CN113320145A - 一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头。包括：线材导管，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；机筒，内部设置螺杆，螺杆的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒过盈配合，机筒与线材导管的出口端相通连接。通过在线材导管上设置激光加热装置，实现线材通过线材导管时快速的加热熔化，然后以熔融态进入到机筒中，通过在机筒中设置螺杆，螺杆对线材导管中的线材进行压缩，螺杆的转动为腔内流体增大压力，解决了打印头装置仅能输出有限的体积填充速度和挤压力的问题。
Description
技术领域
本发明属于熔融沉积设备技术领域，具体涉及一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3D打印技术作为科技发展的前沿技术，是当今世界的研究热点之一。熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)因为原理简单、设备成本低、成型原料广泛、产品生产周期短、材料利用率高、制件形状可控等特点是目前应用最广泛的3D打印技术之一。但由于FDM常用材料的热穿透性比较低，打印喷头的挤出力较小，FDM打印机普遍存在打印速度慢的问题。
为了缩短构建时间，在现有条件下通常采用的策略有：第一，降低填充密度；第二，增加喷嘴直径；第三，避免一次性打印异形结构；第四，对于异形结构，先打印若干小件然后拼成大件。研究显示，降低填充密度能够有效缩短构建时间，但是制件的力学性能却随填充密度的降低而显著减弱，特别是经过填充密度的临界点后(临界点由线材类型与制件结构决定)。同样地，增加喷嘴直径能有效缩短构建时间，但是制件(水平方向)分辨率却随之降低，此外，制件也出现了层间与层内缺陷。显然，现有的策略难以解决FDM 3D打印中高构建速度和制件高分辨率的矛盾问题。亟需探寻新的方法，解决FDM 3D打印所面临的难点问题。
从本质上来讲，决定三维构建速度和分辨率的关键部件是FDM设备的打印头装置。最初，美国公司Stratasys FDM打印设备使用的打印头装置是装有直径相同的主动轮和从动轮导料马达，如图1(a)所示，即初代打印头装置。此后，研究人员先后推出的FDM设备打印头装置都与此类似。该类打印头装置的线材体积填充速度(送丝速度与线材导管横截面积的乘积)约为21cm3/hr，挤压力约为30N。受限于高分子聚合物线材的低热穿透性和导料马达与线材间有限的摩擦力，初代打印头装置仅能输出有限的体积填充速度和挤压力；也正因此，才制约了传统FDM技术的构建速度与打印分辨率的提升。
在FDM打印过程中，制件分辨率由打印头装置的喷嘴直径大小决定，而构建速度则由打印头装置的挤出速度大小决定。虽然合理地调控打印工艺参数(如层厚和扫描速度)亦能决定制件分辨率(垂直方向)和构建速度的大小，但是不能获得本质上的突破。根据流体连续性方程，决定挤出速度的因素有体积填充速度和喷嘴直径，因此提升挤出速度的思路有三种：第一，保持喷嘴直径不变，增大体积填充速度；第二，保持体积填充速度不变，减小喷嘴直径；第三，减小喷嘴直径的同时增大体积填充速度。
一方面，若保持喷嘴直径不变，为了增大体积填充速度，需提升导料马达圆周运动转化为线材直线运动的效率(如图1(b)所示)，或增大导料主动轮数目进而增加导料马达与线材之间的摩擦力(如图1(c)所示)。但速度的增大也会产生新的问题，由于体积填充速度的极大提升，对加热模式也提出了新的要求。这是因为当不改变传统打印头装置加热模式时，由于熔融区线材纵向移动速度过高，线材的低热穿透性会造成熔融腔中心区域线材熔融不完全的现象，其结果就是易造成堵料的现象，从而致使打印过程断丝。倘若喷嘴直径较大，由于喷嘴壁存在较大的瞬时粘滞力，加之中心区域线材熔融不完全，从而造成制件冷却固化后丝材内部缺陷的问题，如制件层内空心。
另一方面，若保持体积填充速度不变，减小喷嘴直径所带来的优势是不仅有效提升挤出速度，制件打印分辨率亦能得到提升。但是，减小喷嘴直径对打印头装置提出了新要求，即该装置需具备较大的挤压力，否则易产生堵料。同样地，若减小喷嘴直径的同时增大体积填充速度，亦是面临此类问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，包括：
线材导管，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；
机筒，内部设置螺杆，螺杆的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒过盈配合，机筒与线材导管的出口端相通连接。
