CN104760424B - 一种多功能组装式3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能组装式3D打印装置及方法，包括圆形底盘、多个工作台、旋转电机、单体打印组件；圆形底盘的中心设有安装孔，安装孔与安装孔内的齿轮环同轴，多个工作台沿圆周方向间隔固定在齿轮环的侧壁上；旋转电机用于驱动齿轮环旋转；多个单体打印组件位于安装孔内，每个单体打印组件均包括竖直升降机构、圆周旋转电机、水平伸缩机构以及打印头等。其中方法包括如下步骤：利用第一道激光根据二维图形对感光片进行扫描形成图形潜影，然后通过本装置完成“充电”、“吸附”、“中和”、“释放”等操作；再利用第二道激光或其他热源按常规对产品进行烧结成型。

Description

一种多功能组装式3D打印装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种多功能组装式3D打印装置及方法。

背景技术

3D打印是快速成型技术(Additive Manufacturing Technologies)的一种，是以软件建模、控制技术为基础，运用金属、非金属、粘接剂等多种材料，通过连续的逐层增加材料“打印”出三维产品。3D打印机(又称三维打印机)是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它具有很多传统制造技术所不具有的功能，特别在加工复杂曲面产品方面。3D打印技术被认为是第三次工业革命的开端，广泛用于艺术设计、工业设计、建筑、汽车、航天航空、医疗、生物等领域。

目前，国内外市场上出现的3D打印机主要有三种：熔融沉积快速成型(FusedDeposition Modeling，FDM)、粉末粘合剂的三维打印技术(Three Dimensional Printing,3DP)和选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)。它们的打印主要工序均为一层层喷熔融物、一层铺粉末另一层铺粘接剂或一层铺粉末再用激光烧结成型，虽然它们具有节省材料、加工面广、操作简单、精度高等很多优点，但致命缺陷是效率低，因为一台机器只能选择一种技术一层层的打印，费时费力、效率低下，这样严重制约了3D打印产业的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能组装式3D打印装置及方法，以克服现有3D打印机打印形式单一、打印速度低的技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多功能组装式3D打印装置，包括圆形底盘、多个工作台、旋转电机、单体打印组件；所述圆形底盘的中心设有安装孔，所述安装孔与所述安装孔内的齿轮环同轴，多个工作台沿圆周方向间隔固定在所述齿轮环的侧壁上；所述旋转电机用于驱动所述齿轮环旋转；

多个单体打印组件位于所述安装孔内，每个单体打印组件均包括竖直升降机构、圆周旋转电机、水平伸缩机构以及打印头；所述竖直升降机构包括竖直设置在所述安装孔内部的第一液压缸和升降杆；所述第一液压缸的活塞杆与所述升降杆固定连接；所述水平伸缩机构包括水平设置的第二液压缸和伸缩杆；所述第二液压缸的活塞杆与所述伸缩杆固定连接；所述圆周旋转电机设置在所述升降杆与所述第二液压缸之间，所述圆周旋转电机用于驱动所述第二液压缸沿所述升降杆的同轴方向旋转；所述伸缩杆与多个打印头固定连接。

