[发明专利]螺杆式挤出系统及包含该系统的3D打印机

说明书

本申请提供了一种螺杆式挤出系统及包含该系统的3D打印机。该挤出系统包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置，以及冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。采用该挤出系统，能够对进入机筒中的材料实现非常灵活的加热方式，尤其是可以将材料在机筒中部加热到很高的温度而让材料的分子链充分打开，然后在邻近喷头处又迅速冷却到预定温度，从而让材料具有适合挤出成型的粘度。

技术领域

本发明涉及增材制造(3D打印)材料加工领域，更具体地，涉及一种螺杆式挤出系统以及包含该系统的3D打印机。

背景技术

近年来，增材制造尤其是3D打印技术获得了长足的发展。3D打印常用的一种技术是熔融沉积成型(FDM)技术，该技术尤其适合用于高分子材料(例如ABS，聚乳酸PLA，聚己内酯PCL等)。在采用该技术的3D打印设备中，材料挤出系统具有重要的地位，其直接影响产品的质量和性能。

螺杆式挤出系统是目前使用较为普遍的一种，通常包括机械部分和温控部分。机械部分一般包括机筒、固定在机筒下端的喷嘴、设置在机筒中的螺杆以及固定在机筒上端的驱动电机。温控部分一般包括围绕机筒外壁设置的1至2个加热装置和相应的温度传感装置。在这样的挤出系统中，不能将进入机筒中的材料加热到很高的温度，因为否则到达喷嘴处的材料会太稀，无法成型。然而，对于高分材料，热历史对其性能影响很大，在很多种情况中，需要将高分子材料加热到很高的温度，打开缠绕在一起的分子链，保证挤出的均质性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能保证材料分子链在加热过程中充分打开同时又不会因为喷嘴处材料过稀而无法成型的螺杆式挤出系统。

根据本申请的一个方面，提供了一种螺杆式挤出系统，该系统包括机筒、可拆卸地安装在所述机筒的下端的喷头、可旋转地安装在所述机筒内的螺杆以及围绕所述机筒的外壁布置的一个或多个加热装置。所述挤出系统还包括冷却装置，所述冷却装置围绕所述机筒的外壁设置并且邻近所述喷头。

由于在喷头附近设置了冷却装置，因此采用该挤出系统，可以将材料在机筒中部加热到很高的温度而让材料的分子链充分打开，然后在邻近喷头处又将材料迅速冷却到预定温度，从而让材料具有适合挤出成型的粘度，既充分保证了挤出的匀质性又保证了可成型性。

根据一些实施例，螺杆还包括在邻近其上端处设置的轴结以及在轴结下方延伸的螺纹部分，轴结的外径大于螺纹部分的外径，机筒包括设有加料孔及螺杆安装孔的筒头，轴结的下表面抵靠在筒头的上表面上，挤出系统还包括按压住轴结的上表面的螺杆压片。在现有技术的螺杆式挤出系统中，螺杆的轴向定位和转动的稳定性是靠轴承来保证的，而采用轴承具有诸多缺点，例如：由于需要设置保证轴承正常运行的其它机构，挤出系统的体积通常较大；螺杆一般都是金属材料制成，加热时热量顺着螺杆传到轴承，会使轴承寿命降低，可能需要定期更换，而且轴承座加工精度较高，这无疑会增加3D打印设备的总成本。上述新颖的设计使得能够在不使用轴承、轴承座等结构的情况下，容易地实现螺杆的轴向定位并保证其转动的稳定性，而且，采用该设计的螺杆挤出系统/3D打印设备尺寸相对较小，成本相对较低。

根据一些实施例，筒头还包括围绕螺杆安装孔设置的凸台或凹槽，凸台或凹槽的上表面与螺杆安装孔的轴线垂直，轴结的下表面抵靠在凸台或凹槽的上表面上。凸台或凹槽的上表面通常要进行精加工，且与螺杆安装孔的垂直度非常高，这样能更好地保证与轴结的配合。此外，轴结与凸台/凹槽的尺寸都较小，精加工成本较低。

根据一些实施例，所述一个或多个加热装置以及冷却装置具有各自独立的温控系统。这样可以对机筒的不同部分(进而对其中的材料)进行加热/冷却，实现非常灵活的加热方式，根据所加工材料的性质实现优化的温度分布，最终获得性能更佳的打印产品。