[发明专利]熔融挤出装置、3D打印机、3D打印机控制方法及应用

说明书

本发明公开了熔融挤出装置、3D打印机、3D打印机控制方法及应用。所述熔融挤出装置，用于3D打印机的原料熔融挤出，该熔融挤出装置包括螺杆组件、与螺杆组件连接的喷头组件，所述螺杆组件包括壳体和设置在壳体内的至少两个螺杆，相邻螺杆的螺纹相互啮合，通过螺杆的同向转动将原料混合均匀并熔融，通过喷头组件将熔融原料挤出。本发明采用至少两个螺杆相互啮合同向转动，原料在螺杆的转动剪切下逐渐熔融，在啮合处熔融体剪切速率和剪切应力较大，且产生了较好的返混，极大提高多种原材料的分布混合能力。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及熔融挤出装置、3D打印机、3D打印机控制方法及应用。

背景技术

近几年，3D打印技术发展迅猛，根据成形方式的不同，可主要分为熔融沉积成形(FDM)、激光选区熔化(SLM)、激光熔覆成形(LENS)、激光选区烧结(SLS)、光固化成形(SLA)、三维喷印成形(3DP)等。其中FDM技术因其成本低、原理简单、设备体积小而获得了最为广泛的应用。目前FDM技术主要使用PLA、ABS等热塑性高分子丝材作为原材料，由送丝机构将其送入200～240℃的高温熔融腔内，最终由喷头在热床装置的特定位置喷出，以此逐层堆积成形出三维实物。但该技术仍存在以下问题：

一、市面上目前使用最广的耗材是均匀丝材，其在打印之前已经历了一次拉丝的热成型过程，故力学强度有所下降。在打印时丝材易氧化折断，堵塞喷头等，一旦某一层出现此类问题，将使整个打印过程前功尽弃，造成材质和时间浪费；

二、丝材一旦拉制成丝，其材质成分便永久固定下来，利用其所打印成形的模型各区域材质也便均一，无法根据个人需求逐点逐线逐层地定制材质的成分比例，即无法成形复合材料、异质梯度材料等功能性零部件，限制了该技术的应用前景。

针对以上问题，已有部分公开专利对传统FDM技术进行改进。例如专利CN201410469682.0、CN201810973383.9、CN201810407488.8、CN201910562463.X等设计出新型挤出机构，变传统丝材进料为颗粒进料，利用单螺杆的形式将颗粒料熔融挤出，能够实现高分子逐层堆积成形，但单螺杆的混炼能力不强，经喷头挤出的熔融体含较多气泡，致密度不高，挤出方向任意扭曲无法控制，且成形过程中无法实现每一点的材质比例控制，即无法成形出复合、异质梯度功能材料，同时上述专利未给出整机的设计方案，螺杆若沿XYZ三轴做运动，将因其较重，惯性大而使整机颤动，成形过程不稳定性甚至无法成形；专利CN201910178883.8提到了利用旋转叶片阀控制两种或多种颗粒料的进料比例，挤出系统同样采用上述单螺杆旋转熔融，理论上能够克服上述问题一和问题二，但叶片阀的控制精度有限，且单螺杆依然存在上述弊端；专利CN201510449256.5采用转盘式喷头切换和螺杆进料的方式实现多种材料的复合打印，但所适用的材料为具有一定流动性的浆料，对高分子材料等不具备普适性，且多喷头切换过程复杂，成形效率低。

因此，需要一种可适应高分子多材料的熔融挤出装置和3D打印机，能够满足逐点逐线逐层材料成分比例的控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了熔融挤出装置、3D打印机、3D打印机控制方法及应用，其目的在于实时控制打印过程中的逐点逐线逐层的材料成分比例，实现复合材料、异质梯度材料等复杂结构-功能一体化成形，由此解决现有技术中挤出的熔融体含较多气泡，致密度不高，挤出方向任意扭曲无法控制，且无法满足逐点逐线逐层材料成分比例的控制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种熔融挤出装置，用于3D打印机的原料熔融挤出，其特征在于，该熔融挤出装置包括螺杆组件、与螺杆组件连接的喷头组件，所述螺杆组件包括壳体和设置在壳体内的至少两个螺杆，相邻螺杆的螺纹相互啮合，通过螺杆的同向转动将原料混合均匀并熔融，通过喷头组件将熔融原料挤出。