專利名稱：螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快速成形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)。
背景技術(shù)：
快速成形(RAPID PROTOTYPING-RP)技術(shù)是80年代后期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。雖然研究發(fā)展的時(shí)間不長(zhǎng)，但RP已經(jīng)成長(zhǎng)為一門(mén)成熟的技術(shù)。
在快速成形系統(tǒng)中，基于熔融沉積成形工藝的螺旋擠壓噴頭技術(shù)主要有以絲狀材料為原料的美國(guó)STRATASYS公司的FDM系列快速成形機(jī)和清華大學(xué)的MEM系列快速成形機(jī)為代表。這類技術(shù)的基本原理是利用兩個(gè)(或多個(gè))由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的摩擦輪提供驅(qū)動(dòng)力，將絲料送進(jìn)噴頭材料通道入口，加熱噴頭在加熱器和溫度調(diào)節(jié)器作用下，保持恒溫，且成形室也要保持恒溫(比室溫高)，保證絲料通過(guò)后從固態(tài)變成熔融態(tài)，熔融態(tài)材料從較小直徑的噴嘴中擠出，形成材料堆積路徑，在操作臺(tái)上形成工件，在計(jì)算機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)基于熔融擠壓堆積成形原理的快速成形工藝。
由上述這種成形機(jī)的基本原理可知，這種快速成形系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、供料系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)承載部件及電器運(yùn)動(dòng)控制和溫度控制等。
機(jī)械系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴頭、成形室、材料室、控制柜與電源柜等單元。一般機(jī)械系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)單元相互獨(dú)立。如運(yùn)動(dòng)單元只完成掃描和升降動(dòng)作，而且整機(jī)運(yùn)動(dòng)精度只決定于運(yùn)動(dòng)單元的精度，與其它單元無(wú)關(guān)。因此，每個(gè)單元可以根據(jù)其功能要求，采用不同的設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)單元和噴頭單元對(duì)精度要求較高，特別關(guān)注其部件的選用及零件的加工。電源室和控制室需要具有防止干擾和抗干擾的能力，應(yīng)采用屏蔽措施。
基于PC總線的運(yùn)動(dòng)控制卡能實(shí)現(xiàn)直線、圓弧插補(bǔ)和多軸聯(lián)動(dòng)功能。噴頭控制具備對(duì)噴頭的出絲控制功能，完成超前與滯后動(dòng)作補(bǔ)償功能，同時(shí)控制噴頭的準(zhǔn)確啟停。
控制系統(tǒng)配備了溫度控制裝置，分別檢測(cè)與控制成形噴嘴、支撐噴嘴和成形室溫度。成形噴嘴、支撐噴嘴和成形室溫度的控制精度要很精確(小于±1°)，溫度的變化對(duì)制件的尺寸精度和表面質(zhì)量都有極大的影響。
軟件系統(tǒng)分幾何建模和信息處理兩部分。幾何建模單元是由設(shè)計(jì)人員借助CAD軟件，如Pro-E、AutoCAD、UG等構(gòu)造產(chǎn)品的實(shí)體模型或由三維測(cè)量?jī)x器獲取的數(shù)據(jù)重構(gòu)產(chǎn)品的實(shí)體模型。最后以STL格式輸出原型的幾何信息。
信息處理單元由STL文件處理、工藝處理、數(shù)字控制、圖形顯示等模塊組成，分別完成STL文件查錯(cuò)與糾錯(cuò)、截面層文件生成、填充計(jì)算、數(shù)控代碼生成和對(duì)成形系統(tǒng)的控制。工藝處理模塊根據(jù)STL文件判斷制件成形過(guò)程中是否需要支撐，在要支撐時(shí)，先設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)并生成支撐，然后對(duì)STL文件分層切片，最后根據(jù)每一層的填充路徑，輸出成形系統(tǒng)要求的CLI文件格式。
供料系統(tǒng)采用連續(xù)的送料機(jī)構(gòu)，由一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)襯有橡膠的輥?zhàn)域?qū)動(dòng)絲料進(jìn)入下一級(jí)加壓機(jī)構(gòu)。兩個(gè)輥?zhàn)又g的距離可以通過(guò)另一個(gè)輥?zhàn)拥膹较蛞苿?dòng)來(lái)調(diào)整。確保絲料被兩個(gè)輥?zhàn)訆A緊，不會(huì)打滑。制造系統(tǒng)要求成形材料及支撐材料為絲料，并且具有低的凝固收縮率、陡的粘度-溫度曲線和一定的強(qiáng)度、硬度、柔韌性。ABS、尼龍、石蠟等熱塑性塑料經(jīng)適當(dāng)改性后都可以使用。
