CN108284591B - Fdm 3d打印机专用螺纹推进式挤出机 - Google Patents

Abstract

FDM 3D打印机专用螺纹推进式挤出机及螺纹料丝,属于机械电子技术领域.包括:空心转轴电机或导料螺纹管+电机、电机轴孔或导料螺纹管的内螺旋凸起构造、轴向导向凸起构件、喉管；装配关系为:散热支撑体安装在空心转轴电机或导料螺纹管下方,喉管安装在散热支撑体的下方,喉管安装下面安装有加热铝体及喷嘴,导料螺纹管在电机的；其工作过程:料丝穿过空心转轴电机或导料螺纹管的空心轴,并与轴向导向凸起或导向滑轮接触,凸起构造或导向滑轮通过压力及摩擦来约束料丝转动,进入电机空心转轴或导料螺纹管中的丝料接触到在电机的轴孔内部或导料螺纹管加工了电机轴孔内螺旋凸起构造，形成加热铝体(12)内部的甚高压，喷速快且止料也反应迅捷。

Description

FDM 3D打印机专用螺纹推进式挤出机

[技术领域]

本发明属于机械电子技术领域；确切的讲是FDM 3D打印机的螺纹推进式挤出机及专用的螺纹构造料丝。

[背景技术]

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

FDM-3D打印机基本构造与运行原理表述为：

主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(Z轴方向)垂直方向保持静止，由Z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。往往使用1个专用喷口来铺设支撑材料(支撑材料一般是水溶性的，打印完毕后水洗除掉)；打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用Z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持Z轴方向静止，使用Z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的Z轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

其机械结构细节阐述为：

挤出机总成(也称为:送料系统)是FDM快速成型技术的核心的部件，主要包括进料机构与出料挤出机构部分,提供进料、熔料、出料等功；对于丝状材料,主要由推料齿轮、导轮、弹簧、喉管、加热铝体、加热棒、温度传感器及喷嘴等部件组成；提供进料功能以及喷头挤出融化后材料的压力，送丝过程要求稳定可靠，以保证喷头内有一定的压力并且出丝速度与喷头移动速度匹配。

过程为:供料电机驱动推料齿轮在弹簧、导轮的压迫下使得料丝向下移动,穿过散热支撑体的导引孔进入喉管将塑料丝经过喉管,再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷嘴区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。位于挤出机总成最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，以套管来延长送料距离；驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

目前FDM-3D打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。FDM-3D打印机软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。

[发明内容]

目前FDM-3D打印机挤出机及料丝的技术缺陷：

对于丝状材料,由于料丝夹在推料齿轮与导轮之间,仅有较小的接触面积,推力有限,甚至打滑或破坏丝料表面；且力点与喉管的较长的传送距离也使得丝料容易弯曲,对挤出腔压力增加有限；再有收料反映缓慢,停止积压后漏料严重；影响打印速度及双喷口下的,双挤出机共用时的成型效果更差,表现为互相混色,表面质量很差。

目前的料丝都是截面为圆形的光滑表面的丝状材料，挤出机的推料齿轮与之的接触面积小，推力有限且受阻时容易损伤料丝表面。

本发明特点：

本发明属于一种近端送料形式,构造简单、运行可靠、快速及完成传统技术所完成不了的结构细部及表面光滑度。

本发明内容:

FDM 3D打印机专用螺纹推进式挤出机,其核心构造包括:空心转轴电机或推料螺纹管+实心电机、电机轴孔或推料螺纹管的内螺旋凸起构造、料丝导套或导向滑轮、喉管、加热铝体、散热支撑体。

