CN104162992B - 使用工业原料的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用堆积固化成型法原理使用工业原料的3D打印机，属于3D打印设备技术领域。包括数控系统、底座，安装在底座上的XYZ三进给轴总成，固定连接在XYZ三进给轴总成的水平的工作平台，其特征是在所述的工作平台的上方，设置与底座固定连接的喷头机构，所述的喷头机构包括喷头、与喷头相连的挤出装置和供料筒。解决了目前所使用的耗材、处理软件、喷头都是3D打印机专用，工业应用受到相当大的成本和技术瓶颈。本发明具有结构简单，生产成本低的特点，对于推广应用3D打印制造技术具有积极效果。

Description

使用工业原料的3D打印机

技术领域

本发明涉及一种利用堆积固化成型法原理使用工业原料的3D打印机，属于3D打印设备技术领域。

背景技术

目前，现有的3D打印设备线利用专用分层软件，将STL格式三维设计模型生成打印机可以识别的G代码，然后将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头执行两个以上方向的运动，工作平台执行一个方向的运动或固定不动。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。

热熔材料在使用前，都需要先添加粘接、抗收缩等控制凝固的辅料，并加工成特定规格的丝状物；主要便于运动进给和成型过程控制。对于存在悬空的部分，很多都需要增加支撑材料，而且支撑材料都是专门研发的特殊材料，即不可回收而且成本很高。目前所使用的耗材、处理软件、喷头都是3D打印机专用，工业应用受到相当大的成本和技术瓶颈限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种直接使用普通工程塑料颗粒原料，不需要预先加工成丝状，不需要添加控制凝固过程的辅料，而进行工业零件3D打印制造的使用工业原料的3D打印机。

本发明的技术方案：

采用固定的喷头机构，采用滚轮机构或者螺杆结构对丝状物料进行进给融化，也可以采用进行原料的加热融化成型，对于聚四氟乙烯和超高分子聚乙烯等无法使用螺杆结构的，采用柱塞结构进行融化成型；对于易燃、不能进行加热融化的材料，还可以利用柱塞结构进行湿法挤出成型或者固态挤出成型；喷头固定可以同时兼容此两种结构，而且仅仅更换喷头机构就可以完成两种不同类型材料的打印。

工作平台执行所有的运动，根据具体要求可以提供一个及以上的转动。分层的技术路线不适用与工业级应用，成熟的零部件，其材料都是联系分布的整体，一般都有独特的结构特点，而且一般需要满足装配、外观等要求，分层后会存在较多的断点和悬空点；本发明不使用分层软件，利用零部件的连续性和三维软件曲线的定义进行运动轨迹优化，实现使端点和悬空点最少；无法避免的，使用单线进行过渡，成型后便于清理。

本发明技术方案的详细阐述：

本技术方案分为四个部分：喷头机构，工作平台机构，进给机构、控制系统。

1、喷头机构相对与工作平台及成型工件固定不动，使用螺杆、柱塞对工程塑料进行挤压变形，出口有圆形、方形等堆积基本单元形状模具；根据材料性质，适当增加加热装置、温度控制装置、进料控制装置、冷却装置、传动装置、动力及控制装置等；对于丝状工程塑料，采用滚轮传动、加热圈进行加热融化、采用水冷或风冷确保零部件使用温度。喷头机构固定，需要给零部件及工作平台预留运动空间，喷头出料口位于喷头机构最低点，而且在可打印零部件极限尺寸范围内空间充足。喷头出料口安装有温度位移传感器。在加热、冷却、加压、传动过程中，有确保喷头可以稳定精确工作的装置，保证整个机构的刚度、强度、连续工作的稳定性。

使用螺杆结构时，根据工件极限尺寸和建造速度合理选择螺杆长径比和表面硬度，对于加热圈结构形式及安装位置、传感器布置及数量、进料干燥装置、连续进料及开关装置都需要整体进行考虑；根据零部件不同要求可以采用不同的螺杆结构：分离型螺杆、屏障型螺杆、销钉螺杆、锥螺纹螺杆等，也可以改变螺纹升程和螺槽深度，还可以采用双螺杆。如果螺杆主轴平行与工作台，需要将使用直接接头结构，保证垂直向下出料；对于螺杆、出料机构安装校正装置。

