CN107672157A - 一种侧边喂料3d打印装备及其打印成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，该装备由侧边喂料装置、打印平台、固定支撑板和3D打印机架组成；所述侧边喂料装置固定在固定支撑板上，打印平台固定在3D打印机机架的横梁上，3D打印机架包括步进电机和沿X、Y、Z轴运动的导轨，打印平台可沿导轨运动，打印平台与固定支撑板活动连接，侧边喂料装置包括双螺杆挤出装置，本发明解决了现有技术中单喷头喂料3D打印装备只能用同一种物料打印坯体和支撑，坯体烧结后支撑材料和坯体容易固结在一块的技术问题，双螺杆侧边喂料实现一边输送主料，一边输送支撑物料，实现对复杂结构异形件的打印，提高物料混合的均匀性，提高了成型坯体精度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法。
技术背景
目前，三维打印技术已有多种成型工艺，3D打印技术目前己成为全球最关注的新兴技术之一。这种新型的生产方式与其他数字化生产模式一起将推动第三次工业革命的实现。制约3D打印技术迅速发展的其中一大瓶颈是打印材料，特别是金属打印材料。研发和生产性能更好和通用性更强的金属材料是提升3D打印技术的关键。在高性能金属构件直接采用3D打印技术制造方面，需要粒径细、粒径均匀、高球形度、低氧含量的各类金属粉末，并且其成型质量要求要高，表面精细，而现有技术中金属粉末没有完全被包裹，混合不均匀，对打印的成型坯体进行冲击位移、抗拉强度、硬度、延伸率物理机械性能较低。
中国专利201610655450.3公开了一种一种双喷嘴3D打印机打印头装置，包括：喷嘴组件(1)和喷嘴组件(20)，其中，喷嘴组件(1)插入到散热器(2)中，通过机米螺丝锁固；快接头(9)通过旋接或者胶粘的方式装配到散热器(2)上；喷嘴组件(20)插入到散热器(19)中，通过机米螺丝锁固；快接头(10)通过旋接或者胶粘的方式装配到散热器(19)上；散热器(2)通过螺丝与散热器联板(6)装配到一起；散热器(19)通过螺丝与散热器联板(17)装配到一起。能有效地消除模型被涂污、出现错层、模型脱落等打印品质下降甚至打印失败的情况。201310719206.5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。但由于拉丝机挤出的线料韧性低，打印过程易拉断，由于芯片作用只能特定料，打印过程中易缠绕。201520753192.3公开了一种具有组合式螺杆的熔融堆积3D打印机，包括基座、升降机构、打印平台和挤出机构，所述打印平台安装于基座上，所述挤出机构通过升降机构安装于打印平台上方，所述挤出机构包括机筒、组合式挤出螺杆和主料斗，所述主料斗安装于机筒的上端，所述组合式挤出螺杆包括挤出螺杆主体、挤出螺杆头和挤出止逆环，所述挤出螺杆头、挤出止逆环和挤出螺杆主体均安装于机筒，且所述挤出螺杆头、挤出止逆环和挤出螺杆主体于机筒的挤出腔自下而上分布；所述挤出螺杆头的上端穿过挤出止逆环与挤出螺杆主体的下端连接，所述挤出螺杆主体的上端连接有挤出电机；本发明拆装及维修非常方便，且制造成本低。但该组合式螺杆的熔融堆积3D打印机与现有技术中的单喷头喂料3D打印装备一样，只能用同一种物料打印坯体和支撑，对坯体烧结后支撑材料和坯体容易固结在一块，且打印后的坯体表面较粗糙。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，以使上述问题得到改善。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案实现：
所述侧边喂料3D打印装备由侧边喂料装置、打印平台、固定支撑板和3D打印机架组成；
