专利名称：螺旋挤压台式快速成形机的制作方法
技术领域：
本发明涉及快速成形技术领域，特别涉及螺旋挤压台式快速成形机。
背景技术：
快速成形(RAPID PROTOTYPING-RP)技术是80年代后期发展起来的一门新兴技术。虽然研究发展的时间不长，但RP已经成长为一门成熟的技术。
在快速成形系统中，基于熔融沉积成形工艺的螺旋挤压喷头技术主要有以丝状材料为原料的美国STRATASYS公司的FDM系列快速成形机和清华大学的MEM系列快速成形机为代表。这类技术的基本原理是利用两个(或多个)由电机驱动的摩擦轮提供驱动力，将丝料送进喷头材料通道入口，加热喷头在加热器和温度调节器作用下，保持恒温，且成形室也要保持恒温(比室温高)，保证丝料通过后从固态变成熔融态，熔融态材料从较小直径的喷嘴中挤出，形成材料堆积路径，在操作台上形成工件，在计算机控制下，实现基于熔融挤压堆积成形原理的快速成形工艺。
由上述这种成形机的基本原理可知，这种快速成形系统主要包括硬件系统、软件系统、供料系统。硬件系统有机械运动承载部件及电器运动控制和温度控制等。
机械系统主要包括运动机构、喷头、成形室、材料室、控制柜与电源柜等单元。一般机械系统采用模块化设计，各个单元相互独立。如运动单元只完成扫描和升降动作，而且整机运动精度只决定于运动单元的精度，与其它单元无关。因此，每个单元可以根据其功能要求，采用不同的设计。运动单元和喷头单元对精度要求较高，特别关注其部件的选用及零件的加工。电源室和控制室需要具有防止干扰和抗干扰的能力，应采用屏蔽措施。
基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧插补和多轴联动功能。喷头控制具备对喷头的出丝控制功能，完成超前与滞后动作补偿功能，同时控制喷头的准确启停。
控制系统配备了温度控制装置，分别检测与控制成形喷嘴、支撑喷嘴和成形室温度。成形喷嘴、支撑喷嘴和成形室温度的控制精度要很精确(小于±1°)，温度的变化对制件的尺寸精度和表面质量都有极大的影响。
软件系统分几何建模和信息处理两部分。几何建模单元是由设计人员借助CAD软件，如Pro-E、AutoCAD、UG等构造产品的实体模型或由三维测量仪器获取的数据重构产品的实体模型。最后以STL格式输出原型的几何信息。
信息处理单元由STL文件处理、工艺处理、数字控制、图形显示等模块组成，分别完成STL文件查错与纠错、截面层文件生成、填充计算、数控代码生成和对成形系统的控制。工艺处理模块根据STL文件判断制件成形过程中是否需要支撑，在要支撑时，先设计支撑结构并生成支撑，然后对STL文件分层切片，最后根据每一层的填充路径，输出成形系统要求的CLI文件格式。
供料系统采用连续的送料机构，由一个马达驱动衬有橡胶的辊子驱动丝料进入下一级加压机构。两个辊子之间的距离可以通过另一个辊子的径向移动来调整。确保丝料被两个辊子夹紧，不会打滑。制造系统要求成形材料及支撑材料为丝料，并且具有低的凝固收缩率、陡的粘度-温度曲线和一定的强度、硬度、柔韧性。ABS、尼龙、石蜡等热塑性塑料经适当改性后都可以使用。
这种成形机的主要缺点有没有充分地解决好基于层制造技术所需的高压力、高速的材料流动、和高速的压力变化三者间结合的关系；成形速度慢，挤出材料的流量较低，一般小于0.1cm3/s，从而降低了成型效率和成型速度；成形必须在高于室温的恒温中进行，使得机器结构复杂，运行成本增加；这种机器目前售价较高，在40～100万人民币之间，属于高价位机器，很难推广。
喷头是实现熔融挤压堆积成形的关键部件，是很好地实现堆积成形的前提和核心，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型件的质量，包括表面粗糙度、尺寸精度、强度、刚度等机械性能。
高聚物材料因其良好的性能而在各行各业应用广泛，开发基于高聚物材料的喷头系统是实现高聚物成形的关键和前提。但高聚物具有较大的粘性，流动性较差，流动时需要较大的推动力，且运动惯性也较大，因此实时启停性很难实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋挤压台式快速成形机，不需要设计成形室。通过螺旋挤压喷头能够提高喷嘴材料的挤出速度和挤出材料的粘度，减小挤出材料的截面积，提高熔融沉积快速成形机的成形质量和成形速度。并且采用伺服控制系统的垂直伺服机构控制工作台升降以提高成形质量。
为实现上述目的，本发明是这样实现的一种螺旋挤压台式快速成形机，包括伺服控制系统、送料机构、喷头和工作台，所述伺服控制系统包括纵向伺服机构、横向伺服机构和垂直伺服机构，所述送料机构与喷头相连，所述喷头与横向伺服机构相连，所述喷头为螺旋挤压喷头，所述的螺旋挤压喷头包括步进电机、由所述步进电机驱动的螺杆、加热装置及喷嘴，所述喷嘴的材料可以是铜，所述伺服控制系统的垂直伺服机构控制工作台升降。
