专利名称：热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种快速成形挤压喷头装置，特别是一种用于热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，属于机械加工领域中快速成形熔融挤压堆积技术。
背景技术：
快速成形技术是上个世纪80年代后期发展起来的一项新兴的先进制造技术，它有许多种工艺实现方式。在基于熔融挤压堆积成形的快速成形系统中，喷头是实现堆积成形的关键部件，它与运动系统配合在CAD信息驱动下实现材料的有序转移，并进而层层堆积粘接形成三维实体零件。因此喷头是熔融挤压堆积成形的前提和核心。
在目前商用的快速成形装置中，基于熔融挤压堆积成形工艺的快速原型机主要有美国Stratasys公司的熔融堆积成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)系列产品和清华大学企业集团殷华公司的熔融挤压成形(Melted ExtrusionModelling，简称MEM)产品系列。并因此形成了以送丝液化固体丝材推压的喷头技术和以送丝液化螺旋挤压的喷头技术。
在已有的技术中，申请号为98219118.9的专利是一种送丝液化固体丝材推压的喷头装置，它利用两个(或者多个)由控制电机驱动的摩擦滚轮来驱动热塑性丝材，将其推入一个保持在一定加热温度的铜管内，丝材在推进过程中，逐渐软化、熔融，通过未熔的丝材对熔化丝材的活塞挤压作用，将粘流态的丝材以一定速度从喷嘴中挤出，在一定的工艺条件下成形原型。这种喷头装置的优点是结构简单，轻巧，可以实现连续稳定的送丝和熔融丝材的定量挤出，可靠性高。不足之处在于这种装置使用丝状材料，材料成本高；由于摩擦轮输送力和液化室入口到轮间丝材的抗失稳能力的限制，使得成形速度无法提高，每小时的挤出量仅为12~17克；喷嘴出丝滞后和流涎现象无法克服，原型的成形质量受到影响。申请号为02216588.6的专利是采用送丝液化螺旋挤压的喷头装置，它也是通过摩擦轮驱动热塑性丝材，将其推入一个保持在一定温度下的加热弯管内，丝材在推进过程中，逐渐软化、熔融，通过未熔的丝材对熔化丝材的挤压作用，将粘流态的熔融聚合物推入挤压螺杆的螺槽内，利用螺旋增压作用，将熔融料从喷嘴挤出。这种喷头装置可以实现连续稳定的送丝和熔化丝材的定量挤出，可靠性高。由于熔融态聚合物直接受压区长度的大幅减小，使得流涎现象基本上得到解决；另外由于螺杆的快速响应特性，材料挤出响应快、速度高。不足之处在于这种喷头装置仍然使用丝状材料，材料成本高，可供使用材料的广度和深度受到限制，使得原型制作成本无法降低；同时该喷头上的动力驱动装置由传统的送丝液化固体丝材推压喷头装置的一套增加为现在的两套，即螺杆驱动电机和摩擦轮驱动电机。这就增加了喷头的重量和耦合控制的复杂性，喷头制造成本高。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明设计了一种新型的螺杆挤压喷头装置，用于颗粒状热塑性聚合物材料的快速成形。该装置能够有效地降低材料成本，提高原型制作速度，减小流涎，是一种比较理想的熔融挤压堆积成形的喷头装置。
这种使用热塑性颗粒体材料成形的螺杆挤压喷头装置，从本质上看是一个可以精确控制挤出量，并使挤出丝材的温度保持在一定范围内的微型挤出机。
本发明包括控制电机，联轴器，连接板，连接料筒，上机筒，下机筒，挤压段温度传感器，喷嘴，计量段温度传感器，下加热圈，上加热圈，蜗轮，蜗杆，蜗杆支座，料斗，转换接头，推杆，电磁铁，连接支架，料位检测传感器，挤压螺杆。其中，连接料筒，料斗，转换接头，推杆，电磁铁，连接支架和料位检测传感器组成推杆送料机构；联轴器，蜗轮，蜗杆和蜗杆支座组成蜗轮蜗杆一级减速传动机构；上机筒，下机筒，喷嘴和挤压螺杆组成微型挤压螺杆喷头机构；挤压段温度传感器，计量段温度传感器，下加热圈和上加热圈组成温控加热机构。挤压螺杆上段为安装部分，下段为螺旋部分。