成形喷头及增材制造设备

1.本技术涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种成形喷头及增材制造设备。


背景技术：

2.增材制造技术近年来发展迅速，其通过逐层打印的方式实现结构的制造，与传统的减材方式相比，增材制造可以快速实现复杂结构的制造。其中，熔融沉积成形工艺(英文：fused deposition modeling，简称：fdm)是增材制造技术当中起步较早、发展较为成熟稳定的工艺之一。目前的fdm喷头以丝材作为原料，喷头前端未熔融的丝材构成类似于活塞式的挤出机构。
3.但是，目前的fdm喷头设计形式需要预先将原料加工为丝材，这不仅限制了可适用的材料范围，同时增加了工艺复杂性和成本。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种成形喷头及增材制造设备，解决了目前使用fdm喷头时需要预先将原料加工为丝材技术问题。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种成形喷头，所述成形喷头包括：挤料管；送料机构，与所述挤料管连通；挤料螺杆，沿所述挤料管的长度方向设置于所述挤料管内；以及挤料驱动机构，其动力输出端与所述挤料螺杆连接，以驱动所述挤料螺杆绕自身的中心轴线旋转。
6.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述成形喷头还包括温控装置，以及与所述温控装置电连接的多个加热器；多个所述加热器沿原料的挤出方向间隔安装于所述挤料管，并且所述温控装置被配置为对每个所述加热器单独控制。
7.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述成形喷头还包括与所述温控装置电连接的多个温度传感器，多个所述温度传感器间隔安装于所述挤料管的管壁，并且一一对应于多个所述所述加热器；所述温控装置被配置为根据所述温度传感器的检测结果控制对应的所述加热器。
8.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述送料机构包括送料漏斗，所述送料漏斗的出口端与所述挤料管连通。
9.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述送料漏斗的出口端连通于所述挤料管的背离出料口的端口处；和/或，所述送料机构还包括振动激发器，所述振动激发器连接于送料漏斗。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述送料机构还包括送料管、送料螺杆和送料驱动装置；所述送料漏斗的出口端连通于所述送料管；所述送料螺杆沿所述送料管的长度方向设置于所述送料管内；所述送料管的出料端与所述挤料管连通；所述送料驱动装置的动力输出端与所述送料螺杆连接，以驱动所述送料螺杆绕自身的中心轴线旋转。
11.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述挤料驱动机构安装于所述挤料管，
并且所述挤料驱动机构与所述挤料管之间设置有隔热件。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述挤料管包括挤料管体和挤出头；所述挤出头与所述挤料管体可拆卸连接。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述挤料螺杆的螺槽深度沿原料的挤出方向逐渐减小。
14.第二方面，本技术实施例提供了一种增材制造设备，所述增材制造设备包括第一方面以及第一方面任一种可能的实现方式所述的成形喷头。
15.本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
16.本技术实施例提供的成形喷头包括挤料管、送料机构、挤料螺杆和挤料驱动机构。该成形喷头在工作时，送料机构将颗粒状或粉末状原料输送至挤料管，挤料驱动机构带动挤料螺杆绕自身的中心轴线旋转，挤料螺杆将颗粒状或粉末状原料进行螺旋输送，使原料从挤料管的出料口挤出。本技术实施例提供的成形喷头不需要预先将原料加工为丝材，能够直接将颗粒状或粉末状原料挤出，降低了工艺复杂性和制造成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例提供的第一种成形喷头的结构示意图；
19.图2为本技术实施例提供的第一种成形喷头的剖视图；
20.图3为本技术实施例提供的第二种成形喷头的结构示意图；
21.图4为本技术实施例提供的第二种成形喷头的剖视图；
22.图5为本技术实施例提供的挤料螺杆的结构示意图；
