[發明專利]熔融擠出裝置、3D打印機、3D打印機控制方法及應用

在審

• 申請號: 202011206514.4
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112406099A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 魏青松;南亞琪;孫殷昊;李繼康;馮琨皓;李遼毅;曹子怡
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/209;B29C64/295;B29C64/232;B29C64/236;B29C64/336;B29C64/343;B29C64/314;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y40/10;B33Y50/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明公開了熔融擠出裝置、3D打印機、3D打印機控制方法及應用。所述熔融擠出裝置，用于3D打印機的原料熔融擠出，該熔融擠出裝置包括螺桿組件、與螺桿組件連接的噴頭組件，所述螺桿組件包括殼體和設置在殼體內的至少兩個螺桿，相鄰螺桿的螺紋相互嚙合，通過螺桿的同向轉動將原料混合均勻并熔融，通過噴頭組件將熔融原料擠出。本發明采用至少兩個螺桿相互嚙合同向轉動，原料在螺桿的轉動剪切下逐漸熔融，在嚙合處熔融體剪切速率和剪切應力較大，且產生了較好的返混，極大提高多種原材料的分布混合能力。

技術領域

本發明屬于3D打印技術領域，更具體地，涉及熔融擠出裝置、3D打印機、3D打印機控制方法及應用。

背景技術

近幾年，3D打印技術發展迅猛，根據成形方式的不同，可主要分為熔融沉積成形(FDM)、激光選區熔化(SLM)、激光熔覆成形(LENS)、激光選區燒結(SLS)、光固化成形(SLA)、三維噴印成形(3DP)等。其中FDM技術因其成本低、原理簡單、設備體積小而獲得了最為廣泛的應用。目前FDM技術主要使用PLA、ABS等熱塑性高分子絲材作為原材料，由送絲機構將其送入200～240℃的高溫熔融腔內，最終由噴頭在熱床裝置的特定位置噴出，以此逐層堆積成形出三維實物。但該技術仍存在以下問題：

一、市面上目前使用最廣的耗材是均勻絲材，其在打印之前已經歷了一次拉絲的熱成型過程，故力學強度有所下降。在打印時絲材易氧化折斷，堵塞噴頭等，一旦某一層出現此類問題，將使整個打印過程前功盡棄，造成材質和時間浪費；

二、絲材一旦拉制成絲，其材質成分便永久固定下來，利用其所打印成形的模型各區域材質也便均一，無法根據個人需求逐點逐線逐層地定制材質的成分比例，即無法成形復合材料、異質梯度材料等功能性零部件，限制了該技術的應用前景。

針對以上問題，已有部分公開專利對傳統FDM技術進行改進。例如專利CN201410469682.0、CN201810973383.9、CN201810407488.8、CN201910562463.X等設計出新型擠出機構，變傳統絲材進料為顆粒進料，利用單螺桿的形式將顆粒料熔融擠出，能夠實現高分子逐層堆積成形，但單螺桿的混煉能力不強，經噴頭擠出的熔融體含較多氣泡，致密度不高，擠出方向任意扭曲無法控制，且成形過程中無法實現每一點的材質比例控制，即無法成形出復合、異質梯度功能材料，同時上述專利未給出整機的設計方案，螺桿若沿XYZ三軸做運動，將因其較重，慣性大而使整機顫動，成形過程不穩定性甚至無法成形；專利CN201910178883.8提到了利用旋轉葉片閥控制兩種或多種顆粒料的進料比例，擠出系統同樣采用上述單螺桿旋轉熔融，理論上能夠克服上述問題一和問題二，但葉片閥的控制精度有限，且單螺桿依然存在上述弊端；專利CN201510449256.5采用轉盤式噴頭切換和螺桿進料的方式實現多種材料的復合打印，但所適用的材料為具有一定流動性的漿料，對高分子材料等不具備普適性，且多噴頭切換過程復雜，成形效率低。

因此，需要一種可適應高分子多材料的熔融擠出裝置和3D打印機，能夠滿足逐點逐線逐層材料成分比例的控制。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了熔融擠出裝置、3D打印機、3D打印機控制方法及應用，其目的在于實時控制打印過程中的逐點逐線逐層的材料成分比例，實現復合材料、異質梯度材料等復雜結構-功能一體化成形，由此解決現有技術中擠出的熔融體含較多氣泡，致密度不高，擠出方向任意扭曲無法控制，且無法滿足逐點逐線逐層材料成分比例的控制的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種熔融擠出裝置，用于3D打印機的原料熔融擠出，其特征在于，該熔融擠出裝置包括螺桿組件、與螺桿組件連接的噴頭組件，所述螺桿組件包括殼體和設置在殼體內的至少兩個螺桿，相鄰螺桿的螺紋相互嚙合，通過螺桿的同向轉動將原料混合均勻并熔融，通過噴頭組件將熔融原料擠出。