其中安装部分由连接轴，上过渡轴，圆螺母，轴承和轴肩组成，轴承通过圆螺母固定在挤压螺杆的轴肩上；螺旋部分是根据热塑性材料挤出特性特别设计的三段式螺旋结构，由下过渡轴，送料段，挤压段，计量段和螺旋锥顶组成。计量段的螺旋底径大于送料段的螺旋底径，送料段的螺旋底径和计量段的螺旋底径均保持不变，挤压段的螺旋底径从送料段到计量段按底径均匀变化实现过渡连接。连接板是一块右转90°方向放置的T型板，所有部件均以连接板为基准进行直接或者间接安装。控制电机安装在连接板垂直板的右上侧，蜗杆通过一对蜗杆支座固定在连接板的水平板上表面左侧，蜗杆的轴线方向与控制电机的轴芯一致，控制电机1的输出轴通过联轴器与蜗杆连接。挤压螺杆从上机筒的顶端装入，中心开有圆孔的上机筒端盖套在挤压螺杆连接轴上，连接轴从上机筒端盖中心孔处伸出，通过上机筒端盖压紧轴承使挤压螺杆固定在上机筒内，上机筒顶端凸台的外表面嵌入到连接板的水平板中部圆柱孔内并用内六角螺钉紧固连接，蜗轮安装在连接轴上，蜗轮和蜗杆通过动配合将动力传递给挤压螺杆。下机筒从挤压螺杆底端螺旋锥顶处套入，通过下机筒顶端凸台用螺钉和上机筒底面的凹槽连接定位。喷嘴通过螺纹连接固定在下机筒的下端，挤压螺杆下端的螺旋锥顶伸入喷嘴的型腔内。上加热圈安装在与挤压段相对应的下机筒的外表面，挤压段温度传感器安装在与上加热圈中部对应的下机筒壳体的盲孔内，用来检测挤压段处的温度。下加热圈安装在与计量段相对应的下机筒和喷嘴的外表面，计量段温度传感器安装在喷嘴外表面的盲孔内，用来检测计量段出口处热塑性熔融体的挤出温度。电磁铁通过连接架和控制电机并列安装在连接板垂直板的右上侧，转换接头安装在连接板垂直板左侧水平板上表面，电磁铁的轴芯穿过连接板的垂直板同推杆连接，推杆伸入转换接头的圆柱形腔内。料斗固定在转换接头的顶端，热塑性颗粒料装在料斗内，料位检测传感器安装在料斗的侧壁上，用于实时测定料位，当料位低于要求高度时，料斗进行自动加料。转换接头底部通过连接板水平板上的圆柱孔同连接料筒一端连通，连接料筒另一端与挤压螺杆送料段相对应的上机筒侧面的斜孔相连通。推杆可以在转换接头内沿电磁铁的轴芯方向往复运动，通过推杆的转换连接作用将料斗中的热塑性颗粒料通过连接料筒按控制指令送入挤压螺杆的螺槽内。该装置通过连接板的垂直板下半部与工作台固定安装。
该装置的具体工作过程是，开始工作前，料斗进行自动加料。工作时，料斗底部的热塑性颗粒料在重力作用下堆积在推杆的凹槽内，电磁铁通电，驱动推杆向前运动，当推杆的轴肩同转换接头的侧面接触时，推杆受阻停止运动，推杆的凹槽正好运动到连接料筒的入口处，滞留在凹槽内内的热塑性颗粒料在重力作用下进入连接料筒内。通过控制电磁铁的通电断电时间间隔，可以调节热塑性颗粒料的进给量。
进入连接料筒的热塑性颗粒料沿连接料筒的筒壁自动滑入挤压螺杆送料段的螺槽内，在螺旋挤压力的作用下，沿螺槽向下运动，在挤压螺杆挤压段内被压缩并向下输送，在上加热圈和下加热圈共同加热作用下，逐渐软化，半熔融，熔融，经过螺杆计量段的充分混合搅拌作用，最后熔融均匀的聚合物从喷嘴被定量挤出。
与现有熔融挤压堆积喷头相比较，本发明具有如下显著的优点(1)避免了具有一定直径丝材的制备，拓宽了成形材料的选择范围，可以方便灵活地选择合适的包括热塑性弹性体在内的成形材料；(2)可以有效地提高材料从喷嘴的挤出速度，更快地堆积零件原型；(3)成形不受材料熔融粘度的限制，可以采用较高的挤出粘度，自由地选择工程热塑性塑料来成形实体零件；(4)可以使用直径更小的喷嘴，减小挤出材料的横截面积，取得更好的分辨率，使原型局部细节更清晰；(5)现有的送丝液化挤出机构不能充分适应熔融成形所需的高压力、高速材料流动和高速的压力变化三者的结合，而螺旋挤压机构可以使三者获得很好的结合；(6)对于粘度小的热塑性材料，可以有效地减小“流涎”现象；(7)相对于传统机构，螺杆挤出喷头成形喷嘴的出丝起停效果好。
(8)从结构上来说，该喷头具有结构紧凑，使用可靠，成本低廉、成形速度高的特点。
