三维打印头专利报告.docx
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三维打印头专利报告
专
利
报
告
机械设计制造及其自动化0902班
张鹏飞
颗粒体材料的螺旋挤压三维打印喷头装置
摘要:
本发明涉及一种基于颗粒供料三维打印头装置,该装置包括电机驱动系统、颗粒体供料机构、螺杆挤压机构、柱塞式加热熔化系统、恒温控制系统、控制通断板、智能喷嘴,加热元件(电热丝)设于螺旋挤压杆加热熔化系统的外筒壁上,智能喷嘴安装在螺旋挤压杆锥顶加热熔化系统的前端,颗粒供料机构通过送料管将颗粒体送入螺旋挤压加热熔化系统。
恒温控制系统由热电偶和散热风扇组成,始终保证系统保持在恒温工作状态下。
螺杆挤压机构通过联轴器与电机驱动系统连接,电机将扭矩传给螺旋挤压杆,螺旋挤压杆将加热系统中的颗粒熔融体高强度挤压从智能喷嘴中喷出。
智能喷嘴由电致伸缩材料制成,在交流电信号控制下可改变喷嘴孔的直径大小。
控制通断板设置在加热系统和智能喷嘴之间,通过压力来控制喷嘴工作过程的启停。
权利说明书
1.一种基于颗粒供料三维打印头装置,该装置包括电机驱动系统、颗粒体供料机构、螺杆挤压机构、柱塞式加热熔化系统、恒温控制系统、控制通断板、智能喷嘴。
2.如权利要求1所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
颗粒供料机构由由料箱和进料筒组成,颗粒料通过自重经过进料筒进入螺旋挤压杆的挤压段,在螺旋挤压的压力下向下运动。
3.如权利要求1所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
螺杆挤压机构,其结构有三部分:
送料段、压缩段、计量段。
4.如权利要求3所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
螺旋杆的直径为15mm,螺旋杆的长度为86mm,送料段的长度为18~26mm,压缩段的长度为38~43mm,计量段长度为22~31mm。
螺旋杆的头部形状采用接近的锥头形状比较理想。
5.如权利要求1所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
恒温控制系统由加热圈、温度传感器及保温层组成,进行加热系统的温度调节,保证颗粒体熔融态性质不受温度的影响,使其工作在恒温状态。
6.如权利要求1所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
智能喷嘴是采用电致伸缩材料制作成型的锥形喷嘴。
7.如权利要求6所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
由外加的交变电流信号进行控制其喷嘴出口的直径大小,喷嘴出口直径变化的尺寸为0.14~0.18mm。
8.如权利要求1所述的一种基于颗粒供料三维打印头装置,其特征在于:
控制通断板安装在智能喷嘴的尾端和加热系统的端部,控制喷嘴的开启与关闭。
技术领域
本发明涉及的是一种快速成型三维打印喷头装置,特别是一种基于颗粒体材料的快速成型螺杆挤压三维打印头喷头装置,属于机械机械加工领域中快速成形熔融挤压堆积技术。
背景技术
快速成形技术是上世纪80年代后期发展起来的一项新兴的先进制造技术,它有许多种工艺实现方式。
在基于熔融挤压堆积成形的快速成形系统中,喷头是实现堆积成形的关键部件,它与运动系统配合在CAD信息驱动下实现材料的有序转移,并进而层层堆积粘接形成三维实体零件。
因此喷头是熔融挤压堆积成形的前提和核心。
在目前商品化的FDM成形机都是采用丝状材料,依靠摩擦滚轮输送,。
