CN108436089B - 熔融沉积型金属3d打印的梯度加热喷头装置的使用方法 - Google Patents

熔融沉积型金属3d打印的梯度加热喷头装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，所述熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置包括挤出组件、料筒和喷嘴；挤出组件通过固定连接件与料筒连接，料筒末端与喷嘴连接；挤出组件包括蜗杆、蜗轮、丝杆和活塞，蜗轮与蜗杆通过轮齿咬合，蜗轮与丝杆通过螺纹传动，丝杆末端连接活塞，蜗杆的转动带动蜗轮转动，蜗轮的转动带动丝杆移动，进而带动与活塞移动；料筒设置进料口和保温加热组件，保温加热组件包括加热层和保温层，加热层紧密贴合于料筒外壁，保温层将加热层和料筒一同包裹在内；喷嘴设有温度传感器和加热管；加热管的加热温度比保温加热组件的加热温度高，形成梯度加热。

Description

熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术及机械技术领域，特别涉及一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法。
背景技术
3D打印是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的增材制术。常见的直接制造金属功能零件的3D打印快速成型方法主要有：包括选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(Direct MetalLaser Sintering，DMLS)、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电子束选区熔化(Electron BeamSelective Melting，EBSM)技术等。这些方法都使用金属粉末作为成型材料，并且对粉末的性能要求较高，如高的密度、高的球形度、均匀的成分等，这就对粉末的制造提出了更高的要求，而且这些技术成本比较高。
熔融沉积型3D打印工艺(FDM)主要打印热塑料材料。如ABS、PC、尼龙等，且大多以丝状供料。用高温将丝状材料融化，通过加热的打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。熔融沉积型3D打印因工艺简单、成本较低、不使用激光、成型速度较快而被广泛应用，但用于金属打印方面还存在一定不足，例如，金属打印材料难以完全液化，导致在输送和挤出等方面存在诸多问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置，以解决上述背景技术中提到的不足之处。
为了解决上述技术问题，提供如下技术方案：
一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，包括挤出组件、料筒和喷嘴；所述挤出组件通过固定连接件与所述料筒连接，所述料筒末端与所述喷嘴连接；所述挤出组件包括蜗杆、蜗轮、丝杆和活塞，所述蜗轮与所述蜗杆通过轮齿咬合，所述蜗轮与所述丝杆通过螺纹传动，所述丝杆末端连接所述活塞，所述蜗杆的转动带动所述蜗轮转动，所述蜗轮的转动带动所述丝杆移动，进而带动与所述活塞移动；所述料筒设置进料口和保温加热组件，所述保温加热组件包括加热层和保温层，所述加热层紧密贴合于所述料筒外壁，所述保温层将所述加热层和所述料筒一同包裹在内；所述喷嘴设有温度传感器和加热管；所述加热管的加热温度比所述保温加热组件的加热温度高，形成梯度加热。
料筒两端设有螺纹安装孔，一端便于将本发明的打印喷头装置安装在3D打印设备上，另一端便于和固定连接件用于连接料筒和挤出组件。安装后，蜗杆连接到3D打印设备的电机上。根据设定的程序，打印3D设备发送脉冲指令给电机控制蜗杆转动，带动蜗轮转动，蜗轮蜗杆的齿轮捏合运动进而带动丝杆及其所连接的活塞移动，实现对打印材料进给量的精准控制。
打印时通过保温加热组件加热融化料筒内的打印材料，电机带动蜗轮蜗杆转动，进而带动丝杆移动，使丝杆末端活塞在料筒型腔内上下运动挤压打印材料，从而使打印材料通过喷嘴挤出。加热后的打印材料具有一定的粘度且可以充分流动，打印材料可以沿预定路径扫描打印。
通过进料口向料筒中喂入金属粉末和粘结剂混合而成的3D打印材料，并启动设置在料筒上的保温加热组件对打印材料进行保温加热。保温加热组件中的加热层能使3D打印材料软化，但不会彻底液化，而是形成具有一定流动性的粘稠状浆料，可以借由活塞的推进。打印材料在料筒内被加热的温度较低，只需保证3D打印材料具有一定的流动性即可。如果此时的加热温度过高，包含在打印材料内的粘合剂会被高温蒸发，导致打印材料失去粘性和流动性，从而影响到所打印产品的品质。保温加热组件中的保温层能减少热量的损失，减少能耗，确保粘稠浆状的打印材料被推进到达喷嘴处。到达喷嘴处后，被设置在喷嘴上的加热管进一步加热，增强其流动性，使得打印材料更容易从喷嘴挤出。加热管的加热温度比保温加热组件的加热温度高，加热管与保温加热组件之间形成梯度加热。如果采用整个采用同一温度加热，为了使打印材料具有适合打印的流动性，必然要比较高的加热温度，整个料筒内材料中粘结剂的挥发量比采用梯度加热的方法多，不利于打印，且容易造成材料的浪费。采用梯度加热就能很好地解决这个问题：料筒内腔直径相比喷嘴要大得多，只需较低的加热温度就能保证打印材料在料筒内被推动，而粘合剂较少甚至不会地被蒸发损失；到达喷嘴处，直径骤然减小，流动阻力骤然增多，此时采用加热管进行更高温度的加热，增大打印材料的流动性，才能顺利从喷嘴处挤出，且由于打印材料在喷嘴处的停留时间短，被加热管加热后迅速被挤出，粘合剂来不及蒸发损失，保证了打印材料的粘度，保证了打印产品的质量。
打印材料从喷嘴挤出后，原本粘稠状的浆料在空气的冷却下迅速固化，形成3D打印体。
优选的，所述加热层为加热环。
优选的，所述加热环的加热温度为255℃～265℃。
加热环外表面采用薄铝板材质，传热效率高，升温速度快，形状为圆柱状利于紧紧包裹住同样是圆柱状的料筒，最终达到料筒腔内对金属物料的整体均匀加热目的。
优选的，所述加热管的加热温度为265℃～270℃。
加热保温组件和喷嘴加热颗粒状金属粉物料时组合成不同的温度梯度对物料进行加热。温度可以根据需要通过程序来调节，加热温度的设定主要是根据所加入的打印材料的属性来决定。经过多次实验我们发现，针对316L不锈钢与粘结剂混合的3D打印材料而言，如果持续处在高于265℃的环境中，则粘结剂挥发严重，导致打印材料失去粘性，打印出的3D产品极为松散，容易坍塌，影响正常使用。若只把加热温度控制在265℃以内，虽然粘结剂挥发的现象得以控制，但物料本身的流动性却受到限制，只能在料筒腔内推动而难以从狭隘的喷嘴挤出。因为，我们在喷嘴处设置了加热管，与料筒上的加热环形成温度梯度物料进行加热，让物料只在喷出前极短的时间内受到高于265℃的加热，粘结剂来不及挥发就已经被挤出。梯度加热即满足了控制粘结剂挥发的需求，又满足了物料挤出需要更强的流动性的需求。目前保温加热组件的加热温度255℃～265℃，加热管的加热温度265℃～270℃主要是针对316L不锈钢与粘结剂混合的3D打印材料来设定的。
优选的，所述保温层由隔热保温石棉制成。
优选的，所述喷嘴为锥形结构。锥形结构的喷嘴使得物料在挤出时整体受力指向喷出口，更有利于稠状金属物料的喷出。
优选的，所述活塞外表面、所述料筒内壁和所述喷嘴内壁均打磨光滑；所述活塞外表面与所述料筒内壁紧密贴合。
实施本发明，具有如下有益效果：
(1)取消了常规打印头加设的散热结构，改为隔热保温结构，使得熔融状态下的金属料能够具有一定的流动性、粘性，避免了因热量散失导致的材料过早固化导致蜗轮蜗杆挤出组件无法推动活塞，最终无法实现打印材料的挤出。
(2)取消常规打印头的送丝机构，改为蜗轮蜗杆推动活塞进而挤压打印材料实现喷嘴出丝的目的。蜗轮蜗杆推动活塞的结构精度高、完全同步、自锁性能好、卫生，电机直接驱动，不再需要管道的气源、油路。
(3)加热时先由加热保温组件对物料进行加热，温度控制在255℃～265℃范围内，这样可以保证物料具有一定流动性，待温度达到后喷嘴温度加热到265℃～270℃，形成温度梯度，即只有当喷嘴温度达到预定范围内物料方可顺畅挤出。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的喷嘴局部放大示意图；
图3是本发明的挤出装置的内部结构示意图；
图4是本发明的活塞示意图；
图5是本发明的料筒示意图；
