CN108394092B - 一种高温熔融挤出3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温熔融挤出3D打印系统，包括外部箱体、高温成型室、打印喷头组件以及打印平台组件，所述高温成型室的高温保温箱体上部设有送料孔、左右侧面下部设有开放窗口，所述开放窗口带有移动密封的隔热护板；所述打印喷头组件包括：打印头喷嘴单元；送料单元，包括一端通过送料孔伸入所述高温保温箱体内与所述打印喷嘴组件连接的送料管以及送料机构；Z方向的移动机构，布置在所述高温保温箱体外，带动送料机构和打印喷嘴沿Z方向运动；所述打印平台组件包括：对称的放置在保温箱左右两侧的两套X‑Y二维平移动机构；高温打印平台；两端分别连接两套X‑Y二维平移机构并支撑打印平台的耐高温横梁。

Description

一种高温熔融挤出3D打印系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种高温熔融挤出3D打印系统。

背景技术

3D打印技术，也称为增材制造技术，是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维复杂结构零件的制造方法。由于其独特工艺特性几乎适用于任何类型材料的制造，常用的3D打印材料有尼龙、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、橡胶等材料。针对不同形态材料也有多种3D打印技术，其中熔融沉积技术(FDM)是目前3D打印主流技术之一，它利用热塑性材料的热熔性，将塑料在打印喷头内加热熔融，在电脑的控制下，按照模型轮廓在X-Y运动，同时在Z方向上运动，材料被挤出后，与周围材料粘结固化，层层堆积，形成3维模型。

3D打印机一般都具有复杂的传动可控制系统，传动系统各部件的润滑和光洁对打印精确影响非常之大。现有的FDM打印机一般用于ABS或PLA等低熔点丝状材料的打印，由于材料熔融温度低(<250℃)所以常规的设备大部分没有任何保温结构或只对熔融加热部件采取简单的保温措施。因此，现有的打印机无法满足高温打印的要求。

对于高熔点材料的成型方法也有很多，如传统的模具成型，机械加工等，但是都适合简单的几何结构，而以粉体为原料，采用激光烧结的方式实现3D打印技术对于粉体要求较高，如粉体流动性、粒度、粒度分布，需要特定的粉体制备设备，而且利用率很低。如果采用块体或丝材作为打印原料则可大大扩大打印原料的选择范围，增加实用性。

另外为实现三维空间的打印需求，3D打印机都具有X,Y,Z三个方向上的移动部件如滑块、直线导轨等，为保证打印精度以及使用寿命，必须保证其滑动部件的润滑效果以及控制适宜的使用的环境温度。对于高温材料的打印，其熔融温度高达千度以上，此外，为了消除打印件的内应力，一般都需要几百度甚至上千度的环境温度进行退火处理以免发生裂纹、开裂等缺陷。而对于打印机所需的滑动部件以及传动部件、电子控制系统等都无法在如此高温环境中使用。常规的3D打印机结构设计一般为打印头在X，Y平面内移动，而打印平台在Z轴方向升降，这样的结构设计的保温腔体的上盖都会随打印头在X，Y平面移动，由于上盖和周边保温墙体具有一定的间隙，所以很难满足高温保温的要求。因此现有的运动结构也不太适合设计高温保温的腔体，无法满足高温打印要求。

发明内容

本发明提供了一种高温熔融挤出3D打印系统，实现高温塑料、玻璃、金属、陶瓷等高熔点材料的熔融打印需求。

一种高温熔融挤出3D打印系统，包括外部箱体、高温成型室、打印喷头组件以及打印平台组件，所述高温成型室包括带有炉门的高温保温箱体，高温发热体及温控单元，所述高温保温箱体在顶部设有送料孔、在左右侧面下部设有对称的开放窗口，所述开放窗口带有可移动密封的隔热护板，所述隔热护板的移动方向为Y方向；

