專利名稱：快速成形系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速成形系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭。
這類技術(shù)的基本原理是利用兩個(或多個)由電機(jī)驅(qū)動的摩擦輪提供驅(qū)動力，將絲料(塊狀料)送入螺旋擠壓送料機(jī)構(gòu)的入口，入口通道外設(shè)有加熱器，保證絲料(塊狀料)通過后從固態(tài)變成熔融態(tài)，熔融態(tài)材料經(jīng)螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的入口進(jìn)入螺旋擠壓機(jī)構(gòu)加壓后從較小直徑的噴嘴中擠出，形成材料堆積路徑，在計算機(jī)控制下，實現(xiàn)基于熔融擠壓堆積成形原理的快速成形工藝。
從噴頭要實現(xiàn)的功能和作用可知，噴頭應(yīng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個基本組成部分，它是基于熔融擠壓工藝的快速成形系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固態(tài)材料輸送和熔融態(tài)材料輸送驅(qū)動部件、加熱與溫控部件和噴嘴部件，本實用新型僅涉及噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
美國STRATASYS公司的以塊狀材料為原料采用螺旋推進(jìn)器為第二級送料機(jī)構(gòu)噴頭結(jié)構(gòu)如


圖1所示。它使用牽引驅(qū)動，齒形帶，滑輪，壓力盤，驅(qū)動馬達(dá)和譯碼器。馬達(dá)和驅(qū)動帶作用是迫使片狀材料通過預(yù)加熱頭預(yù)加熱進(jìn)入加熱腔，它包括加熱元件(沒有畫出)。擠壓材料經(jīng)過預(yù)加熱頭以液態(tài)、可流動形式流經(jīng)通道。
來自通道的液態(tài)擠出材料進(jìn)給到螺旋推進(jìn)器，可調(diào)速馬達(dá)帶動螺旋推進(jìn)器在機(jī)筒里旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動液態(tài)擠出材料向著噴頭移動，經(jīng)噴嘴流出。
依據(jù)層加工的特性，在產(chǎn)生工件過程中擠出材料的流量是可以控制的。一般流量為0.1～10立方英寸/小時(0.00046～0.046cm3/s)。
這種噴頭的主要缺點有復(fù)雜的料庫，復(fù)雜的第一級送料及信號反饋機(jī)構(gòu)，第二級加壓送料機(jī)構(gòu)螺旋推進(jìn)器只適合輸送流體材料，不適合原料為粒狀材料的輸送。
由于這種噴頭結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，具體實施非常困難，至今仍沒有推廣應(yīng)用。
噴頭是實現(xiàn)熔融擠壓堆積成形的關(guān)鍵部件，是很好地實現(xiàn)堆積成形的前提和核心，噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法是否合理，直接關(guān)系到成型過程能否順利進(jìn)行，并影響成型件的質(zhì)量，包括表面粗糙度、尺寸精度、強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能。所以噴頭設(shè)計是熔融擠壓快速成形系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。
高聚物材料因其良好的性能而在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，開發(fā)基于高聚物材料的噴頭系統(tǒng)是實現(xiàn)高聚物成形的關(guān)鍵和前提。但高聚物具有較大的粘性，流動性較差，流動時需要較大的推動力，且運(yùn)動慣性也較大，因此實時啟停型很難實現(xiàn)。
