一种带搅拌和防堵功能的螺杆挤压变精度增材制造设备的制作方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种带搅拌和防堵功能的螺杆挤压变精度增材制造设备。

背景技术：

近年来，增材制造技术凸显井喷式发展，各种形式的3d打印设备相继推出。但是，降低成本和提高精度，仍然是增材制造走向广泛应用的一大限制。金属激光选区烧结(slm)、电子束熔化成型(ebm)或近净成形(nnsf)对原材料有着较高的指标要求，成本居高不下，同时，成形效率与成形精度存在本质矛盾。工程塑料、建筑材料、含能材料、金属浆料、陶瓷浆料等材料的增材制造往往通过采用工艺熔融沉积制造(fdm)，气动或液压驱动挤压出料，或采用螺杆挤压出料。但是fdm一般采用丝材，对原材料需要进行一定的限制性加工。挤压出料方式，对材料的流动性或流散性等的要求仍然比较高，容易出现堵塞而导致物料输送不成功或不均匀。因此，提供一种能够改进现有技术缺陷的增材制造设备成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明正是基于传统增材制造效率较低、材料成本较高等问题，提出一种带搅拌和防堵功能的螺杆挤压变精度增材制造设备，可成形工程塑料、建筑材料、高粘度含能材料、金属浆料、陶瓷浆料等。

本发明提供一种增材制造设备，所述设备包括三维移动台和挤出单元，所述挤出单元设置在所述三维移动台上；

所述挤出单元包括第一电机、齿轮箱、储料仓、搅拌部、螺杆、火箭头、机筒和出料嘴组成；所述第一电机与所述齿轮箱连接(例如通过联轴器连接)，所述齿轮箱的底部与所述储料仓的端部连接，所述储料仓内设置搅拌部；

所述螺杆包括固定部和螺纹部，所述螺杆穿过所述储料仓和机筒，所述螺杆的一端通过所述固定部与所述搅拌部连接，所述螺杆的另一端通过所述螺纹部与所述火箭头连接，所述齿轮箱的输出轴与所述固定部连接；

所述储料仓的底部与所述机筒的端部连接，所述机筒的底部与所述出料嘴连接。

根据本发明的设备，所述螺纹部可以同时穿过所述储料仓和机筒，或者所述螺纹部可以单独穿过机筒。例如，所述固定部与部分螺纹部伸入所述储料仓内，另一部分螺纹部与所述火箭头设置在所述机筒内部。

根据本发明的设备，所述储料仓包括储料仓盖板和储料仓仓体，所述储料仓盖板上设置第一开孔。所述齿轮箱的输出轴可以穿过所述第一开孔，与链接有搅拌部的固定部连接。进一步地，所述储料仓盖板上还可以设置第二开孔，通过第二开孔与外置储料仓连接，以保证储料仓内物料充足，进而以实现连续进料。

根据本发明的设备，所述搅拌部固定在所述固定部上。优选地，所述搅拌部包括套接环和设置在所述套接环上的搅拌杆。其中，所述搅拌杆的数量至少为2个，并处于圆周均布状态。进一步地，所述套接环的尺寸与所述固定部的尺寸相匹配。进一步地，所述搅拌杆的形状与所述储料仓仓体的形状保持一致，目的是使搅拌杆能够实现储料仓内物料的充分混合。例如，当所述储料仓仓体为锥形体时，所述搅拌杆的形状为折线形，其弯折角度优选与储料仓仓体的侧边与水平面的夹角保持一致。优选地，所述第一开孔与所述套接环、所述固定部的尺寸相匹配。

根据本发明的设备，所述齿轮箱的输出轴与所述固定部的连接方式可以为本领域已知的连接方法，例如螺纹连接、卡接等。

根据本发明的设备，根据需要，所述螺杆的内部设置顶针，所述顶针尖端贯穿所述火箭头，顶针可以通过结构设计或电磁伸缩等方式实现上下可控移动，从而推动物料挤出出料嘴，在高精度、高粘度材料打印场合，可以起到促进物料输送的作用。

优选地，本发明提供一种结构设计方案，但不限于此方法，即所述顶针的粗端固定在所述齿轮箱上，顶针随螺杆转动而上下移动。例如，所述顶针包括顶针本体、第一导轴、第二导轴、凸轮座和弹簧；

所述顶针本体的粗端的径向方向设置通孔，所述第一导轴和第二导轴通过所述通孔与所述顶针本体实配，所述第一导轴固定在所述齿轮箱的箱盖的导槽上；齿轮箱盖导槽限制第一导轴使得其不沿螺杆做圆周运动，从而防止顶针做圆周运动，只能上下运动；

所述凸轮座设置在所述第一导轴和所述第二导轴之间，凸轮座随螺杆做同步圆周运动；

所述弹簧设置在所述凸轮座和所述第二导轴之间，确保第一导轴的下方与凸轮座上的凸轮曲面接触配合。

根据本发明的设备，所述挤出单元还可以包括加热装置，所述加热装置设置在所述机筒的外部。优选地，为实现机筒内物料加热的均匀性，所述加热装置环绕在所述机筒的外部。进一步地，所述机筒外壁上设置测温孔。加热装置和测温孔的设置，可以满足物料需要加热的情况。