23.图6为本技术实施例提供的加热器、温度传感器和温控装置之间的连接关系图；
24.图7为本技术实施例提供的第一种成形喷头的挤料驱动机构的结构示意图；
25.图8为本技术实施例提供的第二种成形喷头的挤料驱动机构的结构示意图。
26.附图标记：100-挤料管；110-挤料管体；120-挤出头；200-挤料螺杆；210-连接部；220-杆部；230-螺旋部；240-挤出部；300-挤料驱动机构；310-第一电机；320-第一减速器；330-第一联轴器；340-第一支架；341-横板；342-竖板；343-安装板；400-送料机构；410-送料漏斗；420-振动激发器；430-送料管；440-送料螺杆；450-送料驱动装置；451-第二电机；452-第二减速器；453-第二联轴器；454-第二支架；500a、500b、500c-加热器；600a、600b、600c-温度传感器；700-温控装置；800-隔热件。
具体实施方式
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
28.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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技术实施例和简化描述，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。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
29.本技术实施例提供的成形喷头如图1至图4所述。其中，图1为本技术实施例提供的第一种成形喷头的结构示意图；图2为本技术实施例提供的第一种成形喷头的剖视图；图3为本技术实施例提供的第二种成形喷头的结构示意图；
30.图4为本技术实施例提供的第二种成形喷头的剖视图。
31.具体地，该成形喷头包括挤料管100、送料机构400、挤料螺杆200和挤料驱动机构300。送料机构400与挤料管100连通；当使用该成形喷头时，向送料机构400中添加颗粒状或粉末状原料，送料机构400能够将原料输送至挤料管100内。图1和图2示出的第一种成形喷头中的送料机构400与图3和图4中示出的第二成形喷头的送料机构400中的送料机构400在结构形式上存在不同，但是均起到向挤料管100内输送原料的作用。并且，送料机构400的具体结构形式也并不以图1至图4中示出的结构形式为限制，也可以采用其他能够向挤料管100内输送颗粒状或粉末状原料的结构。
32.挤料螺杆200沿挤料管100的长度方向设置于挤料管100内。在图1和图4示出的两个实施例的方位中，挤料管100沿上下方向延伸，所以挤料管100的长度方向为上下方向，挤料螺杆200也延上下方向延伸，并且挤料螺杆200位于挤料管100内。需要说明的是，挤料管100的长度方向并不以图1至图4所述的上下方向为限制，在挤料螺杆200的具体使用过程中，该成形喷头在机械手臂等结构的带动下，挤料管100的长度方向可以实时变化调整。
33.当挤料管100的内部空腔为圆柱形时，以图2和图4所示为例，挤料螺杆200的中心轴线可以与挤料管100的内部空腔的中心轴线重合，进而使原料能够较为均匀地分布在挤料管100的内部空腔中，以保证出料的稳定性。当然，当挤料管100的内部空腔为圆柱形时，挤料螺杆200的中心轴线位置也可以不与挤料管100的内部空腔的中心轴线重合，本技术实施例并不对挤料螺杆200的中心轴线位置做具体限制。
34.挤料驱动机构300的动力输出端与挤料螺杆200连接，以驱动挤料螺杆200绕自身的中心轴线旋转。挤料驱动机构300为挤料螺杆200的旋转提供了动力，是原料被从挤料管100的出料口挤出的动力源。参照图7和图8所示，图7为本技术实施例提供的第一种成形喷头的挤料驱动机构300，图8为本技术实施例提供的第二种成形喷头的挤料驱动机构300。图7和图8所示的挤料驱动机构300在结构上基本相同，均包括第一电机310、第一减速器320、第一联轴器330和第一支架340。第一减速器320的输入轴与第一电机310的转轴连接；具体地，第一减速器320的输入轴与第一电机310的转轴可以为一体连接，即第一减速器320的输入轴与第一电机310的转轴为一根整体的轴；当然第一减速器320的输入轴与第一电机310的转轴并不以一体连接为限制，也以采用焊接、法兰连接等其他连接方式，本技术实施例对
