CN107009482B - 陶瓷打印机挤出装置和陶瓷泥料在线改性打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷打印机的挤出装置，包括壳体、出料口、搅拌叶片、套管、限位管以及驱动机构，套管滑动套设于限位管外壁，套管于限位管上上下滑动并转动，套管外壁设有入液通道；搅拌叶片固定于套管上并与套管同步转动，搅拌叶片设有改性管道，改性管道具有入口和出口，入口与入液通道连通；出口处的改性管道设有出液端面，出液端面倾斜设置，出液端面设有防止泥料进入管道内的端盖。通过其内部的搅拌叶片对改性管道内流出的改性液进行均匀的搅拌，使改性液的注入和搅拌均发生在壳体内部，搅拌均匀后的改性泥料可以随壳体的收缩从出料口挤出，实现在线改性和持续挤出的目的，最大限度降低改性液的变质速度。

Description

陶瓷打印机挤出装置和陶瓷泥料在线改性打印方法

技术领域

本发明涉及陶瓷打印机领域，具体为一种陶瓷打印机的挤出装置和陶瓷泥料在线改性打印方法。

背景技术

陶瓷是千年窑火淬出的传统工业，3D打印则是最近大热的一门全新技术，当两者碰撞在一起，所能得到的效果超出人们预想。

但是现有的陶瓷3D打印机结构类似于巧克力打印机，是将未干的陶泥经过挤压装置和导管挤出至打印机的喷嘴位置，通过X轴、Y轴、Z轴移动机构使喷嘴在三维的空间内自由移动，得到想要的模型。

目前，陶瓷泥料在挤出过程中，一般含有的水分较高，水分过少则难以流动，挤出难度会较大。水分高流动性足是便于泥料的挤出和流动，但是在后续的凝固和干化过程中带来的较大的问题：

1.水分高，干化固化过程变长，需要更长的时间等待打印件变干。

2.流动性高，导致得到的打印件形状难以控制，甚至在底部打印时微小的变形量导致不断累积，使得整体打印件结构远远偏离预想。

目前，针对上述的改进方法是在泥料内增加固化剂作为其改性液，当泥料从打印机喷头打出时，固化剂接触空气快速硬化，缩短固化时间，并且保持形状，仅适用于小型打印件快速的少量打印。

因为，当泥料量较大时，挤出装置无法快速的将其下部的泥料挤出，导致添加了固化剂的泥料在打印机挤出装置内发生固化，导致泥料难以挤出，因此不适合长时间大型打印件。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种陶瓷打印机的挤出装置，通过其内部的搅拌叶片对改性管道内流出的改性液进行均匀的搅拌，使改性液的注入和搅拌均发生在壳体内部，搅拌均匀后的改性泥料可以随壳体的收缩从出料口挤出，实现在线改性和持续挤出的目的，最大限度降低改性液的变质速度。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种陶瓷打印机的挤出装置，包括用于容纳陶瓷泥料的壳体，壳体设有泥料挤出并向打印机喷头输送的出料口，壳体呈圆柱状，挤出装置还包括搅拌叶片、套管、限位管以及用于驱动套管转动的驱动机构，限位管与壳体底部固定，套管滑动套设于限位管外壁，套管于限位管上上下滑动并转动，套管外壁设有用于改性液注入并流向搅拌叶片的入液通道；

搅拌叶片固定于套管上并与套管同步转动，搅拌叶片相对水平面倾斜设置，搅拌叶片设有改性管道，改性管道具有入口和改性液流出出口，搅拌叶片包括正转时切割泥料的正转切边和反转时切割泥料的反转切边，正转切边与反转切边位于相对的搅拌叶片边缘，所述出口位于搅拌叶片的正转切边和/或反转切边，入口与入液通道连通；

出口处的改性管道设有出液端面，出液端面倾斜设置，同一侧正转切边或反转切边上的出液端面下端相比出液端面上端向外侧突出，出液端面设有盖合防止泥料进入出口的端盖，所述端盖与出液端面上端所在的改性管道翻转连接。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的陶瓷打印机的挤出装置，具有如下有益效果：

