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精混式堆积成型法及总成以及彩色FDM-3D打印机

阅读:264发布:2020-05-11

专利汇可以提供精混式堆积成型法及总成以及彩色FDM-3D打印机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且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。,下面是精混式堆积成型法及总成以及彩色FDM-3D打印机专利的具体信息内容。

1.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级组成,精准混料机构是由物料混合腔及混色棍组成;精准供料机构的结构特为:使用容积泵是: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,混合物料排 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,被泵入弃料缓存腔中,有利于凝固后取出;缓存物料也能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内空间部位;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上, 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, 采取弃料缓存法来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是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混合腔及混色棍组成;精准供料机构的结构特点为:利用: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,所供物料是丝状、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并自然排气;使用丝状材料就能采用远端送丝方式,送丝驱动电机一般安装在打印机框架上,材料由挤出齿轮直接挤入喉管,粗颗粒或粉末状耗材能被直接融化使用;精准混料机构的结构特点:为了实现快速改变颜色,物料混合腔为柱状、灯笼状的中心旋转对称形状,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,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在0.1立方毫米数量级;混料棍兼切换柱的构造特点是头部是活塞状的膨大部位: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,将使得经过挤入的各色熔融物料在旋转表面带动下沿着螺旋交汇路径充分混合,达到了瞬时而微量多组分混合物料的目的,并在后续物料的推动下,混合物料排向弃料缓存腔;混料棍的前端膨大部位应该是平均直径足够的小,轴向高度足够的薄,这样所挤出的料丝才能在0.5毫米长度内实现颜色的改变;但是,即使实现了上述物料混合腔的微小空间容积,也无法完成色调的突变,只能通过丢弃过度阶段未完成色调的突变的部分混合熔融物料;但是即使实现了上述物料混合腔的微小空间容积,也无法在1毫米以下完成色调的突变,必须丢弃或部分丢弃过度阶段未完成色调变化的那一部分混合熔融物料,或者在颜色急剧变化的过度阶段,排出部分过渡色的物料;弃料缓存法之一是在混料棍轴向运动的配合下,向下运动密闭挤出孔, 将过度阶段未完成色调的突变的部分混合物料挤到弃料缓存腔,在混料棍轴向向上运动后将密闭通往弃料缓存腔挤的孔;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;弃料缓存的另一种方法是:增加一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构, 在过渡色期间, 该泵的逆向运转, 将混合物料由物料混合腔的逆向导出,该弃料也被称之为缓存物料;控制其它各色容积泵的转速,使其变容速率等于其它各色容积泵的变容速率之和, 使得物料混合腔的混合物料的流入与流出总量相等,而几乎没有物料从挤出孔被挤出, 此时挤出孔的位移速度为零, 处于停止状态, 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, 单位位移长度的色彩变化率有所增加, 挤出孔处于缓慢位移状态, 在小的尺度上展现颜色的变化;另外;缓存物料在吸出物料混合腔后,被泵入弃料缓存腔中,有利于凝固后取出;像其他精准供料机构一样,也可以作为正向旋转,向物料混合腔泵料,该情况是将这部分缓存物料打印到物件无需着色的内空间部位;其特征就在于:该挤出机总成在结构上采用了上述精准供料机构及精准混料机构;用于弃料缓存的容积泵是双向容积泵。
3.根据权利要求1精混式堆积成型法,其特征在于:所述的弃料缓存法指的是:利用一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,在过渡色期间该泵逆向运转将混合物料由物料混合腔的向外泵出;控制该容积泵的驱动电机转速,使其变容速率小于或等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的总量大于或等于流出的总量,而挤出孔所挤出的物料量是物料的流入的总量减去物料流出的总量,从挤出孔被挤出的物料是其2者的流量差值;物料挤出孔的运行速度与该流量差成正比。

