快速成形系統的螺旋擠壓噴頭的製作方法

2023-05-28 17:25:56 2

專利名稱：快速成形系統的螺旋擠壓噴頭的製作方法
技術領域：
本實用新型屬機械技術領域，具體涉及一種快速成形系統的螺旋擠壓噴頭。
這類技術的基本原理是利用兩個(或多個)由電機驅動的摩擦輪提供驅動力，將絲料(塊狀料)送入螺旋擠壓送料機構的入口，入口通道外設有加熱器，保證絲料(塊狀料)通過後從固態變成熔融態，熔融態材料經螺旋擠壓機構的入口進入螺旋擠壓機構加壓後從較小直徑的噴嘴中擠出，形成材料堆積路徑，在計算機控制下，實現基於熔融擠壓堆積成形原理的快速成形工藝。
從噴頭要實現的功能和作用可知，噴頭應包括機械結構和控制系統兩個基本組成部分，它是基於熔融擠壓工藝的快速成形系統的一個重要子系統。其中機械結構包括固態材料輸送和熔融態材料輸送驅動部件、加熱與溫控部件和噴嘴部件，本實用新型僅涉及噴頭的機械結構設計。
美國STRATASYS公司的以塊狀材料為原料採用螺旋推進器為第二級送料機構噴頭結構如


