CN110315755A - 一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置 - Google Patents

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CN110315755A CN201910234474.5A CN201910234474A CN110315755A CN 110315755 A CN110315755 A CN 110315755A CN 201910234474 A CN201910234474 A CN 201910234474A CN 110315755 A CN110315755 A CN 110315755A
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吴小平
罗天珍
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置；属于机械构造领域；本发明给出一种瞬变色挤出机装置，各个熔料腔的出口与喷口(12)是在同一圆周上，而喷口(12)是挤出喷口盘(7)上唯一的喷口，熔料腔盘(1)被穿过挠曲弹簧片(19)中孔的一个铆钉铆与挤出喷口盘(7)连接在一起，在弹簧片(19)的弹力约束下，熔料腔盘(1)能紧贴挤出喷口盘(7)的上面，出口相对于喷口对齐的情况下，物料才能从喷口(12)流出，其余情况的挤出喷口盘(7)的上面(平面)将对熔料腔盘(1)的所出口有密封；因而实现对各色熔融物料的选择流出，使用摩擦送料器获最佳匹配，可以被广泛用于FDM‑3D打印机中。

Description

一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置
[技术领域]
本发明属机械制造领域，特别涉及一种多色FDM--3D打印机挤出装置。
[背景技术]
目前的FDM—3D打印机的挤出机构造：
3D打印技术由于具有快速灵活低成本进行设计与验证，目前使用范围越来越广泛。FDM-3D打印机具有入门快、成本低等特点，目前应用范围也比较广泛，在FDM-3D打印机中，挤出装置是整个打印机的最关键部件之一，挤出装置决定着打印效果和效率，常见的FDM-3D打印机的多色打印机，要么是各色各用独立多挤出机方式，要么是多色共用熔融腔及喷口方式，前者结构体积庞大且对位困难，后者换色缓慢等缺点。
类似于活塞泵，塑料丝在融化前作为活塞对熔融腔产生压力并由喷嘴被挤出；详细而言：将塑料丝从通过挤出机总成的入口端推入喉管，再通过喉管导向，送入加热铝块的熔融腔部位，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,塑料丝被充分熔化后，在后续进丝的 (活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。
挤出机装置包括挤出机总成及送料装置：
挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。
送料装置分为远程送料装置及近程送料装置；远程送料装置是送料电机的齿轮驱动料丝进入铁氟龙软管，该铁氟龙软管经过喉管通向熔融腔部位，铁氟龙软管的2端分别是与喉管及送料电机的支架刚性锁紧的。近程送料装置与远程送料装置无本质区别，区别在于送料电机与喉管直接刚性连接而省去了铁氟龙导料管。
FDM—3D打印机的背景技术：
FDM：熔融沉积成型技术是，熔融沉积成型工艺(Fused Deposition Modeling，FDM)。
