CN110014643A - 一种用于3d打印的多材料梯度成形熔融挤出系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工领域，公开了一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，包括颗粒微分传输机构和颗粒熔融挤出机构两部分。本发明提供的这种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，通过在成形过程中控制不同种颗粒料的进料量，实现了异质多材料的梯度成形；采用该系统，可以变丝材加工为颗粒式加工，并且可以支持两种高分子颗粒共同混合进行复合高分子材料的3D打印。这不仅实现了两种高分子混合颗粒的成分控制，使打印材料成分比例可控，从而实现功能梯度异质多材料的3D打印；而且柔性加工扩大了可使用材料的范围，降低生产成本，防止丝材加工时丝材折断、堵塞喷头等问题的出现。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统。
背景技术
熔融沉积成形工艺(Fused Deposition Modeling，FDM)，是3D打印技术的一种，由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。该技术所使用材料一般是热塑性材料，如聚乳酸PLA、ABS、蜡等，并以固定直径的丝状形式供料，材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，通过层层堆积得到所成形零件。但丝料一旦拉制成丝，其成分含量等便固定，无法根据需求进行个性化定制，无法实现异质多材料的梯度成形；同时丝材容易折断、堵塞喷头，使废品率升高、成本增加。
功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，FGM)，是将两种或多种具有不同性能的原材料，通过采用先进的复合技术控制构成材料的组成和机构等要素沿着一定的方向呈梯度变化，从而得到性质和功能也呈梯度变化的新型非均质复合材料，且内部无明显的界面，弱化了界面物理性能的突变。在航空航天、生物医疗、能源动力等领域都有较大的应用，如日本学者将PSZ/Ti的功能梯度材料应用在火箭推进器燃烧室内壁，其热循环属性明显优于无梯度材料涂层的寿命。但目前FGM制备方法主要有气相沉积法、等离子粉末喷涂法、激光熔敷等，这些方法只适用于无机材料领域，如陶瓷、金属等。高分子材料作为材料界重要分支，其功能梯度化理论、设备等相关报道相对较少，几乎空白。
可通过颗粒进料、熔融沉积成形的形式实现异质多材料的梯度成形。目前，主流的颗粒式进料加工进料系统主要是针对单材料挤出加工，例如发明专利CN108466423A、CN108327252A等均以螺杆的形式将颗粒料熔融挤出，能够实现颗粒料的逐层堆积成形，但在加工过程中无法达到异质多材料的成分比例实时调节控制，即无法实现成分梯度成形；发明专利CN107263858B以传统的丝材FDM形式实现了异质材料的制造，其采用旋转式多喷头切换打印装置，以多个送丝打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺的高效3D打印成形，但未提到梯度加工成形的可能性，且传统丝材的形式无法克服FDM本身的断丝、堵喷头的难题；实用新型专利CN208035395U公开了一种高粘度梯度材料3D打印机送料系统，主要通过气泵、PU管等将高粘度材料泵入螺杆阀加工室中，能够实时调节打印喷头输出高粘度打印材料的种类，但对于颗粒状材料而言，其无法通过气泵等泵出。
因此，对于无机非金属及其复合材料而言，异质多材料梯度成形研究较少，处于空白状态，亟待需要研发一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统来解决上述问题。但要实现异质高分子多材料的梯度成形，需要克服两方面问题。
(1)不同种高分子材料，其凝聚态结构和微观组织结构有较大差异性，导致具有不同的热转变性质和力学性能。因此，需探索解决异质多材料加工时的工艺；
