CN116587558A - 一种浆料直写成型装置及其浆料挤出结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浆料直写成型装置及其浆料挤出结构，浆料挤出结构包括用于储存浆料的料筒；料筒的底部设有喷嘴，喷嘴底部具有出料口，喷嘴的内外径自上向下逐渐变小；浆料挤出结构包括一级螺旋叶片以及驱动一级螺旋叶片转动的电机，一级螺旋叶片位于料筒中，一级螺旋叶片用于挤压浆料；浆料挤出结构还包括位于喷嘴中的二级螺旋叶片，二级螺旋叶片为与喷嘴形状适配的锥形结构，二级螺旋叶片可相对于喷嘴转动，以将喷嘴内的浆料由所述出料口中挤出。由于喷嘴内也设置在螺旋叶片来对浆料进行螺旋挤压，且二级螺旋叶片、喷嘴均为锥形，能够防止喷嘴内的浆料产生应力堆积，避免浆料堵塞喷嘴的出料口。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，具体涉及一种浆料直写成型装置及其浆料挤出结构。
背景技术
在3D打印技术中，浆料直写成型技术(DIW)是一种多功能且成本较低的增材制造技术，可在亚微米至厘米范围内实现金属、陶瓷、聚合物、水凝胶等复杂三维结构的程序化构建，且构建过程不涉及粉末球形度、高能束、真空、惰性环境等苛刻要求，具有兼容性广、节能省材、操作便捷等诸多优势。
DIW的稳定成型依赖于浆料能够在较低压力下被顺利挤出并且在挤出后快速固化，具有非常有限的变形。控制浆料的流变性能可以避免挤出后料丝的变形，确保了打印过程的成功，但浆料挤出后的及时固化难以把控。对比溶剂蒸发、化学交联固化、热固化等几种固化方式，光固化的一次固化率高达90％，固化速度快且固化程度易于把控，是一种理想的固化方式。
DIW所使用浆料的粘度范围比立体光刻高出几个数量级，可以达到2.3×107cP，高固相含量也是保证打印成品具有良好致密度的必要条件。但固相含量的提升同时带来了浆料固结、堵塞喷嘴、难于挤出等难题，在不牺牲浆料直写精度的前提下，常规的气压式和活塞式体积驱动浆料挤出的模式面临气压难于调控、供料一次性、固态颗粒应力堆积的挑战。螺杆式推动挤出是一种有效的替代方案，但由于喷嘴内的空间狭小，实际使用时仍存在应力堆积的情况，浆料易堵塞喷嘴的出料口。
发明内容
本发明提供一种浆料直写成型装置的浆料挤出结构，以解决现有技术中喷嘴的空间较小而易出现应力堆积、堵塞喷嘴出料口的技术问题。本发明还提供一种使用该浆料挤出结构的浆料直写成型装置，以解决上述技术问题。
为解决上述问题，本发明提供的浆料直写成型装置的浆料挤出结构采用如下技术方案：一种浆料直写成型装置的浆料挤出结构，包括：
料筒，用于储存浆料；
设于料筒的底部的喷嘴，喷嘴底部具有出料口，喷嘴的内外径自上向下逐渐变小；
一级螺旋叶片以及驱动一级螺旋叶片转动的电机，一级螺旋叶片位于料筒中，一级螺旋叶片用于挤压浆料；
二级螺旋叶片，位于喷嘴中，二级螺旋叶片为与喷嘴形状适配的锥形结构，二级螺旋叶片可相对于喷嘴转动，以将喷嘴内的浆料由所述出料口中挤出。
有益效果是：一级螺旋叶片转动时能够搅动料筒内的浆料，将料筒内的浆料挤到喷嘴中；二级螺旋叶片、喷嘴相对转动时，二级螺旋叶片能够搅动喷嘴内的浆料，将喷嘴内的浆料由出料口中挤出。由于喷嘴内也设置在螺旋叶片来对浆料进行螺旋挤压，且二级螺旋叶片、喷嘴均为锥形，能够防止喷嘴内的浆料产生应力堆积，避免浆料堵塞喷嘴的出料口。
作为进一步地改进，一级螺旋叶片包括上下延伸的驱动轴，驱动轴与所述电机相连；
所述二级螺旋叶片的顶部固设于所述驱动轴的末端上。通过电机能够同时带动一级螺旋叶片、二级螺旋叶片进行转动，结构简单。
作为进一步地改进，所述喷嘴绕上下延伸的轴线转动装配在料筒上，所述料筒内侧底部设有支撑架，支撑架上设有供浆料通过的通道，所述二级螺旋叶片的顶部固设于所述支撑架上；
浆料挤出结构还包括驱动所述料筒回转的驱动部件。二级螺旋叶片在使用时为固定布置的方式，且供二级螺旋叶片固定安装的支撑架位于料筒内侧底部，二级螺旋叶片的固定端和下部的悬伸端之间的距离较小，二级螺旋叶片、喷嘴相对转动时能够减小甚至是避免二级螺旋叶片出现晃动，避免二级螺旋叶片、喷嘴之间发生接触，进而避免因二级螺旋叶片、喷嘴接触而产生杂质，污染浆料。
