CN211591315U - 一种3d打印用双螺杆型材料挤出装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置，涉及增材制造技术领域。主动螺杆和从动螺杆设置在熔融外壳内并相互啮合，两个螺杆通过同步传动机构连接，主动螺杆与从动螺杆上相邻推力轴承之间设有推力传递机构。创新的使用了双螺杆结构的挤出方式，提高了整体的集成度，使双螺杆结构挤出机实现了轻量化、大流量、高精度，使之可以应用于3D打印机，提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。由推力传递机构传递推力，使螺杆的推力分别匀载到各个推力轴承，使推力分散，使总推力呈几倍提高，使挤出装置可以承受高压大流量螺杆产生的巨大反向推力，使双螺杆挤出机高集成化。

Description

一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置

技术领域

本实用新型实施例涉及增材制造技术领域，具体涉及一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置。

背景技术

大型产品的制造业技术背景：所有产品都是为人类生活生产服务的，而成人尺寸一般在一米至两米，以人为尺度，产品尺寸在一米以下可以定义为小尺寸，一至两米为中尺寸，大于两米定义为大尺寸。

从基本原理上来看，目前的工业制造实物的工艺方式只有三种，减材制造，等材制造，增材制造。

减材制造：从石器时代，将一块石头用另一块石头敲打减去多余的部分得到想要的部分，一直沿用到现代机床的刀具切削整块的材料得到部分的材料形成成品，都是属于减材制造。减材制造需要首先准备一块大于成品的材料，然后去除百分之十至百分之九十的材料，当成品的尺寸较小时，而且形状简单，所去除而浪费的材料的绝对数量并不是太大，当成品尺寸较大时，而且比较复杂时，不仅浪费极大，费工费时废料，而且减除材料时刀具干涉严重，刀具受到成品三维结构的阻碍有不可到达的部位。复杂度受到限制。但是由于是在物质材料凝固态的常温下进行的，加工前后没有物质相变，可以得到比较精确的成品。缺点：浪费材料，效率中等，刀具干涉，大型和结构复杂情况下尤其严重。优点：常温变形小，应力小，精确。

等材制造：从陶器到青铜时代，将模具中注入流体或液体，冷却或烧结后得到与模具型腔体积相等的成品，一直到现代各种注塑，铸造工艺都属于等材制造。通常模具的总体积都是产品的六倍以上，在产品进入中大型尺寸时，模具的体积重量成本都会急剧增长，同时等材制造虽然不用减除材料但是也有模具干涉，受到成品三维结构的阻碍有不可分模出模的部位。因此如果要生产复杂的成品，就要在产品设计上拆分成很多不必要的零件分别加工再组装。并且等材料制造需要先制备模具，前期投入高，但是可以得到很高的批量生产效率。而且节约原材料。缺点：投入门槛高，工艺周期很长，温度变化大，有相变，应力大，变形大，整体精度较低，大型和结构复杂情况下尤其严重。优点：批量生产效率高。

增材制造：电镀，堆焊，喷涂，都属于增材制造，但通常不适用于整个零部件的制造，一般用于修补或其他辅助工艺，近代才出现整体增材制造工艺，比如3D打印，通过逐层增加材料来构建成品。3D打印作为增材制造的主要技术之一其核心原理是降维，打印过程是在2维面上打印的，不存在3维空间干涉问题，复杂的3维模型已经由专用的软件分解为若干2维的片状层，层虽然也有厚度，但厚度方向上相对整体来说比较薄，已经可以近似的认为是2维的。最主要的优势是既没有模具的初始投入成本，也不需要预备一块大于成品的毛坯，而是直接从无到有逐层叠加而成。而且对于产品的复杂结构也不敏感，因为三维已经降低成二维了。但是，如前所述可以看出，减材，等材，都是涉及整体材料的表面，而3D打印涉及材料的内部，将内部切开成为可以打印的面，远远大于原来的表面积，因此，在同等运动速度下，3D打印的效率比前两种方式低很多。缺点：效率非常低。温度变化大，有应力，有变形。大型产品情况下尤其严重。优点：复杂度限制很小，内外一体加工，节约材料，前期投入很小，工艺周期短。

