精混式堆积成型法及总成以及彩色FDM‑3D打印机,属于机械领域，2种弃料整合治理法完成：一种是弃料排出法；另一种是弃料缓存法由精准供料机构及精混机构所组成的精混式挤出机总成，可以采用弃掉过度时期的部分熔融物料模式；中心旋转对称状的物料混合腔，其侧面的多个孔为各色熔融物料的入孔，下面的孔作为熔融混合物料挤出孔，上面的孔为混料棍的过孔同时也是通往弃料缓存腔的弃料过料孔；物料混合腔的容积要足够的小，该容积是由混料棍的前端膨大部位(19)与物料混合腔的内壁所围成的薄层微空间决定；这样物料混合腔的所容纳物料体积就可以在0.1立方毫米数量级,可以广泛用于FDM快速成型打印机中。
【技术实现步骤摘要】
[所属领域]本专利技术属于机械领域，确切的讲是一种瞬态容积式多通道物料挤出机总成及用其所制造的彩色FDM-3D打印机。[技术背景]熔融沉积成型(FusedDepositionModeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点，现今大多数桌面FDM型3D打印机均采用这种材料。挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出机总成最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。加热喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层\画出\截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduinomega2560主控板，Ramps1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。ArduinoMega2560主控板ArduinoMega2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega2560主控板供电，直接使用USB5V或通过电源接头供电。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(ArduinoIDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需要在ArduinoIDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。拓展板Ramps1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电源即可。Ramps1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机总成与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机总成2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。A4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴电机及挤出机总成的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、UG、3DMax等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。下位机软件Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在ArduinoIDE软件中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。目前彩色FDM-3D打印机的彩色生成方式有以下3种机型：多色颜料融注混合挤出FDM-3D打印机:2013年4月，美国威斯康星-麦迪逊大学耗材融化之际往里面添加颜色，从而实现FDM3D打印机的彩色打印。开发团队将这个新的装置描述为一支“虚拟画笔”，通过对单个聚合物材料施加一种染色工艺来实现全彩色的3D打印。所以。这本文档来自技高网...
