一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，具体为一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法。

背景技术

三维打印技术是一种利用数字模型文件，通过逐层叠加的方式，将材料堆积成实体的技术。三维打印技术可以实现快速、低成本、高效率、高精度、高自由度的制造，广泛应用于工业、医疗、教育、艺术等领域。

目前，常用的三维打印技术有熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、立体光刻(SLA)等。其中，FDM技术是一种将热塑性材料加热至熔点，通过挤出机头(2)挤出成丝，按照预设的路径在平台上逐层堆积的技术。FDM技术具有设备成本低、操作简单、材料种类多等优点，是目前最广泛使用的三维打印技术之一。

然而，FDM技术也存在一些缺点，如打印速度慢、打印精度低、打印强度差、打印表面粗糙等。这些缺点主要是由于FDM技术使用的材料是以丝状或棒状为主，这些材料在加热时容易产生不均匀的热分布，导致打印过程中的温度波动、热应力、热收缩等问题，影响打印质量和效率。有鉴于此，现设计一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的现有的三维打印技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法，包括打印机、设置在打印机上的挤出机头、设置在打印机上的输送装置和设置在打印机上的控制装置；

所述挤出机头上设置有加热腔和喷嘴，所述喷嘴与加热腔相连，喷嘴用于将加热腔内的颗粒料挤出；

所述输送装置设置在挤出机头的上方，输送装置用于向加热腔内输送颗粒料；

所述控制装置与挤出机头和输送装置相连接，控制装置用于控制挤出机头的移动路径、加热腔的温度、输送装置的输送速度和喷嘴的挤出速度，以实现按照预设的数字模型文件进行三维打印。

优选的，一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构，其制造方法包括以下步骤：

S1、将所需的颗粒料通过输送装置输送到加热腔内，使加热腔内的颗粒料达到一定的填充度；

S2、将加热腔内的颗粒料加热至熔点以上，使颗粒料融化成为均匀的熔体；

S3、通过控制装置控制挤出机头的移动路径、加热腔的温度、输送装置的输送速度和喷嘴的挤出速度，将熔体通过喷嘴挤出，在平台上按照预设的数字模型文件逐层堆积，形成三维打印挤出结构；

S4、将三维打印挤出结构冷却至室温，使熔体固化，完成三维打印；

S5、检查三维打印挤出结构的表面质量，如有缺陷，进行修补或打磨；

S6、检查三维打印挤出结构的尺寸精度，如有误差，进行调整或切割；

S7、检查三维打印挤出结构的功能性能，如有不符合要求的，进行改进或优化；

S8、将三维打印挤出结构从平台上取出，进行清洁和包装。

优选的，S1步骤的操作方法为：将颗粒料放入输送装置的储料仓内，启动输送装置，通过输送装置将颗粒料输送到加热腔的入口处，通过重力或压力等方式，使颗粒料进入加热腔内，直到加热腔内的颗粒料达到预设的填充度；

S1步骤的参数设置为：根据颗粒料的种类、形状、大小等特性，以及加热腔的容积、形状等因素，设置合适的输送速度、输送时间、填充度等参数，以保证输送的效率和准确性。

优选的，S2步骤的操作方法为：在加热腔的外壁或内壁上设置加热元件，如电阻丝、电热管、电磁感应线圈等，通过电流或电磁场等方式，向加热腔内传递热量，使加热腔内的温度升高，从而使颗粒料受热并融化；

S2步骤的参数设置为：根据颗粒料的熔点、熔体的流动性、加热腔(21)的材料、结构等因素，设置合适的加热温度、加热时间、加热功率等参数，以保证加热的效率和均匀性。

优选的，S3步骤的操作方法为：通过控制装置，根据数字模型文件的数据，计算出挤出机头的移动路径、加热腔的温度、输送装置的输送速度和喷嘴的挤出速度，并通过电机、传感器、执行器等方式，控制这些参数的实时变化，使挤出机头在平台上按照预设的轨迹移动，同时，使加热腔内的熔体以一定的速度和压力通过喷嘴挤出，与平台或上一层的熔体接触并粘合，逐层堆积，直到完成整个打印结构；

S3步骤的参数设置为：根据数字模型文件的复杂度、精度、层厚等因素，以及打印结构的功能、性能、外观等要求，设置合适的移动路径、温度、输送速度、挤出速度等参数，以保证打印的效果和质量。

