一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置论文和设计-段国林

全文摘要

本实用新型为一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置。该装置的组成包括基座、步进电动缸、压力传感器和注射器；其中，所述的基座的正面上方固定有步进电动缸，步进电动缸推杆的底部中心，通过卡扣固定有压力传感器；基座的下部，通过螺钉固定有圆形的卡套；注射器通过圆形卡套进行固定；步进电动缸推杆、纽扣型压力传感器和注射器由上到下，并且三者共轴。本实用新型可根据挤出速度\/扫描速度匹配机制控制模块将挤出速度与打印过程中成型平台的扫描速度进行在线匹配，同时利用储料装置内部压力稳定控制模块保证挤出打印过程中出丝速率稳定，从而提高打印成型精度。

主设计要求

1.一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置，其特征为该装置的组成包括基座、步进电动缸、压力传感器和注射器；其中，所述的基座的正面上方固定有步进电动缸，步进电动缸推杆的底部中心，通过卡扣固定有压力传感器；基座的下部，通过螺钉固定有圆形的卡套；注射器通过圆形卡套进行固定；步进电动缸推杆、纽扣型压力传感器和注射器由上到下，并且三者共轴。

设计方案

1.一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置，其特征为该装置的组成包括基座、步进电动缸、压力传感器和注射器；

其中，所述的基座的正面上方固定有步进电动缸，步进电动缸推杆的底部中心，通过卡扣固定有压力传感器；基座的下部，通过螺钉固定有圆形的卡套；注射器通过圆形卡套进行固定；步进电动缸推杆、纽扣型压力传感器和注射器由上到下，并且三者共轴。

2.一种增材制造装置，其特征为该增材制造装置的组成包括如权利要求1所述的基于微流挤出工艺的浆料挤出装置、支撑立柱、Z轴滑块、Z轴导轨、成型平台、X轴滑块、X轴导轨、Y轴双滑块、Y轴双导轨和底座；

所述的底座的后侧中部固定有支撑立柱，支撑立柱的上部固定有Z轴导轨；所述的Z轴导轨上设置Z轴滑块，Z轴滑块上固定有浆料挤出装置；2个Y轴导轨平行，垂直于底座的底边；每个Y轴导轨上设置有1个Y轴滑块；所述的X轴导轨两端的下部分别和1个Y轴滑块相连；所述的X轴导轨上设置X轴滑块；X轴滑块上设置有成型平台；所述的X轴导轨、和Y轴双导轨和Z轴导轨均设置有一个驱动电机；所述的浆料挤出装置中的基座固定在Z轴滑块上。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于增材制造快速成型制造技术领域，尤其涉及了一种基于微流挤出工艺的增材制造浆料挤出装置控制系统。

背景技术

在增材制造快速成型技术领域，打印材料限制了新型打印技术的发展。常见的3D打印制造技术有熔融沉积、光固化等，若要制造涉及陶瓷义齿、陶瓷零件等小型陶瓷产品，可制备氧化锆陶瓷浆料，对氧化锆陶瓷浆料进行逐层堆积，形成最后所需要的3D打印制件。这种将浆料通过微小流道挤出并逐层堆积成型的工艺称之为微流挤出工艺。基于微流挤出工艺的增材制造技术适用于膏体浆料的打印，其成型原理类似于FDM工艺，都是将材料通过微小的流道挤出，在X、Y平面上进行堆积、逐层累积，最终形成目标制件。现阶段的挤出成型控制系统中，控制模块大致由机械运动驱动模块、压力控制模快、通信模块、显示器驱动模块、基于Marlin固件的数据处理模块等组成，系统运行过程中，机械运动驱动模块控制机构运动、压力控制模块控制挤出装置内部压力，各个控制模块相对独立，并没有进行协作控制。在基于微流挤出工艺的增材制造成型过程中，打印浆料的挤出速度往往会产生波动，造成挤出速度不稳定的现象；同时浆料往往无法连续地、无差地贴合在成型平台上。若扫描速度远远大于浆料的挤出速度，挤出装置所挤出的浆料不能及时填充到相应的打印路径上，造成拉丝现象；若扫描速度远远小于浆料的挤出速度，挤出装置所挤出的浆料势必会在X、Y平面方向上造成浆料的堆积，影响成型制件的打印精度。