(2)不同种高分子材料在加工时，其玻璃化温度不同，应保证温度能够使其分子链充分打开，且在挤出时能够以合适的状态挤出。因此，需对颗粒熔融挤出机构进行合理的工艺参数设置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明设计了一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，实现本发明的技术方案是：
本发明提供的这种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，包括颗粒微分传输机构和颗粒熔融挤出机构两部分，所述的颗粒微分传输机构固定于颗粒熔融挤出机构上方；
所述的颗粒微分传输机构1包括第一出料电机12、第一出料旋转叶片14、第一滞料筒15、第一颗粒导管16和第一装料漏斗17；第二出料电机18、第二出料旋转叶片110、第二滞料筒111、第二颗粒导管112和第二装料漏斗113；在第一滞料筒15中设置有第一出料旋转叶片14，并且所述第一出料旋转叶片14的旋转柄通过第一滞料筒15侧边小孔与第一出料电机12的转轴连接，第一滞料筒15上口设置第一装料漏斗17；在第二滞料筒111中设置第二出料旋转叶片110，并且第二出料旋转叶片110的旋转柄通过第二滞料筒111侧边小孔与第二出料电机18的转轴连接，第二滞料筒111上口设置有第二装料漏斗113；
所述的颗粒熔融挤出机构2包括挤出电机21，联轴器22，U型支架23，熔融料筒24，螺杆25，进料漏斗26，加热套筒27，热电偶28，挤出喷头29，加热棒210，热敏电阻211；螺杆25置于熔融料筒24内，熔融料筒24通过螺丝固定在U型支架23下端；挤出电机21固定在U型支架23上端，挤出电机21的转轴与在熔融料筒24中的螺杆25的转轴通过联轴器22相连；熔融料筒24上的顶端侧面开有进料口，进料漏斗26对准熔融料筒24的进料口进行安装，优选地，进料漏斗26与熔融料筒24的进料口紧密贴合；熔融料筒24外侧设置有加热套筒27，所述加热套筒27上面附有热电偶28；在熔融料筒24底部设置有挤出喷头29，所述挤出喷头29上设置有加热棒210和热敏电阻211。
优选地，所述的颗粒微分传输机构1还可以包括支撑基板11，所述第一滞料筒15和所述第二滞料筒111分别固定于所述支撑基板11上(例如可通过法兰固定于所述支撑基板11上)，所述支撑基板11与所述第一滞料筒15和所述第二滞料筒111的对应部位开有两个圆形过孔，所述第一滞料筒15和所述第二滞料筒111的下端分别穿过各自对应的圆形过孔，与所述第一颗粒导管16和所述第二颗粒导管112的上端相连接。
进一步优选地，颗粒微分传输机构1还可以包括第一出料电机支架13和第二出料电机支架19，所述第一出料电机12通过所述第一出料电机支架13于所述支撑基板11固定；所述第二出料电机18通过所述第二出料电机支架19于所述支撑基板11固定。
本发明提供的这种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，所述电机可以均采用为步进电机。
所述颗粒微分传输机构1中的第一颗粒导管16和第二颗粒导管112安装于所述的颗粒熔融挤出机构2的进料漏斗26内侧上部。
所述第一出料旋转叶片14和所述第二出料旋转叶片110设置有伺服电机，所述伺服电机带动出料旋转叶片控制颗粒料进料量。
优选地，所述颗粒熔融挤出机构2设置有独立的温控系统。
具体地，所述螺杆25为等距渐变型，包含加料段、压缩段、计量段；优选螺杆直径为18mm，螺杆长度为108mm，长径比为6，加料段长度为21mm，压缩段长度为54mm，计量段长度为33mm，加料段螺槽深度为3mm，计量段螺槽深度为1mm，几何压缩比为2.5，螺纹螺距为10mm，螺纹升角为10°，螺纹头数为1，螺棱法向宽度2mm，螺槽法向宽度为8mm，头部为118°钝锥面，螺纹根部圆分别为0.5mm、1.0mm。
具体地，所述熔融料筒24的壁厚为5mm，即料筒的外径为28mm。
一种颗粒状异质多材料料挤出系统，包括本发明所述的这种多材料梯度成形熔融挤出系统。
