CN2564336Y - 快速成形系统的螺旋挤压喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种快速成形系统的螺旋挤压喷头，它由第一级送料机构、第二级加压送料机构、加热和温控装置以及喷嘴经组合而成。第二级加压送料机构中的螺杆设计成三段：加料段、压缩段、计量段，槽深逐渐过渡。本挤压喷头结构简单，控制方便，易于实施，能够提高挤出材料的速度、粘度和流量的均匀性，有利于更快地建造零件，提高快速制件的尺寸精度。

Description

快速成形系统的螺旋挤压喷头

技术领域

本实用新型属机械技术领域，具体涉及一种快速成形系统的螺旋挤压喷头。

背景技术

快速成形(RAPID PROTOTYPING—RP)技术是80年代后期发展起来的一门新兴技术，现已成长为一门成熟的技术。在快速成形系统中，基于熔融沉积成形工艺的螺旋挤压喷头技术主要有美国STRATASYS公司的以块状材料为原料采用螺旋推进器为第二级送料机构喷头专利技术(如图1)。

这类技术的基本原理是：利用两个(或多个)由电机驱动的摩擦轮提供驱动力，将丝料(块状料)送入螺旋挤压送料机构的入口，入口通道外设有加热器，保证丝料(块状料)通过后从固态变成熔融态，熔融态材料经螺旋挤压机构的入口进入螺旋挤压机构加压后从较小直径的喷嘴中挤出，形成材料堆积路径，在计算机控制下，实现基于熔融挤压堆积成形原理的快速成形工艺。

从喷头要实现的功能和作用可知，喷头应包括机械结构和控制系统两个基本组成部分，它是基于熔融挤压工艺的快速成形系统的一个重要子系统。其中机械结构包括固态材料输送和熔融态材料输送驱动部件、加热与温控部件和喷嘴部件，本实用新型仅涉及喷头的机械结构设计。

美国STRATASYS公司的以块状材料为原料采用螺旋推进器为第二级送料机构喷头结构如图1所示。它使用牵引驱动，齿形带，滑轮，压力盘，驱动马达和译码器。马达和驱动带作用是迫使片状材料通过预加热头预加热进入加热腔，它包括加热元件(没有画出)。挤压材料经过预加热头以液态、可流动形式流经通道。

来自通道的液态挤出材料进给到螺旋推进器，可调速马达带动螺旋推进器在机筒里旋转，并驱动液态挤出材料向着喷头移动，经喷嘴流出。

依据层加工的特性，在产生工件过程中挤出材料的流量是可以控制的。一般流量为0.1～10立方英寸/小时(0.00046～0.046cm³/s)。

这种喷头的主要缺点有：复杂的料库，复杂的第一级送料及信号反馈机构，第二级加压送料机构螺旋推进器只适合输送流体材料，不适合原料为粒状材料的输送。

由于这种喷头结构非常复杂，具体实施非常困难，至今仍没有推广应用。

喷头是实现熔融挤压堆积成形的关键部件，是很好地实现堆积成形的前提和核心，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型件的质量，包括表面粗糙度、尺寸精度、强度、刚度等机械性能。所以喷头设计是熔融挤压快速成形系统设计的重要组成部分。

高聚物材料因其良好的性能而在各行各业应用广泛，开发基于高聚物材料的喷头系统是实现高聚物成形的关键和前提。但高聚物具有较大的粘性，流动性较差，流动时需要较大的推动力，且运动惯性也较大，因此实时启停型很难实现。

发明内容

本实用新型的一个目的在于设计出一种能够提供足够大的流量、提高流量均匀性的快速成形系统的螺旋挤压喷头，以满足更快建造零件的要求，提高快速制件的尺寸精度。

本实用新型设计的快速成形系统的螺旋挤压喷头，由第一级送料机构、加热装置、温控系统、第二级加压送料机构和喷嘴经组合而成，见附图2和附图3所示。其中，第二级送料机构由驱动电机7和微型注塑机构成，而微型注塑机由机筒10和槽深渐变型螺杆3、机盖8构成，驱动电机7安装于端盖8上侧，螺杆3上端和电机7的输出轴连接可通过弹性联轴节，并由轴承9支承，机筒10上端固定在端盖8下侧。喷嘴1与机筒10的下端螺纹连接。第一级送料机构的物料通道4与机筒10的入料口配合连接。当原料为丝状材料时，第一级送料机构由通道4和用于夹料的一对或多对滚轮夹持机构组成，滚轮位于通道4的上方，见图2所示；当原料为粒状材料时，第一级送料机构由通道4和料斗5连接构成，见图3所示。

本实用新型中，加热装置的加热元件12分别设置于机筒10的旁侧和下端的喷嘴1上，以便对材料加热。加热元件的外侧设有保温套11，以便对螺槽中的融料保温。温控元件2分别设置于机筒10和喷嘴1的另一侧，温控元件用于控制和恒定加热温度。见图2和图3所示，这里的加热元件和温控元件采用加热棒和热电偶。

本实用新型中，槽深渐变型螺杆3在长度方向设计成三段：加料段、压缩段和计量段。加料段也称固体输送段，其槽深记为H₁，计量段也称熔体输送段，其槽深记为H₃，中间一段的槽深由H₁渐变为H₃，为压缩段，目的是增加对内部物料的压力。

