CN105058789B - 一种适用于多材质工件的3d打印设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多材质工件的3D打印设备，其包括三维运动结构、工作台、转盘式喷头切换装置、供料系统和控制系统，三维运动结构包括X轴、Y轴和Z轴运动结构；工作台与X轴运动结构固定连接，其在X轴运动结构和Y轴运动结构的驱动下作水平运动，在Z轴运动结构的驱动下作上下运动；转盘式喷头切换装置包括转盘和电机；转盘周向上安装有多个分段式螺杆喷头装置，其在电机的带动下实现旋转切换；供料系统用于为分段式螺杆喷头装置提供料浆；控制系统用于控制三维运动结构和转盘的运动以及分段式螺杆喷头装置中料浆的挤出。本发明扩大了加工材料的选用范围，具有工作效率高、生产成本低等优点，并可有效减少材料的滞后和流涎现象。
Description
技术领域
本发明属于3D打印装置领域，更具体地，涉及一种适用于多材质工件的3D打印设备。
背景技术
3D打印技术是一种新兴的成型方法，其核心是将所需成形工件的三维模型切片处理转化为二维截面轮廓的组合，通过二维层面上的制造完成工件制造。因此不必采用传统的加工机床，与传统的减材制造相比，能够制造更加复杂形体的工件。3D打印有多种工艺实现方式，如挤出堆积成型、激光光固化成型、薄板层压成型等。对于挤出堆积成型的3D打印技术，喷头是实现堆积的关键部件，它与运动系统配合实现二维层面上的材料挤出成型，进而层层堆积形成三维实体工件，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接影响到材料的选用范围，关系到成形过程能否顺利进行，决定了成形件的质量。
现有的基于挤出成型的3D打印机多采用熔融挤出成型(FDM)，这类技术的基本原理是：在两个(或多个)由电机驱动的摩擦轮提供驱动力的作用下，丝状材料被送入塑化熔融装置，先送进去的丝材逐渐软化并熔融，而未熔融丝材对已融化丝材进行活塞挤压，将已融化的丝材以一定的速度从喷嘴挤出，喷头沿着扫描规划路径运动，形成材料堆积路径，实现熔融挤出成形。这种喷头装置结构简单，进料稳定，定量挤出熔融丝材，但是由于采用丝状材料导致材料成本高，可供使用材料的广度和深度受到限制，成形速度慢，且存在喷嘴出丝滞后和流涎现象。此外，现有的FDM设备多是单喷头或双喷头(一个用于支撑材料)，只能处理单一种类材料(最多为成型材料+支撑材料)，采用单喷头装置仅能实现单材料工件制造，难以完成多材料工件制造。
目前，许多应用已提出对多材料3D打印的需求，例如应用三维打印技术制造三维立体电子元器件和柔性电子元器件时，由于电子元器件包括电阻、电容，甚至芯片等，要求不同部位具有不同的材料，这就需要多个喷头进行扫描，另外，在生物3D打印领域，由于生物组织含有多种材料，同样需要多材料3D打印技术。然而，目前受3D打印机中的喷头装置的限制，其进行多材料3D打印存在一定的问题，传统的单喷头熔融挤出装置由于采用丝材作为原料，极大地限制了材料的选用范围，提高了生产成本，同时，由于只能成型单材料工件，不能满足电子制造、生物打印等领域的多材料打印需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于多材质工件的3D打印设备，其中结合3D打印技术以及多材质工件自身的特点，相应设计了适用于制备多材料复杂三维结构的3D打印设备，并对其关键组件如转盘式喷头切换装置和分段式螺杆喷头装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决加工材料选用范围小、生产成本高的问题，同时还具备挤出速度快、工作效率高等优点，并可有效的减少材料的滞后和流涎现象，因而尤其适用于具有复杂三维结构的多材质工件的自由成形。
为实现上述目的，本发明提出了一种适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，包括三维运动结构、工作台、转盘式喷头切换装置、供料系统和控制系统，其中：
该三维运动结构包括X轴运动结构、Y轴运动结构和Z轴运动结构；
该工作台与所述X轴运动结构固定连接，其在所述X轴运动结构和Y轴运动结构的驱动下作水平运动，在所述Z轴运动结构的驱动下作上下运动；