综上所述，现有技术中存在的问题是：浆料挤出装置无法具有稳定的挤出速度，打印装置的扫描速度与挤出装置的挤出速度不能及时匹配，在进行挤出速度\/扫描速度匹配过程中无法避免浆料挤出速度变化的波动，所以在基于微流挤出工艺的增材制造设备中急需一种浆料挤出装置控制系统，此系统要能够保证挤出装置的挤出速度稳定，依据打印机的扫描速度自动更新浆料的挤出速度，并且通过多种控制模块协同调整，最终达到在进行速度匹配更新过程中挤出装置连续稳定地挤出浆料，避免浆料挤出速度产生较大波动的理想目标。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种基于微流挤出工艺的增材制造浆料挤出装置控制系统。浆料挤出系统主要由储料装置内部压力稳定控制模块、挤出速度\/扫描速度匹配决策控制模块、浆料挤出初始速度设定模块和中断优先级设定机制组成，其中储料装置内部压力稳定模块和挤出速度\/扫描速度匹配决策控制模块是该控制系统的核心模块。该系统在传统基于微流挤出工艺增材制造设备控制系统模块组成的基础上引进了一种浆料挤出速度\/打印机扫描速度匹配决策控制模块，该模块的增加，弥补了当前挤出控制系统无法实时匹配浆料挤出速度与扫描速度的问题，减小了打印成型过程中发生材料堆积或拉丝所造成成型制件精度降低的影响。系统中对挤出机压力控制模块进行了优化，令挤出装置压力控制模块与挤出速度\/扫描速度匹配决策控制模块实现互补调节，在速度匹配模块中更新挤出装置的挤出速度后通过压力控制模块快速调节挤出装置内部压力至稳定状态。

本实用新型的技术方案为：

一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置，该装置的组成包括基座、步进电动缸、压力传感器和注射器；

一种带有所述的基于微流挤出工艺的浆料挤出装置的增材制造装置，该增材制造装置的组成包括浆料挤出装置、支撑立柱、Z轴滑块、Z轴导轨、成型平台、X轴滑块、X轴导轨、Y轴双滑块、Y轴双导轨和底座；

本实用新型的有益效果为：

本实用新型在所述的基于微流挤出工艺的增材制造浆料挤出装置控制系统中，系统可根据挤出速度\/扫描速度匹配控制模块中阐述的算法将浆料的挤出速度与打印过程中成型平台的扫描速度(在X、Y方向上的移动速度)进行在线匹配。匹配过程中速度匹配决策控制模块判断打印进程中扫描速度是否发生改变，若发生改变则发出中断请求，而速度匹配模块断优先级较高，优先进行挤出速度\/扫描速度的匹配，匹配要求是改变挤出装置的步进电动缸转速至目标值，操作完成后中断信号消失，储料装置内部压力控制模块感知料筒的内部压力发生变化，通过储料装置内部压力控制模块的模糊PID参数自整定控制器在小范围内调节步进电动缸转速，使料筒压力稳定在新的阈值内，这样浆料的挤出速度就会重新稳定在目标值的一个理想阈值内。浆料挤出控制系统中储料装置内部压力稳定控制模块的作用不仅仅体现在保证挤出装置内部压力稳定，使浆料的挤出速度稳定在合理的阈值内，还体现在进行速度匹配更新时能及时调节挤出装置内部压力，使其稳定在一个新的阈值内，从而使浆料的挤出速度不会产生较大波动。在现有的挤出控制系统中只能设定单一的挤出速度与扫描速度的映射关系，而在实际打印过程中打印机的扫描速度并不是始终不变的，(如打印外围轮廓和填充内部实体时扫描速度发生改变)，倘若进行实体模型打印时，外围轮廓的扫描速度是2mm\/s，内部填充的扫描速度是4mm\/s，完成外围轮廓的打印后浆料的挤出速度无法匹配到内部填充扫描速度所对应的目标值，就会出现则会出现材料堆积、拉丝、挤出丝直径变化较大等工艺缺陷，导致打印成型制件精度降低。在本实用新型中，浆料挤出控制系统根据不同的扫描速度会映射出不同的浆料挤出速度，而后求出相应的步进电动缸推杆进给速率控制浆料的挤出，同时由于储料装置内部压力稳定控制模块的存在，可以实时保证浆料挤出速度稳定在不同扫描速度所映射到的特定阈值内，这一特点改善了材料挤出成型过程中浆料挤出速度小于扫描速度时产生的“拉丝”现象、浆料挤出速度大于扫描速度时的产生的材料堆积等问题。此外系统中的中断优先级设定机制确保系统中各个模块的协作运行，将储料装置内部压力稳定控制模块和挤出速度\/扫描速度匹配机制控制模块的功用协作发挥，使得相互独立的两个模块形成内部联系，相辅相成，相互影响调节，发挥微流挤出工艺的最大优势。

