CN211591316U - 一种用于大型增材制造的3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种用于大型增材制造的3D打印装置，涉及3D打印技术领域。包括材料熔融挤出机构和打印头，所述打印头连接有熔融材料流量控制机构，打印头与材料熔融挤出机构固定连接，材料熔融挤出机构使用了异向旋转锥形双螺杆结构的挤出方式，而且采用直连的方式驱动双螺杆挤出机构，提高了驱动结构的集成度，使异向旋转锥形双螺杆结构挤出机可以应用于3D打印机，针对螺杆间隙中，熔融材料的热膨胀压力分量不受螺杆控制的因素，改进了末端的打印头，打印头连接有熔融材料流量控制机构，使打印头为可变口径结构，能够对熔融流体节流控制，进一步的提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。

Description

一种用于大型增材制造的3D打印装置

技术领域

本实用新型实施例涉及3D打印技术领域，具体涉及一种用于大型增材制造的3D打印装置。

背景技术

大型产品的制造业技术背景：所有产品都是为人类生活生产服务的，而成人尺寸一般在一米至两米，以人为尺度，产品尺寸在一米以下可以定义为小尺寸，一至两米为中尺寸，大于两米定义为大尺寸。

从基本原理上来看，目前的工业制造实物的工艺方式只有三种，减材制造，等材制造，增材制造。

减材制造：从石器时代，将一块石头用另一块石头敲打减去多余的部分得到想要的部分，一直沿用到现代机床的刀具切削整块的材料得到部分的材料形成成品，都是属于减材制造。减材制造需要首先准备一块大于成品的材料，然后去除百分之十至百分之九十的材料，当成品的尺寸较小时，而且形状简单，所去除而浪费的材料的绝对数量并不是太大，当成品尺寸较大时，而且比较复杂时，不仅浪费极大，费工费时废料，而且减除材料时刀具干涉严重，刀具受到成品三维结构的阻碍有不可到达的部位。复杂度受到限制。但是由于是在物质材料凝固态的常温下进行的，加工前后没有物质相变，可以得到比较精确的成品。缺点：浪费材料，效率中等，刀具干涉，大型和结构复杂情况下尤其严重。优点：常温变形小，应力小，精确。

等材制造：从陶器到青铜时代，将模具中注入流体或液体，冷却或烧结后得到与模具型腔体积相等的成品，一直到现代各种注塑，铸造工艺都属于等材制造。通常模具的总体积都是产品的六倍以上，在产品进入中大型尺寸时，模具的体积重量成本都会急剧增长，同时等材制造虽然不用减除材料但是也有模具干涉，受到成品三维结构的阻碍有不可分模出模的部位。因此如果要生产复杂的成品，就要在产品设计上拆分成很多不必要的零件分别加工再组装。并且等材料制造需要先制备模具，前期投入高，但是可以得到很高的批量生产效率。而且节约原材料。缺点：投入门槛高，工艺周期很长，温度变化大，有相变，应力大，变形大，整体精度较低，大型和结构复杂情况下尤其严重。优点：批量生产效率高。

增材制造：电镀，堆焊，喷涂，都属于增材制造，但通常不适用于整个零部件的制造，一般用于修补或其他辅助工艺，近代才出现整体增材制造工艺，比如3D打印，通过逐层增加材料来构建成品。3D打印作为增材制造的主要技术之一其核心原理是降维，打印过程是在2维面上打印的，不存在3维空间干涉问题，复杂的3维模型已经由专用的软件分解为若干2维的片状层，层虽然也有厚度，但厚度方向上相对整体来说比较薄，已经可以近似的认为是2维的。最主要的优势是既没有模具的初始投入成本，也不需要预备一块大于成品的毛坯，而是直接从无到有逐层叠加而成。而且对于产品的复杂结构也不敏感，因为三维已经降低成二维了。但是，如前所述可以看出，减材，等材，都是涉及整体材料的表面，而3D打印涉及材料的内部，将内部切开成为可以打印的面，远远大于原来的表面积，因此，在同等运动速度下，3D打印的效率比前两种方式低很多。缺点：效率非常低。温度变化大，有应力，有变形。大型产品情况下尤其严重。优点：复杂度限制很小，内外一体加工，节约材料，前期投入很小，工艺周期短。

现有3D打印工艺大型化的技术背景：随着经济发展和技术进步，特别是近代以计算机技信息技术的发展，产品越来越复杂，品种越来越多，单品的批量越来越少，导致减材和等材制造的缺陷越来越明显，特别是在复杂轻量化的产品领域。这种情况下3D打印对于复杂的产品具有原理上的优势。同时不用预备大于成品的毛坯，节约材料。也不用预先制备模具，节约固定投资。优势逐渐显现，而效率低的缺陷在小尺寸时由于基数比较小，效率的绝对差别不是太大。

但是，任何一种3D打印工艺都是多种技术的综合***，在成型尺寸增大后，其相辅技术并不能与之匹配，米级以上尺寸与分米级尺寸虽然在尺寸上是10倍关系，但以有效成型体积计算，立方米是立方分米的1000倍，因此打印设备在相同的时间内所需要处理的材料体积理论上需要有近千倍的提升，如果要保持合理的效率，显然不是简单的放大结构所能做到的。

因此，目前众多的3D打印技术门类中大部分仅适用于小型产品，也就是分米级到米的尺寸级别，而且即使勉强触及到米级的尺寸，也都是采取薄壁，低密度填充等牺牲力学性能的方式实现的，实际上的有效打印体积也是很小的，而人类生活的环境空间尺寸是与人体尺寸1-2米的尺寸相匹配的，如房屋，家具，汽车，船舶等，内部空间都是人体尺寸的倍数关系，如果不能达到日常使用的米级以上尺寸，也就是按照人的高度大小而设计的产品尺寸，也就不能进入价值高的主流市场。

