CN104228069A - 一种可旋转切换打印头的双头3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：它包括固定板、设置在所述固定板上的安装板、并列安装在所述安装板上的第一打印头和第二打印头；所述固定板上设置有固定转轴，所述安装板以所述固定转轴的轴心线为转动中心线可转动地连接在所述固定转轴上；所述第一打印头位于所述固定转轴的下方左侧，所述第二打印头位于所述固定转轴的下方右侧；所述双头3D打印机还包括驱动所述安装板沿所述固定转轴旋转的驱动机构。本发明通过驱动机构驱动安装板旋转，实现了使双打印头可相对上下可调高度的结构，始终保证工作的打印头在较低位置，不工作的打印头在较高位置，这样不工作的打印头就不会影响已成型工件的表面，提高了打印质量。

Description

一种可旋转切换打印头的双头3D打印机

技术领域

本发明涉及基于FDM熔融沉积技术的3D打印机，尤其是一种可旋转切换打印头的双头3D打印机。

背景技术

FDM熔融沉积3D打印技术是目前应用最广泛的一种技术，很多消费级3D 打印机都是采用的这种打印工艺，它实现起来相对容易，成本也较低。FDM熔融沉积是加热头把热熔性材料（如ABS、PLA、尼龙、蜡等）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时快速凝固形成有轮廓形状的薄层。

对于复杂的中空零件、悬臂较长的零件，FDM熔融沉积打印过程中均需要对零件加以支撑，通过支撑材料使悬空的部分有一个附着的物体，避免悬空部分掉下来，这个支撑材料与零件本体有一个精确的位置关系。因此FDM熔融沉积打印技术发展出了双打印头的3D打印机，一个打印头打印零件的本体材料，另一个打印头打印容易清理的支撑材料，支撑材料一般为水溶性材料、或低温热熔型材料等。现有的基于FDM熔融沉积技术的双头3D打印机的结构是将两个出丝头并列装在在一起、高度方向一致，两个出丝头按程序交替出丝，软件实现起来比较容易。

这种基于FDM熔融沉积技术的双头3D打印机在一定程度上解决了打印时支撑本体材料的问题，但同时也带来一些新的问题。首先，由于打印过程中两个出丝头高度一致，会分别与已成型的表面发生接触性碰撞，虽然精度影响不大，但会破坏已生成的表面，严重的情况会把没做完的零件碰下来，使打印不能继续进行。其次，在打印中不工作的出丝头在高温的作用下，出丝口多少会有少量打印材料堆积，打印过程中也会涂到已成型的表面上，严重影响了工件的表面质量。

因此，目前亟需开发一种基于FDM熔融沉积技术的双头3D打印机，以解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，通过旋转切换打印头，使两个打印头可上下可调高度，确保打印时工作的出丝头在最低位置，不工作的出丝头在最高位置，避免出丝头对工件的碰撞干涉或影响工件表面质量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：它包括固定板、设置在所述固定板上的安装板、并列安装在所述安装板上的第一打印头和第二打印头；所述固定板上设置有固定转轴，所述安装板以所述固定转轴的轴心线为转动中心线可转动地连接在所述固定转轴上；所述第一打印头位于所述固定转轴的下方左侧，所述第二打印头位于所述固定转轴的下方右侧；所述双头3D打印机还包括驱动所述安装板沿所述固定转轴旋转的驱动机构。

优选地，所述第一打印头和所述第二打印头左右对称设置，所述第一打印头包括可转动调整地连接在所述安装板上的第一连接座、连接在所述第一连接座的上端的第一穿丝头和连接在所述第一连接座的下端的第一出丝头；所述第二打印头包括可转动调整地连接在所述安装板上的第二连接座、连接在所述第二连接座的上端的第二穿丝头和连接在所述第二连接座的下端的第二出丝头。

在一些具体实施方式中，所述驱动机构包括横杆、驱动所述横杆的驱动装置，所述横杆沿自身轴向可左右移动地设置，所述横杆的左端设有驱动所述安装板逆时针转动的左楔形块，所述横杆的右端设有驱动所述安装板顺时针转动的右楔形块，所述安装板的左侧上端设有与所述左楔形块相对应的左抵顶部，所述安装板的右侧上端设有与所述右楔形块相对应的右抵顶部。