使用柱塞结构时，立式或者卧式（需增加直角机头）都可以采用。由进料装置、液压系统、柱塞挤压装置、预塑化装置、出口装置；对于冷加工或者湿法成型的，没有加热或者烧融装置，使用预塑化的柱塞加压装置；一般材料没有预塑化装置，使用融化室，将柱塞压实的材料完成融化；柱塞即压实原料，也将融化后材料挤出成型；由于柱塞为往复运动，会有一个空行程，如果需要连续挤出，可以采用两个及以上柱塞并联工作，使用换向阀进行连接。

2、工作平台机构，具有一定的强度和刚度要求，可以承载成型零部件的重量和打印过程中速度的周期性变化；支撑结构合理，在打印过程中，成型零部件重心的变化不影响打印精度；具有合理的形状和尺寸，采用轻量化设计；对于融化堆积成型，提供加热和温度保持功能，具有合适的摩擦系数，可以很好的固定第一层打印材料；对于湿法挤出的，提供恒定低温，并且具有对有机溶剂及胶粘剂的抗腐蚀能力；使用双平台结构解决凝固收缩，上层平台是一张布满小孔的筛子，没个孔都是锥形通孔，小孔朝上；孔的锥度、密度和平台厚度是负相关的，如果是非金属材料，厚度在10mm左右；如果是金属材料或者玻璃，厚度在4mm左右；上层平台可以方面拆卸。设有平台调平装置，保证工作平台平面对喷头出料口的垂直度要求。根据零部件精度要求，工作平台的平面度有合理的数值。

3、进给机构，根据机床右手坐标系，提供X、Y、Z三个方向的直线运动或者转动，运动控制机构，并可以支撑所分担的重量、摩擦力、制动力等；三个方向的传动机构、导向机构、支撑机构等采用模块化设计，传动机构选用丝杠、齿轮齿条或者同步带等标准零部件，导向机构选用直线滚动导轨、滚动导轨块、滑动导轨、静压导轨等，支撑机构选用标准型材。以上可以根据具体情况进行合理选择。进行适当的结构加强装置保证力学性能。Z轴滚珠丝杠传动、直线滚动导轨、采用铝合金型材作为支撑结构，丝杠、电机、导轨都固定在上面。电机驱动丝杠旋转，驱动电机带有制动，防止断电后，可以有效控制工作台，丝杠螺母联接工作台，工作台沿Z轴做直线运动，Z轴如果2个及以上驱动轴，所有的电机必须同步；想应的机械机构需要进行同步矫正。Z轴支撑固定在Y轴丝杠螺母上，电机驱动丝杠，带动螺母沿Y轴做直线运动，采用铝合金型材作为支撑结构，丝杠、电机、直线滚动导轨都固定在上面。Y轴支撑固定在X轴丝杠螺母上，电机驱动丝杠，带动螺母沿X轴做直线运动，采用铝合金型材作为支撑结构，丝杠、电机、直线滚动导轨都固定在上面。X轴通过J固定在可调整的平台P上，P有严格的平面度要求，各边有严格的垂直度和平行度要求，J有调整装置，保证X轴相对于P的形位公差要求。Y、Z轴的形位公差通过安装特征进行保证，X、Y、Z如果都有二根及以上时，同轴之间使用连接梁保证相应的形位公差，并提高运动刚度。如果需要，进给机构的转动，都有P提供。每根轴上都装有限位开关和位移及速度传感器，用于闭环控制的输入信号。

4、控制系统。由两部分组成：PRO/E软件和数控铣削控制系统。前者完成模型设计和G代码生成，后者负责接收来自电脑或者网线远程传输的G代码并执行。

利用PRO/E进行三维模型设计，利用PROE/NC进行三轴以上铣削加工，选用立式铣刀，主轴只有绕轴线的旋转，没有其他方向的转动；铣刀直径设定为喷头出口尺寸，切削量就是 打印的层厚；在确定打印路径后，调整铣削加工路径，适当调整生成的刀具路径，进行后处理变成数控系统识别的G代码，将G代码通过安装在电脑中的数控系统传输软件，发送到数控系统主机，数控系统主机根据设定执行该代码，完成打印过程。

综上所述，一种使用工业原料的3D打印机，包括数控系统、底座，安装在底座上的XYZ三进给轴总成，固定连接在XYZ三进给轴总成的水平的工作平台，其特征是在所述的工作平台的上方，设置与底座固定连接的喷头机构，所述的喷头机构包括喷头、与喷头相连的挤出装置和供料筒。

