CN109482887A - 一种金属浆料挤出式金属3d打印机 - Google Patents
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Abstract
一种金属浆料挤出式金属3D打印机属于3D打印领域，包括两级挤出机构、打印机支架、打印平台、导轨模组、并联臂。第一级挤出机构包括挤出气泵、恒压阀、储料仓、挤出活塞、PVC气管，第二级包括挤出电机、挤出套筒、挤出螺杆、挤出头。第一级挤出机构中气泵提供气源经过PVC气管以及恒压阀调压导入至储料仓，从而推动挤出活塞，挤出活塞推动金属浆料经导料管到达挤第二级挤出机构。第二级挤出机构：从挤出套筒中经挤出头将金属浆料挤出，驱动器设置在并联臂上，打印挤出头设置在第二级挤出机构上，并与三对并联臂相连，并联臂通过固定装置与三个垂直走向的直线导轨上的滑块相连。本发明打印速度快、操作简单、产品精度尚可、成本大幅度缩减。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，特别涉及一种体积较小的、尺寸精度高的金属浆料3D打印机。
背景技术
3D打印技术，是一种新兴的快速成型技术，它是以用户获得的数字模型文件(通常为STL文件)为基础，运用粉末或尼龙塑料等可粘结、烧结材料，经层层打印堆积的成型方式来生产所需物体模型的技术。
3D打印技术以数字技术打印机实现制造。在模具、工业设计等领域用于制造模型。随着技术发展、精度提高，逐渐应用于产品直接制作，已有使用该技术直接打印成型零部件。特别是金属3D打印直接制作零部件，其应用价值高，应用范围广阔。但是，目前存在的金属3D打印技术大部分采用选区激光熔化技术，采用该技术的设备成本高，操作复杂，使得金属3D打印技术难以广泛推广和应用。
本发明内容旨在解决上述存在问题。本发明的解决方案是提供一种打印速度快、操作简单、打印产品精度尚可、成本大幅度缩减的小型浆料挤出式金属3D打印机。
发明内容
本发明目的在于解决现有金属成型技术存在的缺点，提出一种基于金属浆料挤出的金属3D打印技术，其制造成本低，可用金属复合材料范围广，值得大范围推广。
为实现上述目的，本发明采用了如技术方案：
本发明提供一种金属浆料挤出式金属3D打印机，包括两级挤出机构、打印机支架、打印平台、导轨模组、并联臂和LCD操作显示屏。其中两级挤出机构的第一级挤出机构包括挤出气泵、恒压阀、储料仓、挤出活塞、PVC气管，第二级挤出机构包括挤出电机、挤出套筒、挤出螺杆、挤出头。所述第一级挤出机构中气泵提供气源经过PVC气管以及恒压阀调压导入至储料仓，从而推动挤出活塞，挤出活塞推动金属浆料经导料管到达挤第二级挤出机构。第二级挤出机构中的挤出电机带动所述挤出螺杆将金属浆料从挤出套筒中经挤出头将金属浆料挤出，所述第二级挤出机构驱动器设置在并联臂上且与步进电机信号连通，所述打印挤出头设置在第二级挤出机构上，并与三对并联臂相连，并联臂通过固定装置与三个垂直走向的直线导轨上的滑块相连，所述滑块由齿形皮带与步进电机相连。所述步进电机由arduino mega2560控制器控制运动。所述打印平台位于打印挤出头正下方，所述LCD操作显示屏内嵌有控制板和待打印产品的行走路径数据，所述LCD操作显示屏分别与挤出驱动器、导轨模组信号连通。
所述打印机支架每隔120°相对的内壁设有导轨滑块模组，与所对应步进电机一起组成移动模组，所述移动模组一共有三组，第一移动模组包括第一电动滑轨、第一滑块，所述移动模组固定连接在打印机支架的内壁上，所述第一滑块设置在第一电动滑轨上，所述第一滑块的两个侧壁均转动连接有第一并联臂组，两个所述第一并联臂组末端之间设有效应器，所述效应器与两个第一并联臂组均为转动连接。类似地，所述打印机支架的内壁设有第二移动模组，包括第二电动滑轨、第二滑块，所述移动模组固定连接在打印机支架的内壁上，所述第二滑块设置在第二电动滑轨上，所述第二滑块的两个侧壁均转动连接有第二并联臂组，两个所述第二并联臂组末端之间设有效应器，所述效应器与两个第二并联臂组均为转动连接。第三移动模组与第一第二移动模组相同，因此，不再赘述。所述效应器的下端设有打印挤出头喷嘴，所述打印挤出头与效应器通过自身螺纹连接。
