[發明專利]一種基于粒料螺桿擠出機的大型3D打印裝置及其工作方法

在審

• 申請號: 202110620234.6
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113370522A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 王肇貴;劉熙睿;殷秀增
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/209;B29C64/245;B29C64/295;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 徐華燊;李洪福

本發明提供一種基于粒料螺桿擠出機的大型3D打印裝置及其工作方法，其粒料螺桿擠出機固定于機架z軸滑軌，只能沿z軸方向運動；x軸導軌、y軸導軌控制打印平臺在水平面內自由運動。打印過程中噴頭不在x?y平面內運動，通過打印平臺運動實現材料沉積過程中噴嘴與打印平臺的相對運動。本發明擠出機為固定螺桿擠出機，可避免擠出裝置內部流體的慣性作用，以保證材料擠出沉積過程時的平穩性。利用打印平臺在二維平面上的移動來完成打印。噴嘴處設有與伺服電機相連的紅外加熱裝置，用來二次加熱已打印成型的部分，使已冷卻的沉積材料與熱熔擠出材料間的溫度梯度減小，更好地與新擠出的材料粘合，進而提高沉積層間的結合強度。

技術領域

本發明涉及3D打印技術領域，具體而言，尤其涉及一種基于粒料螺桿擠出機的大型3D打印裝置及其工作方法。

背景技術

當前主要的大型3D打印裝置的主體結構采用與桌面級3D打印機類似的配置，粒料螺桿擠出機與三維龍門機架相連接，實現在三維空間內擠出沉積熔融耗材，層層堆積形成立體結構。

桌面級3D打印機都是材料通過塑料軟管進入到擠出機中，噴頭一般直徑在0.4mm左右，單位時間內擠出材料體積較小，因此在平面內移動時，熔融流體的慣性影響較小。但粒料螺桿擠出機材料擠出流量通常可達到2-10kg/h，其單位時間內擠出材料較多，熔體流動的慣性對材料沉積過程的平穩性擾動較大。當在平面內快速移動螺桿擠出機時，則會影響材料沉積過程的平穩性以及成型材料的尺寸精度。另一方面，為減小慣性影響，則要降低螺桿擠出機的行駛速率，這亦限制了大型增材制造裝置的成型效率。另外，大型增材制造裝置的成型件體積一般較大，因此材料沉積過程中溫度場瞬態變化較大，沉積層間溫度梯度也較大，這會導致熱熔擠出材料與已冷卻沉積材料間無法形成質量較高的層間結合，降低成型件的力學性能。

發明內容

根據上述提出的在平面內快速移動螺桿擠出機時，會影響材料沉積過程的平穩性以及成型材料的尺寸精度；另一方面，為減小慣性影響，則要降低螺桿擠出機的行駛速率，這亦限制了大型增材制造裝置的成型效率；另外，大型增材制造裝置的成型件體積一般較大，因此材料沉積過程中溫度場瞬態變化較大，沉積層間溫度梯度也較大，這會導致熱熔擠出材料與已冷卻沉積材料間無法形成質量較高的層間結合，降低成型件的力學性能的技術問題，而提供一種基于粒料螺桿擠出機的大型3D打印裝置及其工作方法。本發明主要利用粒料螺桿擠出機對材料進行螺旋擠壓輸送并經噴嘴處擠出，將打印平臺與x、y軸導軌相連，通過打印平臺在x-y水平面的運動實現噴頭與打印平臺之間的相對運動，有效解決了擠出機內部熔融材料的慣性作用對沉積過程平穩性的負面影響；利用靠近打印噴頭處的紅外加熱裝置對已成型的部分進行二次加熱，從而減小其與熱熔擠出材料間的溫度梯度，提高沉積層間結合質量，使大幅面增材制造成型件的質量和尺寸精度得到保障。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于粒料螺桿擠出機的大型3D打印裝置，包括：機架z軸滑軌、粒料螺桿擠出機以及與機架z軸滑軌底部相連的打印平臺移動裝置，粒料螺桿擠出機位于打印平臺移動裝置的上方，并通過擠出機保持架固定在機架z軸滑軌上，沿z軸方向進行上下移動；

粒料螺桿擠出機包括擠出裝置以及與擠出裝置相連的材料輸送裝置和紅外加熱裝置，材料輸送裝置用于將粒料輸送至擠出裝置內，擠出裝置將材料從其下方設置的噴嘴中擠出至打印平臺移動裝置上進行打印，紅外加熱裝置用于對靠近噴嘴處的已沉積材料進行加熱，使噴嘴處擠出的熔融材料與已沉積材料間的溫度梯度減小；

利用打印平臺移動裝置上設置的打印平臺在x-y平面內運動，實現材料沉積過程中噴嘴與打印平臺的相對運動，結合粒料螺桿擠出機在z軸方向的移動，實現三維空間上的打印工作。

進一步地，所述擠出裝置包括固定在擠出機外殼頂部的螺桿電機、與螺桿電機相連的螺桿、擠出機外殼和安裝在擠出機外殼底部的噴嘴，擠出機外殼與擠出機保持架固定連接，內部具有容納腔體，容納腔體用于存儲材料輸送裝置輸送的粒料；螺桿置于容納腔體內部，由螺桿電機驅動轉動，對容納腔體內的粒料進行向下螺旋擠壓輸送，并經噴嘴處擠出。