一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置的制作方法

本发明涉及特种工程塑料的快速成型挤出装置设计技术领域，具体涉及一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置。

背景技术：

熔融沉积成型(FDM)，根据塑化方式的不同，可将熔融沉积喷头形式分为柱塞式和螺杆式。柱塞式熔融沉积成型是目前市场应用最广的一种3D打印技术，通过可更换喷嘴挤压逐层沉积材料最终实现3D结构的成型。然而，该成型方法所适用的材料品种有限，且大多为低熔点的热塑性塑料，使得最终成型的产品力学性能和耐热性受限，无法应用于主承力结构件和复杂的空间环境。因此，有必要研究空间适用性材料和新的成型工艺以适应FDM技术的主承力部件生产，开发适用于空间环境碳纤维复合材料的3D打印成型技术。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。尽管碳纤维增强复合材料具有诸多优异的特性，但不同的碳纤维增强树脂应用领域具有一定的局限性，以聚乳酸(PLA)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)等树脂作为碳纤维复合材料的增强树脂，虽然在力学性能表现上有所提高，但对于高低温、辐射环境以及高温下持续使用性能受到限制，尤其对于空间环境，需要良好的耐高低温性、热稳定性、抗蠕变性好的热塑性树脂基材料，如短碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料，因具有优异的耐疲劳、耐摩擦性能和优异的力学特性，被广泛应用在航空航天领域。

该类树脂基往往具有很高的熔点和黏度，须采用相适应的成型工艺。

在现有技术中，中国专利(专利公布号为CN1586865A)公布了一种热塑性塑料的螺杆挤压喷头装置，采用了40Cr材料的三段式挤压螺杆，靠推杆凹槽在料斗和连接料筒之间往复送料，加热装置采用铸铜加热器，但这种材料螺杆用于高熔点塑料加热时，其脆性增加强度下降快，挤出高黏度塑料需要更大的扭矩，一旦螺杆直径设计过小，在高温高黏情况下强度不足，很容易被折断，同时铸铜加热器加热速度慢，难以加热到400℃的高温，适合低熔点的PLA、ABS等塑料的加热。

中国专利(专利公布号104309122A)公布了一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，该装置采用激光加热碳纤维复合材料，激光一分为二，给激光头一和激光头二提供线性激光源，线性激光的宽度可根据打印供料头宽度调节，线性激光的功率根据打印材料熔融需要的温度和速度进行调节，送料装置的送料速度要跟激光加热的强度和时间相协调，熔化碳纤维增强复合材料带使丝材和已打印区粘接在一起，该方法使用了激光作为加热源，采用已制备的碳纤维丝材送料，对于低熔点树脂基材料，可采用市场广泛使用的柱塞式喷头，铝块加热方式进行打印，同时激光运动位置要完全与打印路径相协调，一旦打印激光行走路径与丝材打印路径不一致，导致材料不能充分熔化，无法很好的实现粘结，对高熔点高模量的碳纤维复合特种工程塑料，由于加热光源为点光源，丝材表面瞬间可以熔化，但内芯无法充分熔融，丝材硬度很高，在打印弯曲路径时，不能很好的沿着路径打印，喷头快速移动丝材不能断裂，将带动已粘结部分的撕裂。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的问题，本发明提供了一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置，包括有支撑板、螺筒、螺杆、挤出模头、动力机构，所述螺筒的上端安装在所述支撑板上，所述螺杆置于所述螺筒，所述动力机构安装在支撑板上且与所述螺杆传动连接，所述动力机构带动所述螺杆转动；所述螺筒的上端侧壁上设置有进料口，塑料颗粒自进料口输入所述螺筒内；所述螺筒的下端连接所述挤出模头；

还包括有温度控制装置，所述温度控制装置包括有设置在螺筒外侧的第一加热圈、设置在挤出模头外侧上的第二加热圈、设置在螺筒侧壁上的第一热电偶、设置在挤出模头上的第二电偶以及温控箱，第一加热圈、第二加热圈、第一热电偶、第二热电偶均与所述温控箱相连，所述温控箱根据所述第一热电偶和第二热电偶反馈的实时温度控制第一加热圈和第二加热圈加热。

