CN113211785A - 一种注射3d打印装置 - Google Patents

Abstract

一种注射3D打印装置，包括用于放置3D打印件的三维移动组件以及驱动机构，驱动机构包括第一驱动机构和第二驱动机构，三维移动组件上方设置塑化注射组件；塑化注射组件包括注射喷嘴、机筒、注射螺杆、料筒；注射喷嘴设在机筒前端，机筒后端安装第一驱动机构，注射螺杆设在机筒内腔，料筒与机筒内腔连通，料筒用于装载打印介质；第一驱动机构用于驱动注射螺杆旋转、前后动作，注射螺杆旋转时将打印介质塑化挤出形成3D打印件的外壳，注射螺杆前后动作时将打印介质注射至3D打印件的外壳内；第二驱动机构用于驱动塑化注射组件前后动作。本发明能有效增强3D打印件的强度和性能，提高3D打印的生产速度，扩大了3D打印件的工业应用范围。

Description

一种注射3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印领域，涉及3D打印部件结构及打印方式的改进，具体为一种注射3D打印装置。

背景技术

目前，3D打印主要分为熔融沉积成型、液态光敏树脂光固化、选择性激光烧结、选择性激光熔化等技术。虽然不同类型的3D打印技术所用成型材料、成型原理和系统特点不同，但其基本原理是一样的，均为“分层制造、逐层堆积”，因其层与层之间的结合力薄弱，容易导致堆积方向上的强度不足。现有3D打印件内部结构为相互平行的层面叠加，原有的填充结构在三维方向上至少存在一维仅依靠熔融材料间薄弱的粘接力固化相连，制品存在拉伸强度及剪切强度差的短板。

现有技术中，如中国专利(申请号：201810929795 .2)公开了“一种提高3D打印强度的方法”，该方法将3D打印制品与金属等预制件相嵌，形成具有金属内嵌件的组合结构3D打印工件以提高制品整体强度。该方法存在的问题是，由于需要内嵌金属件，导致3D打印工件的重量增加，灵活性下降。

再如中国专利(申请号：201810929795 .2)公开了“一种增加3D打印产品强度的方法”，该方法通过添加辅助溶剂提高层间结合力，即在打印喷头挤出丝料的同时，依靠辅助溶剂溶解已打印的堆积丝料表面，使相邻层间熔接固化。但此法需要额外的助剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种注射3D打印装置，用以解决现有熔融沉积成型3D打印件在堆叠方向上的强度不足以及打印效率较低的问题。

为了实现本发明的目的，采用以下技术方案：

一种注射3D打印装置，包括用于放置3D打印件的三维移动组件以及驱动机构，所述驱动机构包括第一驱动机构和第二驱动机构，所述三维移动组件上方设置塑化注射组件；所述塑化注射组件包括注射喷嘴、机筒、注射螺杆、料筒；所述注射喷嘴设在机筒前端，机筒后端安装第一驱动机构，所述注射螺杆设在机筒内腔，料筒与机筒内腔连通，料筒用于装载打印介质；所述第一驱动机构用于驱动注射螺杆旋转、前后动作，所述注射螺杆旋转时将打印介质塑化挤出形成3D打印件的外壳，注射螺杆前后动作时将打印介质注射至3D打印件的外壳内；所述第二驱动机构用于驱动塑化注射组件前后动作。