此并不做限制。第一减速器320的输出轴通过第一联轴器330与挤料螺杆200连接；具体地，在图1至图4所示的两种成形喷头实施例中，第一减速器320的输出轴通过第一联轴器330与挤料螺杆200的远离挤料管100出料口的端部连接。第一支架340用于为第一电机310和第一减速器320提供安装位置，第一电机310和第一减速器320可以独立地安装于第一支架340；也可以采用如图7和图8所示的方式，第一减速器320安装于第一支架340，第一电机310安装于第一减速器320；或者，第一电机310安装于第一支架340，第一减速器320安装于第一电机310。在图1至图4所示的两种成形喷头实施例中，第一支架340还安装于挤料管100，具体地第一支架340安装于挤料管100的背离出料口的端口处，当然，第一支架340的安装位置并不以挤料管100的背离出料口的端口处为限制，第一支架340也可以安装于挤料管100的外侧面等位置，本技术实施例对此并不做限制。第一支架340安装于挤料管100的情况下，本技术实施例提供的两种成形喷头在使用时，第一支架340与增材制造设备的带动成形喷头运动的结构连接，带动成形喷头运动的结构通过第一支架340带动整个成形喷头，带动成形喷头运动的结构可以为机械臂等。此外，第一支架340也可以独立于挤料管100进行设置，第一支架340不与挤料管100相连接，此种情况下，第一支架340和挤料管100均与增材制造设备的带动成形喷头运动的结构连接。
35.具体地，图7中和图8中分别示出了第一种成形喷头的第一支架340的具体结构和第二种成形喷头的第一支架340的具体结构，两种第一支架340均包括横板341、竖板342和安装板343；横板341和安装板343间隔设置，并且均与竖板342垂直连接；第一电机310和第一减速器320均安装于安装板343；横板341与挤料管100连接；竖板342用于与增材制造设备的机械臂连接。
36.图7和图8中示出的两种第一支架340的主要差异在于安装板343与横板341之前的距离。图8中示出的为本技术实施例提供的第二种成形喷头的第一支架340，由于第二种成形喷头的送料漏斗410的出口端与连通于挤料管100的背离出料口的端口处，所以横板341与第一安装板343之前需要留出送料漏斗410的位置，进而使得图8中横板341与安装板343之间的距离大于图7中横板341与安装板343之间的距离。
37.本技术实施例提供的成形喷头还包括温控装置700，以及与温控装置700电连接的多个加热器500a、500b、500c。多个加热器500a、500b、500c沿原料的挤出方向间隔安装于挤料管100，并且温控装置700被配置为对每个加热器500a、500b、500c单独控制。多个加热器500a、500b、500c对挤料管100进行加热进而使挤料管100内的原料熔融挤出，同时每个加热器500a、500b、500c能够被温控装置700单独控制，进行使挤料管100的不同位置能够表现为不同温度，方便采用不同温度满足不同挤出阶段的原料对热量的需求，比如实现对原料的预热、熔融和保温。参照图1至图4，以及图6所示，三个加热器500a、500b、500c沿原料的挤出方向间隔安装于挤料管100的外侧，三个加热器500a、500b、500c均与温控装置700电连接。挤料管100沿原料的挤出方向可以分为原料输送段、原料熔融段和原料挤出段；三个加热器500a、500b、500c所在位置分别对应于原料输送段、原料熔融段和原料挤出段；安装于原料输送段的加热器500a用于对挤料管100内的原料进行预热，以使原料受压挤实；安装于原料熔融段的加热器500b用于使原料熔融段的温度达到原料的熔融温度，使原料充分熔融；安装于原料挤出段的加热器500c用于保证挤出的原料温度均匀一致。当然，加热器的数量并不以三个为限制，还可以为两个、四个，五个等其他数量；当加热器的数量大于三个时，可以
在保证在原料输送段、原料熔融段和原料挤出段均设置有加热器500a、500b、500c的同时，在原料输送段、原料熔融段和原料挤出段中的一处或多处设置加热器的数量大于一个；当加热器的数量为两个时，可以只在原料熔融段和原料挤出段分别设置一个加热器，或者在原料输送段和原料熔融段分别设置一个加热器。另外，图1至图4以及图6所示的多个加热器500a、500b、500c均设置于挤料管100的外侧的情况，当然，加热器500a、500b、500c也可以设置于挤料管100的内壁，或者嵌入的在挤料管100内。