所述的喷头机构的挤出装置由螺杆推进器，连接螺杆的挤出电机构成，在螺杆推进器的外面，设置螺杆加热器和喷头温度传感器，所述的喷头机构靠近供料筒一端设置螺杆进料冷却器。

所述的供料筒包括与喷头机构相连的供料筒，供料筒呈圆形漏斗状，外面设置干燥加热器。

所述的工作平台为双平台结构，上层平台是活动可拆卸的一张布满锥形小孔的筛板，厚度在4mm -10mm；上层平台设有平台调平装置，保证工作平台平面对喷头出料口的垂直度要求。

所述的XYZ三进给轴总成包括X轴电机及丝杠导轨组成的X轴进给总成；Y轴直线电机、Y轴丝杠及导轨组成的Y轴进给总成；Z轴直线导轨、Z轴电机及Z轴丝杠组成的Z轴进给总成。

数控系统使用的G代码由CAD/CAM一体化软件或者CAM软件生成；

喷头机构采用立式柱塞结构挤出堆积单元，在电机和柱塞之间设置液压系统，电机驱动液压泵，液压缸驱动柱塞；为连续挤出，使用换向阀并联双柱塞结构。

使用烧融室代替原来螺杆加热器，用于材料的融化。

可以使用改性聚氯乙烯材料、聚苯乙烯泡沫塑料或者聚氨酯硬质泡沫塑料保温材料，也可以使用硅酸钙保温材料或者Low-E保温玻璃做成整体式保温结构，进行工作区域保温或将将整台设备全部封闭。

所述的底座下面设置调整螺杆。

本发明具有结构简单，生产成本低的特点，对于推广应用3D打印制造技术具有积极效果。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中：1-螺杆，2-供料筒，3-干燥加热器，4-挤出电机，5-喷头固定支撑，6-螺杆进料冷却器，7-Z轴直线导轨，8-Z轴电机，9-喷头温度传感器，10-螺杆加热器，11-Y轴直线电机，12-Y轴丝杠，13-Z轴丝杠，14-X轴电机，15-底座，16-调整螺杆。

XYZ三进给轴总成, W1W3W4保温材料，P工作平台，T喷头机构， L保温材料支撑杆。

具体实施方式

借助附图，介绍本发明的实施方式：

实施例一

一种使用工业原料的3D打印机，包括数控系统、底座，安装在底座上的XYZ三进给轴总成，固定连接在XYZ三进给轴总成的水平的工作平台P，其特征是在所述的工作平台的上方，设置与底座15固定连接的喷头机构，所述的喷头机构包括喷头、与喷头相连的挤出装置和供料筒2。

所述的喷头机构的挤出装置由螺杆1推进器，连接螺杆1的挤出电机4构成，在螺杆1推进器的外面，设置螺杆加热器10和喷头温度传感器9，所述的喷头机构靠近供料筒3一端设置螺杆进料冷却器6。

使用螺杆结构的固定喷头T打印ABS工程塑料，最快打印速度300mm/s，喷头T的出口为直径0.2mm的口模，可以自行更换0.3mm、0.4mm、1mm，在喷头机构完成预热后更换T，T位直角结构，将水平挤出变更为垂直挤出，内部安装温度传感器，外面安装加热丝工作温度分别为221°；使用直径25mm，长径比50的氮化处理的螺杆，在螺杆套筒内旋转进行压紧、融化、挤出堆积单元，额定转速20rpm；螺杆套筒有加热设备，对螺杆、螺杆套及内部不断进给ABS颗粒进行预热，在螺杆压紧区和融化区各安装5kw加装装置及温度传感器，工作温度分别为198°、207°；螺杆进料口处、螺杆工作区域增加水套冷却，前者是常工作状态，后者在接近警戒温度时工作；ABS颗粒经85°恒温干燥后加入进料筒；驱动螺杆的伺服电机为数控铣削系统的主轴电机，由数控系统进行控制，根据电机需要可以匹配合适速比的减速箱；数控系统控制本机构中所有的温控器、加热圈、温度传感器、加热电路开关装置。其中螺杆部分在温度恒定后需要保温1小时后在启动，ABS颗粒的干燥需要2小时。螺杆轴线和Y进给轴线平行，垂直于X、Z轴。

