本發(fā)明涉及一種增材制造系統(tǒng)，尤其涉及一種熔融絲材制造系統(tǒng)的擠出頭機(jī)構(gòu)或擠出機(jī)。

背景技術(shù)：

熔融絲材制造是幾種已知的3D打印方法之一，其中能夠使用將材料逐層地沉積在水平的構(gòu)建表面上的增材方法來(lái)從3D CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型直接制造物理構(gòu)件。這樣的層通常0.05至1毫米厚，這取決于所使用的通過(guò)將3D CAD模型“切片”轉(zhuǎn)化成用于沉積材料的擠出頭的運(yùn)動(dòng)來(lái)闡釋的技術(shù)。在熔融絲材制造中，沉積技術(shù)是通過(guò)擠出機(jī)擠出聚合物，借以使聚合物絲材由進(jìn)料裝置供給到加熱的噴嘴中，并以熔融狀態(tài)被擠出成線通過(guò)垂直定向的噴嘴而擠出在水平的構(gòu)建表面上。打印噴嘴和構(gòu)建表面之間的空間決定了層厚度。通過(guò)在水平的X和Y方向上相對(duì)于構(gòu)建表面來(lái)移動(dòng)打印噴嘴，同時(shí)以受控速率來(lái)供給構(gòu)建材料，能夠完成構(gòu)建層，之后相對(duì)于構(gòu)建表面使噴嘴在Z方向的正向上移動(dòng)一個(gè)層的厚度允許在之前打印的層上打印下一個(gè)X-Y層，依此類推。每個(gè)新擠出的塑料柱熔融并且在X、Y和Z方向上與之前沉積的材料結(jié)合，使得能夠基于3D CAD模型逐漸地構(gòu)建出物理對(duì)象。

在本領(lǐng)域中存在上述類型的3D打印機(jī)的若干示例。已過(guò)期的美國(guó)專利號(hào)US5121329Stratasys公司的Crump描述了通過(guò)使用穿過(guò)打印噴嘴擠出流體材料來(lái)制造3D模型的基本形式，其中，擠出的流體材料在溫度下降時(shí)凝固到構(gòu)建表面上。上述專利還教導(dǎo)使用容納在供應(yīng)卷軸上的柔性絲材構(gòu)建材料，由此，絲材通過(guò)兩個(gè)進(jìn)料輥從卷軸抽出并進(jìn)入加熱的噴嘴，使得絲材熔融并由于進(jìn)料輥所產(chǎn)生的壓力而通過(guò)噴嘴。Batchelder等人的US5764521描述了一種使用進(jìn)給螺桿來(lái)供給構(gòu)建材料的替代方法。Batchelder等人的US5968561公開了對(duì)擠出噴嘴和構(gòu)建平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)。

三維打印機(jī)的共同目標(biāo)是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可能的最佳構(gòu)建分辨率。在基于熔融絲材制造的3D打印機(jī)的情況下，構(gòu)建的分辨率與噴嘴直徑和層厚度成比例。構(gòu)建的速度與從噴嘴擠出熔融材料的速度成比例，而從噴嘴擠出熔融材料的速度由噴嘴面積和每秒擠出的熔融材料的最大體積決定。擠出速度由擠出的熔融材料的體積除以擠出的熔融材料線的面積決定。事實(shí)上，由于噴嘴尺寸較小使構(gòu)建的分辨率加倍，因此構(gòu)建的速度減慢4倍。這種分辨率與構(gòu)建速度的困境使得擠出速度成為改進(jìn)的關(guān)鍵因素。

