CN115339099A - 一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置，包括料筒，料筒上端的料筒气压入口依次通过电磁阀、压力表、减压阀、气压罐和气泵连接；料筒顶端连接有料筒盖，料筒盖上的螺纹孔与外部3D打印机连接；料筒底端连接有加热块，料筒底端外侧连接有温度传感器；料筒中部两侧对称连接有超声振子，两个超声振子和超声波发生器连接；本发明根据高频振动加速界面材料分子链与料筒壁面的吸附‑解附过程以及材料界面与本体分子间解缠‑缠结过程，降低材料粘度的原理，在料筒两侧各布置一个同型号的超声振子，利用两个超声振子与料筒共振的方式来增大振幅，可将固含量为88％的含能材料以及其他高粘度材料顺利挤出。
Description
技术领域
本发明属于高粘度材料成型技术领域，具体涉及一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置。
背景技术
3D打印技术又称为“增材制造”技术，是一种将计算机辅助设计的三维模型进行切片，利用粉末状金属或聚合物在激光束、光源、热源等的作用下逐层堆积粘合成最终形状的技术，广泛应用于交通运输、医疗、航空航天等领域。
有些高粘度材料如含能材料在受到较大的挤压、摩擦力以及过高温度时易发生爆炸，打印过程中则必须要考虑上述危险因素，目前，常见的挤出方式有活塞挤出、螺杆挤出以及气压挤出。其中螺杆挤出通过转动的螺杆推动材料向下运动(Gala A L,Fiorio R,Erko M,et al.Theoretical evaluation of the melting efficiency for the single-screw micro-extrusion process:The case of 3D printing of ABS[J].Processes,2020,8(11):1522；Hong S,Sanchez C,Du H,et al.Fabrication of 3D printed metalstructures by use of high-viscosity Cu paste and a screw extruder[J].Journalof Electronic Materials,2015,44(3):836-841)，此种方法挤出稳定、反应灵敏，但是螺杆挤出过程中材料所受的摩擦力、挤压力较大，不适用于含能材料；活塞挤出方式是通过移动的活塞直接产生推力，材料在此推力作用下从喷头挤出，此种方式的优点在于挤出材料的量可以通过活塞的位移进行精确控制，这也导致了对活塞的运动行程的控制精度要求较高(金乐，熊卓，刘利，等.基于活塞挤出的组织工程支架低温沉积制造工艺[J].清华大学学报：自然科学版，2009，49(5)：652-655+659)，并且经实验验证对于高粘度的含能材料，活塞挤出方式直接将物料压实，无法将材料挤出；气压挤出利用气体的压力将物料从喷头处挤出(陈中中，李涤尘，卢秉恒.气压式熔融沉积快速成形系统[J].电加工与模具，2002(2)：9-12)，料筒内压力可控制在安全挤出压力范围内，保证了含能材料挤出的安全性能，但是直接用气压挤出固含量为88％的含能材料会出现无法挤出的现象。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置，根据高频振动加速界面材料分子链与料筒壁面的吸附-解附过程以及材料界面与本体分子间解缠-缠结过程，降低材料粘度的原理，在料筒两侧各布置一个同型号的超声振子，利用两个超声振子与料筒共振的方式来增大振幅，可将固含量为88％的含能材料以及其他高粘度材料顺利挤出。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置，包括料筒11，料筒11上端的料筒气压入口6依次通过电磁阀5、压力表4、减压阀3、气压罐2和气泵1连接；料筒11顶端连接有料筒盖8，料筒盖8上的螺纹孔7与外部3D打印机连接；料筒11底端连接有加热块13，料筒11底端外侧连接有温度传感器12；料筒11中部两侧对称连接有超声振子10，两个超声振子10和超声波发生器9连接。
所述的气泵1、气压罐2、减压阀3、压力表4、电磁阀5组成了一套气压管路，为材料的挤出提供动力；空气泵1将压缩机的机械能转化为空气的压力势能，压缩气体储存在压力罐2中，通过调节减压阀3的旋钮调节输出压力的大小，输出的压力大小数值由压力表4读取，通过电磁阀5的闭合与断开来控制料筒进气孔6的压力供给。