打印之前FDM-3D打印机内置软件自动读取3D模型数据并将其分层,分层之后，经过高温熔化的液态通过挤出机的喷口挤出，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过挤出机在平面上的摆动以及打印板向下位移形成立体实物。3D打印需要经过3D扫描、3D建模的过程，最终完成3D打印成品。当然，基于FDM成型技术的3D打印机也不例外。除去3D扫描、3D建模过程，就3D打印本身而言，FDM成型技术一般经过以下环节。首先FDM软件对3D模型数据进行分析、分层，生成打印路径以及支撑路径。其次，挤出机和打印物件承载台会升至 3D模型设置的温度。最后，打印过程中，挤出机在平面上的位移以及打印物件承载台上下位移会形成一个三维空间，挤出机和打印物件承载台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，挤出机完成一个平面上的打印任务后，打印物件承载台自动下降一层，挤出机继续打印。循环往复直至成品的完成。在打印过程中，插入挤出机的线材会迅速融化，通过挤出机挤出瞬间凝结。挤出机温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，挤出机的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印物件承载台一般为加热，打印物件承载台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。熔融沉积成型的原理如下：先是向计算机输入切片文件(截面轮廓信息),切片的厚度一般选取为:0.1-0.6毫米之间；加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的(切片)截面轮廓信息，作X-Y平面运动，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0.127mm 厚的薄片轮廓。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"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。目前的FDM-3D技术与精雕技术(CNC)的结合还没有一个在成本，效果能尽善尽美的方案。
下面以开源软件的版本为例对切片的程序操作进行说明:
将三维模型文件生成导出为STL格式的文件，然后将STL格式文件生成Gcode格式的文件才可以对其进行打印操作的，可以在3ds max 中制作，也可以在Solid Works丶UG丶MAYA等其他的三维模型制作软件中制作。接下来，需要在3ds max中将此方块的模型进行导出，导出为STL格式的文件，并命名为适当的文件名称，值得注意的是命名的时候要使用英文或者拼音命名操作，或者字母加数字两者组合。
接下来打开Cura软件，将导出的STL格式的三维模型文件在 Cura软件中打开。支撑内分为两种类型:第一项为外部支撑:即与打印机平台能有接触的支撑结构第二项Everywhere是指所有出现悬空结构的地方均给予支撑辅助；平台附着类型也是有两个类型:第一项为模型外围附加一圈底座帮助模型更牢固的粘附在平台上,第二项为模型整个底部附加底座来帮助模型粘附在平台上这里一般推荐使用第一项即可；线材直径是指3D打印机所使用的耗材的直径大小,这里因为是使用的3MM的耗材,输入2.95即可流量值100％；还需要对其他的两个重要参数进行设置：“机器设置”和“高级设置”。机器设置需要注意的设置选项是“平台大小”及"挤出量"的设置；高级设置一般只需要将这里支撑的填充密度改动即可.
[发明内容]
本发明目的：
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足而解决多色挤出机的换色过度缓慢等缺点。
本发明特点：
构造简单成熟、运行可靠。
本发明的技术方案：
本发明的挤出机装置分为3种：独立送料器供料结合瞬变色喷头的瞬变色挤出机装置和摩擦送料器供料结合瞬变色喷头的瞬变色挤出机装置；或瞬变色喷头与储粉仓直接通过送料管输送材料。该情况是在重力或气压的作用下，储粉仓直中的金属粉、泥粉、砂粉等粉状材料交替切换流入成型缸中，形成在砂粉支撑下的三维的金属、泥粉构造。
以上三种挤出机装置的共同组件是瞬变色喷头：
瞬变色喷头的基本装配关系及工作原理为：
换色电机(21)及挤出喷口盘(7)固定在支架A(18)上，在挤出喷口盘(7)与支架A(18)之间垫有隔热块(8)的隔热连接；加热电阻(23)及温度传感器(24)被安装在挤出喷口盘(7)或熔料腔盘(1)上；转轴(25)将喉管兼散热体(10)与送料管卡片兼隔热垫(9)熔料腔盘(1)刚性连接在一起，送料管A(2)、送料管B(3)、送料管C(4)、送料管D(5)、送料管E(6)被送料管卡片兼隔热垫(9)压紧密封，固定在支架A(18)上的换色电机(21) 经由联轴器(20)连接转轴(25)。
