[发明专利]一种基于粒料螺杆挤出机的大型3D打印装置及其工作方法

说明书

本发明提供一种基于粒料螺杆挤出机的大型3D打印装置及其工作方法，其粒料螺杆挤出机固定于机架z轴滑轨，只能沿z轴方向运动；x轴导轨、y轴导轨控制打印平台在水平面内自由运动。打印过程中喷头不在x‑y平面内运动，通过打印平台运动实现材料沉积过程中喷嘴与打印平台的相对运动。本发明挤出机为固定螺杆挤出机，可避免挤出装置内部流体的惯性作用，以保证材料挤出沉积过程时的平稳性。利用打印平台在二维平面上的移动来完成打印。喷嘴处设有与伺服电机相连的红外加热装置，用来二次加热已打印成型的部分，使已冷却的沉积材料与热熔挤出材料间的温度梯度减小，更好地与新挤出的材料粘合，进而提高沉积层间的结合强度。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于粒料螺杆挤出机的大型3D打印装置及其工作方法。

背景技术

当前主要的大型3D打印装置的主体结构采用与桌面级3D打印机类似的配置，粒料螺杆挤出机与三维龙门机架相连接，实现在三维空间内挤出沉积熔融耗材，层层堆积形成立体结构。

桌面级3D打印机都是材料通过塑料软管进入到挤出机中，喷头一般直径在0.4mm左右，单位时间内挤出材料体积较小，因此在平面内移动时，熔融流体的惯性影响较小。但粒料螺杆挤出机材料挤出流量通常可达到2-10kg/h，其单位时间内挤出材料较多，熔体流动的惯性对材料沉积过程的平稳性扰动较大。当在平面内快速移动螺杆挤出机时，则会影响材料沉积过程的平稳性以及成型材料的尺寸精度。另一方面，为减小惯性影响，则要降低螺杆挤出机的行驶速率，这亦限制了大型增材制造装置的成型效率。另外，大型增材制造装置的成型件体积一般较大，因此材料沉积过程中温度场瞬态变化较大，沉积层间温度梯度也较大，这会导致热熔挤出材料与已冷却沉积材料间无法形成质量较高的层间结合，降低成型件的力学性能。

发明内容

根据上述提出的在平面内快速移动螺杆挤出机时，会影响材料沉积过程的平稳性以及成型材料的尺寸精度；另一方面，为减小惯性影响，则要降低螺杆挤出机的行驶速率，这亦限制了大型增材制造装置的成型效率；另外，大型增材制造装置的成型件体积一般较大，因此材料沉积过程中温度场瞬态变化较大，沉积层间温度梯度也较大，这会导致热熔挤出材料与已冷却沉积材料间无法形成质量较高的层间结合，降低成型件的力学性能的技术问题，而提供一种基于粒料螺杆挤出机的大型3D打印装置及其工作方法。本发明主要利用粒料螺杆挤出机对材料进行螺旋挤压输送并经喷嘴处挤出，将打印平台与x、y轴导轨相连，通过打印平台在x-y水平面的运动实现喷头与打印平台之间的相对运动，有效解决了挤出机内部熔融材料的惯性作用对沉积过程平稳性的负面影响；利用靠近打印喷头处的红外加热装置对已成型的部分进行二次加热，从而减小其与热熔挤出材料间的温度梯度，提高沉积层间结合质量，使大幅面增材制造成型件的质量和尺寸精度得到保障。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于粒料螺杆挤出机的大型3D打印装置，包括：机架z轴滑轨、粒料螺杆挤出机以及与机架z轴滑轨底部相连的打印平台移动装置，粒料螺杆挤出机位于打印平台移动装置的上方，并通过挤出机保持架固定在机架z轴滑轨上，沿z轴方向进行上下移动；

粒料螺杆挤出机包括挤出装置以及与挤出装置相连的材料输送装置和红外加热装置，材料输送装置用于将粒料输送至挤出装置内，挤出装置将材料从其下方设置的喷嘴中挤出至打印平台移动装置上进行打印，红外加热装置用于对靠近喷嘴处的已沉积材料进行加热，使喷嘴处挤出的熔融材料与已沉积材料间的温度梯度减小；

利用打印平台移动装置上设置的打印平台在x-y平面内运动，实现材料沉积过程中喷嘴与打印平台的相对运动，结合粒料螺杆挤出机在z轴方向的移动，实现三维空间上的打印工作。

进一步地，所述挤出装置包括固定在挤出机外壳顶部的螺杆电机、与螺杆电机相连的螺杆、挤出机外壳和安装在挤出机外壳底部的喷嘴，挤出机外壳与挤出机保持架固定连接，内部具有容纳腔体，容纳腔体用于存储材料输送装置输送的粒料；螺杆置于容纳腔体内部，由螺杆电机驱动转动，对容纳腔体内的粒料进行向下螺旋挤压输送，并经喷嘴处挤出。