一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置及制造方法

1.本发明属于颗粒材料直接挤出成型领域，具体为一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置及制造方法。


背景技术：

2.随着工业用的注塑制品和日用塑料制品的品种和需求量的不断上升，塑料产品的更新换代的周期也已经越来越短，同时在航空航天、生物医疗等尖端领域，塑料已经取代了部分金属成为关键零件的制造原材料，因此，对塑料产品的产量、质量要求也越来越高，塑料成型的工艺也在不断的成熟与完善。现有的塑料成型工艺主要包括塑料铸造(滴塑成型，凝塑成型，旋转成型)、吹塑、塑料挤出、塑料热成型(压缩成型、真空成型)、塑料注射成型以及塑料发泡等，其中绝大部分成型工艺均需要通过模具使熔融的塑料变成所需零件的形状，也就是热塑性材料的有模成型。
3.有模成型虽然具有成型周期短、生产效率高、易实现自动化且产品质量稳定等优点，但是生产不同零件时需要制造不同的模具，并且模具的质量对产品的质量有较大影响，因此不适用于单件小批量零件以及形状复杂或具有内流道和狭窄型腔的零件，不能较好地满足航空航天等领域对小批量复杂零件的需求。


技术实现要素：

4.基于现有的热塑性材料有模成型的缺点，本发明提供一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，有效解决了现有热塑性材料成型时需要特定模具的问题，缩短了零件的制造及迭代周期，降低了零件的研发成本。
5.本发明同时提供了一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型的制造方法，并通过增加铣削成型步骤保证了成型零件的表面精度和质量，使其能够满足尖端领域的需求。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，包括工作平台、摇篮式五轴转台、铣削模块以及无模成型模块；
8.所述工作平台从下到上分别为底座、x轴组件、y轴组件和z轴组件，其中x轴组件和底座之间、y轴组件和x轴组件之间分别通过五个直线轴承滑块相连，z轴组件通过l型支撑架与底座相连，用于实现铣削模块和无模成型模块在工作空间的三维移动；
9.所述铣削模块通过可拆卸机构与所述z轴组件相连，竖直设置于所述z轴组件的正端面，用于实现精加工成型；
10.所述无模成型模块通过竖直移动机构与可拆卸机构相连，竖直设置于可拆卸机构的侧面，用于实现颗粒热塑性材料的无模熔融沉积成型；
11.所述竖直移动机构能够相对于所述铣削模块在z轴方向移动，减少加工过程中的干涉；
12.所述摇篮式五轴转台与所述y轴组件相连，所述y轴组件带动所述摇篮式五轴转台
在xy轴平面进行移动；所述摇篮式五轴转台具有a、b两个自由度的旋转组件，组件之间通过回转支承轴承联接，分别通过步进电机控制回转的角度，用于实现颗粒热塑性材料的变姿态无模成型和铣削。
13.进一步地，所述无模成型模块包括壳体、料斗、减速挤出电机、变槽深挤出螺杆、挤出喷嘴和温度控制系统，其中料斗底部通过螺杆螺孔与壳体相连，进料口位于挤出螺杆上端面；减速挤出电机固定于所述壳体上端，通过联轴器与变槽深挤出螺杆相连，用于驱动所述变槽深挤出螺杆按给定速率转动，将颗粒热塑性材料熔融并挤出至挤出喷嘴形成挤出丝；所述温度控制系统包括加热块、温度传感器以及微型风扇，所述加热块和温度传感器固定于挤出喷嘴的上侧，用于监测并控制所述变槽深挤出螺杆的温度，所述微型风扇对称固定于所述挤出喷嘴的两侧，用于控制挤出丝的温度。
14.进一步地，所述铣削模块从上到下设置有铣削主轴、夹具以及铣刀；铣削主轴上端面设置有切削液的进出口，用于主轴冷却。
15.进一步地，所述可拆卸机构设置有铣削主轴抱座和抱座固定板，所述铣削主轴抱座与抱座固定板相连，用于固定所述铣削主轴，所述抱座固定板与所述工作平台的z轴组件相连。
16.进一步地，所述竖直移动机构包括夹具夹紧器、气缸固定板、双杆气缸和无模成型模块固定板；所述双杆气缸和夹具夹紧器分别固连在所述气缸固定板的两个侧面上；所述夹具夹紧器用于固连在所述可拆卸机构上；所述无模成型模块固定板设置于所述双杆气缸的下方，与所述双杆气缸的活塞杆前端的前板相连，所述无模成型模块固定板用于固定所述无模成型模块。
17.进一步地，所述颗粒热塑性材料包括直径在3mm及以下的热塑性颗粒。
18.进一步地，所述温度控制系统可达到的温度范围为室温至450℃。
19.一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型制造方法，该方法由基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置来实现；该方法包括以下步骤：