各个熔料腔的出口与喷口(12)是在同一圆周上，而喷口(12) 是挤出喷口盘(7)上唯一的喷口，熔料腔盘(1)被穿过挠曲弹簧片 (19)中孔的一个铆钉铆与挤出喷口盘(7)连接在一起，在弹簧片 (19)的弹力约束下，熔料腔盘(1)能紧贴挤出喷口盘(7)的上面 (铆钉也穿过挤出喷口盘(7)的中心孔，并不压死弹簧片(19)，使得是挤出喷口盘(7)相对于熔料腔盘(1)能够转动)，由于挤出喷口盘(7)与熔料腔盘(1)的接触力的存在，当在熔料腔盘(1)的熔料腔A(13)、熔料腔B(14)、熔料腔C(15)、熔料腔D(16)、熔料腔E(17)的出口(28)相对于喷口(12)对齐的情况下，物料才能从喷口(12)流出，其余情况的挤出喷口盘(7)的上面(平面) 将对熔料腔盘(1)的所出口有密封；因而实现对各色熔融物料的选择流出。
加热电阻(23)对挤出喷口盘(7)进行加热，热量经过接触面传导至熔料腔盘(1)，各色料丝在远程供料系统的推动下，经过送料管进入熔料腔盘(1)的各色熔料腔中被熔化，如果熔料腔盘(1) 某色的出口恰好对准的挤出喷口盘(7)喷口，色料将被挤出，转动熔料腔盘(1)且对齐各色出口，不同颜色的熔料将被挤出。
风扇(22)对喉管兼散热体(10)进行散热。
料丝(27)被送料机构经由送料管被送入熔料腔中。
如何控制换色电机(21)的转动，使得挤出喷口盘的喷口对准熔料腔盘是的各色出口，选用伺服系统(可以是码盘)或设置机械转动的原点角度位置，由开环的步进电机的寻址方式也可。
进一步：本图是5色熔料腔盘(1)，实际上按照需要，熔料腔盘(1)的熔料腔数量可以是2个、3个、4个、6个……甚至更多。
进一步：在达到同样的换色性能，也有另一种拓展结构：熔料腔盘是固定在支架A上而不转动，而挤出喷口盘被换色电机(21)通过齿轮或皮带旁轴驱动，产生转动进行换色。
摩擦送料器基本构造及原理为：
支架B(30)的一端接有及调速电机(32)；驱动电机(31)直接驱动主轴(42)转动，在上依次串有多组止转挡圈(44)、摩擦片 (43)、推料轮(37)、止转挡圈(44)；离最近的止转挡圈可以是由与主轴(42)一体化的凸起直接充当；止转挡圈(44)被一根贯穿其直径的刚性连接的柱体约束，该柱体也穿过主轴(42)的轴向通槽，使得只能沿着主轴(42)的轴向自由滑动，而不能转动；摩擦片 (43)夹于止转挡圈(44)与推料轮(37)之间且只与2者接触；推力弹簧(33)会使摩擦片(43)与止转挡圈(44)及推料轮(37)之间产生压力，当外力止转推料轮(37)时，2侧的摩擦片(43)将产生摩擦力矩，该力矩即可以用来推动料丝前进。
摩擦力矩的大小取决于推力弹簧(33)的弹力，改变推力弹簧(33) 的弹力是通过滑块(35)的位移来实现，滑块(35)被约束在与主轴 (42)同轴向的光轴导轨(46)上，调速电机(32)通过转动丝杠(36) 驱动带有丝杠姆的压块(35)轴向平移，以改变的推力弹簧(33)长度。
送料管接头(39)卡紧铁氟龙制造的送料管，料丝(45)被可以自由转动的压紧胶轮(38)压紧在推料轮(37)上，压紧胶轮(38) 的转动会对料丝(45)产生推力而进入送料管。
主轴(42)的转动速度要大于料丝的实际使用所对应的主轴转速，确保摩擦力矩的存在。
独立送料器为行业通用的远程供料器，为公知技术，不再阐述。
调速电机(32)及驱动电机都可以选取步进电机，将连接在步进电机驱动器上。
普通远程供料结构：已经应用20余年了，由驱动电机、与电机轴固定安装的推料齿轮、压紧靠轮压紧弹簧及使压紧靠轮移开的扳手、电机支架、锁紧送料管的锁头(类似于气管锁头)等；在压紧弹簧推动压紧靠轮下，电机驱动齿轮推动夹紧在其中的料丝，料丝被推入送料管，原理非常简单。
本发明的有益效果：
换色迅捷，过度杂色很少，易于做到毫米尺度的喷出料丝的换色长度及1/100秒数量级的换色响应。
[附图说明]
图1普通FDM-3D打印机示意图。
图2瞬变色喷头示意图。
图3瞬变色喷头的核心部位爆炸示意图.