這種成形機(jī)的主要缺點(diǎn)有沒(méi)有充分地解決好基于層制造技術(shù)所需的高壓力、高速的材料流動(dòng)、和高速的壓力變化三者間結(jié)合的關(guān)系；成形速度慢，擠出材料的流量較低，一般小于0.1cm3/s，從而降低了成型效率和成型速度；成形必須在高于室溫的恒溫中進(jìn)行，使得機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行成本增加；這種機(jī)器目前售價(jià)較高，在40～100萬(wàn)人民幣之間，屬于高價(jià)位機(jī)器，很難推廣。
噴頭是實(shí)現(xiàn)熔融擠壓堆積成形的關(guān)鍵部件，是很好地實(shí)現(xiàn)堆積成形的前提和核心，噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法是否合理，直接關(guān)系到成型過(guò)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。
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(kāi)發(fā)基于高聚物材料的噴頭系統(tǒng)是實(shí)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(dòng)性較差，流動(dòng)時(shí)需要較大的推動(dòng)力，且運(yùn)動(dòng)慣性也較大，因此實(shí)時(shí)啟停性很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，不需要設(shè)計(jì)成形室。通過(guò)螺旋擠壓噴頭能夠提高噴嘴材料的擠出速度和擠出材料的粘度，減小擠出材料的截面積，提高熔融沉積快速成形機(jī)的成形質(zhì)量和成形速度。并且采用伺服控制系統(tǒng)的垂直伺服機(jī)構(gòu)控制工作臺(tái)升降以提高成形質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，包括伺服控制系統(tǒng)、送料機(jī)構(gòu)、噴頭和工作臺(tái)，所述伺服控制系統(tǒng)包括縱向伺服機(jī)構(gòu)、橫向伺服機(jī)構(gòu)和垂直伺服機(jī)構(gòu)，所述送料機(jī)構(gòu)與噴頭相連，所述噴頭與橫向伺服機(jī)構(gòu)相連，所述噴頭為螺旋擠壓噴頭，所述的螺旋擠壓噴頭包括步進(jìn)電機(jī)、由所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿、加熱裝置及噴嘴，所述噴嘴的材料可以是銅，所述伺服控制系統(tǒng)的垂直伺服機(jī)構(gòu)控制工作臺(tái)升降。
作為本發(fā)明的一改進(jìn)，在所述橫向伺服機(jī)構(gòu)還連有支撐材料噴頭。
作為本發(fā)明的另一改進(jìn)，所述所述螺旋擠壓噴頭的加熱裝置為電熱棒。
本發(fā)明采用螺旋擠壓噴頭結(jié)構(gòu)，提高了熔融沉積快速成形機(jī)的成形質(zhì)量和成形速度；成形機(jī)不需要設(shè)計(jì)成形室，熔融材料在室溫下成形，不需要保溫，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，易于實(shí)施，機(jī)器的成本也降低到15～20萬(wàn)元人民幣，容易推廣，而且體積小，可以作為辦公室計(jì)算機(jī)的外設(shè)使用；此外，本發(fā)明的機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)采用精巧龍門(mén)式機(jī)架，啟動(dòng)慣量小，速度快。


圖1為螺旋擠壓噴頭示意2為本發(fā)明螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
一種螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，如圖2所示，其中件2、4、12分別是縱向、橫向、垂直方向的伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)，它們由控制系統(tǒng)1來(lái)控制。送料機(jī)構(gòu)6控制絲狀材料的進(jìn)給速度。它必須與噴頭的掃描速度協(xié)調(diào)控制。絲狀材料5經(jīng)加熱線圈7加熱后變?yōu)槿廴趹B(tài)，進(jìn)入螺旋擠壓頭9，從噴頭的噴嘴15噴出，涂覆在工作臺(tái)11上的工件表面上。絲狀材料5經(jīng)過(guò)兩個(gè)的增壓過(guò)程增壓的第一步是增加絕對(duì)壓力，由送料機(jī)構(gòu)6產(chǎn)生，絲狀材料5經(jīng)歷從初始?jí)毫Φ街虚g壓力。初始?jí)毫νǔＪ侵車h(huán)境的大氣壓力。中間壓力是處于初始?jí)毫桶呀z狀材料5推出噴嘴15的峰值壓力之間的壓力。要求中間壓力在最大需求測(cè)定體積沉積速度下，把絲狀材料5推進(jìn)第二步增壓的入口。尤其要求中間壓力確信絲狀材料5的充分流動(dòng)，在所有期望的測(cè)定體積沉積速度下到達(dá)增壓第二階段，確保絲狀材料5的不間斷流動(dòng)；增壓的第二階段是通過(guò)螺旋擠壓機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它增加絕對(duì)壓力，在預(yù)定速度下，絲狀材料5從中間壓力到任何所需從噴嘴15推出材料的瞬時(shí)壓力，到達(dá)最大所需測(cè)定體積沉積速度。