其装配关系为:散热支撑体安装在空心转轴电机或推料螺纹管下方,喉管安装在散热支撑体的下方,在喉管下面安装有加热铝体及喷嘴；其物料挤出过程为:料丝穿过料丝导套进入推料螺纹管,并在料丝导套的非圆导向构造或外部的导向滑轮接触而约束丝料不产生转动；当使用导向滑轮的情况下:是用一对(转轴垂直于料丝传送方向的)导向滑轮从料丝的2面夹紧料丝，通过摩擦来约束限制料丝的转动；当丝料在被料丝导套的非圆导向构造或者导向滑轮约束不转动时,再接下来,料丝被推料螺纹管内壁上加工的内螺旋凸起构造嵌入料丝(犹如板牙攻丝一样对,插入其中的光滑表面料丝起到了板牙作用),无论丝料表面是否光滑或有无螺纹，内螺旋凸起都会象板牙一样在料丝上攻出螺纹并对料丝产生推力，使其进入喉管,推力的方向与推料螺纹管的旋转方向有关，而推动料丝进退，反向转动会使得料丝退回(收料)，完成通过喉管向加热铝体的温高度区域推料，加热棒对加热铝体进行加热使得物料充分熔融,熔融后由喷嘴喷出。

上述推料螺纹管内壁上加工的螺纹是连续的或是断续分立状态,也就是说:不是所有的内柱面都布满了螺纹,只是部分区域布有螺纹,这样能够减少电机的驱动阻力。

关于内螺旋凸起构造,可以加工在独立的推料螺纹管内壁上；或者直接加工在电机的中心轴孔中。

FDM 3D打印机螺纹推进式挤出机的专用料丝的特征：

料丝是：光滑料丝或螺纹料丝。

料丝的螺纹是：加工在料丝截面最大的半径位置处的料丝表面。

料丝的截面积形状是：圆形、椭圆形、多边形。除了圆形截面以外,其它形状如椭圆形、多边形(含曲边/直边混合多边形)都具有旋转限制(导向)功能；该情况下:料丝导套的非圆导向构造构件或导向滑轮是不再需要,取而代之的是:料丝导套上的料丝导套的非圆导向构造不需要被加工,料丝导套的导孔截面形状与丝料的截面形状一样,使得丝料即能通过料丝导套上的导孔,又能被料丝导套上的导孔约束其不发生旋转.

进一步：喉管是一个中温部件,丝料在上部大部分区域内不能熔化,而半熔化的区域越短越好,这样将产生较小的粘滞阻力,喉管后半部柱面位的圆锥形状(或圆台状的锥面形状)的改造将更有利于减小阻力.

进一步：料丝导套的非圆导向构造构件,是进入料丝内部的尖锐凸起构造或是压力面接触的滑轮构造

进一步：散热支撑体的侧壁是封闭的或是加工一些开孔,用以排出料屑.

进一步：采用独立的推料螺纹管+实心电机情况下,实心电机是通过皮带或齿轮来驱动推料螺纹管的,电机转轴与推料螺纹管转轴之间或是共面平行,或是共面相交.

本发明的有益效果在于:

由于料丝螺旋压痕(4)的总长度较长，电机空心转轴(2)的旋转将同时产生推力作用，合力较大；另一方面，电机的空心轴端与喉管(11)较近，大推力下料丝不易被弯曲，这样就可以形成加热铝体(12)内部的甚高压力，使得喷嘴喷速很快；而在停止供料时也反应迅捷，止料速度快。

[附图说明]

