三维打印机专用的微型螺杆齿轮推料机构的制作方法

[0001][0002]
本发明属于机械技术领域；确切的讲是一种用在fdm-3d打印上的(料丝) 挤出机上的推料机构组件。


背景技术：

[0003]
一种最为成熟的3d打印技术为：熔融沉积成型(fused depositionmodeling,fdm)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料abs、聚碳酸酯pc等) 加热熔化进而逐层堆积成型方法，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。
[0004]
fdm-3d打印机基本构造与运行原理表述为：
[0005]
挤出机包括推料机构及熔融挤出喷头部分；运载挤出机(挤出喷头部分)的2维或3维(水平x轴y轴运动及垂直z轴驱动)运动的机械载台，或挤出机的(z轴方向)垂直方向保持静止，由z轴方向的运动由一个独立的载物工作台的升降完成；目前fdm-3d打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(x、y轴)2维机械传动+(z轴)升降载物工作台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：三角洲方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。
[0006]
需要指出：挤出机(的2大组成部分)包括：推料机构及熔融挤出喷头部分，而推料机构及熔融挤出喷头部分可以被近距离的装配在一起(称之为近程推料的挤出机)；也可以分开装配，使用导料软管连接推料机构及熔融挤出喷头部分，这样推料机构就能被静止的固定在打印机壳体的某个部位上，而熔融挤出喷头部分则被2维或3维运动的机械载台承载(称之为远程推料的挤出机，目的之一是减轻运动承载机构的惯性质量)；但远程推料对挤出能力要有一定的影响，这就是由于导料软管的弹性及阻力的缘故。
[0007]
目前的技术缺陷：对于fdm-3d打印机的挤出机来说，没有减速设计的电机推料机构，往往是利用电机轴上齿轮的切向推力直接驱动料丝；电机无法相对快速转动，机械效率不高，体积重量较大。
[0008]
fdm-3d打印机的整体工作原理如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机作x-y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.1—8mm厚的薄片轮廓。在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"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。往往使用1个专用喷口来铺设支撑材料(支撑材料一般是水溶性的，打印完毕后水洗除掉)；打印过程中，打印头在平面上的
位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持z轴方向静止，使用z轴电机驱动挤出机上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的z轴方向的位置坐标来决定挤出机的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。
[0009]
其结构细节阐述为：
[0010]
挤出机是fdm快速成型技术的核心的部件是挤出机，而挤出机的构件为：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对铝块进行加热, 将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上,挤出机中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机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，管内黏着料不能马上融化，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。同时作者在挤出机外加散热片和风扇，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，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，可以使用热床打印台。位于挤出机最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm 的喷口，选定好喷口直径后，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。
[0011]
与单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机并列排列，打印速度更快效率也更高，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。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，位于挤出机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。
[0012]
近端送丝就是将挤出机安装在打印头上，材料由齿轮直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动，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安装在离挤出机较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，由导管送入料丝；而不是安装在挤出机上，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。
[0013]
或者使用使用的材料不再是线材；如粉状、胶状或粒状材料,由机械压力或气压压入喉管,也是一种推料机构.它可以直接使用abs/pla等颗粒原料，倒入进料舱，高温融化后变为液态，然后在气动系统的控制下，实现3d打印材料的挤出。
[0014]
电路部分包括：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ramps 1.4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2电机接口不用安装a4988，位于拓展板右上角，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、欠压锁定、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。


