CN116118178A - 一种分段加热的聚合物3d打印轻量化螺杆挤出装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，属于聚合物3D打印机成型技术领域，涉及一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置。该装置由螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件组成，该装置中利用料腔加热片、热端板、加热棒、针筒加热片、转接头加热片独立加热件分别安装在螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件中，采用分段加热方式，通过3D打印机PID温控系统，实现聚合物在储料仓、转接头、料腔和挤出头内的分段加热。该装置采用隔热措施和轻量化设计理念，合理调控聚合物的粘度和流动性，还可在储料仓通压缩空气提高供料效率。该装置结构紧凑，通用性强，可直接匹配主流3D打印机系统，用于聚合物颗粒和浆料等成型。
Description
技术领域
本发明属于3D打印机成型技术领域，涉及一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置。
背景技术
液体挤出沉积成型，其原理是根据制品的三维模型，在计算机的控制下通过打印头泵送挤出粘性液体，逐层沉积固化成型。该成型技术能消除昂贵模具的使用，简化生产流程，实现快速成型，大幅提高生产效率；还能对打印材料的微观结构进行精确控制，制造高度优化但几何复杂的结构，显著提高设计的灵活性，被广泛的应用于原型制作、规模化定制和按需打印等场合，成为目前备受青睐的3D打印技术之一。
根据挤出原理不同，液体挤出3D打印挤出装置主要可分为线材熔融挤出(FDM)、活塞挤出和螺杆挤出等三类，其中的螺杆挤出装置目前主要应用于陶泥3D打印领域，如专利CN 215038456 U公开了一种陶瓷3D打印机的螺杆挤出装置，但该装置不具备加热功能，仅能挤出常温状态的高粘态陶泥，还需配套的电动推杆进料系统以克服陶泥进料的高阻力。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，发明一种具备分段加热功能的轻量化螺杆挤出装置。该装置为储料仓、转接头、料腔和热端板设计了独立的加热部件，并进行了轻量化设计，将需要高效传热的料腔和热端板、高强度要求的联轴器上、下法兰选用高强度铝合金材质。隔热定位套、隔热环和隔热螺钉等零件采用了轻质的PEEK材质，减小了螺杆挤出装置的重量。该挤出装置以步进电机作为挤出动力源，结构简单，通用性强，可适用多数主流3D打印设备。
本发明的具备分段加热功能的螺杆挤出装置，不仅可通过调整物料温度降低粘度，克服挤出阻力，简化装置。还可应用于颗粒、粉末或者高粘度聚合物的成型领域，极大拓展螺杆挤出装置的应用领域。螺杆挤出装置中采用分段加热零部件，必然带来高效传热和区域隔热等难题，本发明为克服上述难题采用隔热材质制作的隔热板、隔热环、隔热螺钉等隔热措施，很好的解决了这些难题。
本发明采用的技术方案是一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置由螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件组成；
所述螺杆挤出组件中，步进电机1下端安装有上隔热垫2，通过4个中空的隔热定位套3与上端安装的下隔热垫9的料腔10相连，并用上隔热螺钉4紧固；料腔10与挤出螺杆12为间隙配合，通过料腔10顶端的自润滑轴承11对二者进行同轴度定位；步进电机传动轴通过联轴器部分与挤出螺杆12连接，联轴器部分由同轴的上法兰5、隔热环6和下法兰7构成，通过中隔热螺钉8紧固；上、下法兰(5、7)与电机轴和挤出螺杆12间设置有防松顶丝，将步进电机的转矩传递给挤出螺杆；料腔10下端设有定位孔，通过同轴的过渡套14与热端板15装配，并用下隔热螺钉18紧固；集成了加热电阻和热敏电阻的料腔加热片13包覆在料腔10中部外表面上，热端板15上加工有安装孔，用来安装加热棒19和热敏电阻20；通过3D打印机PID温控系统可实现料腔10和热端板15的独立加热；热端板15下端通过螺纹结构与挤出头16连接，其周向装有保温套17；
所述储料仓组件由气管21、快拆气动接头22、针筒盖23、活塞24、鲁尔口不锈钢针筒25和针筒加热片26组成，针筒盖23与针筒25和气动接头22采用螺纹连接，在针筒盖23与针筒25间安装有确保两者间气密性的氟胶垫30；针筒加热片26集成了加热电阻和热敏电阻包覆在针筒25外圆上，通过3D打印机PID温控系统,实现储料仓组件的独立加热；