为了进一步实现本发明的目的，还可以采用以下技术方案：

如上所述的一种注射3D打印装置，所述注射螺杆包括从前端至后端依次连接的螺杆头、止逆环、混合均化段、熔体强输送段、熔体输送段、压缩段、固体输送段、螺杆端部；所述固体输送段为等距等深的螺纹结构，所述压缩段为等距不等深的螺纹结构与扭转结构相间排列，所述熔体输送段为等距等深的螺纹结构，所述熔体强输送段为多头螺纹结构，多头螺纹结构上开有反向沟槽，所述混合均化段为并列设置的多个扭转结构。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述注射螺杆长度为其直径的15~21倍；所述固体输送段长度为注射螺杆直径的6~8倍，压缩段长度为注射螺杆直径的3~4倍，熔体输送段长度为注射螺杆直径的2~3倍，熔体强输送段长度为注射螺杆直径的2~3倍，混合均化段长度为注射螺杆直径的2~3倍。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述熔体强输送段的多头螺纹结构为六头螺纹，六头螺纹与注射螺杆的旋向相同。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述混合均化段的扭转结构由分割棱和扭转槽组成，分割棱和扭转槽错列排布。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述塑化注射组件为竖向布置，所述注射喷嘴内的流道为U形结构。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述塑化注射组件为横向布置，塑化注射组件前端设有注射打印组件；所述注射打印组件包括打印头、加热棒、安装架、流道板；所述流道板固定在安装架上，安装架固定在机架上，所述流道板与注射喷嘴的相对面带有配合的弧形面，流道板上设有内流道和多个加热棒；所述打印头安装在流道板底部，打印头内设置的流道与流道板上的内流道连通；所述打印头上设有开关流道的电磁开关阀。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述电磁开关阀包括左侧电磁铁、铁球和右侧电磁铁；通过左侧电磁铁、右侧电磁铁的通断电，使所述铁球移动以阻断或开启打印头的流道。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述电磁开关阀包括电磁铁、铁杆和弹簧；弹簧与铁杆连接，通过电磁铁的通断电，使弹簧推出或拉回铁杆以阻断或开启打印头的流道。

如上所述的一种注射3D打印装置，所述三维移动组件设有打印平台，打印平台上均匀布置多个排气孔，排气孔直径≤0.5mm；所述三维移动组件下方设有注射支撑组件，所述注射支撑组件包括注射支撑板、移动杆、底座，移动杆上端安装注射支撑板，移动杆下端安装底座，所述注射支撑板的上表面开有多个微矩形沟槽，微矩形沟槽的宽度及深度均≤0.5mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在制作3D打印件时，注射工艺与熔融挤出打印工艺共用塑化注射组件，先熔融挤出制成3D打印件的外壳，再向该外壳的内腔注射打印介质形成3D打印件。本发明通过上述工艺和结构的改进，能够有效增强3D打印件的强度和性能，同时提高3D打印的生产速度，扩大了3D打印件的工业应用范围，解决传统熔融沉积成型3D打印件在堆叠方向上强度不足的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1为本发明的一种实施例示意图；

图2为本发明的另一种实施例示意图；

图3为图1中所述电磁开关阀的一种实施例示意图；

图4为图1中所述电磁开关阀的另一种实施例示意图；

图5为图1中所述三维移动组件的打印平台示意图；

图6为图1中所述注射螺杆示意图；

图7为图6中A局部放大图；

图8为图6中B局部放大图；

图9为图6中C局部放大图。

附图标记：1.注射打印组件、1-1.打印头、1-2.加热棒、1-3.安装架、1-4.流道板、1-101.左侧电磁铁、1-102.铁球、1-103.右侧电磁铁、1-104.电磁铁、1-105.弹簧、1-106.铁杆；

2.塑化注射组件、2-1.注射喷嘴、2-2.机筒、2-3.注射螺杆、2-4.料筒、2-5.第一驱动机构；

3.三维移动组件、3-1.排气孔；

4.注射支撑组件、4-1.注射支撑板、4-2.移动杆、4-3.底座；

5.3D打印件、5-1.内部注射部分、5-2.外壳结构；

6.冷却风机、7.螺杆头、8.止逆环、9.混合均化段、10.熔体强输送段、11.熔体输送段、12.压缩段、13.固体输送段、14.螺杆端部、15.等距不等深的螺纹结构、16.扭转结构、16-1.分割棱、16-2.扭转槽、17.多头螺纹结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本说明书中所引用的如“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中间”等的用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、图2、图5所示，一种注射3D打印装置，包括用于放置3D打印件5的三维移动组件3、驱动机构，该驱动机构包括第一驱动机构2-5和第二驱动机构。