采用这种送丝液化挤出机构的优点是可以实现材料的连续稳定的送进,喷头易于小型化。
但提高料丝挤出速度势必要增大摩擦轮的转速,相应液化室的粘滞阻力也会增大,严重时会使料丝在摩擦轮上打滑或者发生料丝弯曲现象,造成正常挤压堆积运动的中断。
这种喷头装置因其出丝速度无法大幅提高,已经成为FDM原型成形速度进一步提高的瓶颈;该喷头装置使用制作工艺和精度要求都较高的丝材作为成形材料,致使材料成本无法降低,同时成形材料在选择上也受到丝材的局限,尤其在新的应用领域中体现得尤为突;采用未熔的固体丝材对已经熔融的丝材的活塞推压原理实现丝材挤出,这种方式对熔融材料施加的最大压力有限,无法使用直径更小的孔径喷嘴,导致精密小零件的微细部分无法清晰地表达。
同时该喷头装置在“流涎”的有效控制方面,在丝材挤出的响应方面也不理想。
为此,以有效提高丝材的挤出速度、拓宽材料的选择范围和有效提升丝材的挤出压力为目标,来改变传统喷头装置的不足,同时兼顾考虑丝材挤出的快速响应及“流涎”的缓解与消除,为此本文提出了一种新颖的颗粒体供料三维打印头装置。
发明内容
本发明提出了一种新颖的颗粒体供料三维打印头装置,其解决了传统的丝材送料、喷嘴直径无法改变、“流涎”现象等问题。
这种使用颗粒体材料成型的螺杆挤压三维打印喷头装置,从本质上看是一个可以精确控制挤出量,喷嘴直径,并使挤出丝材的温度保持在一定范围内的微型挤出机。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于颗粒供料三维打印头装置,该装置包括电机驱动系统、颗粒体供料机构、螺杆挤压机构、柱塞式加热熔化系统、恒温控制系统、通断控制盘、智能喷嘴,加热元件(电热丝)设于柱塞加热熔化系统的外筒壁上,智能喷嘴安装在柱塞式加热熔化系统的前端。
恒温控制系统由加热圈、温度传感器及保温层组成,进行加热系统的温度调节,保证颗粒体熔融态性质不受温度的影响,使其工作在恒温状态。
所述的螺旋挤压机构主要是微型螺旋杆,其结构有三部分:
送料段、压缩段、计量段,送料段的主要目的是建立起必要的背压和保证稳定可靠的固体输送:
压缩段的主要功用是排除气体,压实输送材料;计量段的主要目的是保证熔体的均匀稳定的输送和挤出。
螺旋杆的直径为12~15mm,螺旋杆的长度为86mm,送料段的长度为18~26mm,压缩段的长度为38~43mm,计量段长度为22~31mm。
螺旋杆的头部形状采用接近的锥头形状比较理想。
所述颗粒供料机构由供料机构和进料筒组成,颗粒料通过自重经过进料筒进入螺旋挤压杆的挤压段,在螺旋挤压的压力下向下运动。
所述智能喷嘴是采用电致伸缩材料制作成型的,由外加的交变电流信号进行控制其喷嘴出口的直径大小,喷嘴出口直径变化的尺寸为0.14~0.18mm。
通断控制盘安装在智能喷嘴的尾端和加热系统的端部,控制喷嘴的开启与关闭。
与现有熔融挤压堆积喷头相比较,本发明具有如下显著的优点:
(1)采用颗粒体材料,拓宽了成型材料的范围;
(2)可以有效地提高材料从喷嘴的挤出速度,更快地堆积零件原型;
(3)可以使用直径更小的喷嘴,减小了挤出材料的横截面积,取得更好的分辨率,使原型局部细节更清晰;
(4)现有的送丝液化挤出机构不能充分适应熔融成形所需的高压力,高速材料流动和高速的压力变化三者的结合,而螺旋挤压机构可以使三者获得很好的结合;
(5)相对于传统机构,螺旋挤压喷头成形喷嘴的出丝起停效果好;
(6)喷嘴采用智能材料,可以根据工作需求进行喷嘴直径的大小调整;
(7)从结构上来说,该喷头具有结构紧凑,使用可靠,成形速度高的特点。
附图说明
图1为本发明颗粒供料三维打印头的结构示意图
图2为本发明颗粒供料三维打印头的装配图