本實用新型設(shè)計的快速成形系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭，由第一級送料機(jī)構(gòu)、加熱裝置、溫控系統(tǒng)、第二級加壓送料機(jī)構(gòu)和噴嘴經(jīng)組合而成，見附圖2和附圖3所示。其中，第二級送料機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)7和微型注塑機(jī)構(gòu)成，而微型注塑機(jī)由機(jī)筒10和槽深漸變型螺桿3、機(jī)蓋8構(gòu)成，驅(qū)動電機(jī)7安裝于端蓋8上側(cè)，螺桿3上端和電機(jī)7的輸出軸連接可通過彈性聯(lián)軸節(jié)，并由軸承9支承，機(jī)筒10上端固定在端蓋8下側(cè)。噴嘴1與機(jī)筒10的下端螺紋連接。第一級送料機(jī)構(gòu)的物料通道4與機(jī)筒10的入料口配合連接。當(dāng)原料為絲狀材料時，第一級送料機(jī)構(gòu)由通道4和用于夾料的一對或多對滾輪夾持機(jī)構(gòu)組成，滾輪位于通道4的上方，見圖2所示；當(dāng)原料為粒狀材料時，第一級送料機(jī)構(gòu)由通道4和料斗5連接構(gòu)成，見圖3所示。
本實用新型中，加熱裝置的加熱元件12分別設(shè)置于機(jī)筒10的旁側(cè)和下端的噴嘴1上，以便對材料加熱。加熱元件的外側(cè)設(shè)有保溫套11，以便對螺槽中的融料保溫。溫控元件2分別設(shè)置于機(jī)筒10和噴嘴1的另一側(cè)，溫控元件用于控制和恒定加熱溫度。見圖2和圖3所示，這里的加熱元件和溫控元件采用加熱棒和熱電偶。
本實用新型中，槽深漸變型螺桿3在長度方向設(shè)計成三段加料段、壓縮段和計量段。加料段也稱固體輸送段，其槽深記為H1，計量段也稱熔體輸送段，其槽深記為H3，中間一段的槽深由H1漸變?yōu)镠3，為壓縮段，目的是增加對內(nèi)部物料的壓力。
本實用新型中，噴嘴1的外形結(jié)構(gòu)可設(shè)計成上面為正方形，下面為圓錐形，其內(nèi)部的通道為直徑逐步縮小的4段圓柱形，圓柱形之間由圓臺過渡，見附圖4所示。
螺桿轉(zhuǎn)速的快慢決定從噴嘴流出熔融料的流量，為準(zhǔn)確控制螺桿轉(zhuǎn)速，采用五相步進(jìn)電機(jī)7作為螺桿的驅(qū)動動力，該電機(jī)在低速時穩(wěn)定性較好。流量的準(zhǔn)確控制，就使得快速制件的質(zhì)量提高，同時，流量的均勻性也使得快速制件的尺寸精度提高。
本實用新型的工作原理和過程如下(以絲狀材料為例)滾輪機(jī)構(gòu)6夾持絲料5(夾持力可以調(diào)整)，并將絲料5送入通道4，經(jīng)加熱元件12預(yù)熱，在溫控元件2的控制下保持恒定溫度(此處溫度只要達(dá)到絲料成熔融態(tài)的溫度)，絲料成熔融態(tài)后進(jìn)入螺桿3和機(jī)筒10組成的螺旋槽內(nèi)，螺桿在驅(qū)動電機(jī)7的帶動下旋轉(zhuǎn)，將熔料加壓后推向噴嘴1，熔融態(tài)材料在噴嘴1處再次由加熱元件12加熱并由元件2保持恒定溫度(此處加熱溫度保證熔融材料完全熔化)，熔化后的材料從噴嘴擠出，均勻地涂覆在底板或工件上。直至工件加工完畢。
本實用新型設(shè)計的螺旋擠壓噴頭結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，易于實施。
本實用新型設(shè)計的螺旋擠壓噴頭主要具有以下優(yōu)越的應(yīng)用效果(1)解決基于層制造在改良擠出性能方面的設(shè)備。能夠提高噴嘴擠出材料的速度，從而可以更快地建造零件；能夠提高擠出粘度，從而可使用具有更理想的機(jī)械性能的材料加工實物零件；能夠減小擠出的橫截面積，因而可取得更好的性能分辨率。
(2)使得從噴嘴流出的材料流量均勻，以致提高建立的快速制件尺寸精度。
(3)使從噴嘴在噴頭啟停處擠出材料得到實時控制，以便進(jìn)一步提高快速制件質(zhì)量。
(4)可用粒狀材料為原材料，大大降低建立快速制件的費(fèi)用。
圖2為本實用新型的螺旋擠壓噴頭結(jié)構(gòu)圖示之一。
圖3為本實用新型的螺旋擠壓噴頭結(jié)構(gòu)圖示之二。
圖4為本實用新型中一種噴嘴結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號1為噴頭，2為溫控元件，3為螺桿，4為材料通道，5為絲狀材料，6為滾輪，7為驅(qū)動電機(jī)，8為電機(jī)端蓋，9為軸承，10為機(jī)筒，11為保溫套，12為加熱元件，13為粒狀材料，14為料斗。
