CN104625061B - 一种综合性数控3d打印设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型综合性数控3D打印设备及使用方法，包括工作台，所述工作台上设置有龙门架，其特征是：所述龙门架通过悬挂驱动机构一悬挂有激光烧结金属粉末喷头，所述龙门架通过悬挂驱动机构二悬挂有旋转塔，所述旋转塔上设置有挤出头，所述旋转塔的前端设置有切削头主轴电机，所述切削头主轴电机的输出轴连接加工刀具。本发明只用一套数控设备，即可执行增材制造及减材制造工艺，一机多用，降低数控设备的购置成本，可以做出以塑料，金属为原料的3D打印工艺成品，使用多角旋转塔机构，提供多材质塑料3D打印的工艺能力。

Description

一种综合性数控3D打印设备及使用方法

技术领域

本发明涉及数控加工设备领域，具体地讲，涉及一种综合性数控3D打印设备及使用方法。

背景技术

３D打印工艺（增材制造）有下述优势：1.由於不必开发成型模，所以.可以节约新产品开发成本，及节省开发时间；2. 一般成品需要的切削加工量较少，因而可减少材料的耗损；3. 几乎任何结构及外型的设计均可由3D打印工艺做出，设计人员因而有更多的设计自由度，可完全採用以产品的功能为主要考量的设计方案，4. 由於产品的设计不再受限於加工可行性的局限，凸显了选优设计的优点，设计人员能开发出有创意，重量轻，复杂形状，而功能优良的产品。

一般CNC 3D打印设备不是只使用塑料的3D打印机， 就是只使用金属粉、或陶瓷粉（非金属粉末）的3D打印机。以金属粉、或陶瓷粉（非金属粉末）为原料的3D打印成品， 表面粗燥， 精度不高，也就是说，现有的3 D打印设备设计，原料的选用没有弹性； 金属类或陶瓷类（非金属）的3D打印成品，精度不高。 没有CNC机加工（减材制造）的能力，不能进一步提高成品精度及表面光滑度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种综合性数控3D打印设备及使用方法，一机多用，可执行增材制造及减材制造的工艺，提高生产效率，降低数控设备的购置成本。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种综合性数控3D打印设备，包括工作台，所述工作台上设置有龙门架，其特征是：所述龙门架通过悬挂驱动机构一悬挂一组激光烧结金属粉末喷头构件，所述龙门架通过悬挂驱动机构二悬挂一个旋转塔，所述旋转塔上设置有挤出头，所述旋转塔的前端设置有切削头主轴电机，所述切削头主轴电机的输出轴连接加工刀具，所述悬挂驱动机构一包括支撑座一，所述支撑座一上端设置有激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机，所述激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机连接激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠，所述支撑座一内还设置有激光烧结金属粉末喷头Z向导轨，所述激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠连接激光喷头滑块，所述激光喷头滑块能够沿所述激光烧结金属粉末喷头Z向导轨上下移动，所述激光喷头滑块上连接所述激光烧结金属粉末喷头，所述悬挂驱动机构二包括支撑座二，所述支撑座二的上端设置有旋转塔Z向步进电机，所述旋转塔Z向步进电机的丝杠轴连接旋转塔Z向滑块，所述旋转塔Z向滑块环套在旋转塔Z向导轨上，所述旋转塔Z向滑块连接齿轮室，所述齿轮室内设置有旋转塔旋转驱动步进电机和旋转轴，所述旋转塔旋转驱动步进电机的输出轴上设置有蜗杆，所述旋转轴上设置有与所述蜗杆配合使用的涡轮齿，所述旋转轴通过轴承连接所述旋转塔。

作为对本技术方案的进一步限定，所述工作台上还设置有工件夹头。

作为对本技术方案的进一步限定，所述旋转塔为多面旋转塔，所述旋转塔的每个面均设置有所述挤出头。

作为对本技术方案的进一步限定，所述挤出头包括小型步进马达，所述小型步进马达上设置有塑料送料机构，所述塑料送料机构的下侧连接加热块，所述加热块连接温度传感器和喷头。

