一种3D打印机的计量挤出装置的制作方法

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种高精度3D打印用计量挤出装置、算法及大型3D打印机，该大型3D打印机指的是工业级3D打印机，用以与桌面级3D打印机相区别，此外，该算法是一种3D打印物料计量挤出算法。

背景技术：

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。

现有技术的3D打印机中的计量挤出装置采用辊轮或齿轮啮合驱动，辊轮装置的输出比较均勾，主要用于线材的打印，因此选材范围比较狭窄，过硬过软以及脆性的材料都不能使用，而且其驱动力是靠辊轮与线材之间的摩擦力，很容易打滑导致输出不精确，而齿轮啮合输送融化的浆料的方式，是利用齿轮间隙一份一份的输送材料的，输出的量是呈周期性变化的，使得3D打印机无法精确控制浆料的打印量，在计量挤出装置不精确的情况下，无法喷出精确外径的浆料。

技术实现要素：

本申请提供一种挤压出的浆料量为恒定值的计量挤出装置。

一种实施例中提供一种高精度3D打印用计量挤出装置，其包括：

轮轴，其包括转轴和至少两个偏心轮，在转轴轴向上，至少两个偏心轮等偏心距且均勾分布在转轴上；

机箱，其设有若干个用于容置偏心轮的腔体；机箱设有总进料孔和总出料孔，若干个腔体分别设有与总进料孔连通的分进料孔和与总出料孔连通的分出料孔；偏心轮内切于腔体内，偏心轮与腔体形成挤压腔；

以及至少两个隔离机构，其包括隔板和伸缩件，隔板通过伸缩件可移动地安装在机箱的腔体内，隔板设置在分进料孔和分出料孔之间，在伸缩件的作用下，隔板始终与偏心轮接触，将分进料孔和分出料孔隔离。

优选的，轮轴包括四个偏心轮，四个偏心轮中任一个偏心轮中心点到转轴中轴线的垂直线与其他三个偏心轮中心点到转轴中轴线的垂直线的夹角分别为90°、180°和270°。

优选的，相邻两个偏心轮中心点到转轴中轴线的垂直线的夹角为90°。

优选的，机箱包括上盖和下盖，上盖和下盖固定在一起，上盖和下盖围合成若干个用于容置偏心轮的腔体。

优选的，上盖设有总进料孔、总出料孔、分进料孔和分出料孔，上盖在进料孔和出料孔之间设有用于容置隔离机构的凹槽，隔板通过伸缩件固定在凹槽内，在伸缩件的挤压下，隔板始终与偏心轮接触。

优选的，伸缩件为弹簧，隔板设有用于安装伸缩件的凹槽或凸条。

本发明的有益效果：依据上述实施例的用于高精度3D打印用计量挤出装置，由于计量挤出装置的机箱内设有若干个腔体，腔体内分别内切有偏心轮，从转轴轴向上看，至少两个偏心轮均勾分布在转轴上，每个偏心轮挤出的浆料量相互弥补，减小了总挤出的浆料总量波动，使得计量挤出装置可对流量输出做更加精确的控制，满足高精度的3D打印。

附图说明

图1为一种实施例高精度3D打印用计量挤出装置的爆炸结构示意图；

图2为一种实施例高精度3D打印用计量挤出装置的爆炸结构示意图；

图3为一种实施例高精度3D打印用计量挤出装置的截面剖视图；

图4为一种实施例高精度3D打印用计量挤出装置的挤出原理图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种高精度3D打印用计量挤出装置，该计量挤出装置用于驱动3D打印机融化物料的打印，在FDM三维打印系统中驱动熔融态物料的打印。本计量挤出装置也可用于其他设备的送料。

如图1和图2所示，本实施例提供一种高精度3D打印用计量挤出装置，其包括轮轴1、机箱2和四个隔离机构3。轮轴1和隔离机构3分别安装机箱2上。

优选的，轮轴1包括转轴11和四个偏心轮12，四个偏心轮12的大小一致，即直径和厚度均相等。四个偏心轮12等间距设置在转轴11上，从转轴11的轴向上看，四个偏心轮12等偏心距且均勾分布在转轴11上。转轴11和四个偏心轮12为一体式结构，通过磨削加工而成，需要指出的是，转轴11和偏心轮12也可以是分体结构，如可拆卸连接，这取决于具体的加工工艺。相邻两个偏心轮12中心点到转轴11中轴线的垂直线的夹角为90°，且任一个偏心轮12中心点到转轴11中轴线的垂直线与其他三个偏心轮12中心点到转轴11中轴线的垂直线的夹角为90°、180°和270°，四个偏心轮12均匀分别在旋转圆周上，四个偏心轮12在转轴11上的排列顺序可任意调换。在其他实施例中轮轴1上可设置任意4的倍数量的偏心轮。更为拓展而言，轮轴1上包括至少两个偏心轮12，这些偏心轮12在圆周方向上顺时针或者逆时针排列，其相互的夹角为任意一给定值；如轮轴1上设置2个或3个偏心轮12。