【技术保护点】
精混式堆积成型法，该方法是用于处理多色物料精准混合及逐层堆积方式的FDM‑彩色物件成型方法；实现该方法的主要构造包括:精准供料机构及精准混料机构组成；精准供料机构是由预先加温处理前级及容积泵级组成，精准混料机构是由物料物料混合腔及混色棍组成；精准供料机构的结构特为：使用容积泵如：齿轮容积泵(1)、柱塞泵或蜗杆泵,在容积泵驱动电机(2)的驱动下，进行精准供料，所供物料可以是丝状、粗颗粒或粉末状；在吸入齿轮容积泵(1)之前要预先进行预先加温处理；精准混料机构的结构特点：物料混合腔的形状为中心旋转对称状，侧面的多个孔为各色熔融物料的入孔，下面的孔作为熔融混合物料挤出孔；物料混合腔的容积是由混料棍的前端膨大部位(19)与物料混合腔的内壁所围成的薄层微空间决定；这样物料混合腔的所容纳物料体积就可以微小；混料棍的旋转运动时，由于其头部是活塞状的膨大的侧面部位扫过支物料孔道(12)的所有微孔，将使得扫过挤入各色熔融物料的入孔的各色熔融物料,物料在旋转表面带动下沿着螺旋交汇路径,瞬时充分混合多色微量熔融物料，并在后续物料的推动下，混合物料进入挤出孔排料或棑向弃料缓存腔；另外为完成色调的突变响应，必须完全丢弃或部分丢弃色调过度阶段的全部或一部分混合熔融物料,为此采用2种弃料整合治理法来完成：一种是弃料排出法；另一种是弃料缓存法；弃料排出法就是将过度阶段未完成色调的突变的部分混合物料挤出到打印物件区域以外的陪打印物件上或者是直接打印在成型物件的无需要着色的非表面区域；弃料缓存法是将过度阶段未完成色调的突变的部分混合物料挤到弃料缓存腔；弃料缓存腔与挤出头一起维持一定的高温；弃料缓存法的一种方法是:使用一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,该泵的逆向运转就可以将物料混合腔的熔融物料逆向导出，该弃料也被称之为缓存物料；控制其它各色供料容积泵的转速，使其变容速率等于其它各色容积泵的变容速率之和,物料混合腔的混合物料的流入与流出总量就相等，没有物料从挤出孔被挤出,当控制其它各色容积泵的相对转速，使其变容速率小于其它各色容积泵的变容速率之和,使得物料混合腔的混合物料的流入与流出总量不等，而剩余的部分物料从挤出孔被挤出；此时挤出孔的位移速度与正常相比有所降低处于缓慢位移状态,单位位移长度的色彩变化率有所增加；另外；缓存物料在吸出物料混合腔后，被泵入高温储存腔中，的内部空间形状可以是倒圆台形状的，有利于凝固后取出；缓存物料也可以再被逆向回泵到物料混合腔中,将这部分缓存物料再次利用,打印到物件无需着色的部位,如填充构造、内空间及内表面等；弃料缓存法的另一种方法是:无需容积泵,仅仅在混料棍轴向运动的配合下，向下运动密闭挤出孔,将过度阶段的物料挤到弃料缓存腔；弃料缓存腔位于挤出孔的上方，与挤出头一体化并维持高温，使得存于其中的弃料呈熔融状态,在混料棍轴向向上运动后将密闭通往弃料缓存腔挤的孔,缓存弃料工作结束；其着色方法除了上述多色物料混合方式外,还有单色物料注入多色颜料方式:供色就是使用专用的通道直接向物料混合腔提供各色颜料,它与供料精混式挤出机总成在结构及原理上有很大的相似之处,所不同的是只有1或2路精准供料机构和实现弃料缓存法的弃料缓存构造‑‑‑‑再有一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,在过渡色缓慢期间,该泵逆向运转时将混合物料作为缓存物料由物料混合腔导入弃料缓存腔(19)；控制其它各色容积泵的相对转速及比例，获得各个颜色；供入物料混合腔的料量与泵 离物料混合腔的料量之差也是挤出孔的流量,当流量减少时,意味着挤出机总成的运行速度的匹配减慢,挤出机总成的单位运行距离的颜色变化率增加,色调细节表现能力增强；其特征就在于：方法流程为:采用容积泵将被预先加温处理前级的熔融了的物料泵入到物料混合腔；着色采取多色物料混合方式或单色物料注入多色颜料法；对于物料混合腔的熔融混合物料,采取弃料排出法或弃料缓存法来处加速物料混合腔的混合色度变化速度；对于弃料缓存腔的缓存物料可以弃掉或是选择打印在成型物件的无需要着色的填充区域或表面区域上；物料混合腔中的各色物料的混合采用腔壁自然螺纹混合法或采用混色棍旋转混合法。...