实施例二

工作平台为双平台结构，底层平台为24V800W的夹层钢化玻璃，尺寸1100mm×1010mm；电阻丝和温度传感器印刷在夹层，每层玻璃厚度2mm；加热区尺寸1000mm×1000mm，由铝合金做的平面桁架支承，固定在Z轴的丝杠螺母上，在各支承点有平面度要求；底层平台安装在平面桁架支承上面，之间安装橡胶支承，并在X轴平行的边通过螺栓连接；上层平台固定在底层平台上，可以方便拆装，上层平台材料为酚醛树脂，厚度为5mm，均匀布满倒锥孔，小孔朝上，平面度有要求。

实施例三

在Z轴上固定有顶部W1和侧面W2保温材料，W1和工作平台平行，尺寸为1200mm×1100mm，并和工作平台一起随Z轴沿Y轴移动；W2共2块，和W1垂直连接，尺寸1100mm×1300mm；W3与W1、W2垂直连接，位于没有喷头机构的一侧；W1、W2、W3都固定在Z轴上；W4、W5分别位于喷头机构的左右两侧，上部和W1相接，固定在Y轴的丝杠螺母上，和Z轴的驱动螺母由同一丝杠驱动，沿X轴方向是可折叠，有效行程都是1000mm，另一端连接两个立柱L1、L2，L固定在喷头机构上，位于3D打印范围内喷头机构最外侧，和Z轴平行，W4和L1、W5和L2，当W4折叠时，W5展开，而且变形量相同，变形量就是Y轴沿X轴的位移。W1、W2、W3、W4、W5都是采用改性聚氯乙烯材料，有骨架支承，如果不是透明材质，需要增加观察窗口，每个面上都预留排气口，以减少空气膨胀产生的影响，W4、W5上不需要排气口，L1、L2之间的空隙已足够。本实施例中的 W1—W5仅仅是指不同部位的保温材料，不具有特别的含义，有的图中并未标出。

实施例四

采用2根Z轴，打印过程中重心变化较大或者整体质量较大的可采用4根轴，支承体采用95mm铝合金型材，用于固定滚珠丝杆传动（导程5mm,精度等级C5）及电机、直线滚动导轨，有效行程1000mm，带制动的伺服电机驱动丝杆，丝杆螺母固定安装工作平台的滑块，工作台P0包含定位安装面，保证2轴的平行度，采用两个同步工作的伺服电机驱动，设计有Z轴机械同步的校正机构G，G主要通过调整丝杆初始位置，丝杠螺母和滑块间通过定位平面和定位销连接，并使用螺栓紧固；Z轴被固定在Y轴滑块上，通过定位面和定位销来保证Z轴丝杠轴线垂直于Y轴丝杠轴线，Y轴是2根驱动轴，并使用定位横梁连接保证两轴的平行度，Y轴滑块由丝杠螺母驱动，伺服电机驱动滚珠丝杠（导程5mm,精度等级C5），两电机通过数控系统保证控制指令同步，Y轴的有效行程1000mm，还有保温材料固定滑块，也由滚珠丝杠驱动，Y轴选用135mm铝合金型材作为支撑体，并固定丝杠及电机、直线滚动导轨；Y轴被固定在X轴滑块上，使用连接平面和定位销来保证X、Y两轴丝杠的垂直度要求，两X轴都是驱动轴，使用定位横梁连接保证两轴的平行度，选用165mm铝合金型材作为支撑体，并固定丝杠及电机、直线滚动导轨，两电机通过数控系统保证控制指令同步，X轴的有效行程1000mm；以上所有采用丝杠传动的轴都带有三个限位开关，并全部给数控系统提供信号；X轴被安装在平台底座上，该底座的平面经过整体铣削加工，平面度0.001mm，并且底座离地高度可以调节。

实施例五

以3轴及以上联动数控铣削系统为主体，本系统支持网线、移动存储介质、远程控制，PRO/E利用数控系统传输软件和数控系统主机进行数据传输，两者通过网线连接；喷头电机、进给系统电机通过伺服驱动器和主机进行数据连接，传感器、限位开关、加热设备及相应控制设备通过开关量被连接到主机，并进行重新定义，将生成的对应表导入到PRO/ENC模块；PRO/E NC模块中利用铣削加工程序进行参数调整，生成相应的表格输入模式，并将G代码后处理后输出设定到数控系统传输软件的输入路径；通过PRO/E和数控系统合理设置实现，从设计模型到3D打印输出的数据传输和命令执行。