圖1為螺旋擠壓噴頭示意圖。其中，螺旋擠壓噴頭內(nèi)的螺桿14與送絲機(jī)構(gòu)6用可沿R方向旋轉(zhuǎn)的同一步進(jìn)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)，當(dāng)外部計(jì)算機(jī)發(fā)出指令后，步進(jìn)電機(jī)15驅(qū)動(dòng)螺桿14，同時(shí)，又通過(guò)齒形皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)16與送料輥6將絲狀材料5送入螺旋擠壓噴頭，在螺旋擠壓噴頭中，由于電熱棒8的作用，絲狀材料5呈熔融狀態(tài)，并在螺桿14的推擠下，通過(guò)銅質(zhì)噴嘴15涂覆在工作臺(tái)11上。與此同時(shí)，外部計(jì)算機(jī)針對(duì)工件三維計(jì)算機(jī)模型沿高度方向切片的結(jié)果，將不同截面層的輪廓數(shù)據(jù)傳至控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)與螺旋擠壓噴頭沿X-Y方向做合成運(yùn)動(dòng)，從而使涂覆并凝固在工作臺(tái)上的塑料形成工件相應(yīng)的截面輪廓。完成一層的涂覆后，所述伺服控制系統(tǒng)的垂直伺服機(jī)構(gòu)12控制工作臺(tái)11下降一個(gè)截面層的厚度(通常約為0.1mm)，然后重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)截面輪廓的涂覆，直至完成整個(gè)工件的成形。
權(quán)利要求
1.一種螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，包括伺服控制系統(tǒng)、送料機(jī)構(gòu)、噴頭和工作臺(tái)，所述伺服控制系統(tǒng)包括縱向伺服機(jī)構(gòu)、橫向伺服機(jī)構(gòu)和垂直伺服機(jī)構(gòu)，所述送料機(jī)構(gòu)與噴頭相連，所述噴頭與橫向伺服機(jī)構(gòu)相連，其特征在于所述噴頭為螺旋擠壓噴頭，所述所螺旋擠壓噴頭包括步進(jìn)電機(jī)、由所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿、加熱裝置及噴嘴，所述伺服控制系統(tǒng)的垂直伺服機(jī)構(gòu)控制工作臺(tái)升降。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，其特征在于所述橫向伺服機(jī)構(gòu)上還連有支撐材料噴頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，其特征在于所述所述螺旋擠壓噴頭的加熱裝置為電熱棒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，其特征在于所述噴嘴的材料為銅。
全文摘要
一種螺旋擠壓臺(tái)式快速成形機(jī)，包括伺服控制系統(tǒng)、送料機(jī)構(gòu)、噴頭和工作臺(tái)，所述伺服控制系統(tǒng)包括縱向伺服機(jī)構(gòu)、橫向伺服機(jī)構(gòu)和垂直伺服機(jī)構(gòu)，所述送料機(jī)構(gòu)與噴頭相連，所述噴頭與橫向伺服機(jī)構(gòu)相連，所述噴頭為螺旋擠壓噴頭，所述所螺旋擠壓噴頭包括步進(jìn)電機(jī)、由所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿、加熱裝置及噴嘴，所述噴嘴的材料可以是銅，所述伺服控制系統(tǒng)的垂直伺服機(jī)構(gòu)控制工作臺(tái)升降。本發(fā)明采用螺旋擠壓噴頭結(jié)構(gòu)，提高了熔融沉積快速成形機(jī)的成形質(zhì)量和成形速度；成形機(jī)不需要設(shè)計(jì)成形室，熔融材料在室溫下成形，不需要保溫，機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，易于實(shí)施，機(jī)器的成本也降低到15～20萬(wàn)元人民幣，容易推廣，而且體積小，可以作為辦公室計(jì)算機(jī)的外設(shè)使用；此外，本發(fā)明的伺服控制系統(tǒng)采用精巧龍門(mén)式機(jī)架，啟動(dòng)慣量小，速度快。
文檔編號(hào)B29C45/18GK1586862SQ200410053509
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者劉光富 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)