CN110370621A - 一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，包括温控系统、挤出系统、两个传动系统和两个柱塞连接件，两个传动系统对称设置在挤出系统两侧，分别通过柱塞连接件与挤出系统相连，从而控制挤出系统的上升和下降，温控系统固定在挤出系统上。本发明提高了预热效率，解决了柱塞式3D打印中不能连续稳定进料的问题。

Description

一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置

技术领域

本发明属于含能材料增材制造FDM沉积熔融技术，具体涉及一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置。

背景技术

含能材料是一类具有爆炸性或具有氧化剂和可燃物，在外界一定的能量刺激下，能独立进行化学反应并释放大量能量、气体和热的化合物或混合物。传统的含能材料成型方式主要有铸造法、压伸法和浇铸法三种。随着弹药武器技术的不断发展，传统成型方式过程冗繁、复杂异型药柱适应性差、生产效率低、成型过程安全性低等问题日益凸显，越来越不能满足新型弹药武器技术对药柱能量、燃烧、力学、安全等性能提出的要求。

增材制造技术以极高的柔性和应用范围获得制造业和学术界的积极响应，区别于传统机械加工中“减材法”工艺，增材制造技术基于离散堆积的成型思想，讲零件的三维CAD模型沿高度方向分层切片，得到每层片的截面信息，生成相应的加工代码，再输出到成型设备中扫描填充，并沿高度方向堆积，逐步实现三维实体零件的制造，成型不受零件形状限制，大大缩短了新产品的设计和开发周期。将含能材料通过增材制造的方式来制造，能够实现无模具化成型，解决了传统火药成型工艺对于复杂异型药柱适应性差的缺陷，同时整个过程由计算机控制，人为参与少，可以很好的实现人机隔离，解决传统火药成型工艺成型过程的安全性问题。

目前，增材制造已有十多种工艺，但含能材料的材料特殊，大多数工艺方式都无法使用，并且目前含能材料增材制造的研究还很少，中国专利201610115981.X公开了一种含能材料3D打印成型装置，该装置采用沉积熔融制造工艺，将配制均匀的药物放在料筒中，机筒实现Z轴方向上的运动，平台实现XY上的运动，通过柱塞的挤压能够实现含能材料的增材制造。但是由于采用的是气动控制挤出速度，所以稳定性较差，并且只能一次性加料挤出，不能连续性挤出，可制造的药柱大小受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，解决了原有柱塞式存在的问题，克服了气压式挤出控制稳定性较差，不易控制挤出速度，并且只能一次性加料，打印过程中无法加料，从而打印的成型件大小受限等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，包括温控系统、挤出系统、两个传动系统和两个柱塞连接件，两个传动系统对称设置在挤出系统两侧，分别通过柱塞连接件与挤出系统相连，温控系统固定在挤出系统上。

挤出系统包括机筒、旋转组件、连接法兰、喷头套、喷头、第一联轴器、第一步进电机、两个柱塞杆和两个单向阀；机筒包括圆筒、圆管和两块连接板，圆管沿圆筒中心设置，圆管外壁通过两块连接板与圆筒内壁连接，圆管和两块连接板将圆筒分为两个对称的腔体，圆筒底面外侧壁周向上设有一圈凸台，每块连接板自其顶面向下开有一个盲孔，凸台上方的圆筒外壁上对称设有一对单向阀安装台，用于安装单向阀；连接法兰顶面开有圆形凹槽，自连接法兰底面中心向上开有一个螺纹盲孔，自凹槽底面中心向下开有一个渐缩形孔与螺纹盲孔相通；旋转组件包括旋转杆和固定在旋转杆底部的挡片，旋转杆穿过圆管，旋转杆顶部通过第一联轴器与第一步进电机固连，旋转杆底部的挡片设置在连接法兰凹槽内，当旋转杆在第一步进电机带动下旋转，带动挡片刚好挡住上述的一个空腔；喷头套固定在喷头上，喷头固连在连接法兰底面的螺纹盲孔内，柱塞杆的形状与空腔形状匹配，柱塞杆顶面固连柱塞连接件，在柱塞连接件的带动下，在空腔内上下移动；温控系统固定在挤出系统上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）结构较为简单，成本低，并且为模块化组件，益于零部件的维修和更换。

（2）常规的柱塞式挤出只能一次性加料挤出，本发明改进成连续性挤出装置，将腔体一分为二，通过旋转组件的控制，能够使两腔体独立工作，在一个腔体挤出的过程中可以对另一个腔体添料，两腔体共享一个挤出口（即机筒以下部分），从而保证了挤出的连续性。

（3）多个加热装置，机筒内外加热提高了熔融效率以及热均匀性，出口处的加热及温度传感器防止挤出过程中的散热带来的影响，保证了出口处的物料温度一致性。

附图说明

图1为本发明的整体装置示意图。

图2为本发明的传动系统示意图。

图3为本发明的挤出系统示意图。

图4为本发明的旋转组件示意图，其中图（a）为旋转组件与机筒连接示意图，图（b）为旋转组件与连接法兰连接示意图。

图5为本发明的机筒和机筒温控装置示意图。

图6为本发明的喷头和喷头套及其温控装置示意图。

图7为本发明的连接法兰示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，包括温控系统、挤出系统、两个传动系统和两个柱塞连接件11，两个传动系统对称设置在挤出系统两侧，分别通过柱塞连接件11与挤出系统相连，温控系统固定在挤出系统上。