熔融絲材制造3D打印機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng)是擠出機(jī)。擠出機(jī)的一種類型是US5764521中所描述的螺桿式類型，其中使用轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)給螺桿將聚合物材料進(jìn)給到加熱進(jìn)料器中，所述加熱進(jìn)料器能夠在高壓下將熔融聚合物擠出通過(guò)噴嘴。雖然這種類型通常能夠?qū)崿F(xiàn)高擠出壓力，但是重要的缺點(diǎn)在于它的重量，其限制了X-Y平面中的加速度，因此限制了總體打印速度。另一個(gè)缺點(diǎn)是螺桿機(jī)構(gòu)的大尺寸，這使其難以安裝到3D打印機(jī)中。更常見且優(yōu)選使用的一種不同類型的擠出機(jī)包括具有絲材進(jìn)料器裝置的“冷”端和具有加熱的擠出噴嘴的“熱”端。進(jìn)料器將絲材材料從供應(yīng)輥拉出，并通過(guò)壓力將其供給到主要包括加熱管的加熱噴嘴中。進(jìn)料器裝置的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，并且已知幾種變型:最常用的方法是在從動(dòng)擠壓輪和彈簧壓板或滾輪之間以直線供給絲材。擠壓輪能夠是滾花的、有齒的、滾銑的或以其它方式來(lái)處理的，以增加摩擦從而增加可應(yīng)用于絲材的牽引力。例如，優(yōu)選的是其中齒形輪廓是凹形的齒形擠壓輪以提供與絲材的線接觸而非點(diǎn)接觸。對(duì)于高分辨率和更快的構(gòu)建速度而言，需要以更高的進(jìn)給速率擠出更薄的熔融材料。提高的分辨率和提高的擠出速度導(dǎo)致相對(duì)于絲材的可夾持表面的面積的更高的噴嘴壓力，并因此導(dǎo)致絲材和進(jìn)料裝置之間的可用摩擦。由于進(jìn)料裝置中的滑移，理論和實(shí)際的擠出速度之間的差距增大。使用ABS材料，目前的3D打印機(jī)技術(shù)局限于約10cm³/s的擠出，其相當(dāng)于使用0.4mm直徑的噴嘴的80mm/sec的擠出速度。超過(guò)該限制，滑移變得不可接受，這能夠?qū)е虏钯|(zhì)量和構(gòu)建中斷。如果該技術(shù)可以在進(jìn)料機(jī)構(gòu)中不存在滑移的情況下，通過(guò)絲材材料的更高進(jìn)料速率而允許更薄的噴嘴直徑和更高的擠出速度的話，則會(huì)是有利的。結(jié)構(gòu)緊湊且重量輕，從而使得能夠快速加速并且因此獲得更高的打印速度，其也會(huì)是有利的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了一種用于熔融絲材制造3D打印機(jī)的改進(jìn)的擠出機(jī)頭，其具有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)并且能夠在絲材進(jìn)料機(jī)構(gòu)中沒有任何滑移的情況下以更高的擠出速度擠出更薄的擠出材料，從而允許3D打印機(jī)的更高的整體構(gòu)建速度。更高的絲材材料進(jìn)給速率是通過(guò)增加絲材的可夾持面積而由擠壓輪和絲材之間的增大的可用摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這通過(guò)以不同于出口角度的角度將絲材進(jìn)給到進(jìn)給機(jī)構(gòu)中并將其繞著由多個(gè)支承輥向后支承的擠壓輪引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得絲材沿著擠壓輪圓周的更大部分與擠壓輪摩擦接觸，從而增加了擠壓輪和絲材之間的表面接觸面積。由于絲材進(jìn)料器的非滑移性，擠出材料的標(biāo)稱體積與在高的絲材進(jìn)料速率下的所期望體積完全相同。

附圖說(shuō)明

圖1示出3D打印機(jī)的示意性布局，其表示相對(duì)于其他關(guān)鍵部件的擠出機(jī)頭。

圖2示出擠出機(jī)的3D視圖。

圖3示出擠出機(jī)的分解圖。

圖4示出擠出機(jī)冷端的分解圖。

圖5示出擠出機(jī)的橫截面圖。

圖6示出擠出機(jī)熱端的細(xì)節(jié)。

圖7示出具有180度的絲材接觸角的實(shí)施例。

部件表

1步進(jìn)電機(jī) 21加熱器

2電機(jī)安裝件 22噴嘴

3擠出機(jī)體 23絲材

4蝸桿蝸輪 24絲材出口方向

5擠壓機(jī)支架 25冷端

6冷卻風(fēng)扇 26熱端

7冷端散熱器 27 3D打印機(jī)

8a蓋A、8b蓋B 28絲材卷

9、9a–9f支承輥 29構(gòu)建表面

10擠壓輪 30絲材接觸角v

11擠壓輪軸 31支承輥中心距離d

12蝸輪 32水平梁

13蝸輪軸承 33垂直梁

14絲材入口 34絲材卷支承梁

15擠壓輪軸承 35構(gòu)建表面的線性導(dǎo)軌

16熱端管 36部分熔融的聚合物

17隔熱器 37熔融聚合物

18熱端散熱器 38擠出的熔融聚合物線

19加熱器組件 39絲材導(dǎo)槽

20溫度傳感器 40絲材導(dǎo)管

41絲材入口方向

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，提供有一種3D打印機(jī)27，其具有通過(guò)線性導(dǎo)軌35引導(dǎo)能夠在水平Y(jié)方向上移動(dòng)的水平構(gòu)建表面29和布置在水平梁32上以能夠在水平x和垂直z方向上移動(dòng)的擠出機(jī)頭3，和絲材進(jìn)料卷28，該絲材進(jìn)料卷布置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的擠出機(jī)體3的最大運(yùn)動(dòng)之上的支承梁34上，以便根據(jù)需要通過(guò)絲材入口14將表示為23的絲材自由地分配到擠出機(jī)體3中。

參照?qǐng)D2和圖3，擠出機(jī)頭通常包括冷端25和熱端26。冷端包括擠出機(jī)體3，所述擠出機(jī)體3容納用于將絲材23從進(jìn)料卷28拉出并將其通過(guò)熱端管16推入熱端26進(jìn)入加熱器塊19中的絲材進(jìn)料裝置，在加熱器塊19中，絲材由加熱器21產(chǎn)生的熱而液化。溫度由溫度傳感器20監(jiān)控，并反饋到未示出的計(jì)算機(jī)控制裝置中。連接到冷端的是步進(jìn)電機(jī)1，其安裝在連接到擠出機(jī)體3的電機(jī)安裝件2上。冷端散熱器7和冷卻風(fēng)扇6連接到電機(jī)安裝件2上。