技术实现要素：

[0015]
本发明目的：为解决3d打印挤出机的挤出机体积大，步进电机工作转速过低(输出匹配性)不高等缺点。
[0016]
本发明特点：构造简单、运行可靠，体积小，电机动力匹配性好。
[0017][0018]
所关联的fdm-3d打印机的基本结构包括：推料机构部分及挤出喷头部分：而微型螺杆齿轮推料机构包括带有中孔转轴的推料电机、推料及传动齿轮及支撑构件；挤出喷头部分包括加热铝块、加热棒、喷嘴。
[0019]
与fdm-3d打印机的整体配合及装配工作关系，主要包括:与常规技术一样， 3d打印机的结构壳体、支持机械系统运动的电子控制系统、在x、y及z轴导轨及电机的约束驱动下的机械载台与打印工作台,携带挤出机作平面运动，挤出机、推料机构或储料箱，挤出机固定在运载它的机械载台上，挤出机(微型螺杆齿轮推料机构推料机构与挤出喷头的之间可以被近距离装配，也可以远距离装配)与打印工作台之间需要进行3维相对运动，也就是：挤出机保持不动而打印工作台进行3维运动；或挤出机保持1维运动而打印工作台进行2维运动保持上述运动；或挤出机保持2维运动而打印工作台进行1维运动保持上述运动；或挤
出机保持3维运动而打印工作台不运动；协同完成整体工作。
[0020][0021]
适合于fdm-3d打印的微型螺杆齿轮推料机构，构造包括：推料齿轮、传动齿轮、摆臂、推料电机及电机轴端螺杆、电机轴中孔；具体的安装关系：
[0022]
推料电机的电机轴上加工有中孔，且在电机轴的伸出部位加工有外螺纹(轴端螺杆)；电机轴(伸出)端螺杆部位的外螺纹与安装在支撑构件上的与电机轴垂直的定轴上的2个传动齿轮相齿合，这2个传动齿轮位于电机轴2侧，相对放置，且2个齿轮盘面(齿轮中心面：垂直于齿轮轴线的平面，且距离齿轮的上下端面的距离相等，的中间部位的截面)与电机轴线在一个平面内，分别与2个推料齿轮(推料齿轮的中心面也是与电机轴线、传动齿轮中心面在一个平面内)齿合，至少有1个推料齿轮被安装在摆臂上的动轴上，且摆臂上的动轴与电机轴相互垂直摆臂上的转轴是一个垂直于电机轴的定轴；弹簧片推在摆臂上，其弹力方向使得推料齿轮相互靠近，迫使摆臂转动，而带动推料齿轮向另一个非摆臂上的推料齿轮被靠拢，2个推料齿轮的外缘接近电机的中轴线，距离中轴线的距离在 0-5毫米之间，至少有1个推料齿轮的外缘的直径稍大的凸起，也就是推料齿轮的齿顶存在凹陷，使得凹陷处的直径变小，目的是使得夹在2齿轮齿顶之间的料丝不容易脱出；
[0023]
基本工作方式：推料电机的电机轴螺杆部外螺纹通过驱动定轴上的2个传动齿轮来驱动2个推料齿轮，当料丝穿过推料电机的转轴过料孔后，就被2个推料齿轮夹紧，而推出料丝；当管状电机转轴的顺时针或逆时针转动时，驱动这推料齿轮就能向前、或向后推动物料，获得进料或回抽；再有，加热棒被供电后对金属(加热铝块或铜块)结构体加热，使得加热铝块内部的熔料缸(料丝汇集的空间)产生高温；远程送丝的方式下，被推动的料丝能通过导料软管传送到挤出喷头，再从挤出喷头的被加热的喷嘴喷出；在近程推料方式下，被推动的料丝能通过导热能力较差的短管道(喉管)直接进入挤出喷头，从挤出喷头的被加热的挤出喷头喷嘴喷出；
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
解决了传统3d打印挤出机的挤出机体积大，应用电机转速低，而导致效率不高等的缺点，能使得挤出机的整体体积缩小50％以上。
附图说明
[0026]
图1微型螺杆齿轮推料机构与挤出喷头远程配合示意图。
[0027]
图2微型螺杆齿轮推料机构基本配置示意图。图3微型螺杆齿轮推料机构剖面示意图。
[0028]
标号说明：
[0029]
(1)微型螺杆齿轮推料机构
[0030]
(1-1)传动齿轮
[0031]
(1-2)推料齿轮1
[0032]
(1-3)推料齿轮2
[0033]
(1-4)定轴1
[0034]
(1-5)定轴2
[0035]
(1-6)定轴3
[0036]
(1-7)动轴
[0037]
(1-8)摆臂
[0038]
(1-9)弹簧片
[0039]
(1-10)推料电机
[0040]
(1-11)电机轴中孔
[0041]
(1-12)电机轴端螺杆(螺纹)
[0042]
(1-13)支撑构件
[0043]
(1-14)导管锁嘴
[0044]
(1-15)过料孔
[0045]
(1-16)轴孔
[0046]
(2)挤出喷头
[0047]
(2-1)挤出喷头喷嘴
[0048]
(2-2)挤出细丝
[0049]
(2-3)加热铝块
[0050]
(3)导料软管
[0051]
(4)
[0052]
(5)料丝
[0053]
(6)轴线
[0054]
(7)弹力方向
[0055]
(8)爆炸图1
[0056]
(9)爆炸图2
具体实施方式
[0057][0058]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
[0059]
如图1、图2、图3所示：
[0060]
微型螺杆齿轮推料机构(1)的构造：由支撑构件(1-13)连接推料电机(1-10)，而推料电机(1-10)的电机轴中孔(1-11)是用来通过料丝；在支撑构件(1-13) 的轴孔上，分别安装有能使推料齿轮2(1-3)及传动齿轮(1-1)自由转动的定轴2(1-5)及定轴3(1-6)；在摆臂(1-8)上分别安装有能使推料齿轮1(1-2) 及传动齿轮(1-1)自由转动的动轴(1-7)及定轴1(1-4)；弹簧片(1-9)的弹力位移端沿着弹力方向(7)推动摆臂(1-8)，是得动轴(1-7)所固定的推料齿轮1(1-2)靠向定轴的推料齿轮2(1-3)，而压紧穿过过料孔(1-15)的料丝(5)；导管锁嘴(1-14)连接导料软管(3)；弹力方向(7)正是弹簧片(1-9)推动摆臂(1-8)位移的方向，上料丝的时候，用手反向推动摆臂(1-8)，而获得2个推料齿轮之间的间隙，而穿进料丝经过过料孔(1-15)。
[0061]
从图2的爆炸图1(8)及爆炸图2(9)中，可以看清各个零件之间的装配关系，尤其是摆臂(1-8)的定轴1(1-4)与支撑构件(1-13)上的定轴轴孔(1-16) 之间的连接关系，定轴1(1-4)实际上是摆臂(1-8)的转动轴。
[0062]
如图3所示：
[0063]
微型螺杆齿轮推料机构(1)的过电机轴线(6)的剖面图显示：电机轴端螺杆(1-12)通过与2侧的传动齿轮(1-1)齿合传动，驱动2个推料齿轮；而2 个推料齿轮又夹紧推动料丝(5)穿过导料软管(3)后，推送到挤出喷头(2)的加热铝块(2-3)，在其内部的融料腔融化后，由挤出喷头喷嘴(2-1)喷出挤出细丝 (2-2)。

