3D打印機的雙螺桿設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u232683D打印機的雙螺桿設計計算案例 1232641.1擠出成型原理 134791.2雙螺桿設計 11.1擠出成型原理塑料成型的方式有許多，其中擠出成型是最為重要的方式之一。現如今，市面上大部分的熱塑性塑料和橡膠都采用擠出成型進行加工。擠出機的原理是利用塑料的熱塑性，通過擠出機上的加熱塊加熱生產時加入的物料，通過機筒時，被機筒內的螺桿混合、加壓，最后離開機筒，擠出成型。擠出機效率高，成本低，日常大多數生產生活都使用擠出成型。擠出機分類方法有許多。倘若擠出機內只有一根螺桿，就是單螺桿擠出機，有兩根，就稱為雙螺桿擠出機；若是運用于排氣，就是排氣擠出機，用于混煉就是混煉擠出機，當然也同樣存在無螺桿擠出機；立式安裝的就是立式擠出機，臥式安裝的就是臥式擠出機。根據需求和安裝形態的不同，擠出機的選擇也不同。螺桿是擠出成型設備中最關鍵的部件，在高溫下，螺桿的作用使物料的形態發生轉變。熱塑性塑料做為擠出成型中最為常見的材料之一。熱塑性塑料一般存有三種物理狀態，分別是玻璃態、高彈態以及粘流態。伴隨著溫度的上升或下降，高聚物也會隨著發生關于狀態上的變化，也因此才有可加工性，材料的粘流態恰恰是螺桿擠出設備所需要的加工狀態。物料加入漏斗，經加熱塊加熱變為粘流態，又經加壓后擠出，擠出的線材截面形狀與口模形狀相仿，通過一小段時間的冷卻經粘流態轉變為高彈態，最后成玻璃態，完成定型。1.2雙螺桿設計在螺桿上根據區域的不同，會導致承擔的作用及加工任務也不同，正因如此螺桿的結構也有些許不同。在加工過程中，熱塑性粒料會經由螺桿機構從而實現固態到熔融態的轉變。物料通過漏斗裝置送入料筒，通過異向雙螺桿的正位移運動、輸送、相互摩擦、粘性拖拽的作用，使原本松散的固體開始逐步地向前輸送同時被擠壓從而變實，在這個過程中，外部安裝的加熱系統開始加熱，系統所釋放的熱量與機構內部因粘性所耗散出來的熱量將固體一步步轉化為熔融體，整個過程的最后，在機頭產生的壓力作用下做到使材料定溫、定量以及定壓地由噴嘴擠出。這一過程需要依次經過螺桿機構的加料段、壓縮段和均化段三大反應區。這其中加料段是距離漏斗最近的一段，同時也是第一個接觸到固體化塑料的一段，因此這一段的作用主要是將塑料固體向下一段輸送，在輸送中可以有一個初步的加熱，從而更好的銜接后續溫度提升。但是在這一段的加工中，物料并沒有發生狀態上的轉變。壓縮段，也稱為塑化段，在這一段需要設置一個較高的溫度，物料開始逐步的由固態向熔融態發生轉變。因為加熱塊的安裝位置處于機筒外側，所以最接近機筒的部分是最先熔融的一部分，伴隨著物料溫度的不斷升高，在這一加工段螺桿機構內所有的物料都會轉變成粘流態。因為機筒的溫度存在一定的差異，會有一個溫度梯度，這也導致了熔融后的物料各處溫度是不均勻的，因此最后還需進行處理，這一段則稱為均化段，均化段的作用是使物料的溫度趨于一致，最后的物料則經由噴嘴擠出成型。對于雙螺桿機構的設計，我們首先需要了解一下什么是“相對運動原理”。在靜止的空氣中運動的物體又或者是氣流所流過的靜止的物體，如果這兩者的相對速度是一個相等的值，那么在物體上所受的空氣動力則完全相等，這就是所謂的“相對運動原理”。在雙螺桿機構中，兩根螺桿為異向嚙合，同時又依據此原理，我們可以知道，對于嚙合異向的雙螺桿而言,兩根螺桿的螺紋元件的幾何形狀并非是獨立的，二者之間相互關聯相互影響。同時為了保證加工過程中物料正常高效的輸送，對于螺桿的轉動方向與螺桿的螺紋旋向，兩者之間存在一定的關系，兩螺桿直徑以及螺紋加工方面的尺寸大小相同，但螺紋方向相反，對于右螺桿而言需要加工成左旋，左螺桿就是右旋，下面分別說明螺桿各個參數的選擇設計情況。圖四工作機理圖材料螺桿在3D打印機中的重要性不言而喻。因此對螺桿的材質而言需要的要求很高。