20.步骤一：创建所需零件的三维结构模型，根据模型对零件进行分割，得到无模成型和铣削成型的混合加工工序，以此为根据对零件切片并生成相应路径指令和其他控制指令，将指令文件输入到所述基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置中；
21.步骤二：将颗粒材料放置于无模成型模块的料斗中，根据颗粒材料的熔融温度设置所述温度控制系统的成型温度，对所述无模成型模块进行预热；
22.步骤三：所述竖直移动机构接收指令带动所述无模成型模块移动到所述铣削模块的下侧，无模成型模块的减速挤出电机按照给定速率转动，颗粒热塑性材料在高温高压的环境下熔融并挤出至无模成型模块的喷嘴，同时所述工作平台和所述摇篮式五轴转台带动无模成型模块和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的无模成型，直至无模成型阶段结束；
23.步骤四：所述竖直移动机构接收指令带动所述无模成型模块移动到所述铣削模块的上侧，所述铣削模块的主轴电机按照给定速率转动，同时所述工作平台和所述摇篮式五轴转台带动铣削模块和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的铣削成型，直至铣削成型阶段结束；
24.步骤五：反复执行步骤三、四，直至所需零件的各个子模块制造完成。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明以颗粒挤出和增材制造技术为基础，针对热塑性材料有模制造模型制造成本高、制造周期长以及难以制造复杂形状模型等问题，设计了一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，该装置采用了螺杆挤出的方式对颗粒热塑性材料进行加热加压挤出，实现了颗粒热塑性材料的分层打印，可以制造复杂形状的零件，解决了传统热塑性材料制造时需要特定形状模具的问题，有效缩短了了零件迭代的周期和成本。
27.本发明的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置具有铣削模块，可以对成型零件进行铣削修整，有效的提高了成型零件的表面质量和表面精度。
28.本发明通过竖直移动机构带动无模成型模块相对铣削模块在z轴方向上下移动，可有效缓解无模制造模块和铣刀在制造过程中的干涉问题，使得制造过程的安全性增加。
附图说明
29.图1是本发明实施例的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置的结构示意图。
30.图2是本发明实施例的无模成型模块的整体结构示意图和内部结构剖面图。
31.图3是本发明的竖直移动机构的结构示意图。
32.图4是本发明的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型制造方法的流程示意图。
33.图中，工作平台1、底座1-1、x轴组件1-2、y轴组件1-3、z轴组件1-4、摇篮式五轴转台2、铣削模块3、无模成型模块4、料斗4-1、壳体4-2、减速挤出电机4-3、微型风扇4-4、联轴器4-5、槽深挤出螺杆4-6、变储料仓4-7、加热块4-8、温度传感器4-9、挤出喷嘴4-10、可拆卸机构5、竖直移动机构6、夹具夹紧器6-1、气缸固定板6-2、双杆气缸6-3、无模成型模块固定板6-4。
具体实施方式
34.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.如图1所示，本发明实施例的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，包括工作平台1、摇篮式五轴转台2、铣削模块3以及无模成型模块4。
36.工作平台1设置有底座和xyz三个自由度的可移动组件，从下到上分别为底座1-1、x轴组件1-2、y轴组件1-3和z轴组件1-4，其中x轴组件1-2和底座1-1之间、y轴组件1-3和x轴组件1-2之间分别通过五个直线轴承滑块相连，z轴组件1-4通过l型支撑架与底座1-1相连，用于实现铣削模块3和无模成型模块4在工作空间的三维移动。
37.铣削模块3通过可拆卸机构5与z轴组件1-4相连，竖直设置于z轴组件的正端面，用于实现精加工成型。无模成型模块4通过竖直移动机构6与可拆卸机构5相连，竖直设置于可拆卸机构5的右端面，用于实现颗粒热塑性材料的无模熔融沉积成型；竖直移动机构6可以相对于铣削模块3在z轴方向移动，减少加工过程中的干涉问题。
