PAGE13某擠出成型3D打印機(jī)的雙螺桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16904某擠出成型3D打印機(jī)的雙螺桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1216621.1雙螺桿設(shè)計(jì) 144211.1.1擠出成型原理 1264401.1.2雙螺桿設(shè)計(jì) 2178681.2機(jī)筒設(shè)計(jì) 7151771.2.1機(jī)筒簡(jiǎn)述 7203891.2.2機(jī)筒設(shè)計(jì) 8318141.3漏斗設(shè)計(jì) 983761.4加熱塊設(shè)計(jì) 10158851.5噴嘴及其組件設(shè)計(jì) 10268751.5.1噴嘴設(shè)計(jì) 10139821.5.2噴嘴適配器設(shè)計(jì) 11為了滿足LCP打印需求，將螺桿擠出裝置與打印機(jī)相結(jié)合，雙螺桿系統(tǒng)包括用于熔融擠出的雙螺桿、機(jī)筒、加熱塊、漏斗、噴嘴等。1.1雙螺桿設(shè)計(jì)1.1.1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(xiàn)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(jìn)行加工。擠出機(jī)的原理是利用塑料的熱塑性，通過擠出機(jī)上的加熱塊加熱生產(chǎn)時(shí)加入的物料，通過機(jī)筒時(shí)，被機(jī)筒內(nèi)的螺桿混合、加壓，最后離開機(jī)筒，擠出成型。擠出機(jī)效率高，成本低，日常大多數(shù)生產(chǎn)生活都使用擠出成型。擠出機(jī)分類方法有許多。倘若擠出機(jī)內(nèi)只有一根螺桿，就是單螺桿擠出機(jī)，有兩根，就稱為雙螺桿擠出機(jī)；若是運(yùn)用于排氣，就是排氣擠出機(jī)，用于混煉就是混煉擠出機(jī)，當(dāng)然也同樣存在無螺桿擠出機(jī)；立式安裝的就是立式擠出機(jī)，臥式安裝的就是臥式擠出機(jī)。根據(jù)需求和安裝形態(tài)的不同，擠出機(jī)的選擇也不同。螺桿是擠出成型設(shè)備中最關(guān)鍵的部件，在高溫下，螺桿的作用使物料的形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)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(tài)，分別是玻璃態(tài)、高彈態(tài)以及粘流態(tài)。伴隨著溫度的上升或下降，高聚物也會(huì)隨著發(fā)生關(guān)于狀態(tài)上的變化，也因此才有可加工性，材料的粘流態(tài)恰恰是螺桿擠出設(shè)備所需要的加工狀態(tài)。物料加入漏斗，經(jīng)加熱塊加熱變?yōu)檎沉鲬B(tài)，又經(jīng)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(shí)間的冷卻經(jīng)粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，最后成玻璃態(tài)，完成定型。1.1.2雙螺桿設(shè)計(jì)在螺桿上根據(jù)區(qū)域的不同，會(huì)導(dǎo)致承擔(dān)的作用及加工任務(wù)也不同，正因如此螺桿的結(jié)構(gòu)也有些許不同。在加工過程中，熱塑性粒料會(huì)經(jīng)由螺桿機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)到熔融態(tài)的轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)、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(shí)被擠壓從而變實(shí)，在這個(gè)過程中，外部安裝的加熱系統(tǒng)開始加熱，系統(tǒng)所釋放的熱量與機(jī)構(gòu)內(nèi)部因粘性所耗散出來的熱量將固體一步步轉(zhuǎn)化為熔融體，整個(gè)過程的最后，在機(jī)頭產(chǎn)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(jīng)過螺桿機(jī)構(gòu)的加料段、壓縮段和均化段三大反應(yīng)區(qū)。這其中加料段是距離漏斗最近的一段，同時(shí)也是第一個(gè)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(gè)初步的加熱，從而更好的銜接后續(xù)溫度提升。