本發(fā)明屬于増材制造，具體涉及一種顆粒料熔融擠出增材制造裝置及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的螺桿擠出3d打印裝置一般由擠出螺桿、進(jìn)料斗、機(jī)筒、打印噴嘴以及加熱器組成，材料從進(jìn)料斗進(jìn)入機(jī)筒，在進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)下材料將被推入到機(jī)筒下段，機(jī)筒下段連接有加熱裝置，可通過(guò)升溫將固體材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，在未熔化材料的擠壓下，熔融材料從打印噴嘴擠出。其中，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)筒內(nèi)部顆粒料均勻受熱與軟化，采用的機(jī)筒往往需要較大的體積，將材料逐步軟化、擠出。較大的機(jī)筒結(jié)構(gòu)侵占了設(shè)備的打印體積，限制了顆粒料熔融增材制造設(shè)備的推廣與應(yīng)用。對(duì)于緊湊型的螺桿擠出機(jī)構(gòu)，往往是通過(guò)加熱塊與料倉(cāng)風(fēng)扇之間的配合工作實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)筒溫度的控制。當(dāng)機(jī)筒長(zhǎng)度較短時(shí)，內(nèi)部顆粒料就難以實(shí)現(xiàn)快速均勻受熱。機(jī)筒下部材料容易因受熱過(guò)多出現(xiàn)碳化等問(wèn)題；機(jī)筒中部材料難以充分受熱，材料熔融效率受到影響，打印速度難以提高；而機(jī)筒上部的顆粒料容易出現(xiàn)過(guò)早受熱熔化的情況，極易出現(xiàn)機(jī)筒堵塞的問(wèn)題。傳統(tǒng)方式通過(guò)溫度檢測(cè)控制風(fēng)扇與加熱溫度的方法，一定程度上可以解決上述問(wèn)題，但不能針對(duì)機(jī)筒每一段的具體情況以及顆粒料的具體性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱、保溫、散熱三個(gè)功能，顆粒料熔融效果不佳。因此當(dāng)前迫切需要對(duì)打印裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)溫度場(chǎng)的合理化設(shè)計(jì)，解決緊湊型螺桿擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部材料受熱過(guò)多，易出現(xiàn)熱管理不當(dāng)而結(jié)塊的等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)顆粒料熔融效果與效率的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出一種顆粒料熔融擠出增材制造裝置及設(shè)計(jì)方法。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種顆粒料熔融擠出增材制造裝置，包括機(jī)筒、料倉(cāng)溫控風(fēng)扇、加熱塊、擠出螺桿、聯(lián)軸器、打印噴嘴、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及外殼；

4、外殼內(nèi)設(shè)有多組安裝鈑金，機(jī)筒、料倉(cāng)溫控風(fēng)扇及驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別固設(shè)在安裝鈑金上；擠出螺桿設(shè)置在機(jī)筒內(nèi)并通過(guò)聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接；打印噴嘴設(shè)置在機(jī)筒底部出料孔處，加熱塊與打印噴嘴連接；

5、機(jī)筒由機(jī)筒上部、機(jī)筒中部以及機(jī)筒下部組成；機(jī)筒中部由內(nèi)筒和外筒組成，外筒包圍在內(nèi)筒外周，內(nèi)筒在運(yùn)輸段至計(jì)量段之間設(shè)有類喉管結(jié)構(gòu)，類喉管結(jié)構(gòu)具體為內(nèi)筒外壁設(shè)有環(huán)形凹槽；類喉管結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度場(chǎng)仿真進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)類喉管結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度與環(huán)形凹槽深度以調(diào)控傳熱。

6、進(jìn)一步的，機(jī)筒上部具體為柵欄式料倉(cāng)，柵欄式料倉(cāng)采用鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且安裝位置與料倉(cāng)溫控風(fēng)扇平齊；