所述侧边喂料装置固定在固定支撑板上，打印平台固定在3D打印机架Ⅲ的横梁上，打印平台与固定支撑板活动连接；
所述侧边喂料装置右半部分的连接关系为：步进电机Ⅰ与减速器a连接，锁紧牙套锁紧减速器a，减速器a通过联轴器与齿轮箱连接，齿轮箱与双螺杆外部机筒Ⅰ右端连接；侧边喂料装置通过固定支架固定在固定支撑板上，固定支撑板通过固定角件支撑在3D打印机架上，3D打印机架包括步进电机Ⅱ和沿X、Y、Z轴运动的导轨；打印平台可沿导轨运动，打印平台包括打印平台支撑板；
所述双螺杆外部机筒Ⅰ设有加热圈a，双螺杆外部机筒Ⅰ左端通过法兰盘转接口与单螺杆外部机筒Ⅱ的固定行腔垂直相连，加热棒插入到固定行腔内部；所述侧边喂料装置的左半部分与去掉侧边喂料的右半部分的剩余结构对称，电机锁紧套锁紧减速器a，电机与减速器b连接，单螺杆外部机筒Ⅱ设有加热圈b，单螺杆外部机筒Ⅱ下部设有保压行腔，单螺杆外部机筒Ⅱ出料口端部设有打印机头，打印机头上设有气阀顶针。
所述侧边喂料装置左右对称的单个部分的加热圈a为一个，加热圈b为三个。
所述双螺杆为异向转动。
所述侧边喂料装置由电机带动减速器a通过联轴器带动双螺杆转动，再由锥齿轮啮合使双螺杆异向转动，通过法兰盘转接口由单螺杆螺旋输送转动，在压力和温度下通过保压腔流道，把物料输送到喷嘴处。该装置实现该装置左边喷嘴输送支撑料，右边带有双螺杆的喷嘴打印主料，实现对复杂结构异形件的打印，双螺杆侧边喂料提高物料混合的均匀性，对提高成型坯体精度起到关键作用。
本侧边喂料3D打印装备打印成型方法工艺如下：
1.将金属粉末与高分子材料进行共混造粒，在150℃-180℃左右将金属粉末与高分子材料(PLA、PP、POM、SA、EVA、SA)在双螺杆混合共热由电机通过联轴器带动双螺杆混合物料，使物料先混合均匀；双螺杆转速为10r/min-40r/min，对于打印带有支撑的像不锈钢，陶瓷，铜浆料坯体成型后，脱脂烧结后支撑容易去除，提高精度，组合式单喷头烧结后容易固结成一块，容易破坏本体；
2.然后再通过单螺杆挤出通过喷嘴挤出，转速在5r/min-25r/min,平台温度35℃-45℃，聚合物熔融温度为155℃-185℃，左边喷嘴输送支撑料，右边带有双螺杆的喷嘴打印主料；
3.利用优化后的脱脂-烧结工艺可获得具有高精度和高表面光洁度的金属制品，脱脂温度为100℃-500℃，烧结温度800℃-1380℃。
4.当打印加支撑材料的坯体，待坯体成型后可以方便把可溶性支撑材料拆掉，得到不锈钢成型制品。
本侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法比使用单喷头且用同一种物料打印坯体和支撑要好，克服了对坯体烧结后支撑材料和坯体固结在一块，侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法待烧结后很容易把支撑去掉且不粘连在坯体上；提高了打印的精度，突破单一材料的限制，可以混合多种复合材料的打印，使得打印成本降低。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1.本发明通过上述装置，解决了现有技术中单喷头喂料3D打印装备只能用同一种物料打印坯体和支撑，坯体烧结后支撑材料和坯体容易固结在一块的技术问题；
2.该装置左边喷嘴输送支撑料，右边带有双螺杆的喷嘴打印主料，实现对复杂结构异形件的打印，双螺杆侧边喂料提高物料混合的均匀性，对提高成型坯体精度起到关键作用；
