CN105216333A - 一种三维打印机流体挤出系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印机流体挤出系统及其实现方法，解决了现有挤出系统物料输送限制大、物料挤出不均匀、操作不便等问题。该三维打印机流体挤出系统包括送料机构、挤出机构和用于控制送料机构、挤出机构的送料控制系统。送料机构的输出端经过输料管、三通管连接挤出机构的输入端，三通管另一端连接压力变送器，压力变送器通过信号线与送料控制系统连接，送料控制系统连接电源并通过缺料信号线与三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路连接。本发明能够实现无需停机连续加料，并且能实现高速打印、精确流量控制，能适应凝土、陶瓷土等粘稠流体材料，能适应中小型物体大批量打印，以及大型物体如混凝土建筑、景观雕塑的打印。

Description

一种三维打印机流体挤出系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维打印机的流体物料挤出装置，具体地讲，是涉及一种可以连续加料的三维打印机流体挤出系统及其实现方法。

背景技术

三维打印，也称3D打印，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或线型塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。三维打印技术根据不同的成型材料在技术原理上有所不同，较常见的有熔融沉积(FDM）、选择性激光烧结（SLS）、激光立体印刷(SLA)、数字光照(DLP)、粉末粘接(3DP)等等。

流体材料的三维打印技术是在FDM(熔融沉积成型)基础上发展而来的一种新型三维打印技术，其原理是通过X、Y、Z轴运动和材料挤出的精确控制，把粘稠流体物质挤出并层层堆叠形成三维实体。流体材料在挤出后，根据不同材料性质，通过自身凝固、加添加剂、风干、加热、冷却等方法，使实体快速固化成型。

流体材料三维打印技术目前国内外尚无很成熟产品。挤出装置是流体材料三维打印机输出成型物料的关键部件，现有的技术普遍采用两种方式：一种是注射器式，通过电动或气动装置来推动注射器活塞，把注射器中事先装入的流体材料挤出成型。这种方式的缺点是受到注射器容量限制，当材料挤完后必须停机装料，对打印质量和可操作性产生不良影响。并且，为了增加注射器容量而增大注射器截面积时，由于与挤出喷嘴的截面积比值大幅增加，导致微弱推动活塞喷嘴也有较多材料挤出，严重影响成型精度。另一种是料斗式，料斗下方与螺杆机筒上端连接成一体，螺杆贯穿螺杆机筒并进入料斗，电机驱动螺杆直接把料斗内的材料带入机筒并从机筒下端的喷嘴挤出。这种方式的缺点是料斗及材料跟随整个挤出机构运动，运动系统负荷大，打印速度慢；在料斗移动中加料的可操作性差；材料进入螺杆机筒仅靠流体重力和螺杆旋转带入，没有外加压力，对流动性差的材料难以做到密实，而当采用有压缩段的螺杆时，又存在难以精确计量的问题，均造成成型精度不可控。上述现有技术的缺陷，不利于流体材料三维打印的成型体积大型化、操作简便化、计量精确化，限制了挤出装置的适用范围，进而影响到三维打印机在以混凝土、陶瓷土、巧克力、面粉浆等粘稠流体为成型材料的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便的三维打印机流体挤出系统，能够实现无需停机连续加料，并且能实现高速、精确流量控制，能适应中小型物体大批量打印，以及大型物体如混凝土建筑、景观雕塑的打印。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三维打印机流体挤出系统，包括送料机构、挤出机构和用于控制送料机构、挤出机构的送料控制系统，所述送料机构与所述挤出机构分离，所述送料机构的输出端远程连接所述挤出机构的输入端，所述送料控制系统连接电源并通过缺料信号线与三维打印机控制板（电路板）或挤出电机外置驱动电路连接；

进一步的，所述送料机构包括送料泵电机、料斗和送料螺杆机构；在所述料斗内设置有带有绞龙叶片的连接轴，所述送料泵电机的输出轴与所述连接轴一端连接，所述连接轴的另一端与所述送料螺杆机构连接，所述送料螺杆机构的输出端通过输料管连接所述挤出机构的输入端。

进一步的，在所述输料管上靠近所述挤出机构的输入端处还设置有压力变送器，所述压力变送器与所述送料控制系统连接。

进一步的，所述送料控制系统包括信号处理器，送料泵调速电路或送料泵开关电路。

进一步的，所述挤出机构包括挤出机支架、挤出泵电机和挤出螺杆机构；所述挤出泵电机用于驱动挤出螺杆机构，所述挤出螺杆机构安装在所述挤出机支架上，所述挤出机支架安装在三维打印机挤出机连接板上，所述挤出泵电机与三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路连接；所述输料管的输出端与所述挤出螺杆机构连接。

