专利名称：单喷头熔融挤压式三维打印机的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维打印机，尤其涉及一种用单喷头挤压熔融材料的三维打印机。
背景技术：
熔融挤压式三维打印机又称为熔融挤压式快速成形机，这种打印机的喷头将塑料丝材加热为熔融态，然后根据计算机发出的工件图形控制指令，通过喷头中的小喷嘴将熔融料挤出并选择性地沉积在下方的工作台基板上，构成工件的第一层二维图形截面。此层成形完成后，喷头上升一小层高度，按照第一层的类似过程进行第二层二维图形截面的成形，此层叠加在上一层上，且彼此粘接为一体。如此一层层重复二维成形，直到整个三维工件成形完成。上述成形工艺属于加成制造法，无需传统的切削加工机床和工模具，在计算机的控制下，根据工件的三维CAD模型可直接成形三维实体，因而称为自由成形，非常适合新产品的研制，能大大节省工时与成本。目前传统的熔融挤压式三维打印机有以下两个特点:(I)采用滚轮副通过摩擦力将塑料丝材送进喷头加热熔融并使其从喷嘴挤出；(2)采用两个喷头，其中一个喷头熔融挤压沉积工件的成形材料，构成工件；另一个喷头挤压沉积支撑材料并构成支撑结构，以免工件在成形过程中发生坍塌和翘曲变形。由此导致的缺点是:(1)滚轮与丝材之间的摩擦力有限，因此挤出力和挤出流量有限，难于实现高密度工件的高效成形；(2)在每一成形层，两个喷头必须轮流工作和频繁定位，成形工艺复杂，显著降低成形效率；(3)每台成形机必须有两个喷头、两个料盘和两套丝材送进机构，使机械结构和控制系统更复杂。图1示出了传统的熔融挤压式三维打印机的结构示意图。请参见图1，传统的熔融挤压式三维打印机由两套喷头和送料机构及工作台组成，具体包括:料盘I’和12’、塑料丝材9’和13’、电机8’和14’、滚轮副7’和15’、喷头6’和11’、喷嘴5’和10’、工作台2’和基板3’。工作时，根据计算机控制系统(未图示)的指令，图1右侧的喷头6’首先运动至工作台2’上方的适当位置，电机8’驱动由一对滚轮构成的滚轮副7’，通过滚轮副V与夹持其中丝材9’的摩擦力，带动来自料盘I’的丝材9’进入喷头6’，在喷头6’中电加热棒(未图示)的作用下，进入喷头6’的丝材9’受热而呈熔融态，并在后续丝材9’的推动下，从小喷嘴5’挤出，沉积于基板3’上，逐步固化形成工件4’ 一层截面的支撑结构。然后，图1左侧的一套喷头运动至工作台2’上方的适当位置，电机14’驱动滚轮副15’，通过滚轮副15’与夹持其中丝材13’的摩擦力，带动来自料盘12’的丝材13’进入喷头11’，在喷头11’中电加热棒(未图示)的作用下，进入喷头11’的丝材13’受热而呈熔融态，并在后续丝材13’的推动下，从小喷嘴10’挤出，沉积于基板3’上，逐步固化形成工件4’ 一层截面的结构。显然，上述传统的熔融挤压式三维打印机成形工件时，两个喷头必须轮流工作和频繁定位，成形工艺复杂，显著降低成形效率，而且滚轮与丝材之间的摩擦力有限，挤出力和挤出流量有限且不易稳定，难于实现高密度工件的高效成形。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种单喷头熔融挤压式三维打印机，成形效率高、工件密实，成形机的结构更紧凑。本发明的技术方案为:本发明揭示了一种单喷头熔融挤压式三维打印机，包括喷头、供料装置、旋转驱动系统、活动横梁、工作台、机身、计算机控制与驱动系统，其中:所述喷头用于加热和挤出成形用丝材，包括螺杆；所述供料装置用于储存与送进丝材，包括滚轮副；所述旋转驱动系统用于驱动所述螺杆与所述滚轮副；所述活动横梁与所述机身相连，用于承载所述喷头与所述旋转驱动系统，使喷头相对所述活动横梁作左右水平运动，又相对所述机身作上下运动，以便调节所述喷头相对于所述工作台的距离，并在成形工件的一层截面后，带动该喷头上升一个层高，再成形工件的下一层截面；所述工作台位于所述喷头的下方，与所述机身相连，用于承载成形工件，并相对所述机身作前后的水平运动；所述机身承载整个三维打印机；所述计算机控制与驱动系统用于整机的自动控制与驱动；所述三维打印机通过自由成形工艺优化使单个喷头分别成形工件和支撑结构，成形完成后工件易于与支撑结构分离。根据本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机的一实施例，所述旋转驱动系统包括步进电机、齿轮传动系统和超越离合器，其中:所述旋转驱动系统用所述齿轮传动系统驱动所述挤料螺杆和所述进料滚轮副；所述超越离合器，防止所述步进电机反转而导致丝材从所述喷头中退出。