螺桿的工作環境較為惡劣，在工作過程中會受到高溫、化學腐蝕的影響，并且螺桿也會直接與固體物料發生相互摩擦，因此螺桿必須同時滿足耐高溫、高耐磨性、耐化學腐蝕等條件，同時還要做到熱變形小。根據以上論述，最終選擇45鋼為加工材料。直徑D螺桿有上直徑很多，在不同分段，其直徑也不同，但是在螺桿設計中最為重要的直徑毫無疑問是螺桿外徑。雙螺桿中，兩根螺桿的外徑是一致的。螺桿的外徑反應了擠出設備的生產能力，正因如此，這一數據十分重要。翻閱查詢學習了固體輸送理論和粘流輸送理論的相關知識，可以知道擠出機的生產能力與螺桿直徑的立方成正相關關系。最終選定螺桿直徑D=14螺桿長度與直徑之比L/D螺桿有效長度：在螺桿上加工有螺紋部分的長度，而有效長度與螺桿直徑之間的比值稱為長徑比。這個參數在螺桿設計中同樣十分重要。對螺桿而言，長徑比如果越大，隨著物料在擠出裝置中所加工停留的時間就會越長，這樣一來，物料的塑化效果也就會變得更好，與此同時逆流、漏流的損失也會因長徑比的增大而減少，對生產也有不小的好處。但長徑比過大也同樣存在害處，如果螺桿過長的話就會降低螺桿的剛性，那么這樣一來螺桿就可能發生輕微偏心，可能會導致在運轉過程中螺桿與機筒發生摩擦，反而使螺桿受損。因此，需要設計一個適當的長徑比，根據其他螺桿擠出的設計結果，選取長徑比20。因此可知螺桿的有效長度為：280mm。螺桿分段長度L因為螺桿的設計已做到較為成熟，所以對于三個區域的比例完全可以通過查詢設計要求而得。最終結果為，第一段：螺桿進料段，長度LF的長度占比為螺桿有效長度的45%，第二段：螺桿中間的塑化段，這一段長度LC的長度占比為螺桿有效長度的25%，第三段：位于螺桿出口處的均化段，均化段的長度LM的占比為LFLCLM螺紋導程t與螺紋升角?對于螺桿上的相鄰的兩個螺紋之間所對應點間的距離我們稱之為螺桿導程。導程越大，在螺桿旋轉時所可以帶動的物料量也就會越多，因此擠出機的生產率也就會升高。但是導程也并非越大越好，導程過大的話，會使物料的不均勻性增加，這樣一來對物料的處理是非常不利的。通常來說，都會按照t=0.6~1.5D這樣一種規格來進行導程的選取，在此設計中由相關公式可得螺紋升角：?=arctant——螺紋導程；D2而在一般的機械加工中，時常設定螺紋升角的大小為：?=17°3螺槽深度H由于螺桿不同區域所起到的作用不盡相同，所以在設計的時候，螺槽深度也深淺不一，加料段為了能夠加入更多的物料，提高擠出機生產率，所以螺槽會更加深，均化段需要更加細致地對熔融物料進行處理，所以螺槽會稍淺一些。因此，給出第一段加料段和第三段均化段的螺槽深度如下：HF=3mm；根據螺桿結構設計，第二段塑化段的螺槽深度應該在二者之間，所以螺槽深度由加料段的3mm向均化段的1mm線性過渡。壓縮比ε物料從入口處的加料段進入螺桿后，直到從螺桿出口成型，在這個過程中是一直被壓縮的。這時就會存在一個參數叫做壓縮比。由它的定義我們可以知道壓縮比指的是物料從進入螺桿一直到離開螺桿時體積的比值，對應到螺桿結構上就可以理解為螺桿上螺槽容積的比值，所以壓縮比就是螺桿上入口處，即進料段第一個螺槽容積，和出口處，即均化段最后一個螺槽容積的比值。在這個過程中，物料里多余的氣體就會被排出去，物料擠出成型后就不會有氣孔等缺陷，隨著壓縮比的增加，物料成型后的致密度也逐步提高。螺桿壓縮比的大小，對于擠出成型的工藝控制條件有較大的影響。由壓縮比的計算公式,根據上述設計結果可以進行相應的計算：ε=螺紋寬度e在擠出過程中，螺紋寬度也有十分重要的作用，如果螺紋寬度過小的話，熔融后的物料很容易發生漏流的現象，大大降低了產量。但若是取過大的螺紋寬度，則會導致動力消耗過大，產生更多的熱量，對螺桿本身有不利的影響。一般，e=(0.08~0.12)D。最后選定e=1.5mm。螺桿頭部形狀選擇在設計螺桿時，對于螺桿頭部也需要進行一定的設計。對于不同工況選用不同的形式，由于設計出的3D打印機流量較小，尺寸也