说明书全文

精混式堆积成型法及总成以及彩色FDM-3D打印机

[0001] [所属领域]
[0002] 本发明属于机械领域,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]
[0003] 熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚酸酯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。
[0004] 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)压的作用下从喷嘴挤出。
[0005] 挤出机总成中的喉管由不锈制造,是为了降低其导热性能,不锈钢喉管有些内部还衬有氟龙,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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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打印物件较远位置,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。
[0009] 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Arduino mega 2560主控板,Ramps 1.4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。Arduino Mega 2560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mega 2560主控板供电,直接使用USB 5V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(Arduino IDE),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Arduino IDE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。Ramps 1.4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,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。
[0010] 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、3D Max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Arduino IDE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。
[0011] 目前彩色FDM-3D打印机的彩色生成方式有以下3种机型:
[0012] 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FDM 3D打印机的彩色打印。
[0013] 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。这种彩色3D打印并不需要多个喷嘴和多种不同颜色的线材。Spectrom工作原理是通过精确计算什么样的时候需要什么样的颜色,然后用不同颜色的墨去染同一个线材。所以只需要一个喷嘴即可实现彩色3D打印。
[0014] 目前的不足之处是颜色改变速度缓慢的缺陷:不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如,当从黄色变为蓝色时,中间地带可能会出现绿色的小块),但是原理上具有改善物料混合颜色改变的速度,比如减少混合腔的容积。
[0015] 另一不足之处是颜料携带载体缺陷,化学溶剂挥发将生成有害气体。
[0016] 多色物料多孔独立挤出FDM-3D打印机:多色的桌面型3D打印机(比如ProDesk3D)需要多个挤出机总成才能制造彩色效果。双色3D打印机标配了两个挤出机总成,属于双材料挤出的机型。它的机身背部挂载两个料盘,支持ABS和PLA两种耗材。并且在市面上,我们可以找到多种颜色的通用耗材。这样一来就可以自由搭配,按照需要选择合适的颜色和材料类型。不足之处是:突变色彩分界及颜色的数量有限的缺陷。
[0017] 多色物料共孔混合挤出FDM-3D打印机:2015年,以色列的something3D打印公司宣布:他们正在推出一款全彩的桌面型3D打印机Chameleon(意为变色龙),将为用户提供全新的基于FFF技术的彩色3D打印体验。Something3D公司的这款Chameleon 3D打印机主要使用多个3D打印线材,共5种颜色耗材,分别是:青色、品红色、黄色、黑色和白色(CMYBWTM)的线材,整个系统只需使用一个挤出机总成,根据需要通过改变以上5种颜色的混合比例组合,形成任意的色彩,该机器能够在0.5毫米的打印分辨率条件下实现颜色转换。
[0018] 不足之处仍是颜色改变速度缺陷:不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如,当从黄色变为蓝色时,中间地带可能会出现绿色的小块),无法满足颜色的大色彩的突变改变。物料供给方式也有缺陷,也无法满足精确而稳定的颜色的配比。[发明内容]