7、機(jī)筒下部包括出料孔和加熱塊，加熱塊設(shè)有多個(gè)通孔，用于安裝加熱棒；

8、內(nèi)筒筒壁和外筒筒壁在柵欄式料倉(cāng)的底部連接，內(nèi)筒筒壁和外筒筒壁之間設(shè)有中空包圍區(qū)和氣流流道。

9、進(jìn)一步的，還包括進(jìn)料斗，進(jìn)料斗與柵欄式料倉(cāng)連接，用于顆粒料的進(jìn)料。

10、進(jìn)一步的，內(nèi)筒內(nèi)設(shè)出料通道，出料通道連通柵欄式料倉(cāng)與出料孔；柵欄式料倉(cāng)與機(jī)筒中部之間設(shè)有變傾角進(jìn)料結(jié)構(gòu)，通過(guò)逐級(jí)增大傾角保證材料順利從柵欄式料倉(cāng)進(jìn)入出料通道，有效防止材料滯留。

11、進(jìn)一步的，還包括溫度傳感器，溫度傳感器有兩個(gè)，其中一個(gè)設(shè)置在柵欄式料倉(cāng)底部，用于測(cè)量柵欄式料倉(cāng)內(nèi)部溫度，與料倉(cāng)溫控風(fēng)扇協(xié)同形成料倉(cāng)溫度閉環(huán)控制，另一個(gè)設(shè)置在機(jī)筒下部加熱塊的通孔中，用于測(cè)量出料孔材料溫度，與加熱棒協(xié)同形成加熱塊溫度閉環(huán)控制。

12、進(jìn)一步的，還包括控制主板，控制主板分別連接溫度傳感器、料倉(cāng)溫控風(fēng)扇、加熱塊以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制主板用于根據(jù)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，控制料倉(cāng)溫控風(fēng)扇工作、設(shè)定加熱塊的加熱溫度以及控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

13、進(jìn)一步的，根據(jù)需求，類喉管結(jié)構(gòu)的數(shù)量為一到多個(gè)。

14、本發(fā)明還包括基于提供的顆粒料熔融擠出增材制造裝置的設(shè)計(jì)方法，方法包括以下步驟：

15、s1、獲取所需打印顆粒料的直徑大小，根據(jù)顆粒料直徑大小設(shè)計(jì)柵欄式料倉(cāng)鏤空結(jié)構(gòu)；

16、s2、獲取所需打印顆粒料熔化溫度，并根據(jù)熔化溫度確定材料熔融溫度的理論閾值以及相應(yīng)儲(chǔ)料溫度的最大值；

17、s3、結(jié)合溫度場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)內(nèi)筒壁厚度、類喉管結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度及環(huán)形凹槽深度；

18、s4、結(jié)合溫度場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)外筒形狀、長(zhǎng)度及筒壁厚度；

19、s5、結(jié)合溫度場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)中空包圍區(qū)長(zhǎng)度及寬度；

20、s6、結(jié)合溫度場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)氣流流道寬度；

21、s7、制造并裝配裝置的各組成部件，得到顆粒料熔融擠出增材制造裝置。

22、進(jìn)一步的，根據(jù)顆粒料直徑大小設(shè)計(jì)柵欄式料倉(cāng)鏤空結(jié)構(gòu)，包括對(duì)鏤空結(jié)構(gòu)形狀、大小、鏤空密集程度的設(shè)計(jì)；

23、內(nèi)筒、外筒、中空包圍區(qū)以及氣流流道的相關(guān)設(shè)計(jì)根據(jù)打印顆粒料熔融溫度的理論閾值以及儲(chǔ)料溫度的最大值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件完成對(duì)機(jī)筒的數(shù)字化設(shè)計(jì)。

24、進(jìn)一步的，方法還包括采用機(jī)械加工的方法制造內(nèi)設(shè)的出料通道，通過(guò)增材制造的方法制造機(jī)筒，制作完成后將出料通道與機(jī)筒內(nèi)筒進(jìn)行裝配。