具体地，在第一实施例中，所述横杆为驱动铁芯，所述驱动装置为电磁线圈，所述驱动铁芯可沿自身轴向左右移动地贯穿在所述电磁线圈中。

具体地，在第二实施例中，所述横杆为活塞杆，所述驱动装置为双作用气缸，所述活塞杆可沿自身轴向左右移动地贯穿在所述电磁线圈中。

在另一些具体实施方式中，所述驱动机构包括至少一个驱动所述安装板的换向电磁装置，每个所述换向电磁装置包括换向电磁线圈及可上下运动地设置在所述电磁线圈中的电磁铁芯，所述电磁铁芯与所述安装板相连接。

具体地，在第三实施例中，所述驱动机构的换向电磁装置的数量为一个，所述换向电磁装置固定在所述固定板上并位于所述安装板的一侧上方，所述驱动机构还包括弹性复位装置，所述弹性复位装置位于所述安装板的另一侧上方，所述弹性复位装置连接所述固定板和所述安装板。

优选地，所述弹性复位装置包括限位杆以及套设在所述限位杆上的弹簧。

具体地，在第四实施例中，所述换向电磁装置的数量为两个，其中一个所述换向电磁装置位于所述安装板的左侧上方，另一个所述换向电磁装置位于所述安装板的右侧上方，两个所述换向电磁装置的电磁铁芯呈平行反向运动设置。

本发明的工作原理为：在打印时，通过驱动机构驱动安装板沿固定转轴顺时针或逆时针转动，当安装板顺时针转动时，固定转轴的左侧下方的第一打印头的高度高于固定转轴的右侧下方的第二打印头，第二打印头处于出丝打印的工作状态；当安装板逆时针转动时，第二打印头的高度大于第一打印头的高度，第一打印头处于出丝打印的工作状态；这样通过旋转而实现双打印头的相对上下调节，确保工作状态的打印头的高度在较低位置，不工作状态的打印头在较高位置，通过双打印头之间的高度差，克服现有技术中双打印头处于同一高度时存在的问题。

由于采用上述技术方案，本发明通过驱动机构驱动旋转的安装板，实现了使双打印头可相对上下可调高度的结构，始终保证工作的打印头在较低位置，不工作的打印头在较高位置，这样不工作的打印头就不会影响已成型工件的表面，也就解决了现有技术中基于FDM熔融沉积技术的双头3D打印机因双打印头始终处于同一高度而导致的打印质量差的问题。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的结构示意图。

图2为本发明第二种实施例的结构示意图。

图3为本发明第三种实施例的结构示意图。

图4为本发明第四种实施例的结构示意图。

附图中：1-固定板；11-固定转轴；2-安装板；21-左抵顶部；22-右抵顶部；3-第一打印头；31-第一出丝头；32-第一连接座；33-第一穿丝头；4-第二打印头；41-第二出丝头；42-第二连接座；43-第二穿丝头；5-电磁线圈；6-驱动铁芯；61-左楔形块；62-右楔形块；7-双作用气缸；71-活塞杆；72-第一气管；73-第二气管；8-换向电磁装置；81-换向电磁线圈；82-电磁铁芯；9-弹性复位装置；91-限位杆；92-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例一

请参阅图1，一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，它包括固定板1、可转动地连接在固定板1上的安装板2、并列安装在安装板2上的第一打印头3和第二打印头4。

固定板1上设置有固定转轴11，本实施例中的固定转轴11的轴向沿水平方向设置。安装板2以固定转轴11的轴心线为转动中心线可转动地连接在固定转轴11上。第一打印头3位于固定转轴11的下方左侧，第二打印头4位于固定转轴11的下方右侧。第一打印头3和第二打印头4以固定转轴11的轴心所在的竖直直线为对称中心线左右对称设置。

第一打印头3包括可转动调整地连接在安装板2上的第一连接座32、连接在第一连接座32的上端的第一穿丝头33和连接在第一连接座32的下端的第一出丝头31。第一出丝头31和第一穿丝头33位于同一安装中心线上。第一连接座32可绕转轴321转动调整安装角度，并通过上连接件和下连接件固定。