现有3D打印工艺大型化的技术背景：随着经济发展和技术进步，特别是近代以计算机技信息技术的发展，产品越来越复杂，品种越来越多，单品的批量越来越少，导致减材和等材制造的缺陷越来越明显，特别是在复杂轻量化的产品领域。这种情况下3D打印对于复杂的产品具有原理上的优势。同时不用预备大于成品的毛坯，节约材料。也不用预先制备模具，节约固定投资。优势逐渐显现，而效率低的缺陷在小尺寸时由于基数比较小，效率的绝对差别不是太大。

但是，任何一种3D打印工艺都是多种技术的综合系统，在成型尺寸增大后，其相辅技术并不能与之匹配，米级以上尺寸与分米级尺寸虽然在尺寸上是10倍关系，但以有效成型体积计算，立方米是立方分米的1000倍，因此打印设备在相同的时间内所需要处理的材料体积理论上需要有近千倍的提升，如果要保持合理的效率，显然不是简单的放大结构所能做到的。

因此，目前众多的3D打印技术门类中大部分仅适用于小型产品，也就是分米级到米的尺寸级别，而且即使勉强触及到米级的尺寸，也都是采取薄壁，低密度填充等牺牲力学性能的方式实现的，实际上的有效打印体积也是很小的，而人类生活的环境空间尺寸是与人体尺寸1-2米的尺寸相匹配的，如房屋，家具，汽车，船舶等，内部空间都是人体尺寸的倍数关系，如果不能达到日常使用的米级以上尺寸，也就是按照人的高度大小而设计的产品尺寸，也就不能进入价值高的主流市场。

下文将对目前主流的SLA/DLP、SLS、FDM四种3D打印工艺不能高效率的生产大尺寸产品的原因原理进行简述。

1、SLA/DLP是以光固化(硬化)树脂作为原材料的3D打印技术，SLA与DLP的区别是使用光的方式不同。SLA使用UV光束去扫描光固化树脂来得到打印层的形状，可以看作是点到线、线到面逐渐成型的过程，而DLP是使用类似投影仪的投影原理，投射一个打印层所需的光来固化树脂，相比SLA技术跳过了点到线、线到面的过程，DLP在单层成型速度上比SLA快了很多，DLP也去除了SLA所需要的高精密的光学偏摆镜系统，因此DLP的成本更低，目前大众市场大多采用DLP的工艺做光固化3D打印。

DLP工艺很难实现大型化，由于DLP技术采用的投影分辨率有限(通常为1920*1080)，其投影分辨率在分米级使用时单像素尺寸约为0.1mm，而大型化后，体积放大1000倍，单层的面积放大100倍，为了保持单像素大小仍为0.1mm，DLP的总像素量也要放大100倍，也就是分辨率要达到19200*10800，否则成型层边沿将出现锯齿(类似把图片放大后的锯齿状)，目前的技术达不到这样极高的分辨率。即使不需要较高的精度，从效率上来说也难以在大尺寸情况下提高效率，光固化技术使用的光固化树脂材料必须通过光来反应固化，为了确保树脂材料充分固化，每层的厚度不能过厚，否则由于光的散射误差急剧增大，由于光的衰减效率也会下降，在大尺寸物体成型时层厚相对过薄，导致总层数变大，整体的成型效率急剧降低。光固化材料本身生产成本高、有暗反应(无光情况下固化)，成型后不耐久(易分解)、有毒性、力学性能不足，由于材料必须具有光敏性，难以选择市场上十分成熟而廉价的高性能工程树脂，而使得种类有限，性价比有限，价格按克来计算，而大型产品用料量大价格敏感，人们常用物体重量在10kg-50kg(如沙发、椅子、桌子等)，因此在技术原理上，经济上，实用性上不适宜大型化。

2、SLS工艺(选择性激光烧结)，是一种主要制作金属制品的工艺，SLS工艺使用高能激光束扫描被加工成极细的材料粉末，使被瞬间加热的材料粉末熔融粘合，其成型过程与SLA类似，都是点到线、线到面逐渐成型的过程，整个成型过程是线性的，因此成型体积增大，单件的成型速度会以3次方降低。大部分金属或者热塑性树脂制成粉末以后SLS工艺都可以使用，原材料需要额外的粉末加工成本，通常粉末化后是原材料成本的几倍，且材料粉末会导致SLS成型物体表面形成粉粒状，粉状物质内部是空气，激光熔接时气体逸出体积收缩导致应力很大，尺寸大时非常容易应力开裂。SLS工艺使材料粉末填充整个成型空间，未被烧结的材料成为了支撑，因此SLS工艺可以不单独打印支撑结构，粉末材料浪费很少。