较佳地，所述多个打印头包括FDM工艺打印头和/或3DP工艺打印头和/或SLS工艺打印头。

较佳地，所述FDM工艺打印头包括加热器和喷嘴；所述3DP工艺打印头包括加热器和喷嘴；所述SLS工艺打印头包括信号转换装置和激光发生器；

所述激光发生器包括第一道激光发生器和第二道激光发生器。

较佳地，所述多功能组装式3D打印装置还包括液压泵体；

所述液压泵体分别用于与所述第一液压缸和第二液压缸提供液压动力。

较佳地，所述旋转电机的输出轴上还设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿轮环的内齿啮合。

较佳地，所述单体打印组件还包括丝管和原料盒；

所述丝管的一端与所述原料盒连通，另一端与所述喷嘴连通。

较佳地，所述单体打印组件还包括感光片；所述感光片可以沿安装孔同轴心的圆周方向运动。

较佳地，所述第一道激光发生器内置所述信号转换装置内部。

较佳地，所述打印头与所述单体打印组件可拆卸连接。

本发明所述的打印方法，包括如下步骤：利用第一道激光发生器根据二维图形对感光片进行扫描形成图形潜影(即光电效应)然后通过该装置旋转吸附“粉末”或“液滴”当运动到工作台时再“充电”中和释放；再利用第二道激光发生器按常规对产品进行烧结成型。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种多功能组装式3D打印装置及方法，需要说明的是，分析上述结构可知:该多功能组装式3D打印装置包括了多个单体打印组件，每个单体打印组件均由驱动装置和驱动装置固定连接的不同类型的打印头组成。驱动装置即(竖直升降机构、圆周旋转电机、水平伸缩机构)，既可以带动打印头水平伸缩移动，竖直方向升降移动，也可以转动；从而调节各个打印头的空间位置和姿态，从而实现空间位置变化以便于一个或多个工作台上的产品3D打印操作。最为重要的结构是，该单体打印组件的打印头可以兼容多种不同工艺打印头，从而实现多种工艺打印的有机结合；这样上述多功能组装式3D打印装置不仅可以在多个工作台上就同一产品(或多个产品)使用同一工艺进行3D打印，同时也可以在多个工作台上就同一产品(或多个产品)使用多种不同的工艺打印头实现不同工艺的3D打印，进而大幅提升多功能组装式3D打印装置的打印工作效率以及适应性兼容产品。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的多功能组装式3D打印装置(熔融沉积快速成型)的结构俯视图；

图2为本发明实施例一提供的多功能组装式3D打印装置(熔融沉积快速成型)的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的多功能组装式3D打印装置(粉末粘合剂的三维打印技术)的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的多功能组装式3D打印装置(选择性激光烧结技术)的结构示意图；

图5为本发明实施例三提供的多功能组装式3D打印装置的另一结构示意图；

图中:圆形底盘1、液压泵站2、工作台3、伸缩杆4、第二液压缸5、旋转电机6、圆周旋转电机7、丝管8、原料盒9、齿轮环10、第一液压缸11、喷嘴或激光发生器12、加热器13、工作台支架14、升降杆15、感光片16、信号转换装置17、升降机架18。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

参见图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种多功能组装式3D打印装置，包括圆形底盘1、多个工作台3、旋转电机6、齿轮环10、单体打印组件；

所述圆形底盘1的中心设有安装孔，所述安装孔与所述安装孔内的齿轮环10同轴，多个工作台3沿圆周方向间隔固定(具体通过工作台支架14)在所述齿轮环10的侧壁上；所述旋转电机6用于驱动所述齿轮环10旋转(需要说明的是，由于齿轮环被驱动旋转，进而可以带动齿轮环侧壁上固定连接的多个工作台旋转)；

多个单体打印组件位于所述安装孔内，每个单体打印组件均包括竖直升降机构、圆周旋转电机7、水平伸缩机构以及打印头；所述竖直升降机构包括竖直设置在所述安装孔内部的第一液压缸11和升降杆15；所述第一液压缸11的活塞杆(即伸出端)与所述升降杆15固定连接；所述水平伸缩机构包括水平设置的第二液压缸5和伸缩杆4；所述第二液压缸的活塞杆与所述伸缩杆固定连接；所述圆周旋转电机设置在所述升降杆与所述第二液压缸之间，所述圆周旋转电机用于驱动所述第二液压缸沿所述升降杆的同轴方向旋转；所述伸缩杆与多个打印头固定连接(即水平伸缩机构在圆周旋转电机的作用下可以在水平面沿垂直于圆盘半径方向上移动)。

需要说明的是，分析上述结构可知:该多功能组装式3D打印装置包括了多个单体打印组件，每个单体打印组件均由驱动装置和驱动装置固定连接的不同类型的打印头组成。驱动装置即(竖直升降机构、圆周旋转电机、水平伸缩机构)，既可以带动打印头水平伸缩移动，竖直方向升降移动，也可以转动；从而调节各个打印头的空间位置和姿态，从而实现空间位置变化以便于一个或多个工作台上的产品3D打印操作。最为重要的结构是，该单体打印组件的打印头可以兼容多种不同工艺打印头，从而实现多种工艺打印的有机结合；这样上述多功能组装式3D打印装置不仅可以在多个工作台上就同一产品(或多个产品)使用同一工艺进行3D打印，同时也可以在多个工作台上就同一产品(或多个产品)使用多种不同的工艺打印头实现不同工艺的3D打印，进而大幅提升多功能组装式3D打印装置的打印工作效率以及适应性兼容产品。