但是在這一段的加工中，物料并沒有發(fā)生狀態(tài)上的轉(zhuǎn)變。壓縮段，也稱為塑化段，在這一段需要設(shè)置一個(gè)較高的溫度，物料開始逐步的由固態(tài)向熔融態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。因?yàn)榧訜釅K的安裝位置處于機(jī)筒外側(cè)，所以最接近機(jī)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(jī)構(gòu)內(nèi)所有的物料都會(huì)轉(zhuǎn)變成粘流態(tài)。因?yàn)闄C(jī)筒的溫度存在一定的差異，會(huì)有一個(gè)溫度梯度，這也導(dǎo)致了熔融后的物料各處溫度是不均勻的，因此最后還需進(jìn)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(jīng)由噴嘴擠出成型。對(duì)于雙螺桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們首先需要了解一下什么是“相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理”。在靜止的空氣中運(yùn)動(dòng)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(duì)速度是一個(gè)相等的值，那么在物體上所受的空氣動(dòng)力則完全相等，這就是所謂的“相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理”。在雙螺桿機(jī)構(gòu)中，兩根螺桿為異向嚙合，同時(shí)又依據(jù)此原理，我們可以知道，對(duì)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(dú)立的，二者之間相互關(guān)聯(lián)相互影響。同時(shí)為了保證加工過程中物料正常高效的輸送，對(duì)于螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與螺桿的螺紋旋向，兩者之間存在一定的關(guān)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(duì)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(gè)參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)情況。圖四工作機(jī)理圖材料螺桿在3D打印機(jī)中的重要性不言而喻。因此對(duì)螺桿的材質(zhì)而言需要的要求很高。螺桿的工作環(huán)境較為惡劣，在工作過程中會(huì)受到高溫、化學(xué)腐蝕的影響，并且螺桿也會(huì)直接與固體物料發(fā)生相互摩擦，因此螺桿必須同時(shí)滿足耐高溫、高耐磨性、耐化學(xué)腐蝕等條件，同時(shí)還要做到熱變形小。根據(jù)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(shè)計(jì)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(yīng)了擠出設(shè)備的生產(chǎn)能力，正因如此，這一數(shù)據(jù)十分重要。翻閱查詢學(xué)習(xí)了固體輸送理論和粘流輸送理論的相關(guān)知識(shí)，可以知道擠出機(jī)的生產(chǎn)能力與螺桿直徑的立方成正相關(guān)關(guān)系。最終選定螺桿直徑D=14螺桿長(zhǎng)度與直徑之比L/D螺桿有效長(zhǎng)度：在螺桿上加工有螺紋部分的長(zhǎng)度，而有效長(zhǎng)度與螺桿直徑之間的比值稱為長(zhǎng)徑比。這個(gè)參數(shù)在螺桿設(shè)計(jì)中同樣十分重要。對(duì)螺桿而言，長(zhǎng)徑比如果越大，隨著物料在擠出裝置中所加工停留的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，這樣一來，物料的塑化效果也就會(huì)變得更好，與此同時(shí)逆流、漏流的損失也會(huì)因長(zhǎng)徑比的增大而減少，對(duì)生產(chǎn)也有不小的好處。