一、采用本发明的陶瓷打印机的挤出装置，通过驱动机构带动套管转动，使得搅拌叶片可以在壳体内部的泥料旋转对其进行搅拌，并随着物料的搅动使得搅拌叶片可以上下移动，搅拌叶片的搅动可以产生较大高度范围内的影响。

二、端盖的设置，目的之一是防止泥料通过出口进入改性通道内，当搅拌叶片转动时，叶片切割泥料，位于其一侧边的端盖是随搅拌叶片的转动受压于改性通道的出口处，使得出口紧闭泥料无法进入改性通道内；而当搅拌叶片反向转动时，端盖不在挤压泥料，失去压力后改性通道内的改性液会因为液体压力推动端盖打开，使改性液从出口处流出，并随着搅拌叶片的转动均匀的进入到泥料内部，以提高泥料的性质。

搅拌均匀后的改性泥料可以随壳体的收缩从出料口挤出，实现在线改性和持续挤出的目的。

改性液可以是用于改变泥料颜色的液体，也可以是用于泥料软化的溶剂(水或酒精)，还可以是用于提高泥料粘度的胶剂，或者提高泥料固化后硬度的固化剂等，主要用于变化泥料的性质。

优选的，所述搅拌叶片设有多个共用一个入口的改性管道，改性管道的数量与出口的数量相同，单个入口对应多个出口，降低改性液注入过程中的操作成本，使得改性液出液时分布更为均匀。

其次，正转切边与反转切边上均分布有改性管道的出口，使得搅拌叶片在正转时反转切边的出口可以出液，而反转时正转切边也可以出液，即正转或者反转都有一侧边可以用于改性液的流出，加快了改性液的流入速度，配合搅拌使得改性混合也更快。

优选的，所述套管外壁还设有外管，所述外管套设于套管外壁，外管与套管之间的间隙为所述入液通道，外管与套管之间固定并同步转动。将两个管重叠形成供改性液流动的间隙，外管外部的管壁为圆柱形，对流体的影响较小，并且结构强度也更高，并且一体性更高。若采用分开的管子进行注液，在套管转动时，泥料会影响两根管子之间的连接性，导致两根管子转动非同步，造成入液通道断开。

优选的，所述外管与套管之间设有用于联结件，所述联结件呈条状，联结件沿套管或外管的轴线排列，联结件一侧与外管内壁固定，联结件另一侧与套管的外壁固定。联结件的作用在于固定外管和套管，保持间隙，同时提高两根同心管之间的结构强度。

优选的，所述外管顶部设有集液斗，集液斗下端的开口与外管一端连接，集液斗开口和入液通道连通，套管位于集液斗开口内的一端设有防止改性液流入套管内壁的封盖，封盖与套管的管壁之间密封连接。

集液斗的设置便于改性液的注入及储放，而封盖的可以避免改性液流入套管内部，防止套管和限位管之间流入其他物质而使得二者摩擦变大，影响旋转和滑动。

优选的，所述出料口位于圆柱形壳体上端的侧壁表面，搅拌叶片随驱动机构于壳体上端内部往复移动，出料口所处的高度位于搅拌叶片移动的最高处和最低处之间。

出料口所在的高度为搅拌叶片上下移动的区域，可以将改性搅拌后的泥料迅速排出，而非全部搅拌后再排出，这样做的好处之一是能够实现在线改性打印，即挤出装置一边改性同时一边讲泥料挤出用于打印，速度更为快捷，并且了避免了改性液在注入后的迅速变化时间过长而带来的功能降低的问题。如，当注入固化剂进入泥料后，若不及时将泥料排出，则随时间推移，泥料在挤出装置内固化而无法排出。