优选的，S4步骤的操作方法为：在打印结构的周围或内部设置冷却装置，如风扇、水冷管、制冷剂等，通过对流、辐射、传导等方式，向打印结构内传递冷量，使打印结构的温度降低，从而使熔体凝固；

S4步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及冷却装置的类型、位置、功率等因素，设置合适的冷却温度、冷却时间、冷却方式等参数，以保证冷却的效率和均匀性。

优选的，S5步骤的操作方法为：通过目测或仪器等方式，检查打印结构的表面是否有缺陷，如有缺陷，根据缺陷的类型、位置、大小等因素，选择合适的修补或打磨方法，如补充颗粒料、填充胶水、刮刀、砂纸、抛光机等，对打印结构的表面进行修补或打磨，直到达到满意的效果；

S5步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及修补或打磨方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的修补或打磨参数，以保证修补或打磨的效果和质量。

优选的，S6步骤的操作方法为：通过尺子、卡尺、测量仪等方式，检查打印结构的尺寸是否与数字模型文件的数据一致，如有误差，根据误差的类型、位置、大小等因素，选择合适的调整或切割方法，如加热、压力、拉伸、剪刀、锯子、切割机等，对打印结构的尺寸进行调整或切割，直到达到满意的效果；

S6步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及调整或切割方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的调整或切割参数，以保证调整或切割的效果和质量。

优选的，S7步骤的操作方法为：通过力学、电学、热学、化学等方式，检查打印结构的功能是否与数字模型文件的数据一致，如有不符合要求的，根据不符合要求的类型、位置、大小等因素，选择合适的改进或优化方法，如添加或替换材料、改变结构、增加或减少层数、改变层间连接方式等，对打印结构的功能进行改进或优化，直到达到满意的效果；

S7步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及改进或优化方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的改进或优化参数，以保证改进或优化的效果和质量。

优选的，S8步骤的操作方法为：使用手套、钳子、吸盘等工具，将打印结构从平台上小心地取出，避免损坏或污染打印结构；使用水、酒精、清洁剂等物质，对打印结构的表面进行清洁，去除残留的颗粒料、灰尘、油污等杂质；使用纸箱、泡沫、塑料袋等物品，对打印结构进行包装，保护打印结构的完整性和稳定性；

S8步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及清洁和包装方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的清洁和包装参数，以保证清洁和包装的效果和质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法采用颗粒料作为三维打印材料，相比于丝状或棒状的材料，颗粒料具有更好的热传导性，可以实现更均匀的加热和更快的冷却，从而提高打印速度和打印精度；

2、该基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法使用加热腔作为三维打印挤出机头的核心部件，加热腔内的颗粒料可以实现完全的融化和混合，从而提高打印强度和打印光滑度；

3、该基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法使用控制装置作为三维打印挤出机头的控制部件，控制装置可以根据数字模型文件的要求，精确地控制挤出机头的移动路径、加热腔的温度、输送装置的输送速度和喷嘴的挤出速度，从而实现高自由度的三维打印。

附图说明

图1为本发明一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构的示意图；

图2为本发明一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法的流程图；

图3为本发明一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构的局部正面结构剖视图。

图中：

1、打印机；2、挤出机头；21、加热腔；22、喷嘴；3、输送装置；4、控制装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构及其制造方法，包括打印机1、设置在打印机1上的挤出机头2、设置在打印机1上的输送装置3和设置在打印机上的控制装置4。

挤出机头2上设置有加热腔21和喷嘴22，喷嘴22与加热腔21相连，喷嘴22用于将加热腔21内的颗粒料挤出。

输送装置3设置在挤出机头2的上方，输送装置3用于向加热腔21内输送颗粒料。

控制装置4与挤出机头2和输送装置3相连接，控制装置4用于控制挤出机头2的移动路径、加热腔21的温度、输送装置3的输送速度和喷嘴22的挤出速度，以实现按照预设的数字模型文件进行三维打印。

具体的，参考说明书附图1及说明书附图3，输送装置3可为绞龙输送机构，通过电机驱动绞龙转动实现对颗粒料的输送，加热腔21为长方体腔体，加热腔21内壁可设置加热元件。

具体的，控制装置4可以是PLC控制器，也可以是其它电控元件，通过控制装置4与直线电机可实现挤出机头2与输送装置3的三轴移动，打印机1与挤出机头2的移动方式已为现有技术，在此不作赘述。

