CN212917624U - 一种辊压辅助的增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种辊压辅助的增材制造装置，其包括打印头、安装组件、轧辊和打印平台，打印头具有喷嘴，喷嘴用于挤出打印材料，安装组件沿打印头的高度方向及靠近或者远离喷嘴的方向可活动地设在打印头上，轧辊可转动地连接在安装组件上，喷嘴位于轧辊的上方，轧辊用于辊压喷嘴挤出的打印材料，打印平台可活动地设在打印头下方。本实用新型的辊压辅助的增材制造装置在传统熔融沉积制造工艺中加入辊压工序，使用轧辊对刚挤出未完全凝固的打印材料进行变形，增加了打印材料之间的结合面积，改善了结合状态，提升打印材料致密度，从而提高产品力学性能，大大拓宽熔融沉积制造的应用范围和适用的打印材料。

Description

一种辊压辅助的增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种辊压辅助的增材制造装置。

背景技术

当今主流的增材制造工艺主要包括电子束选区熔融法，立体光固化成型法，选择性激光熔化和熔融沉积制造技术等。其中，熔融沉积制造技术通过将打印材料加热熔融后，从喷嘴挤出，在三维平台上堆叠成形。具有成本低，不需要复杂的真空或保护气环境，零件尺寸的限制小等优势，被广泛应用于个人小型3D打印、教育教学、建筑3D打印甚至是太空零件生产等领域。一台完整的熔融沉积增材制造装置包括三维移动平台、具有加热和挤出功能的打印头和控制系统。

在熔融沉积制造过程中，原打印材料以熔融的丝状原料从喷嘴口挤出，在平台上凝固成形，此时前一层打印材料已经冷却凝固，新挤出的打印材料与凝固的打印材料无法实现分子层面的有效结合。并且一般情况下打印喷嘴出口为圆形，挤出的打印材料为圆柱状，打印材料在平台上不受外界约束自由结合，两层打印材料之间的结合面积很小，极大降低了零件的致密度，影响零件的力学性能。以上的问题在使用金属及其合金为原打印材料时尤为突出，也是阻碍将熔融沉积制造工艺运用于金属增材制造领域的最大困难之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种辊压辅助的增材制造装置，该增材制造装置能够增大相邻两层打印材料之间的结合面积，提升熔融沉积制造所得到的产品的致密度，提升了产品的力学性能，进而拓宽熔融沉积制造工艺的应用领域，增大熔融沉积制造工艺适用的打印材料范围。

为实现上述技术效果，本实施例的辊压辅助的增材制造装置的技术方案如下：

本实用新型公开了一种辊压辅助的增材制造装置，包括：打印头，所述打印头具有喷嘴，所述喷嘴用于挤出打印材料；安装组件，所述安装组件沿所述打印头的高度方向可活动地设在所述打印头上，且所述安装组件还可以沿靠近或者远离所述喷嘴的方向相对所述打印头运动；轧辊，所述轧辊可转动地连接在所述安装组件上，所述喷嘴位于所述轧辊的上方，所述轧辊用于辊压所述喷嘴挤出的打印材料；打印平台，所述打印平台可活动地设在所述打印头下方。

在一些实施例中，所述轧辊为多对，每个所述轧辊均与一个所述安装组件相连，每对所述轧辊中的两个所述轧辊分别位于所述打印头的两侧。

在一可选的些实施例中，多对所述轧辊环绕所述喷嘴设置。

在一些实施例中，所述安装组件包括：调整件，所述调整件包括竖直部和水平部，所述竖直部上设有第一长孔，所述水平部上设有第二长孔，所述竖直部通过穿设在所述第一长孔内的第一连接件与所述打印头相连；安装件，所述安装件通过穿设在所述第二长孔内的第二连接件与所述水平部相连，所述安装件上设有与所述轧辊配合的第一转轴。

在一些实施例中，所述安装组件包括：第一丝杆，所述第一丝杆可转动地设在所述打印头上，所述第一丝杆沿所述打印头的上下方向延伸设置；第一螺母，所述第一螺母配合在所述第一丝杆上；连接板，所述连接板连接在所述第一螺母上；第二丝杆，所述第二丝杆可转动地设在所述连接板上，所述第二丝杆与所述第一丝杆垂直设置；第二螺母，所述第二螺母配合在所述第二丝杆上；配合板，所述配合板与所述第二螺母相连，且所述配合板上设有与所述轧辊配合的第二转轴。