作为对本技术方案的进一步限定，所述龙门架的一端设置有X向步进电机，所述龙门架的另一端设置有打印材料存放机构，所述X向步进电机连接X向丝杠，所述X向丝杠的上下两侧设置有X向导轨，所述X向丝杠连接所述支撑座一和所述支撑座二，所述支撑座一和所述支撑座二能够沿所述X向导轨左右滑动。

作为对本技术方案的进一步限定，所述工作台的一端设置有龙门架Y向丝杠和龙门架Y向步进电机，所述工作台的两侧设置有配合所述龙门架滑动的Y向导轨。

作为对本技术方案的进一步限定，所述工件夹头包括顶针和工件三爪卡盘，所述顶针和工件三爪卡盘之间设置工件，所述工件三爪卡盘连接工件旋转控制机构。

一种采用所述的综合性数控3D打印设备的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）判断打印件的材料，如果是纯塑料件的3D打印，转步骤（2）；如果是金属粉末的3D打印件，转步骤（3）；如果是镶嵌件对接塑料3D打印工件，转步骤（4）；如果是镶嵌件对接金属3D打印工件，转步骤（5）；

（2）调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得旋转塔运转到适当位置，根据产品的要求，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，画出3D图形，就工件的状况，分层决定挤出头的运行路径，编译出专用的数控指令，控制旋转塔旋转，让不同材料或不同颜色塑料依设计方案挤出完成型，如果需要后加工，则操动加工刀具，完成精加工的工艺， 增加产品的精度及光滑度；

（3）如果是金属粉末的3D打印件，调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得激光烧结金属粉末喷头运转到适当位置，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，先画出3D图形，就工件的状况，分层决定喷头的运行路径后，编译出专用的数控指令，移动以高能量离子束或激光为热源的激光烧结金属粉末喷头，分层完成增材制工艺，做出成品，如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，用设备上已有的CNC数控减材加工刀具，完成加工工艺；

（4）如果有镶嵌件，先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得旋转塔运转到适当位置，根据产品的要求，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，画出3D图形，就工件的状况，分层决定挤出头的运行路径，编译出专用的数控指令，控制旋转塔旋转，在镶嵌件的表面完成3D打印的后续工艺，如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，用加工刀具完成加工工艺；

（5）如果是金属镶嵌件对接金属粉的3D打印工件，先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得激光烧结金属粉末喷头运转到适当位置，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，先画出3D图形，就工件的状况，分层决定喷头的运行路径后，编译出专用的数控指令，移动以高能量离子束或激光为热源的激光烧结金属粉末喷头，依偱上述的过程，在嵌入件的表面完成粉末3D打印的后续工艺；如需要后加工，则使用设备配有的加工主轴头完成精加工的工艺，旋转式的工件夹头，能够调整工件打印或者切削的角度，使得整个3D打印设备具有CNC四轴联动的减材制作能力，同时也具有CNC四轴联动的增材制作功能。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明用一套数控设备， 执行增材制造及减材制造的工艺，降低数控设备的购置成本。作为3D 打印机用时，可对塑料、金属粉原料进行增材制造工艺；至少是一机三用，挤出头装于一个多角旋转塔（六角）的斜面上，可同时使用多种塑料，完成3D打印的工艺使用一个高功率激光或高能量电子束为热源的金属粉末3D打印喷头，执行3D打印的工艺可达成复合式（镶嵌型）复合材料产品的增材制造生产，可以独立的完成CNC四轴联动的减材制作工艺，也可以和3D 打印工艺对接，提高完成品精度及光滑度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明 的主视图。