下文将对目前主流的SLA/DLP、SLS、FDM四种3D打印工艺不能高效率的生产大尺寸产品的原因原理进行简述。

1、SLA/DLP是以光固化(硬化)树脂作为原材料的3D打印技术，SLA与DLP的区别是使用光的方式不同。SLA使用UV光束去扫描光固化树脂来得到打印层的形状，可以看作是点到线、线到面逐渐成型的过程，而DLP是使用类似投影仪的投影原理，投射一个打印层所需的光来固化树脂，相比SLA技术跳过了点到线、线到面的过程，DLP在单层成型速度上比SLA快了很多，DLP也去除了SLA所需要的高精密的光学偏摆镜***，因此DLP的成本更低，目前大众市场大多采用DLP的工艺做光固化3D打印。

DLP工艺很难实现大型化，由于DLP技术采用的投影分辨率有限(通常为1920*1080)，其投影分辨率在分米级使用时单像素尺寸约为0.1mm，而大型化后，体积放大1000倍，单层的面积放大100倍，为了保持单像素大小仍为0.1mm，DLP的总像素量也要放大100倍，也就是分辨率要达到19200*10800，否则成型层边沿将出现锯齿(类似把图片放大后的锯齿状)，目前的技术达不到这样极高的分辨率。即使不需要较高的精度，从效率上来说也难以在大尺寸情况下提高效率，光固化技术使用的光固化树脂材料必须通过光来反应固化，为了确保树脂材料充分固化，每层的厚度不能过厚，否则由于光的散射误差急剧增大，由于光的衰减效率也会下降，在大尺寸物体成型时层厚相对过薄，导致总层数变大，整体的成型效率急剧降低。光固化材料本身生产成本高、有暗反应(无光情况下固化)，成型后不耐久(易分解)、有毒性、力学性能不足，由于材料必须具有光敏性，难以选择市场上十分成熟而廉价的高性能工程树脂，而使得种类有限，性价比有限，价格按克来计算，而大型产品用料量大价格敏感，人们常用物体重量在10kg-50kg(如沙发、椅子、桌子等)，因此在技术原理上，经济上，实用性上不适宜大型化。

2、SLS工艺(选择性激光烧结)，是一种主要制作金属制品的工艺，SLS工艺使用高能激光束扫描被加工成极细的材料粉末，使被瞬间加热的材料粉末熔融粘合，其成型过程与SLA类似，都是点到线、线到面逐渐成型的过程，整个成型过程是线性的，因此成型体积增大，单件的成型速度会以3次方降低。大部分金属或者热塑性树脂制成粉末以后SLS工艺都可以使用，原材料需要额外的粉末加工成本，通常粉末化后是原材料成本的几倍，且材料粉末会导致SLS成型物体表面形成粉粒状，粉状物质内部是空气，激光熔接时气体逸出体积收缩导致应力很大，尺寸大时非常容易应力开裂。SLS工艺使材料粉末填充整个成型空间，未被烧结的材料成为了支撑，因此SLS工艺可以不单独打印支撑结构，粉末材料浪费很少。

但是，SLS工艺在打印产品时材料粉末需要加温到略低于材料的熔融温度，以此降低激光器所需的输出功率与降低因非整体制造而逐渐冷却产生的内部应力。大型化后，体积放大1000倍，假设放大后体积约12m³(2m*3m*2m),在整个成型空间中填满塑料材料粉末需要十几吨，如果是金属粉末甚至需要几十吨至一百吨，还需要对材料加温并且保温至100度或以上。为了解决大型化后材料粉末产生的问题使SLS工艺原本机械结构设计与工艺都会变的非常复杂，材料的总成本很高，能耗也会非常大。

SLS工艺使用激光器功率与成型速度密切相关，其最大功率一般在0.4kw--1kw之间，按照等比放大的原理，产品体积放大1000倍，理论上SLS工艺最大功率相应的也要放大1000倍，否则相当于用细小的光斑去刻画一副增大了千倍的画面，效率将低到无法接受，要么配套的激光器的最大功率就需要400kw至1000kw，根据当前激光器的技术，常用的功率在6kw以下，400kw可能仅在军用领域能实现因此SLS工艺大型化目前也难以实现。

SLS的打印层高也有较大的限制，因为其原理是利用激光聚焦的焦点光斑产生高温来烧结或熔化粉末来成型为固态，而热传导是自发向周围粉体扩散的，如果要有较深的烧结厚度(层高)，热扩散会导致烧结的线条边缘不可控。因此在技术原理上，经济上，实用性上也不适宜大型化。

3、FDM工艺(熔融沉积成型)，又称熔丝沉积，现有的小型FDM工艺主要使用直径为1mm-3mm左右的热塑性塑料线材作为打印材料，打印头(2)熔融线材涂敷形成每一层的形状，FDM工艺所需的技术是所有3D打印工艺种类中最简单的，除了运动结构仅需送丝机构与加热头(打印头)，FDM工艺相比SLS工艺与DLP工艺，FDM工艺没有使用成本高昂的材料也没有使用成本高昂的技术，成型原理比较简单，理论上，只要使用加粗十倍的打印线，在原有运动速度不变的情况下就能得到体积增量100倍，虽然牺牲了表面精度，但是在大型增材制造领域，精度并不是主要问题，一方面尺寸大的产品如家具，房屋，灯具，装修装饰品等，对于整体尺寸精度要求不高，二方面大型产品需要进行表面涂装油漆等工艺，其表面光洁度由涂装工艺决定，而尺寸达到几米的量级时效率才是主要问题，而FDM通过提高材料流量，提高线宽和层高，可以极大的提高成型的体积效率，因此FDM工艺存在大型化的可能。

