立零件三维计算机模型，然后对其进行分层切片，获取每一层信息数据，水平运动机构（均未画出）根据每一层截面的轮廓信息，带动机架15与向心推力轴承组10、电机驱动系统14、机筒7、螺杆9、喷射头4、振动头5作X轴及Y轴水平运动，同时，电机驱动系统14带动螺杆9旋转，熔融挤出融料通过喷射头4，在上工作台2上挤出沉积一层融料，快速冷却固化后形成3D打印件，然后由工作台移动系统1带动工作台2向下移动一个分层厚度，再进行下一层截面的挤出沉积，以此方式进行逐层叠加制造，就可得到完整的3D打印成型件3；螺杆9旋转运动时，其前端的压电材料6在通电后带动振动头5作高频振动，强化了物料熔融及均化过程，改善了物性。由于带动机架15运动的水平运动机构为现有技术且非本发明专利重点，故在本专利中未有画出。

实施例二

如图2所示，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统1、工作台2、喷射头4、机筒7、电热圈8、螺杆9、向心推力轴承组10、从动伞齿轮11、主动伞齿轮12、电旋转接头13、电机驱动系统14、机架15、供粉系统16、供粉管17及控制系统18及超声振动器19；其中所述喷射头4连接在机筒7的下端并与其出口联通，所述工作台2位于喷射头4的下方，所述向心推力轴承组10、电旋转接头13、电机驱动系统14及机筒7安装在机架15上；所述机架15可作X轴及Y轴水平方向移动（由于机架作X轴及Y轴水平方向移动为现有技术，因此在图中没有画出）；；所述控制系统18 控制工作台移动系统1、电旋转接头13、电机驱动系统14及供粉系统16运行，所述供粉管17的一端与供粉系统16联通，供粉管17的另一端与机筒7上部联通，这样打印粉末可以通过供粉管17进入到机筒7内；所述工作台移动系统1带动工作台2作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮12与从动伞齿轮11啮合，所述电机驱动系统14带动主动伞齿轮12转动，所述螺杆9位于机筒7内，螺杆9的上端与电旋转接头13连接，所述从动伞齿轮11及向心推力轴承组10均安装在螺杆9的上部，主动伞齿轮12带动从动伞齿轮11转动从而带动螺杆9旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；所述超声振动器19安装在螺杆9的上部即位于机筒7外，超声振动器19带动螺杆9在旋转的同时作超声振动。

工作时，先建立零件三维计算机模型，然后对其进行分层切片，获取每一层信息数据，水平运动机构（均未画出）根据每一层截面的轮廓信息，带动机架15、机筒7、螺杆9、向心推力轴承组10、电机驱动系统14及喷射头4作X轴及Y轴水平运动，同时，电机驱动系统14带动主动伞齿轮12转动，主动伞齿轮12又带动从动伞齿轮11转动从而带动螺杆9旋转，熔融挤出融料通过喷射头4在上工作台2上挤出沉积一层融料，快速冷却固化后形成工件3，然后由工作台移动系统1带动工作台2向下移动一个分层厚度，再进行下一层截面的挤出沉积，以此方式进行逐层叠加制造，就可得到完整的三D打印成型件3；螺杆9旋转运动时，其上部的超声振动器19在通电后带动螺杆9作高频振动，强化了物料熔融及均化过程，改善了物性；由于带动机架15运动的水平运动机构为现有技术且非本发明专利重点，故在本专利中未有画出。

实施例三

如图3及图4所示，其是一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统1、工作台2、喷射头4和电热圈8、向心推力轴承组10、从动伞齿轮11、主动伞齿轮12、芯轴22、控制座13、电机驱动系统14、机架15、锥形机筒20、锥形螺盘21、芯轴22、座板23、进料接口24、送丝机构25、丝料26、丝盘27及控制系统18；其中所述喷射头4连接在锥形机筒20的下端并与其出口联通，所述工作台2位于喷射头4的下方，所述向心推力轴承组10、控制座13、电机驱动系统14、座板23及送丝机构25安装在机架15上，所述锥形机筒20安装在座板23的下方；所述机架15可作X轴及Y轴水平方向移动（由于机架作X轴及Y轴水平方向移动为现有技术，因此在图中没有画出）；所述控制系统18控制工作台移动系统1、控制座13、电机驱动系统14及送丝机构25运行，所述丝料26绕设在丝盘27上，所述进料接口24固定在锥形机筒20的上方并联通，所述送丝机构25带动丝料26通过进料接口24进入到锥形机筒20中，所述工作台移动系统1带动工作台2作Z轴上下方向运动；所述主动伞齿轮12与从动伞齿轮11啮合，所述电机驱动系统14带动主动伞齿轮12转动，主动伞齿轮12带动从动伞齿轮11转动，所述锥形螺盘21位于锥形机筒20内，锥形螺盘21有中心孔，其外圆锥面有螺槽，所述芯轴22穿过锥形螺盘21的中心孔，所述芯轴22的上端与控制座13连接，所述从动伞齿轮11及向心推力轴承组10均安装在锥形螺盘21上伸出端211上部，这样从动伞齿轮11带动锥形螺盘21旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；所述压电材料6和振动头5安装在芯轴22的下端且位于锥形机筒20内，所述压电材料6和振动头5位于锥形螺盘21的下方，通电后压电材料6带动振动头5对物料施加高频振动。