但長(zhǎng)徑比過大也同樣存在害處，如果螺桿過長(zhǎng)的話就會(huì)降低螺桿的剛性，那么這樣一來螺桿就可能發(fā)生輕微偏心，可能會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中螺桿與機(jī)筒發(fā)生摩擦，反而使螺桿受損。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)徑比，根據(jù)其他螺桿擠出的設(shè)計(jì)結(jié)果，選取長(zhǎng)徑比20。因此可知螺桿的有效長(zhǎng)度為：280mm。螺桿分段長(zhǎng)度L因?yàn)槁輻U的設(shè)計(jì)已做到較為成熟，所以對(duì)于三個(gè)區(qū)域的比例完全可以通過查詢?cè)O(shè)計(jì)要求而得。最終結(jié)果為，第一段：螺桿進(jìn)料段，長(zhǎng)度LF的長(zhǎng)度占比為螺桿有效長(zhǎng)度的45%，第二段：螺桿中間的塑化段，這一段長(zhǎng)度LC的長(zhǎng)度占比為螺桿有效長(zhǎng)度的25%，第三段：位于螺桿出口處的均化段，均化段的長(zhǎng)度LM的占比為L(zhǎng)FLCLM螺紋導(dǎo)程t與螺紋升角?對(duì)于螺桿上的相鄰的兩個(gè)螺紋之間所對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的距離我們稱之為螺桿導(dǎo)程。導(dǎo)程越大，在螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)所可以帶動(dòng)的物料量也就會(huì)越多，因此擠出機(jī)的生產(chǎn)率也就會(huì)升高。但是導(dǎo)程也并非越大越好，導(dǎo)程過大的話，會(huì)使物料的不均勻性增加，這樣一來對(duì)物料的處理是非常不利的。通常來說，都會(huì)按照t=0.6~1.5D這樣一種規(guī)格來進(jìn)行導(dǎo)程的選取，在此設(shè)計(jì)中由相關(guān)公式可得螺紋升角：?=arctant——螺紋導(dǎo)程；D2——而在一般的機(jī)械加工中，時(shí)常設(shè)定螺紋升角的大小為：?=17°30螺槽深度H由于螺桿不同區(qū)域所起到的作用不盡相同，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)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(jī)生產(chǎn)率，所以螺槽會(huì)更加深，均化段需要更加細(xì)致地對(duì)熔融物料進(jìn)行處理，所以螺槽會(huì)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(jù)螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第二段塑化段的螺槽深度應(yīng)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(jìn)入螺桿后，直到從螺桿出口成型，在這個(gè)過程中是一直被壓縮的。這時(shí)就會(huì)存在一個(gè)參數(shù)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(jìn)入螺桿一直到離開螺桿時(shí)體積的比值，對(duì)應(yīng)到螺桿結(jié)構(gòu)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(jìn)料段第一個(gè)螺槽容積，和出口處，即均化段最后一個(gè)螺槽容積的比值。在這個(gè)過程中，物料里多余的氣體就會(huì)被排出去，物料擠出成型后就不會(huì)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(duì)于擠出成型的工藝控制條件有較大的影響。由壓縮比的計(jì)算公式,根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果可以進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算：ε=H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(fā)生漏流的現(xiàn)象，大大降低了產(chǎn)量。但若是取過大的螺紋寬度，則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力消耗過大，產(chǎn)生更多的熱量，對(duì)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(shè)計(jì)螺桿時(shí)，對(duì)于螺桿頭部也需要進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)。