根据本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机的一实施例，所述喷头还包括料筒、喷嘴、电加热棒和热电偶，其中:所述螺杆的上端与所述步进电机的输出轴相连，用于挤出丝材；所述料筒位于所述螺杆的外部，用于储存熔融的丝材；所述喷嘴与所述料筒的下端相连，用作丝材的挤出口 ；所述电加热棒有两个，分别位于所述料筒和喷嘴中，分别用于加热所述料筒中的丝材和喷嘴；所述热电偶有两个，分别位于所述料筒和喷嘴中，分别用于控制料筒和喷嘴的加
热温度。根据本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机的一实施例，所述供料装置还包括料盘、进料口，其中所述料盘置于所述喷头的右侧，用于缠绕丝材，所述滚轮副夹持从所述料盘抽出的丝材并迫使其进入所述喷头，所述进料口与所述料筒的上部相连，用作丝材的入□。根据本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机的一实施例，所述活动横梁还包括伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨，其中:所述伺服电机根据工件截面图形驱动喷头左右水平运动，改变挤出丝材的沉积位置；所述滚珠丝杠将所述伺服电机的旋转运动变换为直线运动；所述直线导轨用于所述喷头左右水平运动的导向。根据本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机的一实施例，所述工作台包括伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨，其中:所述伺服电机根据工件截面图形驱动工作台前后水平运动，改变挤出丝材的沉积位置；所述滚珠丝杠将所述伺服电机的旋转运动变换为直线运动；所述直线导轨用于所述工作台前后水平运动的导向。本发明对比现有技术有如下的有益效果:本发明的技术方案是采用滚轮副和螺杆送进和挤出丝材，通过挤出丝材的精密控制和工艺优化，只需单个喷头就能分别成形工件和支撑结构。相对于传统的三维打印机，具有挤料力大、出料稳定、只需单个喷头就能分别成形工件和支撑结构、成形效率高、工件密实、成形机的结构更紧凑等优点。
图1是传统的熔融挤压式三维打印机的结构示意图。图2是本发明的一种单喷头熔融挤压式三维打印机的实施例的结构图。图3是根据本发明实施例的超越离合器。图4a_4b是根据本发明实施例的错层成形示意图。图5a_5b是根据本发明实施例的支撑补偿值示意图。图6a_6c是根据本发明实施例的工件截面填充方式示意图。图7是根据本发明实施例的支撑截面填充方式示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。图2示出了本发明的一种单喷头熔融挤压式三维打印机的实施例的结构图。请参见图2，单喷头熔融挤压式三维打印机主要包括以下部份:喷头、供料装置、旋转驱动系统、活动横梁、工作台、机身、计算机控制与驱动系统。喷头2加热和挤出成形用丝材，包括螺杆3、料筒20、喷嘴22、电加热棒19和21，以及热电偶I和25。供料装置储存与送进丝材，包括滚轮副(滚轮16、17)、料盘15、进料口 18。旋转驱动系统包括步进电机7、齿轮传动系统(齿轮6、8、9、5、10、11、13、12)和超越离合器(图3所示的26)。工作台包括伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨。喷头2加热和挤出成形用丝材14。螺杆3的上端和步进电机7的输出轴相连，用于挤出丝材14。料筒20位于螺杆3的外部，用于储存熔融的丝材14。喷嘴22与料筒20的下端相连，用作丝材的挤出口。电加热棒19位于料筒20中，用于加热料筒20中的丝材。电加热棒21位于喷嘴22中，用于加热喷嘴22，使其中的丝材保持熔融态。供料装置储存与送进丝材，其中料盘15置于喷头2的右侧，用于缠绕丝材。滚轮副夹持从料盘15抽出的丝材并迫使其进入喷头2，进料口 18与料筒20的上部相连，用作丝材的入口。