实施例六

使用立式柱塞结构代替实施1中的螺杆结构，伺服电机可以使用普通变频电机、步进电机，驱动叶片泵，液压泵驱动液压缸，液压缸驱动柱塞，柱塞将PTFE或者UHMWPE颗粒压实并输送至烧融室，设定温度339°，柱塞将其压过口模，形成满足要求的堆积单元；连续打印，需要使用换向阀并联两个柱塞及相应的液压结构。通过控制电机的转速，来控制叶片泵的流量，通过流量改变控制液压缸的运行速度，进而达到控制喷头出料速度。电控换向阀、温度传感器、温控器、加热装置，由数控系统的开关量控制。

实施例七

将实施例6中的柱塞结构中取消烧融室改为低温室，温度设定为11°，温度传感器、温控器、冷却装置，通过数控系统主机开关量控制；通过将PTFE或者UHMWPE颗粒更换为被溶剂软化的硝酸纤维素。先使用无水乙醇、丁酮或者纯苯等进行湿润，然后使用丙酮、醋酸乙酯或者樟脑乙醇进行溶解软化。

实施例八

将实施例2中的加热设备跟换为制冷设备，温度设定为23°，温度传感器、温控器、冷却装置，通过数控系统主机开关量控制。

实施例九

实施例3可以使用聚苯乙烯泡沫塑料或者聚氨酯硬质泡沫塑料保温材料，也可以使用硅酸钙保温材料或者Low-E保温玻璃做成整体式保温结构，将整台设备全部封闭。

实施例十

实施4中的传动机构可以选择齿轮同步带、齿轮齿条、光杠轴承传动；导轨可以选择滚动导轨块、滑动导轨、静压导轨等；支承结构可以根据情况选用其他型号型材，也可以使用铁质材料、合成塑料。

Claims (3)

1.一种使用工业原料的3D打印机，包括数控系统、底座，安装在底座上的XYZ三进给轴总成，固定连接在XYZ三进给轴总成的水平的工作平台，其特征是在所述的工作平台的上方，设置与底座固定连接的喷头机构，所述的喷头机构包括喷头、与喷头相连的挤出装置和供料筒；

所述的XYZ三进给轴总成包括X轴电机及丝杠导轨组成的X轴进给总成；Y轴直线电机、Y轴丝杠及导轨组成的Y轴进给总成；Z轴直线导轨、Z轴电机及Z轴丝杠组成的Z轴进给总成；

所述的工作平台为双平台结构，底层平台为24V800W的夹层钢化玻璃，尺寸1100mm×1010mm；电阻丝和温度传感器印刷在夹层，每层玻璃厚度2mm；加热区尺寸1000mm×1000mm，由铝合金做的平面桁架支承，固定在Z轴的丝杠螺母上；底层平台安装在平面桁架支承上面，之间安装橡胶支承，并在与X轴平行的边通过螺栓连接；上层平台固定在底层平台上，上层平台材料为酚醛树脂，厚度为5mm，均匀布满倒锥孔，小孔朝上，平面度有要求；

所述的喷头机构的挤出装置由螺杆推进器，连接螺杆的挤出电机构成，在螺杆推进器的外面，设置螺杆加热器和喷头温度传感器，所述的喷头机构靠近供料筒一端设置螺杆进料冷却器；或所述喷头机构的挤出装置采用立式柱塞结构挤出堆积单元，在电机和柱塞之间设置液压系统，电机驱动液压泵，液压缸驱动柱塞，为连续挤出，使用换向阀并联双柱塞结构；

所述的供料筒呈圆形漏斗状，外面设置干燥加热器；

数控系统使用的G代码由CAD/CAM一体化软件或者CAM软件生成；

使用改性聚氯乙烯材料保温材料、聚苯乙烯泡沫塑料保温材料、聚氨酯硬质泡沫塑料保温材料、硅酸钙保温材料或者Low-E保温玻璃做成整体式保温结构，进行工作区域保温或将整台设备全部封闭。

2.根据权利要求1所述的使用工业原料的3D打印机，其特征是使用烧融室代替原来螺杆加热器，用于材料的融化。

3.根据权利要求1所述的使用工业原料的3D打印机，其特征是所述的底座下面设置调整螺杆。