本发明提供的这种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，通过在成形过程中控制不同种颗粒料的进料量，实现了异质多材料的梯度成形。所述的熔融挤出系统，可以实现高分子混合颗粒的成分控制，以实现功能梯度异质多材料的3D打印；所述的熔融挤出系统，支持多种高分子颗粒料，并且可以支持两种高分子颗粒共同混合进行复合3D打印；所述的熔融挤出系统，可以直接将颗粒料挤出成丝，减少了将颗粒料拉制成丝材的工艺过程，降低了断丝堵喷头的可能性，大幅度降低了产品制造成本，绿色环保。总体而言，本发明所设计的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：
(1)所述的颗粒微分传输机构中的出料旋转叶片，相邻两片叶片中可以装几粒颗粒，通过旋转叶片可以将这些分好的颗粒依次进入颗粒导管，通过控制叶片旋转角度可以控制出料量，通过控制两个叶片旋转的速度比例，从而可以控制混合粒料的成分比例；
(2)所述的颗粒熔融挤出机构可以将混合的粒料进行熔融挤出，并且在螺杆挤出的过程中进行充分混合，从而实现高分子异质多材料的3D打印；
(3)所述的两种机构协同作用，通过控制不同颗粒原料的比例进行混合熔融，可以实现异质多材料的梯度成形，即Z轴方向逐层实现成分的梯度变化，从而其特性和功能也呈梯度式非均质变化，使制品满足特定环境下的需求；
(4)本发明提供一种用于3D打印的多材料梯度成形熔融挤出系统，该系统操作方便，易于控制，实现两种或多种高分子材料的成形。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为图1或图2中颗粒微分传输机构1的第一出料旋转叶片14和第二出料旋转叶片110的结构图；
图4为图1或图2中颗粒熔融挤出机构2中的螺杆25的结构图；
上图1-4中各数字标识所示部位的名称为：
1-颗粒微分传输机构、 11-支撑基板、
12-第一出料步进电机、 13-第一出料步进电机支架、
14-第一出料旋转叶片、 15-第一滞料筒、
16-第一颗粒导管、 17-第一装料漏斗、
18-第二出料步进电机、 19-第二出料步进电机支架、
110-第二出料旋转叶片、 111-第二滞料筒、
112-第二颗粒导管、 113-第二装料漏斗、
2-颗粒熔融挤出机构、 21-挤出步进电机、
22-联轴器、 23-U型支架、
24-熔融料筒、 25-螺杆、
26-进料漏斗、 27-加热套筒、
28-热电偶、 29-挤出喷头、
210-加热棒、 211-热敏电阻
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明提供的第一个实施例如图1所示，包括颗粒微分传输机构1和颗粒熔融挤出机构2两部分，颗粒微分传输机构1固定于颗粒熔融挤出机构2上方。颗粒微分传输机构1包括第一出料电机12、第一出料旋转叶片14、第一滞料筒15、第一颗粒导管16和第一装料漏斗17；第二出料电机18、第二出料旋转叶片110、第二滞料筒111、第二颗粒导管112和第二装料漏斗113；在第一滞料筒15中设置有第一出料旋转叶片14，并且所述第一出料旋转叶片14的旋转柄通过第一滞料筒15侧边小孔与第一出料电机12的转轴连接，第一滞料筒15上口设置第一装料漏斗17；在第二滞料筒111中设置第二出料旋转叶片110，并且第二出料旋转叶片110的旋转柄通过第二滞料筒111侧边小孔与第二出料电机18的转轴连接，第二滞料筒111上口设置有第二装料漏斗113；
颗粒熔融挤出机构2包括挤出步进电机21，联轴器22，U型支架23，熔融料筒24，螺杆25，进料漏斗26，加热套筒27，热电偶28，挤出喷头29，加热棒210，热敏电阻211；螺杆25置于熔融料筒24内，熔融料筒24通过螺丝固定在U型支架23下端；挤出步进电机21固定在U型支架23上端，挤出步进电机21的转轴与在熔融料筒24中的螺杆25的转轴通过联轴器22相连；熔融料筒24上的顶端侧面开有进料口，进料漏斗26对准料筒的进料口进行安装，进料漏斗26与熔融料筒24的进料口紧密贴合，使其不会产生漏料的情况；熔融料筒24外侧安装加热套筒27，并且加热套筒27上面附有热电偶28；在熔融料筒24底部安装挤出喷头29，并且挤出喷头29上安装了加热棒210和热敏电阻211。
颗粒微分传输机构1中的第一颗粒导管16和第二颗粒导管112安装于所述的颗粒熔融挤出机构2的进料漏斗26内侧上部。
本实施例中第一出料旋转叶片14和所述第二出料旋转叶片110采用同一款，第一出料旋转叶片14和第二出料旋转叶片110设置有伺服电机，该伺服电机可以带动出料旋转叶片控制颗粒料进料量。