图3为本发明螺旋挤压机构的结构示意图
图4为本发明喷嘴的的结构示意图
图5为本发明喷嘴内部控制三维模拟图
图6为本发明颗粒供料三维打印头的三维图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2、图3、所示,本机构包括步进电动机1,电机输出轴2,联轴器3,轴承4,安装支架5,密封圈6,供料机构7,进料筒8,挤压螺旋杆9,上加热圈10,下加热圈11,保温层12.智能喷嘴13,喷嘴段温度传感器14,控制通断板16,计量段温度传感器17,筒体18,挤压段温度传感器19.供料机构7,进料筒8,挤压螺杆9,智能喷嘴13组成微型螺杆挤压喷头机构;挤压段温度传感器19,计量段温度传感器17,上加热圈10,下加热圈11,保温层12组成恒温控制系统;喷嘴13,喷嘴温度传感器14,磁线圈15,组成智能喷嘴。
步进电机1的输出轴2通过联轴器3与挤压螺杆9相连;挤压螺杆9上段为安装部分,下段为螺旋挤压部分,其安装部分由连接轴20,上过渡轴21,圆螺母22,轴承4和轴肩23组成,轴承4通过圆螺母22固定在挤压螺杆9的轴肩23上;螺旋部分是根据热塑性挤出特性特别设计的三段式螺旋结构,由下过渡轴24,送料段25,挤压段26,计量段27和螺旋锥顶28组成。
计量段27的螺旋底径大于送料段的25的螺旋底径,送料段25的螺旋底径和计量段27的螺旋底径均保持不变,挤压段26的螺旋底径从送料段25到计量段27按底径均匀变化实现过渡连续。
上加热圈10安装在挤压段26相对应的筒体18外表面,挤压温度传感器19安装在与上加热圈10中部对应的机筒壳体18的盲孔内,用来检测挤压段26处的温度。
下加热圈11安装在与计量段27相对应的机筒18下端和喷嘴13的外表面,计量段温度传感器17安装在与下加热圈11中部对应的机筒18的外表面,用来检测计量段处的温度。
保温层12安装在计量段27下加热圈11的外部,对计量段进行保温。
螺旋锥顶28与控制通断板16及喷嘴13与螺旋形式相连接,温度传感器14安装在喷嘴13的外表面进行喷嘴处温度检测。
步进电机1的输出轴2通过联轴器3与挤压螺杆9相连,并且都固定在安装支架5上,安装支架5两侧有螺栓孔最总固定在机架上进行工作。
该装置的具体工作过程是,颗粒体从进料机构7进行送料,颗粒体通过自重进入料筒,通过进料筒8的筒壁自动滑入挤压螺杆送料段25的螺旋槽内,步进电机1通电运转将扭矩通过联轴器3传动给螺旋挤压杆9,在螺旋挤压力的作用下,颗粒体沿螺旋槽向下运动,挤压螺杆挤压段26内被压缩并向下输送,在上加热圈10和下加热圈11共同加热作用下,逐渐软化,半熔融,熔融,经过螺杆计量段27的充分混合搅拌作用,通断控制板16打开(正常工作),熔融均匀的聚合物通过的喷嘴13被定量挤出。
(不工作时通断控制板16关闭,阻止熔融液体进入与到喷嘴13内)。
喷嘴的喷口直径收到磁线圈15的磁力作用,可根据工作要求进行调整,从而改变出丝直径和打印精度。
挤压螺杆9采用40Cr材料调制处理,外径为12~15mm,等螺距,螺旋升角为,送料段的长度为18~26mm,压缩段的长度为38~43mm,计量段的长度为22~31mm,螺槽深度为1.5~2㎜。
控制电机1采用42BYGHW208步进电机,上加热圈10和下加热圈11均采用铸铜加热器,保温层12采用陶瓷纤维棉,挤压段温度传感器19和计量段温度传感器17以及喷嘴段温度传感器14采用Pt100热电阻,喷嘴13的孔径部分采用磁致伸缩材料,喷嘴出口的直径变化范围0.14~0.18mm。
图1
图2
图3
图4
图5
图6
- 配套讲稿:
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