所述打印喷头组件包括：

送料单元，包括布置在所述高温保温箱体外的送料机构以及固定在送料机构出料口的送料管，送料管通过所述送料孔伸入高温保温箱体内；

打印头喷嘴单元，布置在所述高温保温箱体内，固定在所述送料管末端，并带有可控温加热组件和冷却组件；

Z方向的移动机构，布置在所述高温保温箱体外，所述送料单元固定在Z轴移动输出端上使其能够沿Z方向上下运动；

所述打印平台组件包括：

两套X-Y二维平移动机构，对称的放置在高温保温箱体左右两侧；

耐高温横梁，穿过一侧的隔热护板通过高温保温箱体内部再穿过另一侧的隔热护板，两端位于箱体外部，分别固定在两套X-Y移动机构上并在X-Y平面内运动，所述隔热护板随横梁在Y方向上运动；

高温打印平台，布置在所述高温保温箱体内，安装在所述耐高温横梁上。

两套X-Y方向的移动机构，协同运动带动高温打印平台在X-Y平面运动，结合Z方向的移动机构控制的打印头单元在Z方向的移动实现三维打印。

本发明通过对移动部件(Z方向的移动机构和X-Y方向的移动机构)的合理布局，把所有移动部件设置在所述高温保温箱体外，实现了高、低温区严格隔离，使电子器件、控制模块、滑动模块等高温易损部件处于低温区，保证了打印精度和使用寿命，并且本申请中的高温保温箱体在顶部送料口设置了保温隔热护套，两侧开放场口设有保温隔热护板有效防止热量损失，保温效果良好，能够提供稳定的高温环境。保温箱依据不同的温度要求采用不同的发热体加热。

所述隔热护板设置足够长，在Y轴有效行程内都可以密封所述的开放窗口。

X-Y方向的移动机构实现X-Y方向的平移，置于高温保温箱体侧面，穿过所述开放窗口伸入高温保温箱体，上述隔热护板只在Y方向跟随X-Y方向的移动机构移动，达到密封开放窗口的目的，实现了冷热温区隔离。

X-Y方向的移动机构的所有移动部件，相对位置低于开放窗口，确保滑动部件处于常温区，实现精准控制并能保证使用寿命。

高温打印平台置于高温打印室内，承载打印模型。高温打印平台具有调平机构，可对平台进行调平，高度调整等调节功能。高温打印平台可加选高温热床模块满足加热需求。

采用对称设计方式，两套相同结构的X-Y二维平移装置分布在保温箱体两侧，作为一种变体，对于较小型的设计也可使用一套平移装置，采用单悬臂横梁结构。

本发明还提供了一种高温熔融挤出3D打印系统，包括外部箱体、高温成型室、打印喷头组件以及打印平台组件，所述高温成型室包括带有炉门的高温保温箱体，高温发热体及温控单元，所述高温保温箱体在顶部设有送料孔、一侧面下部设有对称的开放窗口，所述开放窗口带有可移动密封的隔热护板，所述隔热护板的移动方向为Y方向；

所述打印喷头组件包括：

送料单元，包括布置在所述高温保温箱体外的送料机构以及固定在送料机构出料口的送料管，送料管通过所述送料孔伸入高温保温箱体内；

打印头喷嘴单元，布置在所述高温保温箱体内，固定在所述送料管末端，并带有可控温加热组件和冷却组件；

Z方向的移动机构，布置在所述高温保温箱体外，所述送料单元固定在Z轴移动输出端上使其能够沿Z方向上下运动；

所述打印平台组件包括：

X-Y二维平移动机构，放置在高温保温箱体的外侧；

耐高温横梁，一端穿过所述隔热护板通过高温保温箱体内部，另一端固定在X-Y移动机构上并在X-Y平面内运动，所述隔热护板随横梁在Y方向上运动；

高温打印平台，布置在所述高温保温箱体内，安装在所述耐高温横梁上。

所述高温保温箱体左右两侧或仅一侧设有开放窗口，对称设计可提高稳定性，尤其是对于高密度材料或者大型打印工件，对称支撑可提高稳定性确保打印精度。单侧开窗可以提高保温箱体的保温特性，减小设备的的体积，适合于小型设备。