所述挤出系统包括机筒13、旋转组件10、连接法兰15、喷头套16、喷头17、第一联轴器9、第一步进电机8、两个柱塞杆12和两个单向阀14；机筒13包括圆筒13-1、圆管13-2和两块连接板13-3，圆管13-2沿圆筒13-1中心设置，圆管13-2外壁通过两块连接板13-3与圆筒13-1内壁连接，圆管13-2和两块连接板13-3将圆筒13-1分为两个对称的腔体，圆筒13-1底面外侧壁周向上设有一圈凸台13-4，每块连接板13-3自其顶面向下开有一个盲孔，凸台13-4上方的圆筒13-1外壁上对称设有一对单向阀安装台13-5，用于安装单向阀14；连接法兰15顶面开有圆形凹槽，自连接法兰15底面中心向上开有一个螺纹盲孔，自凹槽底面中心向下开有一个渐缩形孔与螺纹盲孔相通；旋转组件10包括旋转杆和固定在旋转杆底部的挡片，旋转杆穿过圆管13-2，旋转杆顶部通过第一联轴器9与第一步进电机8固连，旋转杆底部的挡片设置在连接法兰15凹槽内，当旋转杆在第一步进电机8带动下旋转，带动挡片刚好挡住上述的一个空腔；喷头套16固定在喷头17上，喷头17固连在连接法兰15底面的螺纹盲孔内，柱塞杆12的形状与空腔形状匹配，柱塞杆12顶面固连柱塞连接件11，在柱塞连接件11的带动下，在空腔内上下移动；温控系统固定在挤出系统上。

所述渐缩形孔直径大的一端孔径小于凹槽的直径，从而凹槽底面形成台阶面，有利于控制挡片的位置；柱塞杆12的长度大于圆筒13-1长度。

温控系统包括机筒外壁加热套19、喷头套加热棒20、温度传感器21和两根机筒内部加热棒18；机筒内部加热棒18分别插入两块连接板13-3的盲孔中，顶部伸出盲孔，机筒外壁加热套19贴于机筒机筒13外壁，长度小于圆筒13-1的长度，不影响其他部件工作，通过内外加热有利于物料的预热；在喷头套16上开有两个安装孔，用于安装喷头套加热棒20和温度传感器21。

传动系统包括第二联轴器1、丝杠2、滑块3、下盖板4、侧板5、上盖板6、第二步进电机7；上盖板6平行设置在下盖板4正上方，两者通过侧板5连接固定，上盖板6和下盖板4中心对应分别设有通孔，第二步进电机7固定在上盖板6顶面，其输出轴穿过上盖板6的通孔后通过第二联轴器1与丝杠2顶部固连，丝杠2底部与下盖板4的通孔转动连接，滑块3设置在丝杠2上，沿丝杠2上下滑动。

进一步地，滑块3的侧壁贴着侧板5上下移动。

本发明的一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，安装过程如下：

步骤1、安装传动系统：首先将上盖板6和下盖板4通过螺纹连接固定在侧板5上下两端，然后把侧板5的通过螺纹连接安装固定在机架上，第二步进电机7通过螺纹连接固定在上盖板上，利用第二联轴器1使第二步进电机7和滚珠丝杠2相连，滚珠丝杠2通过滑块3并且底部穿过下盖板4通孔进行径向固定，滑块3的侧壁贴着侧板5上下移动。

步骤2、安装挤出系统：机筒13安装固定在机架上，将旋转组件10穿过机筒，单向阀14通过螺纹连接单向阀安装台13-5相连，机筒13和连接法兰15通过螺栓连接，旋转组件10的挡片在连接法兰15凹槽内，半圆挡片与凹槽零间隙配合，高度与凹槽一样，可以周向旋转但不可轴向位移，直径大于腔体直径，挡片能够完全阻挡物料流通。喷头17与连接法兰15通过螺纹连接，然后喷头套16再与喷头17螺纹连接。旋转组件10上端通过第一联轴器9与第一步进电机8相连，并且将第一步进电机8固定在机架上。柱塞杆连接件11分别通过螺钉连接在对应的柱塞杆12和滑块3上。

步骤3、安装温控系统：机筒内部加热棒18和喷头套加热棒20以及温度传感器21均与其对应的孔为过渡配合，机筒外壁加热套19贴附在机筒外壁上，通过内外多处加热实现对物料的加热熔融，喷头处放置的温度传感器21实现对出口温度的实时监控。