附图说明

图1是浆料挤出装置的结构示意图。

图2是基于微流挤出工艺的增材制造装置的整体结构图。

图3是基于微流挤出工艺的增材制造装置的硬件结构框架图。

图4是基于微流挤出工艺的增材制造装置的控制流程图。

图5是储料装置内部压力稳定控制模块控制流程图。

图6是挤出速度\/扫描速度匹配决策控制模块控制流程图。

图7是本实用新型中模糊PID参数自整定控制原理框图。

图8是浆料挤出装置的受力简图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

本装置主要用于实现微流挤出成形陶瓷制件的制造，具体为一种基于微流挤出工艺的增材制造装置及其浆料挤出装置。

所述的的基于微流挤出工艺的增材制造装置如图2所示，其组成包括浆料挤出装置21、支撑立柱22、Z轴滑块23、Z轴导轨24、成型平台25、X轴滑块26、X轴导轨27、Y轴双滑块28、Y轴双导轨29和底座2a；

所述的底座2a的后侧中部固定有支撑立柱22，支撑立柱22的上部固定有Z轴导轨24；所述的Z轴导轨24上设置Z轴滑块23，Z轴滑块23上固定有浆料挤出装置21；2个Y轴导轨29平行，垂直于底座2a的底边；每个Y轴导轨29上设置有1个Y轴滑块28；所述的X轴导轨27两端的下部分别和1个Y轴滑块28相连；所述的X轴导轨27上设置X轴滑块26；X轴滑块26上设置有成型平台25；所述的X轴导轨27、Y轴双导轨29和Z轴导轨24均设置有一个驱动电机(即X方向步进电机、Y方向步进电机和Z方向步进电机)；

所述的X轴滑块26、Y轴双滑块28、Z轴滑块23、X轴导轨27、Y轴双导轨29、Z轴导轨24均为公知器件，各轴导轨均由基座、光轴、丝杆组成，导轨基座两端均设置法兰，通过一侧的法兰连接步进电动机；步进电动机通过联轴器与通过轴承固定在两端法兰间的丝杆连接完成机械传动；各轴导轨均设置两个光轴用于连接各轴滑块，各轴滑块通过丝杆和光轴进行传动，滑块上部设置有螺纹孔用于连接固定导轨基座或成型平台。

其中所述的浆料挤出装置如图1所示的，其组成包括基座12、步进电动缸11、压力传感器13和注射器14；

其中，基座12的形状整体呈柱状立方体，基座12的正面上方固定有步进电动缸11，步进电动缸11推杆的底部中心，通过卡扣固定有压力传感器13；基座12的下部，通过螺钉固定有圆形的卡套；注射器14通过圆形卡套进行固定；步进电动缸推杆、纽扣型压力传感器和注射器由上到下，并且三者共轴。

上述的浆料挤出装置21中的基座12固定在3D打印机的Z轴滑块23上；Z轴滑块23带动浆料挤出装置21,实现浆料挤出装置空间Z方向上的直线运动；Z轴导轨24由导轨基座、光轴、丝杆组成，基座下端通过法兰固定驱动步进电机并通过联轴器与丝杆连接完成机械传动；支撑立柱22下方与底座2a连接固定，Z轴导轨固定在支撑立柱的正面；底座2a上方固定有两个平行的Y轴导轨29并设置滑块，完成成型平台空间Y方向上的直线运动；X轴导轨27固定在Y轴的两个滑块上并设置滑块，完成成型平台空间X方向上的直线运动；成型平台25固定在X轴滑块上可随着Y轴滑块的运动同步运动，最终实现成型平台在空间X、Y平面内的联动。步进电动缸11安装在浆料挤出装置夹具顶部，通过夹具将其固定；压力传感器13与其夹具拼接在一起，然后固定在浆料挤出装置步进电动缸11推杆底部；注射器14通过浆料挤出装置夹具底部上的圆孔固定在夹具上。浆料挤出装置运行后，步进电动缸推杆带着压力传感器向下运动，待压力传感器与注射器柱塞推杆接触后，压力传感器负责采集并返回压力数据，注射器柱塞推杆推动内部浆料将其从挤出头挤出，同时成型平台在X、Y平面内运动完成一层的堆积；一层堆积完毕后，浆料挤出装置在Z方向上提成一个层厚单位，进行下一层的堆积，由此各个结构通过控制系统进行配合，完成微流挤出成型制件的打印制造。