小型FDM工艺是以丝材为基础的成型方式，打印喷头来回涂覆成型，整个成型过程是线性的，是点到线、线到面、面成体逐渐成型的过程，体积增大是长宽高三个方向的，打印线直径决定了其中两个方向的增量，运动速度决定了第三个方向的增量，而这三个方向的增量都需要材料流量的等比例增量，理论上是产品平均边长增量的3次方，因此FDM实现大型化必须极大的提高打印线的挤出效率。

这种情况下使用丝状材料已经不可能，现有使用丝状材料的FDM打印机成型体积的典型边长约0.1-1米，大型3D打印需要1-10米的典型边长，基本是10倍关系，换算成体积就是1000的关系，丝材的直径需要放大10倍，达到10mm-30mm，这已经不是丝材而是棒材了，材料的挤出速度也要放大10倍，由于材料丝的直径变大，丝材变得难以弯折，允许弯曲直径变得非常大，很难弯曲成卷，也不宜生产，需要额外的加工成本。并且材料的导热率有限，当丝材直径变大后，丝材外表面面积以平方增加，体积以立方增加，小型机的熔融加热方式仅加热丝材外表，丝材的熔融效率严重降低，小型机打印头的加热原理不再适用。小型常规FDM打印机使用挤料齿轮与丝材表面啮合滚动产生挤出推力，当丝材线径***10倍后，丝材截面积放大接近100倍，同时挤出速度需要提高10倍，丝材的挤出阻力变得非常大，丝材表皮的强度难以承受挤料齿轮的推力，导致表皮溃裂，挤料齿轮打滑空转。小型机的送料机构与打印头熔融结构大型化后不再适用。

综合分析来看，现有的小型FDM工艺在小型产品有一定的实用价值，其原理有实现大型化的可能性，但是其现有的熔融挤出机构远远不能满足大型化的要求。

现有3D打印工艺大型化的局限：FDM工艺在国内外少数几家公司一定程度上实现了大型化，通常采用的是龙门架运动结构(类似龙门加工中心)，采用的是动头式(打印头运动)运动结构，而非龙门加工中心常用的动台式结构，动台结构使打印平台与打印物体参与运动，因此运动惯量远大于动头式，不利于3D打印中反复的加减速运动。材料熔融挤出机构安装在下探轴(Z轴)上，材料熔融挤出机构一般使用类似注塑机的单螺杆式挤出机，原材料使用颗粒原料。这种FDM架构为了达到一定的材料挤出流量，安装在运动结构末端的材料熔融挤出装置体积重量都很大，因此安装与承载熔融挤出装置的机械运动结构的刚度也必须设计的足够强，整个参与运动的结构的惯量也会很大，由于需要打印的产品通常是比较复杂，有很多局部细节，使打印头需要较多的短程往复运动，打印机构必须反复的加减速，挤出机和机构的重量使得运动结构有很高的运动惯量，因此导致平均加速度低、平均运动速度低、能耗高、打印质量降低、机械加快磨损。反之，降低挤出装置的重量，轻量化整个运动结构，较轻的熔融挤出机又会导致材料挤出效率不高，挤出流量不足，流量与重量在结构设计上是矛盾的。这样的架构虽实现了FDM工艺尺寸的大型化，但运动速度与出料流量无法同时提高，整体的打印效率仍然不高。

在现有技术中每小时能挤出材料10公斤的装置，其自重约100-200公斤，即流量与重量比小于1，约为0.1-0.05之间，平均运动速度仅能达到4000mm/分钟，因此打印效率低下。因此熔融挤出装置的各项性能基本决定了整个3D打印机的***性能，直接影响大型FMD3D打印的综合成型效率。

大型的FDM打印机通常使用塑料工业中的单螺杆式挤出机，下文对现有螺杆式挤出机在大型FDM 3D打印中应用进行简要分析。

单螺式挤出机结构简单，易于安装使用，而高性能的双螺杆挤出机结构复杂体积庞大，而大型3D打印要求轻量化才能提高打印速度，因此也很难用于大型3D打印，单螺杆式挤出结构是目前大型FDM 3D打印行业广泛采用与研究的。目前尚未发现大型3D打印机使用双螺杆挤出机的案例或文献。

现有的锥形异向双螺杆挤出机，其结构十分庞大，除了双螺杆，机筒，发热套等必须结构之外，其推力承载装置，传动***，双螺杆同步机构，驱动及减速机构，基座等等都有较大的体积和重量，十分不利于3D打印过程中的高机动运行。

而且，在大型3D打印的过程中，运动与流量控制统一由总控制***控制，打印头的流量必须根据总控的指令与打印头的运动轨迹与速度严格对应，在打印头处于变速运动时，流量的变化率也要根据总控的指令与运动速度的变化率严格同步，对打印流量跟随主控指令瞬间变化的响应速度有极高的要求，否则就会出现打印线的线宽、线高失控(偏大或偏小)，与主控***中程序指令的设定值产生偏差。不仅如此，对于恒速运动但线宽与线高连续变化的打印场景，甚至是变速运动同时线宽与线高也变化的打印场景，对流量控制的精准度和实时响应要求更高。综合来看，即使是微弱的偏差，根据3D打印的原理，最终累计误差会加大，对打印产品的外观效果造成很大影响，甚至导致打印失败。因此精准流量控制是大型FDM 3D打印工艺中必须要实现的。而现有的锥形异向双螺杆挤出机传动链很长，难以实现精确传动。