所述转接头组件由鲁尔转接头27、90°转接头28和转接头加热片29组成，鲁尔转接头27与90°转接头28为螺纹连接；转接头加热片29集成了加热电阻和热敏电阻包覆在90°转接头28外表面上，通过3D打印机PID温控系统，实现储料仓组件的独立加热；其中，鲁尔转接头27与鲁尔口不锈钢针筒25密封连接，90°转接头28通过螺纹与料腔10表面的进料口连接，将储料仓组件与螺杆挤出组件装配成一体；
所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置中采用分段加热方式，利用料腔加热片13，热端板15，加热棒19，针筒加热片26，转接头加热片29独立加热部件分别安装在螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件中，通过3D打印机PID温控系统，实现聚合物在储料仓、转接头、料腔和挤出头内的分段加热，合理调控聚合物的粘度和流动性，满足3D打印要求；
所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置采用了轻量化设计理念，螺杆挤出组件中联轴器部分的上、下法兰5、7、料腔10和热端板15均选用高强度铝合金材质；隔热定位套3、联轴器部分的隔热环6、上、中、下隔热螺钉4、8、18选用轻质的PEEK材质，满足高传热和有效隔热的功能性要求同时，大幅降低螺杆挤出组件的重量；
所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置采用了隔热材质制作上、下隔热垫2、9、隔热环6、上、中、下隔热螺钉4、8、18；还在料腔10与热端板15间设计了隔热间隙A，与两者配合的过渡套14采用导热率远低于铝合金的P20材质；连接料腔10与热端板的紧固件采用PEEK材质的下隔热螺钉18，使得料腔10与热端板15间温差达到100℃；步进电机部位也采用了隔热措施，步进电机轴和料腔上端面安装石棉材质的隔热垫2、9，连接二者用的隔热定位套3和上隔热螺钉4选择耐高温、隔热的PEEK塑料；连接电机轴和挤出螺杆12的联轴器部分安装有隔热环6，联轴器的紧固也选择了PEEK中隔热螺钉8。
所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置中储料仓组件顶部设置有气管21，当原料粘度较高、流动阻力较大时，通入压缩空气，配合活塞使用，提高供料效率。
本发明的有益效果是：本发明提供的螺杆挤出装置，利用料腔加热片，热端板，加热棒，针筒加热片，转接头加热片独立加热部件通过3D打印机PID温控系统，实现聚合物原料在储料仓、转接头、料腔和挤出头内的分段加热。合理调控聚合物的粘度和流动性，在储料仓通压缩空气提高供料效率；通过隔热设计，料腔与热端板间温差可达到100℃，步进电机实现了有效隔热。料腔、热端板和联轴器等选用高强度铝合金材料，隔热零部件选用轻质、耐热PEEK塑料，实现了挤出装置的轻量化设计。该装置以步进电机作为挤出动力源，结构紧凑，通用性强，可直接匹配主流3D打印机系统，用于聚合物颗粒和浆料等成型。
附图说明
图1为本发明螺杆挤出装置的主剖视图，图2为图1中热端板上的加热棒和热敏电阻位置局部外观图。
其中：1-步进电机，2-上隔热垫，3-隔热定位套，4-上隔热螺钉，5-上法兰，6-隔热环，7-下法兰，8-中隔热螺钉，9-下隔热垫，10-料腔，11-自润滑轴承，12-挤出螺杆，13-料腔加热片，14-过渡套，15-热端板，16-挤出头，17-保温套，18-下隔热螺钉，19-加热棒，20-热敏电阻，21-气管，22-气动接头，23-针筒盖，24-活塞，25-鲁尔口不锈钢针筒，26-针筒加热片，27-鲁尔转接头，28-900转接头，29-转接头加热片，30-氟胶垫，A-隔热间隙。
具体实施方式：
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
如图1～2所示，本发明是一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，该装置由螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件组成。
