CN104015359A - 一种桌面型3d打印机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面型3D打印机系统，包括中央控制器、温度传感器模块、电机驱动模块、电源和机械结构，所述机械结构包括底架、顶架、热床工作台、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置和挤出机装置；所述底架上端放置有热床工作台，热床工作台下面前端放置电源，电源旁边设置连接有中央控制器和电机驱动模块，底架左右二端放置有Z轴装置，Z轴装置上端连接顶架，左端的Z轴装置其上设有X轴装置，右端的Z轴装置其上设有挤出机装置；所述温度传感器模块内嵌在挤出机装置内且和中央控制器连接。本发明的优点：该打印机使用方便，在一般场合下通过热成型技术加工得到任何需要尺寸不超过热床的塑料模型；精度高，成型快，体积小，自我复制能力强，绿色环保等优点。

Description

一种桌面型3D打印机系统

技术领域

本发明涉及一种打印机，具体涉及一种桌面型3D打印机系统。

背景技术

随着现代科技的迅速发展，3D打印技术越来越成熟，以数字模型文件为基础，运用可加热融化塑料，通过逐层打印成型方式来构建物体的技术。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，意味着这项技术正在普及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桌面型3D打印机，使得在一般场合下通过热成型技术加工得到任何需要尺寸不超过热床的塑料模型。

本发明是这样来实现的，一种桌面型3D打印机，包括用于加热挤出头的加热棒、控制温度和各个步进电机之间配合运动的中央控制器；用于加工一定尺寸的塑料模型、获取挤出头和热床温度的温度传感器模块；用于接收中央控制器输出的数字控制量并驱动电机运行的电机驱动模块；用于为中央控制器和电机驱动模块供电的电源；用于搭载各个物理设备的机械结构；其特征在于：所述机械结构包括底架、顶架、热床工作台、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置和挤出机装置；所述底架上端放置有热床工作台，Y轴装置固定热床且以Y轴装置内的Y轴传动光杆作为加工平台，热床工作台下面前端放置电源，电源旁边设置连接有中央控制器和电机驱动模块，底架左右二端放置有Z轴装置，Z轴装置上端连接顶架，左端的Z轴装置其上设有X轴装置，右端的Z轴装置其上设有挤出机装置；所述温度传感器模块内嵌在挤出机装置内且和中央控制器连接，所述电机驱动模块连接X轴装置、Y轴装置、Z轴装置和挤出机装置中的步进电机。

进一步的，所述底架由铝合金型材和四个塑料固定件组成，其形状为长方体结构，用8根2020铝合金型材搭建，四个角用塑料固定件固定，每一个塑料固定件固定3根铝合金型材，左下角塑料固定件上安装有控制整个机械系统的总开关，底架中部用两根2020铝合金型材搭建起Z轴装置运动的支撑。 

进一步的，所述顶架由铝合金型材和二个塑料固定件组成，所述顶架的二个塑料固定件通过铝合金型材平行连接，二个塑料固定件下端分别连接Z轴装置的Z轴传动丝杆和2020铝合金型材。塑料固定件竖直方向设计为三角支撑结构。

进一步的，所述Z轴装置由二个Z轴固定件、二根Z轴传动丝杆、二个Z轴步进电机和二个T型螺母组成,所述Z轴装置中Z轴固定件通过铝合金型材搭建在底架左右底端，左右二端的Z轴固定件固定Z轴步进电机，其上端分别连接2020铝合金型材和Z轴传动丝杆，所述Z轴传动丝杆中间设置有T型螺母, 所述Z轴固定件将Z轴步进电机固定在铝合金型材上，竖直与平面设计为三角支撑结构，稳定性大大增强。

进一步的，所述X轴装置由一个X轴固定件、二根X轴传动光杆、一个X轴步进电机组成，所述X轴装置中的X轴固定件固定在左端的Z轴传动丝杆的T型螺母中和2020铝合金型材的凹槽里，X轴固定件一端平行连接二根X轴传动光杆，另一端连接X轴步进电机。

进一步的，所述挤出机装置由一个挤出机固定件和一个挤出机步进电机、冷却喉管风扇、冷却材料风扇、加热铝块、散热片、出料喷嘴、温度传感器模块放置口、加料棒放置口、运料管和运料齿轮组成；所述挤出机装置中的挤出机固定件固定在右端的Z轴传动丝杆的T型螺母中和2020铝合金型材的凹槽里，挤出机固定件一端平行连接二根X轴传动光杆，另一端连接挤出机步进电机，挤出机步进电机上设置有运料齿轮，通过运料管和冷却喉管风扇、冷却材料风扇连接，二个风扇上安装有散热片，冷却喉管风扇下端安装有出料喷嘴，冷却喉管风扇一端连接加热铝块，加热铝块设置有温度传感器模块放置口和加料棒放置口。