在一些可选的实施例中，所述打印头上设有第一避让槽，所述第一丝杆配合在所述第一避让槽内；所述连接板上设有第二避让槽，所述第二丝杆配合在所述第二避让槽内。

在一些可选的实施例中，所述辊压辅助的增材制造装置还包括第一驱动件和第二驱动件，所述第一驱动件用于驱动所述第一丝杆转动，所述第二驱动件用于驱动所述第二丝杆转动。

在一些实施例中，所述辊压辅助的增材制造装置还包括冷却风扇，所述冷却风扇设在所述打印头上，所述冷却风扇用于冷却所述喷嘴挤出打印材料。

在一些实施例中，所述轧辊内设有冷却通道，所述冷却通道内设有用于冷却所述轧辊的冷却液。

在一些实施例中，所述喷嘴的直径为D1、所述轧辊与所述打印平台的距离为H，所述轧辊的直径为D2，D1和H满足关系式：20％≤(D1-H)/D1≤40％；D1和D2满足关系式：1.5≤D2/D1≤3。

本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置，由于打印头上设有能够调整与打印平台之间距离以及调整与喷嘴之间距离的轧辊，实现了参数化地调控轧辊的对打印材料的辊压效果，增大了相邻两层打印材料之间的结合面积，提升熔融沉积制造所得到的产品的致密度，降低了制造所得产品孔隙率，提升了产品的力学性能，还简化了整个增材制造装置的结构，缩小了增材制造装置的体积，有利于增材制造装置的小型化设计。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置工作原理示意图。

图3是本实用新型一个实施例的辊压辅助的增材制造装置的喷嘴与轧辊的位置关系示意图。

图4是本实用新型另一个实施例的辊压辅助的增材制造装置的喷嘴与轧辊的位置关系示意图。

图5是本实用新型一个实施例的辊压辅助的增材制造装置的局部结构示意图。

图6是本实用新型另一个实施例的辊压辅助的增材制造装置的局部结构示意图。

附图标记：

1、打印头；11、喷嘴；12、第一避让槽；

2、安装组件；

21、调整件；211、竖直部；2111、第一长孔；212、水平部；2121、第二长孔；22、安装件；

23、第一丝杆；24、第一螺母；25、连接板；251、第二避让槽；26、第二丝杆；27、第二螺母；28、配合板；

3、轧辊；4、打印平台；5、第一连接件；6、第二连接件。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1-图6描述本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置的具体结构。

如图1所示，本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置包括打印头1、安装组件2、轧辊3和打印平台4，打印头1具有喷嘴11，喷嘴11用于挤出打印材料，安装组件2沿打印头1的高度方向及靠近或者远离喷嘴11的方向可活动地设在打印头1上，轧辊3可转动地连接在安装组件2上，喷嘴11位于轧辊3的上方，轧辊3用于辊压喷嘴11挤出打印材料，打印平台4可活动地设在打印头1的下方。

首先需要说明的是，本实施例的打印头1与一般熔融沉积制造打印机类似，具备加热和挤出功能，加热可以使用电阻加热、电磁感应加热等多种方式，挤出装置可以使用送丝机、柱塞式挤出机等多种方式。打印材料通过打印头1后，在加热系统的控制下呈现熔融或半固态状态，在挤出系统的作用下从喷嘴11离开打印头1。加热后的打印材料从喷嘴11挤出，打印材料跟打印平台4运动到轧辊3处时，打印材料已在一定程度上冷却但尚未完全凝固，打印材料塑性较高且不容易与其他物体粘连。此时打印材料通过轧辊3，受到压力变形，整体由圆柱形变为扁椭柱形(如图2所示)，增大相邻两层打印材料之间的结合面积，提升熔融沉积制造所得到的产品的致密度，降低了制造所得产品孔隙率，提升了产品的力学性能。无论打印材料的性能如何，在经过轧辊3辊压之后都能增加相邻两层打印材料的结合面积，以打印力学性能较好的产品，从而拓宽熔融沉积制造工艺的应用领域，增大熔融沉积制造工艺适用的打印材料范围。与此同时，由于安装组件2可以沿上下方向运动，还能够沿靠近或者远离喷嘴11的方向运动，这样能够实现轧辊3与喷嘴11之间的间距可调整以及轧辊3和打印平台4之间可调整，实现了参数化地调控轧辊3的对打印材料的辊压效果，从而更好地辅助提高熔融沉积成型的打印质量。此外，由于轧辊3直接安装在打印头1上，简化了整个辊压辅助的增材制造装置的结构，减小了整个辊压辅助的增材制造装置的体积，有利于辊压辅助的增材制造装置的小型化设计。