旋转驱动系统驱动螺杆3和供料装置中的滚轮副，本实施例中是用齿轮传动系统来驱动螺杆3和滚轮副，超越离合器26防止步进电机7反转而导致丝材从喷头2中退出。活动横梁与机身相连，承载喷头2和旋转驱动系统，使喷头相对所述活动横梁作左右水平运动，又相对机身作上下运动，以便调节喷头2相对于工作台的距离，并在成形工件的一层截面后，带动喷头2上升一个层高，再成形工件的下一层截面。工作台位于喷头2的下方，与机身相连，用于承载成形工件，并相对机身作前后的水平运动。机身则承载整个三维打印机。伺服电机根据工件截面图形驱动喷头2前后水平运动，改变挤出丝材的沉积位置。滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动变换为直线运动。直线导轨用于工作台前后水平运动的导向。具体而言，本实施例的三维打印机可由喷头2、螺杆3、料筒20、喷嘴22、电加热棒19和21、热电偶I和25、步进电机7、齿轮6、齿轮8、齿轮9、齿轮5、齿轮10、齿轮11、齿轮
13、齿轮12、滚轮16、滚轮17、料盘15、进料口 18、丝材14、工作台24和基板23组成。根据计算机控制与驱动系统(未图示)的指令，步进电机7启动，驱动齿轮6和与其啮合的齿轮8，然后通过与齿轮8同轴的齿轮9和与其啮合的齿轮5，带动螺杆3旋转。齿轮9又通过其中的超越离合器26(图3)驱动齿轮10和与其啮合的齿轮11和齿轮13，齿轮13通过与其啮合的另一齿轮(未图示)驱动齿轮12，因此与齿轮13同轴的主动滚轮17以及与齿轮12同轴的主动滚轮16旋转。由于在滚轮17的后方有另一个从动滚轮(未图示)，这两个滚轮组成滚轮副；滚轮16的后方也有另一个从动滚轮(未图示)，这两个滚轮也组成滚轮畐O。上述两对滚轮副夹紧其中的丝材14，所以当主动滚轮17和主动滚轮16旋转时，通过这两个滚轮表面与丝材14的摩擦力，能从料盘15拉出塑料丝材14，并使丝材14经过进料口18进入喷头2，在喷头2中电加热棒19的作用下，丝材呈熔融态并在螺杆3的挤压下，从喷嘴22的小孔中挤出，沉积在基板23上，逐步构成工件的截面。图3示出了本发明采用的一种超越离合器26，由星轮27、外圈28、滚柱29和弹簧顶杆30组成。外圈28与齿轮9的内孔紧密相连，星轮27的内孔31与齿轮10紧密相连。当超越离合器26的外圈28在齿轮9的驱动下，沿反时针方向旋转时，滚柱29受摩擦力的作用楔紧在星轮27与外圈28之间的槽的左侧较窄部位，超越离合器26处于接合状态，因而带动星轮27和与其内孔31相连的齿轮10旋转，于是通过与齿轮10啮合的齿轮11，以及齿轮13和齿轮12、滚轮17和滚轮16驱使丝材14进入喷头2。当超越离合器26的外圈28在齿轮9的驱动下，沿顺时针方向旋转时，滚柱29受摩擦力的作用，克服弹簧顶杆30的推力，移至星轮27与外圈28之间的槽右侧较宽部位，不再楔紧在槽内，超越离合器26处于分离状态，因而不能带动星轮27和齿轮10旋转，也不能使丝材14由喷头2退出。本发明在丝材14的送进机构中采用超越离合器26的目的是，使步进电机7按成形要求沿正常方向旋转时，能驱动丝材14进入喷头2 ;而步进电机7沿反方向旋转时，不会使丝材14由喷头2退出。采用熔融挤压式三维打印机成形工件的每个截面时，在截面图形的每个终点，步进电机7必须立即停止转动，使喷头2立即停止挤出丝材14。但是即使如此，由于螺杆3和其他旋转零件的惯性，以及喷头2中熔融丝材14的余压作用，少量的丝材14仍会从喷嘴22中泄漏，造成“流涎”现象，严重破坏成形工件的表面品质。采用超越离合器26之后，每当喷头2运动至工件截面图形终点的相应位置时，使步进电机7快速反转一小段时间然后才停止，这样就会在喷头2的喷嘴22中产生局部真空，使其中丝材14无法外泄，确保成形工件的表面品质。在步进电机7快速反转的过程中，由于超越离合器26的作用，不会使丝材14由喷头2退出，因而不会使喷头2中出现丝材不足，不会影响丝材14送进和挤出的稳定性，能大大提高材料沉积的精确性。本发明的单喷头熔融挤压式三维打印机实施例能分别成形工件和支撑结构。对于支撑结构的要求是:(I)成形过程中，支撑结构应能有效地支承正在成形的工件悬臂部分，使其不会坍塌和翘曲变形，因此支撑结构应有足够的强度与刚度。(2)成形完成之后，支撑结构应能容易地与工件分离，不会在工件表面产生明显的疤痕，因此支撑结构又不能有太高的强度与刚度。为克服这两个要求存在的矛盾，本发明采用了以下自由成形工艺优化措施。