作为本发明的一改进，在所述横向伺服机构还连有支撑材料喷头。
作为本发明的另一改进，所述所述螺旋挤压喷头的加热装置为电热棒。
本发明采用螺旋挤压喷头结构，提高了熔融沉积快速成形机的成形质量和成形速度；成形机不需要设计成形室，熔融材料在室温下成形，不需要保温，机器结构简单，控制方便，易于实施，机器的成本也降低到15～20万元人民币，容易推广，而且体积小，可以作为办公室计算机的外设使用；此外，本发明的机床机械结构采用精巧龙门式机架，启动惯量小，速度快。
图1为螺旋挤压喷头示意2为本发明螺旋挤压台式快速成形机结构示意图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种螺旋挤压台式快速成形机，如图2所示，其中件2、4、12分别是纵向、横向、垂直方向的伺服机构，实现三个坐标轴方向的运动，它们由控制系统1来控制。送料机构6控制丝状材料的进给速度。它必须与喷头的扫描速度协调控制。丝状材料5经加热线圈7加热后变为熔融态，进入螺旋挤压头9，从喷头的喷嘴15喷出，涂覆在工作台11上的工件表面上。丝状材料5经过两个的增压过程增压的第一步是增加绝对压力，由送料机构6产生，丝状材料5经历从初始压力到中间压力。初始压力通常是周围环境的大气压力。中间压力是处于初始压力和把丝状材料5推出喷嘴15的峰值压力之间的压力。要求中间压力在最大需求测定体积沉积速度下，把丝状材料5推进第二步增压的入口。尤其要求中间压力确信丝状材料5的充分流动，在所有期望的测定体积沉积速度下到达增压第二阶段，确保丝状材料5的不间断流动；增压的第二阶段是通过螺旋挤压机构来实现，它增加绝对压力，在预定速度下，丝状材料5从中间压力到任何所需从喷嘴15推出材料的瞬时压力，到达最大所需测定体积沉积速度。
图1为螺旋挤压喷头示意图。其中，螺旋挤压喷头内的螺杆14与送丝机构6用可沿R方向旋转的同一步进电机13驱动，当外部计算机发出指令后，步进电机15驱动螺杆14，同时，又通过齿形皮带传动机构16与送料辊6将丝状材料5送入螺旋挤压喷头，在螺旋挤压喷头中，由于电热棒8的作用，丝状材料5呈熔融状态，并在螺杆14的推挤下，通过铜质喷嘴15涂覆在工作台11上。与此同时，外部计算机针对工件三维计算机模型沿高度方向切片的结果，将不同截面层的轮廓数据传至控制系统，此系统驱动工作台与螺旋挤压喷头沿X-Y方向做合成运动，从而使涂覆并凝固在工作台上的塑料形成工件相应的截面轮廓。完成一层的涂覆后，所述伺服控制系统的垂直伺服机构12控制工作台11下降一个截面层的厚度(通常约为0.1mm)，然后重复进行下一个截面轮廓的涂覆，直至完成整个工件的成形。
权利要求
1.一种螺旋挤压台式快速成形机，包括伺服控制系统、送料机构、喷头和工作台，所述伺服控制系统包括纵向伺服机构、横向伺服机构和垂直伺服机构，所述送料机构与喷头相连，所述喷头与横向伺服机构相连，其特征在于所述喷头为螺旋挤压喷头，所述所螺旋挤压喷头包括步进电机、由所述步进电机驱动的螺杆、加热装置及喷嘴，所述伺服控制系统的垂直伺服机构控制工作台升降。
2.根据权利要求1所述的螺旋挤压台式快速成形机，其特征在于所述横向伺服机构上还连有支撑材料喷头。
3.根据权利要求1所述的螺旋挤压台式快速成形机，其特征在于所述所述螺旋挤压喷头的加热装置为电热棒。
4.根据权利要求1所述的螺旋挤压台式快速成形机，其特征在于所述喷嘴的材料为铜。
全文摘要
一种螺旋挤压台式快速成形机，包括伺服控制系统、送料机构、喷头和工作台，所述伺服控制系统包括纵向伺服机构、横向伺服机构和垂直伺服机构，所述送料机构与喷头相连，所述喷头与横向伺服机构相连，所述喷头为螺旋挤压喷头，所述所螺旋挤压喷头包括步进电机、由所述步进电机驱动的螺杆、加热装置及喷嘴，所述喷嘴的材料可以是铜，所述伺服控制系统的垂直伺服机构控制工作台升降。本发明采用螺旋挤压喷头结构，提高了熔融沉积快速成形机的成形质量和成形速度；成形机不需要设计成形室，熔融材料在室温下成形，不需要保温，机器结构简单，控制方便，易于实施，机器的成本也降低到15～20万元人民币，容易推广，而且体积小，可以作为办公室计算机的外设使用；此外，本发明的伺服控制系统采用精巧龙门式机架，启动惯量小，速度快。
文档编号B29C45/18GK1586862SQ200410053509
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月6日 优先权日2004年8月6日
发明者刘光富 申请人:同济大学