需要说明的是，上述驱动装置(其中，竖直升降机构与水平伸缩机构为液压驱动机构)，为了驱动3D打印装置实现伸缩和升降功能，还可以选择使用其他执行机构，例如：亦可改为涡轮蜗杆或齿轮齿条传动，或是齿轮和丝杆组成的执行组件，亦可改为涡轮蜗杆或齿轮齿条传动，对此本发明实施例不再一一赘述。

较佳地，多个所述打印头包括FDM工艺打印头和/或3DP工艺打印头和/或SLS工艺打印头。三种不同类别的工艺打印头可以同时安装在该3D打印装置上，同理也可以安装多个同一种类的3D打印头，即组装式3D打印机可以由多个相同单体打印机组件组成且每个单体的结构完全相同(也可以结构各不相同)。

较佳地，所述FDM工艺打印头包括加热器13和喷嘴12；所述3DP工艺打印头包括加热器和喷嘴；所述SLS工艺打印头包括信号转换装置和激光器(即激光发生器)。

所述激光发生器包括第一道激光发生器和第二道激光发生器。其中：所述第一道激光发生器内置所述信号转换装置内部。

需要说明的是，FDM三维打印机，FDM(Fused Deposition Modeling)工艺熔融沉积制造(FDM)工艺。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。FDM全称Fused Deposition Modelling(熔融沉积造型)。打印头加热，把条形塑料加热软化，按照电脑3D模型实现打印。

需要说明的是，3DP全称Three Dimensional Printing(三维打印)。因为这种技术和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。左边为储粉缸，右边为成型缸。打印时，左边会上升一层(一般为0.1mm)，右边会下降一层，滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸，铺上厚度为0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。(平面打印机的Y轴是纸在动，而3DP的Y轴是打印头在动)液体要么是粘合剂要么是水(用于激活粉末中粉状粘合剂)。其工作原理和工作过程是：使用喷嘴喷出粘结剂，选择性地将粉末材料粘结起来。

需要说明的是，SLS全称Selective Laser Sintering(选择性激光烧结)。SLS使用激光，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。

下面对三种不同的工艺打印头的应用做一下具体说明：

当它用熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling，FDM)或粉末粘合剂的三维打印技术(Three Dimensional Printing,3DP)或二者的组合时，每个单机拥有单个喷嘴或多个喷嘴可以独立打印各自产品、多机组合亦可以打印同一个产品，不但能打印单一材料的还可以打印多种材料的产品。

当它用于选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)时，工作台是固定不动的，感光片做圆周运动进而完成一系列的“充电”、“曝光”、“吸附”等功能，从而实现感光片吸附、释放、累积粉末最终完成激光烧结打印。

当它用于选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)时，所有的感光片吸附的粉末可以累积到一个工作台上激光烧结打印，也可以累积到多个工作台上激光打印或用其他方式打印。

关于打印的步骤的实施: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。

下面介绍一下该操作方法(3D打印机的使用方法)：在原料盒9中装入4种不同材料的丝料，启动液压泵站2、旋转电机6和圆周旋转电机7使升降杆15和伸缩杆4在液压系统的作用下能分别在竖直及水平方向移动，在圆周旋转电机7的作用下伸缩杆4还可以在水平方向做一定夹角的切向运动。根据产品三维模型经切片处理得到的二维截面信息，由计算机控制喷头12的运动轨迹，层层熔融沉积打印产品。

当工作台3不旋转运动时每个单体打印机独自打印产品，如图1、图2此方法与常规法类似在此不必赘述；当工作台旋转运动时多台打印机协作可以打印一件或多件复合材料的产品，图1、图2与图3工作方式类似，在此仅以图3为例，3D打印机单体A、B、C、D4台结构完全相同，单体B、D原料盒9装有不同材质的粉末，单体A、C料盒装有粘接剂或可融性粉末，计算机把得到的2维截图信息依次分给单体A、B、C、D。工作台3在旋转电机6的作用下做圆周运动，当工作台3d运动到单体D的正下方时按正面图形信息喷出一层粉末，转到单体A的下方时按反面图形信息喷出一层粘接剂，转到单体B时再喷出一层粉末，转到单体C处时再喷出一层粘接剂，依次类推直至打印整个产品。或者计算机把要打印的四种单个产品的图像信息以四个为单位依次分给A、B、C、D4个打印单体，然后在工作台3a、3b、3c、3d上分别打印这四种复合材料的产品。