自由成形工艺优化措施之一:错层成形，以便降低支撑结构与工件之间的层间结合强度，利于成形完成后工件与支撑结构的分离。图4a_4b示出了本发明实施例的错层成形示意图。如传统的图4a所示，当工件100有悬臂200时，为了在成形时支承悬臂200，必须在悬臂400至200之间，每成形一层工件截面层的同时，成形一层支撑结构300，这部分支撑结构的高度等于3倍的成形层高h。采用上述成形工艺的缺点是，在工件与支撑结构的结合区200和400，工件与支撑的结合强度类似于工件的层间结合强度，由于这种高强度的结合，成形完成后支撑结构与工件难于分离。为克服此弊端，本发明提出了错层成形(如图4b所示)，即按以下顺序成形:按层高h，成形工件层500-按层高h，成形工件层600-喷头上升0.5h，成形支撑层700-喷头上升0.5h，成形工件层800-喷头上升0.5h，成形支撑层900-喷头上升0.5h，成形工件层1000-喷头上升0.5h，成形支撑层1100-喷头上升0.5h，成形工件层1200-喷头上升0.5h，成形支撑层1300。按上述错层成形的结果是，支撑层700左部的层高为1.5h，由于图2中螺杆3挤出丝材的流量保持不变，因此与成形层高为h时相比，支撑层700左部沉积的丝材密度较低，工件与支撑的结合区400的结合强度也较低。同理，工件层1200右部的层高为1.5h，沉积的丝材密度较低，工件与支撑的结合区200的结合强度也较低。因为错层成形工艺降低了结合区400和200的结合强度，所以成形完成后易于从成形件上分离支撑结构。自由成形工艺优化措施之二:设置支撑补偿值，以便降低支撑结构与工件侧面的结合强度。图5a_5b示出了本发明实施例的支撑补偿值示意图。如传统的图5a所示，按照工件截面的理论路径51和支撑结构的理论路径54成形，并且当喷嘴53运动至支撑结构成形路径的左端点时，由于挤出的丝材有一定的宽度W，会有部分支撑结构与工件轮廓52发生交汇，造成支撑结构与工件结合紧密，成形完成后二者不易分离。为克服此弊端，本发明提出了支撑补偿值的概念(如图5b所示)，在生成成形路径时，将工件轮廓52向外侧偏置一定的距离C(如图5b中虚线所示)，该距离C称为支撑补偿值。支撑补偿值不能太大，否则起不到支撑的作用；也不能太小，否则支撑与工件不易分离，通常支撑补偿值C = 0.5W。为了达到更好的效果，可通过工艺试验确定C的取值。当C的取值合适时，支撑结构与工件轮廓应有少量接触，并且容易分离。
自由成形工艺优化措施之三:采用不同的截面填充方式，以便提高工件的强度，适当降低支撑结构的强度。图6a_6c示出了本发明实施例的工件截面填充方式示意图。为了提高工件的表面品质，在截面层靠近工件周边区域61采用环形扫描填充方式；工件的内部区域62采用45°角倾斜平行线扫描填充方式(如图6a所示)。而在随后成形的截面层工件的内部区域63采用相反45°角倾斜平行线扫描填充方式(如图6b所示)，于是，相邻两层工件的内部区域的填充线相互垂直(如图6c所示)，工件内部区域的强度得到加强。而支撑截面采用恒定平行线扫描填充方式(如图7所示)，相邻层间扫描方向一致，扫描填充线间距较大，例如，喷嘴内径为0.5mm时，支撑扫描填充线间距可取为1mm，这样成形的支撑结构比较疏松，强度不高，成形完成后易于与工件分离。自由成形工艺优化措施之四:采用不同的挤料速度成形工件与支撑结构，在保证支撑能顺利成形并有一定强度的基础上，适当降低成形支撑的挤料速度(例如为成形工件挤料速度的80% )，使支撑结构较疏松，成形完成后易于与工件分离。采用上述本发明图2所示机械结构和工艺优化措施后，只需单个喷头就能分别成形工件和支撑结构，成形完成后二者易分离，成形件密实，成形效率高，机器的结构更紧凑。上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
权利要求
1.一种单喷头熔融挤压式三维打印机，包括喷头、供料装置、旋转驱动系统、活动横梁、工作台、机身、计算机控制与驱动系统，其中: 所述喷头用于加热和挤出成形用丝材，包括螺杆； 所述供料装置用于储存与送进丝材，包括滚轮副； 所述旋转驱动系统用于驱动所述螺杆与所述滚轮副； 所述活动横梁与所述机身相连，用于承载所述喷头与所述旋转驱动系统，使所述喷头相对所述活动横梁作左右水平运动，又相对所述机身作上下运动，以便调节所述喷头相对于所述工作台的距离，并在成形工件的一层截面后，带动所述喷头上升一个层高，再成形工件的下一层截面； 所述工作台位于所述喷头的下方，与所述机身相连，用于承载成形工件，并相对所述机身作前后的水平运动； 所述机身承载整个三维打印机； 所述计算机控制与驱动系统用于整机的自动控制与驱动； 所述三维打印机通过自由成形工艺优化使单个喷头分别成形工件和支撑结构，成形完成后工件易于与支撑结构分离。