图4瞬变色喷头的核心部位局抛示意图.
图5摩擦供料结构示意图。
图6摩擦供料的瞬变色挤出机装置示意图。
附图标注：
在图中：1.熔料腔盘 2.送料管,3.隔热套管，4.铆钉， 5.转轴限位块，7.挤出喷口盘，8.隔热块，9.送料管卡片兼隔热垫，10.喉管兼散热体,12.喷口，13.熔料腔,14. 熔料腔入口，18.支架A,19.弹簧片，20.联轴器，21.换色电机，22.风扇，23.加热电阻，24.温度传感器，25.转轴，27.料丝，28.出口，30.支架B，31.驱动电机，32. 调速电机，33.推力弹簧，34.转轴轴向槽，35.滑块，36. 丝杠，37.推料轮，38.压紧胶轮，39.送料管接头，40.丝杠姆，41.传统送料器手压柄，42.主轴,43.摩擦片,44.止转挡圈,45.料丝，46.光轴导轨，47.直线轴承，50. 远程供料结构，51.料丝，52.挤出喷头，53.喷头头，54.打印平台，55.止转销，56.滑块前沿，57.料丝，58.送料管锁头，59.瞬变色喷头，60.扩口，
[实施案例]
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：
普通FDM-3D打印机的远程供料结构(50)推动料丝(51)进入送料管(55)，经过挤出喷头(52)进入加热的熔料腔后，再经喷头口(53)喷出，(54)是打印平台。
如图2、图3、图4所示：
瞬变色喷头的原理及装配关系阐述如下：
换色电机(21)及挤出喷口盘(7)固定在支架A(18)上，在挤出喷口盘(7)与支架A(18)之间垫有隔热块(8)，进行隔热连接，防止高温的挤出喷口盘(7)的热量过多的传入支架；加热电阻 (23)及温度传感器(24)被安装在挤出喷口盘(7)或熔料腔盘(1) 上，目的是对挤出喷口盘或熔料腔盘进行加热并进行温控，挤出喷口盘(7)与熔料腔盘(1)的接触面虽然是相对运动表面，但接触良好，易于相互传导热量；转轴(25)被转轴限位块(5)阻挡(阻挡转轴上的凸起部位)，转动范围不超过360度；同时，被隔热套管 (3)隔开的转轴(25)将喉管兼散热体(10)与送料管卡片兼隔热垫(9)熔料腔盘(1)刚性连接在一起，送料管A(2)、送料管B (3)、送料管C(4)、送料管D(5)、送料管E(6)被送料管卡片兼隔热垫(9)压紧密封，送料管的一段被加工成喇叭口状(如：扩口(60))且被夹紧在料管卡片兼隔热垫(9)与熔料腔盘(1)的圆锥状的配合面上，扩口(60)也正对着熔料腔入口(14)。
固定在支架A(18)上的换色电机(21)经由联轴器(20)连接转轴(25)。
各个熔料腔的出口与喷口(12)是在同一圆周上，而喷口(12) 是挤出喷口盘(7)上唯一的喷口，熔料腔盘(1)被穿过挠曲弹簧片 (19)中孔的一个铆钉铆与挤出喷口盘(7)连接在一起，在弹簧片 (19)的弹力约束下，熔料腔盘(1)能紧贴挤出喷口盘(7)的上面 (铆钉(4)也穿过挤出喷口盘(7)的中心孔，并不压死弹簧片(19)，使得是挤出喷口盘(7)相对于熔料腔盘(1)能够转动)，由于挤出喷口盘(7)与熔料腔盘(1)的接触力的存在，当在熔料腔盘(1) 的熔料腔A(13)、熔料腔B(14)、熔料腔C(15)、熔料腔D(16)、熔料腔E(17)的出口(28)相对于喷口(12)对齐的情况下，物料才能从喷口(12)流出，其余情况的挤出喷口盘(7)的上面(平面) 将对熔料腔盘(1)的所出口有密封，一次只能是挤出喷口盘(7) 的喷口对齐熔料腔盘(1)的一个出口，因而实现对各色熔融物料的选择流出，换色迅捷，过度杂色很少，易于做到毫米尺度的喷出料丝的换色长度及1/100秒数量级的换色响应。