38.成形喷头还包括与温控装置700电连接的多个温度传感器600a、600b、600c，多个温度传感器600a、600b、600c间隔安装于挤料管100的管壁，并且一一对应于多个加热器500a、500b、500c。在图2和图4中，温度传感器600a与加热器500a对应，温度传感器600b与加热器500b对应，温度传感器600c与加热器500c对应。图2和图4示出了温度传感器600a、600b、600c的安装方式，多个加热器500a、500b、500c所对应的挤料管100的位置开设有多个安装孔，温度传感器600a、600b、600c分别对应安装于多个安装孔内。当然，温度传感器600a、600b、600c的安装结构并不以图2和图4所示的安装结构为限制，也可以采用安装结构，本技术对此不做限定，比如将多个温度传感器600a、600b、600c间隔粘贴于挤料管100的管壁。如图6所示，温控装置700被配置为根据温度传感器600a、600b、600c的检测结果控制对应的加热器500a、500b、500c。示例性地，温控装置700根据温度传感器600a的检测结果控制加热器500a，温控装置700根据温度传感器600b的检测结果控制加热器500b，温控装置700根据温度传感器600c的检测结果控制加热器500c。温度传感器600a、600b、600c能够检测所在位置的温度，并将温度信息实时传递至温控装置700，温控装置700根据多个温度传感器600a、600b、600c所反馈的温度信息，可以得知哪个温度传感器所在位置的温度低于该位置的设定温度，哪个温度传感器所在位置的温度高于该位置的设定温度，进而控制对应的加热器500a、500b、500c的功率增大或减小，以保证各位置的温度均保持在所设定温度的合理误差范围内，实现了温度的闭环控制。
39.进一步地，参照图1至图4所示，送料机构400包括送料漏斗410，送料漏斗410的出口端与挤料管100连通。使用本技术实施例提供的成形喷头时，向送料漏斗410中加入颗粒状或粉末状原料，原料从送料漏斗410的出口端漏出并进入挤料管100内，挤料管100内的挤料螺杆200在挤料驱动机构300的带动下绕自身的中心轴线旋转，原料被从挤料管100的出料口中挤出。
40.图1和图2中所示出的送料机构400的具体结构与图3和图4中所示出送料机构400的具体结构不同，以下对此进行详细描述。
41.在图3和图4所示出的送料机构400中，送料机构400包括送料漏斗410，送料漏斗410的出口端连通于挤料管100的背离出料口的端口处。在图3和图4所示的方位中，挤料管100的出料口位于下端，送料漏斗410的出口端连通于挤料管100的上端口处。使用该成形喷头时，向送料漏斗410中加入颗粒状或粉末状原料，原料从送料漏斗410的出口端漏出并从挤料管100的上端口进入挤料管100。
42.继续参照图3和图4，送料机构400也包括振动激发器420，振动激发器420连接于送料漏斗410。具体地，图3和图4所示的振动激发器420安装于送料漏斗410的外侧面，并且送料漏斗410上安装有多个振动激发器420。当然，振动激发器420的安装位置并不以漏斗的外侧面为限制，振动激发器420也可以安装于漏斗的内侧面、上边沿等位置，或者不直接安装
于漏斗上，而是通过连接杆、连接板等中间连接件实现间接连接；振动激发器420的数量也可以仅为一个。振动激发器420在工作时，产生机械振动，并带动与之连接的送料漏斗410振动，使送料漏斗410内的原料能够顺利从送料漏斗410的出口端漏出并从挤料管100的上端口进入挤料管100，防止原料发生堵塞，进而使得该成形喷头的出料保持稳定。
43.当然，无论送料机构400是图1和图2所示的具体结构，还是图3和图4所示的具体结构，亦或是其他包括送料漏斗410的可实施的具体结构，送料机构400均可以包括振动激发器420，振动激发器420连接于送料漏斗410，以使送料漏斗410内的原料能够顺利从送料漏斗410的出口端漏出并从挤料管100的上端口进入挤料管100，防止原料发生堵塞，进而使得该成形喷头的出料保持稳定。
44.如图1和图2所示，送料机构400既包括送料漏斗410，还包括送料管430、送料螺杆440和送料驱动装置450。送料漏斗410的出口端连通于送料管430，也即送料漏斗410通过送料管430与挤料管100连通。送料螺杆440沿送料管430的长度方向设置于送料管430内。送料管430的出料端与挤料管100连通。送料驱动装置450的动力输出端与送料螺杆440连接，以驱动送料螺杆440绕自身的中心轴线旋转。图1和图2所示的送料机构400在工作时，向送料漏斗410加入颗粒状或粉末状原料，原料从送料漏斗410的出口端漏出并进入送料管430，送料螺杆440在送料驱动装置450的带动下绕自身的中心轴线旋转，原料被输送到送料管430的出料口，然后进入挤料管100内。通过调节挤料驱动机构300和送料驱动装置450，使挤料螺杆200和送料螺杆440的转速匹配，进而保证原料被从挤料管100的出料口连续顺畅的挤出。