进一步的，所述挤出机固定件用于固定X轴光杆，Z轴螺母，挤出机电机和竖直方向的铝合金型材以及一个传动X轴皮带的滚珠轴承。

进一步的，所述Y轴装置由二个Y轴固定件、二根Y轴传动光杆、一个Y轴步进电机组成,所述Y轴装置中二个Y轴固定件用两个M5螺钉固定在底架上的前端和后端的2020铝合金型材上，后端的Y轴固定件中间固定连接Y轴步进电机，前端的Y轴固定件连接有带冲孔的滚珠轴承，滚珠轴承用于皮带的传动，二根Y轴传动光杆通过前端和后端的Y轴固定件连接固定，中间位置放置热床工作台。

进一步的，所述X轴传动光杆和Y轴传动光杆不在同一个平面上。

进一步的，所述X轴传动光杆用皮带传动，运动由X轴步进电机通过拉动同步带完成，皮带的另一端通过固定在挤出机固定件上的滚珠轴承传动，皮带拉住挤出头塑料件带动挤出头的运动，挤出机采用远程送丝将材料送到挤出头模块。 

进一步的，所述Y轴传动光杆传动由直线轴承完成，运动由步进电机通过拉动同步带完成。

进一步的，所述Z轴传动丝杆由两个并联的Z轴步进电机作为动力来源， T型螺母通过联轴器固定在电机上，Z轴丝杆和顶架中的塑料固定件通过带冲孔的滚珠轴承带动。 

进一步的，所述X轴固定件和挤出机电机固定件用于固定T型螺母，实现竖直方向的传动,

进一步的，所述X轴固定件同时固定了竖直方向上的T型螺母和铝合金型材，X轴步进电机和水平方向的两根传动光杆。  

进一步的，所述电源用12V，20A开关电源，二个风扇采用12V工作电压，电流为0.08A。

进一步的，所述中央控制器采用的是melzi控制器，所述控制器的微控制器为arduino1284p。

进一步的，所述步进电机采用42BYGH两相混合式步进电机，步距精度为5%，最大静力矩为0.55N.M。

进一步的，所述温度传感器规格为NTC 100K，阻值精度：±1％，使用温度范围：-40℃～+300℃，最大额定功率:45mW。

进一步的，所述挤出头用一塑料件固定在X轴的光杆传动上，挤出头喉管嵌入到散热片中，挤出头采用采用双风扇加热模式，一个加热喉管，一个加热成型材料,双风扇冷却效果，冷却喉管的风扇直接与电源相连竖直固定在散热片上，冷却材料的风扇与竖直方向上成70°角。

进一步的，所述挤出头喉管嵌入到4242散热片中间。

所述PCB热床尺寸为140mm*140mm。接12V，电流9.8A，随着温度升高，电流下降到8.8A，为了平整度，热床上面又加了一块5mm厚的普通玻璃。

本发明所述3D打印机的空间运动控制方案如下：

（1）将设计出的三围模型进行从上到下切片，厚度可自由调节，但是厚度最大不能超多喷嘴的直径。

（2）每一片模型生成一组NC代码，主要是XYE的坐标，期中XY坐标用于控制平面图形的形成，E值为挤出机的挤出量。

(3)每完成一层，Z轴自动加切片设置的高度，Z轴电机旋转，通过丝杆将旋转运动转化为竖直方向上的运动，直线运动即为两个左边相减得到的值作为脉冲数据给步进，通过一个比例系数使得步进运动的距离为生成模型的距离，曲线运动是将曲线微分化为一段一段的直线坐标。这样就完成了整个空间的控制。

本发明的优点：该打印机使用方便，在一般场合下通过热成型技术加工得到任何需要尺寸不超过热床的塑料模型；精度高，成型快，可以以最低的成本最短的周期帮助小型企业或者开发人员完成需要的设计。传统制造技术及工匠技术使用限制有限，而对于3D打印机来可以加工生成任何想要的模型。就单位生产空间而言，3D打印机具有更高的优势，体积小，自我复制能力强。对于传统金属加工或者数控而言，加工材料浪费量惊人，而对于3D打印机，由于自身成型原理就决定了它具有绿色环保的巨大优势，不会像传统加工业那样加工零件需要浪费非常多的材料，3D打印机在模型加工的过程中是零浪费。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的X轴装置结构图。