第二打印头4包括可转动调整地连接在安装板2上的第二连接座42、连接在第二连接座42的上端的第二穿丝头43和连接在第二连接座42的下端的第二出丝头41。第二出丝头41和第二穿丝头43位于同一安装中心线上。第二出丝头41和第二穿丝头43位于同一轴心线上。第二连接座42可绕转轴421转动调整安装角度，并通过上连接件和下连接件固定。

第一打印头3和第二打印头4的安装中心线之间具有相对安装夹角，本实施例中该相对安装夹角为4°。

所述双头3D打印机还包括驱动安装板2沿固定转轴11旋转的驱动机构。该驱动机构包括沿水平方向设置在固定板1上的电磁线圈5、由电磁线圈5驱动沿水平方向左右移动的驱动铁芯6。电磁线圈5为通电线圈，通电后利用电磁原理带动驱动铁芯6左右移动。驱动铁芯6的左端设有驱动安装板2围绕固定转轴11逆时针转动的左楔形块61，驱动铁芯6的右端设有驱动安装板2围绕固定转轴11顺时针转动的右楔形块62。相应地，安装板2的左侧上端设有与左楔形块61相对应的左抵顶部21，安装板2的右侧上端设有与右楔形块62相对应的右抵顶部22。当驱动铁芯6向左移动时，通过左楔形块61下端的斜面推动安装板2的左抵顶部21，从而带动安装板2逆时针转动，当驱动铁芯向右移动时，通过右楔形块62下端的斜面推动安装板2的右抵顶部22，从而带动安装板2顺时针转动。

其中，左楔形块61和右楔形块62采用高分子有机材料制成，具有耐磨、重量轻、惯性小、减震性能好、工作平稳的优点。

驱动铁芯6在初始状态下，处于中间位置，其左右两端伸出的长度相同。驱动铁芯6移动到左端位置时，左楔形块61向左伸出到最左端，右楔形块62向左收回。驱动铁芯6移动到右端位置时，左楔形块61向右收回，右楔形块62向右伸出到最右端。

与驱动铁芯6的中间位置、左端位置和右端位置相对应，安装板2具有第一工作位置、第二工作位置和第三工作位置。安装板2在第一工作位置时，驱动铁芯6位于中间位置，安装板处2于水平位置，第一出丝头31和第二出丝头41位于同一高度上。安装板2在第二工作位置时，驱动铁芯6水平移动至最左端，安装板2沿逆时针转过第一固定角度，第二出丝头41的高度大于第一出丝头31的高度。安装板2在第三工作位置时，驱动铁芯6水平移动至最右端，安装板2沿顺时针转过第二固定角度，第一出丝头41的高度大于所述第二出丝头的高度。

利用电磁原理带动驱动铁芯6快速地左右移动，从而带动安装板2旋转，进而带动第一出丝头31和第二出丝头41围绕固定转轴11做左右摆动的摆线运动，实现了两个出丝头的相对上下切换，解决了打印机出丝头频繁快速上下切换问题，而且始终保持工作中的出丝头处于最低位置，不工作的出丝头位于最高位置。采用这种结构，使双打印头切换快速，打印效率更高。

本实施例中，上述第一固定角度和所述第二固定角度相同，均为1.2度。即驱动铁芯6在电磁线圈5作用下左右移动时，安装板2围绕固定转轴11左右摆动的角度均是1.2°。而且安装板2在第一工作位置和第二工作位置时，第一出丝头31和第二出丝头41之间的高度差相同。为了确保工作中的出丝头处于最低位置，不工作的出丝头处于最高位置，且不工作的出丝头不会与已成型的工件干涉，不影响工件的表面，安装板2在第一工作位置和第二工作位置时，第一出丝头和第二出丝头之间的高度差均大于或者等于0.5mm，从而解决了现有技术双头3D打印机的打印质量问题。在本实施例中，该高度差为0.7mm。

本实施例中，通过安装板2围绕固定转轴11左右摆动的角度，与第一出丝头3和第二出丝头4之间的相对安装角度，两者相配合，确保当安装板2转动后，处于工作中的出丝头的轴心线处于竖直位置。如图所示，两个打印头装配夹角为4°，单边最大摆动角度各为2°，摆动后，处于较低位置的工作中的出丝头垂直于工作台，两个出丝头的中心距也是预设的固定常数。