本实用新型中，喷嘴1的外形结构可设计成上面为正方形，下面为圆锥形，其内部的通道为直径逐步缩小的4段圆柱形，圆柱形之间由圆台过渡，见附图4所示。

螺杆转速的快慢决定从喷嘴流出熔融料的流量，为准确控制螺杆转速，采用五相步进电机7作为螺杆的驱动动力，该电机在低速时稳定性较好。流量的准确控制，就使得快速制件的质量提高，同时，流量的均匀性也使得快速制件的尺寸精度提高。

本实用新型的工作原理和过程如下(以丝状材料为例)：滚轮机构6夹持丝料5(夹持力可以调整)，并将丝料5送入通道4，经加热元件12预热，在温控元件2的控制下保持恒定温度(此处温度只要达到丝料成熔融态的温度)，丝料成熔融态后进入螺杆3和机筒10组成的螺旋槽内，螺杆在驱动电机7的带动下旋转，将熔料加压后推向喷嘴1，熔融态材料在喷嘴1处再次由加热元件12加热并由元件2保持恒定温度(此处加热温度保证熔融材料完全熔化)，熔化后的材料从喷嘴挤出，均匀地涂覆在底板或工件上。直至工件加工完毕。

本实用新型设计的螺旋挤压喷头结构简单，控制方便，易于实施。

本实用新型设计的螺旋挤压喷头主要具有以下优越的应用效果：

(1)解决基于层制造在改良挤出性能方面的设备。能够提高喷嘴挤出材料的速度，从而可以更快地建造零件；能够提高挤出粘度，从而可使用具有更理想的机械性能的材料加工实物零件；能够减小挤出的横截面积，因而可取得更好的性能分辨率。

(2)使得从喷嘴流出的材料流量均匀，以致提高建立的快速制件尺寸精度。

(3)使从喷嘴在喷头启停处挤出材料得到实时控制，以便进一步提高快速制件质量。

(4)可用粒状材料为原材料，大大降低建立快速制件的费用。

附图说明

图1为STRATASYS公司的带有锥型螺旋推进器的喷头结构示意图。

图2为本实用新型的螺旋挤压喷头结构图示之一。

图3为本实用新型的螺旋挤压喷头结构图示之二。

图4为本实用新型中一种喷嘴结构图示。

图中标号：1为喷头，2为温控元件，3为螺杆，4为材料通道，5为丝状材料，6为滚轮，7为驱动电机，8为电机端盖，9为轴承，10为机筒，11为保温套，12为加热元件，13为粒状材料，14为料斗。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本实用新型，但不限于该实施例。

实施例1，根据图2和图4所示，材料通道4内径为4mm，外径为8mm。加热元件12选用SFRIEI-0020型，温控元件可采用热电偶S-20CFGA197A(WATLOW)，螺杆3的材料采用不锈钢或40Cr，外径为10-12mm，其加料段长度为20-25mm，压缩段长度为30-35mm，计量段长度25-30mm，槽深度为0.8-1.2mm。机筒10材料可选用45#钢，长度为105-110mm，外径为16-18mm，内径为10-12mm。驱动电机7可用UMK268B步进电机。喷嘴1采用黄铜材料，外径为30mm，上段圆柱形内腔的内径为18mm，长度为14mm，第二段圆柱形内腔内径为6mm，长度为15mm，第三段内腔内径为3mm，长度为3mm，顶端内径为0.5mm。上述部件按一定工艺加工和安装即得所需快速成形系统的螺旋挤压喷头。

Claims (7)

1、一种快速成型系统的螺旋挤压喷头，由第一级送料机构、加热装置、温控系统、第二级加压送料机构和喷嘴经组合而成，其特征在于第二级送料机构由驱动电机(7)、机筒10、槽深渐变螺杆(3)、机盖(8)构成，电机(7)安装于端盖(8)上侧，螺杆(3)上端和电机(7)的输出轴连接，并由轴承(9)支承，机筒(10)上端固定在端盖(8)一侧；喷嘴(1)与机筒(10)下端螺纹连接；第一级送料机构的物料通道(4)与机筒(10)的入料口配合连接。

2、根据权利要求1所述的螺旋挤压喷头，其特征在于加热装置的加热元件(12)分别设置于机筒(10)的旁侧和下端的喷嘴(1)上；温控元件(2)分别设置于机筒(10)和喷嘴(1)的另一侧。

3、根据权利要求2所述的螺旋挤压喷头，其特征在于所说的加热元件(12)和温控元件(2)分别采用加热棒和热电偶。

4、根据权利要求1所述的螺旋挤压喷头，其特征在于槽深渐变螺杆(3)设计成三段：加料段、压缩段和计量段，压缩段的槽深由加料段的槽深H₁渐变为计量段的槽深H₃。

5、根据权利要求1所述的螺旋挤压喷头，其特征在于第一级送料机构由物料通道(4)与一对或多对滚轮夹持机构组成。

6、根据权利要求1所述的螺旋挤压喷头，其特征在于第一级送料机构由物料通道(4)与料斗(14)连接组成。

7、根据权利要求1所述的螺旋挤压喷头，其特征在于电机(7)采用五相步进电机。

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