CN207579101U - 一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，主要由挤出单元、微滴喷射单元和成型单元组成。螺杆驱动电机通过联轴器将扭矩传递给挤出机螺杆，聚合物高分子粒料在螺杆挤出装置内熔融塑化，以粘流态通过分流板分别进入四个熔腔内，在喷嘴处受到顶针向下突然施加的压力作用，以微滴状态从喷头喷嘴处喷出，并迅速在成型平台上冷却固化；成型单元中，三维滚珠丝杠滑台在多台联动控制丝杠驱动电机的驱动下，按照预定轨迹和速度运动完成打印过程。本实用新型打印装置提供多个加工工位，对单一实体进行区域微分实现多区域同时打印，从而在一定程度上提高加工速度和精度；多个喷头亦可同时加工多个相同实体，可进一步提高熔融沉积3D打印制品成型效率。

Description

一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印快速成型领域，具体涉及一种微滴堆叠3D打印设备。

背景技术

3D打印为一种增材制造技术，应用于研发过程可大幅提高研发进度，有利于产品快速更新换代，并且相比于传统车铣刨磨的减材制造可节约开发成本。目前，3D打印技术虽然在加工精度方面有了一定程度的进步，但还难及传统加工方式的加工效率，现有一机一工位的加工模式极大的限制了生产效率，无法实现快速成型制品的批量生产。并且打印期间物料在平台上冷却成型，单一喷头的打印过程导致打印制品易出现翘曲变形现象，影响打印品质。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，改变目前3D打印加工方式，设计一种内置多条流道的分流板装置，连接在螺杆挤出机机头。高分子聚合物粒料为耗材进入螺杆挤出机后，电机驱动螺杆将高分子聚合物粒料在机筒内熔融塑化，分流板内部设置多条相同长度和直径的流道，各个流道之间夹角相等。熔融物料在挤出机的挤压推动作用下进入分流板入口，熔融物料均匀分流进入多条流道中，在与流道相通的熔腔内等待挤出成型。挤出动作由微滴喷射装置完成，每个熔腔内装有顶针，顶针在其上方的电磁驱动器作用下给物料施加向下外力，控制物料以球状液滴的形式从喷嘴喷出，最终在成型平台上冷却固化成型。本发明设备提供多个加工工位，可对一个实体进行区域微分，多区域同时打印，能将打印过程中的翘曲变形现象平均分配到若干个打印单元，从而在一定程度上提高加工速度和加工精度；亦可同时加工多个相同实体，实现3D打印制品的批量化生产。

本发明的技术方案是：一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，由挤出单元、微滴喷射单元和成型单元构成，其中挤出单元是进料斗、螺杆驱动电机、螺杆挤出装置；微滴喷射单元包括分流板和微滴喷射装置，分流板有多个分流道，每个分流道连接一个微滴喷射装置，每个微滴喷射装置具有独立的开闭控制系统；成型单元包括三维滚珠丝杠滑台组件、丝杠驱动电机。

本发明一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印设备的加工成型方式是 (以下均以四流道为例)：利用四流道的分流板，安装在挤出机机头部位，将由螺杆挤出机挤出的熔融物料平均分为四部分穿过四个流道通入相同的容腔，在分流板出口处安装微滴喷射装置，采用电磁式驱动。利用电磁感应现象实现对物料挤出的控制，对电磁线圈通电，线圈中的针阀向上移动，针阀上方的弹簧被压缩蓄能。当线圈突然断电时，弹簧势能释放，使针阀迅速向下运动，将针阀头与喷嘴间的熔融状态高分子材料从喷嘴处喷射出来，生成聚合物微滴。该设备可同时加工成型多个相同实体，也可对一个实体进行单独加工。