但是，SLS工艺在打印产品时材料粉末需要加温到略低于材料的熔融温度，以此降低激光器所需的输出功率与降低因非整体制造而逐渐冷却产生的内部应力。大型化后，体积放大1000倍，假设放大后体积约12m³(2m*3m*2m),在整个成型空间中填满塑料材料粉末需要十几吨，如果是金属粉末甚至需要几十吨至一百吨，还需要对材料加温并且保温至100度或以上。为了解决大型化后材料粉末产生的问题使SLS工艺原本机械结构设计与工艺都会变的非常复杂，材料的总成本很高，能耗也会非常大。

SLS工艺使用激光器功率与成型速度密切相关，其最大功率一般在0.4kw--1kw之间，按照等比放大的原理，产品体积放大1000倍，理论上SLS工艺最大功率相应的也要放大1000倍，否则相当于用细小的光斑去刻画一副增大了千倍的画面，效率将低到无法接受，要么配套的激光器的最大功率就需要400kw至1000kw，根据当前激光器的技术，常用的功率在6kw以下，400kw可能仅在军用领域能实现因此SLS工艺大型化目前也难以实现。

SLS的打印层高也有较大的限制，因为其原理是利用激光聚焦的焦点光斑产生高温来烧结或熔化粉末来成型为固态，而热传导是自发向周围粉体扩散的，如果要有较深的烧结厚度(层高)，热扩散会导致烧结的线条边缘不可控。因此在技术原理上，经济上，实用性上也不适宜大型化。

3、FDM工艺(熔融沉积成型)，又称熔丝沉积，现有的小型FDM工艺主要使用直径为1mm-3mm左右的热塑性塑料线材作为打印材料，打印头熔融线材涂敷形成每一层的形状，FDM工艺所需的技术是所有3D打印工艺种类中最简单的，除了运动结构仅需送丝机构与加热头(打印头)，FDM工艺相比SLS工艺与DLP工艺，FDM工艺没有使用成本高昂的材料也没有使用成本高昂的技术，成型原理比较简单，理论上，只要使用加粗十倍的打印线，在原有运动速度不变的情况下就能得到体积增量100倍，虽然牺牲了表面精度，但是在大型增材制造领域，精度并不是主要问题，一方面尺寸大的产品如家具，房屋，灯具，装修装饰品等，对于整体尺寸精度要求不高，二方面大型产品需要进行表面涂装油漆等工艺，其表面光洁度由涂装工艺决定，而尺寸达到几米的量级时效率才是主要问题，而FDM通过提高材料流量，提高线宽和层高，可以极大的提高成型的体积效率，因此FDM工艺存在大型化的可能。

小型FDM工艺是以丝材为基础的成型方式，打印喷头来回涂覆成型，整个成型过程是线性的，是点到线、线到面、面成体逐渐成型的过程，体积增大是长宽高三个方向的，打印线直径决定了其中两个方向的增量，运动速度决定了第三个方向的增量，而这三个方向的增量都需要材料流量的等比例增量，理论上是产品平均边长增量的3次方，因此FDM实现大型化必须极大的提高打印线的挤出效率。

这种情况下使用丝状材料已经不可能，现有使用丝状材料的FDM打印机成型体积的典型边长约0.1-1米，大型3D打印需要1-10米的典型边长，基本是10倍关系，换算成体积就是1000的关系，丝材的直径需要放大10倍，达到10mm-30mm，这已经不是丝材而是棒材了，材料的挤出速度也要放大10倍，由于材料丝的直径变大，丝材变得难以弯折，允许弯曲直径变得非常大，很难弯曲成卷，也不宜生产，需要额外的加工成本。并且材料的导热率有限，当丝材直径变大后，丝材外表面面积以平方增加，体积以立方增加，小型机的熔融加热方式仅加热丝材外表，丝材的熔融效率严重降低，小型机打印头的加热原理不再适用。小型常规FDM打印机使用挤料齿轮与丝材表面啮合滚动产生挤出推力，当丝材线径变粗10倍后，丝材截面积放大接近100倍，同时挤出速度需要提高10倍，丝材的挤出阻力变得非常大，丝材表皮的强度难以承受挤料齿轮的推力，导致表皮溃裂，挤料齿轮打滑空转。小型机的送料机构与打印头熔融结构大型化后不再适用。