风扇(22)对喉管兼散热体(10)进行散热。
料丝(27)被送料机构经由送料管被送入熔料腔中。
本图是5色熔料腔盘(1)，实际上按照需要，熔料腔盘(1) 的熔料腔数量可以是2个、3个、4个、6个……甚至更多。
步进电机连接在步进电机驱动器上。
如图5、图6所示：
支架B(30)的一端接有及调速电机(32)；驱动电机(31)直接驱动主轴(42)转动，在上依次串有多组止转挡圈(44)、摩擦片 (43)、推料轮(37)；止转挡圈(44)被止转销(55)穿过其直径并固定连接，该止转销(55)有穿过转轴轴向槽(34)，使得止转销(55)能自由沿着轴向滑动，而不能相对于主轴(42)转动；离最近的止转挡圈可以是由与主轴(42)一体化的凸起直接充当；止转挡圈(44)被一根贯穿其直径的刚性连接的柱体约束，该柱体也穿过主轴(42)的轴向通槽，使得只能沿着主轴(42)的轴向自由滑动，而不能转动；摩擦片(43)夹于止转挡圈(44)与推料轮(37)之间且只与2者接触；推力弹簧(33)会使摩擦片(43)与止转挡圈(44) 及推料轮(37)之间产生压力，当外力止转推料轮(37)时，2侧的摩擦片(43)将产生摩擦力矩，该力矩即可以用来推动料丝前进。
摩擦力矩的大小取决于推力弹簧(33)的弹力，改变推力弹簧(33) 的弹力是通过压块(35)的位移来实现，压块(35)被约束在与主轴 (42)同轴向的光轴导轨(46)上，调速电机(32)通过转动与其轴紧固在一起的丝杠(36)驱动带有丝杠姆(40)及直线轴承(47)的滑块(35)轴向平移，滑块前沿(56)将触及弹簧以改变的推力弹簧 (33)长度。
送料管接头(39)卡紧铁氟龙制造的送料管，料丝(45)被可以自由转动的压紧胶轮(38)压紧在推料轮(37)上，压紧胶轮(38) 的转动会对料丝(45)产生推力而进入送料管。
主轴(42)的转动速度要大于料丝的实际使用所对应的主轴转速，确保摩擦力矩的存在。
调速电机(32)及驱动电机都可以选取步进电机，将连接在步进电机驱动器上。
摩擦供料的瞬变色挤出机装置，无论多少颜色，都只需要1个摩擦供料机构，简单、可靠实用且成本低廉。
远程供料需要通过料丝(57)连接，料丝(57)的两端都要被送料管锁头(58)锁紧；滑块前沿(56)的移动压缩弹簧，改变摩擦力而改变了对料丝的推力，瞬变色喷头(59)一般是被安装在打印机的一个平动平台上。

Claims (3)

1.一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置；结构主体包括:瞬变色喷头、独立送料器供料机构或摩擦送料器供料机构组成；基本装配关系为：瞬变色喷头与独立送料器供料机构或摩擦送料器供料机构或储粉仓是通过送料管连接的；瞬变色喷头与安装在FDM-3D打印机挤出机运载台上，独立送料器供料机构或摩擦送料器供料机构是安装在的非运动的固定部位上；其特征就在于：在瞬变色挤出机装置中使用了瞬变色喷头、瞬变色喷头与独立送料器供料机构的搭配或瞬变色喷头与摩擦送料器供料机构的搭配；或瞬变色喷头与储粉仓直接通过送料管输送材料。