挤出螺杆的选择需要根据挤出速率，生产效率的要求。由于在打印过程中，需要的挤出速率与挤出喷嘴的直径、浆料粘度、浆料压强、挤出头转速有关，还与挤出螺杆与挤出桶壁间隙有关。因此，根据以上需求，给出以下经验计算公式：
挤出速率与喷嘴直径及打印移动速度关系：
式中,Q’为实际挤出速率m3/s；D为喷嘴直径，m；v为打印速度，m/s。
(1)螺杆几何参数计算：最佳挤出速率时的计量段螺槽深度
式中，H*——最佳挤出速率时的计量段螺槽深度，m；nr——螺杆转速，r/s；
D——螺杆直径，m；
Φ——螺旋角，°；
L——建立压力P的轴向距离，m；
P——压力，Pa；
h——幂律指数；
m——稠度指数，Pa·sn；
m＝η·γ1-hη——浆料粘度，Pa·s；
γ——剪切速率，1/s。
(2)单螺杆挤出机的浆料输送速率计算式
式中，Q—单螺杆挤出机的浆料输送速率，m3/s；
Qd—正流流量，m3/s；
Qp—逆流流量，m3/s；
Ql—漏流流量，m3/s；
α—螺杆尺寸参数，m3；
β—螺杆尺寸参数，m3；
γ—螺杆尺寸参数，m3；
以上三个螺杆尺寸参数一般都会直接给出，若没有明确给出则可以通过以上三个公式计算。
n—螺杆转速，r/s；
△P—螺杆机头压力，Pa；
η—浆料粘度，Pa·s；
Db—螺杆机筒内直径，m；
H3—螺杆计量段螺槽深度，m；
—机筒内表面处螺旋角，°；
L3—螺杆计量段轴向长度，m；
E—螺杆对机筒的轴向偏心系数，对称：E＝1，非完全对称：E＝1.2；
b—螺棱轴向宽度，m；
δf—径向间隙，m。
因打印过程中喷头所需挤出速率与计算得到理论挤出速率应当相等，因此，令Q＝Q’,即可得到，打印速度与喷嘴直径，压强，浆料粘度之间关系：
式中，α，β，γ为螺杆参数；
D—为螺杆直径，m；
n—螺杆转速，r/s；
ΔP—浆料在螺杆内压力，Pa；
η—浆料粘度，Pa·s；
优选地，所述移动模组电机均采用42步进电机，步进角为1.8°，所述第二级挤出机构采用57步进电机，以保证螺杆挤出过程的大力矩要求，所述所有步进电机均与Arduinomega控制器相连，控制器控制各移动模组以及第二级挤出机构的进给运动。
优选地，所述打印机的控制器支持自动调平，可与调平传感器相连以保证打印成型平台的相对水平。
优选地，所述各移动模组中的导轨以及移动滑块均采用HIWIN系列高精度导轨滑块，此种导轨滑块采用精密合金钢制作，以保证打印机使用过程中的稳定可靠。
优选地，所述个移动模组中并联臂采用碳纤维材料。
优选地，所述第二级挤出机构包含的挤出头采用不锈钢合金制作。
优选地，所述机体的表面涂覆有环氧富锌底漆。
本发明的有益效果在于：采用辅助气源作为第一级挤出机构、螺杆挤出作为第二级挤出机构，挤出力道大、挤出顺畅，可控制挤出头回抽，出料量控制更精准，打印精度高，打印时不易坍塌，成型效率高，非常适合小批量灵活定制打印。
附图说明
图1为本发明提出的一种金属浆料挤出式金属3D打印机的系统总体结构示意图。
为了详细介绍结构，图2为本发明提出的一种金属浆料挤出式金属3D打印机的第一级挤出机构所包含的储料仓示意图。
图3为本发明提出的一种金属浆料挤出式金属3D打印机第二级挤出机构详解图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