较佳地，所述螺杆为三段式等螺距螺杆，包括自上而下顺序同轴连接的进料段螺杆、压缩段螺杆和计量段螺杆。

较佳地，所述第一加热圈包括有进料段加热圈、压缩段加热圈和计量段加热圈，进料段加热圈、压缩段加热圈、计量段加热圈分别设置在与所述进料段螺杆、压缩段螺杆、计量段螺杆相对的螺筒的外侧壁一圈上；

所述第一热电偶包括有进料段热电偶、压缩段热电偶和计量段热电偶，进料段热电偶、压缩段热电偶、计量段热电偶分别设置在与所述进料段螺杆、压缩段螺杆、计量段螺杆相对的螺筒的外侧壁上。

较佳地，所述螺杆的螺旋角为14.3°；进料段螺杆长度为207-225mm，槽深3-3.5mm；计量段螺杆长度为115-125mm，槽深1-1.3mm；压缩段螺杆长度为138-150mm,变槽深过渡，前端与进料段螺杆等槽深，末端与计量段螺杆等槽深。

较佳地，所述螺筒的上端通过法兰连接所述支撑板的下端面，所述螺杆的上端穿过所述法兰、支撑板与动力机构相连；所述法兰与所述支撑板之间的螺杆上还套设有散热装置。

较佳地，所述散热装置包括有圆柱形散热片和四周开孔的散热板，所述圆柱形散热板套设在所述螺杆上，所述散热板围设在所述圆柱形散热片的一圈。

较佳地，所述散热装置还包括有圆柱形散热片、四周开孔的散热板、加快散热速度的鼓风机。

较佳地，所述螺杆的上端通过轴承穿设在所述支撑板上，且所述螺杆上端伸出所述支撑板；所述螺杆上端通过齿轮传动机构与动力机构连接；

所述齿轮传动机构包括有第一齿轮、第二齿轮，所述第一齿轮与所述螺杆的上端驱动连接，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮与所述动力机构驱动连接。

较佳地，所述动力机构包括电机和减速机，所述电机通过减速机与所述第二齿轮传动连接；所述电机和所述减速机固定在所述支撑板上；所述支撑板上固定连接有一连接板，且所述连接板与所述支撑板之间设置有加强筋。

较佳地，所述电机采用86HS15060A4型号的步进电机，所述减速机采用速比30的FB90-50-S2-P2型号行星齿轮减速机。

较佳地，所述进料口上设置有进料机构，所述进料机构包括有输料管和料斗，所述输料管的一端连接进料口，另一端连接所述料斗；所述输料管通过紧固块与所述螺筒连接；

所述料斗与所述输料管的连通处设置有一挡料块，所述挡料块用于改变所述料斗的进料口开口的大小，调节进料流量。

较佳地，所述挤出模头采用DC53模具钢制成，所述螺杆采用哈氏耐高温合金C276制成，所述螺筒采用DC53模具钢制成。

较佳地，所述挤出模头包括顺序同轴连接的模座、模体和可更换喷嘴，且所述模座、模体和可更换喷嘴的中心处轴向设置分别有供塑料塑料熔体流经的模座流道、模体流道、可更换喷嘴流道；所述模座上端与所述螺筒下端相连，且所述模座流道与螺筒内部连通。

较佳地，所述模座流道内还设置有分流器，模座流道内的塑料熔体经由所述分流器分流后流进所述模体流道内；

其中，所述分流器的上端位于模座流道内，下端位于模座流道与模体流道的分界处；所述分流器的上端呈一锥状结构，所述分流器的下端呈一半球状结构，所述球状结构周向上均布有多个通孔，所述通孔连通模座流道和模体流道。

较佳地，所述模体流道内设置有过滤网，模体流道内的塑料熔体流经所述过滤网进入到所述可更换喷嘴内，塑料熔体最后从所述可更换喷嘴的嘴部挤出

较佳地，所述第二加热圈设置在所述模座外侧壁的一圈上；所述第二热电偶设置在所述模座朝向所述可更换喷嘴的一端上设置的安装孔内。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)在发明中，通过动力装置的设计，能提供更高的压力和更高的输出扭矩，保证高温大扭矩下螺杆强度要求。

