CN104401007B - 一种三维彩色喷墨增材打印机 - Google Patents

Abstract

本发明的一种三维彩色喷墨增材打印机，包括连续打印控制系统，编码程序控制系统，打印控制装置，伺服电机驱动组，融料控制装置，加热机构，旋转装置，自由度喷头组件，左驱动齿轮机构，右驱动齿轮机构，喷头，行星齿轮机构，弧形平台，左移电驱动装置，右移电驱动装置，自由度平台系统，由于设置了连续打印控制系统、自由度平台系统和喷头，解决了现有技术存在的在三维分层打印时因系统设计不合理导致的打印堆胶、卡位，不能连续打印和自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题，实现了在弧形平台上作自由度的快速打印增材成型介质和喷墨着彩模型。

Description

一种三维彩色喷墨增材打印机

技术领域

本发明属于三维打印机技术领域，特别涉及一种三维彩色喷墨增材打印机。

背景技术

公知的三维彩色喷墨增材打印机，很多人一定会认为，这是一个非常新的技术，但是事实上并不是这样。三维彩色喷墨增材打印机技术的历史，并不比喷墨打印短多少，它诞生于1986年。将数字化的3D图形转化成为物理实物，这一想法最早是由美国人查尔斯.豪尔申请的专利(美国专利4573330)，其原理为立体光刻造型，这一技术后面我们会有详解。需要指出的是，这个豪尔先生，同时也是3DSystems公司的创始人，并且推出了第一款工业化的三维彩色喷墨增材打印机设备。在八十年代术期，3D System公司的设备以及流行起来。但是在同期，出现了另外两种可以3D成型的技术：熔融沉积成型与选择性激光烧结。FDM技术1988年由斯科特克鲁姆普发明，在次年商业化这一技术，并与1992年售出了第一台基于熔融沉积成型技术的三维彩色喷墨增材打印机产品。同在1992年，DTM公司也把基于选择性激光烧蚀技术的产品推向市场。