图3为本发明的Y轴装置结构图。

图4为本发明的Z轴装置结构图。

图5为本发明的挤出机结构图。

图6为本发明的挤出机固定件结构图。

图7为本发明的中央控制器和电机驱动模块结构图。

图8为本发明的电源结构图。

图9为本发明的加热铝块结构图。

图10为Z轴和X轴组合结构示意图。

在图中，1、底架，2、顶架，3、热床工作台，4、X轴装置,5、Y轴装置,6、Z轴装置,7、挤出机装置，8、铝合金型材，9、塑料固定件，10、总开关，11、X轴固定件，12、X轴传动光杆，13、X轴步进电机，14、Y轴固定件，15、Y轴传动光杆，16、Y轴步进电机，17、Z轴固定件，18、Z轴传动丝杆，19、Z轴步进电机，20、T型螺母，21、挤出机固定件，22、挤出机步进电机，23、冷却喉管风扇,24、冷却材料风扇,25、加热铝块,26、散热片,27、出料喷嘴,28、温度传感器模块放置口,29、加料棒放置口,30、运料管,31运料齿轮，32、中央控制器，33、电机驱动模块，34、电源。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-图10所示，本发明是这样来实现的，一种桌面型3D打印机，包括用于加热挤出头的加热棒、控制温度和各个步进电机之间配合运动的中央控制器32；用于加工一定尺寸的塑料模型、获取挤出头和热床温度的温度传感器模块；用于接收中央控制器输出的数字控制量并驱动电机运行的电机驱动模块33；用于为中央控制器和电机驱动模块供电的电源34；用于搭载各个物理设备的机械结构；其特征在于：所述机械结构包括底架1、顶架2、热床工作台3、X轴装置4、Y轴装置5、Z轴装置6和挤出机装置7；所述底架1上端放置有热床工作台3，Y轴装置5固定热床且以Y轴装置5内的Y轴传动光杆15作为加工平台，热床工作台3下面前端放置电源34，电源34旁边设置连接有中央控制器32和电机驱动模块33，底架1左右二端放置有Z轴装置6，Z轴装置6上端连接顶架2，左端的Z轴装置6其上设有X轴装置4，右端的Z轴装置6其上设有挤出机装置7；所述温度传感器模块内嵌在挤出机装置7内且和中央控制器32连接，所述电机驱动模块33连接X轴装置4、Y轴装置5、Z轴装置6和挤出机装置7中的步进电机。

进一步的，所述底架1由铝合金型材8和四个塑料固定件9组成，其形状为长方体结构，用8根2020铝合金型材搭建，四个角用塑料固定件9固定，每一个塑料固定件9固定3根铝合金型材8，左下角塑料固定件9上安装有控制整个机械系统的总开关11，底架1中部用两根2020铝合金型材8搭建起Z轴装置6运动的支撑。 

进一步的，所述顶架2由铝合金型材8和二个塑料固定件9组成，所述顶架2的二个塑料固定件9通过铝合金型材8平行连接，二个塑料固定件9下端分别连接Z轴装置6的Z轴传动丝杆18和2020铝合金型材9。塑料固定件9竖直方向设计为三角支撑结构。

进一步的，所述Z轴装置6由二个Z轴固定件17、二根Z轴传动丝杆18、二个Z轴步进电机19和二个T型螺母20组成,所述Z轴装置6中Z轴固定件17通过铝合金型材8搭建在底架1左右底端，左右二端的Z轴固定件17固定Z轴步进电机19，其上端分别连接2020铝合金型材8和Z轴传动丝杆18，所述Z轴传动丝杆18中间设置有T型螺母20, 所述Z轴固定件17将Z轴步进电机19固定在铝合金型材8上，竖直与平面设计为三角支撑结构，稳定性大大增强。

进一步的，所述X轴装置4由一个X轴固定件12、二根X轴传动光杆13、一个X轴步进电机14组成，所述X轴装置4中的X轴固定件12固定在左端的Z轴传动丝杆18的T型螺母20中和2020铝合金型材8的凹槽里，X轴固定件12一端平行连接二根X轴传动光杆13，另一端连接X轴步进电机14。

