CN103522547B - 数控机床动力驱动的3d打印头组件及三维支架制备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床动力驱动的3D打印头组件，包括打印头本体机架、活塞式注射器和丝杠传动机构，丝杠传动机构的螺母与压板固定连接，能使压板向注射器活塞芯杆的外端面施加压力，将注射器活塞筒体中的溶液从注射器针头中挤出。本发明还公开了一种三维支架制备的方法，数控机床主轴与3D打印头组件连接在一起，利用数控机床动力驱动3D打印头组件的供料动作形成一体化系统，在数控系统程序控制下，通过3D打印方式加工出三维支架制品。本发明采用数控机床动力驱动的3D打印头组件，结合原有的数控机床，实现了一体化，能够制备复杂三维支架，操作简单，灵活性好，工艺可控性好，有效提高了制备支架的精度和速度。

Description

数控机床动力驱动的3D打印头组件及三维支架制备的方法

技术领域

本发明涉及一种机械加工设备及加工工艺，特别是涉及一种3D打印机的供料系统组件及快速成形方法，应用于机械制造和生物制造技术领域。

背景技术

数控机床加工精度高，自动化程度高，具有稳定的加工质量，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间。数控的主轴转速根据被加工材料、刀具材质、刀具直径、加工性质等因素合理选择。数控铣床主轴转速的动力比电机动力更大，更加可控。数控机床为切削加工方式，对于昂贵材料的加工是一种浪费，并且不能重复利用材料，也不能进行复合式、复杂内部结构的加工。

3DP技术称为增量制造技术，即快速成形技术，诞生于20 世纪80 年代后期，区别于利用车、铣、钻、磨等传统加工方法的制造技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20 年来制造领域的一个重大成果。从削减式转变为叠加式制造，这一变化本质上是制造业数字化带来的。这种制造模式的变革是“第三次工业革命”五大特征之一。具有不受零件复杂程度限制，完全数字化控制等特点。制造出的零部件接近成品，只需要很少后期加工或者几乎不需要后期加工。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用，如在髋关节或牙齿，或一些飞机零部件方面，已经有使用这种技术打印而成的零部件，并且增量制造技术在铸造、模具快速制造、微纳结构快速制造以及生物制造等行业有着切实的应用前景。

3DP技术的特点：

1.制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用。

2.原型的复制性、互换性高。

3.制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越。

4.加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上。

5.高度技术集成，可实现了设计制造一体化。

这种制造技术将会给“第三次工业革命”带来新的契机。这种新技术也改变了传统制造技术路线。但是针对工具头利用3DP具体的技术即挤出成形技术有着显著的缺点。即材料和复杂的结构受到限制，工艺控制性差，成形精度不高，机床定位精度不高，难于一体化成形支架等问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种数控机床动力驱动的3D打印头组件，在原有的数控机床的切削功能的基础上，还可以通过安装本发明数控机床动力驱动的3D打印头组件，增加实现增材制造的功能，特别是针对复杂结构和复杂材料更加有利，扩大了数控机床的应用领域，不需要额外增加更多设备改造成本，就能拓展数控机床的应用领域。采用本发明数控机床动力驱动的3D打印头组件，结合原有的数控机床，实现不同制造工艺装备组件的一体化，能够制备复杂的三维支架，操作简单，灵活性好，工艺可控性好，智能化程度高，有效提高了制备支架的精度和速度，节省制造三维支架成形时间。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种数控机床动力驱动的3D打印头组件，包括打印头本体机架、供料组件和传动组件，供料组件为活塞式注射器，由注射器活塞芯杆、注射器活塞筒体和注射器针头构成，注射器活塞筒体可装卸地固定安装在打印头本体机架上，将3D打印材料溶液装入注射器活塞筒体中，传动组件为丝杠传动机构，丝杠传动机构的螺杆与打印头本体机架转动连接，并约束螺杆的轴向移动，使螺杆的轴向与注射器活塞芯杆的轴向平行设置，丝杠传动机构的螺母与压板固定连接，当压板随着螺母沿着丝杠传动机构的螺杆的一侧轴向移动时，能使压板的一面向注射器活塞芯杆的外端面施加压力，进而推动注射器活塞芯杆在注射器活塞筒体中滑动，将注射器活塞筒体中的3D打印材料溶液从注射器针头中挤出，数控锥柄连接部件的动力输出端与丝杠传动机构的螺杆的被传动端固定连接，数控锥柄连接部件的被传动端与数控机床主轴的动力输出部件同轴紧固连接，当开启数控机床时，数控锥柄连接部件的被传动端被吸进并卡住数控机床主轴的动力输出端面上的嵌合孔内，使数控机床主轴牵引丝杠传动机构的螺杆进行同轴转动，通过控制数控机床主轴的转速来控制丝杠传动机构的螺母的移动速度，进而控制注射器活塞芯杆对注射器活塞筒体中的液体的推送速度，从而控制从注射器针头的输出液流的速度，靠近数控机床主轴的打印头本体机架一侧设有辅助稳定机构，辅助稳定机构为磁力固定装置，磁力固定装置包括磁性座和磁性座移动机构，磁性座移动机构为滑动平移机构，由相互适配的滑板和滑道构成，滑道设置在打印头本体机架上，滑道开口位于打印头本体机架边缘处，滑板在滑道内沿着平行于丝杠传动机构的螺杆轴向滑动，滑板的内端部分始终在滑道内，磁性座固定连接在滑板的外端，当移动滑板使磁性座靠近数控机床主轴的静止连接件时，通过磁力使磁性座与数控机床主轴的静止连接件相互结合连接，此时通过运行数控系统程序，由数控机床主轴的静止连接件驱动活塞式注射器进行移动，使注射器针头按照数控系统程序走出设定路径，并对注射器针头对应的目标位置进行定位。