该转盘式喷头切换装置包括转盘和电机；所述转盘的周向上安装有多个位于所述工作台上方的分段式螺杆喷头装置；所述电机通过传动轴带动所述转盘转动，进而实现所述分段式螺杆喷头装置的旋转切换；
该供料系统安装在所述转盘上，其为所述分段式螺杆喷头装置提供料浆；
该控制系统用于控制所述三维运动结构和所述转盘的运动以及所述分段式螺杆喷头装置中料浆的挤出。
作为进一步优选的，所述Z轴运动结构承载所述X轴运动结构和Y轴运动结构，并带动所述X轴运动结构和Y轴运动结构作上下运动；所述Y轴运动结构安装在所述Z轴运动结构之上；所述X轴运动结构安装在所述Y轴运动结构之上，其在所述Y轴运动结构的带动下作Y方向运动。
作为进一步优选的，所述分段式螺杆喷头装置包括分段式螺杆、喷嘴和驱动电机；所述分段式螺杆上段为安装部分，下段为螺旋部分；所述安装部分通过联轴器与所述驱动电机的电机轴相连；所述驱动电机安装在电机座上，并且其电机轴朝下；所述电机座固定安装在所述转盘上；所述分段式螺杆的螺旋部分安装在套筒内；所述套筒固定在所述转盘上，并且其顶端安装有转换接头，所述转换接头与供料系统相连；所述喷嘴安装在所述套筒的底端。
作为进一步优选的，所述螺旋部分由上至下依次分为加料段、压缩段和计量段三个部分，其中，所述加料段的螺槽深度和计量段的螺槽深度均保持不变，所述压缩段的螺槽深度从所述加料段到所述计量段按螺槽深度均匀变化的方式实现所述加料段和计量段的过渡连接，所述计量段的螺槽深度小于加料段的螺槽深度。
作为进一步优选的，所述供料系统包括料斗和输料管，其中所述料斗固定安装在所述转盘的周向上，其底部通过所述输料管与所述转换接头相连；所述料斗中的浆料通过所述输料管和所述转换接头流入所述分段式螺杆喷头装置中。
作为进一步优选的，所述打印设备还包括龙门架，该龙门架上安装有悬臂梁；所述电机通过电机座固定安装在上述悬臂梁上，并且其电机轴朝下；所述电机的电机轴通过联轴器与所述传动轴相连。
作为进一步优选的，所述控制系统包括计算机和安装在该计算机中的运动控制卡；通过所述运动控制卡实现直线、圆弧插补和多轴联动功能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的3D打印设备利用转盘式喷头切换装置、三维运动机构以及控制系统综合实现了多材质工件的成形，其中，通过将转盘式喷头切换装置设计成采用转盘式结构周向排列多个喷头的方式，可实现同时采用多种浆料成型多材质工件，并且能实现喷头间的自由切换，进而实现具有复杂三维结构的多材质工件的自由成形，该打印设备具有结构简单可靠、自动化程度高、易控制等优点。
2.本发明的喷头装置采用特殊的螺杆式喷头结构，将螺杆设计成分段式，通过该分段式螺杆喷头的使用，避免了丝材的制备，加工材料可制备成浆料，扩展了成形材料的选择范围，且成形不受材料粘度的限制，降低了材料成本、出丝起停效果好；通过调节分段式螺杆的旋转速度及旋转方向，可有效的控制喷头的挤出速度，减少材料的滞后和流涎现象，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明的3D打印设备的结构示意图；
图2是转盘式喷头切换装置的结构示意图；
图3是分段式螺杆的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种适用于多材质工件的3D打印设备，主要包括三维运动结构I、工作台II、转盘式喷头切换装置III、供料系统IV和控制系统V。
三维运动结构I包括X轴运动机构1、Y轴运动结构2和Z轴运动结构3；Z轴运动结构3承载X轴运动结构1和Y轴运动结构2，带动X轴运动结构1和Y轴运动结构2上下运动；Y轴运动结构2上安装X轴运动结构1，Y轴运动结构2带动X轴运动结构1作Y方向运动；X轴运动结构1和Y轴运动结构2控制完成分层的路径扫描，Z轴运动结构3控制X轴运动结构1和Y轴运动结构2的升降。
工作台II是一个成形平台，位于转盘式喷头切换装置III的下方，与所述的X轴运动结构1固定连接，X轴运动结构1和Y轴运动结构2运动使工作台作水平运动，Z轴运动结构3使工作台II作上下运动，在完成一层的加工后，工作台II下降一个层厚的距离。
供料系统IV包括料斗18和输料管19，料斗18周向固定安装在转盘6上，料斗18底部通过输料管19与分段式螺杆喷头装置VI的转换接头12连接，料斗18中的浆料通过输料管19和转换接头12流入分段式螺杆喷头装置VI。
