CN114311666A - 一种可调核壳结构的挤出成型3d打印方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构尺寸可调的核壳结构挤出成型方法及装置。挤出装置由直内管和锥形套管组成，内管与套管同轴，通过螺纹与套管联接，内管相对于套管的轴向位置可通过旋转进行调整，通过调整内管与套管的轴向相对位置，可以使内管与套管的径向间隙改变，从而改变挤出线条芯轴直径和包覆层厚度。内管的外壁设置有螺纹与套管的内螺纹联接，同时设置有齿轮与驱动电机联接产生旋转运动，使内管与套管轴向位置发生改变。套管设置有进料口、密封圈、内螺纹及外螺纹，内螺纹与内管联接，外螺纹与锥形挤出头联接。本发明的挤出头可用于打印结构尺寸可变的核壳结构，通过改变内管和套管相对位置，可以挤出不同芯轴直径和包覆层厚度的核壳结构。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置。
背景技术
3D打印技术，即增材制造，在打印过程中采用逐层累计、自下而上的方法打印成型。3D打印技术能够打印复杂的几何形状且对材料内部结构实现精确的控制，在生物医疗、航空航天、机械工程和电子器件等领域具有广泛的应用。例如：生物医疗领域在采用同轴喷头打印人工血管时，不同位置设计不同尺寸的血管壁厚；机械工程打印高刚度和韧性的同轴结构，不同位置设计不同刚度材料和韧性材料比。因此，在打印过程中需要挤出不同尺寸、不同直径的长丝。传统的3D打印技术采用单材料3D打印，不能满足这种需求。而目前市面上根据需求设计同轴打印喷头，设计多材料3D打印机采用多喷嘴模式，或者在打印过程中根据尺寸需求频繁更换相应尺寸的打印喷嘴，这无疑使得打印尺寸较为单一，打印成型效果很不稳定，阻碍了生物医疗打印技术和机械工程打印技术的发展，因此急需一种可以打印出多尺寸、变直径或梯度结构的同轴喷头结构。本发明提供了一种可以实时调整挤出材料壁厚的同轴挤出方法及装置，采用步进电机控制，容易与3D打印系统集成在一起，高效率且操作简单、适用于各种材料的3D打印同轴喷头。
发明内容
本发明的目的是要解决上述背景技术中的问题，而提供一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，可以通过调整内外管的相对位置，可以使内管与锥形外管形成的环形结构的间距发生改变，从而制造包覆层厚度可调的核壳结构。
一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，包括驱动装置、内管、密封圈、外管和锥形针头，内管螺接在外管内，内管与外管同轴，内管与外管之间设置有密封圈，内管通过螺纹作用可以调整与外管的相对位置，锥形针头螺接在外管底部，驱动装置通过齿轮副与内管连接，驱动装置可以通过齿轮副驱动内管转动；
所述驱动装置包括步进电机和齿轮，齿轮设置在步进电机的主轴上；
所述内管包括出料管和内管齿轮，出料管外形为阶梯轴，出料管上设置有第一进料口、第一出料口和第一外螺纹，内管齿轮设置在出料管上部，内管齿轮与齿轮啮合；
所述外管上设置有第一内螺纹、环形槽、材料腔室与第二进料口和第二外螺纹，第一内螺纹与第一外螺纹配合，环形槽用于安装密封圈，材料腔室对打印材料起到缓冲作用；
所述锥形针头上设置有第二内螺纹、锥形空腔和第二出料口，第二内螺纹与二外螺纹配合；
所述第二出料口与第一出料口直径相同；
所述锥形针头的锥度不大于1:1。
一种核壳结构挤出成型3D打印方法，在打印过程中改变内管和套管的相对位置，制作芯轴直径和套管壁厚尺寸可变的核壳结构；
每一层内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置不同；
同一层中每条路径内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置相同；
每条路径不同位置的内管与外管位置不同；
内管与外管位置是上述叙述的各种组合。
本发明的有益效果：