上述打印头本体机架优选由主固定底板和辅助固定底板互相垂直设置并固定连接构成，注射器活塞筒体和丝杠传动机构同时定位设置在主固定底板上，注射器活塞筒体通过筒体固定件与主固定底板固定连接，丝杠传动机构的螺杆通过连接部件与主固定底板转动连接，丝杠传动机构的螺杆同时还通过连接部件与辅助固定底板转动连接。

在上述主固定底板上和辅助固定底板上分别设有滑板，不同的滑板的外端部对应固定连接的不同的磁性座同时与数控机床主轴的静止连接件通过磁力结合固定在一起。

上述丝杠传动机构的螺母最大行程最好由注射器活塞筒体内部满载液体时的液柱最大长度决定。

上述磁性座上最好还设有手动开关，通过使用者控制手动开关使磁性座产生磁性或卸除磁性。

一种利用本发明数控机床动力驱动的3D打印头组件进行三维支架制备的方法，包括如下步骤：

a．将混合的3D打印材料溶液装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将活塞式注射器安装在打印头本体机架上；

b．使数控机床主轴与3D打印头组件连接在一起，利用数控机床动力驱动3D打印头组件的供料动作，形成一体化系统，通过数控机床主轴的转速直接牵引控制丝杠传动机构的螺杆转动速度，进而控制丝杠传动机构的螺母的移动速度，通过螺母推动活塞式注射器的注射器活塞芯杆，将注射器活塞筒体中液体挤出，通过控制对注射器活塞筒体中的液体的推送速度，从而控制从活塞式注射器的注射器针头的输出液流的速度；

c．根据预设的支架结构与成形路径，在数控系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出三维支架制品。

上述数控机床主轴的转速最好采用35～45000r/min的低速。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1．本发明在快速成形制备三维支架的基础上，提出了以三维支架的制造为目标，利用现有数控机床动力与3D打印头的供料部件相结合，通过不同加工设备组件的优化组合，制备复杂的三维支架，本发明装备操作简单，编程容易，修改制造方案容易，工艺可控性好，更好的实现自动化，有效提高了制备支架的精度、速度和时间，易于实现一体化成形支架。

2. 本发明无需对现有的额外增加更多设备改造成本，就能拓展传统数控机床的应用领域，通过将数控主轴上加装不同的制作工具头，即可实现在传统机械加工制造和新型快速成形制造之间的功能转换，操作简单，灵活性好，可以根据使用者的选择进行工作变换，提高了加工中心的制造能力。