在1993年，美国麻省理工学院申请了一种新的三维彩色喷墨增材打印技术，这是一种依赖已有喷墨技术的三维成型技术，取得了麻省理工学院的专利授权，并在1995年推出了第一款产品。此后的十余年，是三维彩色喷墨增材打印机的发展时期，各个公司都在努力的去降低三维彩色喷墨增材打印机的成本。在2005年，ZCorp推出了一款里程碑意义的三维彩色喷墨增材打印机机产品，这是第一款能够进行高分辨率彩色三维彩色喷墨增材打印机的产品。在2006年，发生三维彩色喷墨增材打印机界的另外一个标志事件。一个名叫Reprap的开源三维彩色喷墨增材打印机计划公布出来，这一行为，让三维彩色喷墨增材打印机，在很多领域，不再有专利的束缚，普通人自己也可以进行三维彩色喷墨增材打印机开发。不过目前基于此开源计划的三维彩色喷墨增材打印机设备能打印的物体个头还都比较小。但是这一技术却非常受欢迎，仅仅四年内，就已经发展出了一个相当复杂的产品族谱。在淘宝上，一个能打印12厘米见方的三维彩色喷墨增材打印机机，只要四千元，可以说已经相当的便宜，有兴趣也可以自己买一个，在家就能进行3D成型工作，不过需要指出的是三维彩色喷墨增材打印机机个头偏大，体积与以前的29寸彩电占用的空间差不多，甚至还要大一些。主流技术：SLA与FDM立体光刻造型可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把三维的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。立体光刻造型技术优缺点，其优点：精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米，缺点：可以使用的材料有限，并且不能多色成型，熔融沉积成型熔融沉积成型技术，同样是需要把三维的模型薄片化，但是成型的原理不一样。学过高等数学的朋友都知道积分，熔融沉积成型技术，就是把材料用高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。1，喷嘴；2，沉积材料；3，可以多方向移动的平台熔融沉积成型其技术优点：成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型。缺点：成型后表面粗糙，其它主要三维彩色喷墨增材打印机技术选择性激光烧结选择性激光烧结技术，是把三维模型薄片化之后，在一个容器内，让其充满待烧结的材料粉末，这些粉末可以做的很细，然后由大功率的二氧化碳激光，选择最底层的三维切片形状开始烧结，然后平台下移，材料辊则在已经烧结的部分基础之上，再铺上薄薄的一层材料粉术烧结，如此往复，直到整体成型。选择性激光烧结其，技术优点：材料的强度非常高，可选材料从金属到聚苯乙烯等等，可选材料范围非常广泛。缺点：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。另外三维打印技术和我们今天使用的2D喷墨打印机类似，一样是通过多个喷嘴，喷射成型材料来逐层打印三维实物。其成型材料分为两种，一种是成型用的粉末，另外一种是粘接剂，粘接剂可以很快的固化。三维打印技术优点：成型精度高，可以彩色成型，缺点：成型表面粗糙，材料强度差，成型后表面细节差这是最近才发明的技术，其中Polyjet矩阵是ObjectGeomatries公司2007年发布的。其技术原理是喷射超薄层的光固化物，并且可以喷射多种不同的材料，其最薄的层，只有16微米。其技术优点在于：成型精确、表面光滑、细节丰富、可以彩色成型。缺点：成型材料强度低，另外不可或缺的三维扫描，如果要进行三维彩色喷墨增材打机，必须有数字化的三维模型才行。除了使用CAD等三维设计软件进行三维建模以外，必须有一种方法，把实物通过扫描的办法，形成数字化的三维模型，那就是三维扫描仪。常见的三维扫描仪有两种，一种是接触式的，一种是非接触式的。目前非接触式的面状光栅三维扫描仪是市场上的重点产品，这是结构光技术、相位测量技术和计算机视觉技术的组合。特点是速度快，精度高(0.03毫米)可扫描的物体体积大。考古与医学应用，众所周知，很多文物非常的珍贵，所以不可能经常的搬动，三维彩色喷墨增材打印机技术，则可以复制这些文物，比如陶瓷器、青铜器等，用户可以知道其准确的三维形状，这对于提高文物的鉴赏水平是有帮助的，因为在某个特定历史时期，只会有一些特定的器形。在古生物学领域，可以通过三维彩色喷墨增材打印机来复制整个古生物的骨架和造型。中国是个文物大国，但是在历次战乱中，大量的中国文物去了国外，尤其是佛教的造像，很多都身首分离，身子还在国内，但是头首却要么被抢劫，要么被盗卖到了国外，通过三维彩色喷墨增材打印机技术，则可以对两部分分别进行三维扫描，通过计算机技术拼接成整个佛教造像，再三维彩色喷墨增材打印机出来，形成完整的形状，还原历史的原貌。