CN114953457A - 激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统 - Google Patents

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CN114953457A CN202210509375.5A CN202210509375A CN114953457A CN 114953457 A CN114953457 A CN 114953457A CN 202210509375 A CN202210509375 A CN 202210509375A CN 114953457 A CN114953457 A CN 114953457A
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Abstract

本发明属于智能制造装备产业技术领域，涉及熔融沉积3D打印设备，具体涉及激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统。激光辅助加热装置，包括：石英室，为石英材质，内部设置柱状腔室，使得材料在外力的作用下在所述柱状腔室进行线性运动；激光发射设备，能够发射激光束，且激光束能够射入至石英室内；所述石英室设置激光反射层，激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角。本发明能够通过激光耦合的方式实现高熔点材料的快速熔融。

Description

激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统
技术领域
本发明属于智能制造装备产业技术领域，涉及熔融沉积3D打印设备，具体涉及激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统。
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。
据发明人研究发现，目前熔融沉积(FDM)3D打印PEEK(聚醚醚酮)材料的主要问题有：PEEK树脂具有极高的成型温度(380～400℃)，而传统FDM加热方式一般为加热棒加热，打印机喷头温度一般不超过300℃，这一温度无法达到PEEK的熔点，所以FDM主要集中在打印PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等低熔点塑料，即便选取可提供足够温度的加热棒加热，传统方式也存在加热的热穿透性比较低的情况，无法实现快速熔融，特别是在快印工艺的喂料过程中，熔化后的材料一旦回流到较低的温度区域，就会增加阻力并开始固化，由于送料丝的屈曲效应，抑制了送料效率，降低了印刷精度，甚至会造成堵塞。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，能够通过激光耦合的方式实现高熔点材料的快速熔融。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种激光辅助加热装置，包括：
石英室，为石英材质，内部设置柱状腔室，使得材料在外力的作用下在所述柱状腔室进行线性运动；
激光发射设备，能够发射激光束，且激光束能够射入至石英室内；
所述石英室设置激光反射层，激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角。
本发明激光辅助加热装置与激光发射设备耦合，通过激光促进材料熔融进行，从而实现高熔点材料的快速熔融。
本发明中激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角的目的在于激光束的入射方向与材料进给方向相反，从而起到耦合作用，可对未进行激光束中心的材料进行预加热处理，最大程度提高激光熔融效率。
本发明中设置激光反射层，能够降低反射激光红外能量的损失，从而更进一步提高激光熔融效率。
另外，熔融后的PEEK树脂具有高黏度特点，对打印机挤出力要求较高，而传统打印机的进给系统一般是由步进电机驱动，通过齿轮与材料表面的摩擦力来提供动力，这使得打印喷头的挤出力较小，打印速度慢，无法打印高粘度材料。