下面对本发明实施例提供的多功能组装式3D打印装置的具体结构做进一步说明：

较佳地，所述多功能组装式3D打印装置还包括液压泵体2；

所述液压泵体2分别用于与所述第一液压缸11和第二液压缸5提供液压动力。

较佳地，所述旋转电机的输出轴上还设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿轮环的内齿啮合。需要说明的是，通过上述具体结构既可以实现旋转电机转动，带动驱动齿轮转动，从而带动与所述驱动齿轮啮合的齿轮环转动进而实现带动多个工作台旋转的目的。

较佳地，所述单体打印组件还包括丝管8和原料盒9；

所述丝管8的一端与所述原料盒9连通，另一端与所述喷嘴12连通。

较佳地，所述单体打印组件还包括感光片16；所述感光片可以沿安装孔同轴心的圆周方向运动。

较佳地，所述打印头与所述单体打印组件可拆卸连接。需要说明的是，所述单体打印组件可拆卸、可组装、可按需打印各种产品。

优选地，所述的信号转换装置与计算机相连接可以与感光片相感应；所述的工作台与感光片可以绕圆形底盘轴心做圆周运动；所述的信号转换装置内置激光发生器组件，与计算机相连接；所述的信号转换装置可以与能“充电”的感光片相感应；所述的感光片具有“光电效应”功能；所述的信号转换装置和感光片能实现“充电”、“曝光”、“吸附”等功能。

实施例二

如图4所示，多功能组装式3D打印装置，包括圆形底盘1、液压泵站2、多个工作台3、伸缩杆4、第二液压缸5、旋转电机6、圆周旋转电机7、原料盒9、齿轮环10、第一液压缸11、第二道激光发生器12、工作支架14、升降杆15、感光片16、信号转换装置(内置第一道激光发生器)17、竖直升降机构和水平伸缩机构等，其中，所述的竖直升降机构和水平伸缩机构均为液压传动；所述的竖直升降机构包括第一液压缸11和升降杆15；所述的水平伸缩机构包括液压缸5和伸缩杆4；所述的水平伸缩机构在圆周旋转电机7的作用下可以在水平面上垂直于圆形底盘1半径方向上移动；所述的信号转换装置17内置第一道激光发生器组件，与计算机相连接可以与能“充电”的感光片相感应；所述的感光片16是具有“光电效应”功能的特殊金属材质在旋转电机的作用下可以沿圆形底盘轴心做圆周运动；

其中，多功能组装式3D打印方法，(基于上述多功能组装式3D打印装置的基础上实现的)包括如下步骤：利用第一道激光根据二维图形对感光片进行扫描形成图形潜影，然后通过本装置完成“充电”、“吸附”、“中和”、“释放”等操作；再利用第二道激光或其他热源按常规对产品进行烧结成型。需要说明的是，第一道激光发生器产生的能量低，用于光电效应；第二道激光发生器产生的是高热能量，用于烧结成型。

3D打印机的使用方法：在原料盒9中装入4种同种或不同种材料的金属粉末或“液滴”，启动液压泵站2、旋转电机6和圆周旋转电机7，使升降杆15和伸缩杆4在液压系统的作用下能分别在竖直及水平方向移动；在圆周旋转电机7的作用下伸缩杆4还可以在水平方向做一定夹角的切向运动；根据产品三维模型经切片处理得到的二维截面信息，信号转换装置、第一道激光发生器和感光片能实现“充电”、“曝光”、“吸附”、“释放”等功能，计算机控制第二道激光头12的运动轨迹，层层激光烧结打印产品。