45.图1和图2示出了送料驱动装置450的一种具体实施方式，送料机构400包括第二电机451、第二减速器452、第二联轴器453和第二支架454。具体地，第二减速器452的输入轴与第二电机451的转轴可以为一体连接，即第二减速器452的输入轴与第二电机451的转轴为一根整体的轴；当然第二减速器452的输入轴与第二电机451的转轴并不以一体连接为限制，也以采用焊接、法兰连接等其他连接方式，本技术实施例对此并不做限制。第二减速器452的输出轴通过第二联轴器453与送料螺杆440连接；具体地，在图1和图2所示的成形喷头中，第二减速器452的输出轴通过第二联轴器453与送料螺杆440的远离挤料管100的端部连接。第二支架454用于为第二电机451和第二减速器452提供安装位置，第二电机451和第二减速器452可以独立地安装于第二支架454；也可以采用如图1和图2所示的方式，第二减速器452安装于第二支架454，第二电机451安装于第二减速器452；或者，第二电机451安装于第二支架454，第二减速器452安装于第二电机451。在图1和图2所示的成形喷头实施例中，第二支架454还安装于送料管430，具体地第二支架454安装于送料管430的背离挤料管100的端口处，当然，第二支架454的安装位置并不以送料管430的背离挤料管100的端口处为限制，第二支架454也可以安装于送料管430的外侧面等位置，本技术实施例对此并不做限制。此外，第二支架454也可以独立于挤料管100进行设置，第一支架340不与挤料管100相连接。
46.具体地，在图1至图4所示的挤料驱动机构300安装于挤料管100的情况下，挤料驱动机构300与挤料管100之间设置有隔热件800。隔热件800可以阻隔挤料管100与挤料驱动机构300之间的热传导，进而避免了挤料管100上的热量传导至挤料驱动机构300，保证了挤料驱动机构300正常工作。隔热件800具体可以采用玻璃纤维、气凝胶毡、真空板等材料。若挤料驱动机构300采用图7和图8所示的具体结构，隔热件800可设置于横板341与挤料管100
之间，并且在挤料管100的与挤料驱动机构300的位置可设置法兰来方便横板341与挤料管100连接。
47.参照图1至图4，挤料管100包括挤料管体110和挤出头120，挤出头120与挤料管体110可拆卸连接。具体地，图2示出的第一种成形喷头中的送料管430体和挤出头120，以及图4示出的第二种成形喷头的送料管430体和挤出头120，均通过螺纹连接来实现可拆卸；所谓螺纹连接即挤料管体110的下端的内壁设置有内螺纹，挤出头120的外侧面设置有外螺纹，或者挤料管体110的下端的外侧面设置有外螺纹，挤出头120的内壁设置有内螺纹。当然，挤出头120与挤料管体110的可拆卸连接的具体实现方式并不以螺纹连接为限制，也可以采用卡接等其他能够实现可拆卸的连接方式，比如在挤料管体110的下端的外侧面设置有环形突起，在挤出头120的内壁设置有与环形突起配合的环形凹槽，本技术对挤出头120与挤料管体110之间实现可拆卸连接的具体结构形式并不作限制。挤出头120与挤料管体110之间采用可拆卸的连接方式，一方面，方便将挤出头120拆卸下来进行维护；另一方面，也可以更换不同尺寸和形状的挤出头120，进而能够实现挤出头120的定制化设计。
48.本技术实施例在图1至图4所示的两种成形喷头中的挤料螺杆200均如图5所示，挤料螺杆200包括连接部210、杆部220、螺旋部230和挤出部240。连接部210、杆部220和挤出部240沿直线依次连接，螺旋部230缠绕于杆部220的外侧。连接部210与挤料驱动机构300连接；具体地，在图2、图4所示出的结构中，连接部210与挤料驱动机构300为键连接；当然，连接部210与挤料驱动机构300连接并不限于键连接，也可以采用焊接、法兰连接、一体连接等其他连接方式。挤出部240的外圆周面设置有导料槽，以方便挤料管100内的原料被挤出。
49.继续参照图5，挤料螺杆200的螺槽深度沿原料的挤出方向逐渐减小。所谓的螺槽深度是指螺旋部230外侧面到杆部220对应位置的距离。在螺旋部230外侧面的直径不变的情况下，螺槽深度沿原料的挤出方向逐渐减小能够使物料在挤料管100内输送过程中不断被挤压混合，保证从挤料管100挤出的原料均匀和密实。
50.本技术实施例提供的成形喷头包括挤料管100、送料机构400、挤料螺杆200和挤料驱动机构300。该成形喷头在工作时，送料机构400将颗粒状或粉末状原料输送至挤料管100，挤料驱动机构300带动挤料螺杆200绕自身的中心轴线旋转，挤料螺杆200将颗粒状或粉末状原料进行螺旋输送，使原料从挤料管100的出料口挤出。本技术实施例提供的成形喷头不需要预先将原料加工为丝材，能够直接将颗粒状或粉末状原料挤出，降低了工艺复杂性和制造成本。
51.此外，本技术实施例还提供了一种增材制造设备，增材制造设备包括上述的成形喷头。
52.本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
53.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对本技术限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术技术方案的范围。