另一方面，一种激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，包括
上述激光辅助加热装置，用于将材料熔融；
渐变螺杆挤出装置，将所述激光辅助加热装置熔融后的材料通过渐变螺杆紧压挤出；
所述渐变螺杆从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端，螺纹逐渐加密，螺纹圈数逐渐增多，螺距逐渐减少，螺槽深度逐渐减小。
首先，渐变螺杆的设置可提供高压来抑制回流，清除夹带的空气，并通过螺杆的转速来精确控制挤出流量，其次，在驱动电机转速固定的条件下，熔融态的材料在螺杆转动下逐渐承受更大的挤压力，螺杆对熔融态的材料进行紧压来获得更大的挤出力和挤出速度。
第三方面，一种上述激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统在对聚醚醚酮材料进行熔融沉积3D打印中的应用。
本发明的有益效果为：
1.本发明将激光发射设备耦合在加热装置上，通过发射激光束角度的设置，不仅能够保护激光发射设备，而且能够实现对激光束的多次反射效果，提高激光器效率，还能与材料的进给进行耦合，最大程度提高激光熔融效率，从实现聚醚醚酮等高熔点材料的快速熔融。
2.本发明激光辅助加热装置中在石英室内设置激光反射层，能够降低反射激光红外能量的损失，从而更进一步提高激光熔融效率。
3.本发明通过渐变螺杆的设置能够精确控制挤出流量，并增加螺杆对熔融态的材料的挤出力和挤出速度，从而实现对高粘度材料的打印。
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发明的进一步理解，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为本发明实施例中材料表面光学性能研究的图；(a)激光投射物体能量传递示意图；(b)PEEK材料在激光波长780-1100nm的吸光度与反射率。
图2为本发明实施例中实验设备的图；(a)半导体激光器加持图示；(b)四种实验平台；(c)激光器控制百分比与激光器实际输出功率关系；(d)红外热成像仪显示图示。
图3为本发明实施例中实验平台表面性能测试实验设计及结果；(a)实验平台表面吸收率实验设计图示；(b)实验平台表面反射率实验设计图示；(c)30％、40％、50％激光功率下不锈钢组吸收表面温度图；(d)30％、40％、50％激光功率下钼镜、硅镜组吸收表面温度图；(e)30％、40％、50％激光功率下不锈钢组反射表面温度图；(f)30％、40％、50％激光功率下钼镜、硅镜组反射表面温度图。
图4为本发明实施例中激光熔融PEEK粒料实验及结果图；(a)激光熔融PEEK粒料实验设计图示；(b)PEEK丝材上激光光束传导分布示意图：①-激光束入射方向；②-PEEK表面反射光线；③-PEEK内部激光入射光线；④-实验平台；⑤-PEEK激光透射光线；⑥-PEEK内部激光反射光线；⑦-PEEK丝材进给方向；(c)不锈钢组平台的PEEK粒料的熔融时间随激光功率变化图示；(d)钼镜、硅镜组平台的PEEK粒料的熔融时间随激光功率变化图示。
图5为本发明实施例中网格划分与边界条件设置图示；(a)不锈钢组网格划分图示；(b)钼镜、硅镜组网格划分图示；(c)不锈钢组边界条件设置图示；(d)钼镜、硅镜组边界条件设置图示。
图6为本发明实施例中PEEK熔融过程温度场仿真结果；(a)未抛光不锈钢组温度仿真结果；(b)抛光不锈钢组温度仿真结果；(c)钼镜组温度仿真结果；(d)硅镜组温度仿真结果。
图7为本发明实施例中激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积装置结构示意图：1-螺杆电机；2-联轴器；3-压缩段；4-均化段；5-挤出喷嘴；6-喷嘴加热棒；7-加热圈；8-渐变螺杆；9-杆筒；10-金箔；11-石英室；12-丝材进给方向；13-丝材导管；14-激光腔室加热棒；15-激光发射端；16-激光入射方向(θ范围为100±5°)。