图1本发明螺杆挤压喷头装置结构原理图；图2热塑性颗粒体推杆送料机构示意图；图3为本发明挤压螺杆结构示意图；图4为本发明螺杆挤压喷头装置外形示意图；具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括控制电机1，联轴器2，连接板3，连接料筒4，上机筒6，下机筒7，挤压段温度传感器8，喷嘴9，计量段温度传感器10，下加热圈11，上加热圈12，蜗轮14，蜗杆15，蜗杆支座16，料斗17，转换接头18，推杆19，电磁铁20，连接支架21，料位检测传感器22，挤压螺杆23。其中，连接料筒4，料斗17，转换接头18，推杆19，电磁铁20，连接支架21和料位检测传感器22组成推杆送料机构；联轴器2，蜗轮14，蜗杆15和蜗杆支座16组成蜗轮蜗杆一级减速传动机构；上机筒6，下机筒7，喷嘴9和挤压螺杆23组成微型挤压螺杆喷头机构；挤压段温度传感器8，计量段温度传感器10，下加热圈11和上加热圈12组成温控加热机构。挤压螺杆23上段为安装部分，下段为螺旋部分。其中安装部分由连接轴25，上过渡轴26，圆螺母27，轴承13和轴肩28组成，轴承13通过圆螺母27固定在挤压螺杆23的轴肩28上；螺旋部分是根据热塑性材料挤出特性特别设计的三段式螺旋结构，由下过渡轴29，送料段30，挤压段31，计量段32和螺旋锥顶33组成。计量段32的螺旋底径大于送料段30的螺旋底径，送料段30的螺旋底径和计量段32的螺旋底径均保持不变，挤压段31的螺旋底径从送料段30到计量段32按底径均匀变化实现过渡连接。连接板3是一块右转90°方向放置的T型板，所有部件均以连接板3为基准进行直接或者间接安装。控制电机1安装在连接板3垂直板的右上侧，蜗杆15通过一对蜗杆支座16固定在连接板3的水平板上表面左侧，蜗杆15的轴线方向与控制电机1的轴芯一致，控制电机1的输出轴通过联轴器2与蜗杆15连接，安装时，蜗杆15与控制电机1输出轴的同轴度在φ0.03mm范围内。挤压螺杆23从上机筒6的顶端装入，中心开有圆孔的上机筒端盖套在挤压螺杆连接轴25上，连接轴25从上机筒端盖中心孔处伸出，通过上机筒端盖压紧轴承13使挤压螺杆23固定在上机筒6内，上机筒6顶端凸台的外表面嵌入到连接板3的水平板中部圆柱孔内，并用内六角螺钉24紧固连接，蜗轮14安装在连接轴25上，蜗轮14和蜗杆15通过动配合将动力传递给挤压螺杆23。下机筒7从挤压螺杆23底端螺旋锥顶33处套入，通过下机筒7顶端凸台用螺钉和上机筒6底面的凹槽连接定位。喷嘴9通过螺纹连接固定在下机筒7的下端，挤压螺杆23下端的螺旋锥顶33伸入喷嘴9的型腔内。上加热圈12安装在与挤压段31相对应的下机筒7的外表面，挤压段温度传感器8安装在与上加热圈中部对应的下机筒7壳体的盲孔内，用来检测挤压段31处的温度。下加热圈11安装在与计量段33相对应的下机筒7和喷嘴9的外表面，计量段温度传感器10安装在喷嘴9外表面的盲孔内，用来检测计量段33出口处热塑性熔融体的挤出温度。电磁铁20通过连接架21和控制电机1并列安装在连接板3垂直板的右上侧，转换接头18安装在连接板3的垂直板左侧水平板上表面，电磁铁20的轴芯穿过连接板3的垂直板同推杆19连接，推杆19伸入转换接头18的圆柱形腔内。料斗17固定在转换接头18的顶端，热塑性颗粒料5装在料斗17内，料位检测传感器22安装在料斗17的侧壁上，用于实时测定料位，当料位低于要求高度时，料斗17进行自动加料。转换接头18底部通过连接板3水平板上的圆柱孔同连接料筒4一端连通，连接料筒4另一端与挤压螺杆送料段30相对应的上机筒6侧面的斜孔相连通。推杆19可以在转换接头18内沿电磁铁20的轴芯方向往复运动，通过推杆19的转换连接作用将料斗17中的热塑性颗粒料5通过连接料筒4按控制指令送入挤压螺杆23的螺槽内。该装置通过连接板3的垂直板下半部与工作台固定安装。
该装置的具体工作过程是，开始工作前，料斗17进行自动加料。工作时，料斗17底部的热塑性颗粒料5在重力作用下堆积在推杆19的凹槽内，电磁铁20通电，驱动推杆19向前运动，当推杆19的轴肩同转换接头18的侧面接触时，推杆19受阻停止运动，推杆19的凹槽正好运动到连接料筒4的入口处，滞留在凹槽内内的热塑性颗粒料5在重力作用下进入连接料筒4内。通过控制电磁铁20的通电断电时间间隔，可以调节热塑性颗粒料5的进给量。