一种基于颗粒料融化的三维打印挤出结构，其制造方法包括以下步骤：

S1、将所需的颗粒料通过输送装置3输送到加热腔21内，使加热腔21内的颗粒料达到一定的填充度；

S2、将加热腔21内的颗粒料加热至熔点以上，使颗粒料融化成为均匀的熔体；

S3、通过控制装置4控制挤出机头2的移动路径、加热腔21的温度、输送装置3的输送速度和喷嘴22的挤出速度，将熔体通过喷嘴22挤出，在平台上按照预设的数字模型文件逐层堆积，形成三维打印挤出结构；

S4、将三维打印挤出结构冷却至室温，使熔体固化，完成三维打印；

S5、检查三维打印挤出结构的表面质量，如有缺陷，进行修补或打磨；

S6、检查三维打印挤出结构的尺寸精度，如有误差，进行调整或切割；

S7、检查三维打印挤出结构的功能性能，如有不符合要求的，进行改进或优化；

S8、将三维打印挤出结构从平台上取出，进行清洁和包装。

S1步骤的操作方法为：将颗粒料放入输送装置3的储料仓内，启动输送装置3，通过输送装置3将颗粒料输送到加热腔21的入口处，通过重力或压力等方式，使颗粒料进入加热腔21内，直到加热腔21内的颗粒料达到预设的填充度。

S1步骤的参数设置为：根据颗粒料的种类、形状、大小等特性，以及加热腔21的容积、形状等因素，设置合适的输送速度、输送时间、填充度等参数，以保证输送的效率和准确性。

具体的，S1步骤可保证加热腔21内有足够的颗粒料供打印使用，避免打印过程中出现断料的情况。

S2步骤的操作方法为：在加热腔21的外壁或内壁上设置加热元件，如电阻丝、电热管、电磁感应线圈等，通过电流或电磁场等方式，向加热腔21内传递热量，使加热腔21内的温度升高，从而使颗粒料受热并融化。

S2步骤的参数设置为：根据颗粒料的熔点、熔体的流动性、加热腔21的材料、结构等因素，设置合适的加热温度、加热时间、加热功率等参数，以保证加热的效率和均匀性。

具体的，通过S2步骤可使颗粒料从固态转变为液态，以便于通过喷嘴22挤出。

S3步骤的操作方法为：通过控制装置4，根据数字模型文件的数据，计算出挤出机头2的移动路径、加热腔21的温度、输送装置3的输送速度和喷嘴22的挤出速度，并通过电机、传感器、执行器等方式，控制这些参数的实时变化，使挤出机头2在平台上按照预设的轨迹移动，同时，使加热腔21内的熔体以一定的速度和压力通过喷嘴22挤出，与平台或上一层的熔体接触并粘合，逐层堆积，直到完成整个打印结构。

S3步骤的参数设置为：根据数字模型文件的复杂度、精度、层厚等因素，以及打印结构的功能、性能、外观等要求，设置合适的移动路径、温度、输送速度、挤出速度等参数，以保证打印的效果和质量。

具体的，通过S3步骤的处理，可按照数字模型文件的要求，将熔体以一定的形状和尺寸挤出，并在平台上固定，从而实现三维打印。

S4步骤的操作方法为：在打印结构的周围或内部设置冷却装置，如风扇、水冷管、制冷剂等，通过对流、辐射、传导等方式，向打印结构内传递冷量，使打印结构的温度降低，从而使熔体凝固。

S4步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及冷却装置的类型、位置、功率等因素，设置合适的冷却温度、冷却时间、冷却方式等参数，以保证冷却的效率和均匀性。

具体的，通过S4步骤的处理，使打印结构从液态转变为固态，以便于取出和使用。

S5步骤的操作方法为：通过目测或仪器等方式，检查打印结构的表面是否有缺陷，如有缺陷，根据缺陷的类型、位置、大小等因素，选择合适的修补或打磨方法，如补充颗粒料、填充胶水、刮刀、砂纸、抛光机等，对打印结构的表面进行修补或打磨，直到达到满意的效果。

S5步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及修补或打磨方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的修补或打磨参数，以保证修补或打磨的效果和质量。