[0019] 要实现物料挤出丝颜色需要在0.5-1毫米的长度上瞬间改变的需要,要求物料混合腔的体积要尽量的小,由于混合腔的器壁上的微量残留物会干扰混合比例,因而必要采用弃掉过渡时期部分熔融物料的措施;
[0020] 适合于精混式堆积成型法的有以下2种精混式挤出机总成:它们分别为供料精混式挤出机总成及供色精混式挤出机总成:
[0021] 供料精混式挤出机总成是直接使用多色物料混合成其它颜色至少4色:红、兰、绿、黑),结构主体是由精准供料机构及精准混色机构组成:精准供料机构是由预先加温处理前级及容积级组成,精准混料机构是由物料物料混合腔及混料棍组成。精准供料机构的工作原理为:利用容积泵如: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,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之前要预先进行加温融化并排气;如果使用丝状材料可以采用远端送丝方式,驱动电机一般安装在打印机框架上,材料由挤出齿轮直接挤入喉管,粗颗粒或粉末状耗材可以直接融化使用。由于齿轮容积泵1的(排量/周)固定且可高压排放,改变转速可以改变排量,在停止驱动时又有瞬间停止排料的特点,因而可以实现精准定量排料及瞬间停止;可以选择毫米级大小的齿轮及亚毫米级的齿高,配合斜齿,易于实现在中低转速驱动下完成1立方毫米级/秒的低脉动物料排量;实现各个颜色的精准供料,为下一步的的色调精准混合创造了前提条件。
[0022] 精准混料机构的结构特点及工作原理:为了实现快速改变颜色,物料混合腔的形状可以为柱状、灯笼状等中心旋转对称状,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,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;混料棍(兼切换柱)的构造特点是头部是活塞状的膨大部位: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,将使得经过挤入的各色熔融物料在旋转表面带动下沿着螺旋交汇路径充分混合,达到了瞬时而微量多组分混合物料的目的,并在后续物料的推动下,混合物料进入挤出孔排料或排向弃料缓存腔。混料棍的前端膨大部位应该是平均直径足够的小,轴向高度足够的薄,这样所挤出的料丝才能在2-3毫米长度内实现颜色的改变;混料棍的轴向运动将起到兼做切换柱选择物料流向作用,当混料棍(兼切换柱)向上轴向运动的结果,将使其头部是活塞状的膨大部位密封上面通向弃料缓存腔的弃料过料孔10,熔融物料只能由挤出机总成的物料挤出孔流出,进行打印物件过程。当混料棍(兼切换柱)向下轴向运动将使得膨大部位密封下面通向挤出机总成的物料挤出孔,熔融物料只能由弃料过料孔10流出;而进入弃料缓存腔。
[0023] 物料混合腔中的各色物料的混合也可以采用腔壁自然螺纹混合法;该方法是在物料混合腔中的内壁表面上,加工上螺纹凸起段,当物料以一定速度流过螺纹段的表面时,熔融物料会产生翻滚搅拌,一样达到混合均匀的目的。
[0024] 综上所述:利用多个可以独立控制的电机驱动各个微小容积泵(齿轮泵、蜗杆泵或柱塞泵等),将前一级预处理后的各色熔融物料泵入各个支物料孔道12,再汇合于物料物料混合腔9,经过混料棍的旋转混合后由物料挤出孔11挤出并逐层堆积成型物件。色调由驱动各个微小容积泵的电机控制,各个被独立控制的电机可以按色调的需要控制各个颜色的挤出数量。
[0025] 但是即使实现了上述物料混合腔的微小空间容积,也无法在更小的长度内(0.5-1毫米以下)完成色调的突变,必须丢弃或部分丢弃过渡阶段未完成色调完全变化的那一部分混合熔融物料,因此可以采用2种弃料整合治理法:弃料排出法或弃料缓存法来完成.[0026] 弃料排出法就是将过渡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,之后再继续打印成型物件;或是直接打印在成型物件的无需要着色的填充区域或表面区域;
[0027] 弃料缓存法之一是在混料棍轴向运动的配合下,向下运动密闭挤出孔,将过渡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。
[0028] 弃料缓存的另一种方法是:增加一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,在过渡色期间,该泵的逆向运转,将混合物料由物料混合腔的逆向导出,该弃料也被称之为缓存物料;控制其它各色容积泵的转速,使其变容速率等于其它各色容积泵的变容速率之和,使得物料混合腔的混合物料的流入与流出总量相等,而几乎没有物料从挤出孔被挤出,此时挤出孔的位移速度为零,处于停止状态.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;物料挤出孔的运行速度与该流量差成正比,此时挤出孔的位移速度与正常相比有所降低,单位位移长度的色彩变化率有所增加,挤出孔处于缓慢位移状态,在小的尺度上展现颜色的变化;使用该方法时,弃料可以回收后再利用,用于缓存弃料的容积泵供料机构也可以正向旋转,向物料混合腔泵料,该情况可以将这部分缓存物料弃料)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)。*需要特别指出的是:用于弃料缓存的容积泵一定是双向容积泵,因为所增加的那一套与精准供料机构一样的容积泵供料机构,在过渡色期间,该泵是逆向运转的。
[0029] 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.