进一步的，所述输料管的输出端通过三通管连接所述挤出螺杆机构，所述三通管的另一端口接入所述压力变送器。

进一步的，所述挤出螺杆机构包括螺杆泵转子、定子、定子外壁、连接轴、传动轴、万向节；所述螺杆泵转子通过所述万向节与所述连接轴一端连接，所述连接轴另一端与所述传递轴连接；所述传动轴与所述挤出泵电机连接；

或者，所述挤出螺杆机构包括机筒和设置在机筒内的挤出螺杆；所述挤出螺杆与所述挤出泵电机连接。

进一步的，所述送料螺杆机构包括送料螺杆泵转子、定子及定子外壁、连接轴、传动轴；其中，所述连接轴位于所述料斗内；所述绞龙叶片的推进量大于送料螺杆泵转子、定子的输送量；

或者，所述送料螺杆机构由机筒和设置在机筒内的送料螺杆组成。

进一步的，所述料斗与所述送料螺杆机构固定为一体并倾斜于水平面设置，使所述料斗底部高于所述送料螺杆机构输出端。

进一步的，在所述送料螺杆机构的输出端还设置有压力表。

三维打印机流体挤出系统的实现方法，包括以下步骤：

（1）启动送料泵电机，送料机构将物料通过输料管输送至挤出机构的步骤；

（2）启动挤出泵电机，挤出机构工作，挤出物料的步骤；

（3）压力变送器反馈流体物料输送压力的电压或电流信号至送料控制系统的步骤；

（4）送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力，若压力值大于设定值，则控制送料泵电机减速或关断；若压力值小于设定值，则控制送料泵电机提速或启动，以此保持输料管路压力保持稳定。

送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力和时间，若压力值小于设定值，且该状态超过了设定时间，表明输料管路中缺少物料供应，则反馈信号至三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路，关闭挤出泵电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用送料机构与挤出机构分离的物料输送方式，送料机构既可以安装在三维打印机主体结构上，也可以独立外置，安置方式灵活；送料机构不跟随挤出机构运动，便于实现高速打印。

（2）本发明送料机构采用开放式料斗，能够实现加料时不用暂停打印，随时随意加料，操作简单方便，可满足多种物料的输送要求，极大地扩展了整个挤出设备的适用范围，尤其适应需要长时间作业的情况、打印大体积物体的情况。

（3）本发明设置有送料控制系统，结合压力变送器，由此对物料输送过程中的压力进行实时监控，根据物料输送压力的变化，适应性地调整送料泵电机、挤出泵电机的工作状态，使得物料输送压力始终维持在一个合理的范围内，能够确保物体成型均匀密实，克服了现有技术中粘稠物料输送存在的弊端。

（4）本发明的送料控制系统与三维打印机控制系统相对独立，能与现有三维打印机控制系统配合工作。由于现有三维打印机控制板一般为电源电压24v以下的低压电路，本发明的独立送料控制系统能够驱动高压、大功率电机，送料泵电机选型十分灵活，因而能实现低流动性物料输送和超长距离送料，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理示意图。

图3为本发明的工作流程示意图。

图4为本发明中料斗与送料螺杆机构倾斜设置的示意图。

图5为本发明中料斗与送料螺杆机构接近垂直安置的示意图。

图6为本发明采用一种挤出螺杆机构的局部示意图。

图7为本发明采用另一种挤出螺杆机构的局部示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-送料泵电机，2-料斗，3-送料螺杆机构，4-输料管，5-压力变送器，6-挤出机支架，7-挤出泵电机，8-挤出螺杆机构，9-送料控制系统，10-三通管，11-三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路，12-三维打印机挤出机连接板，13-喷嘴，21-绞龙叶片，22-连接轴，81-螺杆泵转子，82-定子，83-定子外壁，84-连接轴，85-传动轴，86-机筒，87-挤出螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1-图7所示，本实施例提供了一种三维打印机流体挤出系统，该挤出系统主要由三部分组成：挤出机构、送料机构和送料控制系统。上述三部分协作完成在三维立体打印过程中的送料和挤料作业，同时，送料控制系统根据物料输送的压力反馈信号调节送料和挤料状态。

送料机构包括安装支架、送料泵电机及其配套传动机构、料斗和送料螺杆机构。本实施例中，送料螺杆机构的结构有两种可选方式：

其一，送料螺杆机构由螺杆泵转子、定子、定子外壁、连接轴、传动轴、万向节、轴封及其它配套附属构件组成；送料泵电机的输出轴经联轴器连接传动轴，传动轴由轴承座支撑，传动轴穿过料斗处设有轴封。在料斗内设置有带有绞龙叶片的连接轴，连接轴两端均有万向节（或销接），一端与传动轴连接，另一端与送料螺杆机构的螺杆泵转子连接。送料螺杆机构的输出端通过输料管连接挤出机构的输入端。电机驱动传动轴，带动连接轴，绞龙叶片随着连接轴一起转动，搅拌料斗里的物料同时将物料向前推进。送料螺杆泵转子从动于连接轴，物料进入送料螺杆机构其内后，被送料螺杆带动向前运输。此方式输送性能强，压力波动很小，为本实施例优选方式。