技术特征：
1.三维打印机专用的微型螺杆齿轮推料机构，其构造包括：推料齿轮、支撑构件、传动齿轮、摆臂、带有电机轴中孔的推料电机及电机轴端螺杆；具体的安装关系：电机轴伸出螺杆部位的外螺纹与安装在与电机轴垂直的定轴上的2个传动齿轮相齿合，而2个传动齿轮位于电机轴2侧，相对放置且齿轮盘面在一个平面内，分别与2个推料齿轮齿合，至少有1个推料齿轮被安装在摆臂上的动轴上，且摆臂上的动轴与电机轴相互垂直摆臂上的转轴是一个垂直于电机轴的定轴；弹簧片推在摆臂上，其弹力方向使得推料齿轮相互靠近，迫使摆臂转动，而带动推料齿轮向另一个非摆臂上的推料齿轮被靠拢，2个推料齿轮的外缘接近电机的中轴线，距离中轴线的距离在0-5毫米之间，至少有1个推料齿轮的外缘的直径稍大的凸起，也就是推料齿轮的齿顶存在凹陷，使得凹陷处的直径变小，目的是使得夹在2齿轮齿顶之间的料丝不容易脱出；基本工作方式：推料电机的电机轴螺杆部外螺纹通过驱动定轴上的2个传动齿轮来驱动2个推料齿轮，当料丝穿过推料电机的转轴过料孔后，就被2个推料齿轮夹紧，而推出料丝；当管状电机转轴的顺时针或逆时针转动时，驱动这推料齿轮就能向前、或向后推动物料，获得进料或回抽；再有，加热棒被供电后对金属(加热铝块或铜块)结构体加热，使得加热铝块内部的熔料缸(料丝汇集的空间)产生高温；远程送丝的方式下，被推动的料丝能通过导料软管传送到挤出喷头，再从挤出喷头的被加热的喷嘴喷出；在近程推料方式下，被推动的料丝能通过导热能力较差的喉管后，直接进入挤出喷头，从挤出喷头的被加热的挤出喷头喷嘴喷出；其特征就在于：在推料电机轴的伸出部位加工有螺杆状的外螺纹，且该螺纹驱动安装在支撑构件上的2个传动齿轮转动，而2个传动齿轮来间接驱动摆臂动轴上的推料齿轮及支撑构件上的定轴推料齿轮同步相向转动；安装的位置关系为：电机轴线分别与2个推料齿轮、2个传动齿轮的中心面在一个平面内。

技术总结
三维打印机专用的微型螺杆齿轮推料机构，属机械技术领域。其构造包括：带有管状转轴的推料电机、推料齿轮、支撑构件、传动齿轮、摆臂；在推料电机轴的伸出部位加工有螺杆状的外螺纹，就同时经由2个传动齿轮驱动1个支撑构件上的推料齿轮，及1个摆臂上的推料齿轮同步相向转动；料丝穿过推料电机的管状转轴后，被2个推料齿轮夹紧，当管状转轴的顺时针或逆时针转动带动驱动涡轮就同时驱动这推料齿轮，使得料丝能沿着轴向位移；从挤出喷头的被加热的喷嘴喷出；被广泛应用于小型、简易的FDM-3D打印机的制作。制作。制作。


技术研发人员：吴小平 罗天珍
受保护的技术使用者：罗天珍
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2023/9/23