本发明在打印过程中可以挤出不同尺寸、不同直径的长丝，可以打印出多尺寸、变直径或梯度结构，在打印过程中根据尺寸需求不需要频繁更换相应尺寸的打印喷嘴，使得同一喷嘴可以打印不同尺寸，提高打印成型效果的稳定性，促进了生物医疗打印技术和机械工程打印技术的发展，本发明可以实时调整挤出材料壁厚，采用步进电机控制，容易与3D打印系统集成在一起，高效率且操作简单、适用于各种材料的3D打印。
附图说明
图1是本发明的三维装配效果图(左图)，内管在最下位置剖视装配图(中图)和内管位于最上位置剖视图(右图)；
图2是本发明的驱动装置三维结构图；
图3是本发明的内管三维结构图；
图4是本发明的密封圈三维图；
图5是本发明的外管三维结构图(左图)以及剖视结构图(右图)；
图6是本发明的锥形针头三维结构图；
图7是本发明采用方法1打印的成品图；
图8是本发明采用方法2打印的成品图；
图9是本发明内管与外管在不同位置及挤出不同直径核壳结构图；
图10是本发明每一层内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置不同的成品图；
图11是本发明同一层中每条路径内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置相同的成品图。
具体实施方式
请参阅图1至图11所示，一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，包括驱动装置1、内管2、密封圈3、外管4和锥形针头5，内管2螺接在外管4内，内管2与外管4同轴，内管2与外管4之间设置有密封圈3，内管2通过螺纹作用可以调整与外管4的相对位置，锥形针头5螺接在外管4底部，驱动装置1通过齿轮副与内管2连接，驱动装置1可以通过齿轮副驱动内管2转动；
具体的，密封圈3套在内管2管壁上，安装在外管4内的密封圈环形槽中，密封圈3与内管2和外管4属于过盈配合，密封圈3的外表面与内管2管壁和外管4环形槽紧密贴合，防止打印材料泄露；
所述驱动装置1包括步进电机6和齿轮7，齿轮7设置在步进电机6的主轴上；
所述内管2包括出料管和内管齿轮9，出料管外形为阶梯轴，出料管上设置有第一进料口8、第一出料口11和第一外螺纹10，内管齿轮9设置在出料管上部，内管齿轮9与齿轮7啮合；
所述外管4上设置有第一内螺纹12、环形槽13、材料腔室15与第二进料口14和第二外螺纹16，第一内螺纹12与第一外螺纹10配合，环形槽13用于安装密封圈3，材料腔室15对打印材料起到缓冲作用；
具体的，外管4上设置有与内管2旋合连接的第一内螺纹12和通孔，内管2外壁与通孔间隙配合，方便内管2的旋进旋出，通孔内设有安装密封圈的环形槽13，通孔下面设有材料腔室15，外管4外壁设置有第二外螺纹16与锥形针头5旋合；
所述锥形针头5上设置有第二内螺纹17、锥形空腔18和第二出料口19，第二内螺纹17与二外螺纹16配合；
具体的，锥形针头5是一个薄壁圆筒结构，其分为三段，包括一个直径较大的圆柱段、一个圆锥段和一个直径较小的圆柱段，直径较大的圆筒内壁设置有第二内螺纹17，与二外螺纹16配合，使得锥形针头5与外管4旋合，圆锥段上设置有锥形空腔18，较小的圆柱段上设置有第二出料口19；
所述第二出料口19与第一出料口11直径相同；
所述锥形针头5的锥度不大于1:1。
具体的，编程步进电机6的转速，齿轮7与内管齿轮9间的啮合，从而使得内管齿轮9发生旋转，带动内管2从外管4中旋出或旋入，能够获得不同尺寸的核壳结构，因此，本发明在不更换打印针头的情况下，可以打印出不同壳厚度的核壳结构。
一种核壳结构挤出成型3D打印方法，在打印过程中改变内管和套管的相对位置，制作芯轴直径和套管壁厚尺寸可变的核壳结构；
每一层内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置不同；
同一层中每条路径内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置相同；
每条路径不同位置的内管与外管位置不同；
内管与外管位置是上述叙述的各种组合。
实施例1：