三维彩色喷墨增材打印机的医学应用很多，主要是复杂的手术和牙科。人体本身结构的复杂往往超出我们的想象，有时候外科医生，对一些复杂的手术，往往只能通过CT、核磁共振等医学影像学资料进行可能的判断，进而进行手术，但是有的时候，复杂程度超出想象，手术成功率低。三维彩色喷墨增材打印机技术，可以利用已有的医学影像资料，先打印一个三维的病人模型出来，通过在模型上进行模拟，进而确定可行的手术方案。牙医是另外一个三维应用的热门领域。在欧美，牙医之所以收入高，是因为这是一个需要凭借经验的工作，很多人在镶牙的时候，都咬过齿模，牙医再凭借经验进行修正。但是如果对患者的口腔进行三维扫描和三维建模、打印，那么就能够很高精度的打印出病人的口腔结构，进行帮助牙医制造出准确的假牙。另外在建筑、工业等领域应用，如果不是建筑学专业的人，恐怕没有几个人能够在看建筑图纸的时候就在头脑中构想出建筑物的三维形状。而通过人手工制作建筑模型则往往成本很高，因为欧美国家人工很贵。而通过三维彩色喷墨增材打印机技术，则可以很容易、很快的就能在短时间内打印出一个建筑模型，即便客户有修改意见，同样可以短时间内就完成一个的模型，提高设计阶段的效率。工业是三维彩色喷墨增材打印机应用的核心领域。现如今工业设计非常非常重要，往往是一款产品成败的关键。在从设计到产品化的过程当中，三维彩色喷墨增材打印机技术的参与，加速了工业设计的步伐，因为三维彩色喷墨增材打印机技术能够快速的实现工业设计的实物化，尤其是汽车等领域，现在已经可以打印出很大的实物，而实物化是设计必不可少的一步，可以让无论是设计师还是企业的决策者非常直观的看到产品的形状，进而做出是否量产的决策。当然，由于选择性激光烧结等技术的存在，还能够进行小批量的生产，因为这一技术可以成型金属，有些时候小批量的三维彩色喷墨增材打印，在成本上是优于数字机床切削或是开模铸造、冲压的。在电影中，我们看到过很多演员扮演的类人形的怪物，传统上，诸如好莱坞这样的制片基地，都是通过手工技术来进行这些特殊的造型，但是现如今已经基本都是三维彩色喷墨增材打印模型的天下，很方便就能打印出一个个性化的怪物头套和全身装备，效果可以乱真。个人制作物体三维Catch本来是Autodesk公司AutoCAD的一个插件，现如今iPhone上也可以用，通过多角度拍摄同一物体，就能生成三维的数据。类似的应用还有Trimensiona等等，有了这些数字化的文件，个人用户有两个选择，其一就是去买一个三维彩色喷墨增材打印机，如前文所述，一台大约4000元左右，可以打印大约十厘米见方内的三维实物，当然也可以把数字文件发送给专门的成型公司，他们会打印出来然后邮寄给用户，当然这服务是收费的，目前这种网站有一些，不过服务对象基本都是欧美，邮递到国内价格不低。三维彩色喷墨增材打印机，打印的未来，三维彩色喷墨增材打印机这个词如今越来越热，并且很快的在全球范围内得到了应用。笔者在广东调查了解，如今广东三维彩色喷墨增材打印机一个模型出来，收费大约在500元左右，对于产品的开发成本来说，并不算高昂，现如今4000块左右可以买到的三维彩色喷墨增材打印机，能自己成型小的产品或是零件。相比二维打印，每年几百亿乃至上千亿美元的市场来说，三维彩色喷墨增材打印机每年的市场空间只有几亿到十几亿美元，还是一个孕育中的市场。不过2011年2月的经济学家杂志说道“三维彩色喷墨增材打印机技术可以廉价的成型从单品到成千上万个产品，进而破坏规模经济，正如那些三维彩色喷墨增材打印机公司所做到的那样，正如1450年的印刷术、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管，当时没有人能正确的预见他们在未来广阔的应用前景，没有人能预测三维彩色喷墨增材打印机技术的长期影响。三维彩色喷墨增材打印机技术已经到来了，它可能在未来破坏每一个它所触及的领域。”但是我们看到，对于Stratasys、3D Systems等公司的发展壮大，传统的打印业巨头们都采取了按兵不动的观望状态。对于这些巨头来说，一来传统的二维打印业务目前市场还足够大，二来，这些三维彩色喷墨增材打印机公司对这些500强企业来说还足够小，一旦这些传统的打印巨头提起兴趣，在资本市场进行收购，并不是不可能，为此，本公司结合国内外行业特点和现有技术，开发成功一种三维彩色喷墨增材打印机。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适用三维打印性能要求的三维彩色喷墨增材打印机。

