螺杆式挤出系统及包含该系统的3D打印机技术方案

本申请提供了一种螺杆式挤出系统及包含该系统的3D打印机。该挤出系统包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置，以及冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。采用该挤出系统，能够对进入机筒中的材料实现非常灵活的加热方式，尤其是可以将材料在机筒中部加热到很高的温度而让材料的分子链充分打开，然后在邻近喷头处又迅速冷却到预定温度，从而让材料具有适合挤出成型的粘度。

【技术实现步骤摘要】
螺杆式挤出系统及包含该系统的3D打印机
本专利技术涉及增材制造(3D打印)材料加工领域，更具体地，涉及一种螺杆式挤出系统以及包含该系统的3D打印机。
技术介绍
近年来，增材制造尤其是3D打印技术获得了长足的发展。3D打印常用的一种技术是熔融沉积成型(FDM)技术，该技术尤其适合用于高分子材料(例如ABS，聚乳酸PLA，聚己内酯PCL等)。在采用该技术的3D打印设备中，材料挤出系统具有重要的地位，其直接影响产品的质量和性能。螺杆式挤出系统是目前使用较为普遍的一种，通常包括机械部分和温控部分。机械部分一般包括机筒、固定在机筒下端的喷嘴、设置在机筒中的螺杆以及固定在机筒上端的驱动电机。温控部分一般包括围绕机筒外壁设置的1至2个加热装置和相应的温度传感装置。在这样的挤出系统中，不能将进入机筒中的材料加热到很高的温度，因为否则到达喷嘴处的材料会太稀，无法成型。然而，对于高分材料，热历史对其性能影响很大，在很多种情况中，需要将高分子材料加热到很高的温度，打开缠绕在一起的分子链，保证挤出的均质性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能保证材料分子链在加热过程中充分打开同时又不会因为喷嘴处材料过稀而无法成型的螺杆式挤出系统。根据本申请的一个方面，提供了一种螺杆式挤出系统，该系统包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置。所述挤出系统还包括冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。由于在喷头附近设置了冷却装置，因此采用该挤出系统，可以将材料在机筒中部加热到很高的温度而让材料的分子链充分打开，然后在邻近喷头处又将材料迅速冷却到预定温度，从而让材料具有适合挤出成型的粘度，既充分保证了挤出的匀质性又保证了可成型性。根据一些实施例，螺杆还包括在邻近其上端处设置的轴结以及在轴结下方延伸的螺纹部分，轴结的外径大于螺纹部分的外径，机筒包括设有加料孔及螺杆安装孔的筒头，轴结的下表面抵靠在筒头的上表面上，挤出系统还包括按压住轴结的上表面的螺杆压片。在现有技术的螺杆式挤出系统中，螺杆的轴向定位和转动的稳定性是靠轴承来保证的，而采用轴承具有诸多缺点，例如：由于需要设置保证轴承正常运行的其它机构，挤出系统的体积通常较大；螺杆一般都是金属材料制成，加热时热量顺着螺杆传到轴承，会使轴承寿命降低，可能需要定期更换，而且轴承座加工精度较高，这无疑会增加3D打印设备的总成本。上述新颖的设计使得能够在不使用轴承、轴承座等结构的情况下，容易地实现螺杆的轴向定位并保证其转动的稳定性，而且，采用该设计的螺杆挤出系统/3D打印设备尺寸相对较小，成本相对较低。根据一些实施例，筒头还包括围绕螺杆安装孔设置的凸台或凹槽，凸台或凹槽的上表面与螺杆安装孔的轴线垂直，轴结的下表面抵靠在凸台或凹槽的上表面上。凸台或凹槽的上表面通常要进行精加工，且与螺杆安装孔的垂直度非常高，这样能更好地保证与轴结的配合。此外，轴结与凸台/凹槽的尺寸都较小，精加工成本较低。根据一些实施例，所述一个或多个加热装置以及冷却装置具有各自独立的温控系统。这样可以对机筒的不同部分(进而对其中的材料)进行加热/冷却，实现非常灵活的加热方式，根据所加工材料的性质实现优化的温度分布，最终获得性能更佳的打印产品。根据一些实施例，温控系统包括设置在加热装置或冷却装置处的测温仪、与测温仪连接的温控表，温控表根据测温仪提供的温度控制继电器的通断，进而控制加热电路或冷却电路的通电状态。测温仪可以选择简单易用的热电偶，只需将其粘贴(例如利用胶带)在需要测温的位置处即可。根据一些实施例，螺杆的螺纹部分从上到下依次包括加料段、压缩段和计量段，所述一个或多个加热装置分别设置在与加料段、压缩段和计量段大致对应的位置处。这样可以根据各段的特点和需求来设置合理的温度，从而实现最优的温度分布。根据一些实施例，所述一个或多个加热装置为间隔设置的第一加热装置、第二加热装置和第三加热装置，它们分别设置在与加料段、压缩段和计量段大致对应的位置处。应该理解的是，这些实施例中加热装置的数量及其位置仅为示例性的，本领域技术人员可以根据具体的需求来调整，但3个或3个以上的加热装置是比较理想的，因为这样可以获得更加灵活的加热方式。根据一些实施例，冷却装置包括由良导热材料(如铜、铝及其合金等金属导热材料或如石墨烯等的非金属导热材料)制成的盘状结构。优选地，盘状结构的直径为5毫米至100毫米，更优选地为20毫米至80毫米。需要冷却时，用吹风机对盘状结构进行强制风冷，由于其散热面积较大、导热率较高，因此能够在较短时间内将机筒内喷头附近的材料冷却至预定温度。根据另一些实施例，冷却装置包括内部具有冷却介质通道的冷却套。使用时，诸如水的冷却介质流过通道，将热量带走，随后循环到制冷泵或散热器处制冷，再回到冷却套，如此循环往复。应当理解的是，以上仅示例性地列出了冷却装置的两种实施方式，本领域技术人员可以对其进行修改或将其替换为其它合适的常规实施方式，这些均应落入本专利技术的保护范围。根据一些实施例，螺杆的螺纹部分的外径为6至15毫米。更优选地，该外径为7至12毫米。目前螺杆式增材制造喷头用螺杆的尺寸较大，其直径普遍在12毫米以上。螺杆直径过大会导致螺杆与机筒间的空间较大，材料填充不密实、空隙大，从而导致出料不均匀，影响成型质量。此外，螺杆尺寸越大，使其转动时所需的扭矩就越大，喷头整体尺寸就必须相应地增大、重量相应地增加，这无疑会影响喷头运转的稳定性进而影响材料挤出过程的稳定性。另外，当喷嘴口径小于150微米时，螺杆过粗使挤出速度过快，无法正常打印。在上述实施例中，螺杆直径得以减小，这能使挤出速度被控制在一个合理范围内，既有足够的速度保证打印效率，又不会导致速度过快使成型失败。根据一些实施例，喷头包括喷料口，喷料口的直径为0.05毫米至0.5毫米，更优选地，该直径为0.1毫米至0.4毫米。喷料口的直径越小，喷出的材料丝就越细，成型精度就越高，得到的打印产品的表面就越光滑。实践表明，采用上述喷头能够打印出高质量的具有精细结构的产品。根据本申请的另一方面，提供了一种三维(3D)打印机，包括如上所述的螺杆式挤出系统。在本申请中，术语“上端”是指靠近驱动电机的一端，“下端”是指靠近喷头的一端。在本申请中，术语“邻近某部件”是指离某部件具有合理的较小距离，该距离与该部件及其相关部件的尺寸有关，本领域技术人员应该能够根据实际情况来确定。在本申请中，术语“加料段”、“压缩段”和“计量段”具有本领域技术人员通常理解的含义，一般按照螺杆上螺纹的槽深来划分，通常，加料段槽深最大且成等槽深设置，计量段槽深最小且成等槽深设置，压缩段的槽深由最大槽深渐变为最小槽深，但应当理解的是，主要用于实现“加料”、“压缩”、“计量”功能的按其他方式划分的螺纹段也被上述术语涵盖在内。附图说明下面将参照附图对本专利技术作进一步的详细说明。本领域技术人员容易理解的是，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本专利技术的保护范围构成限制。图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。为了说明的目的，这些图并非完全按比例绘制。图1是根据本申请一个实施例的螺杆式挤出系统的示意性爆炸图。图2是图1所示挤出系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺杆式挤出系统，包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置，其特征在于，所述挤出系统还包括冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。