图1、FDM 3D打印螺纹推进式挤出机剖面示意图。

图2、螺纹料丝示意图。

标号说明：

(1)料丝

(2)电机空心转轴

(3)内螺旋凸起

(4)料丝螺旋压痕

(5),(6)料丝导套的非圆导向构造

(7)料丝导套

(8)固定螺丝

(9)散热支撑体

(10)固定螺丝

(11)喉管

(12)加热铝体

(13)喷嘴

(14)挤出熔融料丝

(15)温度传感器

(16)加热棒

(17)充分熔融区

(18)半熔融区

(19)轴向压痕

(20)局部放大区域

(21)电机壳体

(22)MN抛面线

(30)螺纹料丝截面

(31)螺纹

(32)料丝最大半径处

(33)多边形截面的直边部分

[实施例证]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：

该图是FDM 3D打印机挤出机的基本构造,工作时往往装载在X-Y轴的运动构件上,作平面运动；为了清楚表达本发明原理,电机壳体(21)及定子部分被局部抛开,暴露出来电机空心转轴(2),空心转轴是电机转子的一部分,是为了通过料丝的通道；料丝(1)穿过被固定螺丝(8)固定的料丝导套(7)上的孔洞,并与料丝导套的非圆导向构造(5)接触,凸起的尖端刺入丝料一定的深度(在丝料直径的30％以内),该接触将抑制丝料的转动,其细节如MN抛面线(22)所示；接下来丝料进入电机空心转轴(2)中；又将接触到在电机的轴孔内部加工了内螺旋凸起(3),由于该凸起是螺纹状的构造,是连续的或是断续分立状态；对插入电机空心转轴(2)中的料丝而言,起到的作用就象板牙一样,对插入的料丝进行加工螺纹,内螺旋凸起(3)会嵌入丝料一定的深度；当丝料在被料丝导套的非圆导向构造(5),(6)约束不转动时,电机轴的转动将会通过螺纹对丝料产生推力,使其接下来再进入喉管(11),被送入更高的温度区域.

加热棒(16)对加热铝体(12)进行加热，使得物料充分熔融如充分熔融区(17)所示；由喷嘴(13)挤出，形成挤出熔融料丝(14)；温度传感器(15)将温度值进行取样，送往处理电路。

局部放大区域(20)进一步显示推料的细节过程，电机空心转轴(2)深入被固定螺丝(10)固定在电机壳体上的散热支撑体(9)内部(该部件不能温度过高,建立至下而上的适当的温度梯度,对该部件要进行一定程度的散热及隔热)，料丝导套的非圆导向构造(5),(6)的切削导向作用已经使得料丝产生轴向压痕(19)，同时使得料丝保持不转动；内螺旋凸起(3)嵌入料丝螺旋压痕(4)，该压痕是通过电机转子的转动，犹如板牙在料丝表面形成的；进入喉管(11)(喉管是一个中温部件,丝料在上部大部分区域内不能熔化,而半熔化的区域越短越好,这样将产生较小的粘滞阻力,喉管后半部柱面位的圆锥形状的改造将更有利于减小阻力)的料丝先进入温度较低的半熔融区(18)，再深入后温度逐渐上升直至完全融化。

由于料丝螺旋压痕(4)的总长度较长，电机空心转轴(2)的旋转将同时产生推力作用，合力较大；另一方面，电机的空心轴端与喉管(11)较近，大推力下料丝不易被弯曲，这样就可以形成加热铝体(12)内部的甚高压力，使得喷嘴喷速很快；而在停止供料时也反应迅捷，止料速度快。

如图2所示：

螺纹料丝截面(30)可以是圆的、椭圆、多边形等,；本图表达的是直边/曲边混合的多边形,该截面:包括2段多边形截面的直边部分(33)及2段半圆的料丝最大半径处(32),共4段组成与图1中的料丝导套上的孔洞配合，限制约束料丝的转动；螺纹(31)加工在截面料丝最大半径处(32)的凸出部分,与图1中内螺旋凸起配合。

Claims (2)

1.FDM 3D打印机专用螺纹推进式挤出机,其特征在于：所述挤出机具有空心转轴电机、电机轴孔带有内螺旋凸起构造、料丝导套、喉管、加热铝体、散热支撑体，其装配关系为：散热支撑体安装在空心转轴电机下方，喉管安装在散热支撑体的下方，在喉管下面安装有加热铝体及喷嘴，其工作过程为料丝穿过空心转轴电机的空心轴，并与料丝导套的非圆导向构造接触，所述的非圆导向构造为：料丝导套内壁具有凸起的尖端，该尖端刺入料丝一定的深度，抑制料丝的转动；随后进入电机空心转轴的料丝接触到电机轴孔内部，内螺旋凸起构造嵌入料丝，推料丝入喉管，而推动料丝进退，完成通过喉管向加热铝体的高温度区域推料，加热棒对加热铝体进行加热使得物料充分熔融，熔融后由喷嘴喷出，且该内螺旋凸起构造是连续的或是断续分离状态。

2.根据权利要求1所述的FDM 3D打印机专用螺纹推进式挤出机，其特征在于：所述散热支撑体的侧壁是封闭的或是加工一些开孔。