还是以轮轴1上设置4个偏心轮为例进行进一步的阐述，机箱2包括上盖21和下盖22，上盖21通过螺钉固定在下盖22上。上盖21和下盖22围合成用于安装及容置轮轴1的四个腔体23，四个偏心轮12与四个偏心轮12对应的设置，四个腔体23沿直线等距排列。

上盖21上设有总进料孔211和总出料孔212。总进料孔211一端与给料装置连接，另一端通过四个分进料孔213分别与四个腔体23连通，用于将融化的浆料导入腔体23中。总出料孔212一端与喷嘴装置连接，另一端通过四个分出料孔214分别与四个腔体23连通，用于将融化的浆料挤送到喷嘴装置中，实现送料。优选的，上盖21上的总进料孔211和总出料孔212孔径相等对称设置，且分进料孔213与分出料孔214孔径相等对称设置，孔径相等保证了进出量平稳导通，对称设置有利于模具或加工生产，降低生产成本。当然，更为广泛而言，分进料孔213与分出料孔214并不一定呈孔径相等对称设置状，有可能是孔径不等且非对称设置；同理，总进料孔211和总出料孔212也有可能是孔径不等且非对称设置。

上盖21上还设有安装隔离机构3的四个凹槽215，凹槽215位于分进料孔213与分出料孔214的中间，并与圆柱形腔体231连通，四个凹槽215在四个圆柱形腔体231内的位置是一致的。在其他实施例中，为了安装隔离机构3，上盖21上设有通槽，并配合封盖将隔离机构3安装在通槽内，封盖和通槽组合成本实施例的凹槽215结构。

如图3所示，安装时，轮轴1的转轴11安装在机箱2的上盖21和下盖22上，转轴11两端通过轴承可旋转安装。转轴11的一端穿出机箱2与外界驱动装置的输出端连接，如与电机的输出轴相连，或者与驱动装置的减速机构相连。

四个偏心轮12轮分别容置于四个腔体23内，并偏心轮12与腔体23始终保持内切接触，偏心轮12的厚度略小于圆柱形腔体231的宽度，使得偏心轮12在腔体23内形成挤压腔。

隔离机构3包括隔板31和伸缩件32。优选的，伸缩件32为弹簧，隔板31通过弹簧可移动地固定在凹槽215上，隔板31部分伸入腔体23内与偏心轮12接触，并隔板31与凹槽215没有间隙。偏心轮12在做偏心转动过程中，在弹簧的弹性挤压作用下，隔板31始终与偏心轮12接触，使得隔板31将偏心轮12在腔体23内形成挤压腔分隔成进料腔和出料腔，进料腔和出料腔的空间大小交替变换，实现挤料。

优选的，为了方便隔板31的安装，在隔板31上设有凹槽或凸条，隔板31通过凹槽或凸条与弹簧连接。

本实施例提供的高精度3D打印用计量挤出装置，由于计量挤出装置的机箱2内设有四个腔体23，四个腔体23内分别内切有偏心轮12，且一个偏心轮12中心点到转轴11中轴线的垂直线与其他三个偏心轮12中心点到转轴11中轴线的垂直线的夹角分别为90°、180°和270°，即，在转轴11轴向上，四个偏心轮12均匀分布在转轴上，四个偏心轮12在匀速驱动的单位时间内挤出的物料总量是恒定的，使得计量挤出装置可对流量输出做精确控制，满足高精度的3D打印。

在其他实施例中，总进料孔211、总出料孔212、分进料孔213、分出料孔214和隔离机构3设置在下盖22上，同样能够实现物料的导入及挤出。

一个计量挤出装置的总出料孔可连接多个喷嘴装置，或一个计量挤出装置对应一个喷嘴装置，计量挤出装置的数量可根据实际需求设置。装有上述计量挤出装置的3D打印机，可通过控制器控制计量挤出装置的转动送料，控制器控制计量挤出装置的转速和挤料时间，便可精确的控制输出物料的量，满足高精度打印。本发明中所述的控制器是MCU控制器。

四个偏心轮相互弥补，使得共同挤出的浆料在任意时刻为恒定值的原理如下：

如图4所示，大圆圆形为A，小圆圆形为B，大圆固定不动，小圆以A点为中心进行旋转，做偏心运动。C点为小圆对称轴与大圆对称轴交叉角度为P的时候，大圆对称轴与小圆的交点。AB的长为偏心距。直线CD处为隔离装置，将两边分隔开。

计算过程：

设大圆半径为R，小圆半径为r，角P的值为alfa(弧度)，角N的值为beta则挤出区域瞬时面积表达式为：

S＝大圆面积-小圆面积-CDE三个点包围的面积

CDE三个点包围的面积＝扇形ADE-扇形BCE-三角形ABC

所以：

S＝大圆面积-小圆面积-(扇形ADE-扇形BCE-三角形ABC)

即：

s＝(pi*R*R-pi*r*r)-(alfa/(2*pi)*pi*R*R-(alfa+beta)/(2*pi)*pi*r*r-0.5*(R-r)*r*sin(alfa+beta))；(方程1)