對(duì)于不同工況選用不同的形式，由于設(shè)計(jì)出的3D打印機(jī)流量較小，尺寸也較小，所以采用普通的鈍的螺桿頭即可。雙螺桿中心距C對(duì)于雙螺桿機(jī)構(gòu)，物料通過料口機(jī)構(gòu)被送入螺桿機(jī)構(gòu)，首先會(huì)進(jìn)入嚙合區(qū)的徑向間隙，接下來通過雙螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的擠壓從而實(shí)現(xiàn)混合均化、固體輸送及熔融擠壓等過程。因此為了保證物料可以順利通過雙螺桿機(jī)構(gòu)，且高效充分完成所需步驟。最后選定C圖五結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以給出下面一張參數(shù)圖：圖六參數(shù)圖1.2機(jī)筒設(shè)計(jì)1.2.1機(jī)筒簡(jiǎn)述機(jī)筒是罩在螺桿外的一個(gè)薄壁筒，在機(jī)筒外側(cè)會(huì)安裝加熱裝置供螺桿系統(tǒng)使用，熱量穿過機(jī)筒給物料加熱，故機(jī)筒同樣是螺桿系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的零部件。目前較為常見的機(jī)筒通常為兩部分所組成：機(jī)筒外殼和內(nèi)襯。由于機(jī)筒的內(nèi)部會(huì)直接同物料相接觸，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，為了便于更換維修，通常采用內(nèi)襯式的結(jié)構(gòu)。除此之外，外殼和內(nèi)襯的材料也不相同，對(duì)于外殼而言，采用機(jī)械強(qiáng)度較為普通的金屬即可，而對(duì)于內(nèi)襯來說，選擇特殊合金更加合適，將二者裝配在一起的方式為過渡裝配。一般會(huì)根據(jù)擠出機(jī)樣式從而去設(shè)計(jì)機(jī)筒的結(jié)構(gòu)，大致分為整體式與組合式機(jī)筒。整體式，顧名思義，即整個(gè)螺桿安裝于同一個(gè)整體機(jī)筒，組合式，即不同的機(jī)筒根據(jù)結(jié)構(gòu)與材料的不同安裝于不同區(qū)域。對(duì)于整體式機(jī)筒而言，因?yàn)樵诓煌瑓^(qū)域，溫度不盡相同，故不同區(qū)域外的機(jī)筒所要求的熱力條件也會(huì)不同，壽命也就各不相同，如果處于溫差較大的環(huán)境下，機(jī)筒則更加容易損壞。組合式機(jī)筒，會(huì)根據(jù)不同區(qū)域不同要求來設(shè)計(jì)不同機(jī)筒，這樣設(shè)計(jì)的好處是維修更換更加方便快捷，只需換掉發(fā)生損壞的機(jī)筒，其余的機(jī)筒可以接著使用。但同樣存在一些缺點(diǎn)，即使零件數(shù)量增多了，裝置的成本也隨之上升。考慮到本裝置尺寸結(jié)構(gòu)不算大，所以各區(qū)域間的溫差不會(huì)特別明顯，便可選擇一體式機(jī)筒設(shè)計(jì)，機(jī)筒整體材料選擇為特殊合金。1.2.2機(jī)筒設(shè)計(jì)（1）材料對(duì)機(jī)筒而言，其工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，需要同時(shí)滿足高耐磨性與耐高溫性兩個(gè)條件，同時(shí)強(qiáng)度一定要足夠的高，使得受熱變形不會(huì)很明顯。綜上所述，最終考慮使用38CrMoAlA這種材料，此材料為一種較為常見的氮化鋼，在被調(diào)質(zhì)處理加工后，還需進(jìn)行氮化處理的步驟才可以被拿來使用。形狀由于機(jī)筒內(nèi)部為雙螺桿結(jié)構(gòu)，故倘若將機(jī)筒設(shè)計(jì)為圓柱體則導(dǎo)致螺桿與機(jī)筒內(nèi)壁間隙變換過大，且占用無效空間較大，故設(shè)計(jì)機(jī)筒橫形狀如下圖。圖七形狀示意圖尺寸設(shè)計(jì)機(jī)筒與螺桿之間的間隙決定了機(jī)筒內(nèi)徑壁。間隙的存在有好處同樣也有缺點(diǎn)。在一方面，機(jī)筒內(nèi)壁與螺桿之間的間隙會(huì)使物料停留于機(jī)筒里面的時(shí)間增長(zhǎng)，如果是不止一種材料擠絲，那么間隙的存在還有利于多種材料之間的混合。但間隙不是越大越好，間隙的擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致漏流量增大。