本实用新型实施例的辊压辅助的增材制造装置，由于打印头1上设有能够调整与打印平台4之间距离以及调整与喷嘴11之间距离的轧辊3，实现了参数化地调控轧辊3的对打印材料的辊压效果，增大了相邻两层打印材料之间的结合面积，提升熔融沉积制造所得到的产品的致密度，降低了制造所得产品孔隙率，提升了产品的力学性能，还简化了整个辊压辅助的增材制造装置的结构，缩小了辊压辅助的增材制造装置的体积，有利于辊压辅助的增材制造装置的小型化设计。

此外，需要补充说明的是，打印平台4的驱动机构可以根据现有的三维空间驱动机构选择，在此不对打印平台4的驱动件做出任何限定，打印平台4的驱动机构可直接通过外购获得。

在一些实施例中，如图3所示，轧辊3为多对，每个轧辊3均与一个安装组件2相连，每对轧辊3中的两个轧辊3分别位于打印头1的两侧。可以理解的是，轧辊3形成为多对能够保证喷嘴11在多个移动方向上移动时，相应的轧辊3都能准确的辊压打印材料，实现了无论喷嘴11在多个方向移动时都能保证相邻的两层打印材料之间均能紧密结合，从而提升了熔融沉积制造所得到的产品的致密度，提升了产品的力学性能。

在一可选的些实施例中，如图4所示，多对轧辊3环绕喷嘴11设置。由此，能够进一步实现打印材料的全向辊压，确保了无论喷嘴11在哪个方向移动时都能保证相邻的两层打印材料之间均能紧密结合，从而提升了熔融沉积制造所得到的产品的致密度，提升了产品的力学性能。

在一些实施例中，如图5所示，安装组件2包括调整件21和安装件22，调整件21包括竖直部211和水平部212，竖直部211上设有第一长孔2111，水平部212上设有第二长孔2121，竖直部211通过穿设在第一长孔2111内的第一连接件5与打印头1相连，安装件22通过穿设在第二长孔2121内的第二连接件6与水平部212相连，安装件22上设有与轧辊3配合的第一转轴。

首先需要说明的是，轧辊3与喷嘴11的距离以及轧辊3与打印平台4的距离需要根据打印材料、打印速度和温度确定，保证打印材料到达轧辊3的位置时还未完全凝固，且与轧辊3接触时不粘连，所以轧辊3与喷嘴11的间距需要方便地进行调整。在本实施例中，由于竖直部211上设有第一长孔2111，调整穿设在第一长孔2111内的第一连接件5的位置即可实现轧辊3与打印平台4距离的调整，由于水平部212上设有第二长孔2121，调整穿设在第二长孔2121内的第二连接件6的位置即可调整轧辊3与喷嘴11之间的间距，确保打印材料到达轧辊3的位置时还未完全凝固并且粘度适中，既能确保轧辊3与打印材料的辊压作用，又能避免打印材料粘连在轧辊3上，从而提升本实施例的辊压辅助的增材制造装置的打印产品的质量。

在一些实施例中，如图6所示，安装组件2包括第一丝杆23、第一螺母24、连接板25、第二丝杆26、第二螺母27和配合板28，第一丝杆23可转动地设在打印头1上，第一丝杆23沿打印头1的上下方向延伸设置，第一螺母24配合在第一丝杆23，连接板25连接在第一螺母24上，第二丝杆26可转动地设在连接板25上，第二丝杆26与第一丝杆23垂直设置，第二螺母27配合在第二丝杆26上，配合板28与第二螺母27相连，且配合板28上设有与轧辊3配合的转轴。

