一种螺杆式增材制造喷头的制作方法

本发明属于增材制造(3D打印)材料加工领域，涉及熔融沉积成形技术，具体为一种螺杆式增材制造喷头。

背景技术：

熔融沉积成形工艺(FDM)在快速成形领域是一门较为成熟的技术，其主要工作原理为：材料在喷头内被加热融化，并以一定的挤出力从喷头挤出，在计算机的控制下喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，熔体材料被挤出堆积、固化，后一层挤出的材料与前一层粘结在一起，逐层叠加，直至零件最终成形。螺杆式增材制造喷头以其挤出力大、成形效率高等优势，受到了人们的广泛关注。然而现有的螺杆式增材制造喷头在原料的选择范围、螺杆的尺寸与结构设计等方面存在不足，致使它的应用范围受到了一定限制。

现有技术中主要存在以下不足：1.大部分螺杆式增材制造喷头只能以丝材作为原材料，增加了原材料的制作成本并且限制了原材料的选择种类。2.目前螺杆式增材制造喷头用螺杆的尺寸较小，其直径普遍在16mm以下，刘光富等人设计了螺杆直径为12mm的螺杆式增材制造喷头，并在2003年9月《机械设计》第20卷第9期公开的《熔融沉积快速成形机的螺旋挤压机构设计》进行了说明。螺杆直径较小会产生如下问题：无法顺利使用较大尺寸颗粒料，运行过程中易出现卡顿现象；限制材料挤出效率无法进一步提高。现有文献中认为螺杆直径大于18mm后成形效果明显下降，在2010年1月《塑料工业》第38卷第1期中公开的《塑料熔体微型挤出流变行为及形态演变》中给出了详细的阐述。螺杆直径的增加导致成形效果下降的原因是：(1)螺杆与机筒间的空间增大，物料不易密实地填充，导致出料不均匀影响成形质量；(2)螺杆尺寸的增大使其转动时所需扭矩增大、负载增大，影响了喷头运转的稳定性进而影响物料挤出过程的稳定性；(3)螺杆尺寸的增大使得喷头整体尺寸增大、重量增加，影响了设备运行过程的稳定性。螺杆直径直接限制了螺杆深度，较小的螺杆直径致使无法顺利使用颗粒体材料作为原料，并且螺杆直径直接限制了喷头出料速度，致使无法进一步提升熔融沉积成形技术的成形效率。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种螺杆式增材制造喷头，能够使用常规尺寸的颗粒料为原材料，物料挤出过程稳定、挤出力度大、成形效率高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种螺杆式增材制造喷头，包括机筒，固定在机筒前端的喷嘴，设置在机筒中的螺杆，以及固定在机筒后端的驱动电机；螺杆的末端成圆锥设置；螺杆的前端与驱动电机输出端连接；螺杆设置螺纹部分从前端到末端按螺纹槽深依次分为加料段、压缩段和计量段，加料段槽深最大且成等槽深设置，计量段槽深最小且成等槽深设置，压缩段的槽深由最大槽深渐变为最小槽深；螺棱横截面为梯形，与螺杆根部为圆角过度连接；机筒上对应螺杆的加料段设置有进料口，对应压缩段和计量段分别设置有第一加热圈和第二加热圈；喷嘴内部呈与螺杆末端配合的圆锥面设置，喷嘴上插入设置一组加热棒。

优选的，螺杆2的外径为20-30mm；加料段槽深4.5-6.5mm，长度50-65mm；压缩段槽深1.5-6.5mm，长度90-110mm；计量段槽深1.5-3mm，长度60-75mm；螺旋升角25°-35°。

优选的，驱动电机通过联轴器与螺杆连接。

优选的，机筒上沿轴向依次固定进料处支架、轴套和电机支架；驱动电机固定在电机支架上，连接进料端的漏斗固定在进料处支架上，轴套内部设置有固定支撑螺杆的高温轴承。

优选的，共设置有一对高温轴承，一对高温轴承之间设置有用于保持安装距离的第二挡圈，高温轴承与驱动电机相邻的一端设置有用于限位的第一挡圈。

优选的，喷嘴外部有伸出的凸台，喷嘴通过凸台和螺栓与机筒固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过提升螺杆直径并采用三段式设计，有利于顺利使用颗粒体原料，大大降低了原材料成本并增加了原材料种类范围；压缩段渐变式槽深提高材料内部压力，配合螺杆的分段设计采用分段式加热，提高加热效率，使物料充分熔化而不出现老化分解现象；提高了材料密实程度进而提高材料打印质量；大幅度提高打印速率与挤出力度，可以挤出较高粘度材料；配合结构简单的喷头结构设置，制造成本低廉；实现以较低的成本、较广的材料来源进行快速打印，为工业生产中打印大型零件提供设备基础。

进一步的，采用三段式设计，即加料段、压缩段、计量段。并采用较大的螺杆直径，配合分段加热的设置解决现有技术中直径大于18mm后成形效果下降的问题，满足加料段对固体颗粒料的输送需求，其槽深设计较大可容纳普遍尺寸颗粒料。压缩段槽深为渐变式，目的是通过空间的变化以适应颗粒料熔化后体积的变化，并使物料逐渐被压缩在其内部形成压力，达到增加材料密实程度的效果，以使得材料挤出更加均匀、制件更加致密。计量段槽深较浅，使物料熔化均匀、流动平稳，以提高打印质量。