使用时，首先将两种不同的高分子颗粒分别放置在的第一装料漏斗17和第二装料漏斗113中，然后将加热套筒27通220v交流电，将加热棒210通12v直流电，通过热电偶28及热敏电阻211反馈的温度信息进行温度控制，直到温度稳定；接下来驱动第一出料步进电机12和第二出料步进电机18分别带动第一出料旋转叶片14和第二出料旋转叶片110的旋转，带动颗粒落下，沿着第一颗粒导管16和第二颗粒导管112进入进料漏斗26，粒料最后进入熔融料筒24中，并且与螺杆25紧密接触；同时驱动挤出步进电机21，挤出步进电机21通过联轴器22带动螺杆25转动；在螺杆25上的粒料通过螺杆25的转动向下移动，并且经过加热段使之熔融，最后在螺杆25低端堆积；当熔融的粒料堆积产生足够压力时，将从挤出喷头29中挤出成丝，通过控电机，可对不同颗粒原料按照比例进行混合熔融。
实施例2
如图2，本实施例在实施例1的基础上，在颗粒微分传输机构1中还设置有支撑基板11、第一出料电机支架13和第二出料电机支架19，所述第一滞料筒15和所述第二滞料筒111分别通过法兰固定于所述支撑基板11上，支撑基板11与第一滞料筒15和第二滞料筒111的对应部位开有两个圆形过孔，第一滞料筒15和第二滞料筒111的下端分别穿过各自对应的圆形过孔，与第一颗粒导管16和第二颗粒导管112的上端相连接；第一出料电机12通过第一出料电机支架13于支撑基板11固定；第二出料电机18通过第二出料电机支架19于支撑基板11固定。
设置支撑基板11、第一出料电机支架13和第二出料电机支架19，使得颗粒微分传输机构1中各部分组件更加稳定。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上，各部分组件的参数如下所述：
第一出料电机12和第二出料电机18为42系列两相步进电机标准件；
第一滞料筒15和第二滞料筒111为加工定制件，顶部圆柱直径高35mm、中部球体直径下部圆柱直径高10mm、壁厚3mm；
第一装料漏斗17和第二装料漏斗113为标准件，顶部直径下部直径高70mm；
第一出料电机支架13和第二出料电机支架19为42系列两相步进电机固定支架标准件；
支撑基板11为加工定制件，材质透明亚克力，长*宽*厚分别为390mm*156mm*5mm，其上所打孔直径均为所打槽长*宽均分别为15mm*5mm；
第一颗粒导管16和第二颗粒导管112为橡胶软管，外径内径长210mm；
挤出步进电机21为57系列两相步进电机标准件；
U型支架23为加工定制件，其是挤出步进电机21、联轴器22、熔融料筒24的固定支架，长*宽*高＝62mm*57mm*40mm，壁厚5mm；
联轴器22为57系列两相步进电机固定支架标准件；
熔融料筒24为加工定制件，圆柱形筒，直径长145mm；
螺杆25为加工定制件，等距渐变型螺杆，包含加料段、压缩段、计量段；优选螺杆直径为18mm，螺杆长度为108mm，长径比为6，加料段长度为21mm，压缩段长度为54mm，计量段长度为33mm，加料段螺槽深度为3mm，计量段螺槽深度为1mm，几何压缩比为2.5，螺纹螺距为10mm，螺纹升角为10°，螺纹头数为1，螺棱法向宽度2mm，螺槽法向宽度为8mm，头部为118°钝锥面，螺纹根部圆分别为0.5mm、1.0mm；
进料漏斗26为加工定制件，铁制槽状，整体长*宽*高为80mm*40mm*40mm，壁厚1mm，底部进料口截面为矩形，长*宽为30mm*10mm；
加热套筒27为加工定制件，圆柱形筒，外直径内直径长110mm；
热电偶28为标准件，K型高精密贴片热电偶，材质纯铜镀银；
挤出喷头29为标准件，黄铜材质，喷嘴直径0.4mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多材料梯度成形熔融挤出系统，包括颗粒微分传输机构(1)和颗粒熔融挤出机构(2)，所述的颗粒微分传输机构(1)固定于所述颗粒熔融挤出机构(2)的上方，其特征在于：
所述的颗粒微分传输机构(1)包括第一出料电机(12)、第一出料旋转叶片(14)、第一滞料筒(15)、第一颗粒导管(16)和第一装料漏斗(17)；第二出料电机(18)、第二出料旋转叶片(110)、第二滞料筒(111)、第二颗粒导管(112)和第二装料漏斗(113)；在第一滞料筒(15)中设置有第一出料旋转叶片(14)，并且所述第一出料旋转叶片(14)的旋转柄通过第一滞料筒(15)侧边小孔与第一出料电机(12)的转轴连接，第一滞料筒(15)上口设置第一装料漏斗(17)；在第二滞料筒(111)中设置第二出料旋转叶片(110)，并且第二出料旋转叶片(110)的旋转柄通过第二滞料筒(111)侧边小孔与第二出料电机(18)的转轴连接，第二滞料筒(111)上口设置有第二装料漏斗(113)；