进入连接料筒4的热塑性颗粒料5沿连接料筒4的筒壁自动滑入挤压螺杆送料段30的螺槽内，在螺旋挤压力的作用下，沿螺槽向下运动，在挤压螺杆挤压段31内被压缩并向下输送，在上加热圈12和下加热圈11共同加热作用下，逐渐软化，半熔融，熔融，经过螺杆计量段32的充分混合搅拌作用，最后熔融均匀的聚合物从喷嘴9被定量挤出。一般情况下，为了形成稳定可靠的挤出压力，挤压段31处的温度较计量段32处的挤出温度要低30～40℃。
挤压螺杆23的传动是采用小模数大传动比的蜗轮蜗杆一级减速机构，控制电机1的动力经联轴器2，蜗轮14蜗杆15，传递到挤压螺杆23上，喷头挤出速度的大小是通过控制电机1的转速来实现的。
挤压螺杆23采用40Cr材料调制处理，外径为12～15mm，等螺距，螺旋角为14°～18°，送料段30的长度为32～38mm，压缩段31的长度为45～51mm，计量段32长度38～45mm，螺槽深度为1.5～3.5mm，表面粗糙度为Ra0.4～0.8。
上机筒5和下机筒6采用45钢调制处理，上机筒5长度为65～75mm，下机筒6长度为105～115mm。
控制电机1采用U2M057型步进电机，上加热圈12和下加热圈11均采用铸铜加热器，挤压段温度传感器8和计量段温度传感器10采用Pt100热电阻，喷嘴9采用黄铜材料制造，喷嘴出口直径为0.3mm。
推杆19采用LY12型铝合金材料，直径为8～12mm，电磁铁20型号为SDO-1240S-12A14.4。
权利要求
1.一种热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，包括控制电机(1)，联轴器(2)，喷嘴(9)，轴承(13)，螺杆支座(16)，挤压螺杆(23)，其特征在于还包括连接板(3)，连接料筒(4)，上机筒(6)，下机筒(7)，挤压段温度传感器(8)，计量段温度传感器(10)，下加热圈(11)，上加热圈(12)，蜗轮(14)，蜗杆(15)，料斗(17)，转换接头(18)，推杆(19)，电磁铁(20)，连接支架(21)和料位检测传感器(22)，挤压螺杆(23)上段为安装部分，下段为螺旋部分，其中安装部分由连接轴(25)，上过渡轴(26)，圆螺母(27)，轴承(13)和轴肩(28)组成；螺旋部分是由下过渡轴(29)，送料段(30)，挤压段(31)，计量段(32)和螺旋锥顶(33)组成，连接板(3)是一块右转90°方向放置的T型板，所有部件均以连接板(3)为基准进行直接或者间接安装，控制电机(1)安装在连接板(3)垂直板的右上侧，蜗杆(15)通过一对蜗杆支座(16)固定在连接板(3)的水平板上表面左侧，蜗杆(15)的轴线方向与控制电机(1)的轴芯一致，控制电机(1)的输出轴通过联轴器(2)与蜗杆(15)连接，轴承(13)通过圆螺母(27)固定在挤压螺杆(23)的轴肩(28)上，挤压螺杆(23)从上机筒(6)的顶端装入，中心开有圆孔的上机筒端盖套在挤压螺杆连接轴(25)上，连接轴(25)从上机筒端盖中心孔处伸出，通过上机筒端盖压紧轴承(13)使挤压螺杆(23)固定在上机筒(6)内，上机筒(6)顶端凸台的外表面嵌入到连接板(3)的水平板中部圆柱孔内并用内六角螺钉(24)紧固连接，蜗轮(14)安装在连接轴(25)上，下机筒(7)从挤压螺杆(23)底端螺旋锥顶(33)处套入，通过下机筒(7)顶端凸台用螺钉和上机筒(6)底面的凹槽连接定位，喷嘴(9)通过螺纹连接固定在下机筒(7)的下端，挤压螺杆(23)下端的螺旋锥顶(33)伸入喷嘴(9)的型腔内，上加热圈(12)安装在与挤压段(31)相对应的下机筒(7)的外表面，挤压段温度传感器(8)安装在与上加热圈中部对应的下机筒(7)壳体的盲孔内，下加热圈(11)安装在与计量段(33)相对应的下机筒(7)和喷嘴(9)的外表面，计量段温度传感器(10)安装在喷嘴(9)外表面的盲孔内，电磁铁(20)通过连接架(21)和控制电机(1)并列安装在连接板(3)垂直板的右上侧，转换接头(18)安装在连接板(3)垂直板左侧的水平板上表面，电磁铁(20)的轴芯穿过连接板(3)的垂直板同推杆(19)连接，推杆(19)伸入转换接头(18)的圆柱形腔内，料斗(17)固定在转换接头(18)的顶端，热塑性颗粒料(5)装在料斗(17)内，料位检测传感器(22)安装在料斗(17)的侧壁上，转换接头(18)底部通过连接板(3)水平板上的圆柱孔同连接料筒(4)一端连通，连接料筒(4)另一端与挤压螺杆送料段(30)相对应的上机筒(6)侧面的斜孔相连通，推杆(19)可以在转换接头(18)内沿电磁铁(20)的轴芯方向往复运动，该装置通过连接板(3)的垂直板下半部与工作台固定安装。