[0030] 供色精混式挤出机总成:
[0031] 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1路用于堆积成型物料,另1路用于构建支撑物料)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.
[0032] 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.对于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(容积泵供料机构也可以正向旋转).
[0033] 除了上述以外,还要有至少3-4路(一般为红、兰、绿、黑颜料)精准供料机构(这里的料指的是色料.各色的色料可以是:液态、固态的等)组合成丰富的彩色,容积泵供料机构也是绝对必要的,混料系统同上.[附图说明]
[0034] 以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明:
[0035] 图1单一缓存型精混式挤出机总成结构核心主体爆炸图。
[0036] 图2单一缓存型精混式挤出机总成结构核心主体装配图。
[0037] 图3单一缓存型精混式挤出机总成结构核心主体外观图。
[0038] 图4可逆缓存型精混式挤出机总成结构主体剖面示意图。
[0039] 图5可逆缓存型精混式挤出机总成结构主体外观示意图。
[0040] 图示说明:
[0041] 1 齿轮容积泵
[0042] 2 容积泵驱动电机
[0043] 3 弃料缓存腔
[0044] 4 混料棍兼切换柱(膨大部位)
[0045] 5 齿轮容积泵
[0046] 7 体(加热器体)
[0047] 8 混料棍电机
[0048] 9 物料混合腔
[0049] 10 弃料过料孔
[0050] 11 物料挤出孔
[0051] 12 支物料孔道
[0052] 15 料丝
[0053] 16 加热器铝体
[0054] 17 导孔盘
[0055] 18 混料棍
[0056] 19 弃料缓存腔
[0057] 20 各色染料入口
[0058] 22 挤出孔盘
[0059] 23 齿轮容积泵盖板
[0060] 24 料丝入孔
[0061] 25 齿轮容积泵转轴
[0062] 26 料丝融化储存腔
[0063] [实施例证]
[0064] 以下通过应用本技术的3D成型机的最重要的组成部分挤出机总成是对本发明作进一步阐述:
[0065] 如图1、图2、图3所示:
[0066] 需要说明:混料棍电机8是固定在一个支架上,该支架只能在电器的驱动下沿着该电机的轴向微微往复位移,而驱动混料棍兼切换柱4轴向微小往复位移,决定是选择堵住弃料过料孔10还是物料挤出孔11;容积泵驱动电机2是刚性固定在一挤出头总成上;由于该些支架对本技术不重要且常规易懂,在本图中未画出。挤出孔盘22具有螺纹可以被扭入铜体7,并将导孔盘17封锁在内部。当螺纹可以被扭到位时,将产生导孔盘17与铜体7之间的间隙,造成各个孔道的泄露,所以一定要扭到位。
[0067] 图1是单一缓存型精混式挤出机总成结构核心主体爆炸图,再结合图2—图5,可以清楚的看出5个齿轮容积泵与支物料孔道、弃料缓存腔、物料混合腔、的连接关系;料丝15穿过料丝入孔24,在加热器铝体16的接触传热后,融化在料丝融化储存腔26中。
[0068] 图2是挤出孔附近的结构的放大图,物料混合腔9是由铜体7与导孔盘17的2个柱状的空间所组成的闭合的柱状空间;在导孔盘17中心的柱状的空间的柱面壁上,设有5个物料入孔,该孔经由导孔盘17的实体一直通向的上表面与支物料孔道12相通,这样就建立了料丝融化储存腔26(如图1所示)经由齿轮容积泵1控制的,一直通往,物料混合腔9的5个独立的物料通道。
[0069] 图3是挤出机总成的背面视图;可以清晰地看见:容积泵驱动电机2,弃料缓存腔3,混料棍兼切换柱4(如图1所示)等。容积泵驱动电机2驱动齿轮容积泵转轴25)作纯转动。齿轮容积泵盖板23作用是密封5个容积泵中齿轮的上端面。铜体7被电热加热棒加热,热量通过接触面传导到铜体7上。
[0070] 单一缓存型指的是:弃料缓存腔是只储存弃料,而不是用之,积累过多后人为移除.