可以理解的是，转动第一丝杆23时第一螺母24即可带动连接板25上下运动，实现了轧辊3与打印平台4之间距离调整，而转动第二丝杆26时第二螺母27即可带动配合板28朝向靠近或者远离喷嘴11的方向运动，实现了轧辊3与喷嘴11之间距离的调整，从而确保打印材料到达轧辊3的位置时还未完全凝固并且粘度适中，既能确保轧辊3与打印材料的辊压作用，又能避免打印材料粘连在轧辊3上，从而提升本实施例的辊压辅助的增材制造装置的打印产品的质量。

此外，采用丝杆螺母的调整结构能够提升轧辊3调整的精度，从而进一步提升本实施例的辊压辅助的增材制造装置的打印产品的质量。

这里需要额外说明的是，第一螺母24可以直接形成为连接板25的一部分，也可以通过焊接、粘接等连接方向连接在连接板25上。第二螺母27可以直接形成为配合板28的一部分，也可以通过焊接、粘接等连接方向连接在配合板28上。

在一些可选的实施例中，如图6所示，打印头1上设有第一避让槽12，第一丝杆23配合在第一避让槽12内；连接板25上设有第二避让槽251，第二丝杆26配合在第二避让槽251内。可以理解的是，第一丝杆23配合在第一避让槽12内、第二丝杆26配合在第二避让槽251内，一方面起到了第一丝杆23和第二丝杆26的保护，另一方面丝杆内嵌的结构进一步缩小了整个辊压辅助的增材制造装置的体积，有利于辊压辅助的增材制造装置的小型化设计。

在一些可选的实施例中，辊压辅助的增材制造装置还包括第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件用于驱动第一丝杆23转动，第二驱动件用于驱动第二丝杆26转动。由此，可以实现轧辊3的自动调整，不但提升了轧辊3调整的精度，还简化了打印过程中工作人员的操作，提升了辊压辅助的增材制造装置的自动化程度。

这里需要补充说明的是，在本实施例中，第一驱动件和第二驱动件可以根据实际需要选择步进电机、伺服电机及旋转气缸等驱动件，在此不对第一驱动件和第二驱动件的种类以及相关参数做出限定。

在一些实施例中，辊压辅助的增材制造装置还包括冷却风扇，冷却风扇设在打印头1上，冷却风扇用于冷却喷嘴11挤出打印材料。可以理解的是，冷却风扇能够较好地冷却打印材料，在保证轧辊3对打印材料的辊压前提下，更好地避免了打印材料附着在轧辊3上，从而保证了轧辊3的清洁度，间接地保证辊压辅助的增材制造装置的产品质量。

在一些实施例中，轧辊3内设有冷却通道，冷却通道内设有用于冷却轧辊3的冷却液。可以理解的是，轧辊3内设有冷却通道，当轧辊3辊压打印材料时，能够使得打印材料表面迅速冷却，形成凝固薄层，但打印材料的内部仍然处于熔融状态，整体塑性较高，轧辊3可以使打印材料正常变形而不粘附打印材料，从而保证了轧辊3的清洁度，间接地保证辊压辅助的增材制造装置的产品质量。

在一些实施例中，喷嘴11的直径为D1、轧辊3与打印平台4的距离为H，轧辊3的直径为D2，D1和H满足关系式：20％≤(D1-H)/D1≤40％；D1和D2满足关系式：1.5≤D2/D1≤3。可以理解的是，(D1-H)/D1的数值为轧辊3的下压量，下压量过大会导致打印材料的变形程度过大，会造成打印材料的浪费，甚至会对打印产品产生不利的影响，而下压量过小有可能导致相邻的两层打印材料的接触面积过小，从而降低了打印产品的致密性。在本实施例中，将下压量保持在20％和40％之间，能够较好控制打印材料的变形程度，从而保证打印产品的致密性。

此外，轧辊3的直径过大或者过小都会影响对打印材料的辊压效果，因此，在本实施例中，将轧辊3的直径控制在喷嘴11的1.5倍到3倍之间能够较好地保证轧辊3对打印材料的辊压效果。当然，在本实用新型的其他实施例中，喷嘴11的直径为D1、轧辊3与打印平台4的距离为H，轧辊3的直径为D2之间的数量关系可以根据实际需要选择，并不限于上述描述。