通过在线材导管上设置激光加热装置，实现线材通过线材导管时快速的加热熔化，然后以熔融态进入到机筒中，通过在机筒中设置螺杆，螺杆对线材导管中的线材进行压缩，螺杆的转动为腔内流体增大压力，解决了打印头装置仅能输出有限的体积填充速度和挤压力的问题。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
与传统的喷头相比，本发明的优势包括：
(1)采用激光原位加热取代传统加热器模块加热，在提升加热效率的同时，可以减轻整个挤出装置的重量；
(2)加热方式的改变使原料以熔融态进入螺杆腔，使得传统的三段式螺杆可改为仅有压缩段和均化段的两段式螺杆，可显著降低螺杆挤出装置的尺寸和重量；
(3)导料马达与两段式螺杆的一体化，由于压缩段的存在，摆脱了依靠导料马达提供流体压力的传统方式，从而克服了打印速度与打印分辨率之间的矛盾。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为初代打印头装置图；(a)为未改进初代打印头装置，(b)为增大体积改进后的初代打印头装置，(c)为增大导料主动轮数目的初代打印头装置；
图2为本发明的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头的侧视结构图；
图3为本发明的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头的俯视结构图；
图4为本发明的螺杆和快速接头部分的结构图；
其中，1、线材导管，2、机筒，3、热敏电阻，4、热电偶，5、螺杆，6、旋转头，7、喷嘴，8、激光进口，9、压缩段，10、均化段，11、圆锥体。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，包括：
线材导管，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；
机筒，内部设置螺杆，螺杆的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒过盈配合，机筒与线材导管的出口端相通连接。
在本发明的一些实施方式中，线材导管与机筒垂直相接。
在本发明的一些实施方式中，螺杆由上至下分为压缩段和均化段，压缩段的内径小于均化段的内径，螺纹的外径相同。
进一步，螺杆的顶部连接旋转头。
进一步，螺杆底端，远离压缩段的一端，设置圆锥体结构，圆锥体的直径小于等于螺杆的内径。
在本发明的一些实施方式中，还包括加热结构，加热结构为热敏电阻或热电偶，加热结构分别设置在机筒的上部和下部。
在本发明的一些实施方式中，机筒的底部设置喷嘴，喷嘴伸入到机筒中与机筒内壁螺纹连接。
在本发明的一些实施方式中，激光加热装置设置在靠近机筒的位置，线材导管上设置激光进口，激光进口与激光加热装置配合连接。
在本发明的一些实施方式中，线材导管的进口端外侧设置导轮，导轮包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮配合位于进口端对应位置的两侧。
在本发明的一些实施方式中，还包括驱动装置，驱动装置分别与主动轮、螺杆连接；进一步主动轮的转轴与驱动装置通过皮带连接。
在本发明的一些实施方式中，螺杆的长度为60-70mm。
在本发明的一些实施方式中，线材导管的直径为1.5-2mm。
在本发明的一些实施方式中，喷嘴的直径为0.3-0.5mm。
现有的打印头装置，仅能输出有限的体积填充速度和挤压力；也正因此，才制约了传统FDM技术的构建速度与打印分辨率的提升。并且发明人发现，如图1所示，如果保持喷嘴的直径不变，增大体积填充速度会产生堵料的问题。如果保持体积填充速度不变，减小喷嘴直径，需要较大的挤压力，否则容易产生堵料。
初代打印装置如图1所示，线材沿着直线运动进入到机筒中然后从喷嘴喷出，先经过加热区然后在导料马达的作用下喷出，但是由于高分子聚合物具有低热穿透性和马达与线材的摩擦力有限，所以不能提供足够的挤压力。
本发明具体涉及一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，包括：线材导管1，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；机筒2，内部设置螺杆5，螺杆5的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒2过盈配合，机筒2与线材导管 1的出口端相通连接。
线材导管1与机筒2并不是一体结构，即线材先从线材导管1然后进入到机筒2中，在线材导管1中在激光加热装置的作用下迅速成为熔融态，提高了进入到机筒2中线材填充速度。然后以熔融态流出后进入到机筒2中，在机筒2中在螺杆的作用下，给线材提供了较大的挤压力，提高了FDM的构建速度和打印分辨率。
螺杆5的外侧壁设置螺纹，螺杆5与机筒2过盈配合，所以当熔融态的线材进入到机筒2后通过螺杆5的外螺纹的位置进行流动，螺杆5给予线材挤压力，然后重力和螺杆5的挤压作用下流入到喷嘴7的位置。