请参阅图1，一种金属浆料挤出式金属3D打印机，包括气源1、PVC气管2、恒压阀3、第一级挤出机构4、第二级挤出机构5、打印机支架6、并联臂7、移动模组8、LCD显示屏9。参阅图2，其中两级挤出机构的第一级挤出机构4包括：气动快拆头4-1，储料仓密封盖4-2，挤出活塞4-3，储料仓4-4。参阅图3，第二级挤出机构包括：挤出步进电机5-1、联轴器5-2、挤出螺杆5-3、挤出套筒5-4、效应器5-5、挤出头5-6。所述第一级挤出机构4由气泵提供气源经过PVC气管2以及恒压阀3调压导入至储料仓4-4，从而推动挤出活塞4-3，挤出活塞4-3推动打印所需金属浆料经PVC气管2到达挤第二级挤出机构5。第二级挤出机构5中的挤出步进电机5-1带动所述挤出螺杆5-3将所述金属浆料从挤出套筒5-4中经挤出头5-6将金属浆料挤出，所述第二级挤出机构5中挤出步进电机5-1的驱动器设置在打印机支架6底端且与挤出步进电机5-1信号连通，所述打印挤出头5-6设置在第二级挤出机构5上，并与三对并联臂7相连，并联臂7通过固定装置与三个垂直走向的移动模组8上的滑块相连，所述三组移动模组8内的滑块由齿形皮带与设置在机架底部的步进电机相连。所述与移动模组8相连的步进电机由arduino mega2560控制器控制运动。所述一种金属浆料挤出式金属3D打印机的打印平台10位于打印挤出头5-6正下方，所述LCD操作显示屏9内嵌有控制板和待打印产品的行走路径数据，所述LCD操作显示屏9分别与挤出驱动器、导轨模组信号连通。
操作时，先通过建模软件把要打印的产品设计出来，再导入类似等类似的切片软件中生成一个机器可以识别的行走路径数据GCODE文件，把行走路径数据GCODE导入到arduino控制器的储存器内，通过LCD操作显示屏操作读取。具体操作为，按附图1连接各个设备，打开设备总电源，打开气源气动泵开关，调整调压阀的输出气压至合适的值，即能够使金属浆料恰好从PVC气管中流出。调整完毕后，按下LCD操作显示屏的操作键，选取储存器SD卡中所生成的GCODE文件，其arduino控制器收到命令后会发送相应的指令给对应挤出步进电机驱动器和移动模组步进电机驱动器，各个驱动器发送信号给步进电机。移动模组步进电机带动同步齿形皮带从而驱动滑块按照所需路径在导轨上做往复运动。第二挤出模组的挤出步进电机在接收到驱动器信号后，按照所需挤出速度及挤出量，通过联轴器带动挤出螺杆从而将金属浆料从挤出头中挤出。金属浆料通过PVC气管输送到第二级挤出机构上，在此同时移动模组也会收到指令信号，也就是行走路径，打印挤出头在移动模组及并联臂的带动下在X轴方向上运动，另外两组移动模组也同时收到信号，类似地，带动挤出头在Y、Z轴运动。经三个轴向的运动复合，从而实现打印挤出头打印空间内各点位置的移动动，这样就可以完成XYZ轴360°全空间内的运动，在行走路径走完后打印即完成，步进电机停止，打印挤出头回到初始位置。
采用该套打印机打印定位精度为0.1mm，通过两级挤出机构，使得出料挤出力大、挤出顺畅、能够实现回抽，出料量控制更精准，出料更精细打印的产品质量较好，打印精度高，打印时也不易坍塌，成型效率高，非常适合小批量灵活定制打印，而目前的大型金属3D打印机造价高，无法满足灵活定制，通过本系统很简单解决目前金属3D打印机无法广泛推广的现状，实现金属3D打印“平民化”。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (9)
1.一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：包括两级挤出机构、打印机支架、打印平台、导轨模组、并联臂和LCD操作显示屏；其中两级挤出机构的第一级挤出机构包括挤出气泵、恒压阀、储料仓、挤出活塞、PVC气管，第二级挤出机构包括挤出电机、挤出套筒、挤出螺杆、挤出头；所述第一级挤出机构中气泵提供气源经过PVC气管以及恒压阀调压导入至储料仓，从而推动挤出活塞，挤出活塞推动金属浆料经导料管到达挤第二级挤出机构；第二级挤出机构中的挤出电机带动所述挤出螺杆将金属浆料从挤出套筒中经挤出头将金属浆料挤出，所述第二级挤出机构驱动器设置在并联臂上且与步进电机信号连通，所述打印挤出头设置在第二级挤出机构上，并与三对并联臂相连，三对并联臂通过固定装置与三个垂直走向的直线导轨上的滑块相连，所述滑块由齿形皮带与步进电机相连；所述步进电机由控制器控制运动；所述打印平台位于打印挤出头正下方，所述LCD操作显示屏分别与挤出驱动器、导轨模组信号连通。