根据本发明的设备，所述挤出单元还可以包括振动装置，所述振动装置设置在所述机筒的外部；优选地，所述振动装置环绕在所述机筒的外部。其中，所述振动装置可以选用本领域已知的振动装置，例如超声振动、气动振动等装置。振动装置的设置适用于高粘度物料打印的情况。

根据本发明的设备，本领域技术人员可以根据需要，设置挤出单元的数量，例如挤出单元可以设置1个、2个、3个或更多个。本领域技术人员也可以根据需要，选择出料嘴的规格，例如阵列出料嘴或单个独立的出料嘴。多个挤出单元或采用阵列出料嘴可以提高成形效率，实现物料高效铺放成形。出料嘴的出料孔径可根据打印精度要求进行更换。

根据本发明的设备，所述火箭头上设置有变螺距螺纹，且所述火箭头的中心与所述螺杆的中心重合。进一步地，所述火箭头的锥度角与所述出料嘴的锥度角一致，二者贴合工作。进一步地，所述火箭头内部可以设置通孔，便于顶针的尖端穿过。

根据本发明的设备，所述螺纹部与所述火箭头的连接方式可以为本领域常规连接方式，优选为螺纹连接，例如，所述火箭头通过反牙螺纹与所述螺杆的螺纹部连接。

根据本发明的设备，所述三维移动台中可以选用本领域已知的能够实现所述挤出单元三维移动的结构，例如丝杆导轨结构、机器手结构等。例如，所述三维移动台包括第二电机、联轴器、丝杆、导轨和载物架，所述第二电机通过联轴器与丝杆连接，所述丝杆与载物架连接，载物架与导轨连接。通过第二电机驱动，可以实现载物架的三维移动。例如，所述丝杆和导轨的数量可以设置至少2组、3组、4组或更多组。其中，所述第一电机与所述第二电机可以相同或不同。

根据本发明的设备，所述设备还可以包括机架，所述机架上设置有所述三维移动台。

根据本发明的设备，所述设备还可以包括打印平台，所述打印平台设置在所述挤出单元的下方，所述打印平台放置在所述机架的上方。

根据本发明的设备，所述设备还可以包括微电脑控制端，所述微电脑控制端设置在所述机架上，所述微电脑控制端与所述三维移动台和所述挤出单元电连接，通过程序控制实现挤出单元的运动作业。进一步地，所述微电脑控制端还可以与所述加热装置和超声装置电连接。

本发明设备中，挤出单元固定在三维移动台上，三维移动台和微电脑控制端固定在机架上。打印平台固定在机架上，挤出单元挤出的物料在打印平台上定形，层层堆叠实现增材制造。在数字化切片模型的驱动下，通过微电脑控制端，控制三维移动台载物架的运动，带动挤出单元运动。挤出单元上第一电机转动实现对颗粒物料的搅拌，并促进颗粒物料快速进入机筒。在螺杆的转动挤压下实现物料输送，并通过加热器把物料加热至熔融状态，在螺杆转动挤压下，熔融物料挤出出料嘴，特殊地，在粘性物料输送的场合，附加振动激励驱动，提高物料输送的稳定性与平稳性。

根据本发明的设备，所述物料可以是高分子材料(如工程塑料、高分子浆料；甚至具体可以为工程塑料中的颗粒废料)、金属浆料、陶瓷浆料、建筑用混泥土等。

本发明的有益效果：

本发明提供的增材制造设备，挤出单元储料仓内带有搅拌杆，可驱动实现物料快速干净地进入机筒内。同时，根据实际需要，螺杆内部可带有顶针，可通过顶针推动物料挤出出料嘴，尤其是在高精度场合，出料嘴较小的情况下，顶针可以有效防止物料阻塞。带变螺距螺纹的火箭头，由于可以在出料嘴端部产生物料挤出驱动力，在高精度和高粘度物料打印场合具有良好的优势，以解决传统螺杆挤出机构容易堵塞和难以实现高精度打印的问题。通过挤出头出料嘴尺寸的变化，可实现变精度增材打印。通过布置阵列或多个独立挤出单元可实现高效精准成形。

该设备解决了传统增材制造效率较低、材料成本较高等问题，且可成形工程塑料、建筑材料、高粘度含能材料、金属浆料、陶瓷浆料等多种材料。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的增材制造设备的三维结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的增材制造设备中挤出单元的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的增材制造设备中挤出单元的内部结构示意图。

图4为本发明实施例1提供的增材制造设备中挤出单元的内部结构中带顶针螺杆结构示意图。

附图标记：1、三维移动台，2、挤出单元，3、机架，4、打印平台，2-1、第一电机，2-2、齿轮箱，2-3、储料仓，2-3-1、储料仓盖板，2-3-2、储料仓仓体，2-3-3、第一开孔，2-4、搅拌部，2-4-1、套接环，2-4-2、搅拌杆，2-5、螺杆，2-5-1、固定部，2-5-2、螺纹部，2-5-3、顶针，2-5-31、顶针本体，2-5-32、第一导轴，2-5-33、第二导轴，2-5-34、凸轮座，2-5-35、弹簧，2-6、火箭头，2-7、机筒，2-8、测温孔，2-9、加热装置，2-10、出料嘴。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