综合来看，现有的锥形异向双螺杆挤出机有体积重量太大，传动链太长等重要缺陷，当然，也不能单独用于3D打印***，因为热熔性材料，除了挤出机的驱动力外，还有热膨胀产生的压力是不受挤出机控制的，还需要末端开闭和节流控制，需针对3D打印工艺的特性来改进。为实现高效的大型FDM打印工艺，必须同时满足如下要求：小的体积与重量、高压大流量挤出、高精度末端流量控制、流量实时跟随指令变化、良好的材料塑化排气效果。

显然不是现有塑料行业的挤出设备或者现有3D打印行业的挤出机构能够实现的。

发明内容

为此，本实用新型实施例提供一种用于大型增材制造的3D打印装置，使用了异向旋转锥形双螺杆结构的挤出方式，提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

根据本实用新型实施例的第一方面，该用于大型增材制造的3D打印装置包括材料熔融挤出机构和打印头，所述打印头连接有熔融材料流量控制机构，打印头与材料熔融挤出机构固定连接，材料熔融挤出机构的挤出口与打印头的熔融材料输入口连通；所述的材料熔融挤出机构包括熔融外壳、主动锥形螺杆、从动锥形螺杆和熔融加热器，主动锥形螺杆和从动锥形螺杆设置在熔融外壳内并相互啮合，主动锥形螺杆通过熔融减速器连接熔融挤出动力源，主动锥形螺杆通过同步传动机构连接并带动从动锥形螺杆旋转，所述熔融加热器设置在熔融外壳的外侧。

进一步地，所述的同步传动机构包括相啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮固定在主动锥形螺杆的螺杆轴上，从动齿轮固定在从动锥形螺杆的螺杆轴上。

进一步地，所述的主动齿轮和从动齿轮设置在一个同步箱外壳内，所述同步箱外壳设置在熔融外壳与熔融减速器之间，所述同步箱外壳内还设有套设在主动锥形螺杆与从动锥形螺杆螺杆轴上的轴承组。轴承组为径向轴承与推力轴承的组合轴承。

进一步地，所述的挤出口设置在熔融外壳下端，所述打印头固定在熔融外壳下端一侧，熔融外壳上端设有进料口。

进一步地，所述的打印头的下端设有打印喷嘴，所述熔融材料流量控制机构包括升降设置的材料控制杆以及带动材料控制杆升降的升降机构，材料控制杆的下端设置在打印喷嘴处。利用材料控制杆的升降实现打印的流量调节和喷嘴口径的切换，结构简单。

进一步地，所述的升降机构包括相连接的电动缸和电动缸伺服电机，电动缸与材料控制杆的上端固定连接。

进一步地，所述的材料控制杆的下端开设有横向流道和竖向流道，所述横向流道横向贯穿材料控制杆的两侧，竖向流道的下端贯穿材料控制杆，竖向流道的上端连通横向流道。通过横向流道和竖向流道可以在实现更加准确的调整，材料控制杆完全处于打印喷嘴上方时，打印喷嘴的口径即为打印输出口径，当材料控制杆下端进入打印喷嘴内，材料依次经过横向流道和竖向流道后输出，竖向流道口径即为打印输出口径，当材料控制杆继续向下移动就可以完全关闭打印喷嘴。

进一步地，所述的打印头的下端设有末端加热器。

进一步地，在所述的挤出口与熔融材料输入口处均设有传输加热器。

本实用新型主要是针对中大型产品的增材制造工艺做出实用的创新。

本实用新型实施例具有如下优点：

本实用新型实施例创新的使用了异向旋转锥形双螺杆结构的挤出方式，而且采用直连的方式驱动双螺杆挤出机构，主动锥形螺杆通过同步传动机构连接并带动从动锥形螺杆旋转，使之一体化，提高了驱动结构的集成度，使异向旋转锥形双螺杆结构挤出机可以应用于3D打印机，针对螺杆间隙中，除了挤出的机械压力，熔融材料的热膨胀压力分量不受螺杆控制的因素，改进了末端的打印头，打印头连接有熔融材料流量控制机构，使打印头为可变口径结构，能够对熔融流体节流控制，进一步的提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM 3D打印工艺所需。

锥形双螺杆挤出结构两条螺杆的轴线具有一定的夹角，同时螺杆本身呈圆锥形，螺杆直径由大逐渐减小并逐渐压缩熔融材料。锥形双螺杆式相比平行双螺杆式，螺杆中心距不是固定的，螺杆轴线具有一定的夹角，越远离螺杆头部，螺杆中心距越大，同时螺杆直径越大，因此螺杆的驱动设计不再像平行螺杆那么困难，两轴线的中心距由小端向大端逐渐变大，传动***中的齿轮和齿轮轴以及支承这些齿轮轴的径向轴承和推力轴承留有较大的安装空间，可以安装较大规格的径向轴承和推力轴承，且锥形螺杆的轴径越接近驱动端越大，容易传递足够大的驱动扭距。因此锥形双螺杆挤出结构更易做到大工作扭距、大承荷能力、大挤出流量。其中异向旋转的形式有强制输送特性，同时保持较小的体积和重量，利于3D打印的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、方位的改变、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施例1提供的用于大型增材制造的3D打印装置的示意图；

图2为本实用新型实施例1的材料熔融挤出机构的示意图；

图3为本实用新型实施例1的打印头的示意图；

图4为图3中A处的局部放大图、即材料控制杆的状态图Ⅰ；

图5为本实用新型实施例1的材料控制杆的状态图Ⅱ；

图6为本实用新型实施例1的材料控制杆的状态图Ⅲ；

图7为本实用新型实施例1提供的用于大型增材制造的3D打印装置的实际应用示意图；

图8为本实用新型实施例2提供的用于大型增材制造的3D打印装置的实际应用示意图；

图9为图8中B处的局部放大图；

图中：1-材料熔融挤出机构 2-打印头 3-熔融减速器 4-熔融挤出动力源 5-熔融加热器 6-进料口 7-挤出口 8-熔融材料输入口 9-传输加热器 10-末端加热器 11-电动缸 12-电动缸伺服电机 13-动力源控制器 14-温度控制器 15-总控制器 16-熔融外壳17-主动锥形螺杆 18-从动锥形螺杆 19-轴承组 20-主动齿轮 21-从动齿轮 22-同步箱外壳 23-固定座 24-材料控制杆 25-隔热垫 26-打印喷嘴 27-横向流道 28-竖向流道 29-原料仓 30-工业机器人 31-行架式机床 32-进料管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