因此，出料口配合搅拌叶片实现了泥料在改性的同时及时挤出，使即时功能性的改性液可以得到及时的使用，使改性泥料可以最快的时间内排出，避免改性液变质，发挥其最大的功能。

优选的，所述驱动机构包括齿环和用于驱动齿环转动的动力输入件，齿环固定于外管外壁并与外管同步转动，齿环作为动力配合件能够为外管提供更为稳定的转动力，通过外管-套管最终带动搅拌叶片转动。

动力输入件可以采用手摇式的人力输入件，也可以是电力驱动的驱动装置，如电机、气缸等装置进行驱动，使搅拌叶片转动。

优选的，所述动力输入件为电机，挤出装置还包括用于电机与齿环同步上升或下降的升降机构，所述升降机构包括载台、导柱、托架和导槽，所述导槽位于载台上，导柱固定于壳体的顶部，导柱穿设于导槽内，托架固定于外管外壁，载台支靠于托架上表面，载台随外管上的托架于导柱上下滑动，电机固定在载台上，电机的输出端与齿环相连接。

若动力输入件为手轮等手动驱动装置，整个动力输入件可以根据手部活动进行灵活的调节，而本发明中由于动力输入件为电机，导柱和导槽用于保持载台不转动，使电机能够准确的与齿环对准，避免错位而动力无法输入。

托架用于将整个载台托起，托起的同时又不影响载台转动，可在托起的部位增设推力轴承等。

为了实现上述发明目的，本发明还采用了以下技术方案：一种陶瓷泥料的在线改性打印方法：

一种陶瓷泥料的在线改性打印方法，其特征在于：

1)排气：将陶瓷泥料装入壳体，搅拌叶片的改性管道和入液通道通入陶瓷泥料的溶剂将改性管道内气体完全排出至壳体内部，壳体收缩将泥料连同排出的气体一同从出料口排出；搅拌叶片转动并继续排气至挤出泥料不再带有气泡，此时停止出料口出料；

2)软化：搅拌叶片反复的正反转持续搅拌泥料和溶剂，使二者混合均匀，搅拌叶片以2R/S在壳体内持续正反转搅拌5分钟；

3)改性混合：向改性管道注入改性液，出料口出料将未混有改性液的泥料排出；

4)改性出料：待改性泥料排出时，搅拌叶片以1R/S在壳体内持续正反转搅拌，改性液持续注入，壳体收缩挤压泥料使泥料从出料口挤出；

5)打印：将挤出的泥料通过管道连接至打印机喷头挤出，在承载板上打印成预设的形状。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的陶瓷泥料的在线改性打印方法，具有如下有益效果：

待初步搅拌后，将出料口处的泥料改性均匀后，即可在后续的出料程序中实现改性和供料同时持续进行，改性液一边注入一边被搅拌叶片搅匀，并且将搅匀的改性完毕的泥料从出料口持续的快速的排出，避免改性泥料随时间延迟而改性功能下降。

附图说明

图1为本发明陶瓷打印机的挤出装置实施例的结构示意图；

图2为本实施例中挤出装置的结构示意图；

图3为本实施例中搅拌叶片、套管和外管的结构示意图；

图4为本实施例中搅拌叶片的结构示意图；

图5为图4中A处的局部放大图；

图6为本实施例中套管和外管的半剖结构示意图；

图7为本实施例中升降机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1至7所示的一种陶瓷打印机的挤出装置，包括用于容纳陶瓷泥料的壳体6，壳体6设有泥料挤出并向打印机喷头输送的出料口60，其特征在于：壳体6呈圆柱状，挤出装置还包括搅拌叶片1、套管21、限位管3以及用于驱动套管21转动的驱动机构，限位管3与壳体6底部固定，套管21滑动套设于限位管3外壁，套管21于限位管3上下滑动并转动，套管21外壁设有用于改性液注入并流向搅拌叶片1的入液通道；