現(xiàn)在參照?qǐng)D4和圖5以闡釋擠出機(jī)體3和進(jìn)料器裝置的細(xì)節(jié)。在擠出機(jī)體3內(nèi)部設(shè)置有由步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)的蝸桿蝸輪4。蝸桿蝸輪4驅(qū)動(dòng)通過(guò)擠壓輪軸11連接到擠壓輪10的蝸輪12。擠壓輪10配備有夾持裝置，優(yōu)選為齒，以使作用在絲材23上的拉力或推力最大化。優(yōu)選地，總體上以9來(lái)表示的三個(gè)支承輥在擠壓輪10的外側(cè)布置在機(jī)加工的軸上。優(yōu)選實(shí)施例中的支承輥9a、9b和9c優(yōu)選是具有相同尺寸的滾珠軸承，并且優(yōu)選與擠壓輪10等中心距d地并且與擠壓輪10間隔開地沿著弧形形狀均勻分布，使得它們之間的間隙形成通道，所述通道適于接收并足夠緊地引導(dǎo)絲材23以使擠壓輪10對(duì)絲材23產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)摩擦?？梢杂辛硗獾囊龑?dǎo)槽39以幫助絲材找到其通過(guò)絲材通道的路徑。支承輥9a和9c的中心點(diǎn)與擠壓輪10的中心點(diǎn)限定絲材接觸角v 30。絲材接觸角v 30是限定擠壓輪10在絲材23上可夾持的總面積的角。擠壓輪10和絲材23之間的力由支承輥9a、9b、9c和擠壓輪10之間的間隙限定。該間隙小于絲材23的尺寸，這迫使擠壓輪10克服支承輥9a-9c的支承力陷入絲材。因此，限定擠壓輪10在絲材23上的總可用拉力或推力的是絲材接觸角v和擠壓輪10與支承輥9a、9b和9c之間的間隙。

現(xiàn)在參考圖5以闡釋熱端26的細(xì)節(jié)。絲材23從進(jìn)給裝置沿著以24表示的絲材出口方向被推出，進(jìn)入熱端管16中。熱端管將絲材23從冷端25(在此處其絲材處于固態(tài))引導(dǎo)到熱端26中，在那里絲材通過(guò)加熱器組件19內(nèi)的加熱器21所產(chǎn)生的熱而液化，并且最終以液體形式通過(guò)噴嘴22擠出。為了將冷端25與熱端26中的較高溫度隔離，存在用于從熱端管16的頂端移除熱量的熱端散熱器18和用于使擠出體3與熱端管16和熱端散熱器18中的剩余熱絕緣的隔熱器17。

在擠出機(jī)體3的另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，總體以9來(lái)表示的支承輥的數(shù)量可以根據(jù)它們的尺寸或所需的絲材接觸角30而變化。因此，根據(jù)需要，支承輥9之間的間距可以更短或更長(zhǎng)。例如，代替使用三個(gè)支承輥9a、9b和9c，可以設(shè)想，如果各個(gè)輥的尺寸更小并且足以填充在絲材接觸角v 30下的可用空間的話，則可以使用四個(gè)或五個(gè)支承輥來(lái)填充所需的絲材接觸角v 30。同樣，可以設(shè)想，只要絲材接觸角v 30比使用僅一個(gè)支承輥的情況更大，就可以使用僅兩個(gè)支承輥。在需要更大的絲材接觸角30(例如180度)的情況下，如圖7所示，可能需要多達(dá)六個(gè)支承輥9。在這種具有提供180度的絲材接觸角v 30的6個(gè)支承輥9的情況下，支承輥9e可能必須更大以允許絲材23的足夠大的彎曲半徑。。

在擠出機(jī)體3的另一個(gè)實(shí)施例中，可以設(shè)想，總體以9來(lái)表示的支承輥可以由低摩擦的一般支承裝置來(lái)代替。例如，弧形引導(dǎo)件設(shè)計(jì)為在絲材接觸角v30的跨度上對(duì)絲材23進(jìn)行支承，但是依靠對(duì)絲材23的低摩擦力，同時(shí)仍然提供足夠的壓力來(lái)抵抗擠壓輪10。這樣的低摩擦可以例如由鋼引導(dǎo)件上的PTFE涂層或高度拋光的表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在擠出機(jī)體3的另一個(gè)實(shí)施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，擠壓輪10和絲材23之間的摩擦可以以多種方式來(lái)最大化，例如，擠壓輪10的表面可以是滾花的、帶齒的、滾銑的或具有凹形齒廓的，或以其它方式來(lái)表面處理以增加摩擦。

在擠出機(jī)體3的最后的實(shí)施例中，支承輥9或支承裝置可以是彈簧加載的，以提供抵抗擠壓輪10的受控壓力。