参见图1～2，该用于大型增材制造的3D打印装置包括材料熔融挤出机构1和打印头2，打印头2连接有熔融材料流量控制机构，打印头2固定在材料熔融挤出机构1的下端一侧，材料熔融挤出机构1的挤出口7与打印头2的熔融材料输入口8连通。本实用新型实施例将材料熔融挤出机构1和打印头2固定连接，并在打印头2内设置用于控制输出流量的熔融材料流量控制机构，材料熔融挤出机构1采用双螺杆挤出机构，螺杆虽然有强制输送特性，但是熔融材料有膨胀压力，材料在接近出口时已经脱离了螺杆的控制，传输过程的管道材料和熔融材料本身也有弹性，在热膨胀压力的作用下，在螺杆不运动的情况下也是有一定的压力的，因此仅通过螺杆进行流量控制，在连续无变化的挤出材料时，热膨胀压力处于稳态，因此流量稳定，但3D打印产品通常具有一定的复杂性，在打印过程中，流量是反复通断并大小变化的，当螺杆停止转动，或者变速运动时，末端打印喷嘴26的实际流量在熔融材料的热膨胀力作用下不会立即响应指令的变化，而是要等热膨胀压力完全消耗以后，流量才会重新稳定，导致实际流量与指令产生滞后，流量的实时性难以保证，所以本实用新型通过末端节流控制与螺杆的控制配合，才能解决流量不仅是空间上体积是精确的，时间上也是精确的，真正实现大型FDM 3D打印。

本实施例中的材料熔融挤出机构1包括熔融外壳16、螺杆挤出机构和熔融加热器5，螺杆挤出机构转动设置在熔融外壳16内，熔融加热器5设置在熔融外壳16的外侧，螺杆挤出机构通过熔融减速器3连接带动其旋转的熔融挤出动力源4。熔融外壳16的下端为挤出口7，熔融外壳16的上部两侧分别设有进料口6。

螺杆挤出机构包括相啮合的主动锥形螺杆17与从动锥形螺杆18，主动锥形螺杆17的上端连接主动齿轮20，从动锥形螺杆18的上端连接从动齿轮21，主动齿轮20与从动齿轮21相啮合，主动锥形螺杆17与从动锥形螺杆18的上部分别连接有轴承19。主动锥形螺杆17通过熔融减速器3连接熔融挤出动力源4。螺杆挤出机构也可以是液压马达驱动的单螺杆结构或者其他可以产生挤出压力的结构。熔融挤出动力源4为伺服动力源，伺服动力源配合双螺杆的挤出效果和效率更优。主动齿轮20和从动齿轮21设置在一个同步箱外壳22内，所述同步箱外壳22设置在熔融外壳16与熔融挤出动力源4之间，所述同步箱外壳22内还设有套设在主动锥形螺杆17与从动锥形螺杆18螺杆轴上的轴承组19。为方便集成式同步与支撑机构装配与维护，同步箱外壳22以两条螺杆的轴线形成的平面为分型面分为两个部分，同步箱外壳22内可注入润滑油脂为轴承组19与齿轮提供润滑。

本实用新型实施例将锥形双螺杆挤出机构应用于大型3D打印机之上，具体改进在于熔融挤出机的驱动结构，简化了传统挤出机复杂的螺杆、同步机构、减速箱、多级相连的结构，改进为直驱的方式。实用新型结构中，螺杆与高精密减速机之间没有多余传动轴体、推力支撑轴承组、径向轴承等，直接安装在螺杆轴上，使整个驱动结构更紧凑，体积更小，重量也更轻。异向双螺轩挤出结构与当前3D打印行业中所使用的单螺杆挤出结构的输送机理不同。单螺杆挤出结构中的固体输送过程为摩擦拖曳，熔体输送过科为粘性拖曳，固体物料与金属表面之间摩擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱。在单螺杆结构中，从进料口6到最终出料口存在一条螺线型通路，这意味着单螺杆对材料建压极限较低，当熔融体压强达到一定程度时，熔融体会从螺线型通路与其他间隙中漏流泄压，导致单螺杆结构此时不再对材料形成有效的正位移输送，最终输出流量就无法继续提高，输出流量也无法与电机的转速对应。啮合型异向双螺杆挤出机构对熔融流体材料的强制输送原理类似齿轮泵与双螺杆泵，其啮合结构会形成一段段双C型封闭室，C型封闭室的个数与螺杆螺纹圈数相同，螺杆旋转时，双C型封闭室轴将向前位移(朝出料口)，螺杆旋转一圈，封闭室前移一个导程，因此物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其强制位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的啮合间隙和螺杆与螺杆外套的配合间隙。本实用新型实施例所采用紧密啮合的异向旋转锥形双螺杆挤结构，螺杆与螺杆外套较小配合间隙，最大可能的降低漏流现象，获得最大的正位移输送效果。可以做到驱动力极限和螺杆本身力学极限情况下的最大输出流量。