控制系统V包括计算机20和安装在计算机中的运动控制卡，基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧插补和多轴联动功能，运动控制卡实现控制三维运动结构I和转盘6运动以及分段式螺杆喷头装置VI的挤出，在控制分段式螺杆喷头装置VI挤出时，可以完成超前和滞后补偿功能，准确控制分段式螺杆喷头装置VI的启停。
如图2所示，转盘式喷头切换装置III包括悬臂梁4、传动轴5、转盘6、3个分段式螺杆喷头装置VI、电机7、电机座8、联轴器9，悬臂梁4安装在龙门架10上，电机座8固定安装在悬臂梁4上，电机座8上安装电机7，电机轴朝下，电机轴与联轴器9的一端相连，联轴器9的另一端与传动轴5的一端连接，通过联轴器9实现电机7的电机轴和传动轴5的连接；传动轴5的另一端安装转盘6；转盘6上周向安装多个分段式螺杆喷头装置VI；电机7带动传动轴5旋转，同时带动转盘6转动，实现转盘6上的多个分段式螺杆喷头装置VI旋转，完成喷头的切换；一个分段式螺杆喷头装置VI对应一个供料系统，每个供料系统分别为各自的分段式螺杆喷头装置提供成形所需的浆料，各个供料系统中的浆料不同。
其中，分段式螺杆喷头装置VI进一步包括分段式螺杆17、套筒11、转换接头12、喷嘴13、驱动电机14、电机座15、联轴器16；分段式螺杆17上段为安装部分24，下段为螺旋部分；安装部分24通过联轴器16与驱动电机14的电机轴相连，驱动电机14安装在电机座15上，电机轴朝下，电机座15固定安装在转盘6上；螺旋部分由三部分构成，分别为加料段21、压缩段22和计量段23，加料段21的螺槽深度和计量段23的螺槽深度均保持不变，计量段23的螺槽深度小于加料段21的螺槽深度，压缩段22的螺槽深度从加料段21到计量段23按螺槽深度均匀变化实现过渡连接，即加料段21的螺槽深度最大，计量段23的螺槽深度最小，压缩段22的螺槽深度从加料段21至计量段23逐渐减小，其中，加料段用于输送物料给压缩段和计量段；压缩段用于将物料压缩、排除气体，以建立必要的压力，保证物料到达螺杆末端时具有足够的致密度；计量段用于将物料定压定量挤出；分段式螺杆17的螺旋部分安装在套筒11内，套筒11固定在转盘6上，套筒11上安装转换接头12，转换接头12与供料系统IV的输料管19连接，套筒11尾部安装喷嘴13，喷嘴13具有多个直径系列，可根据工件的加工精度选用合适的喷嘴。
分段式螺杆喷头装置VI的具体工作过程如下：开始工作前，料斗18进行自动加料，工作时，料斗18中的浆料通过输料管19流动到螺杆喷头装置VI的转换接头12的入口处，浆料沿着套筒11的筒壁自动滑入分段式螺杆17加料段的螺槽内，在螺旋挤压力的作用下，沿着螺槽向下运动，在分段式螺杆17压缩段内被压缩并向下输送，经过分段式螺杆17计量段的充分混合搅拌作用，最后浆料从喷嘴13定量挤出。采用螺旋挤压结构，并采用变螺槽深度结构的压缩段，使得通过调节螺杆的旋转速度可控制喷头的挤出速度，使其挤压速度均匀，出料均匀，同时，通过控制螺杆的旋转方向以减少材料的流涎现象。
总体而言，通过采用具有上述结构的分段式螺杆喷头装置的3D打印设备，可实现具有复杂三维结构的多材质工件的自由成形，保证多材质工件快速成形的同时，使得各种不同材质的浆料能较好的融合，工件的成形质量好。
采用本发明的3D打印设备制备多材质工件的具体工艺步骤如下：
(1)预处理获得多材料CAD模型：
应用三维造型软件设计多材质工件的三维模型，并添加材料属性，得到多材料CAD模型，该多材料CAD模型由多个区域组成，每个区域具有一种材料特征；
(2)对多材料CAD模型切片处理，获得分层的几何信息和材料信息：
读取多材料CAD模型，对模型切片处理，片层同样由多个二维区域组成，每个区域具有一种材料属性，根据每个区域的几何轮廓信息和材料信息，对区域规划扫描路径，每个区域的扫描路径规划完成后即获得了片层的扫描路径；
(3)制备浆料：
多材料3D打印需要多种浆料，首先制备好打印所需的多种浆料，然后将制备好的浆料分别装载于相应的料斗中，搅拌均匀消除气泡，每个料斗对应一个喷头，工作时料斗中的浆料被送入喷头；
(4)喷头挤出材料进行分层加工：