工作时，先建立零件三维计算机模型，然后对其进行分层切片，获取每一层信息数据，水平运动机构（均未画出）根据每一层截面的轮廓信息，带动机架15、向心推力轴承组10、座板23、送丝机构25和喷射头4作X轴及Y轴水平运动，同时，送丝机构25将丝料26通过进料接口23送入锥形机筒20，电机驱动系统14带动锥形螺盘21旋转运动熔融挤出融料，然后通过喷射头4，在工作台2上挤出沉积一层融料，快速冷却固化后形成工件，然后由工作台移动系统1带动工作台2向下移动一个分层厚度，再进行下一层截面的挤出沉积，以此方式进行逐层叠加制造，就可得到完整的三D打印成型件3；而芯轴22的下端头部设有压电材料6，通电后带动振动头5对物料施加高频振动，优化改善加工过程，提高成型件质量；由于带动机架15运动的水平运动机构为现有技术且非本发明专利重点，故在本专利中未有画出。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统（1）、工作台（2）、喷射头（4）、机筒（7）、电热圈（8）、螺杆（9）、向心推力轴承组（10）、从动伞齿轮（11）、主动伞齿轮（12）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）、机架（15）、供粉系统（16）、供粉管（17）及控制系统（18）；其中所述喷射头（4）连接在机筒（7）的下端并与其出口联通，所述工作台（2）位于喷射头（4）的下方，所述向心推力轴承组（10）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）及机筒（7）安装在机架（15）上，所述机架（15）可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统（18） 控制工作台移动系统（1）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）及供粉系统（16）运行，所述供粉管（17）的一端与供粉系统（16）联通，供粉管（17）的另一端与机筒（7）上部联通，所述工作台移动系统（1）带动工作台（2）作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮（12）与从动伞齿轮（11）啮合，所述电机驱动系统（14）带动主动伞齿轮（12）转动，所述螺杆（9）位于机筒（7）内，螺杆（9）的上端与电旋转接头（13）连接，所述从动伞齿轮（11）及向心推力轴承组（10）均安装在螺杆（9）的上部从而带动螺杆（9）旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于还包括压电材料（6）和振动头（5），所述压电材料（6）安装在螺杆（9）的下端头部，通电后压电材料（6）带动振动头（5）对物料施加高频振动。

2.一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统（1）、工作台（2）、喷射头（4）、机筒（7）、电热圈（8）、螺杆（9）、向心推力轴承组（10）、从动伞齿轮（11）、主动伞齿轮（12）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）、机架（15）、供粉系统（16）、供粉管（17）及控制系统（18）；其中所述喷射头（4）连接在机筒（7）的下端并与其出口联通，所述工作台（2）位于喷射头（4）的下方，所述向心推力轴承组（10）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）及机筒（7）安装在机架（15）上，所述机架（15）可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统（18） 控制工作台移动系统（1）、电旋转接头（13）、电机驱动系统（14）及供粉系统（16）运行，所述供粉管（17）的一端与供粉系统（16）联通，供粉管（17）的另一端与机筒（7）上部联通，所述工作台移动系统（1）带动工作台（2）作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮（12）与从动伞齿轮（11）啮合，所述电机驱动系统（14）带动主动伞齿轮（12）转动，所述螺杆（9）位于机筒（7）内，螺杆（9）的上端与电旋转接头（13）连接，所述从动伞齿轮（11）及向心推力轴承组（10）均安装在螺杆（9）的上部从而带动螺杆（9）旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于还包括超声振动器（19），所述超声振动器（19）安装在螺杆（9）的上部，超声振动器（19）带动螺杆（9）在旋转的同时作超声振动。

3.一种振动成型的材料挤压式3D打印机，包括工作台移动系统（1）、工作台（2）、喷射头（4）、电热圈（8）、向心推力轴承组（10）、从动伞齿轮（11）、主动伞齿轮（12）、控制座（13）、锥形机筒（20）、锥形螺盘（21）、芯轴（22）、电机驱动系统（14）、机架（15）、座板（23）、进料接口（24）、送丝机构（25）、丝料（26）、丝盘（27）及控制系统（18）；其中所述喷射头（4）连接在锥形机筒（20）的下端并与其出口联通，所述工作台（2）位于喷射头（4）的下方，所述向心推力轴承组（10）、控制座（13）、电机驱动系统（14）、座板（23）及送丝机构（25）安装在机架（15）上，所述锥形机筒（20）安装在座板（23）的下方，所述机架（15）可作X轴及Y轴水平方向移动，所述控制系统（18） 控制工作台移动系统（1）、电机驱动系统（14）及送丝机构（25）运行，所述丝料（26）绕设在丝盘（27）上，所述进料接口（24）固定在锥形机筒（20）的上方并联通，所述送丝机构（25）带动丝料（26）通过进料接口（24）进入到锥形机筒（20）中，所述工作台移动系统（1）带动工作台（2）作Z轴上下方向运动，所述主动伞齿轮（12）与从动伞齿轮（11）啮合，所述电机驱动系统（14）带动主动伞齿轮（12）转动，所述锥形螺盘（21）位于锥形机筒（20）内，锥形螺盘（21）有中心孔，其外圆锥面有螺槽，所述芯轴（22）穿过锥形螺盘（21）的中心孔，所述芯轴（22）的上端与控制座（13）连接，所述从动伞齿轮（11）及向心推力轴承组（10）均安装在锥形螺盘（21）上伸出端（211）上从而带动锥形螺盘（21）旋转，完成对物料的螺旋、挤压和熔融，并向下输运融料；其特征在于在所述芯轴（22）的下端头部设有压电材料（6）和振动头（5），所述压电材料（6）和振动头（5）位于锥形螺盘（21）的下方，通电后压电材料（6）带动振动头（5）对物料施加高频振动。