图8为本发明实施例中渐变螺杆的结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，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发明的示例性实施方式。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。
正如背景技术所介绍的，现有技术FDM3D打印设备难以对高熔点材料进行打印，本发明提出了激光辅助加热装置及激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种激光辅助加热装置，包括：
石英室，为石英材质，内部设置柱状腔室，使得材料在外力的作用下在所述柱状腔室进行线性运动；
激光发射设备，能够发射激光束，且激光束能够射入至石英室内；
所述石英室设置激光反射层，激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角。
本发明激光辅助加热装置与激光发射设备耦合，通过激光促进材料熔融进行，从而实现高熔点材料的快速熔融。
本发明中激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角的目的在于激光束的入射方向与材料进给方向相反，从而起到耦合作用，可对未进行激光束中心的材料进行预加热处理，最大程度提高激光熔融效率。
本发明中设置激光反射层，能够降低反射激光红外能量的损失，从而更进一步提高激光熔融效率。
该实施方式的一些实施例中，激光反射层为金箔。金箔具有更好的延展性，能够更好的包覆在石英室外表面，从而对激光的反射率更高。
该实施方式的一些实施例中，包括加热装置，用于对石英室进行保温加热。防止温度差产生的热传递导致装置散热。所述加热装置可以为加热棒、加热丝、加热布等。
该实施方式的一些实施例中，石英室外部包括保温层。维持石英室的温度，使熔融环境保持一定温度。所述保温层的材质可以为隔热棉。能够更好的贴合在石英室外表面。
该实施方式的一些实施例中，包括外壳，用于包覆石英室。保证石英室的安全性和刚性。所述外壳的材质优选为铝。
该实施方式的一些实施例中，所述钝角为100±5°。该角度下的激光熔融效率更高。
本发明的另一种实施方式，提供了一种激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，包括：
上述激光辅助加热装置，用于将材料熔融；
渐变螺杆挤出装置，将所述激光辅助加热装置熔融后的材料通过渐变螺杆紧压挤出；
所述渐变螺杆从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端，螺纹逐渐加密，螺纹圈数逐渐增多，螺距逐渐减少，螺槽深度逐渐减小。
本发明渐变螺杆的设置可提供高压来抑制回流，清除夹带的空气，并通过螺杆的转速来精确控制挤出流量，同时，在驱动电机转速固定的条件下，熔融态的材料在螺杆转动下逐渐承受更大的挤压力，螺杆对熔融态的材料进行紧压来获得更大的挤出力和挤出速度。
该实施方式的一些实施例中，渐变螺杆从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端依次设置为压缩段和均化段，熔融后的材料进入压缩段。本发明仅包括压缩段和均化段，省略加料段，缩短了螺杆装置的长度，缩小了装置的体积。
该实施方式的一些实施例中，渐变螺杆与螺杆电机连接。采用独立的螺杆电机能够优化控制程序，与材料进给的步进电机分开能够更好的去控制螺杆的转动。
该实施方式的一些实施例中，与渐变螺杆配合的杆筒外包裹一层电加热圈。能够对熔融材料进行保温。所述电加热圈为电弧加热圈，能够将电能转变成热能以加热物体，温度可达3000℃以上，易于实现温度的自动控制和远距离控制。
渐变螺杆转动将熔融物料挤入喷嘴，由喷嘴喷出熔融材料。该实施方式的一些实施例中，渐变螺杆挤出装置的喷嘴处设置温度可控的加热器。能够控制熔融材料的打印成形。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统在对聚醚醚酮材料进行熔融沉积3D打印中的应用。
该实施方式的一些实施例中，激光功率为50～100％。该功率可在一分钟内将聚醚醚酮材料熔融完全。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例
