一种用于大型增材制造的3D打印装置制造方法及图纸

本发明专利技术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，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。

A 3D printing device for large additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
一种用于大型增材制造的3D打印装置
本专利技术实施例涉及3D打印
，具体涉及一种用于大型增材制造的3D打印装置。
技术介绍
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系统，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系统，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祺睿，
申请(专利权)人：陈祺睿，
类型：发明
国别省市：广东;44