本发明对一个物体单独加工时，首先将三维数字模型Z向离散化得到每层的二维截面轮廓，将每层的截面区域均分为多个正方形单元格，单元格边长为相邻两喷头间距。单元格边长可根据打印物料、制品精度要求、制品尺寸进行优化，在保证精度要求的前提下，考虑打印的效率，更换分流板，设置相应的微滴喷射装置数量。矩阵型喷头阵列中各个喷头负责一个单元格区域则多个喷头可同时完成多个单元格的填充工作。根据打印物体的截面轮廓与单元格的重合程度，打印过程分为以下两种工作状态。(1)对于截面轮廓能完全覆盖涉及单元格的情况，喷头处于工作状态，多喷头同时作业，完成该部分打印工作；(2)若存在单元格中有部分在截面轮廓内，单元格部分区域超出截面轮廓范围，负责打印该区域的喷头若移动超出截面范围外时，通过电磁驱动器断电使针阀下落关闭喷头，当该喷头回到轮廓范围内使电磁驱动器通电使针阀提升打开喷头使该喷头正常工作。如此往复可精确覆盖截面轮廓范围内各个单元格区域。此方法多个喷头作业，同时在多个位置打印，减少打印所需时间。多工位打印能将翘曲变形现象均化到多个打印区域，提高打印质量。本发明可在一定程度上提高熔融沉积3D打印制品的精度和成型效率。本发明提出的多个喷头打印方案，与单个喷头打印方案相比较，还可以综合利用打印喷头在成型制品上微滴形成的温度场，单个喷头在成品上单位时间的热量低，多喷头相互之间的热量传递，可以起到一定的预热作用，对于大型制品，其翘曲变形会更小。

本发明一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的挤出单元包括进料斗、螺杆驱动电机、螺杆挤出装置。步进电机通过联轴器将扭矩传递给挤出机螺杆，物料耗材通过料斗进入螺杆挤出装置，在螺杆挤出装置内，物料熔融所需热量由螺杆旋转产生的摩擦热提供，在螺杆旋转推力及重力作用下向前流动。由于受到螺杆的剪切和搅拌，聚合物材料进一步的塑化，并在压力推动作用下以熔融状态进入微滴喷射单元。

本发明一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的微滴喷射单元包括分流板和微滴喷射装置。分流板内部置有多条等长度等直径的流道，每个流道之间的夹角相等。熔融物料以粘流态进入分流板，在相同工况下均匀分流经过流道进入多个熔腔内，再由微滴喷射装置控制物料的挤出成型。微滴喷射装置工作时，对电磁线圈通电，产生电磁感应现象，线圈中的针阀向上移动，对针阀上方的弹簧进行压缩。突然断电时，被压紧的弹簧释放能量，使针阀迅速向下运动，将针阀头与喷嘴间的熔融状态高分子材料从喷嘴处喷射出来，生成聚合物微滴。

本发明一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的成型单元主要包括三维滚珠丝杠滑台组件和丝杠驱动电机。三维滚珠丝杠滑台在多台联动控制的步进电机驱动下按照预定轨迹和速度运动，使熔融状态高分子材料在成型平台上按照设定路径冷却堆叠成型，即可实现多工位同时打印的功能。

与现有3D打印设备相比，本发明的优点在于结构简单合理，运用分流板并连接微滴喷射装置固定于螺杆挤出装置末端，可将高分子聚合物粒料作为原料，熔融物料分流进入熔腔，能够实现多工位同时打印。在对一个物体单独加工时，本发明在同一时间对该物体的多个位置进行打印，能减小翘曲变形现象对打印物品质的影响，提升加工速度的同时在一定程度上提高了加工精度。在加工多个物体时，打破传统一机一工位的工作方式，多工位打印一次作业能实现多个相同制品同时打印，真正实现了快速成型的批量化生产和大尺寸制品的打印精度提升。

附图说明

图1是一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的整体平面图。

图2是一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的流道分布俯视图。

图3是一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的微滴喷射装置细节图。

图4是一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的打印物体的二维截面轮廓图。

图5是一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的单独加工物体的工况图。

1-三维滚珠丝杠滑台组件；2-丝杠驱动电机；3-正在加工的实体；4-微滴喷射装置；5-分流板；6-螺杆挤出装置；7-高分子聚合物粒料；8-进料斗；9-螺杆驱动电机；10-流道；11-带有弹簧回弹装置的电磁线圈；12-熔腔；13-针阀； 14-打印物截面范围；15-微分单元格。