(2)在本发明中，通过温控装置的设置，分别对进料段、压缩段、计量段、模头的温度进行实时监测和控制，维持各段温度稳定在目标温度,时刻满足高熔点热塑性塑料的熔融要求；

(3)本发明中，散热装置的设置用于螺杆的散热，避免高温传导到螺杆上端导致推力轴承失效；

(4)在本发明中，通过分流器和过滤网的设置，对由螺杆推动下来的未充分均化塑料熔体进行分流再均化，防止塑料在之前塑化不均造成可更换喷嘴堵塞，保证了塑料熔体顺利挤出以及出丝的质量。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1是本发明提供的一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置原理示意图；

图2是本发明提供的一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置的外型示意图；

图3是本发明中螺筒螺杆机构的安装示意图；

图4是本发明中挤出模头的原理示意图；

图5是本发明中挤出模头与螺筒的连接示意图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

本发明提供了一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置，用于航天结构件、大型航天器薄膜加强肋等结构的的快速成型，该装置主要包括有电机减速机驱动机构、齿轮传动机构、螺筒螺杆推料机构、微型喷头挤压机构、电磁感应加热控制机构等。该螺杆挤出装置能够提供更高的压力和更高的输出扭矩，保证高温大扭矩下螺杆强度要求，电磁加热系统能够更高效准确的控制温度并保持稳定；本发明意在打印高温高黏度短纤维增强塑料的航天结构件，为空间适用性材料的3D打印提供了基础。

其中，被加工的塑料颗粒直径为1-3mm,为短碳纤维增强聚酰亚胺(SCF/TPI)、短碳纤维增强聚醚醚酮(SCF/PEEK)、无纤维增强特种工程塑料等高温高黏热塑性塑料颗粒。

具体的，快速成型螺杆挤出装置包括有支撑板20、螺筒5、螺杆10、挤出模头、动力机构；螺筒5的上端安装在支撑板20上，螺杆10至于螺筒5内，动力机构安装在支撑板20上且与螺杆10传动连接，动力机构带动螺杆10转动；螺筒5的上端侧壁上设置有进料口，塑料颗粒自进料口输入螺筒5内；螺筒5的下端连接挤出模头。螺杆挤出装置还包括有温度控制装置，温度控制装置包括有设置在螺筒外侧一圈上的第一加热圈、设置在挤出模头一圈上的第二加热圈2、设置在螺筒5侧壁上的第一热电偶36、设置在挤出模头上的第二电偶43以及温控箱，第一加热圈、第二加热圈2、第一热电偶36、第二热电偶43均与温控箱相连，温控箱根据第一热电偶和第二热电偶反馈的实时温度控制第一加热圈和第二加热圈加热。

在本实施例中，螺杆10竖直插入螺筒5内，且螺杆10上端通过第一轴肩凸台底面与螺筒5接触，用于固定螺杆10与螺筒5的相对轴向位置。螺筒5的上端通过法兰12并配备螺钉11安装到支撑板20上，且螺筒5内的螺杆10的上端穿过支撑板20；法兰12与支撑板20之间的螺杆10上还套设有散热装置，散热装置包括有圆柱形散热片16和四周开孔的散热板13，圆柱形散热板16套设在螺杆10上，散热板13围设在圆柱形散热片16的一圈；散热装置还包括有鼓风机25，鼓风机25设置在支撑板20上，鼓风机25用于加快圆柱形散热片16和散热板13的散热。本发明中散热装置的设置主要是用于螺杆10的散热，避免高温传导到螺杆上端导致推力轴承15失效。

在本实施例中，螺杆10的上端穿过支撑板20，螺杆10与支撑板20之间设置有推力轴承15，从而使得螺杆10可相对于支撑板20转动；其中，推力轴承15具体可采用NSK81105推力滚子轴承。