作为进一步地改进，所述料筒的底部凸出布置有安装筒，所述安装筒的外径小于料筒的外径，所述喷嘴转动安装在所述安装筒上。
作为进一步地改进，一级螺旋叶片包括上下延伸的驱动轴，驱动轴与所述电机相连；
所述支撑架的中心位置设有轴承，所述驱动轴的下端穿设于所述轴承中。驱动轴的下端穿设在轴承中，安装架能够对驱动轴的下端进行限位，避免驱动轴发生跳动。仅需要一个安装架就同时起到了对驱动轴进行限位以及安装二级螺旋叶片的作用，零部件数量较少，结构较为简单。
本发明提供的浆料直写成型装置采用如下技术方案：一种浆料直写成型装置，包括：
浆料挤出结构，包括：
料筒，用于储存浆料；
设于料筒的底部的喷嘴，喷嘴底部具有出料口，喷嘴的内外径自上向下逐渐变小；
一级螺旋叶片以及驱动一级螺旋叶片转动的电机，一级螺旋叶片位于料筒中，一级螺旋叶片用于挤压浆料；
二级螺旋叶片，位于喷嘴中，二级螺旋叶片为与喷嘴形状适配的锥形结构，二级螺旋叶片可相对于喷嘴转动，以将喷嘴内的浆料由所述出料口中挤出；
浆料直写成型装置还包括：
光固化结构，包括：
激光器安装架，固设于所述料筒的外部；
紫外激光器，安装于所述激光器安装架上，紫外激光器用于照射由所述喷嘴中挤出的浆料以对浆料进行固化。
有益效果是：一级螺旋叶片转动时能够搅动料筒内的浆料，将料筒内的浆料挤到喷嘴中；二级螺旋叶片、喷嘴相对转动时，二级螺旋叶片能够搅动喷嘴内的浆料，将喷嘴内的浆料由出料口中挤出。由于喷嘴内也设置在螺旋叶片来对浆料进行螺旋挤压，且二级螺旋叶片、喷嘴均为锥形，能够防止喷嘴内的浆料产生应力堆积，避免浆料堵塞喷嘴的出料口。
作为进一步地改进，一级螺旋叶片包括上下延伸的驱动轴，驱动轴与所述电机相连；
所述二级螺旋叶片的顶部固设于所述驱动轴的末端上。通过电机能够同时带动一级螺旋叶片、二级螺旋叶片进行转动，结构简单。
作为进一步地改进，所述喷嘴绕上下延伸的轴线转动装配在料筒上，所述料筒内侧底部设有支撑架，支撑架上设有供浆料通过的通道，所述二级螺旋叶片的顶部固设于所述支撑架上；
浆料挤出结构还包括驱动所述料筒回转的驱动部件。二级螺旋叶片在使用时为固定布置的方式，且供二级螺旋叶片固定安装的支撑架位于料筒内侧底部，二级螺旋叶片的固定端和下部的悬伸端之间的距离较小，二级螺旋叶片、喷嘴相对转动时能够减小甚至是避免二级螺旋叶片出现晃动，避免二级螺旋叶片、喷嘴之间发生接触，进而避免因二级螺旋叶片、喷嘴接触而产生杂质，污染浆料。
作为进一步地改进，所述料筒的底部凸出布置有安装筒，所述安装筒的外径小于料筒的外径，所述喷嘴转动安装在所述安装筒上。
作为进一步地改进，一级螺旋叶片包括上下延伸的驱动轴，驱动轴与所述电机相连；所述支撑架的中心位置设有轴承，所述驱动轴的下端穿设于所述轴承中。驱动轴的下端穿设在轴承中，安装架能够对驱动轴的下端进行限位，避免驱动轴发生跳动。仅需要一个安装架就同时起到了对驱动轴进行限位以及安装二级螺旋叶片的作用，零部件数量较少，结构较为简单。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1为光固化辅助的浆料直写成型装置实施例1的结构示意图；
图2为光固化辅助的浆料直写成型装置实施例2中浆料挤出结构的结构示意图(图中未显示光固化结构)；
图3为图2中A处的放大图；
图4为图2和图3中支撑架的结构示意图。
附图标记说明：
100、浆料挤出结构；101、料筒；102、喷嘴；103、进料筒；104、一级螺旋叶片；105、二级螺旋叶片；106、驱动轴；107、第一电机；108、直流电源；109、安装筒；110、第一轴承；111、第一齿轮；112、第二齿轮；113、安装座；114、第二电机；115、支撑架；116、十字架；117、第二轴承；200、光固化结构；201、激光器安装架；202、紫外激光器；203、固化光源功率控制器；300、三轴工作平台；400、浆料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员应知，下面所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