工作时，图中所示的固定板1安装在导轨上沿水平方向运动，用层积的方法打印工件，切换出丝头打印时，电磁线圈5接通电源，驱动铁芯6带动左楔形块61和右楔形块62向左或向右运动，在楔形块的推动下安装板2带动第一出丝头31和第二出丝头42围绕固定转轴11转动，同时第一打印头3和第二打印头4相对移动调整第一出丝头31和第二出丝头41的中心间距，实现两个出丝头的切换。如图中所示，当安装板2顺时针转过1.2°，后，第二出丝头41的轴心线处于竖直位置，此时第一出丝头31的高度大于第二出丝头41，高度差为0.7mm，完全能够满足双头3D打印机双出丝的工作要求。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：

（1）双出丝头上下运动的复杂结构利用双打印头围绕同一固定转轴转动的方式解决，使结构变得简单易行，体积可以做到很小、重量很轻、工作可靠。

（2）利用电磁原理实现驱动机构，控制更容易实现，而且电磁驱动力大，驱动力稳定，驱动机构本身具有重量轻、结构简单、冲击力小、无噪声、能频繁换向、寿命长、动作可靠等优点。电磁线圈带动驱动铁芯运动速度快、位置准确，可长时间保持磁力、发热小。

（3）利用具有楔形块和抵顶部的斜面配合原理实现小位移驱动，而且楔形块和抵顶部的接触面不脱离、无冲击，运动过程无间隙，位置重复性好。

（4）楔形块采用高分子有机材料，具有摩擦系数低、耐磨性好、重量轻、惯性小、减震性好、工作平稳等优点。

（5）双打印头实现了摆动运动，带动两个出丝头左右摆动，两个出丝头有了高度差，少量留在不工作的出丝头的材料不会再涂到已成型工件的表面上，工件表面干净美观，打印质量更好。

实施例二

如图2所示，本实施例的基本结构与实施例一相同，区别在于：将电磁线圈5替换为双作用气缸7，双作用气缸7横向设置，其内设有可沿自身轴向左右移动的活塞杆71。左楔形块61安装在活塞杆71的左端，右楔形块安装在活塞杆71的右端。双作用气缸7的左右两侧分别设有第一气管72和第二气管73，通过外部供气装置的气源分别给第一气管72和第二气管73供气，在双作用气缸7的作用下，推动活塞杆71左右移动，从而可驱动安装板2逆时针或者顺时针转动，达到左右摆动切换打印头进行打印的技术效果。

本实施例中，如图2所示，安装板2顺时针转动1.4°时，第一出丝头31和第二出丝头41的高度差为0.8毫米，完全能够满足3D打印机的双出丝头的打印要求。

采用这种双作用气缸7的驱动机构具有与实施例一同样的优点，同时具有重量轻、惯性小的特点，通过节流阀可以控制活塞杆71的移动速度，从而控制左楔形块61和右楔形块62的移动速度，能够减少冲击与振动。

实施例三

如图3所示，本实施例与实施例一的区别在，驱动机构包括安装在固定板1右侧的换向电磁装置8，换向电磁装置8包括换向电磁线圈81及可上下运动地设置在换向电磁线圈81中的电磁铁芯82，电磁铁芯82的与安装板2的右侧上端相连接。所述驱动机构还包括安装在安装板2的左侧上方的弹性复位装置9，弹性复位装置9包括一端固定在安装板2上的限位杆91，限位杆91的上端和固定板1之间套设有弹簧92。

切换打印头打印时，换向电磁线圈81接通电源，电磁铁芯82向上运动，带动安装板2逆时针旋转，换向电磁线圈81失电时，安装板2在弹簧92弹性作用下顺时针旋转复位，从而带动安装在安装板2上的两个打印头3、4绕固定转轴11快速摆动，实现两个出丝头31、41的工作状态的切换。

本实施例中，如图3所示，图示状态为安装板2逆时针摆动1.3°时，两个出丝头31、41的高度差为0.8毫米，完全能够满足3D打印机双出丝的工作要求。本实施例中安装板2的极限摆动角度最大为2°，两个出丝头31、41最大高度差为1.3毫米。而两个出丝头31、41的高度差实际需要0.5毫米即可满足打印要求。