3. 利用本发明3D打印头组件可保证三维支架的成形质量，有效地解决了工艺控制性问题，显著提高成形精度。

附图说明

图1是本发明实施例一数控机床动力驱动的3D打印头组件的结构示意图。

图2是图1中的A向视图。

图3是图2中的B向视图。

图4是本发明实施例一的活塞式注射器及其安装结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～图4，一种数控机床动力驱动的3D打印头组件，包括打印头本体机架、供料组件和传动组件，打印头本体机架是由主固定底板9和辅助固定底板8互相垂直设置并固定连接构成，供料组件和传动组件同时定位设置在主固定底板9上，供料组件为活塞式注射器，由注射器活塞芯杆3、注射器活塞筒体4和注射器针头5构成，注射器活塞筒体4通过筒体固定件6与主固定底板9固定连接，使注射器活塞筒体4可装卸地固定安装在打印头本体机架上，将3D打印材料溶液装入注射器活塞筒体4中，传动组件为丝杠传动机构10，丝杠传动机构10的螺杆通过连接部件7与主固定底板9转动连接，丝杠传动机构10的螺杆同时还通过连接部件7与辅助固定底板8转动连接，并约束螺杆的轴向移动，使螺杆的轴向与注射器活塞芯杆3的轴向平行设置，丝杠传动机构10的螺母与压板2固定连接，当压板2随着螺母沿着丝杠传动机构10的螺杆的一侧轴向移动时，能使压板2的一面向注射器活塞芯杆3的外端面施加压力，进而推动注射器活塞芯杆3在注射器活塞筒体4中滑动，将注射器活塞筒体4中的3D打印材料溶液从注射器针头5中挤出，数控锥柄连接部件1的动力输出端与丝杠传动机构10的螺杆的被传动端固定连接，数控锥柄连接部件1的被传动端与数控机床主轴12的动力输出部件同轴紧固连接，当开启数控机床时，数控锥柄连接部件1的被传动端被吸进并卡住数控机床主轴12的动力输出端面上的嵌合孔内，使数控机床主轴12牵引丝杠传动机构10的螺杆进行同轴转动，通过控制数控机床主轴12的转速来控制丝杠传动机构10的螺母的移动速度，进而控制注射器活塞芯杆3对注射器活塞筒体4中的液体的推送速度，从而控制从注射器针头5的输出液流的速度，靠近数控机床主轴12的打印头本体机架一侧设有辅助稳定机构，辅助稳定机构为磁力固定装置，磁力固定装置包括磁性座11和磁性座移动机构，磁性座移动机构为滑动平移机构，由相互适配的滑板13和滑道构成，滑道设置在打印头本体机架上，滑道开口位于打印头本体机架边缘处，滑板13在滑道内沿着平行于丝杠传动机构10的螺杆轴向滑动，滑板13的内端部分始终在滑道内，磁性座11固定连接在滑板13的外端，当移动滑板13使磁性座11靠近数控机床主轴12的静止连接件时，通过磁力使磁性座11与数控机床主轴12的静止连接件相互结合连接，在主固定底板9上和辅助固定底板8上分别设有滑板13，不同的滑板13的外端部对应固定连接的磁性座11同时与数控机床主轴12的静止连接件通过磁力结合固定在一起，磁性座11上设有手动开关14，通过使用者控制手动开关14使磁性座11产生磁性或卸除磁性，通过控制手动开关14使磁性座11产生磁性并使将快速成形的3D打印头组件与数控机床动力直接连接形成一体化后，通过运行数控系统程序，由数控机床主轴12的静止连接件驱动活塞式注射器进行移动，使注射器针头5按照数控系统程序走出设定路径，并对注射器针头5对应的目标位置进行定位。本实施例运用快速成形技术，将快速成形设备的供料部件与数控机床动力直接连接形成一体化，直接利用数控机床动力控制3D打印工具头，特别适合于立式数控铣床或加工中心安装3D打印工具头，然后通过数控系统程序来制备出复杂的三维支架，这样操作简单、精度提高、可控更好、更好的实现自动化。

在本实施例中，参见图1和图4，注射器活塞筒体4能安装筒体固定件6的卡口中，筒体固定件6的卡口直径略大于注射器活塞筒体4外径，筒体固定件6长为50mm，宽为44mm，厚度为6mm，两个筒体固定件6之间的距离为51mm，筒体固定件6的侧面与主固定底板9连接。

在本实施例中，参见图1～图3，连接丝杠传动机构10的辅助固定底板8长为193mm，宽度为50mm，厚度为10mm。辅助固定底板8上面有带有滑块13的磁性座11，当滑块13向上移动，磁性座11移到数控机床主轴12的静止连接件的底面，将磁性座11和数控机床主轴12的静止连接件两者之间吸起结合固定，起到稳定加固作用。

在本实施例中，参见图1～图3，连接注射器活塞筒体4和丝杠传动机构10的主固定底板9的下部长为132mm，宽为63mm，上部长为63mm，宽为100mm，厚度均为10mm。主固定底板9上面也有带有滑块13的磁性座11，当滑块13向上移动，磁性座11移到数控机床主轴12的静止连接件的底面，将磁性座11和数控机床主轴12的静止连接件两者之间吸起结合固定，也起到稳定加固作用。

