一種熔融堆積3d打印機及其打印方法
【專利摘要】本發明公開了一種熔融堆積3D打印機，包括殼體、升降機構和復合擠出機構，所述升降機構安裝于殼體內，所述復合擠出機構包括機筒、螺桿和長纖維輸送管，所述機筒的側壁設置有與機筒的料腔連通的進料管，所述螺桿可轉動的安裝于料腔內，所述螺桿設有安裝通道，所述安裝通道連通螺桿的上端和下端；所述長纖維輸送管插入于安裝通道中，所述長纖維輸送管設有用于輸送連續長纖維的輸送通道；所述輸送通道、安裝通道和料腔依次連通。同時本發明還公開了一種熔融堆積3D打印機的打印方法。本發明將連續長纖維及包裹其的打印材料同步一起擠出至工作平臺，這提高打印產品的強度及打印產品的表面光滑度，并提高了加工效率。
【專利說明】一種熔融堆積3D打印機及其打印方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及3D打印技術，具體涉及一種熔融堆積3D打印機及其打印方法。
【背景技術】
[0002]3D打印是目前一種被廣泛應用的快速成型技術，其成型工藝原理是:首先建立目標零件的計算機三維模型，然后用軟件將三維模型進行分層切片處理，得到每一個加工層面的數據信息，在計算機控制下，根據切片層面信息進行疊層增材制造，完成目標加工的制造。3D打印的優勢在于不受零件形狀復雜程度的限制，不需要任何的工裝模具，速度快，效率高，能夠實現自由形狀實體的自動化制造，正在受到越來越廣泛的重視。
[0003]熔融堆積3D打印機為目前的3D打印機中的一種。熔融堆積3D打印機因設備造價及打印材料成本比較低廉而得到普遍應用。但熔融堆積3D打印機還存在以下技術缺陷:1、熔融堆積3D打印機打印的產品強度較低，這無法達到工程應用的要求；2、熔融堆積3D打印機打印產品的表面粗糙；3、適用的打印材料局限性大。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服以上現有技術存在的不足，提供了一種結構簡單、合理，打印產品的強度大及打印產品的表面光滑性好的熔融堆積3D打印機。同時，本發明還提供了一種熔融堆積3D打印機的打印方法。
[0005]本發明的目的通過以下的技術方案實現:本熔融堆積3D打印機，包括殼體和升降機構，所述升降機構安裝于殼體內，還包括復合擠出機構，所述復合擠出機構包括機筒、螺桿和長纖維輸送管，所述機筒的側壁設置有與機筒的料腔連通的進料管，所述螺桿可轉動的安裝于料腔內，所述螺桿設有安裝通道，所述安裝通道連通螺桿的上端和下端；所述長纖維輸送管插入于安裝通道中，所述長纖維輸送管設有用于輸送連續長纖維的輸送通道；所述輸送通道、安裝通道和料腔依次連通。
[0006]在螺桿中設置安裝通道及在安裝通道中設置長纖維輸送管，構成連續長纖維擠出系統，這可使連續長纖維和包裹其的打印材料同時被擠出，從而提高打印產品的強度及表面光滑度，并且加工效率高。
[0007]優選的，所述復合擠出機構還包括第一支架、第二支架和長纖維輸送輥組，所述第一支架和第二支架自上而下安裝于升降機構，所述長纖維輸送輥組安裝于第一支架，所述機筒的上端安裝于第二支架，所述長纖維輸送管的上端固定于第一支架，且所述長纖維輸送管位于長纖維輸送輥組的下方，所述長纖維輸送管與長纖維輸送輥組連接。這在連續長纖維擠出系統中增加長纖維輸送輥組，這提高連續長纖維輸送的自動化程度，保證了連續長纖維可穩定、可靠的輸送。
[0008]優選的，長纖維輸送輥組包括第一電機、主動輥、從動輥、主動軸和從動軸，所述第一電機安裝于第一支架的側面，所述主動軸和從動軸平行安裝于第一支架上，且所述主動軸與第一電機連接，所述主動輥和從動輥分別安裝于主動軸和從動軸，且所述主動輥和從動輥相對設置。
[0009]優選的，所述長纖維輸送管的輸送通道的入口位于主動輥和從動輥之間的正下方。
[0010]優選的，所述料腔的中心線、螺桿的中心線和長纖維輸送管的中心線在同一直線上。
[0011]優選的，所述復合擠出機構的下方設有工作平臺和支承工作平臺的滑軌。
[0012]優選的，所述復合擠出機構還包括纖維切刀、噴嘴和氣缸，所述噴嘴安裝于機筒的出料口，所述噴嘴設有與纖維切刀匹配的切除通道，所述切除通道與噴嘴的內孔連通，所述氣缸固定于機筒的下端面，所述纖維切刀安裝于氣缸的伸縮桿，且所述纖維切刀插入切除通道。