在螺杆挤出组件中，步进电机1下端安装有上隔热垫2，通过4个中空的隔热定位套3与上端安装的下隔热垫9的料腔10相连，并用4个上隔热螺钉4紧固；料腔10与挤出螺杆12为间隙配合，通过料腔10顶端的自润滑轴承11对二者进行同轴度定位；步进电机传动轴通过联轴器部分与挤出螺杆12连接，联轴器部分由同轴的上法兰5、隔热环6和下法兰7组成，通过M个中隔热螺钉8紧固，上、下法兰5、7与电机轴和挤出螺杆12间设置有防松顶丝，可传递步进电机的转矩至挤出螺杆；料腔10下端设有定位孔，通过同轴的过渡套14与热端板15装配，并用M个下隔热螺钉18紧固；集成了加热电阻和热敏电阻的料腔加热片13包覆在料腔10中部外表面上，热端板15上加工有安装孔，用来安装加热棒19和热敏电阻20；通过3D打印机PID温控系统可实现料腔和热端板的独立加热；热端板15下端通过螺纹结构与挤出头16连接，周向装有保温套17，以提高热端板的加热效率；
储料仓组件由气管21、快拆气动接头22、针筒盖23、活塞24、鲁尔口不锈钢针筒25和针筒加热片26组成，针筒盖23与针筒25和气动接头22采用螺纹连接，在针筒盖23与针筒25间安装有确保两者间气密性的氟胶垫30；针筒加热片26集成了加热电阻和热敏电阻包覆在针筒25外圆上，通过3D打印机PID温控系统可实现储料仓组件的独立加热；
转接头组件由鲁尔转接头27、90°转接头28和转接头加热片29组成，鲁尔转接头27与90°转接头28为螺纹连接；转接头加热片29集成了加热电阻和热敏电阻包覆在90°转接头外表面上，通过3D打印机PID温控系统，实现储料仓组件的独立加热；其中，鲁尔转接头27与鲁尔口不锈钢针筒25密封连接，90°转接头28通过螺纹与料腔10表面的进料口连接，将储料仓组件与螺杆挤出组件装配成一体；
一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，该装置中采用分段加热，利用料腔加热片13，热端板15，加热棒19，针筒加热片26，转接头加热片29独立加热件分别安装在螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件上，通过3D打印机PID温控系统，实现聚合物在储料仓、转接头、料腔和挤出头内的分段加热，合理调控聚合物的粘度和流动性，满足3D打印要求。
一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，该装置采用了轻量化设计理念，螺杆挤出组件中联轴器部分的上、下法兰5、7、料腔10和热端板15均选用高强度铝合金材质，隔热定位套3、联轴器部分的隔热环6均和上、中、下隔热螺钉4、8、18选用轻质的PEEK材料，满足高传热和有效隔热的功能性要求同时，大幅降低螺杆挤出组件的重量。
一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，该装置采用了隔热材质制作上、下隔热垫2、9、隔热环6、上、中、下隔热螺钉4、8、18，还在料腔10与热端板15间设计了图1中隔热间隙A，与两者配合的过渡套采用导热率远低于铝合金的P20材质，连接料腔10与热端板15的紧固件采用PEEK材质隔热螺钉，使得料腔10与热端板15间温差达到100℃；步进电机部位也采用了隔热措施，步进电机轴和料腔上端面安装石棉材质的隔热垫片，连接二者用的隔热定位套3和隔热螺钉4选择耐高温、隔热的PEEK塑料；连接电机轴和挤出螺杆12的联轴器部分安装有隔热环6，联轴器的紧固也选择了PEEK隔热螺钉8。
一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，该装置中储料仓组件顶部安装有气管21和快拆气动接头22，当原料粘度较高、流动阻力较大时，通入压缩空气，配合活塞使用，增大进料压力，提高供料效率。
3D打印挤出成型一种热固性聚氨酯弹性体原液，实施例中装置的具体操作过程如下：
步骤1、将热固性聚氨酯弹性体原液倒入不锈钢针筒内，启动打印机，利用料腔加热片13、加热棒19、转接头加热片29和针筒加热片26将螺杆挤出装置加热到设定温度，并保温一段时间。
步骤2、将储料仓组件顶部气管连接至设定压力的压缩空气储气罐，将控制气体通路的二位三通电磁阀连接至打印机。
步骤3、将待打印制品的切片程序导入打印设备中，选择文件进行打印。程序运行后，在程序控制下，气体通路打开，预热后的聚氨酯弹性体原液在自重和压缩空气驱动活塞的推动下，按图1所示，经针筒25、鲁尔转接头27、90度转接头28进入料腔10，在挤出螺杆12旋转作用下，经过渡套14从挤出头16处快速加热后挤出，热固化成型。挤出头16随打印机按照预定路径移动，并定量挤出原液，进而实现3D打印。