所述的颗粒熔融挤出机构(2)包括挤出电机(21)，联轴器(22)，U型支架(23)，熔融料筒(24)，螺杆(25)，进料漏斗(26)，加热套筒(27)，热电偶(28)，挤出喷头(29)，加热棒(210)，热敏电阻(211)；螺杆(25)置于熔融料筒(24)内，熔融料筒(24)通过螺丝固定在U型支架(23)下端；挤出电机(21)固定在U型支架(23)上端，挤出电机(21)的转轴与在熔融料筒(24)中的螺杆(25)的转轴通过联轴器(22)相连；熔融料筒(24)上的顶端侧面开有进料口，进料漏斗(26)对准熔融料筒(24)的进料口进行安装；熔融料筒(24)外侧设置有加热套筒(27)，所述加热套筒(27)上面附有热电偶(28)；在熔融料筒(24)底部设置有挤出喷头(29)，所述挤出喷头(29)上设置有加热棒(210)和热敏电阻(211)；
所述的颗粒微分传输机构(1)中的第一颗粒导管(16)和第二颗粒导管(112)安装于所述的颗粒熔融挤出机构(2)的进料漏斗(26)内侧上部。
2.根据权利要求1所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于，所述的颗粒微分传输机构(1)还包括支撑基板(11)，所述第一滞料筒(15)和所述第二滞料筒(111)分别固定于所述支撑基板(11)上，优选通过法兰固定于所述支撑基板(11)上，所述支撑基板(11)与所述第一滞料筒(15)和所述第二滞料筒(111)的对应部位开有两个圆形过孔，所述第一滞料筒(15)和所述第二滞料筒(111)的下端分别穿过各自对应的圆形过孔，与所述第一颗粒导管(16)和所述第二颗粒导管(112)的上端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于，所述的颗粒微分传输机构(1)还包括第一出料电机支架(13)和第二出料电机支架(19)，所述第一出料电机(12)通过所述第一出料电机支架(13)于所述支撑基板(11)固定；所述第二出料电机(18)通过所述第二出料电机支架(19)于所述支撑基板(11)固定。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，所述进料漏斗(26)与所述熔融料筒(24)的进料口紧密贴合。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于：所述电机为步进电机。
6.根据权利要求2所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于：所述第一出料旋转叶片(14)和所述第二出料旋转叶片(110)设置有伺服电机，所述伺服电机带动出料旋转叶片控制颗粒料进料量。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于：所述颗粒熔融挤出机构(2)有独立的温控系统。
8.根据权利要求3所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于：所述螺杆(25)为等距渐变型，包含加料段、压缩段、计量段；优选螺杆直径为18mm，螺杆长度为108mm，长径比为6，加料段长度为21mm，压缩段长度为54mm，计量段长度为33mm，加料段螺槽深度为3mm，计量段螺槽深度为1mm，几何压缩比为2.5，螺纹螺距为10mm，螺纹升角为10°，螺纹头数为1，螺棱法向宽度2mm，螺槽法向宽度为8mm，头部为118°钝锥面，螺纹根部圆分别为0.5mm、1.0mm。
9.根据权利要求3所述的一种多材料梯度成形熔融挤出系统，其特征在于：所述熔融料筒(24)的壁厚为5mm，即料筒的外径为28mm。
10.一种颗粒状异质多材料料挤出系统，包括权利要求1-9中任一项所述的多材料梯度成形熔融挤出系统。
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