其中，1-丝杆，2-挤出装置，3-进料口，4-保温层，5-加热层，6-喷嘴，7-料筒，8-活塞，9-固定连接件，10-固定孔，11-料筒内壁，12-活塞外表面，13-活塞丝杆连接孔，14-安装定位孔，15-喷嘴内壁，16-温度传感器，17-加热管，18-蜗轮，19-蜗杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1、图2所示，本发明是一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置与使用方法，包括挤出装置2，料筒7，喷嘴6。挤出组件2通过固定连接件9与料筒7连接，料筒7末端与喷嘴6连接。料筒7上设置进料口3和保温加热组件，保温加热组件包括保温层4和加热层5，保温层4为隔热保温石棉，加热层5为加热环。加热环先套在料筒7外壁，再由隔热保温石棉包裹住，这样可以尽量减少热量的散失，确保料筒7内粘稠的金属料有一定的流动性，避免金属料提前固化而堵塞料筒7。喷嘴6上设有温度传感器16和加热管17，当温度传感器16检测到的温度值低于设定温度值时，程序会自动控制加热管17加热使温度达到设定值。加热层5的加热温度为255℃～265℃，加热管17的加热温度265℃～270℃，金属物料从进料口3进入后，料筒7和喷嘴6内部会形成温度梯度对金属物料进行加热，这样保证物料具有流动性的同时，又可方便控制物料的挤出。
如图3、图4所示，挤出组件2包括蜗杆19、蜗轮18、丝杆1和活塞8，蜗轮18与蜗杆19通过轮齿咬合，蜗轮18与丝杆1通过螺纹传动，丝杆1末端通过活塞丝杆连接孔13与活塞8连接，蜗杆19的转动带动蜗轮18转动，蜗轮18的转动带动丝杆1移动，进而带动与活塞8移动，进而推动活塞8推挤料筒7中的物料流动。
如图2、图5所示，料筒7的两端设有固定孔10，上端的固定孔10便于和固定连接件9用于将挤出组件2与料筒7进行连接，下端的固定孔10便于和喷嘴6上的安装定位孔14固定安装。
喷嘴6为锥形结构，方便物料挤出及控制打印产品的形貌。喷嘴内壁15、料筒内壁11以及活塞外表面12均需要打磨光滑以减小挤料时产生的阻力，使得金属料能够流动顺畅。活塞外表面12与料筒内壁11紧密贴合。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置包括挤出组件、料筒和喷嘴；所述挤出组件通过固定连接件与所述料筒连接，所述料筒末端与所述喷嘴连接；所述挤出组件包括蜗杆、蜗轮、丝杆和活塞，所述蜗轮与所述蜗杆通过轮齿咬合，所述蜗轮与所述丝杆通过螺纹传动，所述丝杆末端连接所述活塞，所述蜗杆的转动带动所述蜗轮转动，所述蜗轮的转动带动所述丝杆移动，进而带动所述活塞移动；所述料筒设置进料口和保温加热组件，所述保温加热组件包括加热层和保温层，所述加热层紧密贴合于所述料筒外壁，所述保温层将所述加热层和所述料筒一同包裹在内；所述喷嘴设有温度传感器和加热管；所述加热管的加热温度比所述保温加热组件的加热温度高，形成梯度加热；所述加热层能使金属3D打印材料软化，但不会彻底液化，而是形成具有一定流动性的粘稠状浆料，到达所述喷嘴处后，被设置在所述喷嘴上的所述加热管进一步加热，增强其流动性，以减少所述金属3D打印材料中粘合剂的损失。
2.根据权利要求1所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述加热层为加热环。
3.根据权利要求2所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述加热环的加热温度为255℃~265℃。
4.根据权利要求3所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述加热管的加热温度为265℃~270℃。
5.根据权利要求1所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述保温层由隔热保温石棉制成。
6.根据权利要求1所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述喷嘴为锥形结构。
7.根据权利要求1所述用于熔融沉积型金属3D打印的梯度加热喷头装置的使用方法，其特征在于，所述活塞外表面、所述料筒内壁和所述喷嘴内壁均打磨光滑；所述活塞外表面与所述料筒内壁紧密贴合。
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