在本实施例中，参见图1～图4，利用本实施例数控机床动力驱动的3D打印头组件，将快速成形设备的供料部件与数控机床动力直接连接形成一体化，直接利用数控机床动力控制3D打印工具头，然后通过数控G代码程序来制备出复杂的三维支架，其三维支架制备的方法，包括如下步骤：

步骤一：将数控锥柄连接部件1圆柱底面加工与传动组件的丝杠传动机构10的螺杆一端连接固定起来，并且能够取下注射器；

步骤二：开启数控机床，使数控锥柄连接部件1吸进及卡住数控机床主轴12的动力输出部件上；

步骤三：主固定底板9和辅助固定底板8上的两个滑板13分别将磁性座11移动到数控机床主轴12的静止连接件的底面，打开磁性座11上的手动开关14后，磁性将数控机床主轴12的静止连接件与磁性座11连接固定起来，实现打印头本体机架和数控机床主轴12的静止连接件的固定连接，起到加固稳定作用；

步骤四：驱动丝杠传动机构10带动压板2升到最高处，然后向注射器活塞筒体4内加入溶液，安装放到筒体固定件6中，使注射器活塞芯杆3的顶面在压板2之下；

步骤五：手动控制数控机床主轴12下移，将压板2下移到注射器的活塞芯杆3的顶面，调低主轴速度，将注射器活塞筒体4内的溶液从注射器针头5中流出，通过人为观察，速度是否合适，如果适合，就按照这个速度来制备支架；反之，则调整；

步骤六：将注射器针头5下移到接收板的一定距离，根据注射器针头5来决定它的距离；

步骤七：将编好的G代码输入到数控系统当中，运行程序，驱动本实施例3D打印头组件按照程序走出路径，第一层走完后，数控机床主轴12上升走第二层，数控机床主轴12每层上升距离为1mm，直到走到所需要的支架，从而制备出了复杂的三维支架。

利用本实施例数控机床动力驱动的3D打印头组件能够快速制备复杂的三维支架，更好的控制装备，有效提高了制备支架的精度、速度和时间。该装备具有精度高、操作简单、周期短、可重复性高的优点。本实施例数控机床动力驱动的3D打印头组件通过标准化的数控锥柄连接部件1连接数控机床主轴12的动力输出端，通过磁力使磁性座11与数控机床主轴12的静止连接件相互结合连接，以数控锥柄连接部件1和磁力固定装置作为数控机床主轴12和本实施例数控机床动力驱动的3D打印头组件的中间部件。通过主轴动力驱动丝杠传动机构10运动带动压板2，将注射器活塞筒体4中的溶液从注射器针头5挤压出来。接主轴动力输出端的丝杠传动机构10的螺杆的转速直接由数控机床的数控机床主轴12控制，低速运转。而数控机床主轴12的速度是通过数控系统程序控制，实现其任意位置的精确定位。磁力固定装置是将数控机床主轴12的静止连接件和打印头本体机架连接起来，通过磁性座11起到稳定加固的作用。本实施例采用数控机床提供动力直接控制3D打印工具头，有效地解决了工艺控制性，成形精度，成形支架的一体化问题。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，丝杠传动机构10的螺母最大行程是由注射器活塞筒体4内部满载液体时的液柱最大长度决定，合理限制螺母的行程，控制螺母行程在安全范围内，防止螺母运动行程后，注射器活塞芯杆3超过推送行程与注射器活塞筒体内壁形成硬性干涉，对活塞式注射器造成的破坏，进一步保障本实施例数控机床动力驱动的3D打印头组件工作安全和稳定。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明数控机床动力驱动的3D打印头组件及三维支架制备的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种数控机床动力驱动的3D打印头组件，其特征在于：包括打印头本体机架、供料组件和传动组件，所述供料组件为活塞式注射器，由注射器活塞芯杆（3）、注射器活塞筒体（4）和注射器针头（5）构成，所述注射器活塞筒体（4）可装卸地固定安装在所述打印头本体机架上，将3D打印材料溶液装入所述注射器活塞筒体（4）中，所述传动组件为丝杠传动机构（10），所述丝杠传动机构（10）的螺杆与所述打印头本体机架转动连接，并约束螺杆的轴向移动，使所述螺杆的轴向与所述注射器活塞芯杆（3）的轴向平行设置，所述丝杠传动机构（10）的螺母与压板（2）固定连接，当所述压板（2）随着螺母沿着所述丝杠传动机构（10）的螺杆的一侧轴向移动时，能使所述压板（2）的一面向所述注射器活塞芯杆（3）的外端面施加压力，进而推动所述注射器活塞芯杆（3）在注射器活塞筒体（4）中滑动，将所述注射器活塞筒体（4）中的3D打印材料溶液从所述注射器针头（5）中挤出，数控锥柄连接部件（1）的动力输出端与所述丝杠传动机构（10）的螺杆的被传动端固定连接，所述数控锥柄连接部件（1）的被传动端与数控机床主轴（12）的动力输出部件同轴紧固连接，当开启数控机床时，数控锥柄连接部件（1）的被传动端被吸进并卡住所述数控机床主轴（12）的动力输出端面上的嵌合孔内，使所述数控机床主轴（12）牵引所述丝杠传动机构（10）的螺杆进行同轴转动，通过控制数控机床主轴（12）的转速来控制所述丝杠传动机构（10）的螺母的移动速度，进而控制所述注射器活塞芯杆（3）对所述注射器活塞筒体（4）中的液体的推送速度，从而控制从所述注射器针头（5）的输出液流的速度，靠近所述数控机床主轴（12）的打印头本体机架一侧设有辅助稳定机构，所述辅助稳定机构为磁力固定装置，所述磁力固定装置包括磁性座（11）和磁性座移动机构，所述磁性座移动机构为滑动平移机构，由相互适配的滑板（13）和滑道构成，所述滑道设置在所述打印头本体机架上，所述滑道开口位于所述打印头本体机架边缘处，所述滑板（13）在所述滑道内沿着平行于所述丝杠传动机构（10）的螺杆轴向滑动，所述滑板（13）的内端部分始终在所述滑道内，所述磁性座（11）固定连接在所述滑板（13）的外端，当移动所述滑板（13）使所述磁性座（11）靠近所述数控机床主轴（12）的静止连接件时，通过磁力使所述磁性座（11）与所述数控机床主轴（12）的静止连接件相互结合连接，此时通过运行数控系统程序，由所述数控机床主轴（12）的静止连接件驱动所述活塞式注射器进行移动，使所述注射器针头（5）按照数控系统程序走出设定路径，并对所述注射器针头（5）对应的目标位置进行定位。