为了方便制造和安装，优选的，所述X-Y二维平移动机构包括X轴定位及运动机构和Y轴定位及运动机构，所述X轴定位及运动机构固定在Y轴定位及运动机构上，所述耐高温横梁固定在X方向运动机构上。

为提高隔热效果，优选的，所述隔热护板分为三层，靠近高温保温箱体的一侧为耐火隔热材料，中间采用柔性隔热材料，外侧冷端采用刚性支撑骨架，支撑隔热板沿高温保温箱体的侧壁自由移动。

优选的，所述送料孔处装有保温隔热护套。作为选项还可加装冷却系统，其中隔热护套上诉隔热护板功能相同，起到密封保温功能，防止高温箱体内热量散失，选件冷却系统主要是针对特高温保温要求，防止输料导管导热而导致外部器件热损坏。

所述高温保温箱体的发热体根据不同的环境温度要求选取，低于1000℃，优选采用电阻丝发热体，更高环境温度采用硅碳棒(<1300℃)或硅钼棒(<1600℃)。优选的，所述高温保温箱体的加热方式可采用电阻丝加热，硅碳棒或硅钼棒等加热方式。所述高温保温箱体的隔热密封设计使得成型室温度至少可升至1200℃。

喂料机构可根据不同打印材料选取不同喂料方式，例如粉体、颗粒可采用螺杆式送料机构，丝材可采用挤压式送丝机构；优选的，所述送料机构采用螺杆式送粉机构、气流送粉机构或挤压式送丝机构。

为了提高打印效果，优选的，所述打印头喷嘴单元包括：打印喷嘴、打印头加热装置以及送料管冷却装置。

打印喷嘴固定于送料管下端，穿过高温保温箱体的送料孔伸入成型室，沿Z方向做升降运动。

打印喷嘴内置引导管，导管材质可选包括但不限于不锈钢、钨钢、高温合金、或陶瓷。打印喷嘴根据打印材料的不同，可选的材料均包括但不限于不锈钢、钨钢、高温合金、氮化硅、氧化锆以及氧化硅陶瓷。

打印喷嘴外侧具有保温结构，用以隔绝环境温度以及打印喷头组件，或是隔离打印喷嘴内部各器件防止热传导引以不良后果。

打印头加热器置于打印喷嘴靠近出口的位置，加热打印材料使其熔融，加热方式可以采用电阻丝加热或感应加热等加热方式。

Z方向的移动机构包含安装平台和运动及限位部件，安装平台用于安装打印头等组件和送料单元。运动及限位部件带动打印喷嘴升降控制打印高度。

冷却方式可采用风冷或水冷，优选的，所述送料管冷却装置采用风冷方式。

优选的，所述送料孔设有围绕所述送料管安装的隔热及冷却组件，所述冷却组件采用水冷。其中隔热护套功能与上诉隔热护板功能相同，起到密封保温腔体防止热量散失，冷却组件主要是给打印喷嘴降温或防止送料管导热导致外部器件损坏，

冷却方式可采用风冷或水冷，优选的，所述送料孔处冷却组件采用水冷。

可根据不同打印材料选取不同喂料方式，针对粉体、颗粒的打印材料，优选的，所述喂料机构为螺杆式送粉机构。

针对丝材，优选的，所述喂料机构为挤压式送丝机构。

本发明有益效果：

本发明的高温熔融挤出3D打印系统具有了独立的高温保温箱体，所述高温保温箱体具有严密的结构，保温效果优越，能够提供稳定的高温打印环境，满足高温材料的打印要求；实现了高低温严格分区，保证电子元件以及移动部件处于低温区域，使其在最适宜的环境下工作，能够精准控制和流畅运动，并避免因高温导致的失效或寿命减短。