所述的电磁阀5的断开与闭合通过打印机控制程序G代码控制，当电磁阀5处于断开状态，料筒11中无气体压力，含能材料不会被挤出料筒11；当电磁阀5接收到电信号时，处于闭合状态，料筒进气孔6获得相应的挤出压力，料筒11内的物料受到挤压力从喷嘴流出。
所述的加热块13将料筒11中的材料加热到适合打印的温度，并由温度传感器12实时监测料筒11内的温度；在物料放入料筒11中后，加热块13开始工作，对料筒11中的物料进行预热，温度监测装置12实时监测料筒内物料的温度，当温度超过预设温度时，加热块13停止工作，待温度低于预设温度时，加热块13恢复工作状态。
所述超声波发生器9产生高频的电信号，超声振子10内部的压力陶瓷将电信号转换成高频的振动信号；两台超声振子10以相同的频率振动，这就使得两个超声振子10带动料筒11高频振动，高频的振动加速了界面含能材料分子链与料筒11壁面的吸附-解附过程以及界面含能材料与本体分子间的解缠-缠结过程，降低了材料的粘度。
一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将料筒盖8拧下之后，放入待打印的含能材料，拧上料筒盖8，并将整个装置通过料筒盖8上的螺纹孔7与3D打印机上的支架连接；
2)将超声振子10与电源连接，将气压管路进行连接并通过调整减压阀3使挤出压力达到预设压力，并将加热块13调整到预设的温度；
3)待温度达到预设的温度并稳定后，将三维模型对应的G代码输入到3D打印机中，由G代码中的命令来控制电磁阀5的断开与闭合，通过逐层打印出最终的三维模型。
本发明的有益效果是：
1)本发明将超声振动应用到高粘度材料特别是高粘度含能材料的挤出，降低了挤出过程的材料粘度，使得相对于安全的气压挤出方式可以应用到含能材料的挤出上并能将含能材料顺利挤出。
2)本发明通过减压阀3可以控制最大挤压力在可控范围内，并通过温度传感器12实时监测料筒11中材料的温度，超过预设温度后使加热块13停止工作，保证了含能材料挤出过程的安全性能。
3)本发明利用两个同型号超声振子10在同一超声波发生器9的电信号下以相同的频率振动，带动料筒11共振，整个装置不会因为料筒11中物料的挤出减少而影响其共振性能，这使得含能材料的挤出过程稳定性更好，打印精度也会因此得到明显的提升。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，现结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明，本实施例挤出的材料为高粘度的含能材料。
如图1所示，一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置，包括料筒11，料筒11上端的料筒气压入口6依次通过电磁阀5、压力表4、减压阀3、气压罐2和气泵1连接，气泵1、气压罐2、减压阀3、压力表4、电磁阀5组成了一套气压管路，为材料的挤出提供动力；料筒11顶端连接有料筒盖8，料筒盖8上的螺纹孔7与外部3D打印机连接，从而控制本装置的移动轨迹；料筒11底端连接有加热块13，料筒11底端外侧连接有温度传感器12，加热块13将料筒11中的材料加热到适合打印的温度，并由温度传感器12实时监测料筒内的温度，以防温度过高发生危险；料筒11中部两侧连接有超声振子10，超声振子10和超声波发生器9连接，超声振子10为料筒11提供了高频的振动力。
通过实验研究超声振幅大小对挤出过程的影响，实验结果表明超声振幅越大，越有利于物料的挤出；通过两个同型号的超声振子10并联放置料筒11两侧与料筒11共振的方法来实现小功率下产生大振幅的目的，既节省功耗，又不会因大功率设备产生大量的热，含能材料的挤出安全性得到了保障；通过调节减压阀3来控制挤出压力的大小，通过加热块13来控制料筒11内材料的温度；控制挤出压力以及材料的实际温度大大保障了含能材料的挤出过程的安全性。
所述气泵1将压缩机的机械能转化为空气的压缩势能，压缩气体储存在压力罐2中，通过调节减压阀3的旋钮可以调节输出压力的大小，输出的压力大小数值由压力表4读取，通过电磁阀5的闭合与断开来控制料筒进气孔6的压力供给。
所述的电磁阀5的断开与闭合通过打印机控制程序G代码控制，当电磁阀5处于断开状态，料筒11中无气体压力，含能材料不会被挤出料筒11；当电磁阀5接收到电信号时，处于闭合状态，料筒进气孔6获得相应的挤出压力，料筒11内的物料受到挤压力从喷嘴流出。
所述超声波发生器9产生高频的电信号，通过导线将其作用在超声振子10上，超声振子10内部的压力陶瓷将电信号转换成高频的振动信号；由于料筒11两侧的超声振子10的电信号由同一台超声波发生器9供给，接收到的电信号完全一致，所以两台超声振子10会以相同的频率振动，这就使得两个超声振子10带动料筒11高频振动，高频的振动加速了界面含能材料分子链与料筒11壁面的吸附-解附过程以及界面含能材料与本体分子间的解缠-缠结过程，降低了材料的粘度，使挤出过程更加顺畅。