综合分析来看，现有的小型FDM工艺在小型产品有一定的实用价值，其原理有实现大型化的可能性，但是其现有的熔融挤出机构远远不能满足大型化的要求。

现有3D打印工艺大型化的局限：FDM工艺在国内外少数几家公司一定程度上实现了大型化，通常采用的是龙门架运动结构(类似龙门加工中心)，采用的是动头式(打印头运动)运动结构，而非龙门加工中心常用的动台式结构，动台结构使打印平台与打印物体参与运动，因此运动惯量远大于动头式，不利于3D打印中反复的加减速运动。材料熔融挤出机构安装在下探轴(Z轴)上，材料熔融挤出机构一般使用类似注塑机的单螺杆式挤出机，原材料使用颗粒原料。这种FDM架构为了达到一定的材料挤出流量，安装在运动结构末端的材料熔融挤出装置体积重量都很大，因此安装与承载熔融挤出装置的机械运动结构的刚度也必须设计的足够强，整个参与运动的结构的惯量也会很大，由于需要打印的产品通常是比较复杂，有很多局部细节，使打印头需要较多的短程往复运动，打印机构必须反复的加减速，挤出机和机构的重量使得运动结构有很高的运动惯量，因此导致平均加速度低、平均运动速度低、能耗高、打印质量降低、机械加快磨损。反之，降低挤出装置的重量，轻量化整个运动结构，较轻的熔融挤出机又会导致材料挤出效率不高，挤出流量不足，流量与重量在结构设计上是矛盾的。这样的架构虽实现了FDM工艺尺寸的大型化，但运动速度与出料流量无法同时提高，整体的打印效率仍然不高。

在现有技术中每小时能挤出材料10公斤的装置，其自重约100-200公斤，即流量与重量比小于1，约为0.1-0.05之间，平均运动速度仅能达到4000mm/分钟，因此打印效率低下。因此熔融挤出装置的各项性能基本决定了整个3D打印机的系统性能，直接影响大型FMD3D打印的综合成型效率。

大型的FDM打印机通常使用塑料工业中的单螺杆式挤出机，下文对现有螺杆式挤出机在大型FDM 3D打印中应用进行简要分析。

单螺式挤出机结构简单，易于安装使用，而高性能的双螺杆挤出机结构复杂体积庞大，而大型3D打印要求轻量化才能提高打印速度，因此也很难用于大型3D打印，单螺杆式挤出结构是目前大型FDM 3D打印行业广泛采用与研究的。目前尚未发现大型3D打印机使用双螺杆挤出机的案例或文献。

现有的锥形异向双螺杆挤出机，其结构十分庞大，除了双螺杆，机筒，发热套等必须结构之外，其推力承载装置，传动系统，双螺杆同步机构，驱动及减速机构，基座等等都有较大的体积和重量，十分不利于3D打印过程中的高机动运行。

而且，在大型3D打印的过程中，运动与流量控制统一由总控制系统控制，打印头的流量必须根据总控的指令与打印头的运动轨迹与速度严格对应，在打印头处于变速运动时，流量的变化率也要根据总控的指令与运动速度的变化率严格同步，对打印流量跟随主控指令瞬间变化的响应速度有极高的要求，否则就会出现打印线的线宽、线高失控(偏大或偏小)，与主控系统中程序指令的设定值产生偏差。不仅如此，对于恒速运动但线宽与线高连续变化的打印场景，甚至是变速运动同时线宽与线高也变化的打印场景，对流量控制的精准度和实时响应要求更高。综合来看，即使是微弱的偏差，根据3D打印的原理，最终累计误差会加大，对打印产品的外观效果造成很大影响，甚至导致打印失败。因此精准流量控制是大型FDM 3D打印工艺中必须要实现的。而现有的锥形异向双螺杆挤出机传动链很长，难以实现精确传动。

综合来看，现有的锥形异向双螺杆挤出机有体积重量太大，传动链太长等重要缺陷，当然，也不能单独用于3D打印系统，因为热熔性材料，除了挤出机的驱动力外，还有热膨胀产生的压力是不受挤出机控制的，还需要末端开闭和节流控制，需针对3D打印工艺的特性来改进。为实现高效的大型FDM打印工艺，必须同时满足如下要求：小的体积与重量、高压大流量挤出、高精度末端流量控制、流量实时跟随指令变化、良好的材料塑化排气效果。