如图1所示的增材制造设备，其包括：三维移动台1，两个挤出单元2，机架3，打印平台4，机架3上固定有三维移动台1，挤出单元2固定在三维移动台1上，打印平台4放于在挤出单元2的下方，打印平台4固定在机架3的上方。三维移动台选用已知的丝杆导轨结构，其由四组第二电机、联轴器、丝杆、导轨和载物架组成，第二电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆与载物架连接，载物台与导轨连接。通过第二电机驱动，可以实现载物架的三维移动，三维移动台1的运动空间尺寸为：300×400×200mm，打印平台的尺寸为300×350mm。

如图2和图3所示，挤出单元2包括第一电机2-1、齿轮箱2-2、储料仓2-3、搅拌部2-4、螺杆2-5、火箭头2-6、机筒2-7和出料嘴2-10组成；第一电机2-1通过联轴器与齿轮箱2-2连接，齿轮箱2-2的底部与储料仓2-3的端部连接，储料仓2-3内设置搅拌部2-4，螺杆2-5包括固定部2-5-1和螺纹部2-5-2和设置在螺纹部2-5-2内部的顶针2-5-3，齿轮箱2-2的输出轴与固定部2-5-1连接，固定部2-5-1和部分的螺纹部伸入储料仓2-3内。搅拌部2-4由套接环2-4-1和固定在套接环2-4-1上的搅拌杆2-4-2组成，套接环2-4-1的尺寸与固定部2-5-1的尺寸相匹配，搅拌部2-4通过套接环2-4-1套接在固定部2-5-1上。储料仓2-3包括储料仓盖板2-3-1和锥形的储料仓仓体2-3-2，储料仓盖板2-3-1上设置第一开孔2-3-3，搅拌杆2-4-2的形状为折线形，其弯折角度与储料仓仓体2-3-2的侧边与水平面的夹角保持一致，使搅拌杆能够实现储料仓内物料的充分混合。

螺杆2-5的螺纹部2-5-2与火箭头2-6通过反牙螺纹连接，部分的螺纹部2-5-2与火箭头2-6安装在机筒2-7内部。火箭头2-6上设置有变螺距螺纹，且火箭头2-6的中心与螺杆2-5的中心重合，火箭头2-6的锥度角与出料嘴2-10的锥度角一致，二者贴合工作，实现物料收缩段的挤压出料。储料仓2-3的底部与机筒2-7的端部连接，机筒2-7的底部与出料嘴2-10通过螺纹连接。

螺杆2-5内部设有顶针2-5-3，顶针2-5-3由顶针本体2-5-31、第一导轴2-5-32、第二导轴2-5-33、凸轮座2-5-34和弹簧2-5-35组成；顶针本体2-5-31的粗端的径向方向设置通孔，第一导轴2-5-32和第二导轴2-5-33通过通孔与顶针本体2-5-31实配，第一导轴2-5-32固定在齿轮箱2-2的箱盖的导槽上；齿轮箱盖导槽限制第一导轴使得其不沿螺杆做圆周运动，从而防止顶针做圆周运动，只能上下运动；凸轮座2-5-34设置在第一导轴2-5-32和第二导轴2-5-33之间，凸轮座随螺杆做同步圆周运动；弹簧2-5-35设置在凸轮座2-5-34和第二导轴2-5-33之间，确保第一导轴下方与凸轮座上的凸轮曲面接触配合。

挤出单元2还包括加热装置2-9，加热装置2-9环绕设置在机筒2-7的外部，以满足物料加热的需求。

该设备还包括微电脑控制端(图1中未示出)，微电脑控制端设置在机架上，微电脑控制端与三维移动台和挤出单元电连接，通过程序控制实现挤出单元的运动作业。

本实施例提供的增材打印设备，在数字化切片模型的驱动下，通过微电脑控制端，控制三维移动台载物架的运动，带动挤出单元运动。挤出单元上电机转动，带动螺杆的转动，一方面通过搅拌杆实现对储料仓内高粘颗粒物料的搅拌，另一方面在螺杆的转动挤压下实现物料输送，促进颗粒物料快速进入机筒。带变螺距螺纹的火箭头可以实现物料收缩段的挤压出料。螺杆内部带有顶针，可通过顶针推动物料挤出出料嘴，尤其是在高精度场合，出料嘴较小的情况下，顶针可以有效防止物料阻塞。机筒外部加热装置将物料加热至熔融状态，在螺杆挤压下，物料挤出机筒，并在打印平台上定形固化，并层层堆叠实现增材制造。

实施例2

与实施例1不同的是，将加热装置替换为超声振动装置，且不设置测温孔。机筒外部带有超声振动装置，可基于超声的减摩效应促进高粘物料输送。本实施例提供的设备适用于高粘物料的输送。

实施例3

与实施例1不同的是，储料仓盖板上还设置第二开孔，通过第二开孔与外置储料仓连接，保证储料仓内物料充足，以实现连续进料。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。