1.材料表面光学性能研究。
热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.76～20μm波长范围内，在0.4～0.7μm可见光区段内热辐射能所占的比重不大，大部分聚合物是不吸收可见光区段的辐射，例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯等材料对可见光的透过程度达95％以上。当热射线投射到物体的表面时，按照可见光规律，其中一部分被物体吸收，一部分被反射，剩余部分透射。设投射到物体表面上全波长范围总能量为G，被吸收能量Gα，反射能量Gρ，透射能量Gτ，根据能量守恒定律可得式1，激光投射聚合物能量传递如图1a所示。当投射能量是某一波长下的单色辐射时，也满足上述关系式，对于特定聚合物与特定波长投射能量来说，三种能量大小区别较大，但是三种能量均满足和为100％。
G＝Gα+Gρ+Gτ (1)
若两边同时除以G,则：
α+ρ+τ＝1 (2)
其中，材料吸收率α＝Gα/G，材料反射率ρ＝Gρ/G，材料透过率τ＝Gτ/G。
朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law)是分光光度法的基本定律,是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度之间的关系，其数学表达式如式3所示。
Figure BDA0003638687560000081
其中，吸光度(A)，入射光强度(I0，cd)，透射光强度(I，cd)，透射率(τ)，摩尔吸光系数(K，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关)，吸光物质的浓度(b，mol/L)，吸收层厚度(c，cm)。
现可利用带有积分球附件的紫外-可见光-近红外分光光度计，测得PEEK材料在激光780～1100nm波长范围内的反射率(ρ)与吸光度(A)如图1b。
热射线投射到物体表面的反射现象与可见光规律一致，有镜面反射和漫反射之分，当材料表面的平整尺寸小于投射辐射的波长时，形成镜面反射，表面磨光抛光的金属表面便是镜面反射的实例。当材料的表面的不平整尺寸大于投射辐射的波长时，形成漫反射。一般表面粗糙的金属接近于漫反射。现分析激光功率与熔融实验平台表面质量等工艺参数对熔融过程的影响，优化PEEK熔融实验的工艺参数。
实验设备：
激光熔化实验的装置如图2所示。主要装置如下：(1)激光器为宏澜光电科技有限公司的VCL-808nmM2-50w，激光束直径为10mm。激光控制百分比与实际输出功率的关系如图2c所示。自制激光准直仪平台由烧杯夹等部分组成。(2)不锈钢平台(长15mm、宽10mm、高10mm)包括表面抛光组(表面研磨抛光处理)和表面未抛光组(表面未经任何处理)。(3)带硅镜和钼镜的平台(直径25毫米，厚3毫米，形状和尺寸相同)。(4)红外热像仪为艾睿光电科技有限公司的c210，测温范围为-50～550℃，常用物质的发射率见表1。(5)PEEK颗粒尺寸为1.75毫米直径和3毫米长。
表1常见物质发射率
Figure BDA0003638687560000091
Figure BDA0003638687560000101
2.实验平台表面性能测试实验。
本节将分析不同平台表面对激光吸收和反射的影响。实验分为吸收试验与反射实验，设计从30％到50％的激光功率开始照射。
吸收实验：实验设计如图3a所示。在室温下，将激光发射头固定在平台正上方10cm处，并以与垂直方向成5°的角度照射平台。并将平台放置在绝缘玻璃板上。四种平台的表面温度随辐照时间的变化如图3c和d所示。
反射实验：实验设计如图3b所示。激光照射部分的设计与吸收实验相同。设置另一个面来接收反射激光，并调整接收面的角度，使其能够接收到所有反射的激光。如图3e和f所示，记录接收到的反射温度随照射时间的变化。