實施例1，根據(jù)圖2和圖4所示，材料通道4內(nèi)徑為4mm，外徑為8mm。加熱元件12選用SFRIEI-0020型，溫控元件可采用熱電偶S-20CFGA197A(WATLOW)，螺桿3的材料采用不銹鋼或40Cr，外徑為10-12mm，其加料段長度為20-25mm，壓縮段長度為30-35mm，計量段長度25-30mm，槽深度為0.8-1.2mm。機(jī)筒10材料可選用45#鋼，長度為105-110mm，外徑為16-18mm，內(nèi)徑為10-12mm。驅(qū)動電機(jī)7可用UMK268B步進(jìn)電機(jī)。噴嘴1采用黃銅材料，外徑為30mm，上段圓柱形內(nèi)腔的內(nèi)徑為18mm，長度為14mm，第二段圓柱形內(nèi)腔內(nèi)徑為6mm，長度為15mm，第三段內(nèi)腔內(nèi)徑為3mm，長度為3mm，頂端內(nèi)徑為0.5mm。上述部件按一定工藝加工和安裝即得所需快速成形系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭。
權(quán)利要求1.一種快速成型系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭，由第一級送料機(jī)構(gòu)、加熱裝置、溫控系統(tǒng)、第二級加壓送料機(jī)構(gòu)和噴嘴經(jīng)組合而成，其特征在于第二級送料機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)(7)、機(jī)筒10、槽深漸變螺桿(3)、機(jī)蓋(8)構(gòu)成，電機(jī)(7)安裝于端蓋(8)上側(cè)，螺桿(3)上端和電機(jī)(7)的輸出軸連接，并由軸承(9)支承，機(jī)筒(10)上端固定在端蓋(8)一側(cè)；噴嘴(1)與機(jī)筒(10)下端螺紋連接；第一級送料機(jī)構(gòu)的物料通道(4)與機(jī)筒(10)的入料口配合連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于加熱裝置的加熱元件(12)分別設(shè)置于機(jī)筒(10)的旁側(cè)和下端的噴嘴(1)上；溫控元件(2)分別設(shè)置于機(jī)筒(10)和噴嘴(1)的另一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于所說的加熱元件(12)和溫控元件(2)分別采用加熱棒和熱電偶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于槽深漸變螺桿(3)設(shè)計成三段加料段、壓縮段和計量段，壓縮段的槽深由加料段的槽深H1漸變?yōu)橛嬃慷蔚牟凵頗3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于第一級送料機(jī)構(gòu)由物料通道(4)與一對或多對滾輪夾持機(jī)構(gòu)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于第一級送料機(jī)構(gòu)由物料通道(4)與料斗(14)連接組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓噴頭，其特征在于電機(jī)(7)采用五相步進(jìn)電機(jī)。
專利摘要本實用新型為一種快速成形系統(tǒng)的螺旋擠壓噴頭，它由第一級送料機(jī)構(gòu)、第二級加壓送料機(jī)構(gòu)、加熱和溫控裝置以及噴嘴經(jīng)組合而成。第二級加壓送料機(jī)構(gòu)中的螺桿設(shè)計成三段加料段、壓縮段、計量段，槽深逐漸過渡。本擠壓噴頭結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，易于實施，能夠提高擠出材料的速度、粘度和流量的均勻性，有利于更快地建造零件，提高快速制件的尺寸精度。
文檔編號B29C47/00GK2564336SQ02216588
公開日2003年8月6日 申請日期2002年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月4日
發(fā)明者劉光富, 張曙, 王運(yùn)贛 申請人:同濟(jì)大學(xué)