通过正弦定理可得alfa与beta的关系beta＝asin((R-r)/r*sin(alfa))；(方程2)

联立方程1与2，消除beta。可得S相对于alfa为自变量的函数F(alfa)，R与r为常数。

即：S＝F(alfa)取值范围：[0，2*PI]

这个函数代表了挤出腔内面积与角度alfa的对应关系对这个一元函数求导，Sd＝F’(alfa)取值范围：[0，2*PI]

这个函数代表了挤出腔内面积变化速度与角度alfa的对应关系，也就是流体的流速与alfa的函数关系。

使用四个同样的装置，每个装置的初始角度分别为：0,PI/2,PI，3pi/2也就是流体的流速与alfa的函数分别为：

Sd＝F’(alfa)；

Sdl＝F’(alfa+pi/2)；

Sd2＝F’(alfa+pi)；

Sd3＝F’(alfa+3*pi/2)；

则四个的合成速度为：

Final_Sum＝F’(alfa)+F’(alfa+pi/2)+F’(alfa+pi)+F’(alfa+3*pi/2)；

以圆半径参数，进过计算，此时SUM＝2*r^2-2*R^2

当大小圆半径确定的时候，SUM为一常量，故挤出的浆料在任意时刻为恒定值。

公式的详细计算过程推导如下：beta＝asin((R-r)/r*sin(alfa))；

s＝(pi*R*R-pi*r*r)-(alfa/(2*pi)*pi*R*R-(alfa+beta)/(2*pi)*pi*r*r-0.5*(R-r)*r*sin(alfa+beta))；

sd＝r^2*((cos(alfa)*(R-r))/(2*r*(l-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(l/2))+1/2)-R^2/2+r*cos(alfa+asin((sin(alfa)*(R-r))/r))*((cos(alfa)*(R-r))/(r*(l-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(l/2))+l)*(R/2-r/2)；

sdl＝r^2*((cos(pi/2+alfa)*(R-r))/(2*r*(-(sin(pi/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+l)^(l/2))+l/2)-R^2/2+r*cos(pi/2+alfa+asin((sin(pi/2+alfa)*(R-r))/r))*(R/2-r/2)*((cos(pi/2+alfa)*(R-r))/(r*(-(sin(pi/2+alfa)A2*(R-r)A2)/rA2+l)A(l/2))+1)；

sd2＝r*cos(asin((sin(alfa)*(R-r))/r)-alfa)*((cos(alfa)*(R-r))/(r*(l-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)A(l/2))-l)*(R/2-r/2)–R^2/2–r^2*((cos(alfa)*(R-r))/(2*r*(l-(sin(alfa)^2*(R-r)^2)/r^2)^(l/2))-1/2)；

sd3＝r^2*((cos((3*pi)/2+alfa)*(R-r))/(2*r*(-(sin((3*pi)/2+alfa)^2*(R-r)^2)/r^2+l)^(l/2))+1/2)–R^2/2+r*cos((3*pi)/2+alfa+asin((sin((3*pi)/2+alfa)*(R-r))/r))*(R/2-r/2)*((cos((3*pi)/2+alfa)*(R-r))/(r*(-(sin((3*pi)/2+alfa)^2*(R-r)^2)/rA2+l)A(l/2))+1)；

sum_halfl＝sd+sd2＝-2*(R-r)*(R-R*cos(alfa)^2+r*cos(alfa)^2)

sum_half2＝sdl+sd3＝-2*(R-r)*(R+r*sin(alfa)^2-R*sin(alfa)^2)

final sum＝sum halfl+sum half2＝2*rA2-2*R^2。

由于本发明采用了四个互补偏心轮，四个互补偏心轮的理论挤出量在任意时刻为恒定值，通过严格的控制体积，可以精确的控制流量。FDM三维打印时，特别是在工业级3D打印时，可采用多种物料，如常见的注塑材料都可以使用，如金属材料、陶瓷材料、玻璃材料、塑胶材料等，有些材料在熔融态属于非线性流体，在受到压力时，其体积有会发生变化，在温度变化时，其体积也会发生明显变化。在计量挤出时，熔融态物料的温度不发生明显波动，通过严格控制挤出的体积，可以严格控制挤出量。

还需要进一步的指出，本发明的隔板的下末端还可以是小滚轮，或者滚动轴承，用以降低隔离机构与偏心轮之间的摩擦力，同时又不影响隔离机构对偏心轮施加的预紧力。

此外，本发明的伸缩件还可以是配重块，通过重力对偏心轮施加预紧力，使偏心轮与腔体始终保持线接触。

本发明所述的大型3D打印机指的是工业级3D打印机，可以实现对大尺寸产品的1:1打印，而不是采用其他工业级3D打印机的缩小比例的方式进行3D打印，采用等比例3D打印产品，打印出的产品可以直接被运用到特定的场合。

本发明通过提供一种高精度的计量挤出装置，用以精确的控制3D打印的物料供应，有利于实现高精度的3D打印。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。