显然现有塑料行业的挤出设备或者现有3D打印行业的挤出机构还无法实现大型产品的制造。

发明内容

为此，本实用新型实施例提供一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置，以解决大型产品的增材制造问题，能够同时满足体积小重量轻，高压大流量挤出、高精度流量控制，满足高速大流量的大尺寸FDM打印工艺所需。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

根据本实用新型实施例的第一方面，该3D打印用双螺杆型材料挤出装置包括熔融外壳、同步箱外壳、主动螺杆、从动螺杆、熔融加热器，主动螺杆和从动螺杆设置在熔融外壳内并相互啮合，主动螺杆和从动螺杆伸入同步箱外壳内并通过同步传动机构连接，主动螺杆通过减速器连接熔融挤出动力源，所述熔融加热器设置在熔融外壳的外侧，熔融外壳的两端分别设有打印嘴和原料入口，所述同步箱外壳内设有套设在主动螺杆和从动螺杆端部的轴承，所述轴承包括推力轴承和径向轴承，多个推力轴承沿主动螺杆和从动螺杆的轴向相互叠加，主动螺杆上相邻推力轴承之间设有推力传递机构，从动螺杆上相邻推力轴承之间也设有推力传递机构。

进一步地，所述的主动螺杆与从动螺杆均为锥形螺杆。

进一步地，所述的同步传动机构使主动螺杆和从动螺杆异向旋转。

进一步地，所述的同步传动机构包括相啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮固定在主动螺杆的螺杆轴上，从动齿轮固定在从动螺杆的螺杆轴上。

进一步地，所述的推力传递机构包括推力传递内径顶圈和推力传递外径顶圈，推力传递内径顶圈设置在相邻两个推力轴承的止推轴圈之间，推力传递外径顶圈设置在相邻两个推力轴承的止推座圈之间。

进一步地，所述的同步箱外壳固定在熔融外壳的上端，打印嘴设置在熔融外壳的下端。

进一步地，所述的熔融挤出动力源为伺服电机。

本实用新型实施例具有如下优点：

本实用新型实施例创新的使用了双螺杆结构的挤出方式，改进了双螺杆的同步结构和推力支撑结构，使之一体化，并提高了整体的集成度，使双螺杆结构挤出机实现了轻量化、大流量、高精度，使之可以应用于3D打印机，提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。由推力传递机构传递推力，使螺杆的推力分别匀载到各个推力轴承，使推力分散，使总推力呈几倍提高，使挤出装置可以承受高压大流量螺杆产生的巨大反向推力，使双螺杆挤出机高集成化，应用于3D打印领域成为可能。

本实用新型实施例以伺服驱动作为精确驱动方式，进一步提高集成度，降低重量，提高机动性。

更详细的效果以及原理解释在实施例部分进行说明。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施例1提供的一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置的示意图；

图2为图1中A处局部放大示意图；

图3为本实用新型实施例1的实际应用示意图；

图4为本实用新型实施例2的实际应用示意图；

图5为图4中B处的局部放大图；

图中：1-伺服电机 2-减速器 3-同步箱外壳 4-主动齿轮 5-从动齿轮 6-径向轴承 7-推力轴承 8-主动螺杆 9-从动螺杆 10-熔融外壳 11-原料入口 12-熔融加热器 13-打印嘴 14-推力传递内径顶圈 15-推力传递外径顶圈 16-原料仓 17-工业机器人 18-行架式机床 19-进料管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例1

参见图1～2，该3D打印用双螺杆型材料挤出装置包括熔融外壳10、同步箱外壳3、主动螺杆8、从动螺杆9、熔融加热器12，主动螺杆8和从动螺杆9设置在熔融外壳10内并相互啮合，主动螺杆8和从动螺杆9伸入同步箱外壳3内并通过同步传动机构连接，主动螺杆8通过减速器2连接熔融挤出动力源，所述熔融加热器12设置在熔融外壳10的外侧，熔融外壳10的两端分别设有打印嘴13和原料入口11，所述同步箱外壳3内设有套设在主动螺杆8和从动螺杆9端部的轴承，所述轴承包括推力轴承7和径向轴承6，多个推力轴承7沿主动螺杆8和从动螺杆9的轴向相互叠加，主动螺杆8上相邻推力轴承7之间设有推力传递机构，从动螺杆9上相邻推力轴承7之间也设有推力传递机构。