3.该装置当打印加支撑材料的坯体，待坯体成型后可以方便把可溶性支撑材料拆掉，比使用单喷头且用同一种物料打印坯体和支撑要好，对坯体烧结后支撑材料和坯体固结在一块的问题得以克服，侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法待烧结后很容易把支撑去掉且不粘连在坯体上。提高了打印的精度，突破单一材料的限制，可以混合多种复合材料的打印，使得打印成本降低；
4.侧边喂料3D打印装备所打印的坯体与组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体的各项物理机械性能随着不锈钢含量的增加都有所提高。
5.本发明也可以打印像陶瓷、TPU、铜浆料等颗粒状之类的多种复合材料，突破了原有打印机只能打印线材的限制，大大扩大了3D打印所需材料的范围；
6.当一个喷嘴工作时，另外一个喷嘴的气阀顶针可以阻止物料的流出，解决了打印过程中物料的自流，提高了打印精度，同时节省了材料；
7.本发明可以打印悬空的坯体，底层用成本低的可溶性支撑，本体用主料打印，降低了成本，克服了单喷嘴只能从底层一层一层的堆积打印；
8.保压型腔流道采用‘U’型流道，起到缓冲机筒压力以及供料压力稳定，使得物料均匀输送，不容易堵料；
9.采用双螺杆侧边喂料挤出，其中使用异向双螺杆混合挤出方式使得物料在混合输送时具有足够的输送压力，解决供料不足的现象，并且复合材料混合更加均匀，提高了打印精度，解决了传统打印机精度低的问题；并且使用单个双螺杆侧边喂料，另一部分不使用双螺杆侧边喂料，降低了加工成本，并且不使用双螺杆侧边喂料部分打印支撑，打印的支撑和本体精度不一，支撑更易剥离和识别；
10.单喷头打印在打印胚体后会有支撑难以去除的问题：力度不够时，支撑难以去除；而用力过大，会把模型破坏掉。本发明采用双喷头打印方式，可以使用两种特性不同材料进行打印，支撑可采用水溶性等材料，容易去除，有效的解决了坯体成型后难以去支撑的问题。
11.克服了现有技术中拉丝机挤出的线料韧性低，打印过程易拉断，一般的线料打印机由于芯片作用只能特定料，打印过程中易缠绕的问题。
附图说明
图1为该侧边喂料3D打印装备粉体喂料3D打印三维装备结构俯视图；
图2为该侧边喂料装置结构俯视图；
图3为该装备下部结构图；
图4为该装备双螺杆挤出部分外观结构图；
图5为该侧边喂料3D打印装备粉体喂料3D打印装备工艺流程图；；
图6为金属粉末与粘结剂混合扫描电镜图；
(a)组合式单螺杆喂料单喷头挤出金属粉末与粘结剂混合
(b)侧边喂料3D打印装备金属粉末与粘结剂混合；
图7为打印坯体图；
(a)组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体(b)侧边喂料3D打印装备打印坯体；
图8为组合式单螺杆喂料单喷头和侧边喂料3D打印装备条件下不同不锈钢份含量下烧结后试样的物理机械性能图；
其中，附图标记对应的零部件名称如下：
Ⅰ-侧边喂料装置，Ⅱ-打印平台，Ⅲ-3D打印机架，IV-固定支撑板，1-电机，2-进料筒，3-电机锁紧套，4-减速器b，5-单螺杆，6-锁紧牙套，7-传感器接口，8-加热棒，9-固定行腔，10-加热圈a，11-固定支架，12-双螺杆，13-齿轮箱，14-联轴器，15-锁紧牙套，16-减速器a，17-步进电机Ⅰ，18-机筒Ⅰ，19-加热圈b，20-机筒Ⅱ，21-保压行腔，22-打印机头，23-气阀顶针，24-固定角件，25-导轨，26-打印平台支撑板，27-步进电机Ⅱ。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，所述侧边喂料3D打印装备由侧边喂料装置Ⅰ、打印平台Ⅱ、固定支撑板IV和3D打印机架Ⅲ组成；
所述侧边喂料装置Ⅰ固定在固定支撑板IV上，打印平台Ⅱ固定在3D打印机架Ⅲ的横梁上，打印平台Ⅱ与固定支撑板IV活动连接；