2.根据权利要求1所述的数控机床动力驱动的3D打印头组件，其特征在于：打印头本体机架是由主固定底板（9）和辅助固定底板（8）互相垂直设置并固定连接构成，所述注射器活塞筒体（4）和所述丝杠传动机构（10）同时定位设置在所述主固定底板（9）上，所述注射器活塞筒体（4）通过筒体固定件（6）与所述主固定底板（9）固定连接，所述丝杠传动机构（10）的螺杆通过连接部件（7）与所述主固定底板（9）转动连接，所述丝杠传动机构（10）的螺杆同时还通过连接部件（7）与所述辅助固定底板（8）转动连接。

3.根据权利要求2所述的数控机床动力驱动的3D打印头组件，其特征在于：在所述主固定底板（9）上和所述辅助固定底板（8）上分别设有滑板（13），不同的所述滑板（13）的外端部固定连接的所述磁性座（11）同时与所述数控机床主轴（12）的静止连接件通过磁力结合固定在一起。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的数控机床动力驱动的3D打印头组件，其特征在于：所述丝杠传动机构（10）的螺母最大行程是由注射器活塞筒体（4）内部满载液体时的液柱最大长度决定。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的数控机床动力驱动的3D打印头组件，其特征在于：所述磁性座（11）上设有手动开关（14），通过使用者控制所述手动开关（14）使所述磁性座（11）产生磁性或卸除磁性。

6.一种利用权利要求1所述的数控机床动力驱动的3D打印头组件进行三维支架制备的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．将混合的3D打印材料溶液装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将活塞式注射器安装在打印头本体机架上；

b．使数控机床主轴与3D打印头组件连接在一起，利用数控机床动力驱动3D打印头组件的供料动作，形成一体化系统，通过数控机床主轴的转速直接牵引控制丝杠传动机构的螺杆转动速度，进而控制丝杠传动机构的螺母的移动速度，通过螺母推动活塞式注射器的注射器活塞芯杆，将注射器活塞筒体中液体挤出，通过控制对注射器活塞筒体中的液体的推送速度，从而控制从活塞式注射器的注射器针头的输出液流的速度；

c．根据预设的支架结构与成形路径，在数控系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出三维支架制品。

7.根据权利要求6所述的三维支架制备的方法，其特征在于：所述的数控机床主轴的转速为35～45000r/min。