不锈钢组实验结果：不锈钢表面经过研磨抛光，提高激光反射率，减少激光吸收。近场热辐射研究表明，粗糙度的存在极大地增强了板间辐射传热，这意味着平台表面的粗糙度促进了激光的吸收。因此，未抛光的平台对激光的吸收率高于抛光的平台。平行光入射光滑表面形成的反射光线也是平行光，平行光入射粗糙表面形成的反射光线向四周传播。未抛光不锈钢表面的反射光是漫反射，反光性能较低。抛光不锈钢表面以镜面反射为主，具有较高的反射性能。平台表面的光滑度提高了激光的反射率。
钼镜和硅镜组实验结果：通过比较图3中的温度变化，有趣的是，钼镜和硅镜面的吸收温度升高缓慢，接近绝热条件。钼镜的吸收率略大于硅镜。然而，钼镜和硅镜的反射温度迅速上升。显然，激光的反射率很高。硅镜的反射性能优于钼镜。综上所述，钼和硅反射镜具有很高的反射率，吸收的激光能量很少，证明它们可以在设计的激光辅助打印头中用作激光反射器。
3.激光熔融PEEK粒料实验。
激光熔化PEEK颗粒的实验设计如图4a所示。具体设计如下：(1)PEEK颗粒平放在样品架中心，激光发射头固定在颗粒正上方10cm处，与垂直方向成5°照射颗粒。设计一定的距离，使激光束的光斑直径不发生变化，保证输出激光的精度。设计了一定的角度，以防止激光被垂直反射光束损坏，以保证实验的安全。更重要的是，一定的角度可以使激光多次反射，提高激光熔化的效率，如图4b所示。(2)控制激光功率百分比，每增加5％，从10％(激光输出功率为0W)开始设置一组辐照实验。记录了颗粒的完全熔化时间随激光功率增加的变化。
实验结果：
(1)经过反复实验，发现当激光以10％～50％的功率百分比照射PEEK时，在一分钟内PEEK并未完全熔化。从实际应用来看，这个功率范围并不能满足打印要求。因此，在本研究中，不建议将该范围用于PEEK的激光辅助熔化。另一方面，在50％-100％激光功率范围内，PEEK颗粒在一分钟内就完全熔化。图4c和d显示了PEEK在不同平台下在激光功率下完全熔化的时间。从实际测试中发现，当激光照射时间超过完全熔化时间时，PEEK颗粒会发生燃烧和碳化。
(2)不锈钢组的实验结果如图4c所示。A是在相同功率下，PEEK颗粒在未抛光不锈钢表面上的完全熔化时间小于在抛光不锈钢表面上的区域。在这个区域，激光功率相当低，这意味着它需要更长的照射时间才能完全熔化PEEK。此外，未抛光平台的激光吸收率和加热率均大于抛光组。B是在相同功率下，PEEK颗粒在未抛光不锈钢表面上的完全熔化时间大于在抛光不锈钢表面上的区域。在这个区域，激光功率相当高。PEEK颗粒会在短时间内完全熔化。C为PEEK颗粒在相同功率下未抛光不锈钢表面与抛光表面熔化时间相同的区域。在这个区域，激光功率非常高。高激光功率在PEEK颗粒的熔化中起决定性作用，而平台表面的影响可以忽略不计。
(3)钼和硅镜组的实验结果如图4d所示。D是相同功率下PEEK颗粒在钼镜平台上的完全熔化时间大于硅镜平台上的完全熔化时间的区域。该区域的激光功率较低，硅镜的反射率大于钼镜，因此硅镜的热反射效果大于钼镜。E是具有钼镜和硅镜的平台上的PEEK颗粒完全熔化时间相同的区域。该区域的激光功率非常高。由于高激光功率在粒料的熔化中起决定性作用，因此平台表面的影响已降至最低。如前所述，由于钼和硅镜面接近绝热状态，可以忽略对激光的吸收，从而只反映不同激光反射率的平台的影响。
(4)激光熔化的PEEK光束传导分布如图4b所示，其中M为激光入射和反射耦合作用区域；N仅是激光反射区域。增加反射率和减少吸收不仅可以让颗粒在M区吸收更多的热量，而且可以通过激光诱导预热扩大N区的长度以促进熔化过程。综合熔融实验结果，高反射率且接近绝热条件的硅镜更能满足实验要求。
4.PEEK熔融过程温度场仿真分析。
根据实验结果进行仿真分析，为突出实验平台影响的差异性，选取激光功率50％条件下，熔融PEEK10s时，PEEK所受温度情况进行仿真分析。用热成像仪记录上述条件下的四种样品架表面温度与PEEK温度如表2所示。
表2热成像仪测量各种平台PEEK温度
Figure BDA0003638687560000131
首先，PEEK颗粒和样品架的几何形状通过3D建模软件进行铸造，然后进行网格划分，如图5a和b所示。颗粒和样品架的网格单元尺寸分别设计为0.1mm和0.5mm。网格单元数统计如表3所示。温度场的边界条件设置如图5c和d所示。区域A是激光照射的颗粒上表面的温度。区域B是激光照射到样品架上除颗粒上表面之外的其余表面的温度。
表3平台网格划分情况
Figure BDA0003638687560000132