采用本实施例的驱动机构，能够实现与实施例一和实施例二相同的技术效果。

实施例四

如图4所示，本实施例与实施例三的区别在于：驱动机构包括两个换向电磁装置8，其中一个换向电磁装置8位于安装板2的左侧上方，另一个换向电磁装置8位于安装板2的右侧上方，两个换向电磁装置8的电磁铁芯82呈平行反向运动设置。两个换向电磁装置8只要其中一个通电，就可以带动安装板2沿固定转轴11旋转摆动。

当左侧的换向电磁装置8的换向电磁线圈81通电时，左侧的电磁铁芯82向上运动，带动安装板2顺时针旋转，右侧的换向电磁装置8的电磁铁芯82在安装板2的带动下向下运动，此时第二出丝头41处于工作状态。需要切换出丝头时，左侧的换向电磁装置8的环形电磁线圈81断电，右侧的换向电磁装置的换向电磁线圈81通电，右侧的电磁铁芯82向上运动，带动安装板2逆时针旋转，左侧的换向电磁装置8的电磁铁芯82在安装板2的带动下向下运动，此时第一出丝头31处于工作状态。再次切换时，则右侧的换向电磁线圈81断电，左侧的换向电磁线圈81通电，如此交替反复。

如图4所示，图示状态为安装板2逆时针摆动1.9°时，两个出丝头31、41的高度差为1.2毫米，完全能够满足3D打印机双出丝的工作要求。因此，本实施例通过两个换向电磁装置8的协同工作，也能够实现双打印头的旋转切换，实现与实施例一、二、三相同的技术效果。

Claims (9)

1.一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：它包括固定板、设置在所述固定板上的安装板、并列安装在所述安装板上的第一打印头和第二打印头；所述固定板上设置有固定转轴，所述安装板以所述固定转轴的轴心线为转动中心线可转动地连接在所述固定转轴上；所述第一打印头位于所述固定转轴的下方左侧，所述第二打印头位于所述固定转轴的下方右侧；所述双头3D打印机还包括驱动所述安装板沿所述固定转轴旋转的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述第一打印头和所述第二打印头左右对称设置，所述第一打印头包括可转动调整地连接在所述安装板上的第一连接座、连接在所述第一连接座的上端的第一穿丝头和连接在所述第一连接座的下端的第一出丝头；所述第二打印头包括可转动调整地连接在所述安装板上的第二连接座、连接在所述第二连接座的上端的第二穿丝头和连接在所述第二连接座的下端的第二出丝头。

3.根据权利要求1或2所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述驱动机构包括横杆、驱动所述横杆的驱动装置，所述横杆沿自身轴向可左右移动地设置，所述横杆的左端设有驱动所述安装板逆时针转动的左楔形块，所述横杆的右端设有驱动所述安装板顺时针转动的右楔形块，所述安装板的左侧上端设有与所述左楔形块相对应的左抵顶部，所述安装板的右侧上端设有与所述右楔形块相对应的右抵顶部。

4.根据权利要求3所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述横杆为驱动铁芯，所述驱动装置为电磁线圈，所述驱动铁芯可沿自身轴向左右移动地贯穿在所述电磁线圈中。

5.根据权利要求3所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述横杆为活塞杆，所述驱动装置为双作用气缸，所述活塞杆可沿自身轴向左右移动地贯穿在所述电磁线圈中。

6.根据权利要求1或2所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述驱动机构包括至少一个驱动所述安装板的换向电磁装置，每个所述换向电磁装置包括换向电磁线圈及可上下运动地设置在所述换向电磁线圈中的电磁铁芯，所述电磁铁芯与所述安装板相连接。

7.根据权利要求6所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述驱动机构的换向电磁装置的数量为一个，所述换向电磁装置固定在所述固定板上并位于所述安装板的一侧上方，所述驱动机构还包括弹性复位装置，所述弹性复位装置位于所述安装板的另一侧上方，所述弹性复位装置连接所述固定板和所述安装板。

8.根据权利要求7所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述弹性复位装置包括限位杆以及套设在所述限位杆上的弹簧。

9.根据权利要求6所述的一种可旋转切换打印头的双头3D打印机，其特征在于：所述换向电磁装置的数量为两个，其中一个所述换向电磁装置位于所述安装板的左侧上方，另一个所述换向电磁装置位于所述安装板的右侧上方，两个所述换向电磁装置的电磁铁芯呈平行反向运动设置。