为了实现上述主要目的，本发明提供的一种三维彩色喷墨增材打印机，主要由连续打印控制系统、自由度平台系统和喷头三大系统组成，包括连续打印控制系统，编码程序控制系统，打印控制装置，伺服电机驱动组，融料控制装置，加热机构，旋转装置，自由度喷头组件，左驱动齿轮机构，右驱动齿轮机构，喷头，行星齿轮机构，弧形平台，左移电驱动装置，右移电驱动装置，自由度平台系统，本发明具体方案在于连续打印控制系统与编码程序控制系统连接伺服电机驱动组，并由伺服电机驱动组与打印控制装置的旋转装置联接后与自由度喷头组件联动右驱动齿轮机构带动喷头右旋作连续自由度打印。

本发明另一个具体的方案为：在该连续打印控制系统与编码程序控制系统连接后通过伺服电机驱动组连接驱动自由度喷头组件与左驱动齿轮机构联动喷头作左旋自由度连续打印，该连续打印控制系统还包括未示出的在系统内设置打印系统装置和融料控制系统使驱动旋转机构及驱动供料装置联动保障对三维彩色喷墨增材打印机的连续打印控制，较好地解决打印机三维分层打印时因系统设计不合理导致的打印堆胶、卡位，不能连续打印的弊端。

本发明一个更具体的方案为，上述该连续打印控制系统经自由度平台系统并由自由度平台系统连接左移电驱动装置联动行星齿轮机构对弧形平台作左180度的自由旋转移动，该连续打印控制系统还包括行星齿轮机构和没示出伺服电机同步联动伺服电机主轴齿合的平台左右移转换轮及其使弧形平台作左右弧度的移动的联动结构，其设计特点在于左右电机组通过左右移驱动轮上的左右轮带连接平台左右移转换轮与行星齿轮机构共同作用于弧形平台作左右弧度的移动，实现三维彩色喷墨增材打印机能在弧形平台上作自由度的快速打印增材成型介质和喷墨着彩模型。

本发明另一个更具体的方案为，上述该自由度平台系统另一端与右移电驱动装置连接后联动行星齿轮机构对弧形平台作右180度的自由旋转移动。

本发明另一个更具体的方案为，上述该弧形平台是与打印喷头同步联动并提供能够将弧度平台移动360度的左右弧度给喷头在弧度平台上打印增材成型介质和喷墨着彩模型。

本发明再一个更具体的方案为，上述喷头是包括未示出的马达驱动齿轮组件、同步轮带系统、加热融器件及推进机构组成的一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，该喷头既能有效均匀对热融材料进行热融，又能从根本上解决三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

本发明再一个更具体的方案为，上述连续打印控制系统是一种三维彩色喷墨增材打印机的总控制系统，是由连续打印控制系统同步联动喷头和自由度平台系统再联动其它组构件的。

本发明的有益效果在于：由于在三维彩色喷墨增材打印机内设置了连续打印控制系统、自由度平台系统和喷头，解决了现有技术存在的三方面弊端，1、较好地解决打印机三维分层打印时因系统设计不合理导致的打印堆胶、卡位，不能连续打印的弊端。2、实现三维彩色喷墨增材打印机能在弧形平台上作自由度的快速打印增材成型介质和喷墨着彩模型。3、从根本上解决三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

附图说明

图1是本发明的一种三维彩色喷墨增材打印机的示意图。

图示说明：连续打印控制系统1，编码程序控制系统2，打印控制装置3，伺服电机驱动组4，融料控制装置5，加热机构6，旋转装置7，自由度喷头组件8，左驱动齿轮机构9，右驱动齿轮机构10，喷头11，行星齿轮机构12，弧形平台13，左移电驱动装置14，右移电驱动装置15，自由度平台系统16。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

第一实施例

参见图1，本发明一种三维彩色喷墨增材打印机，主要由连续打印控制系统、自由度平台系统和喷头三大系统组成，包括连续打印控制系统1，编码程序控制系统2，打印控制装置3，伺服电机驱动组4，融料控制装置5，加热机构6，旋转装置7，自由度喷头组件8，左驱动齿轮机构9，右驱动齿轮机构10，喷头11，行星齿轮机构12，弧形平台13，左移电驱动装置14，右移电驱动装置15，自由度平台系统16，连续打印控制系统1与编码程序控制系统2连接伺服电机驱动组4，并由伺服电机驱动组4与打印控制装置3的旋转装置7联接后与自由度喷头组件8联动右驱动齿轮机构10带动喷头11右旋作连续自由度打印，该连续打印控制系统1还与编码程序控制系统2连接后通过伺服电机驱动组4连接驱动自由度喷头组件8与左驱动齿轮机构9联动喷头11作左旋自由度连续打印。

第二实施例。

作为对本发明第二实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，本例一种三维彩色喷墨增材打印机的连续打印控制系统1还包括未示出的在系统内设置打印系统装置和融料控制系统使驱动旋转机构及驱动供料装置联动保障对三维彩色喷墨增材打印机的连续打印控制，较好地解决打印机三维分层打印时因系统设计不合理导致的打印堆胶、卡位，不能连续打印的弊端。