主动螺杆8与从动螺杆9均为锥形螺杆，同步传动机构使主动螺杆8和从动螺杆9异向旋转。螺杆为螺棱啮合型，且螺杆呈异向旋转，也可以是同向旋转型，对于3D打印工艺来说，锥形异向旋转双螺杆结构为最优螺杆结构，螺杆与螺杆外套精密配合，间隙较小。本实用新型实施例中的熔融外壳10外侧安装有多个熔融加热器12，多个熔融加热器12配合温控系统使挤出装置的不同区域维持稳定的区域所需温度。

同步传动机构包括相啮合的主动齿轮4和从动齿轮5，主动齿轮4固定在主动螺杆8的螺杆轴上，从动齿轮5固定在从动螺杆9的螺杆轴上，结构为直连，无额外的传动结构。齿轮直接安装于螺杆轴上，两条螺杆轴上的齿轮啮合，使双螺杆保持异向(对向)旋转。每条螺杆装备有一套轴承组对螺杆轴向推力承载与径向固定。为方便装配与维护，同步箱外壳3以两条螺杆的轴线形成的平面为分型面分为两个部分。箱体内可注入润滑油脂为轴承与齿轮提供润滑。

推力传递机构包括推力传递内径顶圈14和推力传递外径顶圈15，推力传递内径顶圈14设置在相邻两个推力轴承7的止推轴圈之间，推力传递外径顶圈15设置在相邻两个推力轴承7的止推座圈之间。由顶圈传递推力，使螺杆的推力分别匀载到各个推力轴承7，使推力分散，使总推力呈几倍提高，使挤出装置可以承受高压大流量螺杆产生的巨大反向推力，使双螺杆挤出机高集成化，应用于3D打印领域成为可能。推力由锥形螺杆的台阶向上传递给径向轴承6的内圈再传递给第一个推力轴承7动圈，再通过推力传递内顶圈14传递给所有的推力轴承7的动圈，每个推力轴承7的动圈通过轴承滚珠传递推力到每个推力轴承7的座圈，每个推力轴承7的座圈都通过推力传递外顶圈15传递推力到后一个推力轴承7的座圈，最终推力传递到最后一个推力轴承座圈并传递到同步箱外壳3的承载台阶。

同步箱外壳3固定在熔融外壳10的上端，打印嘴13设置在熔融外壳10的下端。可以根据不同的打印工况所需而安装上不同口径的打印嘴13。

熔融挤出动力源为伺服电机1。伺服电机1可精调节转矩、转速、位置，减速器2为高精度行星减速器2。实例作为一种优选方案，也可以是其他能满足要求的驱动方式。

参见图3，本实施例中的3D打印装置应用于工业机器人17上，在工业机器人17的一侧设有原料仓16，原料仓16通过进料管19连接材料熔融挤出机构1的进料口6，材料熔融挤出机构1固定在工业机器人17的机器臂上，两个打印头2则固定在材料熔融挤出机构1两侧。一般适用于中高速、中小流量的3D打印应用，可使用较轻型的挤出装置集成在工业机器人17的载重臂上，适合中等尺寸与小尺寸的3D打印产品。

实施例2

参见图4～5，本实用新型实施例的3D打印装置安装在行架式机床18上，适用于高速、大流量、高运动稳定性的3D打印应用，可使用外置大型挤出机的结构，适合大尺寸或超大尺寸的3D打印产品。材料熔融挤出机构1固定在机床底座上，行架式机床31一侧设有为材料熔融挤出机构1供料的原料仓16，熔融材料传输管沿机架设置，打印头2设置在可以水平以及竖向移动的行架上。

本实用新型实施例具有如下优点：

1、结构一体化轻量化(利于提高机动性，间接提高打印效率)

优化了传统行业中的大型熔融挤出机的结构，使双螺杆挤出机可以应用于大型3D打印机之上，具体改进在于熔融挤出机的驱动结构，简化了传统挤出机复杂的螺杆、同步机构、减速箱、多级相连的结构，改进为简洁的直驱方式。本实用新型实施例中，螺杆到与减速器2之间没有多余传动轴体。推力支撑轴承组、推力传动机构、径向轴承6等，直接安装在螺杆轴上，使整个驱动结构更紧凑，体积更小，重量也更轻，使用寿命长。

2、高挤出流量(利于提高打印效率)

相对与单螺杆来说，双螺杆流量更大，同时作为一种双螺杆结构的优选方案，异向旋转的双螺杆挤出机构可以形成封闭腔体，具有强制输送特性，使漏流大大减小，使挤出压力大大提高，利于大流量挤出。同时集成了多层匀载的推力轴承组7，为大流量挤出产生的巨大的反向推力提供了支持，进一步增大推力获得更挤出高流量创造条件，因此综合提高了整个双螺杆熔融挤出装置的挤出流量。