如图2和图3所示，搅拌叶片1固定于套管21上并与套管21同步转动，搅拌叶片1相对水平面倾斜设置，搅拌叶片1设有改性管道11，改性管道11具有入口10和改性液流出出口12，搅拌叶片1包括正转时切割泥料的正转切边和反转时切割泥料的反转切边，正转切边与反转切边位于相对的搅拌叶片1边缘，出口12位于搅拌叶片1的正转切边和反转切边，入口10与入液通道连通；

如图4所示，搅拌叶片1设有多个改性管道11，改性管道11共用一个入口10，改性管道11的数量与出口12的数量相同。

正转切边与反转切边上均分布有改性管道的出口，使得搅拌叶片在正转时反转切边的出口可以出液，而反转时正转切边也可以出液，即正转或者反转都有一侧边可以用于改性液的流出，加快了改性液的流入速度，配合搅拌使得改性混合也更快。

如图5所示，出口12处的改性管道11设有出液端面，出液端面倾斜设置，同一侧正转切边或反转切边上的出液端面下端相比出液端面上端向外侧突出，出液端面设有盖合防止泥料进入出口12的端盖13，端盖13与出液端面上端所在的改性管道11翻转连接。

端盖的设置，目的之一是防止泥料通过出口进入改性通道内，当搅拌叶片转动时，叶片切割泥料，位于其一侧边的端盖是随搅拌叶片的转动受压于改性通道的出口处，使得出口紧闭泥料无法进入改性通道内；而当搅拌叶片反向转动时，端盖不在挤压泥料，失去压力后改性通道内的改性液会因为液体压力推动端盖打开，使改性液从出口处流出，并随着搅拌叶片的转动均匀的进入到泥料内部，以提高泥料的性质。

出料口60位于圆柱形壳体6上端的侧壁表面，搅拌叶片1随驱动机构于壳体6上端内部往复移动，出料口60所处的高度位于搅拌叶片1移动的最高处和最低处之间。

出料口所在的高度为搅拌叶片上下移动的区域，可以将改性搅拌后的泥料迅速排出，而非全部搅拌后再排出，这样做的好处之一是能够实现在线改性打印，即挤出装置一边改性同时一边讲泥料挤出用于打印，速度更为快捷，并且了避免了改性液在注入后的迅速变化时间过长而带来的功能降低的问题。当注入固化剂进入泥料后，若不及时将泥料排出，则随时间推移，泥料在挤出装置内固化而无法排出。

出料口配合搅拌叶片实现了泥料在改性的同时及时挤出，使即时功能性的改性液可以得到及时的使用，避免改性液变质，发挥其最大的功能。

如图6所示，套管21外壁还设有外管22，外管22套设于套管21外壁，外管22与套管21之间的间隙为入液通道，外管22与套管21之间固定并同步转动。

将两个管重叠形成供改性液流动的间隙，外管外部的管壁为圆柱形，对流体的影响较小，并且结构强度也更高，并且一体性更高。若采用分开的管子进行注液，在套管转动时，泥料会影响两根管子之间的连接性，导致两根管子转动非同步，造成入液通道断开。

如图6所示，外管22与套管21之间设有用于联结件23，联结件23呈条状，联结件23沿套管21或外管22的轴线排列，联结件23一侧与外管22内壁固定，联结件23另一侧与套管21的外壁固定。

联结件的作用在于固定外管和套管，保持间隙，同时提高两根同心管之间的结构强度。

如图6所示，外管22顶部设有集液斗26，集液斗26下端的开口与外管22一端连接，集液斗26开口和入液通道连通，套管21位于集液斗26开口内的一端设有防止改性液流入套管21内壁的封盖27，封盖27与套管21的管壁之间密封连接。