进一步的，所述挤出机装置7由一个挤出机固定件21和一个挤出机步进电机22、冷却喉管风扇23、冷却材料风扇24、加热铝块25、散热片26、出料喷嘴27、温度传感器模块放置口28、加料棒放置口29、运料管30和运料齿轮31组成；所述挤出机装置7中的挤出机固定件21固定在右端的Z轴传动丝杆18的T型螺母20中和2020铝合金型材8的凹槽里，挤出机固定件21一端平行连接二根X轴传动光杆13，另一端连接挤出机步进电机22，挤出机步进电机22上设置有运料齿轮31，通过运料管30和冷却喉管风扇23、冷却材料风扇24连接，二个风扇上安装有散热片26，冷却喉管风扇23下端安装有出料喷嘴27，冷却喉管风扇37一端连接加热铝块25，加热铝块25设置有温度传感器模块放置口28和加料棒放置口29。

进一步的，所述Y轴装置5由二个Y轴固定件14、二根Y轴传动光杆15、一个Y轴步进电机16组成,所述Y轴装置5中二个Y轴固定件14用两个M5螺钉固定在底架1上的前端和后端的2020铝合金型材8上，后端的Y轴固定件14中间固定连接Y轴步进电机16，前端的Y轴固定件14连接有带冲孔的滚珠轴承，滚珠轴承用于皮带的传动，二根Y轴传动光杆15通过前端和后端的Y轴固定件14连接固定，中间位置放置热床工作台3。

本发明原理如下：先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过slic 3r切片，将所得数据通过数据线传输到控制器上，3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

三维设计：

三维打印的设计过程是先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即 切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。

打印过程：

打印机通过读取文件中的横截面信息，用线状直径1.75mm的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为200微米，即0.2毫米，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

Claims (6)

1.一种桌面型3D打印机系统，包括中央控制器、温度传感器模块、电机驱动模块、电源和机械结构；其特征在于：所述机械结构包括底架、顶架、热床工作台、X轴装置、Y轴装置、Z轴装置和挤出机装置；所述底架上端放置有热床工作台，Y轴装置固定热床且以Y轴装置内的Y轴传动光杆作为加工平台，热床工作台下面前端放置电源，电源旁边设置连接有中央控制器和电机驱动模块，底架左右二端放置有Z轴装置，Z轴装置上端连接顶架，左端的Z轴装置其上设有X轴装置，右端的Z轴装置其上设有挤出机装置；所述温度传感器模块内嵌在挤出机装置内且和中央控制器连接，所述电机驱动模块连接X轴装置、Y轴装置、Z轴装置和挤出机装置中的步进电机。

2.根据权利要求1所述的一种桌面型3D打印机系统，其特征在于：所述底架由铝合金型材和四个塑料固定件组成，其形状为长方体结构，用8根2020铝合金型材搭建，四个角用塑料固定件固定，左下角塑料固定件上安装有控制整个机械系统的总开关，底架中部用两根2020铝合金型材搭建起Z轴装置运动的支撑。

3.根据权利要求1所述的一种桌面型3D打印机系统，其特征在于：所述顶架由铝合金型材和二个塑料固定件组成，所述顶架的二个塑料固定件通过铝合金型材平行连接，二个塑料固定件下端分别连接Z轴装置的Z轴传动丝杆和2020铝合金型材。

4.根据权利要求1所述的一种桌面型3D打印机系统，其特征在于：所述Z轴装置由Z轴固定件、Z轴传动丝杆、Z轴步进电机和T型螺母组成,所述Z轴装置中Z轴固定件通过铝合金型材搭建在底架左右底端，左右二端的Z轴固定件固定Z轴步进电机，其上端分别连接2020铝合金型材和Z轴传动丝杆，所述Z轴传动丝杆中间设置有T型螺母。

5.根据权利要求1所述的一种桌面型3D打印机系统，其特征在于：所述X轴装置由X轴固定件、X轴传动光杆、X轴步进电机组成，所述X轴装置中的X轴固定件固定在左端的Z轴传动丝杆的T型螺母中和2020铝合金型材的凹槽里，X轴固定件一端平行连接二根X轴传动光杆，另一端连接X轴步进电机。

6.根据权利要求1所述的一种桌面型3D打印机系统，其特征在于：所述Y轴装置由Y轴固定件、Y轴传动光杆、Y轴步进电机组成,所述Y轴装置中二个Y轴固定件用螺钉固定在底架上的前端和后端的2020铝合金型材上，后端的Y轴固定件中间固定连接Y轴步进电机，前端的Y轴固定件连接有带冲孔的滚珠轴承，二根Y轴传动光杆通过前端和后端的Y轴固定件连接固定，中间位置放置热床工作台。