步骤4、运行过程：将各个装置都安装好，让旋转组件10旋转一定角度刚好阻挡其中一个腔室物料流动，备用的物料进行预处理使其混合搅拌均匀，然后在两个腔室都放置适量的物料。让机筒加热装置先进行预热，由于机筒为金属材质，热传递性良好，并且内外同时加热，提高机筒内物料的熔融速率。待物料熔融完全后，使两个柱塞杆12进入机筒，滚珠丝杠副将电机的旋转运动变换成滑块的直线运动，驱动柱塞杆12上下移动，被旋转组件10挡片阻止流通的腔室内的柱塞杆在机筒中暂时不向下挤压，停在机筒中起保温作用，另一个柱塞杆以给定速度向下持续挤压至限定位置。挤压柱塞杆过程中运行喷头套加热棒20和温度传感器21，保证挤出的物料温度具有一致性。当柱塞杆12达到设定位置时，停止挤出，同时第一步进电机8驱使旋转组件10旋转180°，更换腔室流通情况，然后上升原挤压柱塞杆并让另一个柱塞杆向下挤压。单向阀14可以保证挤压过程中不会有液体流出，上升过程中外界空气可以顺畅的进入腔室，防止腔室内形成的负压导致柱塞杆12难以拔出。

步骤5、重复步骤4直至完成打印，通过旋转组件10的控制，能够使两腔体独立工作，在一个腔体挤出的过程中可以对另一个腔体添料两腔体共享一个挤出口（即机筒以下部分），依次有序循环交替挤出过程可以实现物料的连续性挤出。

Claims (6)

1.一种含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：包括温控系统、挤出系统、两个传动系统和两个柱塞连接件（11），两个传动系统对称设置在挤出系统两侧，分别通过柱塞连接件（11）与挤出系统相连，温控系统固定在挤出系统上。

2.根据权利要求1所述的含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：挤出系统包括机筒（13）、旋转组件（10）、连接法兰（15）、喷头套（16）、喷头（17）、第一联轴器（9）、第一步进电机（8）、两个柱塞杆（12）和两个单向阀（14）；机筒（13）包括圆筒（13-1）、圆管（13-2）和两块连接板（13-3），圆管（13-2）沿圆筒（13-1）中心设置，圆管（13-2）外壁通过两块连接板（13-3）与圆筒（13-1）内壁连接，圆管（13-2）和两块连接板（13-3）将圆筒（13-1）分为两个对称的腔体，圆筒（13-1）底面外侧壁周向上设有一圈凸台（13-4），每块连接板（13-3）自其顶面向下开有一个盲孔，凸台（13-4）上方的圆筒（13-1）外壁上对称设有一对单向阀安装台（13-5），用于安装单向阀（14）；连接法兰（15）顶面开有圆形凹槽，自连接法兰（15）底面中心向上开有一个螺纹盲孔，自凹槽底面中心向下开有一个渐缩形孔与螺纹盲孔相通；旋转组件（10）包括旋转杆和固定在旋转杆底部的挡片，旋转杆穿过圆管（13-2），旋转杆顶部通过第一联轴器（9）与第一步进电机（8）固连，旋转杆底部的挡片设置在连接法兰（15）凹槽内，当旋转杆在第一步进电机（8）带动下旋转，带动挡片刚好挡住上述的一个空腔；喷头套（16）固定在喷头（17）上，喷头（17）固连在连接法兰（15）底面的螺纹盲孔内，柱塞杆（12）的形状与空腔形状匹配，柱塞杆（12）顶面固连柱塞连接件（11），在柱塞连接件（11）的带动下，在空腔内上下移动；温控系统固定在挤出系统上。

3.根据权利要求2所述的含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：渐缩形孔直径大的一端孔径小于凹槽的直径，从而凹槽底面形成台阶面，有利于控制挡片的位置；柱塞杆（12）的长度大于圆筒（13-1）长度。

4.根据权利要求2所述的含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：温控系统包括机筒外壁加热套（19）、喷头套加热棒（20）、温度传感器（21）和两根机筒内部加热棒（18）；机筒内部加热棒（18）分别插入两块连接板（13-3）的盲孔中，顶部伸出盲孔，机筒外壁加热套（19）贴于机筒机筒（13）外壁，长度小于圆筒（13-1）的长度，不影响其他部件工作，通过内外加热有利于物料的预热；在喷头套（16）上开有两个安装孔，用于安装喷头套加热棒（20）和温度传感器（21）。

5.根据权利要求1所述的含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：传动系统包括第二联轴器（1）、丝杠（2）、滑块（3）、下盖板（4）、侧板（5）、上盖板（6）、第二步进电机（7）；上盖板（6）平行设置在下盖板（4）正上方，两者通过侧板（5）连接固定，上盖板（6）和下盖板（4）中心对应分别设有通孔，第二步进电机（7）固定在上盖板（6）顶面，其输出轴穿过上盖板（6）的通孔后通过第二联轴器（1）与丝杠（2）顶部固连，丝杠（2）底部与下盖板（4）的通孔转动连接，滑块（3）设置在丝杠（2）上，沿丝杠（2）上下滑动。

6.根据权利要求5所述的含能材料增材制造柱塞式连续挤出装置，其特征在于：滑块（3）的侧壁贴着侧板（5）上下移动。