【技术特征摘要】
2015.09.10 CN 20151057130291.精混式堆积成型法，该方法是用于处理多色物料精准混合及逐层堆积方式的FDM-彩色物件成型方法；实现该方法的主要构造包括:精准供料机构及精准混料机构组成；精准供料机构是由预先加温处理前级及容积泵级组成，精准混料机构是由物料物料混合腔及混色棍组成；精准供料机构的结构特为：使用容积泵如：齿轮容积泵(1)、柱塞泵或蜗杆泵,在容积泵驱动电机(2)的驱动下，进行精准供料，所供物料可以是丝状、粗颗粒或粉末状；在吸入齿轮容积泵(1)之前要预先进行预先加温处理；精准混料机构的结构特点：物料混合腔的形状为中心旋转对称状，侧面的多个孔为各色熔融物料的入孔，下面的孔作为熔融混合物料挤出孔；物料混合腔的容积是由混料棍的前端膨大部位(19)与物料混合腔的内壁所围成的薄层微空间决定；这样物料混合腔的所容纳物料体积就可以微小；混料棍的旋转运动时，由于其头部是活塞状的膨大的侧面部位扫过支物料孔道(12)的所有微孔，将使得扫过挤入各色熔融物料的入孔的各色熔融物料,物料在旋转表面带动下沿着螺旋交汇路径,瞬时充分混合多色微量熔融物料，并在后续物料的推动下，混合物料进入挤出孔排料或棑向弃料缓存腔；另外为完成色调的突变响应，必须完全丢弃或部分丢弃色调过度阶段的全部或一部分混合熔融物料,为此采用2种弃料整合治理法来完成：一种是弃料排出法；另一种是弃料缓存法；弃料排出法就是将过度阶段未完成色调的突变的部分混合物料挤出到打印物件区域以外的陪打印物件上或者是直接打印在成型物件的无需要着色的非表面区域；弃料缓存法是将过度阶段未完成色调的突变的部分混合物料挤到弃料缓存腔；弃料缓存腔与挤出头一起维持一定的高温；弃料缓存法的一种方法是:使用一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,该泵的逆向运转就可以将物料混合腔的熔融物料逆向导出，该弃料也被称之为缓存物料；控制其它各色供料容积泵的转速，使其变容速率等于其它各色容积泵的变容速率之和,物料混合腔的混合物料的流入与流出总量就相等，没有物料从挤出孔被挤出,当控制其它各色容积泵的相对转速，使其变容速率小于其它各色容积泵的变容速率之和,使得物料混合腔的混合物料的流入与流出总量不等，而剩余的部分物料从挤出孔被挤出；此时挤出孔的位移速度与正常相比有所降低处于缓慢位移状态,单位位移长度的色彩变化率有所增加；另外；缓存物料在吸出物料混合腔后，被泵入高温储存腔中，的内部空间形状可以是倒圆台形状的，有利于凝固后取出；缓存物料也可以再被逆向回泵到物料混合腔中,将这部分缓存物料再次利用,打印到物件无需着色的部位,如填充构造、内空间及内表面等；弃料缓存法的另一种方法是:无需容积泵,仅仅在混料棍轴向运动的配合下，向下运动密闭挤出孔,将过度阶段的物料挤到弃料缓存腔；弃料缓存腔位于挤出孔的上方，与挤出头一体化并维持高温，使得存于其中的弃料呈熔融状态,在混料棍轴向向上运动后将密闭通往弃料缓存腔挤的孔,缓存弃料工作结束；其着色方法除了上述多色物料混合方式外,还有单色物料注入多色颜料方式:供色就是使用专用的通道直接向物料混合腔提供各色颜料,它与供料精混式挤出机总成在结构及原理上有很大的相似之处,所不同的是只有1或2路精准供料机构和实现弃料缓存法的弃料缓存构造----再有一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,在过渡色缓慢期间,该泵逆向运转时将混合物料作为缓存物料由物料混合腔导入弃料缓存腔(19)；控制其它各色容积泵的相对转速及比例，获得各个颜色；供入物料混合腔的料量与泵离物料混合腔的料量之差也是挤出孔的流量,当流量减少时,意味着挤出机总成的运行速度的匹配减慢,挤出机总成的单位运行距离的颜色变化率增加,色调细节表现能力增强；其特征就在于：方法流程为:采用容积泵将被预先加温处理前级的熔融了的物料泵入到物料混合腔；着色采取多色物料混合方式或单色物料注入多色颜料法；对于物料混合腔的熔融混合物料,采取弃料排出法或弃料缓存法来处加速物料混合腔的混合色度变化速度；对于弃料缓存腔的缓存物料可以弃掉或是选择打印在成型物件的无需要着色的填充区域或表面区域上；物料混合腔中的各色物料的混合采用腔壁自然螺纹混合法或采用混色棍旋转混合法。2.精混式堆积成型挤出机总成，主要构造包括:精准供料机构及精准混料机构组成；精准供料机构是由预先加温处理前级及容积泵级组成，精准混料机构是由物料物料混合腔及混色棍组成；精准供料机构的结构特点及工作原理为：利用容积泵如：齿轮容积泵(1)在容积泵驱动电机(2)的驱动下，进行精准供料，...
【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：深圳市人彩科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44
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