本发明所提供的浆料直写成型装置的实施例1：
如图1所示，光固化辅助的浆料直写成型装置(以下简称为成型装置)主要包括浆料挤出结构100和光固化结构200，浆料挤出结构100的作用是将浆料400挤出，光固化结构200的作用是对浆料挤出结构100挤出的浆料400进行照射固化。
浆料挤出结构100包括上下延伸的料筒101，料筒101上端封闭、下端具有开口，料筒101的底部对接有喷嘴102，此处的喷嘴102为微米级喷嘴。本实施例中，喷嘴102一体成型在料筒101的下端，喷嘴102为由上向下内外径逐渐变小的锥形结构。料筒101顶部的两侧分别开设有进料口，进料口上连接有进料筒103，通过进料筒103向料筒101内持续供给浆料400。
浆料挤出结构100还包括位于料筒101中的一级螺旋叶片104和位于喷嘴102中的二级螺旋叶片105，一级螺旋叶片104、二级螺旋叶片105同轴布置，一级螺旋叶片104回转时能够对料筒101内的浆料400进行搅动并将浆料400挤到喷嘴102中，二级螺旋叶片105回转时能够对喷嘴102内的浆料400进行搅动并将浆料400由喷嘴102底部的开口中挤出。一级螺旋叶片104的末端对齐料筒101的底部。通过一级螺旋叶片104、二级螺旋叶片105的转动能够避免在料筒101和喷嘴102中产生应力堆积，便于浆料400挤出。其中，二级螺旋叶片105的直径由上向下依次减小，即二级螺旋叶片105的形状与喷嘴102的形状相适配。一级螺旋叶片104包括上下延伸的驱动轴106。二级螺旋叶片105为中空式的结构，二级螺旋叶片105的顶部连接在驱动轴106的下端。
其中，喷嘴102的直径为50μm-1.4mm；二级螺旋叶片105伸入喷嘴102的长度为喷嘴102长度1/2-1比例范围内。
为驱动一级螺旋叶片104、二级螺旋叶片105进行回转，浆料挤出结构100还包括第一电机107，此处的第一电机107为小型调速电机，第一电机107连接有直流电源108，通过调控直流电源108输出电压的大小能够控制第一电机107的转速。一级螺旋叶片104的驱动轴106由料筒101中向上穿出，第一电机107与驱动轴106相连。其中，第一电机107在使用时通过支架进行固定。其中，直流电源108的输出电压范围5-30V。
光固化结构200包括激光器安装架201，激光器安装架201固定在料筒101的外部，具体的固定方式可以采用现有的方式，比如粘接、焊接等方式。激光器安装架201上转动安装有紫外激光器202，紫外激光器202能够发出紫外光，对喷嘴102挤出的浆料400进行光固化。其中，紫外激光器202的数量根据需要而定，比如可以为两个、三个或更多个。优选地，紫外激光器202的数量为2-6个，且均匀分布在喷嘴102四周。
紫外激光器202转动地安装在激光器安装架201上，能够调整其照射角度，保证照射到浆料400上。
光固化结构200还包括固化光源功率控制器203，紫外激光器202通过光纤导线连接在固化光源功率控制器203上，可调控照射光斑大小和照射功率强弱。紫外激光器202所提供的激光功率范围为100-500mW，波长范围在360-410nm，浆料固化时间低于0.1s。
使用过程如下所示：
(1)浆料原料准备：
金属/陶瓷粉末：粒径0.1-100μm，2-10kg；
光敏交联单体己二醇二丙烯酸酯(HDDA)；10-30kg；
活性稀释剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)：2-8kg；
自由基型引发剂2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(TPO)：2-5kg；
分散剂油酸(OA)：3-5kg。
(2)配备光敏料浆：