步骤4、完成制品3D打印，依次关闭螺杆挤出装置的各段加热片和加热棒，将打印头移动至空工位，挤出多余原料，清理挤出头和料腔。
Claims (5)
1.一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置由螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件组成；
所述螺杆挤出组件中，步进电机(1)下端安装有上隔热垫(2)，通过4个中空的隔热定位套(3)与上端安装的下隔热垫(9)的料腔(10)相连，并用上隔热螺钉(4)紧固；料腔(10)与挤出螺杆(12)为间隙配合，通过料腔(10)顶端的自润滑轴承(11)对二者进行同轴度定位；步进电机传动轴通过联轴器部分与挤出螺杆(12)连接，联轴器部分由同轴的上法兰(5)、隔热环(6)和下法兰(7)构成，通过中隔热螺钉(8)紧固；上、下法兰(5、7)与电机轴和挤出螺杆(12)间设置有防松顶丝，将步进电机的转矩传递给挤出螺杆(12)；料腔(10)下端设有定位孔，通过同轴的过渡套(14)与热端板(15)装配，并用下隔热螺钉(18)紧固；集成了加热电阻和热敏电阻的料腔加热片(13)包覆在料腔(10)中部外表面上，热端板(15)上加工有安装孔，用来安装加热棒(19)和热敏电阻(20)；通过3D打印机PID温控系统实现料腔(10)和热端板(15)的独立加热；热端板(15)下端通过螺纹与挤出头(16)连接，其周向装有保温套(17)；
所述储料仓组件由气管(21)、气动接头(22)、针筒盖(23)、活塞(24)、鲁尔口不锈钢针筒(25)和针筒加热片(26)组成，针筒盖(23)与针筒(25)间设置有氟胶垫(30)，确保两者间的气密性；针筒加热片(26)集成了加热电阻和热敏电阻包覆在针筒(25)外圆上，通过3D打印机PID温控系统，实现储料仓组件的独立加热；
所述转接头组件由鲁尔转接头(27)、90°转接头(28)和转接头加热片(29)组成，鲁尔转接头(27)与90°转接头(28)为螺纹连接；转接头加热片(29)集成了加热电阻和热敏电阻包覆在90°转接头(28)外表面上，通过3D打印机PID温控系统，实现储料仓组件的独立加热；其中，鲁尔转接头(27)与鲁尔口不锈钢针筒(25)密封连接，90°转接头(28)通过螺纹与料腔(10)表面的进料口连接，将储料仓组件与螺杆挤出组件装配成一体。
2.依据权利要求1所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置中采用分段加热方式，利用料腔加热片(13)，热端板(15)，加热棒(19)，针筒加热片(26)，转接头加热片(29)独立加热件分别安装在螺杆挤出组件、储料仓组件和转接头组件中，通过3D打印机PID温控系统，实现聚合物在储料仓、转接头、料腔和挤出头内的分段加热，合理调控聚合物的粘度和流动性，满足3D打印要求。
3.依据权利要求1或2所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置采用了轻量化设计，螺杆挤出组件中联轴器部分的上、下法兰(5、7)、料腔(10)和热端(15)均选用高强度铝合金材质；隔热定位套(3)、联轴器部分的隔热环(6)、上、中、下隔热螺钉(4、8、18)选用轻质的PEEK材料，满足高传热和有效隔热的功能性要求同时，大幅降低螺杆挤出组件的重量。
4.依据权利要求3所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置采用了隔热材质制作上、下隔热垫(2、9)、隔热环(6)、上、中、下隔热螺钉(4、8、18)；还在料腔(10)与热端板(15)间设计了隔热间隙(A)，与两者配合的过渡套(14)采用导热率远低于铝合金的P20材质；连接料腔(10)与热端板(15)的紧固件采用PEEK材质的下隔热螺钉(18)，使得料腔(10)与热端板(15)间温差达到100℃；步进电机部位也采用了隔热措施，步进电机轴和料腔上端面安装石棉材质的上、下隔热垫(2、9)，连接二者用的隔热定位套(3)和上隔热螺钉(4)选择耐高温、隔热的PEEK塑料；连接电机轴和挤出螺杆(12)的联轴器部分安装有隔热环(6)，联轴器的紧固也选择了PEEK材质的中隔热螺钉(8)。
5.依据权利要求4所述的一种分段加热的聚合物3D打印轻量化螺杆挤出装置，其特征是，该装置中储料仓组件顶部设置有气管(21)，当原料粘度较高、流动阻力较大时，通入压缩空气，配合活塞使用，提高供料效率。
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