根據(jù)漏流量公式：Q通過公式可知，間隙δ增加，漏流量QL也隨之上升，故間隙的大小不可以隨意選擇。一般來說，會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式去δ=(0.003~0.005)對(duì)于雙螺桿機(jī)構(gòu)而言，取間隙均為δ=0.1mm。得機(jī)筒尺寸數(shù)據(jù)如下圖。圖八尺寸示意圖1.3漏斗設(shè)計(jì)在使用設(shè)備進(jìn)行制作時(shí)，需要把塑料物料加入設(shè)備中進(jìn)行加工，這一步驟，我們稱為喂料。喂料的方式有兩種，一種是強(qiáng)制性喂料，另一種是自然喂料。兩種方式的區(qū)別主要在于物料是通過那種動(dòng)力被送入螺桿擠出設(shè)備的。如果采用攪拌器亦或是螺旋推進(jìn)器等等相類似的外部設(shè)備來把物料擠入螺桿擠出設(shè)備的話，即為強(qiáng)制性喂料。相對(duì)比來說，不需要通過額外的動(dòng)力設(shè)備，僅僅靠物料自身重力重力就可以實(shí)現(xiàn)喂料，即稱之為自然喂料。鑒于本裝備采取螺桿豎直安裝的設(shè)計(jì)，所以并不需要借助外力，完全可以通過重力實(shí)現(xiàn)自然喂料。與此同時(shí)為了方便自然喂料，設(shè)計(jì)一個(gè)漏斗必不可少。漏斗，即存在錐面的物體，在我們的日常生活中隨處可見。考慮到喂料的便捷性，錐角的夾角不可太小，不然的話就可能存在架橋或是空心管的現(xiàn)象。通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，令?yuàn)A角α=90°。漏斗的端部設(shè)計(jì)為法蘭形式，漏斗和機(jī)筒的法蘭要相貼合，通過螺栓連接從而確定位置。漏斗基本上不會(huì)承受載荷，同時(shí)也沒有精度要求，所以選擇45鋼做為材料。漏斗安裝時(shí)，把絲杠從漏斗的中心通孔中伸出，再經(jīng)由聯(lián)軸器和電機(jī)連接。因?yàn)殡姍C(jī)的位置需要固定，所以電機(jī)、螺桿一起固定于同一塊固定板上，但是再建模時(shí)，發(fā)現(xiàn)了漏斗的位置和固定板的位置相互干涉，于是為了滿足要求，切除了漏斗干涉裝配的一部分，同時(shí)為了使漏斗封閉，可以焊上一塊鋼板。1.4加熱塊設(shè)計(jì)在螺桿擠出時(shí)，需要較大的熱量，這些熱量來源于加熱塊，加熱塊安裝于機(jī)筒外側(cè)。針對(duì)不同的區(qū)域，需要的溫度也會(huì)不同。將加熱塊分別安裝于加料段、塑化段以及均化段的中間位置。為了方便安裝和使用，同時(shí)將不銹鋼外殼安裝于加熱塊之外。對(duì)于溫度的控制，可以通過PID來實(shí)現(xiàn)。設(shè)想的加工材料為中耐熱型LCP顆粒，由Vectra所生產(chǎn)。因此可以把塑化段溫度定為280℃，加料段的溫度設(shè)置成120℃，均化段溫度為320℃。1.5噴嘴及其組件設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的擠出成型設(shè)備線材通過口模實(shí)現(xiàn)截面的控制，應(yīng)用到3D打印裝備時(shí)，沒有了傳統(tǒng)的口模，就需要設(shè)計(jì)一套噴嘴組件來實(shí)現(xiàn)功能。在利用熔融沉積技術(shù)的3D打印設(shè)備里，噴嘴也是很重要的一個(gè)部件，線材經(jīng)過熔融后，由噴嘴擠出成型，噴嘴的精度也決定了擠出線材的精度。1.5.1噴嘴設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)量不同，噴嘴同樣存在著多種結(jié)構(gòu)。例如把噴嘴分為：?jiǎn)螄娮臁㈦p噴嘴等等。一般來說，單噴嘴結(jié)構(gòu)可以滿足大部分要求。在有的時(shí)候，打印件的不同部分所要求的材料不同，即一個(gè)打印機(jī)需要由多種材料構(gòu)成。單噴嘴便難以滿足要求，則可以選擇多噴嘴機(jī)構(gòu)。噴嘴的結(jié)構(gòu)同樣可以按照打印機(jī)的原理來定義，例如：光固化3D打印噴嘴、FDM3D打印噴嘴、噴嘴噴頭等。由于不同類型的3D打印機(jī)工作原理不同，導(dǎo)致工作環(huán)境也不同，因此所需要的噴嘴也不相同。比如說，在熔融沉積的原理下，需要將線材加熱到一個(gè)相當(dāng)高的溫度，然后經(jīng)過高溫加熱的線材由噴嘴擠出，因此這種噴嘴需要耐高溫性。同樣的，其它原理的3D打印機(jī)的打印噴嘴同樣需要依據(jù)相對(duì)應(yīng)的要求來進(jìn)行設(shè)