[0071] 供料精混式挤出机总成的主体是由精准供料机构及精准混色机构组成,精准供料机构是由:齿轮容积泵1在容积泵驱动电机2的驱动下完成供料,精准混料机构是由物料混合腔9及混料棍兼切换柱4组成;为了实现快速改变颜色,物料混合腔的形状可以为柱状、灯笼状等中心旋转对称状,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,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;混料棍(兼切换柱)的构造特点是头部是活塞状的膨大部位: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,将使得经过挤入的各色熔融物料在旋转表面带动下沿着螺旋交汇路径充分混合,达到了瞬时而微量多组分混合物料的目的,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。混料棍的前端膨大部位应该是平均直径足够的小,轴向高度足够的薄,这样所挤出的料丝才能在2-3毫米长度内实现颜色的改变;混料棍的轴向运动将起到兼做切换柱选择物料流向作用,当混料棍(兼切换柱)向上轴向运动的结果,将使其头部是活塞状的膨大部位密封上面通向弃料缓存腔3的弃料过料孔10,熔融物料只能由挤出机总成的物料挤出孔流出,进行打印物件。当混料棍(兼切换柱)向下轴向运动将使得膨大部位密封下面通向挤出机总成的物料挤出孔,熔融物料只能由弃料过料孔10流出;而进入弃料缓存腔3。
[0072] 综上所述:以上方式导致了一种精准FDM彩色3D打印方法,其核心在于:利用多个可以独立控制的电机驱动各个微小容积泵(齿轮泵、蜗杆泵或柱塞泵等),将前一级预处理后的各色熔融物料泵入各个支物料孔道12,再汇合于物料物料混合腔9,经过混料棍的旋转混合后由物料挤出孔11挤出并逐层堆积成型物件。
[0073] 色调由驱动各个微小容积泵的电机控制,各个被独立控制的电机可以按色调的需要控制各个颜色的挤出数量。
[0074] 16为加热器铝体,15为料丝。
[0075] 如图4、图5所示:
[0076] 其基本构造与图1,2,3基本一致,不同之处在于弃料缓存腔19的特点及位置。加热器铝体的结构及作用与图1,2,3一致,在本结构中内再画出。
[0077] 图4是该挤出机总成的主要结构断面图,弃料缓存腔19与齿轮容积泵5及物料混合腔9建立在同意通道上;这样弃料就可以在物料混合腔9及弃料缓存腔19之间双向转移;给弃料的再利用建立了条件。齿轮容积泵的数量按需要可以设置为6个或更多;色料入孔至少4个以上才能更好的表现色彩。混料棍电机8直接驱动只进行单一转动混料棍18,混料棍18只进行单一转动而不再轴向位移了,因而混料棍电机8及容积泵驱动电机2刚性的与铜体保持静止。
[0078] 图5是该挤出机总成的的背面视图;可以清晰地看见:容积泵驱动电机2,弃料缓存腔19,混料棍18,4个料丝15及入孔等。23为齿轮容积泵盖板。可逆缓存型指的是:弃料缓存腔不是只储存弃料,而是在容积泵下能返回混合腔再用之.
[0079] 类相似于图1结构,可以由3个齿轮容积泵5进行供应3种不同的颜料,1个齿轮容积泵用于泵出打印成型物料;1个齿轮容积泵用于回收弃料并缓存于弃料缓存腔19中,齿轮容积泵以逆向工作向物料混合腔9返回弃料.
[0080] 加热器铝体21用于加热各个需要加热的腔体;而5根支物料孔道12起到连接弃料缓存腔、颜料腔、料丝15的成型物料腔与物料混合腔9的交通要道关系.
[0081] 挤出孔的长度度代表着物料的残存数量,应该是直径的1-2倍较为匹配。
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