具体的，通过S5步骤的处理，可提高打印结构的外观和性能，消除打印过程中可能产生的缺陷，如气泡、裂纹、毛刺等。

S6步骤的操作方法为：通过尺子、卡尺、测量仪等方式，检查打印结构的尺寸是否与数字模型文件的数据一致，如有误差，根据误差的类型、位置、大小等因素，选择合适的调整或切割方法，如加热、压力、拉伸、剪刀、锯子、切割机等，对打印结构的尺寸进行调整或切割，直到达到满意的效果。

S6步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及调整或切割方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的调整或切割参数，以保证调整或切割的效果和质量。

具体的，通过S6步骤的处理，保证打印结构的尺寸符合数字模型文件的要求，消除打印过程中可能产生的误差，如变形、偏移、缩放等。

S7步骤的操作方法为：通过力学、电学、热学、化学等方式，检查打印结构的功能是否与数字模型文件的数据一致，如有不符合要求的，根据不符合要求的类型、位置、大小等因素，选择合适的改进或优化方法，如添加或替换材料、改变结构、增加或减少层数、改变层间连接方式等，对打印结构的功能进行改进或优化，直到达到满意的效果。

S7步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及改进或优化方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的改进或优化参数，以保证改进或优化的效果和质量。

具体的，通过S7步骤的处理，保证打印结构的功能符合数字模型文件的要求，消除打印过程中可能产生的缺陷，如强度、韧性、硬度、导电性、导热性、抗腐蚀性等。

S8步骤的操作方法为：使用手套、钳子、吸盘等工具，将打印结构从平台上小心地取出，避免损坏或污染打印结构；使用水、酒精、清洁剂等物质，对打印结构的表面进行清洁，去除残留的颗粒料、灰尘、油污等杂质；使用纸箱、泡沫、塑料袋等物品，对打印结构进行包装，保护打印结构的完整性和稳定性。

S8步骤的参数设置为：根据打印结构的材料、结构、尺寸等因素，以及清洁和包装方法的类型、位置、力度等因素，设置合适的清洁和包装参数，以保证清洁和包装的效果和质量。

实施例一

S1、将所需的颗粒料通过输送装置输送到加热腔内，使加热腔内的颗粒料达到一定的填充度；

S1步骤的参数设置为：颗粒料的种类为ABS树脂，形状为球形，直径为2mm，密度为1.05g/cm

S1步骤的操作方法为：每次向加热腔内输送约0.4g的颗粒料，即约190个颗粒料，输送时间为4s，重复输送直到加热腔内的颗粒料达到80g，即约38000个颗粒料，总输送时间为380s；

S2、将加热腔内的颗粒料加热至熔点以上，使颗粒料融化成为均匀的熔体；

S2步骤的参数设置为：颗粒料的熔点为230℃，熔体的流动性为0.1Pa·s，加热腔的材料为不锈钢，导热系数为15W/(m·K)，厚度为1mm，内表面积为314cm

S2步骤的操作方法为：设置加热温度为250℃，加热时间为约15min，加热功率为4840W；

S3、通过控制装置控制挤出机头的移动路径、加热腔的温度、输送装置的输送速度和喷嘴的挤出速度，将熔体通过喷嘴挤出，在平台上按照预设的数字模型文件逐层堆积，形成三维打印挤出结构；

S3步骤的参数设置为：假设数字模型文件的数据为一个长方体，长为10cm，宽为5cm，高为2cm，层厚为0.2mm，精度为0.1mm，曲率为0；喷嘴的类型为圆形，直径为0.4mm，压力为0.5MPa；平台的类型为固定的，材料为玻璃，尺寸为20cm×20cm，温度为60℃；控制装置的类型为电脑，软件为Cura，连接方式为USB线连；

S3步骤的操作方法为：挤出机头的移动路径为按照长方体的轮廓和层厚进行逐层扫描，每层扫描时间为约10s，总扫描时间为约1000s；加热腔的温度为250℃，保持不变；输送装置的输送速度为10cm/s，保持不变；喷嘴的挤出速度为约0.02cm