图3是本发明 的左视图。

图4是本发明的俯视图。

图5是本发明的旋转塔结构示意图。

图6是本发明 的挤出头结构示意简图。

图7是本发明的电气控制原理图。

图中，1- X向步进电机，2-X向丝杠，3-龙门架，4-激光烧结金属粉末喷头Z向导轨，5-激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机，6-激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠，7-X向导轨，8-切削头主轴电机，9-旋转塔Z向导轨，10-旋转塔Z向步进电机，11-旋转塔Z向丝杠，12-挤出头，13-旋转塔，14-打印材料存放机构，15-加工刀具，16-工件旋转控制机构，17-激光烧结金属粉末喷头，18-龙门架Y向导轨，19-工作台，20-龙门架Y向步进电机，21-龙门架Y向丝杠，22-齿轮室，23-顶针，24-工件，25-工件三爪卡盘，26-蜗杆，27-旋转塔旋转驱动步进电机，28-旋转塔Z向滑块，29-旋转轴，30-涡轮齿，31-轴承，32-小型步进马达，33-塑料送料机构，34-温度传感器，35-加热头，36-喷头，37、支撑座一，38、支撑座二，39、激光喷头滑块。

具体实施方式:

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-图7，本发明包括工作台19，所述工作台19上设置有龙门架3，所述龙门架3通过悬挂驱动机构一悬挂有激光烧结金属粉末喷头17，所述龙门架3通过悬挂驱动机构二悬挂有旋转塔13，所述旋转塔13上设置有挤出头12，所述旋转塔13的前端设置有切削头主轴电机8，所述切削头主轴电机8的输出轴连接加工刀具15。激光烧结金属粉末喷头17为现有技术的构件，在此不再赘述。

所述工作台19上还设置有工件夹头。

所述悬挂驱动机构一包括支撑座一37，所述支撑座一37上端设置有激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机5，所述激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机5连接激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠6，所述支撑座一37内还设置有激光烧结金属粉末喷头Z向导轨4，所述激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠6连接激光喷头滑块39，所述激光喷头滑块39能够沿所述激光烧结金属粉末喷头Z向导轨4上下移动，所述激光喷头滑块39上连接所述激光烧结金属粉末喷头17。

所述悬挂驱动机构二包括支撑座二38，所述支撑座二38的上端设置有旋转塔Z向步进电机10，所述旋转塔Z向步进电机10的旋转塔Z向丝杠11连接旋转塔Z向滑块28，所述旋转塔Z向滑块28环套在旋转塔Z向导轨9上，所述旋转塔Z向滑块28连接齿轮室22，所述齿轮室22内设置有旋转塔旋转驱动步进电机27和旋转轴29，所述旋转塔旋转驱动步进电机27的输出轴上设置有蜗杆26，所述旋转轴29上设置有与所述蜗杆26配合使用的涡轮齿30，所述旋转轴29通过轴承31连接所述旋转塔13。

所述旋转塔13为多面旋转塔，所述旋转塔13的每个面均设置有所述挤出头12，本优选实施例旋转塔13为六面旋转塔。

所述挤出头12包括小型步进马达32，所述小型步进马达32上设置有塑料送料机构33，所述塑料送料机构33的下侧连接加热块35，所述加热块35连接温度传感器34和喷头36。

所述龙门架3的一端设置有X向步进电机1，所述龙门架3的另一端设置有打印材料存放机构14，所述X向步进电机1连接X向丝杠2，所述X向丝杠2的上下两侧设置有X向导轨7，所述支撑座一37和所述支撑座二38能够沿所述X向导轨7左右滑动。所述打印材料存放机构14连通所述塑料送料机构33。打印材料存放机构14存放的原料输送到塑料送料机构33，小型步进马达32用于驱动原料下滑流入加热块35加热，经过加热的原料经过喷头36喷出，温度传感器34用于检测加热块35的温度情况。

所述工作台19的一端设置有龙门架Y向丝杠21和龙门架Y向步进电机20，所述工作台19的两侧设置有配合所述龙门架滑动的Y向导轨18。

所述工件夹头包括顶针23和工件三爪卡盘25，所述顶针23和工件三爪卡盘25之间设置工件24，所述工件三爪卡盘25连接工件旋转控制机构16。

本设备含一个切削头主轴电机8及一个可四轴联动的工件夹头，可满足97%以上的减材制造工艺的功能要求。

挤出头12和切削头主轴电机8共用同一个旋转塔13，塑料挤出头12组成装于旋转塔13的左右的四个斜面上，进料量及速度由予设程式及小型步进马达32控制，旋转塔13的旋转由旋转塔旋转驱动步进电机27控制。