附图说明

图1是实施例1的高温熔融挤出3D打印系统的结构示意图。

图2是实施例1的保温箱体的结构示意图。

图3为实施例1的打印平台组件的结构示意图。

图4为实施例1的打印喷头组件的结构示意图。

图5为实施例1的送料机构的结构示意图。

图中：101为高温保温箱体，102为隔热护板，103为开放窗口，104为炉门，105，送料孔，201为Z轴运动及定位机构，202为送料机构，203为送料管，204为打印头加热装置，205为打印头冷却装置，206为送料机构安装平台，207为隔热及冷却组件，208打印喷嘴，209主动驱动送料轮，210从动压紧轮，301为耐高温横梁，302为X轴运动及定位机构，303为Y轴定位及运动机构，304为高温打印平台，305为打印平台调节组件。

具体实施方式

实施例1

如图1～5所示，本实施例的新型高温3D打印装置包括：独立的对称结构的高温保温箱体101、采用挤压式的送料机构201的打印喷头组件以及对称结构的打印平台组件。

本实施例中，采用的独立的高温保温箱体101是两侧具有对称的开放窗口103，两套X轴定位及运动机构302和Y轴定位及运动机构303，对称分布在高温保温箱体101两侧，共同支撑耐高温横梁301，带动高温打印平台304在X-Y平面做二维运行。

本实施例中，打印喷头组件包括Z轴定位及运动机构201，送料机构202，送料管203，打印头加热装置204，打印头冷却装置205，送料机构安装平台206，隔热及冷却组件207以及打印喷嘴208。

本实施例中打印材质选取玻璃棒，送料方式采用挤压式的送料机构，如图4所示采用直列双轮挤压，采用气压式压紧，为增加驱动力，所用步进电机电机采用涡轮减速机构减速。打印时，玻璃棒由左侧两组主动轮209和右侧两组从动轮210，采用气压加压夹紧。在主动轮209的旋转带动下，通过导管203把棒材送至打印喷嘴208处。在打印喷嘴208处，打印头加热装置204加热升温至玻璃熔融温度以上后挤出。本实施例的打印头加热装置204采用电感加热方式加热。为使打印流畅，本实施例中在打印头加热装置204上方增加了打印头冷却装置205，以防由于导管温度过高导致棒体软化弯曲而增加送棒阻力甚至发生堵头。在送料孔105处增加冷却组件，实现高低温区严格隔离。

为保证打印流畅以及层间粘结力，打印温度高于玻璃软化点300℃以上为消除打印工件内应力避免打印件产生裂纹等缺陷，高温保温箱体101温度保持在玻璃软化点附件，打印完毕，采用1～3℃/min速度降温退火。

高温打印平台304上通过调节四个边角螺钉可快速更换打印底板，底板包括但不限于石英玻璃，陶瓷板，与打印材质相同的玻璃板，云母片，不锈钢等耐高温材料，其选取原则是与所打印材质在高温下易粘附，随温度降低二者粘附力降低，既可以保证顺畅打印又可以保证降温时不产生缺陷。

以上所述，仅为本发明具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

实施例2

本实施例中，除了开放窗口103数量、打印平台组件以及打印的材质不同以外，其余结构与实施例1相同。

本实施例中，高温保温箱体101单侧开设开放窗口103，X轴运动及定位机构302和Y轴定位及运动机构303置于高温保温箱体101的一侧，通过开放窗口103深入高温成型室支撑高温打印平台304。

本实施例中，选铜丝为打印材质，送料方式采用挤压式送料机构，采用直列双轮挤压，步进电机电机为减速步进电机，减速比1:10。打印时，在主动轮209的旋转带动下，通过送料管203把丝材送至打印喷嘴208处。

打印喷嘴208包括但不限于不锈钢、陶瓷灯耐高温材质。本实施例中，打印头加热装置204采用电电阻丝加热方式加热。为保证打印流畅以及层间粘结力，优选打印温度高于铜熔点100～300℃。为消除打印工件内应力保温箱体温度保持在500～700℃，打印完毕，采用1～3℃/min速度降温退火，为防止氧化，箱体内采用N₂气氛保护。