【技术特征摘要】
1.一种螺杆式挤出系统，包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置，其特征在于，所述挤出系统还包括冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。2.如权利要求1所述的螺杆式挤出系统，其中，所述螺杆包括在邻近其上端处设置的轴结以及在所述轴结下方延伸的螺纹部分，所述轴结的外径大于所述螺纹部分的外径，所述机筒包括设有加料孔及螺杆安装孔的筒头，所述轴结的下表面抵靠在所述筒头的上表面上，所述挤出系统还包括按压住所述轴结的上表面的螺杆压片。3.如权利要求2所述的螺杆式挤出系统，其中，所述筒头还包括围绕所述螺杆安装孔设置的凸台或凹槽，所述凸台或凹槽的上表面与所述螺杆安装孔的轴线垂直，所述轴结的下表面抵靠在所述凸台或凹槽的上表面上。4.如权利要求1至3中任一项所述的螺杆式挤出系统，其中，所述一个或多个加热装置以及所述冷却装置具有各自独立的温控系统。5.如权利要求4所述的螺杆式挤出系统，其中，所述温控系统包括设置在所述加热装置或所述冷却装置处的测温仪、与所述测温仪连接的温控表，所述温控表根据测温仪提供的温度控制继电器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，张磊，康双珠，王程锦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11