配备一个激光烧结金属粉末喷头17，在工作时， 必须同时提供保护性气体， 防止材料在高温状态下发生改变材质的氧化或还原反应。

龙门架3的Ｘ及Y轴的位置由X向步进电机1、X向丝杠2、X向导轨7及龙门架Y向导轨18、龙门架Y向步进电机20、龙门架Y向丝杠21来控制。

加工刀具15及挤出头13的Z向位置， 由这两者共用的Z 轴驱动机构决定；

激光烧结金属粉末喷头17的Z向位置， 由激光烧结金属粉末喷头Z轴的驱动机构决定。

如果是纯塑料件的3D打印，根据产品的要求，使用CAD/CAM, 及3D 打印用的分层软件， 画出3D图形，就工件的状况，分层决定挤出头的运行路径后，编译出专用的数控指令， 转旋转塔， 让不同材料， 或不同颜色塑料依设计方案挤出完成型， 如果需要后加工，则可操动机加工主轴头的加工刀具， 完成精加工的工艺， 增加产品的精度及光滑度。

如果是金属粉末的3D打印件，使用CAD/CAM, 及3D 打印用的分层软件，先画出3D图形，就工件的状况，分层决定喷头的运行路径后，编译出专用的数控指令， 移动以高能量离子束或激光为热源的粉末（金属或陶瓷）3D打印喷头，分层完成增材制工艺， 做出成品；如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，可用设备上已有的CNC数控减材加工加工刀具，完成加工工艺。

如果有金属或塑料的镶嵌件，可先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后依偱上述的过程，在嵌入件的表面完成3D打印的后续工艺，如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，可用主轴加工头的加工刀具完成加工工艺。

如果是金属镶嵌件对接金属粉的3D打印工件，可先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后依偱上述的过程，在嵌入件的表面完成粉末3D打印的后续工艺；如需要后加工，则可使用设备配有的加工主轴头完成精加工的工艺。

旋转式的工件夹座，具有CNC四轴联动的减材制作能力，同时也具有CNC四轴联动的增材制作功能。 可以根据设计的要求，独立的完成减材制作工艺对塑料、金属的棒，块，进行精密的加工。

本发明的优点如下:

使用同一个CNC数控平台，以一套数控设备， 发挥增材制造及减材制造的优点，降低数控设备的购置成本。可以同时又独立的做出以塑料，金属粉为原料的3D打印工艺成品

使用多面旋转塔机构， 提供多材质塑料3D打印的工艺能力，可达成复合式复合材料产品的增材制造生产；可以做金属-塑料，塑料-塑料，金属-金属，镶嵌件的3D打印工艺成品。对镶嵌件预加工，或对3D 打印的成品，作表面精加工。可以独立的完成CNC四轴联动的减材制作工艺，可对镶嵌件预加工，也可对3D 打印的成品，作表面精加工。同一平台可做四轴联动的增材制作工艺。

Claims (8)

1.一种综合性数控3D打印设备，包括工作台，所述工作台上设置有龙门架，其特征是：所述龙门架通过悬挂驱动机构一悬挂一组激光烧结金属粉末喷头构件，所述龙门架通过悬挂驱动机构二悬挂一个旋转塔，所述旋转塔上设置有挤出头，所述旋转塔的前端设置有切削头主轴电机，所述切削头主轴电机的输出轴连接加工刀具，所述悬挂驱动机构一包括支撑座一，所述支撑座一上端设置有激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机，所述激光烧结金属粉末喷头Z轴步进电机连接激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠，所述支撑座一内还设置有激光烧结金属粉末喷头Z向导轨，所述激光烧结金属粉末喷头Z向丝杠连接激光喷头滑块，所述激光喷头滑块能够沿所述激光烧结金属粉末喷头Z向导轨上下移动，所述激光喷头滑块上连接所述激光烧结金属粉末喷头，所述悬挂驱动机构二包括支撑座二，所述支撑座二的上端设置有旋转塔Z向步进电机，所述旋转塔Z向步进电机的丝杠轴连接旋转塔Z向滑块，所述旋转塔Z向滑块环套在旋转塔Z向导轨上，所述旋转塔Z向滑块连接齿轮室，所述齿轮室内设置有旋转塔旋转驱动步进电机和旋转轴，所述旋转塔旋转驱动步进电机的输出轴上设置有蜗杆，所述旋转轴上设置有与所述蜗杆配合使用的涡轮齿，所述旋转轴通过轴承连接所述旋转塔。