其二，送料螺杆机构由机筒和设置在机筒内的送料螺杆组成。送料泵电机的输出轴经联轴器连接传动轴，传动轴由轴承座支撑，传动轴穿过料斗处设有轴封。传动轴在料斗范围内设置有绞龙叶片，传动轴另一端与送料螺杆端部刚性连接，或者传动轴本身就是送料螺杆的一部分。采用此方式则无需连接轴和万向节（或销接），送料泵电机直接驱动螺杆，结构简单但输送性能较弱，压力波动较大，适合要求不高的应用。

各送料机构部件均固定在安装支架上，送料机构通过螺栓固定在三维打印机机架结构上或者作为单独设备外置。通过上述送料机构可实现对多种物料的连续、远程、自动输送，克服了现有流体三维打印机成型物料输送的诸多问题。送料机构除了可以水平安置，一般采用与水平面成一定倾角安置或接近垂直安置，如图4、图5所示，即将送料泵电机的一端抬起，使料斗高度较高，输料出口端高度较低，便于料斗中的流体进入螺杆泵，同时，还可防止气体进入输料管道。当采用接近垂直安置时，料斗进料开口朝上，此时传动轴不必穿过料斗，因而可以取消轴封。

送料螺杆机构的输出端连接有一根输料管，同时，可在此处安装一个常规的压力表，通过压力表可方便人工读数。输料管一般选用软管，其通过软管接头一头与送料螺杆机构的输出端连接，另一端与挤出机构连接。

挤出机构包括挤出机支架、挤出泵电机及其配套传动机构、挤出螺杆机构。本实施例中，挤出螺杆机构的结构有两种可选方式：

如图6所示，其一，挤出螺杆机构由螺杆泵转子、定子、定子外壁、连接轴、传动轴、万向节、轴封及其它配套附属构件组成，其结构属于现有成熟结构，故在此不作赘述。此方式挤出量易于精确计算挤出量，挤出稳定性好，不挤出时喷嘴不易漏料，适合高性能的应用。

如图7所示，其二、挤出螺杆机构由机筒和设置在机筒内的挤出螺杆，以及螺杆无螺纹段穿出机筒处的轴封组成。挤出泵电机的输出轴经联轴器连接螺杆端部无螺纹段，直接驱动螺杆旋转挤出物料。其结构与现有注塑机挤出螺杆及机筒结构相似，故在此不作赘述。不同的是，由于输料管路已存在压力，一般地，螺杆采用均匀的等距螺纹，省去进料段、压缩段、计量段区分，加工制造更为简单，挤出量算法也较为清晰。此方式由于螺杆与机筒内壁存在配合间隙造成挤料误差，不挤出时喷嘴相对容易漏料，适合成本较低的应用。

本实施例中的挤出螺杆机构输出端部设置有喷嘴，挤出螺杆泵机构与喷嘴之间为可拆卸连接，由此便于喷嘴的更换和清理。

挤出泵电机用于驱动挤出螺杆机构，挤出螺杆机构安装在挤出机支架上，挤出机支架安装在三维打印机挤出机连接板上，挤出泵电机与三维打印机控制板或外置驱动电路连接；输料管的另一端（输出端）通过三通管与挤出螺杆机构的进料口连通，二者分别连接在三通管的两端。具体的说，用软管接头把管件与软管连接，并附加卡套等措施增加连接的可靠性，软管接头可连接在弯管上，再通过弯管与三通管连接，也可直接连接在三通管上。三通管的第三端（另一端）上连接有一压力变送器，压力变送器实时检测物料输送压力，并将其转换为电流或电压信号反馈给送料控制系统。压力变送器一般选用齐平膜型，属于现有成熟产品，故在此不作赘述。

挤出泵电机与三维打印机控制板或外置驱动电路连接并由其控制。压力变送器通过信号线与送料控制系统连接，同时，送料控制系统连接电源、送料泵电机和三维打印机控制板或挤出泵电机外置驱动电路。送料控制系统主要负责接收反馈的物料输送压力信号，然后根据信号调整送料泵电机、挤出泵电机的工作状态。具体的说，送料控制系统包括信号处理器，送料泵调速电路或送料泵开关电路，二者可以整合在一起做成一个控制盒，同时配备显示屏，压力变送器的压力数值通过显示屏显示出来。调速电路与开关电路为两种压力控制方式，其中，调速电路可采用如变频器、可控硅调速器或其它调速电路；开关电路可采用继电器。一般地，变频器适用于较大功率送料泵电机的调速控制，为大型三维打印机的优选方案；对于中小型三维打印机，则可采用可控硅调压电路，或步进（伺服）电机驱动器，通过信号处理器输出的PMW信号进行调速。当压力稳定性要求不高、送料泵电机功率要求低时，可采用继电器开关电路，控制送料泵电机供电通、断实现简单调压。