S4、将三维打印挤出结构冷却至室温，使熔体固化，完成三维打印；

S4步骤的参数设置为：假设打印结构的材料为ABS树脂，结构为长方体，尺寸为10cm×5cm×2cm，密度为1.05g/cm

S4该步骤的操作方法为：冷却温度为25℃，冷却时间为约30min，冷却方式为对流冷却；

S5、检查三维打印挤出结构的表面质量，如有缺陷，进行修补或打磨；

S5步骤的参数设置为：假设打印结构的材料为ABS树脂，结构为长方体，尺寸为10cm×5cm×2cm，表面粗糙度为0.1mm，缺陷类型为气泡、裂纹、毛刺等，缺陷位置为随机分布，缺陷大小为0.01mm-0.5mm；修补或打磨方法的类型为补充颗粒料、填充胶水、刮刀、砂纸、抛光机等，位置为缺陷处，力度为适中；

S5步骤的操作方法为：使用放大镜或显微镜等方式，检查打印结构的表面是否有缺陷，如有缺陷，根据缺陷的类型、位置、大小等因素，选择合适的修补或打磨方法，如对于气泡，可以使用补充颗粒料或填充胶水的方法，将气泡处的空隙填充；对于裂纹，可以使用填充胶水或刮刀的方法，将裂纹处的缝隙封闭；对于毛刺，可以使用刮刀或砂纸的方法，将毛刺处的突起去除；对于整个表面，可以使用抛光机的方法，将表面的粗糙度降低，直到达到满意的效果；

S6、检查三维打印挤出结构的尺寸精度，如有误差，进行调整或切割；

S6步骤的参数设置为：假设打印结构的材料为ABS树脂，结构为长方体，尺寸为10cm×5cm×2cm，误差范围为±0.1mm，误差类型为变形、偏移、缩放等，误差位置为随机分布，误差大小为0.01mm-0.2mm；调整或切割方法的类型为加热、压力、拉伸、剪刀、锯子、切割机等，位置为误差处，力度为适中；

S6该步骤的操作方法为：使用尺子、卡尺、测量仪等方式，检查打印结构的尺寸是否与数字模型文件的数据一致，如有误差，根据误差的类型、位置、大小等因素，选择合适的调整或切割方法，如对于变形，可以使用加热或压力的方法，将变形处的形状恢复；对于偏移，可以使用拉伸或剪刀的方法，将偏移处的位置调整；对于缩放，可以使用加热或切割机的方法，将缩放处的尺寸修改，直到达到满意的效果；

S7、检查三维打印挤出结构的功能性能，如有不符合要求的，进行改进或优化；

S7步骤的参数设置为：假设打印结构的材料为ABS树脂，结构为长方体，尺寸为10cm×5cm×2cm，功能要求为强度不低于20MPa，韧性不低于1.5J/m^2^，硬度不低于60HRC，导电性不低于10^-6^S/m，导热性不低于0.2W/(m·K)，抗腐蚀性不低于pH7；改进或优化方法的类型为添加或替换材料、改变结构、增加或减少层数、改变层间连接方式等，位置为整个或部分，力度为适中；

S7步骤的操作方法为：使用力学、电学、热学、化学等方式，检查打印结构的功能是否与数字模型文件的数据一致，如有不符合要求的，根据不符合要求的类型、位置、大小等因素，选择合适的改进或优化方法，如对于强度，可以添加或替换材料，如使用碳纤维或金属等增强材料，或使用聚酰胺或聚酯等替换材料；对于韧性，可以改变结构，如使用网状或蜂窝等结构，或增加或减少层数，如使用更厚或更薄的层厚；对于硬度，可以改变层间连接方式，如使用更紧密或更松散的连接方式，或使用不同的连接材料，如使用胶水或焊接等，直到达到满意的效果；

S8、将三维打印挤出结构从平台上取出，进行清洁和包装；

S8步骤的参数设置为：假设打印结构的材料为ABS树脂，结构为长方体，尺寸为10cm×5cm×2cm，重量为105g，残留的颗粒料、灰尘、油污等杂质的类型、位置、大小为随机分布，清洁和包装方法的类型为水、酒精、清洁剂、纸箱、泡沫、塑料袋等，位置为整个或部分，力度为适中；

S8步骤的操作方法为：使用手套、钳子、吸盘等工具，将打印结构从平台上小心地取出，避免损坏或污染打印结构；使用水、酒精、清洁剂等物质，对打印结构的表面进行清洁，去除残留的颗粒料、灰尘、油污等杂质；使用纸箱、泡沫、塑料袋等物品，对打印结构进行包装，保护打印结构的完整性和稳定性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。