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

26、1、本發(fā)明機(jī)筒中部?jī)?nèi)外筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱、保溫、散熱三種功能，減小熱端加熱功率的同時(shí)降低料倉(cāng)結(jié)塊概率。采用加熱塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可以兼容市面上量大且低價(jià)的加熱原件。熱量從加熱塊向上傳導(dǎo)，出料通道內(nèi)的顆粒料逐步受熱熔化，熱量再?gòu)淖儍A角進(jìn)料結(jié)構(gòu)下部由外機(jī)筒壁向外導(dǎo)出，從而實(shí)現(xiàn)料倉(cāng)熱量的散發(fā)及內(nèi)筒壓縮段與計(jì)量段的保溫；內(nèi)外筒之間存在中空包圍區(qū)，能通過(guò)空氣有效隔絕內(nèi)機(jī)筒溫度的向外散失，同時(shí)氣流流道的設(shè)計(jì)，也能有效控制控制保溫與散熱效果；通過(guò)內(nèi)外筒、中空包圍層以及氣流流道多個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)筒不同位置的顆粒料能同時(shí)達(dá)到相應(yīng)的加熱狀態(tài)，有效保證了熔融效果。

27、2、在內(nèi)筒設(shè)計(jì)有類喉管結(jié)構(gòu)，通過(guò)類喉管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)筒溫度場(chǎng)的有效管理；現(xiàn)有緊湊型螺桿擠出機(jī)構(gòu)均是通過(guò)單一加熱端與多段散熱風(fēng)扇的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸段與料倉(cāng)的溫度管理，但這會(huì)導(dǎo)致機(jī)筒溫度不均勻及熱端加熱功率的大幅增加；本發(fā)明通過(guò)在機(jī)筒內(nèi)容設(shè)計(jì)類喉管結(jié)構(gòu)，并通過(guò)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與溫度場(chǎng)仿真結(jié)合，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)改變類喉管結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、厚度、分布位置等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)筒內(nèi)筒熱量傳遞的控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)筒溫度場(chǎng)的高效管理。并進(jìn)一步通過(guò)類喉管結(jié)構(gòu)提高機(jī)筒在壓縮段與料倉(cāng)之間的溫度差異，實(shí)現(xiàn)材料的快速軟化，提高緊湊型螺桿擠出設(shè)備的成形效率。

28、3、實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)化檢測(cè)與實(shí)時(shí)調(diào)控：柵欄式料倉(cāng)底部與機(jī)筒下部分別設(shè)有溫度傳感器，柵欄式料倉(cāng)底部溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)料倉(cāng)溫度，并傳輸?shù)娇刂浦靼澹煽刂浦靼鍖?duì)料倉(cāng)溫控風(fēng)扇的開(kāi)閉進(jìn)行控制，有效保證了料倉(cāng)內(nèi)的溫度始終保持在熔融溫度以下，固體顆粒料不會(huì)提前熔化，最大程度避免了過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間導(dǎo)致顆粒料的變性問(wèn)題；機(jī)筒下部溫度傳感器對(duì)于實(shí)時(shí)檢測(cè)熔融材料溫度，并傳輸?shù)娇刂浦靼?，由控制主板?duì)加熱塊的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免過(guò)高溫度使材料性能受到影響以及過(guò)低的溫度使得材料無(wú)法充分熔化堵塞打印噴嘴的問(wèn)題；通過(guò)兩個(gè)溫度傳感器、控制主板以及受控元件構(gòu)建起的雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)溫度的精確化檢測(cè)與實(shí)時(shí)調(diào)控，有效將打印溫度控制在合理范圍。

29、4、機(jī)筒結(jié)構(gòu)可采用三維設(shè)計(jì)軟件，具有極高的自由度，可根據(jù)實(shí)際顆粒料具體參數(shù)對(duì)柵欄式料倉(cāng)、內(nèi)筒、外筒、中空包圍區(qū)以及氣流流道結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；在現(xiàn)有機(jī)筒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上僅需要進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的改變就能得到溫度符合預(yù)期的機(jī)筒，使得打印裝置的設(shè)計(jì)更加合理，同時(shí)也設(shè)計(jì)了溫度傳感器的裝配位置，使得溫度檢測(cè)與調(diào)控也更加符合實(shí)際，具有較廣的應(yīng)用范圍。