2.如权利要求1一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置所述的瞬变色喷头的基本结构及装配关系是：换色电机(21)及挤出喷口盘(7)固定在支架A(18)上，在挤出喷口盘(7)与支架A(18)之间垫有隔热块(8)的隔热连接；加热电阻(23)及温度传感器(24)被安装在挤出喷口盘(7)或熔料腔盘(1)上；转轴(25)将喉管兼散热体(10)与送料管卡片兼隔热垫(9)熔料腔盘(1)刚性连接在一起，送料管A(2)、送料管B(3)、送料管C(4)、送料管D(5)、送料管E(6)被送料管卡片兼隔热垫(9)压紧密封，固定在支架A(18)上的换色电机(21)经由联轴器(20)连接转轴(25)；各个熔料腔的出口与喷口(12)是在同一圆周上，而喷口(12)是挤出喷口盘(7)上唯一的喷口，熔料腔盘(1)被穿过挠曲弹簧片(19)中孔的一个铆钉铆与挤出喷口盘(7)连接在一起，在弹簧片(19)的弹力约束下，熔料腔盘(1)能紧贴挤出喷口盘(7)的上面，由于挤出喷口盘(7)与熔料腔盘(1)的接触力的存在，当在熔料腔盘(1)的熔料腔A(13)、熔料腔B(14)、熔料腔C(15)、熔料腔D(16)、熔料腔E(17)的出口(28)相对于喷口(12)对齐的情况下，物料才能从喷口(12)流出，其余情况的挤出喷口盘(7)的上面将对熔料腔盘(1)的所出口有密封；因而实现对各色熔融物料的选择流出；熔料腔盘(1)，实际上按照需要，熔料腔盘(1)的熔料腔数量可以是2--200个；在达到同样性能的拓展结构中，熔料腔盘是固定在支架A上，而挤出喷口盘被换色电机(21)通过齿轮或皮带旁轴驱动。
3.如权利要求1一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置所述的摩擦送料器供料机构的基本结构及装配关系是：支架B(30)的一端接有及调速电机(32)；驱动电机(31)直接驱动主轴(42)转动，在上依次串有多组止转挡圈(44)、摩擦片(43)、推料轮(37)、止转挡圈(44)；离最近的止转挡圈可以是由与主轴(42)一体化的凸起直接充当；止转挡圈(44)被一根贯穿其直径的刚性连接的柱体约束，该柱体也穿过主轴(42)的轴向通槽，使得只能沿着主轴(42)的轴向自由滑动，而不能转动；摩擦片(43)夹于止转挡圈(44)与推料轮(37)之间且只与2者接触；推力弹簧(33)会使摩擦片(43)与止转挡圈(44)及推料轮(37)之间产生压力，当外力止转推料轮(37)时，2侧的摩擦片(43)将产生摩擦力矩，该力矩即可以用来推动料丝前进；摩擦力矩的大小取决于推力弹簧(33)的弹力，改变推力弹簧(33)的弹力是通过压块(35)的位移来实现，压块(35)被约束在与主轴(42)同轴向的光轴导轨(46)上，调速电机(32)通过转动丝杠(36)驱动带有丝杠姆的压块(35)轴向平移，以改变的推力弹簧(33)长度；送料管接头(39)卡紧铁氟龙制造的送料管，料丝(45)被可以自由转动的压紧胶轮(38)压紧在推料轮(37)上，压紧胶轮(38)的转动会对料丝(45)产生推力而进入送料管；主轴(42)的转动速度要大于料丝的实际使用所对应的主轴转速，确保摩擦力矩的存在。
CN201910234474.5A 2018-03-30 2019-03-26 一种三维打印机专用瞬变色挤出机装置 Pending CN110315755A (zh)

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