将HDDA与TMPTA按照4：1的质量比进行配比并搅拌均匀，向混合均匀的溶液中加入2-5wt.％的TPO引发剂，按照固相体积分数在50-65vol.％的范围内称取金属或陶瓷粉末加入到光敏溶剂中搅拌均匀。在搅拌过程中，加入溶剂质量0.5wt.％-3wt.％的分散剂，用以改善光敏浆料的流变性能。
(3)建模打印：
采用3D建模软件绘制出所需要打印的零件模型，并导入到计算机切片程序中完成切片，通过计算机控制三轴工作平台300的移动。将配备好的光敏浆料通过供料口注入料筒中，调控打印成形工艺参数，以实现打印浆料连续稳定挤出。
(4)光固化成型：
当光敏浆料从喷嘴102中挤出后，紫外激光器202输出一定强度的激光，汇聚在喷嘴102处固化浆料400，通过逐层打印得到生坯。后续通过脱脂和烧结等步骤，可使坯体获得力学性能。
本发明所提供的光固化辅助的浆料直写成型装置的实施例2：
其与实施例1的区别主要在于：
实施例1中，喷嘴和料筒为一体式的结构，第一电机同时带动一级螺旋叶片、二级螺旋叶片进行转动，即喷嘴是固定的，二级螺旋叶片是转动的，通过两者的相对转动，能够将浆料挤出。
在本实施例中，如图2、图3和图4所示，喷嘴102和料筒101为分体式的结构，且喷嘴102能够相对于料筒101进行转动。具体地，如图3所示，料筒101的底部朝下突出有安装筒109，安装筒109的外径小于料筒101的外径。喷嘴102的上端转动地套在安装筒109的外部，具体地，安装筒109的外部套装有第一轴承110，喷嘴102安装在第一轴承110上。
为驱动喷嘴102进行转动，在喷嘴102的外部固定套装有第一齿轮111，浆料挤出结构还包括第二齿轮112，第二齿轮112与第一齿轮111进行啮合。浆料挤出结构还包括固定在料筒101上的安装座113，安装座113上固定安装有第二电机114，第二电机114带动第二齿轮112进行转动，进而驱动第一齿轮111和喷嘴102进行转动。
应当说明的是，由于光固化结构包括沿周向均布的多个紫外激光器，第二齿轮112只能安装在相邻两个紫外激光器之间的空档中。
浆料挤出结构还包括固定在料筒101内的支撑架115，支撑架115的结构如图4所示，支撑架115包括十字架116，十字架116与料筒101之间有通道能够供浆料通过，不会堵塞浆料。十字架116的中心位置安装有第二轴承117。
如图3所示，支撑架115位于料筒101中靠下的位置，具体地，十字架116的端部固定在料筒101的内壁上，具体可以采用粘接等方式。驱动轴106的下端穿入第二轴承117中，能够对驱动轴106的下端进行限制，保证其不会发生偏心转动。二级螺旋叶片105的上端固定在支撑架115上，当喷嘴102进行转动时，二级螺旋叶片105保持不转，从而实现了喷嘴102和二级螺旋叶片105之间的相对转动，而且由于二级螺旋叶片105的安装点与下端的距离较小，不易发生摆动，尽可能地保证二级螺旋叶片105与喷嘴102之间不发生直接摩擦接触，避免产生杂物。
应当说明的是，为了避免浆料泄露，在安装筒109和喷嘴102之间安装密封圈实现密封。
其中，第二电机114、第一齿轮111、第二齿轮112一起构成了驱动喷嘴102进行转动的驱动部件。
本发明所提供的实施例3：
其与实施例2的区别主要在于：
实施例2中，支撑架包括位于中心位置的轴承，驱动轴的下端穿设在轴承中。
在本实施例中，支撑架、驱动轴之间不相连。
本发明浆料直写成型装置的浆料挤出结构的实施例：
浆料直写成型装置的浆料挤出结构的结构与上述浆料直写成型装置各实施例中的浆料挤出结构相同，在此不再赘述。
另外，在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体地限定。
Claims (10)
1.一种浆料直写成型装置的浆料挤出结构，其特征在于，包括：
料筒(101)，用于储存浆料；
设于料筒(101)的底部的喷嘴(102)，喷嘴(102)底部具有出料口，喷嘴(102)的内外径自上向下逐渐变小；
一级螺旋叶片(104)以及驱动一级螺旋叶片(104)转动的电机，一级螺旋叶片(104)位于料筒(101)中，一级螺旋叶片(104)用于挤压浆料；二级螺旋叶片(105)，位于喷嘴(102)中，二级螺旋叶片(105)为与喷嘴(102)形状适配的锥形结构，二级螺旋叶片(105)可相对于喷嘴(102)转动，以将喷嘴(102)内的浆料由所述出料口中挤出。