具体实施方式

本发明提供了一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，由挤出单元、微滴喷射单元和成型单元构成，其中挤出单元有进料斗8、螺杆驱动电机 9、螺杆挤出装置6、高分子聚合物粒料7；微滴喷射装置有内置流道10的分流板5和由带有弹簧回弹装置的电磁线圈11、熔腔12、针阀13构成的微滴喷射装置4；成型单元包括三维滚珠丝杠滑台组件1、丝杠驱动电机2。

本发明一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置的工作过程：本发明有打印多个物体和单独打印一个物体两种工作情况。对一个物体单独加工时，首先将三维数字模型Z向离散化得到每层的二维截面轮廓14，将每层的截面区域均分为多个正方形单元格15，根据打印物体的截面轮廓14与单元格15 的重合程度区分工况。设备开始工作时，高分子聚合物粒料7由进料斗8加入，螺杆驱动电机9驱动螺杆挤出装置熔融塑化高分子聚合物材料，熔融物料以粘流态进入分流板5，在相同工况下均匀分流进入四个熔腔12内，再由微滴喷射装置4挤出成型。在微滴喷射装置中，电磁线圈11通电后，产生电磁感应现象，控制线圈中的针阀13向上移动，压缩上方弹簧。电磁线圈11 突然断电后，被压紧的弹簧释放能量，使针阀13迅速向下运动，将针阀头13 与喷嘴间的熔融状态高分子材料从喷嘴处喷射出来，生成聚合物微滴。打印多个物体时，多喷头同时作业，保持上述工作状态；对一个物体单独打印时，打印过程中喷头移出截面轮廓14范围时，该喷头线圈11保持断电使针阀13 下落关闭喷头，当该喷头回到截面轮廓14内给该线圈11通电使针阀13提升打开喷头使该喷头正常工作。设备工作过程中丝杠驱动电机2带动三维滚珠丝杠滑台组件1联合运动，使得工作台在三维空间内运动，熔融物料在加工实体3上冷却成型，完成打印工作。实现对一个物体的多工位同时打印，提高产品打印速度的同时保证了产品的打印品质。并且，一次操作可同时完成四个相同产品的制造，使用此方法能显著提高熔融沉积技术3D打印制品的成型效率。

Claims (5)

1.一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，其特征在于：由挤出单元、微滴喷射单元和成型单元构成，其中挤出单元包括进料斗、螺杆驱动电机和螺杆挤出装置；微滴喷射单元包括分流板和微滴喷射装置，分流板有多个分流道，每个分流道连接一个微滴喷射装置，每个微滴喷射装置具有独立的开闭控制系统；成型单元包括三维滚珠丝杠滑台组件、丝杠驱动电机；挤出单元的熔体出口连接微滴喷射单元的分流板熔体入口，微滴喷射装置喷射出的液滴堆积在成型单元的成型平台上。

2.根据权利要求1所述的一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，其特征在于：三维数字模型Z向离散化得到每层的二维截面轮廓，将每层的截面区域均分为多个正方形单元格，单元格边长为相邻两喷头间距。

3.根据权利要求2所述的一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，其特征在于：单元格边长可根据打印物料、制品精度要求、制品尺寸进行优化，并更换分流板，设置相应的微滴喷射装置数量。

4.根据权利要求1所述的一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，其特征在于：分流板内部置有多条等长度等直径的流道，每个流道之间的夹角相等。

5.根据权利要求1所述的一种多工位聚合物熔体微滴堆叠3D打印装置，其特征在于：三维滚珠丝杠滑台在多台联动控制的步进电机驱动下按照预定轨迹和速度运动，使熔融状态高分子材料在成型平台上按照设定路径冷却堆叠成型。