如图3所示，本实用新型设计的完整的基于微流挤出工艺的3D打印成型控制系统主要由基于Marlin固件的3D打印控制主板和完成3D打印一系列动作的相关硬件所组成。

其中所述的3D打印控制主板是市面上较为常见的开源MKS MELZI主板。控制主板镶嵌有X、Y、Z步进电机驱动模块31、32、33(推荐使用A4988步进电机驱动)，显示屏驱动、触摸驱动模块36(采用ILI9341液晶显示屏驱动和XTP2046触摸驱动)，串口通信模块37，电源模块38；为配合实现陶瓷材料的增材制造，控制主板扩展的浆料挤出装置组成模块，主要包括步进电动缸驱动模块(同样推荐使用A4988步进电动机驱动)34，压力检测模块(ADC数据采集模块)35。控制主板通过一定的电路连接为上述各个镶嵌在主板上的模块引出相关引脚，完成3D打印动作的相关硬件通过引出的引脚与整个系统进行连接，其中X、Y、Z方向步进电动机39、3a、3b通过脉冲输出引脚与X、Y、Z步进电动机驱动31、32、33相连，完成X、Y、Z三个方向上的运动，实现3D打印机的空间运动；挤出装置步进电动缸3c通过脉冲输出引脚与步进电动缸驱动34相连，完成对浆料的挤出动作；压力传感器3d通过脉冲输入引脚与压力检测模块35相连，完成压力信号的采集；液晶触摸显示屏3e通过数据连接线与液晶显示、触摸驱动模块36相连，完成显示功能；上位机(PC)3f通过通信引脚与串口通信模块37相连，完成完成打印进程中各种数据的传输，包括压力信息的传输、步进电动缸调节信号的传输、打印路径信息的传输等。

如图4所示，本实用新型所述的浆料挤出控制系统，作为3D打印控制系统的一个子系统，系统主要由4个部分构成，包括中断优先级设定机制41、浆料挤出初始速度设定模块42、速度匹配决策控制模块43、储料装置内部压力稳定控制模块44。

上述的基于微流挤出工艺的浆料挤出装置的控制系统嵌套在3D打印整体控制系统内，3D打印整体控制系统运行后，浆料挤出装置控制系统随即运行，其内部控制模块在运行时会发出对应的中断请求，浆料挤出装置控制系统接收到中断请求信号后，根据已设定的中断优先级，确定各个控制模块的运行先后顺序，最终确保浆料挤出装置控制系统中各个模块先后稳定运行，具体步骤为：

步骤1：设定各个模块的中断优先级,完成中断优先级初始化，启动浆料挤出装置，系统随即运行；

其中，设定中断优先等级从高到低为：速度匹配决策控制模块、储料装置内部压力稳定控制模块；

步骤2：设定挤出进给初始速度v(r\/s)，驱动步进电动缸达到初始速度v；

其中，浆料的初始挤出丝挤出速度要求对应有不同的步进电动缸初始转速，目标浆料挤出速度为v_{0<\/sub>，v_{0<\/sub>根据用户对打印效率的要求自行给出，则根据公式，}}

其中，A_{0<\/sub>为挤出头截面积(单位mm^2<\/sup>)；}

A_{P<\/sub>为料筒截面积(单位mm^2<\/sup>)；}

P_{h<\/sub>为步进电动缸导程(单位mm\/r)；}

得到步进电动缸的初始转速v，操作时，将所要求的目标浆料挤出速度v_{0<\/sub>配置到PC，PC根据公式(1)自动生成步进电动缸初始转速v(r\/s)，通过步进电机驱动器驱动步进电动缸电缸转速达到v，此时步进电动缸推杆推动注射器柱塞推杆将储料装置内的陶瓷浆料挤出；}

步骤3：以步骤2中所设定的挤出进给初始速度推动储料装置推杆，压力传感器与注射器柱塞推杆接触，近似将压力传感器所受压力等效于储料装置内部压力；系统实时采集储料装置内部压力信息并进行反馈，记录前20个采样周期压力偏差，进行编号为e_{0<\/sub>、e_{1<\/sub>、e_{2<\/sub>...e_{18<\/sub>、e_{19<\/sub>；采样周期T根据所需求的响应频率确定，推荐采样周期：设计图}}}}}

一种基于微流挤出工艺的浆料挤出装置论文和设计

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