[0013]優選的，所述進料管的上端設有加料斗，所述進料管的中心線與機筒的中心線之間的夾角大小為30°?90° ;所述機筒的下端設有至少I外加熱圈，所述加熱圈位于進料管的下方。
[0014]優選的，所述第二支架的側面設有第二電機，所述第二電機通過傳動機構與螺桿連接，此傳動機構為蝸輪蝸桿傳動機構。
[0015]優選的，所述升降機構包括升降架、絲桿和2根導桿，2根所述導桿分別固定于殼體內的兩端，所述升降架的兩端均設有被導桿穿過的通孔，所述絲桿安裝于殼體內，所述升降架套接于絲桿。
[0016]上述的熔融堆積3D打印機的打印方法，包括以下步驟:
[0017](I)在計算機上建立目標零件的三維模型，然后用軟件將三維模型進行分層切片處理，得到每一個加工層面的平面數據信息，并轉化為工作平臺的移動軌跡指令及升降機構帶動復合擠出機構上下移動的指令；
[0018](2)開始工作時，向加料斗加入打印材料，打印材料通過進料管進入機筒的料腔，打印材料于料腔內變成熔融狀態，這些熔融狀態的打印材料由螺桿旋轉擠壓推動至噴嘴；與此同時，連續長纖維自長纖維輸送輥組進入長纖維輸送管的輸送通道，這些連續長纖維經過輸送通道后，移動至噴嘴的出口的過程中被熔融的打印材料浸潰并包裹，連續長纖維及包裹其的打印材料同時自噴嘴的出口被擠出至工作平臺相應的位置進行熔融堆積，從而完成打印。
[0019]具體的，上述熔融堆積3D打印機在打印時采用的連續長纖維可以為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、氨綸纖維、植物纖維或者金屬纖維，也可以是經過樹脂預浸潰的各類纖維。這根據產品的不同需求使用不同的纖維，從而也拓寬了打印材料的使用種類。
[0020]本發明相對于現有技術具有如下的優點:
[0021]1、本發明將螺桿設有安裝通道，并在安裝通道內設置長纖維輸送管，則在打印過程中，連續長纖維會被打印材料同時浸潰包裹后，連續長纖維與包裹其的打印材料一起被擠出至工作平臺進行熔融堆積，則本熔融堆積3D打印機可在打印的過程中同時加入連續長纖維，且使長纖維有序排列，這大大提高了打印產品的強度，這等同在混凝土中加入有序排列的鋼筋來增加鋼筋混凝土的強度，打印產品強度的增加滿足了工程應用的要求。
[0022]2、本發明中的熔融堆積3D打印機因可在打印的過程中同時加入連續的長纖維，這提高打印產品的強度，從而在滿足打印產品強度的情況下，可降低了打印材料使用的局限性。
[0023]3、本發明在打印過程中，連續長纖維被熔融的打印材料浸潰并包裹，這克服了傳統纖維增強材料注塑產品或擠出產品表面浮纖所造成的表面粗糙的缺陷，提高了打印產品的品質。
[0024]4、本發明在打印過程中，連續長纖維自長纖維輸送管的輸送通道出來后，并在被擠出噴嘴前，這些連續長纖維會被熔融的打印材料浸潰并包裹，且連續長纖維與包裹其的打印材料同時被擠出，相對傳統打印加工，這種連續長纖維與打印材料同步擠出的方式提高了打印的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的熔融堆積3D打印機的結構示意圖。
[0026]圖2是本發明的熔融堆積3D打印機的正視圖。其中殼體被剝開。
[0027]圖3是本發明的復合擠出機構機構的結構示意圖。
[0028]圖4是本發明的復合擠出機構機構的爆炸圖。
[0029]圖5是圖4中I處的放大示意圖。
[0030]圖6是本發明的復合擠出機構機構的剖視圖。
[0031]圖7是圖6中H處的放大示意圖。其中加熱線圈沒畫出。
[0032]圖8是本發明的螺桿的結構示意圖。
[0033]圖9是本發明的機筒的結構示意圖。此圖中畫出了進料管與機筒之間的連接。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0035]如圖1至圖9所示的熔融堆積3D打印機，包括殼體I和升降機構2，所述升降機構2安裝于殼體I內，還包括復合擠出機構3，所述復合擠出機構3包括機筒301、螺桿302和長纖維輸送管303，所述機筒301的側壁設置有與機筒301的料腔3011連通的進料管304，所述螺桿302可轉動的安裝于料腔3011內，所述螺桿302設有安裝通道3021，所述安裝通道3021連通螺桿302的上端和下端；所述長纖維輸送管303插入于安裝通道3021中，所述長纖維輸送管303設有用于輸送連續長纖維4的輸送通道3031 ;所述輸送通道3031、安裝通道3021和料腔3011依次連通。