本实用新型的辊压辅助的增材制造装置具有以下优点：

第一、通过在传统熔融沉积制造工艺中加入辊压工序，使挤出后的打印材料变形，增加结合面积，加强相邻打印材料间的结合，提升产品致密度，提高力学性能；

第二、轧辊3位置根据打印需求和其他工艺参数，手动或自动改变与打印平台4之间的距离以及和喷嘴11之间的距离，保证了最佳的辊压效果和打印质量；

第三、使用多种冷却手段，使打印材料表面快速冷却，内部仍然保持较高温度，在保证打印材料顺利变形的情况下避免打印材料粘附于轧辊3表面。

第四、轧辊3根据需求，可以使用一对或多对轧辊3，以适应更多的打印方向。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、打印材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、打印材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，包括：

打印头(1)，所述打印头(1)具有喷嘴(11)，所述喷嘴(11)用于挤出打印材料；

安装组件(2)，所述安装组件(2)沿所述打印头(1)的高度方向可活动地设在所述打印头(1)上，且所述安装组件(2)还可以沿靠近或者远离所述喷嘴(11)的方向相对所述打印头(1)运动；

轧辊(3)，所述轧辊(3)可转动地连接在所述安装组件(2)上，所述喷嘴(11)位于所述轧辊(3)的上方，所述轧辊(3)用于辊压所述喷嘴(11)挤出的打印材料；

打印平台(4)，所述打印平台(4)可活动设在所述打印头(1)的下方。

2.根据权利要求1所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述轧辊(3)为多对，每个所述轧辊(3)均与一个所述安装组件(2)相连，每对所述轧辊(3)中的两个所述轧辊(3)分别位于所述打印头(1)的两侧。

3.根据权利要求2所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，多对所述轧辊(3)环绕所述喷嘴(11)设置。

4.根据权利要求1所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述安装组件(2)包括：

调整件(21)，所述调整件(21)包括竖直部(211)和水平部(212)，所述竖直部(211)上设有第一长孔(2111)，所述水平部(212)上设有第二长孔(2121)，所述竖直部(211)通过穿设在所述第一长孔(2111)内的第一连接件(5)与所述打印头(1)相连；

安装件(22)，所述安装件(22)通过穿设在所述第二长孔(2121)内的第二连接件(6)与所述水平部(212)相连，所述安装件(22)上设有与所述轧辊(3)配合的第一转轴。

5.根据权利要求1所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述安装组件(2)包括：

第一丝杆(23)，所述第一丝杆(23)可转动地设在所述打印头(1)上，所述第一丝杆(23)沿所述打印头(1)的上下方向延伸设置；

第一螺母(24)，所述第一螺母(24)配合在所述第一丝杆(23)上；

连接板(25)，所述连接板(25)连接在所述第一螺母(24)上；

第二丝杆(26)，所述第二丝杆(26)可转动地设在所述连接板(25)上，所述第二丝杆(26)与所述第一丝杆(23)垂直设置；

第二螺母(27)，所述第二螺母(27)配合在所述第二丝杆(26)上；

配合板(28)，所述配合板(28)与所述第二螺母(27)相连，且所述配合板(28)上设有与所述轧辊(3)配合的第二转轴。

6.根据权利要求5所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述打印头(1)上设有第一避让槽(12)，所述第一丝杆(23)配合在所述第一避让槽(12)内；

所述连接板(25)上设有第二避让槽(251)，所述第二丝杆(26)配合在所述第二避让槽(251)内。

7.根据权利要求5所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述辊压辅助的增材制造装置还包括第一驱动件和第二驱动件，所述第一驱动件用于驱动所述第一丝杆(23)转动，所述第二驱动件用于驱动所述第二丝杆(26)转动。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述辊压辅助的增材制造装置还包括冷却风扇，所述冷却风扇设在所述打印头(1)上，所述冷却风扇用于冷却所述喷嘴(11)挤出打印材料。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述轧辊(3)内设有冷却通道，所述冷却通道内设有用于冷却所述轧辊(3)的冷却液。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的辊压辅助的增材制造装置，其特征在于，所述喷嘴(11)的直径为D1、所述轧辊(3)与所述打印平台(4)的距离为H，所述轧辊(3)的直径为D2，D1和H满足关系式：20％≤(D1-H)/D1≤40％；D1和D2满足关系式：1.5≤D2/D1≤3。

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