2.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的挤压螺杆(23)的螺旋部分是根据热塑性材料挤出特性特别设计的三段式结构，计量段(32)的螺旋底径大于送料段(30)的螺旋底径，送料段(30)的螺旋底径和计量段(32)的螺旋底径均保持不变，挤压段(31)的螺旋底径从送料段(30)到计量段(32)按底径均匀变化实现过渡连接。
3.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的挤压螺杆(23)的传动是采用小模数大传动比的蜗轮蜗杆一级减速传动机构，控制电机(1)的动力经联轴器(2)，蜗轮(14)，蜗杆(15)，传递到挤压螺杆(23)上，喷头挤出速度的大小是通过控制电机(1)的转速来实现。
4.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的挤压螺杆(23)是采用40Cr材料调制处理，外径为12～15mm，等螺距，螺旋角为14°～18°，送料段(30)的长度为32～38mm，压缩段(31)的长度为45～51mm，计量段(32)长度38～45mm，螺槽深度为1.5～3.5mm，表面粗糙度为Ra0.4～0.8。
5.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的上机筒(5)和下机筒(6)是采用45钢调制处理，上机筒(5)长度为65～75mm，下机筒(6)长度为105～115mm。
6.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的控制电机(1)是采用U2M057型步进电机，上加热圈(12)和下加热圈(11)均采用铸铜加热器，挤压段温度传感器(8)和计量段温度传感器(10)均采用Pt100热电阻，喷嘴(9)采用黄铜材料制造，喷嘴出口直径为0.3mm。
7.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的推杆(19)是采用LY12型铝合金材料，直径为8～12mm，电磁铁(20)型号为SDO-1240S-12A14.4。
8.根据权利要求1所述的热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，其特征是所述的蜗杆(15)与控制电机(1)输出轴的同轴度在φ0.03mm范围内。
全文摘要
热塑性颗粒体材料的快速成形螺杆挤压喷头装置，属于机械加工领域中快速成形熔融挤压堆积技术，包括推杆送料机构，蜗轮蜗杆一级减速传动机构，微型挤压螺杆喷头机构和温控加热机构。推杆送料机构由电磁铁、推杆和转换接头三个主要部件组成，靠推杆凹槽在料斗和连接料筒之间往复连通作用，实现颗粒体的间歇送料；采用小模数大传动比的蜗轮蜗杆传动机构，可使喷头装置的结构更紧凑；具有特殊结构的三段式微型挤压螺杆能够实现送料，压缩，熔融和稳定挤出的工艺过程；温控和加热部分用于对颗粒体的加热并保持熔融温度的稳定。该装置能够有效地降低材料成本，提高原型制作速度，减小流涎，是一种理想的熔融挤压堆积成形的喷头装置。
文档编号B29C47/66GK1586865SQ20041006714
公开日2005年3月2日 申请日期2004年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者王天明, 习俊通, 金烨 申请人:上海交通大学