[0036]如圖8和圖9所示，在螺桿302增加安裝通道3021，且這安裝通道3021位于螺桿302的中間，即安裝通道3021的中心線與螺桿302的中心線重合。同時，這安裝通道3021與長纖維輸送管303的外形相對匹配，這使長纖維輸送管303更好的安裝于安裝通道3021內，在本實施例中安裝通道3021的截面呈圓形。在打印過程中，僅僅只有螺桿302會被第二電機6驅動轉動，而機筒301和長纖維輸送管303相對于螺桿靜止不動。在螺桿302的轉動過程中，轉動的螺桿302對打印材料進行剪切及擠壓，從而使打印材料被均勻地、穩定地擠至噴嘴309 ;與此同時，連續長纖維4受到長纖維輸送輥組307的作用，連續長纖維4先從長纖維輸送管303的輸送通道3031上端進入，然后自輸送通道3031的下端伸出，連續長纖維4自輸送通道3031的下端移動到噴嘴309的內孔3092的出口這一過程中，被熔融的打印材料浸潰并包裹，然后打印材料被螺桿302向下擠壓，而連續長纖維4繼續被長纖維輸送輥組307向下移動，從而連續長纖維4和包裹的打印材料一起從噴嘴309的內孔的出口被擠出。為讓打印材料被更好的擠出，料腔3011下端底部呈倒錐形。
[0037]如圖3、圖4和圖6所示，所述復合擠出機構還包括第一支架305、第二支架306和長纖維輸送輥組307，所述第一支架305和第二支架306自上而下安裝于升降機構2，所述長纖維輸送輥組307安裝于第一支架305，所述機筒301的上端安裝于第二支架306，所述長纖維輸送管303的上端固定于第一支架305，且所述長纖維輸送管303位于長纖維輸送輥組307的下方,所述長纖維輸送管303與長纖維輸送棍組307連接。第一支架305和第二支架306的結構相似，第一支架305和第二支架306上下平行設置，長纖維輸送管303的上端固定于第一支架305的底板；機筒301的上端固定于第二支架306。而螺桿302插入機筒301的料腔3011，螺桿302的上端通過軸承5與料腔3011的上端連接，這使螺桿302轉動時不會帶動機筒301。螺桿302由位于第二支架305側面的第二電機驅動6，第二電機6通過蝸輪蝸桿傳動機構與螺桿302連接。如圖3和圖6所示，蝸輪7套接于螺桿302的上端，而蝸桿8的一端與第二電機6的輸出軸連接，蝸桿8的另一端與蝸輪7連接。
[0038]如圖3、圖4和圖6所示，長纖維輸送輥組307包括第一電機3071、主動輥3072、從動輥3073、主動軸3074和從動軸3075，所述第一電機3071安裝于第一支架305的側面，所述主動軸3074和從動軸3075平行安裝于第一支架305上，且所述主動軸3074通過齒輪傳動機構14與第一電機3071連接，所述主動輥3072和從動輥3073分別安裝于主動軸3074和從動軸3075，且所述主動輥3072和從動輥3073相對設置。長纖維輸送輥組307用于對連續長纖維的輸送，其中主要由主動輥3072和從動輥3073嚙合傳動完成對連續長纖維的輸送。主動輥3072和從動輥3073均套有軟材料制成的輥套，且主動輥3072的輥套與從動輥3073的輥套相貼，這保證連續長纖維4與輥套之間的摩擦，令連續長纖維4在摩擦作用力下有效、穩定的移動。
[0039]如圖6所示，所述長纖維輸送管303的輸送通道3031的入口位于主動輥3072和從動輥3073之間的正下方。采用此設計，這可保證連續長纖維4自主動輥3072和從動輥3073之間準確進入輸送通道3031。
[0040]所述料腔3011的中心線、螺桿302的中心線和長纖維輸送管303的中心線在同一直線上。采用此設計，則熔融的打印材料可均勻包裹連續長纖維4，進一步提高打印產品的品質。
[0041]如圖1和圖2所示，所述復合擠出機構3的下方設有工作平臺9和支承工作平臺9的滑軌10。滑軌10包含互相垂直的滑軌A1001和滑軌B1002，工作平臺9可滑動的安裝于滑軌A1001，而滑軌A1001可滑動的安裝于滑軌B1002。采用此設計，工作平臺9可在水平中通過兩個滑軌進行沿X軸方向和沿Y軸方向的移動。而復合擠出機構3可通過升降機構2進行上下移動,從而完成3D打印。