圖1所示。它使用牽引驅動，齒形帶，滑輪，壓力盤，驅動馬達和解碼器。馬達和驅動帶作用是迫使片狀材料通過預加熱頭預加熱進入加熱腔，它包括加熱元件(沒有畫出)。擠壓材料經過預加熱頭以液態、可流動形式流經通道。
來自通道的液態擠出材料進給到螺旋推進器，可調速馬達帶動螺旋推進器在機筒裡旋轉，並驅動液態擠出材料向著噴頭移動，經噴嘴流出。
依據層加工的特性，在產生工件過程中擠出材料的流量是可以控制的。一般流量為0.1～10立方英寸/小時(0.00046～0.046cm3/s)。
這種噴頭的主要缺點有複雜的料庫，複雜的第一級送料及信號反饋機構，第二級加壓送料機構螺旋推進器只適合輸送流體材料，不適合原料為粒狀材料的輸送。
由於這種噴頭結構非常複雜，具體實施非常困難，至今仍沒有推廣應用。
噴頭是實現熔融擠壓堆積成形的關鍵部件，是很好地實現堆積成形的前提和核心，噴頭結構設計和控制方法是否合理，直接關係到成型過程能否順利進行，並影響成型件的質量，包括表面粗糙度、尺寸精度、強度、剛度等機械性能。所以噴頭設計是熔融擠壓快速成形系統設計的重要組成部分。
高聚物材料因其良好的性能而在各行各業應用廣泛，開發基於高聚物材料的噴頭系統是實現高聚物成形的關鍵和前提。但高聚物具有較大的粘性，流動性較差，流動時需要較大的推動力，且運動慣性也較大，因此實時啟停型很難實現。
本實用新型設計的快速成形系統的螺旋擠壓噴頭，由第一級送料機構、加熱裝置、溫控系統、第二級加壓送料機構和噴嘴經組合而成，見附圖2和附圖3所示。其中，第二級送料機構由驅動電機7和微型注塑機構成，而微型注塑機由機筒10和槽深漸變型螺杆3、機蓋8構成，驅動電機7安裝於端蓋8上側，螺杆3上端和電機7的輸出軸連接可通過彈性聯軸節，並由軸承9支承，機筒10上端固定在端蓋8下側。噴嘴1與機筒10的下端螺紋連接。第一級送料機構的物料通道4與機筒10的入料口配合連接。當原料為絲狀材料時，第一級送料機構由通道4和用於夾料的一對或多對滾輪夾持機構組成，滾輪位於通道4的上方，見圖2所示；當原料為粒狀材料時，第一級送料機構由通道4和料鬥5連接構成，見圖3所示。
本實用新型中，加熱裝置的加熱元件12分別設置於機筒10的旁側和下端的噴嘴1上，以便對材料加熱。加熱元件的外側設有保溫套11，以便對螺槽中的融料保溫。溫控元件2分別設置於機筒10和噴嘴1的另一側，溫控元件用於控制和恆定加熱溫度。見圖2和圖3所示，這裡的加熱元件和溫控元件採用加熱棒和熱電偶。
本實用新型中，槽深漸變型螺杆3在長度方向設計成三段加料段、壓縮段和計量段。加料段也稱固體輸送段，其槽深記為H1，計量段也稱熔體輸送段，其槽深記為H3，中間一段的槽深由H1漸變為H3，為壓縮段，目的是增加對內部物料的壓力。
本實用新型中，噴嘴1的外形結構可設計成上面為正方形，下面為圓錐形，其內部的通道為直徑逐步縮小的4段圓柱形，圓柱形之間由圓臺過渡，見附圖4所示。
螺杆轉速的快慢決定從噴嘴流出熔融料的流量，為準確控制螺杆轉速，採用五相步進電機7作為螺杆的驅動動力，該電機在低速時穩定性較好。流量的準確控制，就使得快速製件的質量提高，同時，流量的均勻性也使得快速製件的尺寸精度提高。
本實用新型的工作原理和過程如下(以絲狀材料為例)滾輪機構6夾持絲料5(夾持力可以調整)，並將絲料5送入通道4，經加熱元件12預熱，在溫控元件2的控制下保持恆定溫度(此處溫度只要達到絲料成熔融態的溫度)，絲料成熔融態後進入螺杆3和機筒10組成的螺旋槽內，螺杆在驅動電機7的帶動下旋轉，將熔料加壓後推向噴嘴1，熔融態材料在噴嘴1處再次由加熱元件12加熱並由元件2保持恆定溫度(此處加熱溫度保證熔融材料完全熔化)，熔化後的材料從噴嘴擠出，均勻地塗覆在底板或工件上。直至工件加工完畢。
本實用新型設計的螺旋擠壓噴頭結構簡單，控制方便，易於實施。
本實用新型設計的螺旋擠壓噴頭主要具有以下優越的應用效果(1)解決基於層製造在改良擠出性能方面的設備。能夠提高噴嘴擠出材料的速度，從而可以更快地建造零件；能夠提高擠出粘度，從而可使用具有更理想的機械性能的材料加工實物零件；能夠減小擠出的橫截面積，因而可取得更好的性能解析度。
(2)使得從噴嘴流出的材料流量均勻，以致提高建立的快速製件尺寸精度。
(3)使從噴嘴在噴頭啟停處擠出材料得到實時控制，以便進一步提高快速製件質量。
(4)可用粒狀材料為原材料，大大降低建立快速製件的費用。
圖2為本實用新型的螺旋擠壓噴頭結構圖示之一。
圖3為本實用新型的螺旋擠壓噴頭結構圖示之二。
圖4為本實用新型中一種噴嘴結構圖示。
圖中標號1為噴頭，2為溫控元件，3為螺杆，4為材料通道，5為絲狀材料，6為滾輪，7為驅動電機，8為電機端蓋，9為軸承，10為機筒，11為保溫套，12為加熱元件，13為粒狀材料，14為料鬥。
實施例1，根據圖2和圖4所示，材料通道4內徑為4mm，外徑為8mm。加熱元件12選用SFRIEI-0020型，溫控元件可採用熱電偶S-20CFGA197A(WATLOW)，螺杆3的材料採用不鏽鋼或40Cr，外徑為10-12mm，其加料段長度為20-25mm，壓縮段長度為30-35mm，計量段長度25-30mm，槽深度為0.8-1.2mm。機筒10材料可選用45#鋼，長度為105-110mm，外徑為16-18mm，內徑為10-12mm。驅動電機7可用UMK268B步進電機。噴嘴1採用黃銅材料，外徑為30mm，上段圓柱形內腔的內徑為18mm，長度為14mm，第二段圓柱形內腔內徑為6mm，長度為15mm，第三段內腔內徑為3mm，長度為3mm，頂端內徑為0.5mm。上述部件按一定工藝加工和安裝即得所需快速成形系統的螺旋擠壓噴頭。
權利要求1.一種快速成型系統的螺旋擠壓噴頭，由第一級送料機構、加熱裝置、溫控系統、第二級加壓送料機構和噴嘴經組合而成，其特徵在於第二級送料機構由驅動電機(7)、機筒10、槽深漸變螺杆(3)、機蓋(8)構成，電機(7)安裝於端蓋(8)上側，螺杆(3)上端和電機(7)的輸出軸連接，並由軸承(9)支承，機筒(10)上端固定在端蓋(8)一側；噴嘴(1)與機筒(10)下端螺紋連接；第一級送料機構的物料通道(4)與機筒(10)的入料口配合連接。
2.根據權利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於加熱裝置的加熱元件(12)分別設置於機筒(10)的旁側和下端的噴嘴(1)上；溫控元件(2)分別設置於機筒(10)和噴嘴(1)的另一側。
3.根據權利要求2所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於所說的加熱元件(12)和溫控元件(2)分別採用加熱棒和熱電偶。
4.根據權利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於槽深漸變螺杆(3)設計成三段加料段、壓縮段和計量段，壓縮段的槽深由加料段的槽深H1漸變為計量段的槽深H3。
5.根據權利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於第一級送料機構由物料通道(4)與一對或多對滾輪夾持機構組成。
6.根據權利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於第一級送料機構由物料通道(4)與料鬥(14)連接組成。
7.根據權利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特徵在於電機(7)採用五相步進電機。
專利摘要本實用新型為一種快速成形系統的螺旋擠壓噴頭，它由第一級送料機構、第二級加壓送料機構、加熱和溫控裝置以及噴嘴經組合而成。第二級加壓送料機構中的螺杆設計成三段加料段、壓縮段、計量段，槽深逐漸過渡。本擠壓噴頭結構簡單，控制方便，易於實施，能夠提高擠出材料的速度、粘度和流量的均勻性，有利於更快地建造零件，提高快速製件的尺寸精度。
文檔編號B29C47/00GK2564336SQ02216588
公開日2003年8月6日 申請日期2002年4月4日 優先權日2002年4月4日
發明者劉光富, 張曙, 王運贛 申請人:同濟大學