在计算机系统程序控制下，根据步骤(2)规划的扫描路径，控制工作台和喷头相对运动，在进行扫描时，根据分层的材料信息，实时控制喷头的自动化切换和挤出速率，螺杆喷头定量挤出浆料，当完成一个材料区域扫描后，切换喷头，然后进行另一个材料区域扫描，直至完成分层内所有区域的扫描；
(5)换层重复扫描，直至完成多材料工件的成型：
完成一层扫描后，控制成形台垂直下降一个层厚的高度，然后重复步骤(4)的操作，进行下一层的扫描，如此层层堆积，直至完成最后一层的扫描，完成多材料工件的加工。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，包括三维运动结构(I)、工作台(II)、转盘式喷头切换装置(III)、供料系统(IV)和控制系统(V)，其中：
该三维运动结构(I)包括X轴运动结构(1)、Y轴运动结构(2)和Z轴运动结构(3)；
该工作台(II)与所述X轴运动结构(1)固定连接，其在所述X轴运动结构(1)和Y轴运动结构(2)的驱动下作水平运动，在所述Z轴运动结构(3)的驱动下作上下运动；
该转盘式喷头切换装置(III)包括转盘(6)和电机(7)；所述转盘(6)的周向上安装有多个位于所述工作台(II)上方的分段式螺杆喷头装置(VI)；所述电机(7)通过传动轴(5)带动所述转盘(6)转动，进而实现所述分段式螺杆喷头装置(VI)的旋转切换；
该供料系统(IV)安装在所述转盘(6)上，其为所述分段式螺杆喷头装置(VI)提供料浆；
该控制系统(V)用于控制所述三维运动结构(I)和所述转盘(6)的运动以及所述分段式螺杆喷头装置(VI)中料浆的挤出；
所述分段式螺杆喷头装置(VI)包括分段式螺杆(17)、喷嘴(13)和驱动电机(14)；所述分段式螺杆(17)上段为安装部分，下段为螺旋部分；所述安装部分通过联轴器(16)与所述驱动电机(14)的电机轴相连；所述驱动电机(14)安装在电机座(15)上，并且其电机轴朝下；所述电机座(15)固定安装在所述转盘(6)上；所述分段式螺杆(17)的螺旋部分安装在套筒(11)内；所述套筒(11)固定在所述转盘(6)上，并且其顶端安装有转换接头(12)，所述转换接头(12)与供料系统(IV)相连；所述喷嘴(13)安装在所述套筒(11)的底端；
所述螺旋部分由上至下依次分为加料段、压缩段和计量段三个部分，其中，所述加料段的螺槽深度和计量段的螺槽深度均保持不变，所述压缩段的螺槽深度从所述加料段到所述计量段按螺槽深度均匀变化的方式实现所述加料段和计量段的过渡连接，所述计量段的螺槽深度小于加料段的螺槽深度。
2.如权利要求1所述的适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，所述Z轴运动结构(3)承载所述X轴运动结构(1)和Y轴运动结构(2)，并带动所述X轴运动结构(1)和Y轴运动结构(2)作上下运动；所述Y轴运动结构(2)安装在所述Z轴运动结构(3)之上；所述X轴运动结构(1)安装在所述Y轴运动结构(2)之上，其在所述Y轴运动结构(2)的带动下作Y方向运动。
3.如权利要求1所述的适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，所述供料系统(IV)包括料斗(18)和输料管(19)，其中所述料斗(18)固定安装在所述转盘(6)的周向上，其底部通过所述输料管(19)与所述转换接头(12)相连；所述料斗(18)中的浆料通过所述输料管(19)和所述转换接头(12)流入所述分段式螺杆喷头装置(VI)中。
4.如权利要求1所述的适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，所述打印设备还包括龙门架(10)，该龙门架(10)上安装有悬臂梁(4)；所述电机(7)通过电机座(8)固定安装在上述悬臂梁(4)上，并且其电机轴朝下；所述电机(7)的电机轴通过联轴器(9)与所述传动轴(5)相连。
5.如权利要求4所述的适用于多材质工件的3D打印设备，其特征在于，所述控制系统(V)包括计算机(20)和安装在该计算机(20)中的运动控制卡；通过所述运动控制卡实现直线、圆弧插补和多轴联动功能。
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