2.根据权利要求1所述的浆料直写成型装置的浆料挤出结构，其特征在于，一级螺旋叶片(104)包括上下延伸的驱动轴(106)，驱动轴(106)与所述电机相连；
所述二级螺旋叶片(105)的顶部固设于所述驱动轴(106)的末端上。
3.根据权利要求1所述的浆料直写成型装置的浆料挤出结构，其特征在于，所述喷嘴(102)绕上下延伸的轴线转动装配在料筒(101)上，所述料筒(101)内侧底部设有支撑架(115)，支撑架(115)上设有供浆料通过的通道，所述二级螺旋叶片(105)的顶部固设于所述支撑架(115)上；
浆料挤出结构还包括驱动所述料筒(101)回转的驱动部件。
4.根据权利要求3所述的浆料直写成型装置的浆料挤出结构，其特征在于，所述料筒(101)的底部凸出布置有安装筒(109)，所述安装筒(109)的外径小于料筒(101)的外径，所述喷嘴(102)转动安装在所述安装筒(109)上。
5.根据权利要求3或4所述的浆料直写成型装置的浆料挤出结构，其特征在于，一级螺旋叶片(104)包括上下延伸的驱动轴(106)，驱动轴(106)与所述电机相连；
所述支撑架(115)的中心位置设有轴承，所述驱动轴(106)的下端穿设于所述轴承中。
6.一种浆料直写成型装置，其特征在于，包括：
浆料挤出结构(100)，包括：
料筒(101)，用于储存浆料；
设于料筒(101)的底部的喷嘴(102)，喷嘴(102)底部具有出料口，喷嘴(102)的内外径自上向下逐渐变小；
一级螺旋叶片(104)以及驱动一级螺旋叶片(104)转动的电机，一级螺旋叶片(104)位于料筒(101)中，一级螺旋叶片(104)用于挤压浆料；二级螺旋叶片(105)，位于喷嘴(102)中，二级螺旋叶片(105)为与喷嘴(102)形状适配的锥形结构，二级螺旋叶片(105)可相对于喷嘴(102)转动，以将喷嘴(102)内的浆料由所述出料口中挤出；
浆料直写成型装置还包括：
光固化结构(200)，包括：
激光器安装架(201)，固设于所述料筒(101)的外部；
紫外激光器(202)，安装于所述激光器安装架(201)上，紫外激光器(202)用于照射由所述喷嘴(102)中挤出的浆料(400)以对浆料进行固化。
7.根据权利要求6所述的浆料直写成型装置，其特征在于，一级螺旋叶片(104)包括上下延伸的驱动轴(106)，驱动轴(106)与所述电机相连；
所述二级螺旋叶片(105)的顶部固设于所述驱动轴(106)的末端上。
8.根据权利要求6所述的浆料直写成型装置，其特征在于，所述喷嘴(102)绕上下延伸的轴线转动装配在料筒(101)上，所述料筒(101)内侧底部设有支撑架(115)，支撑架(115)上设有供浆料通过的通道，所述二级螺旋叶片(105)的顶部固设于所述支撑架(115)上；
浆料挤出结构还包括驱动所述料筒(101)回转的驱动部件。
9.根据权利要求8所述的浆料直写成型装置，其特征在于，所述料筒(101)的底部凸出布置有安装筒(109)，所述安装筒(109)的外径小于料筒(101)的外径，所述喷嘴(102)转动安装在所述安装筒(109)上。
10.根据权利要求8或9所述的浆料直写成型装置，其特征在于，一级螺旋叶片(104)包括上下延伸的驱动轴(106)，驱动轴(106)与所述电机相连；所述支撑架(115)的中心位置设有轴承，所述驱动轴(106)的下端穿设于所述轴承中。
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|---|---|---|---|
| CN202310598494.7A CN116587558A (zh) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | 一种浆料直写成型装置及其浆料挤出结构 |
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