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1、刘斌,等:熔融挤压快速成型系统的喷头结构分析71熔融挤压快速成型系统的喷头结构分析刘斌吴明星谢毅(华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室,聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广州510640)摘要分别从进料装置、塑化装置、喷嘴和双喷头等方面对目前市场上熔融挤压快速成型系统的喷头结构进行详细剖析,找出它们的特点及存在的问题。通过对不同喷头结构进行研究和分析,不但可以改进和完善熔融挤压快速成型工艺,同时能推进该工艺的商业化与应用。关键词熔融挤压成型喷头结构喷嘴熔融沉积成型是一种重要的快速成型方法。该料,根据原料形态不同采用的进料装置也不尽相同。工艺首先将材料
2、(塑料丝料、粒料或粉料)通过加热(1)丝料的进料方式或其它方式变成熔融或半熔融状态,然后通过喷嘴当原料为丝料时,进料装置的基本方式是利用进行分层堆积成型。根据成型时材料的形态,熔融由两个或多个电机驱动的摩擦轮或皮带提供驱动沉积成型一般可分为熔融喷射和熔融挤压两种成型力,将丝料送入塑化装置熔化。[1]方式。其中,熔融挤压快速成型是主要的形式,美国Stratasys公司开发的熔丝沉积成型进料装[5]其特点在于原型件是由熔融材料通过喷嘴挤出逐层置结构如图1所示。该进料装置结构简单,丝料堆积而成的。在成型过程中,材料在喷头中被加热在两个驱动轮的摩擦推动作用下向前运动,其
3、中一熔化,并通过喷嘴以一定压力挤出,喷头沿零件截面个驱动轮由电机驱动。由于两驱动轮间距一定,这轮廓和填充轨迹运动时挤出熔融材料,从而成型一就对丝料的直径非常敏感。若丝料直径大,则夹紧层,然后工作台下降一层厚度,再进行下一层的堆驱动力就大;反之,驱动力就小,并可能引起不能进[2]积,直至原型件堆积完成。目前,熔融挤压快速料的现象。[3]成型的喷头结构主要有柱塞式和螺杆式两种。喷头是实现熔融沉积成型的关键部件,也是实[4]现堆积成型的核心,根据需要可采用单喷头和双喷头。熔融挤压快速成型系统的喷头结构一般包括驱动装置、控制装置、进料装置、塑化装置和喷嘴等图1美国Str
4、atasys公司开发的熔丝沉积成型进料装置部件。驱动装置主要为成型提供动力源,为原料的[5]颜永年等开发的弹簧挤压摩擦轮送料装置添加和熔料的挤出提供驱动力,从而保证熔料能顺如图2所示。该装置采用可调直流电机来驱动摩擦利地从喷嘴挤出;控制装置则控制物料的加入速度,轮,并通过压力弹簧将丝料压紧在两个摩擦轮之间。并控制加热温度,保证熔料定时定量定温地从喷嘴两摩擦轮是活动结构,其间距可调,压紧力可通过螺口挤出;进料装置保证丝状或颗粒状物料能顺利加母调节,这就解决了图1喷头结构中进料装置的缺入到料筒;塑化装置保证物料均匀塑化;喷嘴是物料熔体流经的最后通道,物料熔体经喷嘴后
5、在工作台上成型原型件。熔融挤压快速成型系统各种喷头结构的驱动装置和控制装置一般类似,其不同之处主要体现在进料装置、塑化装置和喷嘴等方面。笔者重点从这几方面对各类熔融挤压快速成型系统的喷头结构进行1)丝料;2)可调直流电机;3)压力弹簧;分析。4)螺母;5)摩擦轮;6)丝料出口1单喷头图2弹簧挤压摩擦轮送料装置1.1进料装置用于熔融挤压快速成型的原料一般为丝料或粒收稿日期:2009-02-1272工程塑料应用2009年,第37卷,第5期点。该进料装置的优点是结构简单、轻巧,可实现连结构如图5所示。其进料装置与图4相似,也是通续稳定地进料,可靠性高。进料速度由电机控
6、制,并过两辊轮驱动丝料的进料。辊轮之间的距离可以通利用电机的启停来实现进料的启停。但由于两摩擦过另一个辊轮的径向移动来调整,从而确保丝料被轮与丝料之间的接触面积有限,使其产生的摩擦驱两个辊轮夹紧,不会打滑;两辊轮表面装有橡胶套,动力有限,从而使得进料速度不快。这有助于增加辊轮表面与丝料之间的摩擦系数,从一般可以采用增加辊的数目或增加与物料的接而增加辊轮对丝料的推动力。触面积和摩擦的方法来提高摩擦驱动力。图3为一[6]款多辊进料的喷头结构。该喷头采用多辊共同摩擦驱动的进料方式,其特点在于由主驱动电机带动3个主动辊和3个从动辊来共同驱动。3个主动辊由皮带或链条连接,
7、并由主驱动电机来驱动。在弹簧的推力作用下,依靠压板将从动辊压向主动辊,靠主动辊和从动辊与丝料的摩擦作用将丝料送入塑化装置。1)加热棒;2)保温套;3)料筒;4)轴承;5)电机端盖;6)驱动电机;7)橡胶套;8)辊轮;9)丝料;10)材料通道;11)螺杆;12)控温元件;13)喷嘴图5基于丝料的螺旋挤压喷头结构图3和图5喷头结构中的丝料与辊的接触面积不如图4所示结构的大,所以驱动力不如后者大。上述进料装置解决了图2结构中摩擦轮驱动力小的问题,也有助于进料系统的稳定。但结构较复杂,同时增加了喷头的质量和耦合控制的复杂性,喷头的制造成本也变高。[3]1)喷头;2)加热
8、器;3)加热线圈;4)从