通过对图6仿真结果的分析可以看出，PEEK粒料在激光熔融过程中，材料横截面的温度显示呈类阶梯状，熔融温度由上到下逐渐减少。激光投射材料的上表面是材料的最高温处，接触试验平台的下表面是材料的最低温面。结果证明，在熔融过程中激光功率是促进熔融进程的主导因素，并且实验平台是影响PEEK完全熔融结束时间的重要因素。
5.激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统的设计。
基于激光熔融PEEK粒料实验的结果，优化PEEK熔融实验的工艺参数，本实施例设计一个适合PEEK材料的激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，系统结构设计如图7所示，激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统主要由激光辅助加热装置与渐变螺杆挤出装置组成。
激光辅助加热装置，包括圆柱形的石英室11激光发射器。圆柱形石英室11水平设置，激光发射器固定在激光辅助加热装置上，激光发射器的激光发射头发射的激光束的入射方向16与丝材进给方向12(PEEK丝材(丝材)进入石英室11的方向)成θ夹角，θ范围为100±5°，且激光束进入石英室11内。丝材进给方向12与激光入射方向16在水平面投影的方向相反。石英室11外表面设置金箔10作为激光反射板。激光辅助加热装置内还设置加热棒14。加热棒14外部设置隔热棉，并利于铝壳包裹并封闭激光辅助加热装置。
渐变螺杆挤出装置，包括螺杆电机1、联轴器2、挤出喷嘴5、喷嘴加热棒6、加热圈7、渐变螺杆8和杆筒9。杆筒9竖直设置，渐变螺杆8设置在杆筒内，杆筒9外部设置加热圈7。渐变螺杆8的一端(即靠近驱动电机一端)通过联轴器2与螺杆电机1连接。渐变螺杆8的另一端(即靠近挤出一端)与挤出喷嘴5，挤出喷嘴5设置喷嘴加热棒6，使得熔融后的PEEK丝材按照挤出方向从挤出喷嘴5内挤出。渐变螺杆8从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端分为压缩段3和均化段4，激光辅助加热装置的出口与位于压缩段3的杆筒9的进口连接。
(1)激光辅助加热装置设计：
①设计原理：激光发射头通过固定装置耦合到加热装置上，PEEK丝材经步进电机的进给力作用下进入一个圆柱形的石英室(外径8毫米、内径3毫米、长10毫米)，PEEK在这个激光熔腔中暴露在激光下。激光束与丝材进给方向成θ夹角进入腔室，选择一定偏角入射是为了保护激光发射端以及在腔室内建立激光的多次反射。设置如图中所示的激光束偏转方向是为了入射方向与丝材进给方向在水平上投影相反，这可以起到耦合作用，可对未进入激光束中心的丝材进行预加热处理，最大程度提高激光熔融效率。
②激光熔腔反射设计：除了激光束入口外，石英室被金箔包围，确保以最小的损失反射激光红外能量。关于选择金箔作为激光反射板有两方面原因，一方面是因为由于激光熔融加热腔的几何结构限制，要求反射面需包裹圆柱形熔腔的外侧；另一方面根据激光熔融PEEK实验结果中对实验平台的要求需实现激光束的多次反射，且尽量达到绝热条件。金箔易根据所需形状变形，且表面质量好，对激光的反射率高，满足要求。关于绝热要求，为防止温度差产生的热传递导致装置散热，可在激光熔腔外设置保温加热棒，装置外部包裹一层隔热棉来维持石英室的温度，使熔融环境保持一定温度。最后这些元件由铝制外壳完全封闭，以确保安全性和刚性。
(2)渐变螺杆挤出装置设计
①设计原理：为改进3D打印机中针对高粘性材料的进料机构，实现打印速度快、灵活性强、打印质量好等目的，本研究采用渐变螺杆挤出机构，此设计是基于传统的塑料挤出机进行改进，能够提供高挤出压力和良好的产品质量。该设计基于螺杆的机械原理，可提供高压来抑制回流，清除夹带的空气，并通过螺杆的转速来精确控制挤出流量。预加热后熔融状态的PEEK受到步进电机的进给作用挤入渐变螺杆挤出装置中，再由转动的渐变螺杆对材料进行紧压挤出。其中独立电机通过联轴器连接螺杆装置来驱动螺杆的转动，采用独立电机的目的是为了优化控制程序，与丝材进给的步进电机分开能够更好的去控制螺杆的转动。