第三实施例

作为对发明第三实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，本例一种三维彩色喷墨增材打印机的连续打印控制系统1另包括行星齿轮机构和没示出伺服电机同步联动伺服电机主轴齿合的平台左右移转换轮及其使弧形平台作左右弧度的移动的联动结构，其左右电机组通过左右移驱动轮上的左右轮带连接平台左右移转换轮与行星齿轮机构共同作用于弧形平台作左右弧度的移动，实现三维彩色喷墨增材打印机能在弧形平台上作自由度的快速打印增材成型介质和喷墨着彩模型。

第四实施例

作为对本发明第四实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，其中连续打印控制系统1与编码程序控制系统2连接后，将三维打印材料由融料控制装置5进入加热机构6后并经自由度喷头组件8提供给喷头11打印。

第五实施例

作为对本发明第五实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，其连续打印控制系统1经自由度平台系统16并由自由度平台系统16连接左移电驱动装置14联动行星齿轮机构12对弧形平台13作左180度的自由旋转移动。

第六实施例

作为对本发明第六实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，其中喷头是包括未示出的马达驱动齿轮组件、同步轮带系统、加热融器件及推进机构组成的一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，该喷头11既能有效均匀对热融材料进行热融，又能从根本上解决三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

第七实施例

作为对本发明第七实施例的说明，以下仅对与第一实施例的不同之处进行说明，其中连续打印控制系统1同步联动喷头11和自由度平台系统16再联动其它组构件的。

前述具体实施方式仅为本发明众多实施方式的有限列举，因此，由本发明的设计思想延伸出的其他实施方式，尤其是结构排列布置方面的不脱离本发明设计思想的变化，均应认为是本发明权利要求所保护内容。

Claims (6)

1.一种三维彩色喷墨增材打印机，由连续打印控制系统、自由度平台系统和喷头三大系统组成，其装置包括连续打印控制系统(1)，编码程序控制系统(2)，打印控制装置(3)，伺服电机驱动组(4)，融料控制装置(5)，加热机构(6)，旋转装置(7)，自由度喷头组件(8)，左驱动齿轮机构(9)，右驱动齿轮机构(10)，喷头(11)，行星齿轮机构(12)，弧形平台(13)，左移电驱动装置(14)，右移电驱动装置(15)，自由度平台系统(16)，连续打印控制系统(1)与编码程序控制系统(2)连接伺服电机驱动组(4)，并由伺服电机驱动组(4)与打印控制装置(3)的旋转装置(7)联接后与自由度喷头组件(8)联动右驱动齿轮机构(10)带动喷头(11)右旋作连续自由度打印，其特征在于：连续打印控制系统(1)还与编码程序控制系统(2)连接后通过伺服电机驱动组(4)连接驱动自由度喷头组件(8)与左驱动齿轮机构(9)联动喷头(11)作左旋自由度连续打印。

2.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机，其特征在于：连续打印控制系统(1)与编码程序控制系统(2)连接后将三维打印材料由融料控制装置(5)进入加热机构(6)并经自由度喷头组件(8)提供给喷头(11)打印。

3.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机，其特征在于：在所述连续打印控制系统(1)经自由度平台系统(16)并由自由度平台系统(16)连接左移电驱动装置(14)联动行星齿轮机构(12)对弧形平台(13)作左180度的自由旋转移动。

4.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机，其特征在于：在所述连续打印控制系统(1)经自由度平台系统(16)并由自由度平台系统(16)连接右移电驱动装置(15)联动行星齿轮机构(12)对弧形平台(13)作右180度的自由旋转移动。

5.根据权利要求1至3任一项所述一种三维彩色喷墨增材打印机，其特征在于：所述弧形平台(13)是辅助打印喷头(11)提供360度的左右移动弧度平台给喷头(11)在平台上打印三维材料模型的。

6.根据权利要求1至3任一项所述一种三维彩色喷墨增材打印机，其特征还在于：所述连续打印控制系统(1)，是由连续打印控制系统(1)同步联动喷头(11)和自由度平台系统(16)再联动其它组构件的。