本实施例中对送料的调控过程如下：

首先，压力变送器反馈物料输送压力的电压或电流信号至送料控制系统的步骤；然后，送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力，若压力值大于设定值，则控制送料泵电机减速或关断；若压力值小于设定值，则控制送料泵电机提速或启动。

本实施例中对挤出料的调控如下：

送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力和时间，若压力值小于设定值，且该状态超过了设定时间，则反馈信号至三维打印机控制板或外置驱动电路，关闭挤出泵电机。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开结构与方法的基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，包括送料机构、挤出机构和用于控制送料机构、挤出机构的送料控制系统（9），所述送料机构与所述挤出机构分离，所述送料机构的输出端连接所述挤出机构的输入端，所述送料控制系统（9）连接电源并通过缺料信号线与三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路连接；

所述送料机构包括送料泵电机（1）、料斗（2）和送料螺杆机构（3）；在所述料斗（2）内设置有带有绞龙叶片（21）的连接轴（22），所述送料泵电机（1）的输出轴与所述连接轴（22）一端连接，所述连接轴（22）的另一端与所述送料螺杆机构连接，所述送料螺杆机构（3）的输出端通过输料管（4）连接所述挤出机构的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，在所述输料管（4）上靠近所述挤出机构的输入端处还设置有压力变送器（5），所述压力变送器（5）与所述送料控制系统（9）连接。

3.根据权利要求2所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述送料控制系统（9）包括信号处理器，送料泵调速电路或送料泵开关电路。

4.根据权利要求3所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述挤出机构包括挤出机支架（6）、挤出泵电机（7）和挤出螺杆机构（8）；所述挤出泵电机（7）用于驱动挤出螺杆机构（8），所述挤出螺杆机构（8）安装在所述挤出机支架（6）上，所述挤出机支架（6）安装在三维打印机挤出机连接板（12）上，所述挤出泵电机（7）与三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路连接；所述输料管（4）的输出端与所述挤出螺杆机构（8）连接。

5.根据权利要求4所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述输料管（4）的输出端通过三通管（10）连接所述挤出螺杆机构（8），所述三通管（10）的另一端口接入所述压力变送器（5）。

6.根据权利要求5所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述挤出螺杆机构（8）包括螺杆泵转子（81）、定子（82）、定子外壁（83）、连接轴（84）、传动轴（85）、万向节；所述螺杆泵转子（81）通过所述万向节与所述连接轴（84）一端连接，所述连接轴（84）另一端与所述传递轴（85）连接；所述传动轴（85）与所述挤出泵电机（7）连接；

或者，所述挤出螺杆机构（8）包括机筒（86）和设置在机筒内的挤出螺杆（87）。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述送料螺杆机构（3）包括送料螺杆泵转子、定子及定子外壁、连接轴、传动轴；其中，所述连接轴位于所述料斗（2）内；所述绞龙叶片（21）的推进量大于送料螺杆泵转子、定子的输送量；

或者，所述送料螺杆机构（3）由机筒和设置在机筒内的送料螺杆组成。

8.根据权利要求7所述的一种三维打印机流体挤出系统，其特征在于，所述料斗（2）与所述送料螺杆机构（3）固定为一体并倾斜于水平面设置，使所述料斗（2）底部高于所述送料螺杆机构（3）输出端。

9.如权利要求2-8任一项所述的一种三维打印机流体挤出系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）启动送料泵电机，送料机构将物料通过输料管输送至挤出机构的步骤；

（2）启动挤出泵电机，挤出机构工作，挤出物料的步骤；

（3）压力变送器反馈流体物料输送压力的电压或电流信号至送料控制系统的步骤；

（4）送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力，若压力值大于设定值，则控制送料泵电机减速或关断；若压力值小于设定值，则控制送料泵电机提速或启动，以此保持输料管路压力保持稳定。

10.根据权利要求9所述的一种三维打印机流体挤出系统的实现方法，其特征在于，送料控制系统根据反馈的信号判断物料输送压力和时间，若压力值小于设定值，且该状态超过了设定时间，表明输料管路中缺少物料供应，则反馈信号至三维打印机控制板或挤出电机外置驱动电路，关闭挤出泵电机。