进一步的，采用步进电机与螺杆轴通过联轴器直接相连，不需要复杂的传动装置，使得控速更加精确以及螺杆转动更加平稳，并且同时简化了喷头结构、减轻了喷头质量。

附图说明

图1为本发明实例中所述喷头的结构示意图。

图2为本发明实例中所述采用本发明成形的管材示意图。

图中：1为喷嘴、2为螺杆、3为机筒、4高温轴承、5为轴套、6为电机支架、7为联轴器、8为驱动电机、9为第一挡圈、10为第二挡圈、11为漏斗、12位进料处支架、13为第一加热圈、14为第二加热圈。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明优化设计了其核心部件螺杆的尺寸与几何结构，可以使用常规尺寸的颗粒料为原材料，并且物料挤出过程稳定、挤出力度大、成形效率高。同时优化设计了喷头的机械支撑结构，在保证喷头结构可靠性的前提下减轻了其质量，提高了喷头运行时的稳定性并且降低了成本。本发明一种针对熔融堆积成形技术的螺杆式挤出喷头，包括：喷嘴1、螺杆2、机筒3、漏斗11、驱动电机8、高温轴承4、联轴器7、相关支架机构、加热元件和控温系统。如图1所示，其中，相关支架机构由进料处支架12、轴套5和电机支架6组成。喷嘴1与机筒3由螺栓相连接。

进料处支架12下端由螺钉固定在机筒3凸台上，进料处支架12上端由螺栓与轴套5下端相连接，轴套5上端与电机支架6下端由螺栓相连接。驱动电机8安装在电机支架6上端。螺杆2上端与驱动电机8输出轴由弹性联轴器7连接，并由两个高温轴承4固定支承。漏斗11与进料口采用间隙配合。

其中，螺杆2采用三段式设计，即加料段、压缩段、计量段。加料段用来输送固体颗粒料，其槽深可容纳普遍尺寸颗粒料。压缩段槽深为渐变式，目的是通过空间的变化以适应颗粒料熔化后体积的变化，并使物料逐渐被压缩在其内部形成压力，达到增加材料密实程度的效果，以使得材料挤出更加均匀、制件更加致密。计量段槽深较浅，使物料熔化均匀、流动平稳，以提高打印质量。

加热装置为一组加热圈和一组加热棒。加热线圈分为两个，固定在机筒外壁，第一加热圈13对螺杆压缩段控制加热温度，第二加热圈14对计量段控制加热温度。一组加热棒插入喷嘴的开孔中，对喷嘴处物料最终挤出温度进行调节。

喷嘴1内部为一定角度的圆锥形，与螺杆2末端圆锥部分相配合。喷嘴1外部有伸出的凸台与机筒3凸台配合固定。

机筒3下端与中部设有凸台，用以与喷嘴1和进料处支架12固定。机3筒包含一个与水平方向呈一定角度的圆柱形孔洞，以便固定漏斗11、使颗粒料顺利进入机筒内部。

加料处支架11为半封闭结构，以便放置漏斗11。其四周有长方形凸台，以便机械手臂对其进行夹持。

轴套5下端为半封闭结构，与加料处支架11相配合放置漏斗11。

采用一对高温轴承4，并通过第一挡圈9和第二挡圈10限位保持一段距离安装，以严格控制螺杆2垂直度。驱动电机8采用步进电机以便精确控速。

具体的，如图1所示，螺杆2为喷头中的核心部件，螺杆2的外径为20-30mm；加料段槽深4.5-6.5mm，长度50-65mm；压缩段槽深1.5-6.5mm，长度90-110mm；计量段槽深1.5-3mm，长度60-75mm；螺旋升角25°-35°；其中优选的外径20-25mm，分为三段式设计：加料段槽深4.5-5.5mm，长度50-55mm；压缩段槽深1.5-5.5mm，长度90-100mm；计量段槽深1.5-2mm，长度60-65mm；螺杆全长约为370-380mm。喷嘴1内部为60度圆锥形，出料口直径为1mm。机筒3外径50-55mm，长度220-230mm，在距机筒3底端约210mm处开有倾斜角为30度的圆柱形进料孔。驱动电机8采用步距角为1.8°的两相86mm步进电机。加热元件采用订制不锈钢加热圈和单头电热管。控温元件采用PT100热电阻贴片温度传感器和PT100热电阻探头式温度传感器。使用时，首先根据物料的种类不同而设定不同的加热温度，待机筒3加热到预定温度后从漏斗11处加入颗粒料，物料在机筒3内熔化并随螺杆2转动从喷嘴处挤出。将此喷头固定在机床上，设定好相关运行程序即可进行堆积成形。

成形后的圆柱形管材如图2所示，材料选用熔点较高的高强度工程塑料PC颗粒料，成形高度50cm，直径15cm，壁厚2.2mm，重量481g，成形时间约3小时。