本实施例中，打印头冷却装置205的冷却方式为水冷，为提高冷却效果，冷却组件材质采用铜散热体。

以上所述，仅为本发明具体实施方式，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高温熔融挤出3D打印系统，包括外部箱体、高温成型室、打印喷头组件以及打印平台组件，所述高温成型室包括带有炉门的高温保温箱体，高温发热体及温控单元，其特征在于，所述高温保温箱体在顶部设有送料孔、在左右侧面下部设有对称的开放窗口，所述开放窗口带有可移动密封的隔热护板，所述隔热护板的移动方向为Y方向；

所述打印喷头组件包括：

送料单元，包括布置在所述高温保温箱体外的送料机构以及固定在送料机构出料口的送料管，送料管通过所述送料孔伸入高温保温箱体内；

打印头喷嘴单元，布置在所述高温保温箱体内，固定在所述送料管末端，并带有可控温加热组件和冷却组件；

Z方向的移动机构，布置在所述高温保温箱体外，所述送料单元固定在Z轴移动输出端上使其能够沿Z方向上下运动；

所述打印平台组件包括：

两套X-Y二维平移动机构，对称的放置在高温保温箱体左右两侧；

耐高温横梁，穿过一侧的隔热护板通过高温保温箱体内部再穿过另一侧的隔热护板，两端位于箱体外部，分别固定在两套X-Y移动机构上并在X-Y平面内运动，所述隔热护板随横梁在Y方向上运动；

高温打印平台，布置在所述高温保温箱体内，安装在所述耐高温横梁上；

所述高温保温箱体的加热方式采用电阻丝加热，硅碳棒或硅钼棒加热方式；高温保温箱体的隔热密封设计使成型室温度至少可升至1200℃。

2.如权利要求1所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述送料孔处装有保温隔热护套。

3.如权利要求1所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述X-Y二维平移动机构包括X轴定位及运动机构和Y轴定位及运动机构，所述X轴定位及运动机构固定在Y轴定位及运动机构上，所述耐高温横梁固定在X方向运动机构上。

4.如权利要求1所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述打印头喷嘴单元包括：打印喷嘴、打印头加热装置以及送料管冷却装置。

5.如权利要求4所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述送料管冷却装置采用风冷方式。

6.如权利要求1所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述送料孔设有围绕所述送料管安装的隔热及冷却组件，所述冷却组件采用水冷。

7.如权利要求1所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述送料机构采用螺杆式送粉机构、气流送粉机构或挤压式送丝机构。

8.如权利要求4所述的高温熔融挤出3D打印系统，其特征在于，所述打印头加热装置采用电阻丝发热体或感应加热方式。

9.一种高温熔融挤出3D打印系统，包括外部箱体、高温成型室、打印喷头组件以及打印平台组件，所述高温成型室包括带有炉门的高温保温箱体，高温发热体及温控单元，其特征在于，所述高温保温箱体在顶部设有送料孔、一侧面下部设有对称的开放窗口，所述开放窗口带有可移动密封的隔热护板，所述隔热护板的移动方向为Y方向；

所述打印喷头组件包括：

送料单元，包括布置在所述高温保温箱体外的送料机构以及固定在送料机构出料口的送料管，送料管通过所述送料孔伸入高温保温箱体内；

打印头喷嘴单元，布置在所述高温保温箱体内，固定在所述送料管末端，并带有可控温加热组件和冷却组件；

Z方向的移动机构，布置在所述高温保温箱体外，所述送料单元固定在Z轴移动输出端上使其能够沿Z方向上下运动；

所述打印平台组件包括：

X-Y二维平移动机构，放置在高温保温箱体的外侧；

耐高温横梁，一端穿过所述隔热护板通过高温保温箱体内部，另一端固定在X-Y移动机构上并在X-Y平面内运动，所述隔热护板随横梁在Y方向上运动；

高温打印平台，布置在所述高温保温箱体内，安装在所述耐高温横梁上；

所述高温保温箱体的加热方式采用电阻丝加热，硅碳棒或硅钼棒加热方式；高温保温箱体的隔热密封设计使成型室温度至少可升至1200℃。

Images