根据3D打印原理，内部填充体积约占总体积的90％，影响打印产品外观效果的只有外壳曲面，而内部填充不影响产品外观效果，因此在打印过程中可以提高线宽与线高(层高)，以最大的流量迅速完成内部填充。对于外壳面中部分垂直于水平面的平面或者曲率变化小而趋近垂直水平面的曲面，可以使用更大的层高，更大的流量迅速打印，在这种情况下产品外观效果(曲面拟合效果)与小层高相同。因此更大流量意味着更高平均效率的3D打印。

挤出口7与熔融材料输入口8处均设有传输加热器9，打印头2的下端设有末端加热器10，末端加热器10、熔融加热器5以及传输加热器9连接至温度控制器14，保持材料始终处于一个合适的温度环境，利于材料的熔融、传输以及从打印头2中排出后最终实现3D打印。熔融材料流量控制机构和熔融挤出动力源4连接有动力源控制器13，实现对熔融材料的挤出压力、材料的流量或截止流量进行控制。动力源控制器13与温度控制器14连接总控制器15。

参见图3，打印头2的下端设有打印喷嘴26，本实用新型实施例创新的使用了异向旋转锥形双螺杆结构的挤出方式，改进了双螺杆的同步结构和支撑结构，使之一体化，提高了驱动结构的集成度，并以伺服驱动作为精确驱动方式，使异向旋转锥形双螺杆结构挤出机可以应用于3D打印机，针对螺杆间隙中，除了挤出的机械压力，熔融材料的热膨胀压力分量不受螺杆控制的因素，改进了末端打印头2，打印头2连接有熔融材料流量控制机构，能够对熔融流体节流控制，进一步的提高了控制精度与实时性，满足高效的大型FDM3D打印工艺所需。

熔融材料流量控制机构包括升降设置在打印头2内的材料控制杆24以及带动材料控制杆24升降的升降机构，材料控制杆24的下端设置在打印喷嘴26处。升降机构包括由上至下依次连接的电动缸伺服电机12和电动缸11，电动缸11与材料控制杆24上端连接，结构非常简单，为了避免打印头2内熔融材料的热量传递至电动缸11，本所述立柱电动杆与打印头2之间设有隔热垫25。当然本实用新型实施例中的升降机构还可以采用其他可精确控制的动力源。打印头2的一侧设有用于连接材料熔融挤出机构1的固定座23。

参见图4～6，材料控制杆24的下端开设有横向流道27和竖向流道28，横向流道27横向贯穿材料控制杆24的两侧，竖向流道28的下端贯穿材料控制杆24，竖向流道28的上端连通横向流道27。通过在材料控制杆24的下端开设横向流道27和竖向流道28，而且电动缸11使得材料控制杆24的位置可控，能够使得打印头2至少具有两种输出口径，并可以实现完全关闭。

当材料控制杆24处于状态Ⅰ与Ⅱ时，从打印头2容腔内到打印喷嘴26具有一条材料流通的通路，打印头2处于开启状态。当材料控制杆24处于状态Ⅲ时，容腔内到打印喷嘴26没有材料流通的通路，打印头2处于关闭状态。具体的，当材料控制杆24的位置处于状态Ⅰ时，材料控制杆24与打印喷嘴26之间存在一定的间隙，熔融材料从该间隙中流入打印喷嘴26，此时打印喷嘴26的口径作为材料最终的输出口径，处于最大口径状态。当材料控制杆24的位置处于状态Ⅱ时，材料控制杆24与打印喷嘴26之间没有间隙，熔融材料只从横向流道27和竖向流道28流出，此时竖向流道28的口径作为材料最终的输出口径。

熔融挤出动力源4通过熔融减速器3带动主动锥形螺杆17与从动锥形螺杆18旋转，由进料口6进入的固体颗粒原料加热为流体，通过螺杆的旋转对材料充分塑化并产生对熔融材料的挤出压力，熔融的材料经过熔融材料传输管输送至打印头2内，电动缸伺服电机12通过电动缸11带动材料控制杆24升降，进而调整打印喷嘴26的开度，调节材料的流量或者直接关闭打印喷嘴26。

参见图7，本实施例中的3D打印装置应用于工业机器人30上，在工业机器人30的一侧设有原料仓29，原料仓29通过进料管32连接材料熔融挤出机构1的进料口6，材料熔融挤出机构1固定在工业机器人30的机器臂上，两个打印头2则固定在材料熔融挤出机构1两侧。一般适用于中高速、中小流量的3D打印应用，可使用较轻型的挤出装置集成在工业机器人30的载重臂上，适合中等尺寸与小尺寸的3D打印产品。

本实用新型实施例的3D打印装置具有以下优点：

1、降低熔融挤出装置的总重量

优化了传统行业中的大型熔融挤出机的结构，使锥形双螺杆挤出机可以应用于大型3D打印机之上，具体改进在于熔融挤出机的驱动结构，简化了传统挤出机复杂的螺杆、同步机构、减速箱、多级相连的结构，改进为直驱的方式。本实用新型实施例中，螺杆到与高精密减速机之间没有多余传动轴体、推力支撑轴承组、径向轴承等，直接安装在螺杆轴上，使整个驱动结构更紧凑，体积更小，重量也更轻。

2、提高熔融挤出装置的输出流量

异向双螺轩挤出结构与当前3D打印行业中所使用的单螺杆挤出结构的输送机理不同。单螺杆挤出结构中的固体输送过程为摩擦拖曳，熔体输送过科为粘性拖曳，固体物料与金属表面之间摩擦系数的大小以及熔体物料的粘度在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的强弱。在单螺杆结构中，从进料口6到最终出料口存在一条螺线型通路，这意味着单螺杆对材料建压极限较低，当熔融体压强达到一定程度时，熔融体会从螺线型通路与其他间隙中漏流泄压，导致单螺杆结构此时不再对材料形成有效的正位移输送，最终输出流量就无法继续提高，输出流量也无法与电机的转速对应。