继续参见图1所示，本实施例中，在该三维移动组件3上方设置塑化注射组件2；塑化注射组件2包括注射喷嘴2-1、机筒2-2、注射螺杆2-3、料筒2-4。注射喷嘴2-1设在机筒2-2前端，第一驱动机构2-5位于机筒2-2后端，注射螺杆2-3设在机筒2-2内腔，料筒2-4与机筒2-2内腔连通，料筒2-4用于装载打印介质。

第一驱动机构2-5用于驱动注射螺杆2-3旋转、前后动作，注射螺杆旋2-3转时将打印介质塑化挤出形成3D打印件5的外壳；注射螺杆2-3前后动作时将打印介质注射至3D打印件5的外壳内。第二驱动机构用于带动该塑化注射组件2的前进后退动作。

本装置在制作3D打印件5的过程如下：

1. 打印工序；

通过该打印工序制作3D打印件5的外壳结构5-2，将该外壳内腔作为注射打印介质的空腔；

2. 注射工序。

通过该注射工序向该外壳内腔注射打印介质以填充空腔，最终完成整个3D打印件5的3D成型。

如图1所示，本实施例公开的该注射3D打印装置，设置有注射打印组件1、塑化注射组件2、三维移动组件3、注射支撑组件4、3D打印件5、冷却风机6、机架及控制系统等。

注射打印组件1固定在机架上，注射打印组件1用于接收来自塑化注射组件2的打印介质；塑化注射组件2在第二驱动机构的带动下可以进行整体前后移动，与注射打印组件1接触或不接触。

三维移动组件3可以实现打印平台的三维方向、六个自由度的移动；注射支撑组件4可以上下移动，用于注射工序时，支撑三维移动组件3的打印平台，非注射工序时，注射支撑组件4位于三维移动组件3的下方，不影响三维移动组件3的移动空间。

根据3D打印件5的形状特征，冷却风机6可设置多个，并均匀布置在打印平台周围，起到冷却固化打印介质以及3D打印件5的作用；控制系统控制塑化注射组件2、三维移动组件3、注射支撑组件4、冷却风机6等的各功能动作有序完成。

继续参见图1所示，注射打印组件1由打印头1-1、加热棒1-2、安装架1-3、流道板1-4等组成。流道板1-4的左侧固定在安装架1-3上，流道板1-4的右侧端面为球弧面。流道板1-4内根据其内流道的位置设有多个加热棒1-2，保证该流道内的熔体维持适合且稳定均匀的温度。

安装架1-3与机架固定连接，打印头1-1安装在流道板1-4下部，且打印头1-1内流道与流道板1-4内流道相通。

实际使用中，打印头1-1可根据打印精度要求更换不同规格，其规格主要体现在打印头1-1出口处直径。

本实施例中的塑化注射组件2，如图1所示，由注射喷嘴2-1、机筒2-2、注射螺杆2-3、料筒2-4等组成。注射喷嘴2-1端面成球弧状，注射喷嘴2-1端面球弧的半径小于流道板1-4右侧端面的球弧半径；注射螺杆2-3头部设置有止逆装置，可为止逆环8或止逆球；第一驱动机构2-5驱动注射螺杆2-3的旋转、前进后退动作。

在工序起始阶段，第一驱动机构2-5驱动整个塑化注射组件2前进，使注射喷嘴2-1与流道板1-4右侧端面接触，形成物料通路；然后进入打印工序，第一驱动机构2-5驱动注射螺杆2-3旋转进行塑化挤出，为注射打印组件1持续供料，制成3D打印件5的外壳结构5-2；打印工序完毕进入注射工序，第一驱动机构2-5驱动注射螺杆2-3边旋转边后退，然后驱动注射螺杆2-3前进，完成打印介质注射形成内部注射部分5-1。

如图2所示，作为一种改进，该塑化注射组件2可采用竖向布置，此时可以不设置注射打印组件1，采用注射喷嘴2-1直接进行打印与注射。为防止流涎，注射喷嘴2-1内的流道成“U”形布置。

如图5所示，本实施例中该三维移动组件3配置有打印平台，均匀布置n×n的排气孔3-1，排气孔3-1的直径≤0.5mm，用于注射工序对3D打印件5的外壳形成的内部空腔进行排气。

继续参见图1所示，本实施例中注射支撑组件4由注射支撑板4-1、移动杆4-2、底座4-3等组成。

其中，注射支撑板4-1的上表面开设m×m的微矩形沟槽，微矩形宽度及深度均≤0.5mm，用于与打印平台的排气孔3-1相通。

在注射工序，通过注射支撑组件4的上下移动，使注射支撑板4-1的上端面与三维移动组件3打印平台的下端面紧密接触，起到支撑作用，防止打印平台因注射动作发生变形，影响最终3D打印件5的质量。

如图1和图2所示，该3D打印件5由外壳结构5-2、内部注射部分5-1组成，内部注射部分5-1的空腔可根据3D打印件5的结构进行设计。

如图3所示，打印头1-1上设置电磁开关阀，以实现打印头的启闭，由左侧电磁铁1-101、铁球1-102和右侧电磁铁1-103构成；左侧电磁铁1-101通电、右侧电磁铁1-103断电，将铁球1-102吸至左侧，打印头1-1的流道开启；左侧电磁铁1-101断电、右侧电磁铁1-103通电，将铁球1-102吸至右侧，打印头1-1的流道关闭。

如图4所示，作为一种改进，该电磁开关阀也可以采用电磁铁1-104、铁杆1-106和弹簧1-105构成；弹簧1-105与铁杆1-106相连接。当电磁铁1-104断电时，弹簧1-105顶着铁杆1-106关闭打印头1-1流道；当电磁铁1-104通电时，将铁杆1-106吸至左侧并压缩弹簧1-105，打印头1-1流道开启。

如图6-图9所示，为使设备紧凑，保证注射螺杆2-3在较短长径比的前提下，仍具有良好的塑化混炼能力。本实施例的注射螺杆2-3，从前端至后端依次连接的螺杆头7、止逆环8、混合均化段9、熔体强输送段10、熔体输送段11、压缩段12、固体输送段13、螺杆端部14。

该固体输送段13为等距等深的螺纹结构，长度为6~8个注射螺杆2-3直径(6~8D)，压缩段12为等距不等深的螺纹结构15与扭转结构16相间排列，长度为3~4个注射螺杆2-3的直径(3~4D)，熔体输送段11为等距等深的螺纹结构，长度为2~3个注射螺杆2-3的直径(2~3D)，熔体强输送段10为多头螺纹结构17且开有反向沟槽，长度为2~3个注射螺杆2-3的直径(2~3D)，混合均化段9为多个扭转结构16并列，长度为2~3个注射螺杆2-3的直径(2~3D)，注射螺杆2-3的整体长径比为15~21D。其中，本段中的符号D表示注射螺杆2-3的直径。

上段中所称的“等距”是指螺纹结构的螺距相等，“不等深”是指螺纹结构的牙顶与牙底之间的垂直深度不同，可以为渐变深度螺纹牙、或者相同规格深度变化设置的螺纹牙等方式。

除此外，该注射螺杆2-3不仅可用于单一物料，还可用于多种物料共混的注射3D打印，以及化学发泡制品的注射3D打印。

如图8所示，该熔体强输送段10的多头螺纹结构17优选六头螺纹，且与注射螺杆2-3的旋向相同，以保证良好的均化混合效果及强的输送能力。

如图7所示，该混合均化段9的扭转结构16由分割棱16-1和扭转槽16-2组成，分割棱16-1的数目可根据加工物理的特性而改变，扭转槽16-2保证槽内物料发生螺旋扭转运动。

同时，为保证整体的均化混合实现较好的效果，在混合均化段9的扭转结构16错列排布，即上一扭转结构16的分割棱16-1与下一扭转结构16的扭转槽16-2中心相对。

以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (10)

1.一种注射3D打印装置，包括用于放置3D打印件的三维移动组件以及驱动机构，所述驱动机构包括第一驱动机构和第二驱动机构，其特征在于，所述三维移动组件上方设置塑化注射组件；所述塑化注射组件包括注射喷嘴、机筒、注射螺杆、料筒；所述注射喷嘴设在机筒前端，机筒后端安装第一驱动机构，所述注射螺杆设在机筒内腔，料筒与机筒内腔连通，料筒用于装载打印介质；所述第一驱动机构用于驱动注射螺杆旋转、前后动作，所述注射螺杆旋转时将打印介质塑化挤出形成3D打印件的外壳，注射螺杆前后动作时将打印介质注射至3D打印件的外壳内；所述第二驱动机构用于驱动塑化注射组件前后动作。

2.根据权利要求1所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述注射螺杆包括从前端至后端依次连接的螺杆头、止逆环、混合均化段、熔体强输送段、熔体输送段、压缩段、固体输送段、螺杆端部；所述固体输送段为等距等深的螺纹结构，所述压缩段为等距不等深的螺纹结构与扭转结构相间排列，所述熔体输送段为等距等深的螺纹结构，所述熔体强输送段为多头螺纹结构，多头螺纹结构上开有反向沟槽，所述混合均化段为并列设置的多个扭转结构。

3.根据权利要求2所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述注射螺杆长度为其直径的15~21倍；所述固体输送段长度为注射螺杆直径的6~8倍，压缩段长度为注射螺杆直径的3~4倍，熔体输送段长度为注射螺杆直径的2~3倍，熔体强输送段长度为注射螺杆直径的2~3倍，混合均化段长度为注射螺杆直径的2~3倍。

4.根据权利要求2所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述熔体强输送段的多头螺纹结构为六头螺纹，六头螺纹与注射螺杆的旋向相同。

5.根据权利要求2所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述混合均化段的扭转结构由分割棱和扭转槽组成，分割棱和扭转槽错列排布。

6.根据权利要求1所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述塑化注射组件为竖向布置，所述注射喷嘴内的流道为U形结构。

7.根据权利要求1所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述塑化注射组件为横向布置，塑化注射组件前端设有注射打印组件；所述注射打印组件包括打印头、加热棒、安装架、流道板；所述流道板固定在安装架上，安装架固定在机架上，所述流道板与注射喷嘴的相对面带有配合的弧形面，流道板上设有内流道和多个加热棒；所述打印头安装在流道板底部，打印头内设置的流道与流道板上的内流道连通；所述打印头上设有开关流道的电磁开关阀。

8.根据权利要求7所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述电磁开关阀包括左侧电磁铁、铁球和右侧电磁铁；通过左侧电磁铁、右侧电磁铁的通断电，使所述铁球移动以阻断或开启打印头的流道。

9.根据权利要求7所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述电磁开关阀包括电磁铁、铁杆和弹簧；弹簧与铁杆连接，通过电磁铁的通断电，使弹簧推出或拉回铁杆以阻断或开启打印头的流道。

10.根据权利要求1所述的一种注射3D打印装置，其特征在于，所述三维移动组件设有打印平台，打印平台上均匀布置多个排气孔，排气孔直径≤0.5mm；所述三维移动组件下方设有注射支撑组件，所述注射支撑组件包括注射支撑板、移动杆、底座，移动杆上端安装注射支撑板，移动杆下端安装底座，所述注射支撑板的上表面开有多个微矩形沟槽，微矩形沟槽的宽度及深度均≤0.5mm。

Images