38.可拆卸机构5设置有铣削主轴抱座和抱座固定板，铣削主轴抱座通过螺栓与抱座固定板相连，用于固定铣削主轴，抱座固定板通过螺栓与工作平台的z轴组件1-4相连。
39.摇篮式五轴转台2与y轴组件1-3相连，y轴组件1-3带动摇篮式五轴转台2在xy轴平面进行移动。摇篮式五轴转台2具有a轴2-1和b轴2-2两个自由度的旋转组件，组件之间通过
回转支承轴承联接，分别通过步进电机控制回转的角度，用于实现颗粒热塑性材料的变姿态的无模成型和铣削。
40.如图2所示，无模成型模块包括料斗4-1、壳体4-2、减速挤出电机4-3、变槽深挤出螺杆4-6、挤出喷嘴4-10和温度控制系统。其中料斗4-1底部通过螺杆螺孔与壳体4-2相连，进料口正对于储料仓4-7；减速挤出电机4-3固定于壳体4-2上端，通过联轴器4-5与变槽深挤出螺杆4-6相连，用于驱动挤出螺杆按给定速率转动，将颗粒热塑性材料熔融并挤出至挤出喷嘴形成挤出丝。温度控制系统包括加热块4-8、温度传感器4-9以及微型风扇4-4，加热块4-8和温度传感器4-9固定于挤出喷嘴4-10的上侧，用于监测并控制变槽深挤出螺杆4-6的温度，微型风扇4-4对称固定于挤出喷嘴4-10的两侧，用于控制挤出丝的温度。
41.如图3所示，竖直移动机构6包括夹具夹紧器6-1、气缸固定板6-2、双杆气缸6-3和无模成型模块固定板6-4，双杆气缸6-3与夹具夹紧器6-1分别固连在气缸固定板6-2的两个侧面上。夹具夹紧器6-1通过螺栓固连在可拆卸机构5的铣削主轴抱座上。双杆气缸6-3的活塞杆伸出端固连前板，无模成型模块固定板6-4设置于双杆气缸6-3的下侧，且通过螺栓螺母与双杆气缸6-3的前板相连，双杆气缸6-3用于控制无模成型模块4在z轴的上下移动。
42.如图4所示，一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型制造方法，包括以下步骤：
43.步骤一：创建所需零件的三维结构模型，根据模型对零件进行分割，得到无模成型和铣削成型的混合加工工序，以此为根据对零件切片并生成相应路径指令和其他控制指令，将指令文件输入到所述基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置中；
44.步骤二：将颗粒材料放置于无模成型模块4的料斗4-1中，根据颗粒材料的融化温度设置温度控制系统的成型温度，对无模成型模块4进行预热；
45.步骤三：竖直移动机构6接收指令带动无模成型模块4移动到铣削模块3的下侧，无模成型模块4的减速挤出电机4-3按照给定速率转动，颗粒热塑性材料在高温高压的环境下熔融并挤出至无模成型模块4的挤出喷嘴4-10，同时工作平台1和摇篮式五轴转台2带动无模成型模块4和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的无模成型，直至无模成型阶段结束；
46.步骤四：竖直移动机构6接收指令带动无模成型模块4移动到铣削模块3的上侧，主轴电机按照给定速率转动，同时工作平台1和摇篮式五轴转台2带动铣削模块3和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的铣削成型，直至铣削成型阶段结束；
47.步骤五：反复执行步骤三、四，直至所需零件的各个子模块制造完成，得到最终所需零件。
48.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对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例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，包括工作平台、摇篮式五轴转台、铣削模块以及无模成型模块；所述工作平台从下到上分别为底座、x轴组件、y轴组件和z轴组件，其中x轴组件和底座之间、y轴组件和x轴组件之间分别通过五个直线轴承滑块相连，z轴组件通过l型支撑架与底座相连，用于实现铣削模块和无模成型模块在工作空间的三维移动；所述铣削模块通过可拆卸机构与所述z轴组件相连，竖直设置于所述z轴组件的正端面，用于实现精加工成型；所述无模成型模块通过竖直移动机构与可拆卸机构相连，竖直设置于可拆卸机构的侧面，用于实现颗粒热塑性材料的无模熔融沉积成型；所述竖直移动机构能够相对于所述铣削模块在z轴方向移动，减少加工过程中的干涉；所述摇篮式五轴转台与所述y轴组件相连，所述y轴组件带动所述摇篮式五轴转台在xy轴平面进行移动；所述摇篮式五轴转台具有a、b两个自由度的旋转组件，组件之间通过回转支承轴承联接，分别通过步进电机控制回转的角度，用于实现颗粒热塑性材料的变姿态无模成型和铣削。2.