集液斗26的设置便于改性液的注入及储放，而封盖的可以避免改性液流入套管内部，防止套管和限位管之间流入改性液，影响旋转和滑动。

如图7所示，驱动机构包括齿环25和用于驱动齿环25转动的动力输入件5，齿环25固定于外管22外壁并与外管22同步转动。

齿环作为动力配合件能够为外管提供更为稳定的转动力，通过外管-套管最终带动搅拌叶片转动。

如图7所示，动力输入件5为电机，挤出装置还包括用于电机与齿环25同步上升或下降的升降机构，升降机构包括载台4、导柱40、托架24和导槽，导槽位于载台4上，导柱40固定于壳体6的顶部，导柱40穿设于导槽内，托架24固定于外管22外壁，托架24位于壳体外部，载台4支靠于托架24上表面，载台4随外管22上的托架24于导柱40上下滑动，电机固定在载台4上，电机的输出端与齿环25相连接。

导柱和导槽用于保持载台不转动，使电机能够准确的与齿环对准，避免错位而动力无法输入。

托架用于将整个载台托起，托起的同时又不影响载台转动，可在托起的部位增设推力轴承等。

本发明基于上述挤出装置在线改性打印方法：

1.入液通道和改性管道11排气：

排出改性管道11内气体：从集液斗26倒入溶剂(酒精或水，根据泥料的溶剂进行选择)，溶剂通过套管21和外管22之间的入液通道流向改性管道11的入口并进入改性管道11内，溶剂完全填充管道将管道内的气体排出，避免后续注入时带入气泡至泥料。

2.泥料排气：

电机5启动带动齿环25转动，使得外管22转动，进而通过联结件23、套管21最后带动搅拌叶片1在泥料中旋转，搅拌叶片1旋转时，改性管道11一侧紧闭另一侧则是在溶剂水压推动下自然地打开，使溶剂流出，进入泥料内，使泥料软化；此时流出的溶剂含有一定量的气泡，通过挤压壳体1使此部分带气泡的泥料挤出；在泥料挤出时避免带气泡的泥料影响外观和结构。

3.泥料软化：

待出料口60挤出的泥料不再含有气泡时，表示管道和泥料内不再含有气体，关闭出料口60，壳体不再挤压内腔，搅拌叶片1反复的正反转持续搅拌泥料和溶剂，使二者混合均匀，搅拌叶片1以2R/S在壳体6内持续正反转搅拌5分钟；快速的将泥料软化，以为后续改性液注入和搅拌做准备。

4.改性混合及出料：

将注入的溶剂换为改性液，持续注入，并且搅拌叶片1以1R/S在壳体6内持续正反转搅拌，壳体6收缩挤压泥料使泥料从出料口60挤出；此时改性混合区域内的泥料已处于软化的状体，仅需将下部向上挤出的泥料部分慢慢软化即可，无需整体软化，因此保持较低的匀速转动搅拌即可；在打印前首先要将未混有改性液的泥料排出，以保证打印泥料的质量。

5.打印：

将挤出的泥料通过管道连接至打印机喷头挤出，在承载板上打印成预设的形状。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种陶瓷打印机的挤出装置，包括用于容纳陶瓷泥料的壳体（6），壳体（6）设有泥料挤出并向打印机喷头输送的出料口（60），其特征在于：壳体（6）呈圆柱状，挤出装置还包括搅拌叶片（1）、套管（21）、限位管（3）以及用于驱动套管（21）转动的驱动机构，限位管（3）与壳体（6）底部固定，套管（21）滑动套设于限位管（3）外壁，套管（21）于限位管（3）上下滑动并转动，套管（21）外壁设有用于改性液注入并流向搅拌叶片（1）的入液通道；

所述套管（21）外壁还设有外管（22），所述外管（22）套设于套管（21）外壁，外管（22）与套管（21）之间的间隙为所述入液通道，外管（22）与套管（21）之间固定并同步转动；

搅拌叶片（1）固定于外管（22）上并与套管（21）同步转动，搅拌叶片（1）相对水平面倾斜设置，搅拌叶片（1）设有改性管道（11），改性管道（11）具有入口（10）和改性液流出的出口（12），搅拌叶片（1）包括正转时切割泥料的正转切边和反转时切割泥料的反转切边，正转切边与反转切边位于相对的搅拌叶片（1）边缘，所述出口（12）位于搅拌叶片（1）的正转切边和/或反转切边，入口（10）与入液通道连通；