在本实施例中，螺杆10通过齿轮传动机构与动力机构实现传动连接，齿轮传动机构包括有第一齿轮、第二齿轮，动力机构包括有电机24和减速机23。具体的，螺杆10的上端穿过支撑板20通过键与第一齿轮传动连接，并通过齿轮盖17以及螺钉28实现第一齿轮与螺杆10之间的同轴固定连接，并使得第一齿轮与支撑板20上端面之间留有一定的间距；电机24和减速机23安装在支撑板20的下端面上，减速机23的输出轴穿过支撑板20通过键与第二齿轮传动连接，并通过齿轮盖17以及螺钉28实现第二齿轮与输出轴之间的同轴固定连接，并使得第二齿轮与支撑板20上端面之间留有一定的间距；第一齿轮与第二齿轮相啮合，工作作过程中，电机24通过减速机23驱动第二齿轮转动，第二齿轮转动带动第一齿轮转动，第一齿轮转动带动螺杆10转动，从而实现将减速机输出的扭矩通过齿轮传动机构传递给螺杆10。

其中，电机24采用86HS15060A4型号的步进电机，减速机采用速比30的FB90-50-S2-P2型号行星齿轮减速机，降低速度的同时输出更大的扭矩，从而满足高黏度塑料的大扭矩需要；同时，一方面可以将电机的输出速度维持在最佳转速下，另一方面也将螺杆的转速控制在一个合理的范围。

其中，第一齿轮与第二齿轮相同，都采用3模48齿齿轮。

其中，第一齿轮和第二齿轮均位于支撑板20的上端面上，且第一齿轮与第二齿轮在同一高度；第一齿轮和第二齿轮上还罩设有一罩子19，罩子19与支撑板20连接，罩子19用于保护第一齿轮和第二齿轮，防止齿轮在转动过程中出现意外。

其中，电机24和减速机23上端固定到支撑板20上，支撑板20下端垂直连接有一连接板22，连接板22与支撑板20之间还设置有加强筋21，用于加固连接。

在本实施例中，进料口上连接有进料机构，进料机构包括有输料管和料斗9，输料管一端连接进料口，另一端连接料斗9；输料管通过紧固块14与支撑板20连接；料斗9与输料管的连通处设置有一挡料块26，挡料块26用于改变料斗9的进料口开口的大小，调节进料流量。

在本实施例中，螺杆为三段式等螺距螺杆，包括自上而下顺序同轴连接的进料段螺杆、压缩段螺杆和计量段螺杆。其中，螺杆的螺旋角为14.3°，进料段螺杆长度为207-225mm，槽深3-3.5mm；计量段螺杆长度为115-125mm，槽深1-1.3mm；压缩段螺杆长度为138-150mm,变槽深过渡，前端与进料段螺杆等槽深，末端与计量段螺杆等槽深。当然，螺杆的具体尺寸也可根据具体情况来进行调整，此处不做限制。

在本实施例中，第一加热圈包括有进料段加热圈7、压缩段加热圈6和计量段加热圈4，进料段加热圈7、压缩段加热圈6、计量段加热圈4分别套设在与进料段螺杆、压缩段螺杆、计量段螺杆相对的螺筒的外侧壁一圈上；进料段加热圈7、压缩段加热圈6、计量段加热圈4用于分别对进料段、压缩段、计量段内的塑料进行加热。

第一热电偶包括有进料段热电偶、压缩段热电偶和计量段热电偶，进料段热电偶、压缩段热电偶、计量段热电偶分别设置在与进料段螺杆、压缩段螺杆、计量段螺杆相对的螺筒的外侧壁上的螺孔29内。进料段热电偶、压缩段热电偶、计量段热电偶用于分别检测进料段、压缩段、计量段内的塑料的实时温度。

在本实施例中，温控箱根据安装在螺筒5侧壁内的第一电热偶36、安装在挤压模头内的第二热电偶43探测并反馈的实时温度，来控制进料段加热圈7、压缩段加热圈6、计量段加热圈4，第二加热圈2来对螺杆和挤压模头进行加热；其中，温控箱采用PID控制；其中，进料段加热圈7、压缩段加热圈6、计量段加热圈4、第二加热圈2可采用电磁感应方式进行加热，当然也可采用其他加热方式，此处不做限制。

在本实施例中，四段加热圈采用非等温加热，进料段加热圈7加热温度为350-360℃，压缩段加热圈6的加热温度为355-375℃，计量段加热圈4的加热温度为370-385℃，第二加热圈2的加热温度为375-390℃，各段加热圈之间距离控制在40-60mm，温控箱实时显示各段温度并进行控制，维持各段温度稳定在目标温度。

在本实施例中，挤压模头包括有模座3、模体38和可更换喷嘴1，模座3、模体38和可更换喷嘴1顺序同轴连接。

具体的，模体38的上端插进模座3的下端并通过螺纹进行连接，可更换喷嘴1的上端插进模体38的下端内并通过螺纹进行连接，可更换喷嘴1与模体38之间螺纹连接的方式可以便于快速更换不同型号的喷嘴。

进一步的，模座3的中心处轴向设置有模座流道，模体38的中心处轴向设置有模体流道，可更换喷嘴1的中心处轴向设置有可更换喷嘴流道，模座流道、模座流道、可更换喷嘴流道同轴且相连通，塑料熔体自模座流道依次流过模体流道和可更换喷嘴流道，最后从可更换喷嘴1下端的嘴部挤出。

在本实施例中，模座流道内同轴设置有分流器34，且分流器34的下端面位于模座流道与模体流道之间的分界处；分流器34的上端设置有锥状结构，下端设置有半球状结构，半球状结构周向均布有多个通孔，通孔竖向设置，且通孔连通模座流道和模体流道。模座流道内的塑料熔体首先经过锥状结构进行初步的分流，再经过通孔进行进一步的分流。

在本实施例中，模体流道内还设置有过滤网35，过滤网35可通过卡设或螺纹连接等方式水平设置在模体流道内，此处不做限制；模体流道内的塑料熔体流经过滤网35过滤后，再进入到可更换喷嘴1内。

本发明通过分流器34和过滤网35的设置，先对含有碳纤维的高黏度熔融热塑性塑料进行分流，分流的塑料熔体通过过滤网35的小孔，防止塑料在之前塑化不均造成喷嘴堵塞，同时对塑料熔体进行均化，保证高黏度塑料熔体的均化度和出丝质量。

在本实施例中，第二加热圈2套设在模座3的外侧一圈上；模座3朝向可更换喷嘴1的一端上设置有一安装孔41，第二热电偶43安装在安装孔41内。

在本实施例中，螺筒5与模座3连接，且其内部连通；模座3周向上均布有若干埋头孔42，螺筒5与模座3之间通过埋头孔42并配备螺钉实现连接；螺筒5的直径与模座3的直径相同，模座3的端部直接作为连接模头与螺筒5之间的连接法兰，这种连接方式减小了法兰尺寸，使得模头整体更加的小型化。

在本实施例中，快速成型挤出模头采用DC53模具钢制成，调质处理后真空淬火，得到高韧性DC53模头；采用DC53模头，能很好的解决熔融挤出成型所用普通材质喷头在高温下力学性能下降严重、容易碎裂的缺点。

在本实施例中，螺杆10采用哈氏耐高温合金C276，螺筒5采用DC53模具钢，以保证其在高温下的强度。

本发明提供的一种短碳纤维增强高温高黏热塑性塑料快速成型螺杆挤出装置，其工作过程如下：

将挡料板26推到底，把短碳纤维增强塑料颗粒体8倒入料斗内，此时颗粒体未进入料斗底端，设置温控箱37的温度，四个加热区分别设置不同的目标温度；当热电偶36测得各段实际温度与目标温度一致时，启动电机24转动螺杆10，同时启动鼓风机25散热，将挡料块26开启一定的距离，控制进料的流量，使得流量与螺杆旋转速度相一致，保证进料达到螺槽内；颗粒体8在进入螺筒后逐渐熔融被螺杆推动向下运动，熔融塑料在推动过程中被挤压塑化，运动到压缩段时，由于螺槽深度逐渐变浅，塑料被挤压致密，在计量段处，塑料以一定的致密度随螺杆转动而转动；达到模头时，被模座内的分流器34分流，熔融塑料在巨大的压力下经过过滤网35，使塑料达到更好的均化度，通过过滤网35的塑料在喷嘴1内聚集；螺杆继续转动，推动后面的塑料前进，巨大的压力推动喷嘴内的塑料挤出，在具有三维运动的平台上成型加强肋。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内作出变化和修改。