所述侧边喂料装置Ⅰ右半部分的连接关系为：步进电机Ⅰ17与减速器a 16连接，锁紧牙套15锁紧减速器a 16，减速器a 16通过联轴器14与齿轮箱13连接，齿轮箱13与双螺杆12外部机筒Ⅰ18右端连接；侧边喂料装置Ⅰ通过固定支架11固定在固定支撑板IV上，固定支撑板IV通过固定角件24支撑在3D打印机架Ⅲ上，3D打印机架Ⅲ包括步进电机Ⅱ27和沿X、Y、Z轴运动的导轨25；打印平台Ⅱ可沿导轨25运动，打印平台Ⅱ包括打印平台支撑板26；
所述双螺杆12外部机筒设有加热圈a 10，双螺杆12外部机筒左端通过法兰盘转接口与单螺杆5外部机筒Ⅱ的固定行腔9垂直相连，加热棒8插入到固定行腔9内部；所述侧边喂料装置Ⅰ的左半部分与去掉侧边喂料的右半部分的剩余结构对称，电机锁紧套3锁紧减速器b 4，电机1与减速器b 4连接，单螺杆5外部机筒Ⅱ20设有加热圈b 19，单螺杆5外部机筒Ⅱ下部设有保压行腔21，单螺杆5外部机筒Ⅱ出料口端部设有打印机头22，打印机头22上设有气阀顶针23。
所述侧边喂料装置左右对称的单个部分的加热圈a 10为一个，加热圈b 19为三个。
所述双螺杆12为异向转动。
如图5所示，本侧边喂料3D打印装备打印成型方法工艺流程如下：
1.将金属粉末与高分子材料进行共混造粒，通过自主研发的侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，实现均匀可控的熔体输送，在低温下通过逐层堆积，实现对异形件坯体的功能化打印；首先将物料加进物料筒，在150℃-180℃左右将金属粉末与高分子材料(PLA、PP、POM、SA、EVA、SA)在双螺杆混合共热，由电机通过联轴器带动双螺杆混合物料，目的是使物料先混合均匀；双螺杆转速为10r/min-40r/min；
2.然后再通过单螺杆挤出通过喷嘴挤出，转速在5r/min-25r/min,平台温度35℃-45℃，聚合物熔融温度为155℃-185℃，左边喷嘴输送支撑料，右边带有双螺杆的喷嘴打印主料；
3.再利用优化后的脱脂-烧结工艺可获得具有高精度和高表面光洁度的金属制品，脱脂温度为100℃-500℃，烧结温度800℃-1380℃。
4.当打印加支撑材料的坯体，待坯体成型后可以方便把可溶性支撑材料拆掉，得到把不锈钢成型制品。
从图6(a)中可知单喷头打印机金属粉末没有完全被包裹，混合不均匀，影响制品的成型精度，从图6(b)中可以看出粘结剂均匀的包裹着金属粉末，金属粉末颗粒与颗粒之间相互接触情况下，粘结剂成分填充满金属粉末颗粒与金属粉末颗粒的间隙，表明粘结剂和金属粉末混合效果最佳，制品的成型精度高。
在同样的喂料温度175℃下，挤出速度为6r·min-1，工作平台温度为45℃时，坯体成型精度如图7，混合挤出连续式双螺杆喂料精度比单螺杆喂料成型精度要高，验证了物料分散的均匀性。
从图8烧结后试样的物理机械性能对比图可以看出，侧边喂料3D打印装备所打印的坯体与组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体的各项物理机械性能随着不锈钢含量的增加都有所提高；
(1)由图8(a)可知，随着不锈钢粉含量的增加，成型坯体的冲击位移缓慢下降，但是侧边喂料3D打印装备所打印坯体冲击位移比组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体要小，当不锈钢粉的含量达到97.5％时，两种成型坯体的冲击位移相差不大。
(2)由图8(b)可知，随着不锈钢粉含量的增加，成型坯体的抗拉强度缓慢增加，侧边喂料3D打印装备所打印坯体抗拉强度比组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体要大，说明前者坯体的机械性能比后者成型坯体好一些，当不锈钢粉含量达到97.5％时，两种成型坯体的抗拉强度相差不大，性能差不多。