出口（12）处的改性管道（11）设有出液端面，出液端面倾斜设置，同一侧正转切边或反转切边上的出液端面下端相比出液端面上端向外侧突出，出液端面设有盖合防止泥料进入出口（12）的端盖（13），所述端盖（13）与出液端面上端所在的改性管道（11）翻转连接；

所述搅拌叶片（1）设有多个改性管道（11），改性管道（11）共用一个入口（10），改性管道（11）的数量与出口（12）的数量相同，正转切边与反转切边上均分布有改性管道（11）的出口（12）。

2.根据权利要求1所述的陶瓷打印机的挤出装置，其特征在于：所述外管（22）与套管（21）之间设有联结件（23），所述联结件（23）呈条状，联结件（23）沿套管（21）或外管（22）的轴线排列，联结件（23）一侧与外管（22）内壁固定，联结件（23）另一侧与套管（21）的外壁固定。

3.根据权利要求1所述的陶瓷打印机的挤出装置，其特征在于：所述外管（22）顶部设有集液斗（26），集液斗（26）下端的开口与外管（22）一端连接，集液斗（26）开口和入液通道连通，套管（21）位于集液斗（26）开口内的一端设有防止改性液流入套管（21）内壁的封盖（27），封盖（27）与套管（21）的管壁之间密封连接。

4.根据权利要求2所述的陶瓷打印机的挤出装置，其特征在于：所述出料口（60）位于圆柱形壳体（6）上端的侧壁表面，搅拌叶片（1）随驱动机构于壳体（6）上端内部往复移动，出料口（60）所处的高度位于搅拌叶片（1）移动的最高处和最低处之间。

5.根据权利要求4所述的陶瓷打印机的挤出装置，其特征在于：所述驱动机构包括齿环（25）和用于驱动齿环（25）转动的动力输入件（5），齿环（25）固定于外管（22）外壁并与外管（22）同步转动。

6.根据权利要求5所述的陶瓷打印机的挤出装置，其特征在于：所述动力输入件（5）为电机，挤出装置还包括用于电机与齿环（25）同步上升或下降的升降机构，所述升降机构包括载台（4）、导柱（40）、托架（24）和导槽，所述导槽位于载台（4）上，导柱（40）固定于壳体（6）的顶部，导柱（40）穿设于导槽内，托架（24）固定于外管（22）外壁，托架（24）位于壳体外部，载台（4）支靠于托架（24）上表面，载台（4）随外管（22）上的托架（24）于导柱（40）上下滑动，电机固定在载台（4）上，电机的输出端与齿环（25）相连接。

7.一种基于权利要求6所述挤出装置的陶瓷泥料的在线改性打印方法，其特征在于：

1）排气：将陶瓷泥料装入壳体（6），搅拌叶片（1）的改性管道（11）和入液通道通入陶瓷泥料的溶剂将改性管道（11）内气体完全排出至壳体内部，壳体（6）收缩将泥料连同排出的气体一同从出料口（60）排出；搅拌叶片（1）转动并继续排气至挤出泥料不再带有气泡，此时停止出料口（60）出料；

2）软化：搅拌叶片（1）反复的正反转持续搅拌泥料和溶剂，使二者混合均匀，搅拌叶片（1）以2R/S在壳体（6）内持续正反转搅拌5分钟；

3）改性混合：向改性管道（11）注入改性液，出料口（60）出料将未混有改性液的泥料排出；

4）改性出料：待改性泥料排出时，搅拌叶片（1）以1R/S在壳体（6）内持续正反转搅拌，改性液持续注入，壳体（6）收缩挤压泥料使泥料从出料口（60）挤出；

5）打印：将挤出的泥料通过管道连接至打印机喷头挤出，在承载板上打印成预设的形状。

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