啮合型异向双螺杆挤出机对熔融流体材料的强制输送原理类似齿轮泵与双螺杆泵，其啮合结构会形成一段段双C型封闭室，C型封闭室的个数与螺杆螺纹圈数相同，螺杆旋转时，双C型封闭室轴将向前位移(朝出料口)，螺杆旋转一圈，封闭室前移一个导程，因此物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进，其强制位移输送的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺槽的啮合间隙和螺杆与螺杆外套的配合间隙。

本实用新型所采用紧密啮合的异向旋转锥形双螺杆挤结构，螺杆与螺杆外套较小配合间隙，最大可能的降低漏流现象，获得最大的正位移输送效果。可以做到驱动力极限和螺杆本身力学极限情况下的最大输出流量。

根据3D打印原理，内部填充体积约占总体积的90％，影响打印产品外观效果的只有外壳曲面，而内部填充不影响产品外观效果，因此在打印过程中可以提高线宽与线高(层高)，以最大的流量迅速完成内部填充。对于外壳面中部分垂直于水平面的平面或者曲率变化小而趋近垂直水平面的曲面，可以使用更大的层高，更大的流量迅速打印，在这种情况下产品外观效果(曲面拟合效果)与小层高相同。因此更大流量意味着更高平均效率的3D打印。

3、精确控制流量

3D打印工艺对材料的挤出流量的稳定性有很高的要求，本实用新型实施例采用的异向锥形双螺轩挤出结构具有极低漏流的强制输送特性，因此机械结构具备精确控制流量的条件，依据此特性可计算出转速与挤出量的关系函数。本实用新型使用伺服的驱动方式，配合高精度行星减速器与同步箱直驱结构组成数控螺杆挤出机，螺杆轴成为数控轴，实现精确控制流量与迅速的指令响应能力，这是当前大型FDM 3D打印领域中普遍采用的单螺杆挤出结构所不具有的。

4、实时的流量控制

由于伺服电机通过压力来控制流量，螺杆虽然有强制输送特性，但是熔融材料有膨胀压力，材料在接近挤出口7时已经脱离了螺杆的控制，传输过程的管道材料和熔融材料本身也有弹性，在热膨胀压力的作用下，在螺杆不运动的情况下也是有一定的压力的，因此仅通过螺杆进行流量控制，在连续无变化的挤出材料时，热膨胀压力处于稳态，因此流量稳定，但3D打印产品通常具有一定的复杂性，在打印过程中，流量是反复通断并大小变化的，当螺杆停止转动，或者变速运动时，末端打印喷嘴26的实际流量在熔融材料的热膨胀力作用下不会立即响应指令的变化，而是要等热膨胀压力完全消耗以后，流量才会重新稳定，导致实际流量与指令产生滞后，流量的实时性难以保证，所以本实用新型的末端节流控制与伺服电机控制的螺杆配合，才能解决流量不仅是空间上体积是精确的，时间上也是精确的。

材料控制杆24的位置可控，当材料控制杆24的位置从状态Ⅰ到状态Ⅱ过渡时，材料控制杆24与打印喷嘴26所形成的材料流通管道的截面积将随着材料控制杆24朝向打印喷嘴26运动而逐渐减小，反之则增大。当材料控制杆24的位置从状态Ⅱ到状态Ⅲ过渡时，横向流道27与打印喷嘴26所形成的材料流通管道的截面积将随着材料控制杆24朝向打印喷嘴26运动而逐渐减小，反之则增大，配合挤出装置的流量调节，实时改变流动阻力，流通的流量不仅与压力有关也与阻力有关，因此最终在控制***软件的控制下，实现打印输出流量的末端连续精确实时调节。

5、改善熔融挤出装置输出的材料效果

在3D打印工艺应用中，熔融挤出装置对材料的挤出效果直接决定了最终的打印效果。影响材料效果的主要因素有两点，分别是塑化程度与排杂程度(水分、空气，低分子量汽化杂质等)。如果材料挤出时塑化程度不足，会导致材料应力分布不均匀、疏松多层，最终导致打印产品的力学性能差。如果材料挤出时排杂程度不足，特别是水分与空气没有完全排除时，含有气体与水分的熔融材料进入常温常压状态(从打印嘴挤出后)，压强骤减，材料中的水份会汽化，导致打印线膨胀，水汽排出以后，打印线收缩，因此打印线宽与线高不可控，且打印线有较多气孔，打印效果严重降低。

双螺轩挤出结构相比业内常用的单螺杆结构具有好的混炼搅拌、塑化、排杂效果，打印线密实且塑化均匀，打印效果良好。双螺轩挤出结构由于其混炼搅拌的特性，可以在主材料中添加各种助剂，如增韧剂、增塑剂、填充剂、玻璃纤维、碳纤维等，使主材料改性增强或者添加其他性能，并且异向双螺杆挤出机具有强制挤出特性，还可以使用粉状原料，相比单螺杆挤出结构还具有材料选择多样性的优势。

6，高集成度的打印头可实现封闭与口径切换

6.1打印喷嘴的开启与关闭

小型FDM 3D打印机使用的是线材打印方式，其结构简单，只有加热头与线材挤出装置。在打印过程中或者打印完成后并不能完全封闭打印头2，只是利用打印线短程回退时产生负压将流体材料“抽”回打印嘴内，但负压无法持续，短时间内如果不再次打印，就会导致部分材料从打印喷嘴26溢出，残留于产品的其他位置，导致打印的产品有局部缺陷。这种缺陷在小型打印机上由于产品尺寸相对较小，缺陷的明显程度会降低。但对于大型3D打印来说，体积增大1000倍，其缺陷也将放大，因此对于大型打印机来说任何多余材料残留都是无法忽视的，本实用新型实施例的打印头2很好的解决了打印停止或者打印过程中材料溢出的问题，当不需要输出材料时，材料控制杆24穿入打印喷嘴26中，材料控制杆24外壁与打印喷嘴26内壁仅有极小的配合间隙，间隙小于熔融材料的溢边值，使材料无法溢出。