根据权利要求1所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，所述无模成型模块包括壳体、料斗、减速挤出电机、变槽深挤出螺杆、挤出喷嘴和温度控制系统，其中料斗底部通过螺杆螺孔与壳体相连，进料口位于挤出螺杆上端面；减速挤出电机固定于所述壳体上端，通过联轴器与变槽深挤出螺杆相连，用于驱动所述变槽深挤出螺杆按给定速率转动，将颗粒热塑性材料熔融并挤出至挤出喷嘴形成挤出丝；所述温度控制系统包括加热块、温度传感器以及微型风扇，所述加热块和温度传感器固定于挤出喷嘴的上侧，用于监测并控制所述变槽深挤出螺杆的温度，所述微型风扇对称固定于所述挤出喷嘴的两侧，用于控制挤出丝的温度。3.根据权利要求1所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，所述铣削模块从上到下设置有铣削主轴、夹具以及铣刀；铣削主轴上端面设置有切削液的进出口，用于主轴冷却。4.根据权利要求1所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，所述可拆卸机构设置有铣削主轴抱座和抱座固定板，所述铣削主轴抱座与抱座固定板相连，用于固定所述铣削主轴，所述抱座固定板与所述工作平台的z轴组件相连。5.根据权利要求1所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，所述竖直移动机构包括夹具夹紧器、气缸固定板、双杆气缸和无模成型模块固定板；所述双杆气缸和夹具夹紧器分别固连在所述气缸固定板的两个侧面上；所述夹具夹紧器用于固连在所述可拆卸机构上；所述无模成型模块固定板设置于所述双杆气缸的下方，与所述双杆气缸的活塞杆前端的前板相连，所述无模成型模块固定板用于固定所述无模成型模块。6.根据权利要求1所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于，所述颗粒热塑性材料包括直径在3mm及以下的热塑性颗粒。7.根据权利要求2所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置，其特征在于：所述温度控制系统可达到的温度范围为室温至450℃。8.一种基于颗粒热塑性材料的无模精准成型制造方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～7中的任意一项所述的基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置来实现；该方法包
括以下步骤：步骤一：创建所需零件的三维结构模型，根据模型对零件进行分割，得到无模成型和铣削成型的混合加工工序，以此为根据对零件切片并生成相应路径指令和其他控制指令，将指令文件输入到所述基于颗粒热塑性材料的无模精准成型装置中；步骤二：将颗粒材料放置于无模成型模块的料斗中，根据颗粒材料的熔融温度设置所述温度控制系统的成型温度，对所述无模成型模块进行预热；步骤三：所述竖直移动机构接收指令带动所述无模成型模块移动到所述铣削模块的下侧，无模成型模块的减速挤出电机按照给定速率转动，颗粒热塑性材料在高温高压的环境下熔融并挤出至无模成型模块的喷嘴，同时所述工作平台和所述摇篮式五轴转台带动无模成型模块和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的无模成型，直至无模成型阶段结束；步骤四：所述竖直移动机构接收指令带动所述无模成型模块移动到所述铣削模块的上侧，所述铣削模块的主轴电机按照给定速率转动，同时所述工作平台和所述摇篮式五轴转台带动铣削模块和工件在工作空间内进行移动和旋转，实现变姿态的铣削成型，直至铣削成型阶段结束；步骤五：反复执行步骤三、四，直至所需零件的各个子模块制造完成。

技术总结
本发明公开一种颗粒热塑性材料无模精准成型装置及制造方法，该成型装置包括工作平台、摇篮式五轴转台、铣削模块以及无模成型模块；工作平台通过可拆卸结构与铣削模块相连，无模成型模块通过竖直移动机构与可拆卸结构相连，位于铣削模块的右端面，颗粒热塑性材料通过无模成型模块熔融挤出成长丝，在工作平台的带动下进行分层堆叠成型，再通过铣削模块进行铣削修整，实现精准成型；摇篮式五轴转台通过夹具与工作平台固连，实现变姿态的无模成型和铣削。本发明使用颗粒热塑性材料进行熔融沉积成型，改变了颗粒热塑性材料通过模具注塑成型的传统制造方式，并且通过铣削修整提高了零件的成型精度和表面质量，可以实现复杂零件的精准成型。精准成型。精准成型。


技术研发人员：俞晓泠 孙扬帆 沈洪垚 杨华勇 谢海波 王柏村 张威 丁红钦
受保护的技术使用者：浙江大学高端装备研究院
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/16