2.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述打印机支架每隔120°相对的内壁设有导轨滑块模组，与所对应步进电机一起组成移动模组，所述移动模组一共有三组，第一移动模组包括第一电动滑轨、第一滑块，所述移动模组固定连接在打印机支架的内壁上，所述第一滑块设置在第一电动滑轨上，所述第一滑块的两个侧壁均转动连接有第一并联臂组，两个所述第一并联臂组末端之间设有效应器，所述效应器与两个第一并联臂组均为转动连接；其他两组结构相同；所述效应器的下端设有打印挤出头喷嘴，所述打印挤出头与效应器通过自身螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于，根据挤出量和挤出速率选择螺杆挤出机，给出以下公式：
挤出速率与喷嘴直径及打印移动速度关系：
式中,Q’为实际挤出速率m3/s；D为喷嘴直径，m；v为打印速度，m/s；
(1)螺杆几何参数计算：最佳挤出速率时的计量段螺槽深度
式中，H*——最佳挤出速率时的计量段螺槽深度，m；
nr——螺杆转速，r/s；
D——螺杆直径，m；
Φ——螺旋角，°；
L——建立压力P的轴向距离，m；
P——压力，Pa；
h——幂律指数；
m——稠度指数，Pa·sn；
m＝η·γ1-h
η——浆料粘度，Pa·s；
γ——剪切速率，1/s；
(2)单螺杆挤出机的浆料输送速率计算式
式中，Q—单螺杆挤出机的浆料输送速率，m3/s；Qd—正流流量，m3/s；
Qp—逆流流量，m3/s；
Ql—漏流流量，m3/s；
α—螺杆尺寸参数，m3；
β—螺杆尺寸参数，m3；
γ—螺杆尺寸参数，m3；
以上三个螺杆尺寸参数一般都会直接给出，若没有明确给出则通过以上三个公式计算；
n—螺杆转速，r/s；
△P—螺杆机头压力，Pa；
η—浆料粘度，Pa·s；
Db—螺杆机筒内直径，m；
H3—螺杆计量段螺槽深度，m；
—机筒内表面处螺旋角，°；
L3—螺杆计量段轴向长度，m；
E—螺杆对机筒的轴向偏心系数，对称：E＝1，非完全对称：E＝1.2；
b—螺棱轴向宽度，m；
δf—径向间隙，m；
因打印过程中喷头所需挤出速率与计算得到理论挤出速率应当相等，因此，令Q＝Q’,得到打印速度与喷嘴直径，压强，浆料粘度之间关系：
式中，α，β，γ为螺杆参数；
D—为螺杆直径，m；
n—螺杆转速，r/s；
ΔP—浆料在螺杆内压力，Pa；
η—浆料粘度，Pa·s。
4.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述移动模组电机均采用42步进电机，步进角为1.8°，所述第二级挤出机构采用57步进电机，以保证螺杆挤出过程的大力矩要求，所述所有步进电机均与arduino mega控制器相连，控制器控制各移动模组以及第二级挤出机构的进给运动。
5.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述打印机的控制器支持自动调平，与调平传感器相连以保证打印成型平台的相对水平。
6.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述各移动模组中的导轨以及移动滑块均采用HIWIN系列高精度导轨滑块。
7.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述个移动模组中并联臂采用碳纤维材料。
8.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述第二级挤出机构包含的挤出头采用不锈钢合金制作。
9.根据权利要求1所述的一种金属浆料挤出式金属3D打印机，其特征在于：所述机体的表面涂覆有环氧富锌底漆。
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