此装置不但能打印单个同种材质的产品，也可以打印多种材质的复合产品，以工作台3c、3d为例来具体说明实施过程：在原料盒9中装入4种不同材料的金属粉末，启动液压泵站2旋转电机6和圆周旋转电机7；根据产品三维模型经切片处理得到的二维截面信息一张张按顺序依次传输给A、B、C、D4个打印单体中的信号转换装置17，其内置的第一道激光发生器按图形信息对感光片进行“曝光”即光电效应，使图像信息以正电荷的潜影存在，感光片16在旋转电机6的作用下逆时针旋转，当感光片16d运动到单机D的下方时，信号转换装置17内的第一道激光发生器按图形信息对感光片进行“曝光”产生图像潜影，当运动到料盒9a上方时，由静电吸引作用会吸附于图形形状一样的金属粉末或“液滴”，当运动到单机A时，按常规方法对感光片进行“充电”中和，使金属粉末落入工作台3a，在计算机控制下第二道激光发生器12按常规方法对其烧结一层，按同样方式感光片16a、16b、16c依次旋转进行：“曝光”、“吸附”、“充电”把图形粉末落入工作台3a，从而实现激光层层烧结打印。或者计算机把要打印的四种单个产品的图像信息以四个为单位依次分给A、B、C、D4个打印单体，然后在工作台3a、3b、3c、3d上分别打印这四种复合材料的产品。

实施例三

本发明实施例提供的一种多功能组装式3D打印装置，如图5所示，多功能组装式3D打印装置，包括圆形底盘1、液压泵站2、多个工作台3、水平伸缩杆4、第二液压缸5、旋转电机6、圆周旋转电机7、原料盒9、齿轮环10、激光头或喷嘴12、工作支架14、竖直升降机构和水平伸缩机构等，其也是一种机械结构的变形。

其中，4a、4b、4c均是液压缸的伸缩杆；5a、5b、5c分别为上述伸缩杆对应的液压缸。6a是外旋转电机带动齿轮环的工作台做圆周运动，6b是内旋转电机带动4个单体机一起做圆周运动的。既满足工作台可以旋转运动，打印单体组件也可以做圆周运动，具有2种打印方式。18为具有升降功能的支撑架。上述一种多功能组装式3D打印装置具体结构不再赘述，其工作原理与上述实施例一、实施例二保护的结构原理相同，对此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

包括圆形底盘、多个工作台、旋转电机、单体打印组件；

所述圆形底盘的中心设有安装孔，所述安装孔与所述安装孔内的齿轮环同轴，多个工作台沿圆周方向间隔固定在所述齿轮环的侧壁上；所述旋转电机用于驱动所述齿轮环旋转；

多个单体打印组件位于所述安装孔内，每个单体打印组件均包括竖直升降机构、圆周旋转电机、水平伸缩机构以及打印头；所述竖直升降机构包括竖直设置在所述安装孔内部的第一液压缸和升降杆；所述第一液压缸的活塞杆与所述升降杆固定连接；所述水平伸缩机构包括水平设置的第二液压缸和伸缩杆；所述第二液压缸的活塞杆与所述伸缩杆固定连接；所述圆周旋转电机设置在所述升降杆与所述第二液压缸之间，所述圆周旋转电机用于驱动所述第二液压缸沿所述升降杆的同轴方向旋转；所述伸缩杆与多个打印头固定连接。

2.如权利要求1所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

多个所述打印头包括FDM工艺打印头和/或3DP工艺打印头和/或SLS工艺打印头。

3.如权利要求2所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述FDM工艺打印头包括加热器和喷嘴；所述3DP工艺打印头包括加热器和喷嘴；所述SLS工艺打印头包括信号转换装置和激光发生器；

所述激光发生器包括第一道激光发生器和第二道激光发生器。

4.如权利要求1所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述多功能组装式3D打印装置还包括液压泵体；

所述液压泵体分别用于与所述第一液压缸和第二液压缸提供液压动力。

5.如权利要求1所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述旋转电机的输出轴上还设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿轮环的内齿啮合。

6.如权利要求3所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述单体打印组件还包括丝管和原料盒；

所述丝管的一端与所述原料盒连通，另一端与所述喷嘴连通。

7.如权利要求6所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述单体打印组件还包括感光片；所述感光片沿安装孔同轴心的圆周方向运动。

8.如权利要求3所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述第一道激光发生器内置所述信号转换装置内部。

9.如权利要求1所述的多功能组装式3D打印装置，其特征在于，

所述打印头与所述单体打印组件可拆卸连接。