2.根据权利要求1所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述工作台上还设置有工件夹头。

3.根据权利要求1所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述旋转塔为多面旋转塔，所述旋转塔的每个面均设置有所述挤出头。

4.根据权利要求3所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述挤出头包括小型步进马达，所述小型步进马达上设置有塑料送料机构，所述塑料送料机构的下侧连接加热块，所述加热块连接温度传感器和喷头。

5.根据权利要求4所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述龙门架的一端设置有X向步进电机，所述龙门架的另一端设置有打印材料存放机构，所述X向步进电机连接X向丝杠，所述X向丝杠的上下两侧设置有X向导轨，所述X向丝杠连接所述支撑座一和所述支撑座二，所述支撑座一和所述支撑座二能够沿所述X向导轨左右滑动。

6.根据权利要求5所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述工作台的一端设置有龙门架Y向丝杠和龙门架Y向步进电机，所述工作台的两侧设置有配合所述龙门架滑动的Y向导轨。

7.根据权利要求2所述的综合性数控3D打印设备，其特征是：所述工件夹头包括顶针和工件三爪卡盘，所述顶针和工件三爪卡盘之间设置工件，所述工件三爪卡盘连接工件旋转控制机构。

8.一种采用权利要求6所述的综合性数控3D打印设备的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）判断打印件的材料，如果是纯塑料件的3D打印，转步骤（2）；如果是金属粉末的3D打印件，转步骤（3）；如果是镶嵌件对接塑料3D打印工件，转步骤（4）；如果是镶嵌件对接金属3D打印工件，转步骤（5）；

（2）调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得旋转塔运转到适当位置，根据产品的要求，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，画出3D图形，就工件的状况，分层决定挤出头的运行路径，编译出专用的数控指令，控制旋转塔旋转，让不同材料或不同颜色塑料依设计方案挤出完成型，如果需要后加工，则操动加工刀具，完成精加工的工艺， 增加产品的精度及光滑度；

（3）如果是金属粉末的3D打印件，调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得激光烧结金属粉末喷头运转到适当位置，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，先画出3D图形，就工件的状况，分层决定喷头的运行路径后，编译出专用的数控指令，移动以高能量离子束或激光为热源的激光烧结金属粉末喷头，分层完成增材制工艺，做出成品，如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，用设备上已有的CNC数控减材加工刀具，完成加工工艺；

（4）如果有镶嵌件，先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得旋转塔运转到适当位置，根据产品的要求，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，画出3D图形，就工件的状况，分层决定挤出头的运行路径，编译出专用的数控指令，控制旋转塔旋转，在镶嵌件的表面完成3D打印的后续工艺，如果需要机加工，提高表面的光滑度及精密度，用加工刀具完成加工工艺；

（5）如果是金属镶嵌件对接金属粉的3D打印工件，先用加工主轴头制作出镶嵌件，然后调节X向步进电机、龙门架Y向步进电机和旋转塔Z向步进电机，使得激光烧结金属粉末喷头运转到适当位置，使用CAD/CAM,及3D 打印用的分层软件，先画出3D图形，就工件的状况，分层决定喷头的运行路径后，编译出专用的数控指令，移动以高能量离子束或激光为热源的激光烧结金属粉末喷头，依偱上述的过程，在嵌入件的表面完成粉末3D打印的后续工艺；如需要后加工，则使用设备配有的加工主轴头完成精加工的工艺，旋转式的工件夹头，能够调整工件打印或者切削的角度，使得整个3D打印设备具有CNC四轴联动的减材制作能力，同时也具有CNC四轴联动的增材制作功能。