在内管2的第一进料口8通入材料a，外管4的第二进料口14通入材料b，打印前，转动步进电机6使得内管齿轮9在齿轮7的带动下发生逆时针转动，同时内管2逆时针旋出，使得内管2的第一出料口11处于外管4的材料腔室15中，第一外螺纹10与第一内螺纹12基本完全分离，此时处于极限状态，打印初期，第二出料口19挤出均为材料b组成的壳结构，打印中期，分阶段编程步进电机6的转速，在齿轮7的带动下，内管2以一定的速度发生间断性地顺时针旋进，第一外螺纹10与第一内螺纹12处于部分旋合状态，此时第二出料口19挤出具有不同直径比例的材料a和材料b组成的核壳结构，打印末期，编程步进电机6的转速使得齿轮7带动内管2继续顺时针旋进，第一外螺纹10与第一内螺纹12完全旋合，内管2的第一出料口11与锥形针头5的锥形空腔18接触，此时处于另一极限状态，第二出料口19挤出均为材料a组成的核结构。
实施例2：
在内管2的第一进料口8通入材料a，外管4的第二进料口14通入材料b，打印前，转动步进电机6使得内管2在齿轮7的带动下旋转，内管2的第一出料口11处于锥形空腔18中，第一外螺纹10与第一内螺纹12处于小部分旋合状态，打印时，编程步进电机6的转速，在齿轮7的带动下内管2以一定的速度发生持续性地顺时针旋进，第一外螺纹10与第一内螺纹12处于部分旋合状态，打印末了，第二出料口19呈现出具有不同直径比例的材料a和材料b组成的核壳结构，且材料a组成核结构呈现出梯度变化。
Claims (8)
1.一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，其特征在于：包括驱动装置(1)、内管(2)、密封圈(3)、外管(4)和锥形针头(5)，内管(2)螺接在外管(4)内，内管(2)与外管(4)同轴，内管(2)与外管(4)之间设置有密封圈(3)，内管(2)通过螺纹作用可以调整与外管(4)的相对位置，锥形针头(5)螺接在外管(4)底部，驱动装置(1)通过齿轮副与内管(2)连接，驱动装置(1)可以通过齿轮副驱动内管(2)转动。
2.根据权利要求1所述的一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，其特征在于：所述驱动装置(1)包括步进电机(6)和齿轮(7)，齿轮(7)设置在步进电机(6)的主轴上；
所述内管(2)包括出料管和内管齿轮(9)，出料管外形为阶梯轴，出料管上设置有第一进料口(8)、第一出料口(11)和第一外螺纹(10)，内管齿轮(9)设置在出料管上部，内管齿轮(9)与齿轮(7)啮合；
所述外管(4)上设置有第一内螺纹(12)、环形槽(13)、材料腔室(15)与第二进料口(14)和第二外螺纹(16)，第一内螺纹(12)与第一外螺纹(10)配合，环形槽(13)用于安装密封圈(3)，材料腔室(15)对打印材料起到缓冲作用；
所述锥形针头(5)上设置有第二内螺纹(17)、锥形空腔(18)和第二出料口(19)，第二内螺纹(17)与二外螺纹(16)配合；
所述第二出料口(19)与第一出料口(11)直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种可调核壳结构的挤出成型3D打印方法及装置，其特征在于：所述锥形针头(5)的锥度不大于1:1。
4.根据权利要求1，一种核壳结构挤出成型3D打印方法，其特征是在打印过程中改变内管和套管的相对位置，制作芯轴直径和套管壁厚尺寸可变的核壳结构。
5.根据权利要求1所述的打印方法，其特征是每一层内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置不同。
6.根据权利要求1所述的打印方法，其特征是同一层中每条路径内管与外管位置相同，不同层内管与外管位置相同。
7.根据权利要求1所述的打印方法，其特征是每条路径不同位置的内管与外管位置不同。
8.根据权利要求1所述的打印方法，其特征是内管与外管位置是权利要求5、6和7的各种组合。
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