进一步，线材导管1与机筒2垂直相接。线材导管1垂直插入到机筒2中实现线材转入到机筒2中。
进一步，螺杆5由上至下分为压缩段9和均化段10，压缩段9的螺槽深度大于均化段的螺槽深度，螺纹5的外径相同。螺杆5分为压缩段9和均化段10 的作用是，在螺杆压缩段的作用下，流体被挤压获得内在压力，然后有内在压力的流体进入到螺杆均化段，以低粘度的方式从喷嘴定量定温地挤出。具有内在压力的流体获得内在压力后粘度降低，流动的速度增加，在喷嘴的位置能够以较大的体积速度挤出。
压缩段9的螺槽深度大于均化段的螺槽深度，压缩段的螺槽深度较大，可以使更多的线材进入到压缩段的螺槽中，同时具有更好的挤压力。
更进一步，螺杆5的顶部连接旋转头6。旋转头6方便对螺杆5进行固定，而且可以方便驱动装置(可以为马达)带动旋转头6，间接带动螺杆5进行旋转。
进一步，螺杆5底端，远离压缩段的一端，设置圆锥体11结构，圆锥体11 的直径小于等于螺杆的内径。更进一步，圆锥体的顶角为90度。在螺杆的头部位置设置圆锥体，可以使线材经过螺杆的旋转运动变为直线运动然后由喷嘴喷出，通过90度的设置，可以更好的转变为直线的运动形式。
在本发明的一些实施方式中，还包括加热结构，加热结构为热敏电阻3或热电偶4，加热结构分别设置在机筒的上部和下部。设置加热结构对机筒进行加热，保证线材的温度。
进一步，机筒的底部设置喷嘴7。
进一步，激光加热装置设置在靠近机筒的位置，线材导管1上设置激光进口 8，激光进口8与激光加热装置配合连接。激光加热装置设置在靠近机筒的位置，使刚处于熔融态的线材进入机筒中，提高加热效率的基础上，能够保证熔融态的流动性能。
进一步，线材导管的进口端外侧设置导轮，导轮包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮配合位于进口端对应位置的两侧。通过主动轮和从动轮夹住线材进入到线材导管中。
进一步，还包括驱动装置，驱动装置分别与主动轮、螺杆连接；进一步主动轮的转轴与驱动装置通过皮带连接。驱动装置带动主动轮进行旋转，主动轮带动线材进行移动，从动轮被动旋转。旋转头6与驱动装置通过皮带连接
进一步，螺杆5的长度为62mm。螺杆5的长度根据所需要的机筒的长度和挤出量进行设置。
进一步，线材导管1的直径为1.5-2mm。根据线材的直径大小进行调整。
进一步，喷嘴7的直径为0.3-0.5mm。根据喷出量进行调整。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：包括：
线材导管，包括进口端和出口端，线材导管上设置激光加热装置；
机筒，内部设置螺杆，螺杆的外壁设置外螺纹，螺杆与机筒过盈配合，机筒与线材导管的出口端相通连接。
2.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：线材导管与机筒垂直相接。
3.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：螺杆由上至下分为压缩段和均化段，压缩段的内径小于均化段的内径，螺纹的外径相同。
4.如权利要求3所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：螺杆的顶部连接旋转头。
5.如权利要求3所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：螺杆底端，远离压缩段的一端，设置圆锥体结构，圆锥体的直径小于等于螺杆的内径。
6.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：还包括加热结构，加热结构为热敏电阻或热电偶，加热结构分别设置在机筒的上部和下部。
7.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：机筒的底部设置喷嘴，喷嘴伸入到机筒中与机筒内壁螺纹连接。
8.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：激光加热装置设置在靠近机筒的位置，线材导管上设置激光进口，激光进口与激光加热装置配合连接。
9.如权利要求1所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：线材导管的进口端外侧设置导轮，导轮包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮配合位于进口端对应位置的两侧。
10.如权利要求9所述的激光辅助两段式螺杆快速熔融沉积喷头，其特征在于：还包括驱动装置，驱动装置分别与主动轮、螺杆连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210831 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |