一种垂直螺杆出料型3D挤出成型装置及工艺的制作方法

本发明属于3d打印设备领域，主要涉及垂直螺杆出料型3d挤出成型装置与成型工艺。

背景技术：

目前主流的3d打印成型技术有熔融沉积制造(fdm)技术、选择性激光烧结(sla)技术、光固化成型(sla)技术与分层实体制造(lom)等，只有fdm是针对热熔性材质的3d打印技术，该技术具有以下局限性：

(1)仅适用于丝状材料，对于粉状、颗粒状热熔性物料无法打印；

(2)载料平台固定不动，打印头在xyz方向进行三维移动，对于螺杆挤出式这种重量大的出料单元移动精度无法控制；

(3)挤出头尺寸固定，无法更换；

(4)采用点式电加热，温度高达200℃以上，而且加热温度无法控制。

所以，对于中低熔点、颗粒状或粉状热熔性物料，目前已公开的热熔型3d打印机无法成型。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，实现颗粒状或粉状热熔性物料(包括中低熔点热熔型物料)连续稳定的3d打印挤出成型，为该种物料提供全新的3d打印技术手段，利用本发明的装置与工艺，颗粒状与粉状物料不用成丝工序即可直接作为3d打印的材料。

本发明涉及的垂直螺杆出料型3d挤出成型装置包括支撑单元、出料单元、运动单元、载料平面。支撑单元包括主支架与支撑支架，主支架为整个装置提供框架与支撑，支撑支架为出料单元与垂直运动单元的连接提供支撑。出料单元包括出料电机、加料漏斗、夹套进出水口、机筒、输送螺杆、夹套、电加热丝、挤出头连接件、挤出头。运动单元包括xy向直线驱动器与z向伺服电机、z向滚珠丝杠、z向导轨、连接板等，其中xy向直线驱动器内部均具有独立的滚珠丝杠、导轨、伺服电机与联轴器。

所述载料平面在x、y向移动，出料单元整体在z向移动，并通过连接板与运动单元固定；xyz三个方向的移动均通过滚珠丝杠精确控制移送位移，丝杠两层各设置一条导轨从而使载料平面与出料单元的移动更加稳定，防止振动，xyz三维运动稳定精确。

所述输送螺杆采用单螺杆，转速1-13r/min可调，与载料平面垂直布置；机筒上部设置夹套控制物料输送温度，夹套上下对角位置设置换热水进出口，电加热丝用于加热物料使其熔融出料，设置在紧挨挤出头的上端，采用先控温后加热的换热方式保证物料连续输送以及控制出料黏度，同时防止原料过早熔融粘结输送螺杆降低输送力，根据实际物料情况确定通冷却水或加热水，根据实际物料的软化温度确定控温水的流量。

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型装置，出料丝材最小尺寸可达0.05mm，比目前主流的热熔性3d打印的0.1mm要细，可更换不同口径的挤出头，出料直径范围0.05-0.5mm，出料速率可调，调节范围0-5mm/s，适用物料范围广，

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型装置，可作为挤出式3d打印系统的核心组件，完成预先设定任何复杂形状制件的3d打印制造。

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型工艺，包括以下步骤：

步骤一：原料加入加料漏斗，给夹套通水控制机筒的温度，根据不同原料的特性选择热水或者冷却水，调节阀门开度控制夹套水温度，调温范围0-90℃，电加热丝通电加热，调温范围90-200℃

步骤二：启动出料电机的变频器，设定输送螺杆转速，物料在机筒内软化，在输送螺杆的作用下填充、挤压、推送，连续从挤出头出料。

步骤三：根据3d成型物件形状，利用repetier-host软件编制算法，出料的同时程序控制载料平面在xy方向以及出料单元在z方向的有规律精确移动，实现不同形制件的3d叠层增材成型。

该工艺适用于粉状或颗粒状热塑性原料的3d成型，由于夹套水与电加热丝温度可控可调节，特别适用于熔点小于100℃的热熔性物料的3d成型。

与现有技术相比，本发明的优点体现在：

(1)可实现粉状与颗粒状热塑性物料的3d打印挤出成型；

(2)载料平台在xy平面移动，出料单元整体在z向移动，载料平面与出料单元相互配合实现三维运动控制，对于螺杆挤出式出料单元具有更高的控制精度。

(3)采用先控温后加热的机筒换热方式，夹套控温使物料达到软化温度，利于填充与输送，采用电机热从而使物料迅速熔融，缩短加热段的长度，特别适用于中低熔点热塑性物料的3d打印挤出成型。

(4)挤出头可根据具体需求加工多套，可更换，可进行不同挤出头尺寸的3d打印试验。

附图说明

图1是垂直螺杆出料型3d挤出成型装置主视图。

图2是适垂直螺杆出料型3d挤出成型装置xy运动单元俯视图。

1.主支架，2.支撑支架，3.出料电机，4.加料漏斗，5.夹套出水口，6.输送螺杆，7.机筒，8.夹套，9.夹套进水口，10.电加热丝，11.挤出头连接件，12.挤出头，13.载料平面，14.x向直线驱动器，15.y向直线驱动器，16.z向伺服电机，17.连接板，18.z向导轨，19.z向滚珠丝杠。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

在本发明中，所述的一种垂直螺杆出料3d挤出成型装置包括支撑单元、出料单元、运动单元、载料平面。支撑单元包括主支架与支撑支架，主支架为整个装置提供框架与支撑，支撑支架为出料单元与垂直运动单元的连接提供支撑。出料单元包括出料电机、加料漏斗、夹套进出水口、机筒、输送螺杆、夹套、电加热丝、挤出头连接件、挤出头。运动单元包括xy向直线驱动器与z向伺服电机、z向滚珠丝杠、z向导轨、连接板等，其中xy向直线驱动器内部均具有独立的滚珠丝杠、导轨、伺服电机与联轴器。

所述载料平面在x、y向移动，出料单元整体在z向移动，并通过连接板与运动单元固定；xyz三个方向的移动均通过滚珠丝杠精确控制移送位移，丝杠两层各设置一条导轨从而使载料平面与出料单元的移动更加稳定，防止振动，xyz三维运动稳定精确。

所述输送螺杆采用单螺杆，转速1-13r/min可调，与载料平面垂直布置；机筒上部设置夹套控制物料输送温度，夹套上下对角位置设置换热水进出口，电加热丝用于加热物料使其熔融出料，设置在紧挨挤出头的上端，采用先控温后加热的换热方式保证物料连续输送以及控制出料黏度，同时防止原料过早熔融粘结输送螺杆降低输送力，根据实际物料情况确定通冷却水或加热水，根据实际物料的软化温度确定控温水的流量。

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型装置，出料丝材最小尺寸可达0.05mm，比目前主流的热熔性3d打印的0.1mm要细，可更换不同口径的挤出头，出料直径范围0.05-0.5mm，出料速率可调，调节范围0-5mm/s，适用物料范围广。

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型装置，可作为挤出式3d打印系统的核心组件，完成预先设定任何复杂形状制件的3d打印制造。

在本发明中，所述垂直螺杆出料型3d挤出成型工艺，包括以下步骤：

步骤一：原料加入加料漏斗，给夹套通水控制机筒的温度，根据不同原料的特性选择热水或者冷却水，调节阀门开度控制夹套水温度，调温范围0-90℃，电加热丝通电加热，调温范围90-200℃

步骤二：启动出料电机的变频器，设定输送螺杆转速，物料在机筒内软化，在输送螺杆的作用下填充、挤压、推送，连续从挤出头出料。

步骤三：根据3d成型物件形状，利用repetier-host软件编制算法，出料的同时程序控制载料平面在xy方向以及出料单元在z方向的有规律精确移动，实现不同形制件的3d叠层增材成型。

该工艺适用于粉状或颗粒状热塑性原料的3d成型，由于夹套水与电加热丝温度可控可调节，特别适用于熔点小于100℃的热熔性物料的3d成型。

下面结合本发明优选实施例阐述本发明的作用过程。利用垂直螺杆出料型3d挤出成型装置打印一个具有五角星内孔的药柱，外观尺寸φ30×30mm，内孔φ15mm。选择eva粉料作为试验物料，物料粒径200μm，熔点67℃，软化点小于40℃。在实际试验过程中还包括模温机、工控机、控制软件与各类管线。将0.1mm口径的挤出头12通过挤出头连接件11固定安装在机筒7上，在控制软件repetier-host中建立需打印制件三维模型，进行打印程序设置。夹套进水口9接模温机出水口，夹套出水口5接模温机进水口，控制模温机阀门开度使温度达到35℃。将eva放入加料漏斗4，启动出料电机3，输送螺杆6带动物料向下输送的同时物料软化，物料经过电加热丝10迅速融入。当开始出料时在控制软件上点击打印按钮，开始打印流程，出料单元与载料平面13在工控机程序的控制下开始在xyz三个方向有规律的精确运动。

所得挤出eva型材呈细丝状，利用游标卡尺测量直径为0.102mm，与挤出头尺寸相对偏差为2％；经过约30min的打印，具有五角星内孔的药柱打印完成，经过测量，该药柱实际尺寸为φ30.01×29.98mm，精度相对偏差最大为0.067％，药柱符合设计的精度要求，打印操作结束。