单纯依靠超声较低材料的粘度并不能取得很好的效果，所以通过加热块13对材料进行预热，使材料达到某个设定的温度，材料的粘度也会随着温度的升高而发生明显的降低。含能材料的危险温度阈值为80℃，故加热块13的预设温度调节为60℃～70℃，并由温度传感器12实时监测材料内部的温度，当温度接近高于70℃时，通过停止加热块13工作来使整个装置的温度降低到预设温度。
一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将料筒盖8拧下之后，放入待打印的含能材料，使用平头工具将物料压实，拧上料筒盖8，并将整个装置通过料筒盖8上的螺纹孔7与3D打印机上的支架连接；
2)将超声振子10与电源连接，超声电源的频率调整与振子的频率一致，即28KHz后打开超声电源；将气压管路进行连接并通过调整减压阀3使挤出压力达到预设压力，并将加热块13调整到预设的温度；
3)待温度达到预设的温度并稳定后，将三维模型对应的G代码输入到3D打印机中，由G代码中的命令来控制电磁阀5的断开与闭合，通过逐层打印出最终的三维模型。
Claims (6)
1.一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置，包括料筒(11)，其特征在于：料筒(11)上端的料筒气压入口(6)依次通过电磁阀(5)、压力表(4)、减压阀(3)、气压罐(2)和气泵(1)连接；料筒(11)顶端连接有料筒盖(8)，料筒盖(8)上的螺纹孔(7)与外部3D打印机连接；料筒(11)底端连接有加热块(13)，料筒(11)底端外侧连接有温度传感器(12)；料筒(11)中部两侧对称连接有超声振子(10)，两个超声振子(10)和超声波发生器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的气泵(1)、气压罐(2)、减压阀(3)、压力表(4)、电磁阀(5)组成了一套气压管路，为材料的挤出提供动力；空气泵(1)将压缩机的机械能转化为空气的压力势能，压缩气体储存在压力罐(2)中，通过调节减压阀(3)的旋钮调节输出压力的大小，输出的压力大小数值由压力表(4)读取，通过电磁阀(5)的闭合与断开来控制料筒进气孔(6)的压力供给。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁阀(5)的断开与闭合通过打印机控制程序G代码控制，当电磁阀(5)处于断开状态，料筒(11)中无气体压力，含能材料不会被挤出料筒(11)；当电磁阀(5)接收到电信号时，处于闭合状态，料筒进气孔(6)获得相应的挤出压力，料筒(11)内的物料受到挤压力从喷嘴流出。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的加热块(13)将料筒(11)中的材料加热到适合打印的温度，并由温度传感器(12)实时监测料筒(11)内的温度；在物料放入料筒(11)中后，加热块(13)开始工作，对料筒(11)中的物料进行预热，温度监测装置(12)实时监测料筒内物料的温度，当温度超过预设温度时，加热块(13)停止工作，待温度低于预设温度时，加热块(13)恢复工作状态。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述超声波发生器(9)产生高频的电信号，超声振子(10)内部的压力陶瓷将电信号转换成高频的振动信号；两台超声振子(10)以相同的频率振动，这就使得两个超声振子(10)带动料筒(11)高频振动，高频的振动加速了界面含能材料分子链与料筒(11)壁面的吸附-解附过程以及界面含能材料与本体分子间的解缠-缠结过程，降低了材料的粘度。
6.权利要求1所述的一种基于双超声振子共振的高粘度材料挤出装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将料筒盖(8)拧下之后，放入待打印的含能材料，拧上料筒盖(8)，并将整个装置通过料筒盖(8)上的螺纹孔(7)与3D打印机上的支架连接；
2)将超声振子(10)与电源连接，将气压管路进行连接并通过调整减压阀(3)使挤出压力达到预设压力，并将加热块(13)调整到预设温度；
3)待温度达到预设的温度并稳定后，将三维模型对应的G代码输入到3D打印机中，由G代码中的命令来控制电磁阀(5)的断开与闭合，通过逐层打印出最终的三维模型。
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