[0042]如圖6和圖7所示，所述復合擠出機構3還包括纖維切刀308、噴嘴309和氣缸310，所述噴嘴309安裝于機筒301的出料口，所述噴嘴309設有與纖維切刀308匹配的切除通道3091，所述切除通道3091與噴嘴309的內孔3092連通，所述氣缸310固定于機筒301的下端面，所述纖維切刀308安裝于氣缸310的伸縮桿，且所述纖維切刀308插入切除通道3091。纖維切刀308通過氣缸310移動，使用纖維切刀308切斷連續長纖維。如圖5所示，纖維切刀308的中部設有剪切孔3081，此剪切孔3081與噴嘴309的內孔3092對應。當氣缸310伸出時，剪切孔3081與噴嘴309的內孔3092相錯，從而切斷連續長纖維4。
[0043]如圖1至圖4、圖6和圖9所示，所述進料管304的上端設有加料斗11，所述進料管304的中心線與機筒301的中心線之間的夾角大小為60° ;所述機筒301的下端設有至少I外加熱圈12，所述加熱圈12位于進料管304的下方。進料管304傾斜設計，這保證打印材料穩定、可靠的自進料管304注入料腔3011內。在打印過程中，加熱圈12的啟動根據打印材料決定，如果打印材料是粘稠狀液態熱固性材料、粘稠狀液態光固化材料等非熱熔性材料，則不需要啟動加熱圈12，僅靠螺桿302轉動將液態的打印材料擠向噴嘴309。
[0044]如圖1和圖2所示，所述升降機構2包括升降架201、絲桿202和2根導桿203，2根所述導桿203分別固定于殼體I內的兩端，所述升降架201的兩端均設有被導桿203穿過的通孔，所述絲桿202安裝于殼體I內，所述升降架201套接于絲桿202。導桿203用于導向的作用，且保證升降架201穩定的移動。具體的，第一支架305和第二支架306自上而下平行安裝于升降架201。采用此設計，結構簡單，安裝方便。
[0045]上述的熔融堆積3D打印機的打印方法，包括以下步驟:
[0046](I)在計算機上建立目標零件的三維模型，然后用軟件將三維模型進行分層切片處理，得到每一個加工層面的平面數據信息，并轉化為工作平臺的移動軌跡指令及升降機構帶動復合擠出機構上下移動的指令；
[0047](2)開始工作時，向加料斗11加入打印材料，打印材料通過進料管304進入機筒301的料腔3011，打印材料于料腔3011內變成熔融狀態，這些熔融狀態的打印材料由螺桿旋轉擠壓推動至噴嘴309 ;與此同時，連續長纖維自長纖維輸送輥組307進入長纖維輸送管303的輸送通道3031，這些連續長纖維經過輸送通道3031后，移動至噴嘴的出口的過程中被熔融的打印材料浸潰并包裹，連續長纖維及包裹其的打印材料同時自噴嘴309的出口被擠出至工作平臺9相應的位置進行熔融堆積，從而完成打印。
[0048]具體的，采用本熔融堆積3D打印機進行打印時，其打印過程為:
[0049]A、首先在計算機上建立目標零件的三維模型，然后用軟件將三維模型進行分層切片處理，得到每一個加工層面的平面數據信息，并轉化為工作平臺的移動軌跡指令及升降機構帶動復合擠出機構上下移動的指令；
[0050]B、打印底部第一個切片平面層:復合擠出機構3和工作平臺9處于初始位置；開始工作時，向加料斗11加入打印材料，打印材料通過進料管304進入機筒301的料腔3011，螺桿302轉動對料腔3011內的打印材料進行剪切和擠壓，打印材料在料腔3011內變成熔融狀態，螺桿302轉動將熔融的打印材料擠向噴嘴309 ;同步的，在的主動輥3072和從動輥3073嚙合作用下，連續長纖維進入長纖維輸送管303的輸送通道3031，這些連續長纖維經過輸送通道3031后，在輸送通道3031的出口與噴嘴309內孔的入口之間，連續長纖維與熔融的打印材料匯合，則連續長纖維被熔融的打印材料浸潰并包裹，然后連續長纖維和包裹其的打印材料從噴嘴309擠出；纖維切刀308則根據指令，在完成每一次打印軌跡后對連續長纖維進行切斷，包裹著連續長纖維的打印材料熔融堆積于工作平臺9，形成第一個切片平面層；
[0051]C、打印第二個切片平面層:通過絲桿202的驅動，則升降架201帶動復合擠出機構上升一個工作單位高度，重復加料、打印材料螺桿旋轉擠出、連續長纖維輸送、纖維切斷過程，完成第二個切片平面層的打印；
[0052]D、打印第三個至最后一個切片平面層:重復步驟C，打印第三個至最后一個切片平面，完成目標零件的疊層制造，即完成目標零件的熔融堆積3D打印制造。