3、精度实时变流控制(利于提高打印质量)

改进了双螺杆的同步结构和推力支撑结构，使之一体化，提高了驱动结构的集成度，减速器2与螺杆轴为直驱方式，相较于原有的多轴传动结构的传动刚性有很大的提高，传动同步性高，传动精度高，使挤出装置的螺杆轴成为数控轴，因此相比传统的单螺杆挤出装置，本实用新型实施例的挤出装置在流量控制上精度更高。而异向旋转双螺杆挤出机作为一种优选的双螺杆方案，它具有强制输送特性，特性类似螺杆泵，因此异向旋转双螺杆挤出机的流量控制更为精准，并且可以实时根据程序指令改变流量。

4、提高塑化性能与气态杂质排除能力(提高力学性能)

在3D打印工艺应用中，熔融挤出装置对材料的挤出塑化效果直接决定了最终的打印产品力学性能。影响材料塑化效果的主要因素有两点，分别是塑化程度与排杂程度(水分、空气，低分子量汽化杂质等)。

如果材料挤出时塑化程度不足，会导致材料应力分布不均匀、疏松多层，最终导致打印产品的力学性能差。如果材料挤出时排杂程度不足，特别是水分与空气没有完全排除时，含有气体与水分的熔融材料进入常温常压状态(从打印嘴13挤出后)，压强骤减，材料中的水份会汽化，导致打印线膨胀，水汽排出以后，打印线收缩，因此打印线宽与线高不可控，且打印线有较多气孔，打印效果严重降低。

双螺轩挤出结构相比业内常用的单螺杆结构具有好的混炼搅拌、塑化、排杂效果，打印线密实且塑化均匀，打印效果良好。

双螺轩挤出结构由于其混炼搅拌的特性，可以在主材料中添加各种助剂，如增韧剂、增塑剂、填充剂、玻璃纤维、碳纤维等，使主材料改性增强或者添加其他性能，并且异向双螺杆挤出机具有强制挤出特性，还可以使用粉状原料，相比单螺杆挤出结构还具有材料选择多样性的优势。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置包括熔融外壳(10)、同步箱外壳(3)、主动螺杆(8)、从动螺杆(9)、熔融加热器(12)，主动螺杆(8)和从动螺杆(9)设置在熔融外壳(10)内并相互啮合，主动螺杆(8)和从动螺杆(9)伸入同步箱外壳(3)内并通过同步传动机构连接，主动螺杆(8)通过减速器(2)连接熔融挤出动力源，所述熔融加热器(12)设置在熔融外壳(10)的外侧，熔融外壳(10)的两端分别设有打印嘴(13)和原料入口(11)，所述同步箱外壳(3)内设有套设在主动螺杆(8)和从动螺杆(9)端部的轴承，所述轴承包括推力轴承(7)和径向轴承(6)，多个推力轴承(7)沿主动螺杆(8)和从动螺杆(9)的轴向相互叠加，主动螺杆(8)上相邻推力轴承(7)之间设有推力传递机构，从动螺杆(9)上相邻推力轴承(7)之间也设有推力传递机构。

2.根据权利要求1所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的主动螺杆(8)与从动螺杆(9)均为锥形螺杆。

3.根据权利要求1所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的同步传动机构使主动螺杆(8)和从动螺杆(9)异向旋转。

4.根据权利要求1或3所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的同步传动机构包括相啮合的主动齿轮(4)和从动齿轮(5)，主动齿轮(4)固定在主动螺杆(8)的螺杆轴上，从动齿轮(5)固定在从动螺杆(9)的螺杆轴上。

5.根据权利要求1所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的推力传递机构包括推力传递内径顶圈(14)和推力传递外径顶圈(15)，推力传递内径顶圈(14)设置在相邻两个推力轴承(7)的止推轴圈之间，推力传递外径顶圈(15)设置在相邻两个推力轴承(7)的止推座圈之间。

6.根据权利要求1所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的同步箱外壳(3)固定在熔融外壳(10)的上端，打印嘴(13)设置在熔融外壳(10)的下端。

7.根据权利要求1所述的3D打印用双螺杆型材料挤出装置，其特征在于：所述的熔融挤出动力源为伺服电机(1)。

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