(3)由图8(c)可知，随着不锈钢粉含量的增加，成型坯体的硬度缓慢增加，侧边喂料3D打印装备所打印坯体硬度比组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体要大，物理机械性能较好，当不锈钢粉的含量达到97.5％时，两种成型坯体的硬度相差不大。
(4)由图8(d)可知，随着不锈钢粉含量的增加，成型坯体的延伸率缓慢下降，但是侧边喂料3D打印装备所打印坯体延伸率比组合式单螺杆喂料单喷头成型坯体要小，说明前者的物理机械性能好一些，当不锈钢粉的含量达到97.5％时，两种成型坯体的延伸率相差不大，机械性能相差不大。
以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种双侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，其特征在于：其打印成型方法步骤为：
(1)将金属粉末与高分子材料进行共混造粒，在150℃-180℃左右将金属粉末与高分子材料(PLA、PP、POM、SA、EVA、SA)在双螺杆混合共热由电机通过联轴器带动双螺杆混合物料，使物料先混合均匀，双螺杆转速为10r/min-40r/min；
(2)然后再通过单螺杆挤出通过喷嘴挤出，转速在5r/min-25r/min,平台温度35℃-45℃，聚合物熔融温度为155℃-185℃，左边喷嘴输送支撑料，右边带有双螺杆的喷嘴打印主料；
(3)利用优化后的脱脂-烧结工艺可获得具有高精度和高表面光洁度的金属制品，脱脂温度为100℃-500℃，烧结温度800℃-1380℃；
(4)当打印加支撑材料的坯体，待坯体成型后可以方便把可溶性支撑材料拆掉，得到不锈钢成型制品。
2.根据权利要求1所述的一种双侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，其打印成型方法在双侧边喂料3D打印装备中实现，其特征在于：
所述侧边喂料3D打印装备由侧边喂料装置、打印平台、固定支撑板和3D打印机架组成；
所述侧边喂料装置固定在固定支撑板上，打印平台固定在3D打印机架Ⅲ的横梁上，打印平台与固定支撑板活动连接；
所述侧边喂料装置右半部分的连接关系为：步进电机Ⅰ与减速器a连接，锁紧牙套锁紧减速器a，减速器a通过联轴器与齿轮箱连接，齿轮箱与双螺杆外部机筒Ⅰ右端连接；侧边喂料装置通过固定支架固定在固定支撑板上，固定支撑板通过固定角件支撑在3D打印机架上，3D打印机架包括步进电机Ⅱ和沿X、Y、Z轴运动的导轨；打印平台可沿导轨运动，打印平台包括打印平台支撑板；
所述双螺杆外部机筒Ⅰ设有加热圈a，双螺杆外部机筒Ⅰ左端通过法兰盘转接口与单螺杆外部机筒Ⅱ的固定行腔垂直相连，加热棒插入到固定行腔内部；所述侧边喂料装置的左半部分与去掉侧边喂料的右半部分的剩余结构对称，电机锁紧套锁紧减速器a，电机与减速器b连接，单螺杆外部机筒Ⅱ设有加热圈b，单螺杆外部机筒Ⅱ下部设有保压行腔，单螺杆外部机筒Ⅱ出料口端部设有打印机头，打印机头上设有气阀顶针。
3.根据权利要求2所述的一种双侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，其特征在于：所述侧边喂料装置左右对称的单个部分的加热圈a为一个，加热圈b为三个。
4.根据权利要求3所述的一种双侧边喂料3D打印装备及其打印成型方法，其特征在于：所述双螺杆为异向转动。
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