6.2打印头的口径切换

在大型FDM 3D打印工艺，通常打印头2的喷嘴口径不是固定大小的，而是具有多个不同口径的喷嘴，而不同口径的喷嘴配合挤出的流量控制可以实现不同输出打印线的线宽与线高。根据前文的分析，通常只需要打印产品的外表曲面(人眼可见)具有一定的外观效果，而它的内部(人眼不可见)的实心部分一般不需要，除非对内部结构有特殊的要求的产品。在打印产品内部填充时使用更大口径的喷嘴，也就是更大的流量。打印线加宽加高可以减少当前打印层的往复填充线的密度，其原理类似用画笔来去给一个面积一定的图形上色，更宽笔头的画笔能用更少的往复次数与更短的总路径长度去上满色，对于3D打印来说就可以减少往复加减速次数，可以提高打印的平均运动速度，也减少了路径长度，因此提高了打印产品成型速度。极大的优化了效率与外观质量的矛盾。

在当前FDM 3D打印领域中，行业中现有的打印头2可变口径通常需要多个不同口径的独立打印嘴的结构来实现，切换不同打印嘴时打印头2还需进行移位，使更换后的打印嘴移动到更换之前打印嘴的位置上，以继续打印。如果多个独立打印嘴相对打印物体平面处于同一高度还会对打印产生干扰，因此不使用的打印嘴还需上升到更高的位置来避免划伤打印层表面。最终导致现有的多打印头2结构变得复杂，集成度差，多个独立打印头2的结构也会导致总重量加大，不适用于高速高效打印。

本实用新型实施例中打印头2与材料控制杆24的结构使用同心嵌套的方式，在打印喷嘴26内部内嵌口径更小的竖向流道28。在实例中为双口径嵌套，也可以是多口径嵌套。其切换打印头2的过程中无需使打印头2移动位置，因为所有的打印嘴都是同心的。新型打印头2除了最外层(也是最大口径)的打印嘴，其他打印嘴在不使用的状态下随材料控制杆24内藏于当前打印嘴内部的，不存在打印干扰的问题，也就不会出现划伤打印层表面的问题。新型结构的打印头2实现打印喷嘴26的封闭与打印喷嘴26的口径切换，提高了集成度，减小了重量，提高了打印效率。

实施例2

参见图8～9，本实用新型实施例的3D打印装置安装在行架式机床31上，适用于高速、大流量、高运动稳定性的3D打印应用，可使用外置大型挤出机的结构，适合大尺寸或超大尺寸的3D打印产品。材料熔融挤出机构1固定在机床底座上，行架式机床31一侧设有为材料熔融挤出机构1供料的原料仓29，熔融材料传输管沿机架设置，打印头2设置在可以水平以及竖向移动的行架上。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的3D打印装置包括材料熔融挤出机构(1)和打印头(2)，所述打印头(2)连接有熔融材料流量控制机构，打印头(2)与材料熔融挤出机构(1)固定连接，材料熔融挤出机构(1)的挤出口(7)与打印头(2)的熔融材料输入口(8)连通；所述的材料熔融挤出机构(1)包括熔融外壳(16)、主动锥形螺杆(17)、从动锥形螺杆(18)和熔融加热器(5)，主动锥形螺杆(17)和从动锥形螺杆(18)设置在熔融外壳(16)内并相互啮合，主动锥形螺杆(17)通过熔融减速器(3)连接熔融挤出动力源(4)，主动锥形螺杆(17)通过同步传动机构连接并带动从动锥形螺杆(18)旋转，所述熔融加热器(5)设置在熔融外壳(16)的外侧。

2.根据权利要求1所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的同步传动机构包括相啮合的主动齿轮(20)和从动齿轮(21)，主动齿轮(20)固定在主动锥形螺杆(17)的螺杆轴上，从动齿轮(21)固定在从动锥形螺杆(18)的螺杆轴上。

3.根据权利要求2所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的主动齿轮(20)和从动齿轮(21)设置在一个同步箱外壳(22)内，所述同步箱外壳(22)设置在熔融外壳(16)与熔融减速器(3)之间，所述同步箱外壳(22)内还设有套设在主动锥形螺杆(17)与从动锥形螺杆(18)螺杆轴上的轴承组(19)。

4.根据权利要求1所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的挤出口(7)设置在熔融外壳(16)下端，所述打印头(2)固定在熔融外壳(16)下端一侧，熔融外壳(16)上端设有进料口(6)。

5.根据权利要求1所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的打印头(2)的下端设有打印喷嘴(26)，所述熔融材料流量控制机构包括升降设置的材料控制杆(24)以及带动材料控制杆(24)升降的升降机构，材料控制杆(24)的下端设置在打印喷嘴(26)处。

6.根据权利要求5所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的升降机构包括相连接的电动缸(11)和电动缸伺服电机(12)，电动缸(11)与材料控制杆(24)的上端固定连接。

7.根据权利要求5所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的材料控制杆(24)的下端开设有横向流道(27)和竖向流道(28)，所述横向流道(27)横向贯穿材料控制杆(24)的两侧，竖向流道(28)的下端贯穿材料控制杆(24)，竖向流道(28)的上端连通横向流道(27)。

8.根据权利要求1所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：所述的打印头(2)的下端设有末端加热器(10)。

9.根据权利要求1所述的用于大型增材制造的3D打印装置，其特征在于：在所述的挤出口(7)与熔融材料输入口(8)处均设有传输加热器(9)。

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