②渐变螺杆设计：考虑在复合材料3D打印挤出系统中对结构尺寸的限制要求，初步设计螺杆结构主要尺寸参数：螺杆外径(Ds)为6mm，螺杆根径(d1)为3mm，螺杆有效长度(L)为60mm，长径比(L/Ds)为10。螺杆的结构示意图如图8所示。
关于螺杆的设计是在传统三段式螺杆装置进行改进，配合激光辅助加热装置，去掉加料段，仅设计压缩段和均化段。这样的设计缩短了螺杆装置的长度，缩小了装置的体积，符合了打印喷头轻量化、小型化的设计要求。另外，渐变螺杆的设计是由螺杆顶部(靠近驱动电机一端)到螺杆底部(靠近挤出一端)，螺纹逐渐加密，螺纹圈数逐渐增多，螺距逐渐减少，螺槽深度逐渐减小。设计目的是在驱动电机转速固定的条件下，熔融态的材料在螺杆转动下逐渐承受更大的挤压力，螺杆对熔融态的材料进行紧压来获得更大的挤出力和挤出速度。螺纹螺距具体设计如表4所示。
表4螺纹参数设计
螺纹组 螺距(mm) 圈数 高度(mm) 直径(mm)
1 3 10 45 5.5
2 2.5 12 50.5 5.5
3 2 14 55 5.5
4 1.5 16 58.5 5.5
5 1 18 61 5.5
此外，为了使PEEK在螺杆杆筒内具有更好的流动性能，本装置设计在杆筒外包裹一层电加热圈，以起到保温熔融态PEEK的作用。电弧加热圈是将电能转变成热能以加热物体，温度可达3000℃以上，易于实现温度的自动控制和远距离控制。最后，熔融状态的PEEK经螺杆的转动挤入喷嘴，喷嘴温度对于PEEK材料的成形至关重要，所以喷嘴处设计可控温度的加热棒。各系统装置相互协调配合，完成对PEEK丝材的熔融打印工艺。
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)

1.一种激光辅助加热装置，其特征是，包括：
石英室，为石英材质，内部设置柱状腔室，使得材料在外力的作用下在所述柱状腔室进行线性运动；
激光发射设备，能够发射激光束，且激光束能够射入至石英室内；
所述石英室设置激光反射层，激光发射设备射入至石英室内的激光束的入射方向与石英室内材料的运动方向之间的夹角为钝角。
2.如权利要求1所述的激光辅助加热装置，其特征是，激光反射层为金箔。
3.如权利要求1所述的激光辅助加热装置，其特征是，包括加热装置，用于对石英室进行保温加热；
或，石英室外部包括保温层。
4.如权利要求1所述的激光辅助加热装置，其特征是，包括外壳，用于包覆石英室。
5.如权利要求1所述的激光辅助加热装置，其特征是，所述钝角为100±5°。
6.一种激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，其特征是，包括：
权利要求1～5任一所述的激光辅助加热装置，用于将材料熔融；
渐变螺杆挤出装置，将所述激光辅助加热装置熔融后的材料通过渐变螺杆紧压挤出；
所述渐变螺杆从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端，螺纹逐渐加密，螺纹圈数逐渐增多，螺距逐渐减少，螺槽深度逐渐减小。
7.如权利要求6所述的激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，其特征是，渐变螺杆从靠近驱动电机一端至靠近挤出一端依次设置为压缩段和均化段，熔融后的材料进入压缩段；
或，渐变螺杆与螺杆电机连接。
8.如权利要求6所述的激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统，其特征是，与渐变螺杆配合的杆筒外包裹一层电加热圈；
或，渐变螺杆挤出装置的喷嘴处设置温度可控的加热器。
9.一种权利要求6～8任一所述的激光辅助加热渐变螺杆熔融沉积系统在对聚醚醚酮材料进行熔融沉积3D打印中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征是，激光功率为50～100％。
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CN104139513A (zh) * 2014-08-20 2014-11-12 绍兴博瑞挤出设备有限公司 一种渐变螺距式塑料挤出螺杆

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