2.根据权利要求1所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，所述旋转驱动系统包括步进电机、齿轮传动系统和超越尚合器，其中: 所述旋转驱动系统用所述齿轮传动系统驱动所述螺杆和所述滚轮副； 所述超越离合器用于防止所述步进电机反转而导致丝材从所述喷头中退出。
3.根据权利要求2所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，所述喷头还包括料筒、喷嘴、电加热棒和热电偶，其中: 所述螺杆的上端与所述步进电机的输出轴相连，用于挤出丝材； 所述料筒位于所述螺杆的外部，用于储存丝材； 所述喷嘴与所述料筒的下端相连，用作丝材的挤出口 ； 所述电加热棒分别位于所述料筒和所述喷嘴中，分别用于加热所述料筒中的丝材和所述喷嘴； 所述热电偶分别位于所述料筒和所述喷嘴中，用于控制加热温度。
4.根据权利要求1所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，所述供料装置还包括料盘、进料口，其中所述料盘置于所述喷头的右侧，用于缠绕丝材，所述滚轮副夹持从所述料盘抽出的丝材并迫使其进入所述喷头，所述进料口与所述料筒的上部相连，用作丝材的入口。
5.根据权利要求1所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，所述工作台包括伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨，其中: 所述伺服电机根据工件截面图形驱动所述喷头前后水平运动，改变挤出丝材的沉积位置； 所述滚珠丝杠将所述伺服电机的旋转运动变换为直线运动； 所述直线导轨用于所述工作台前后水平运动的导向。
6.根据权利要求1所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，所述计算机控制与驱动系统在成形过程中， 使所述喷头根据工艺优化的需要自动调整高度、运动轨迹和挤料速度。
7.根据权利要求6所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，在工件的成形必须有支撑结构时，自动调整所述喷头相对所述工作台的高度，使与工件接触处的支撑结构的层高为工件层高的1.5倍，形成错层成形，有利于成形完成之后工件与支撑结构的分离。
8.根据权利要求6所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，成形支撑结构时，在与工件轮廓可能交汇处，所述喷头自动调整运动轨迹，相对工件轮廓向外偏置一定的距离，构成支撑补偿值，有利于成形完成之后工件与支撑结构的分离。
9.根据权利要求6所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，填充工件截面和支撑结构截面时，所述喷头会自动调整运动轨迹，在工件截面的周边采取环形扫描填充，在工件截面的内部采取交叉倾斜平行线扫描填充，在支撑结构截面采取恒定平行线扫描填充。
10.根据权利要求6所述的单喷头熔融挤压式三维打印机，其特征在于，成形支撑结构时，所述喷头自动调整 挤料速度，使成形支撑结构的挤料速度低于成形工件的挤料速度。
全文摘要
本发明公开了单喷头熔融挤压式三维打印机，成形效率高、工件密实，成形机的结构更紧凑。其技术方案为采用滚轮副和螺杆送进和挤出丝材，通过挤出丝材的精密控制和工艺优化，只需单个喷头就能分别成形工件和支撑结构。相对于传统的三维打印机，具有挤料力大、出料稳定、只需单个喷头就能分别成形工件和支撑结构、成形效率高、工件密实、成形机的结构更紧凑等优点。
文档编号B29C47/08GK103182781SQ20111045413
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者王运赣, 王宣 申请人:上海富奇凡机电科技有限公司