[0053]上述【具體實施方式】為本發明的優選實施例，并不能對本發明進行限定，其他的任何未背離本發明的技術方案而所做的改變或其它等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種熔融堆積3D打印機，包括殼體和升降機構，所述升降機構安裝于殼體內，其特征在于:還包括復合擠出機構，所述復合擠出機構包括機筒、螺桿和長纖維輸送管，所述機筒的側壁設置有與機筒的料腔連通的進料管，所述螺桿可轉動的安裝于料腔內，所述螺桿設有安裝通道，所述安裝通道連通螺桿的上端和下端；所述長纖維輸送管插入于安裝通道中，所述長纖維輸送管設有用于輸送連續長纖維的輸送通道；所述輸送通道、安裝通道和料腔依次連通。
2.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述復合擠出機構還包括第一支架、第二支架和長纖維輸送輥組，所述第一支架和第二支架自上而下安裝于升降機構，所述長纖維輸送輥組安裝于第一支架，所述機筒的上端安裝于第二支架，所述長纖維輸送管的上端固定于第一支架，且所述長纖維輸送管位于長纖維輸送輥組的下方，所述長纖維輸送管與長纖維輸送輥組連接。
3.根據權利要求2所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:長纖維輸送輥組包括第一電機、主動輥、從動輥、主動軸和從動軸，所述第一電機安裝于第一支架的側面，所述主動軸和從動軸平行安裝于第一支架上，且所述主動軸與第一電機連接，所述主動輥和從動輥分別安裝于主動軸和從動軸，且所述主動輥和從動輥相對設置。
4.根據權利要求3所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述長纖維輸送管的輸送通道的入口位于主動輥和從動輥之間的正下方。
5.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述料腔的中心線、螺桿的中心線和長纖維輸送管的中心線在同一直線上。
6.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述復合擠出機構的下方設有工作平臺和支承工作平臺的滑軌。
7.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述復合擠出機構還包括纖維切刀、噴嘴和氣缸，所述噴嘴安裝于機筒的出料口，所述噴嘴設有與纖維切刀匹配的切除通道，所述切除通道與噴嘴的內孔連通，所述氣缸固定于機筒的下端面，所述纖維切刀安裝于氣缸的伸縮桿，且所述纖維切刀插入切除通道。
8.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述進料管的上端設有加料斗，所述進料管的中心線與機筒的中心線之間的夾角大小為30°?90° ;所述機筒的下端設有至少I外加熱圈，所述加熱圈位于進料管的下方。
9.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述第二支架的側面設有第二電機，所述第二電機通過傳動機構與螺桿連接，此傳動機構為蝸輪蝸桿傳動機構。
10.根據權利要求1所述的熔融堆積3D打印機，其特征在于:所述升降機構包括升降架、絲桿和2根導桿，2根所述導桿分別固定于殼體內的兩端，所述升降架的兩端均設有被導桿穿過的通孔，所述絲桿安裝于殼體內，所述升降架套接于絲桿。
11.根據權利要求1?10中任一項所述的熔融堆積3D打印機的打印方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在計算機上建立目標零件的三維模型，然后用軟件將三維模型進行分層切片處理，得到每一個加工層面的平面數據信息，并轉化為工作平臺的移動軌跡指令及升降機構帶動復合擠出機構上下移動的指令； (2)開始工作時，向加料斗加入打印材料，打印材料通過進料管進入機筒的料腔，打印材料于料腔內變成熔融狀態，這些熔融狀態的打印材料由螺桿旋轉擠壓推動至噴嘴；與此同時，連續長纖維自長纖維輸送輥組進入長纖維輸送管的輸送通道，這些連續長纖維經過輸送通道后，移動至噴嘴的出口的過程中被熔融的打印材料浸潰并包裹，連續長纖維及包裹其的打印材料同時自噴嘴的出口被擠出至工作平臺相應的位置進行熔融堆積，從而完成打印。
【文檔編號】B22F3/115GK104260349SQ201410469682
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】余金文, 凌毅 申請人:余金文, 凌毅