CN105269819A - 一种多喷头3d打印机及其协同打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多喷头3D打印机及其协同打印方法，包括运动机构及控制单元；所述运动机构包括机体、固定在机体上的XY运动组件及Z轴运动机构、位于Z轴运动机构上的打印平台；所述XY运动组件上设有N个相互独立运动的X轴运动机构、N个相互独立运动的Y轴运动机构及N个相互独立工作的送丝机构；所述N≥1，且N为整数；所述打印平台为所有喷头共用；多个X轴运动机构和多个Y轴运动结构沿Y轴导杆平行排列。本发明通过多喷头共用一个打印平台，进行分区协同打印，软件通过合理路径规划实现分区间无缝连接，同时避免多喷头间相互干扰，提高了大型制备件的3D？打印效率。

Description

一种多喷头3D打印机及其协同打印方法

技术领域

本发明属于3D打印装置技术领域，具体涉及一种基于熔融挤出成型(FDM)原理的具有多个喷头分区协同工作的3D打印机及打印方法。

背景技术

目前的3D打印技术都采用了逐层(逐点)打印加工的方法，导致打印速度和打印精度互相被绑架，出现了被称为“3D打印悖论”的现象，若提高精度必然导致速度的降低；反之，若提高速度必然导致精度的下降，多喷头协同工作是解决这一问题的一个有效途径。现有的多喷头3D打印机都是多喷头分时交替工作，实现3D打印多材料多颜色，因为没有解决多喷头独立运动结构与协同工作机制，多个喷头不能在同一时刻共同打印，无法真正提高工作效率。现在提高3D打印效率主要还停留在两种方法上，一是靠降低打印精度提高打印速度；二是通过减少内部填充提高打印速度，这样导致改变了打印件的内部结构，降低其强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提出一种多喷头分区协同工作3D打印机，多喷头具有独立运动结构，进行分区协同打印，通过软件合理规划路径实现分区间无缝连接，同时避免多喷头间相互干扰，极大提高了3D打印效率，成倍缩短了大型3D制备件的加工时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种多喷头3D打印机，包括运动机构及控制单元；所述运动机构包括机体、固定在机体上的XY运动组件及Z轴运动机构、位于Z轴运动机构上的打印平台；所述XY运动组件上设有N个相互独立运动的X轴运动机构、N个相互独立运动的Y轴运动机构及N个相互独立工作的送丝机构；所述N≥1，且N为整数；每个X轴运动机构上设有一个喷头，每个送丝机构对应一个喷头；所述打印平台为所有喷头共用；所述XY运动组件包括回字形中空支架，支架的左右两端固定有Y轴导杆及齿条，多个X轴运动机构和多个Y轴运动结构沿Y轴导杆平行排列；所述控制单元包括分别与控制器连接的主机、喷头驱动装置及检测装置。

进一步的，所述X轴运动机构包括连接架、X轴驱动电机、X轴运动导杆、传动带；所述连接架位于X轴运动机构的两端，通过轴承连接在Y轴导杆上；两根X轴运动导杆的两端分别固定于两个连接架之间，所述喷头通过轴套套接在X轴运动导杆上；所述X轴驱动电机固定在连接架上，所述X轴驱动电机通过传动带与喷头连接。

进一步的，所述Y轴运动机构包括Y轴驱动电机、Y轴传动杆、齿轮；所述Y轴传动杆固定于连接架上，两端分别与齿轮连接，所述齿轮与齿条啮合；所述Y轴传动杆位于X轴运动导杆上端，且与X轴运动导杆相互平行；所述Y轴驱动电机固定于连接架上，通过联轴器与Y轴传动杆连接。

进一步的，所述Z轴运动机构位于XY运动组件下面，且与XY运动组件垂直，包括Z轴驱动电机、传动轮、Z轴传动丝杆、Z轴运动导杆及打印平台支架；所述Z轴驱动电机通过传动带与传动轮连接，所述传动轮与Z轴传动丝杆连接，所述Z轴运动导杆与Z轴传动丝杆平行，分别穿过打印平台支架，所述打印平台支架上固定有滚珠螺母与Z轴传动丝杆链接；所述打印平台位于打印平台支架上。

进一步的，所述送丝机构位于XY运动组件上，包括送丝电机、导向滑杆、导向轮及导丝管；所述送丝电机集成在喷头中，所述导向滑杆两端固定在XY运动组件支架上，位于齿条上方，且与齿条平行；所述导向轮通过轴套套接在导向滑杆上，所述导丝管置于导向轮的凹槽中。

进一步的，所述主机通过通信接收装置接收打印命令，形成数据包传输给控制器，控制器接收的数据包暂存在缓存区，等待控制器处理；所述检测装置接收按键信号、温度传感信号、位置传感信号传输给控制器；所述控制器进行命令解析与数据分发，以及产生喷头运动与加热控制信号；所述喷头驱动装置根据控制信号，实现X-Y-Z轴电机、送丝电机、喷头加热元件、打印平台加热元件的功率驱动。

进一步的，所述控制单元还包括显示与报警装置。

本发明的一种多喷头3D打印机的协同打印方法，步骤为：

(1)将打印平台按照打印头个数N平均分成N个打印分区，每个分区对应一个打印头；

(2)将需要打印的三维模型载入用户软件的虚拟打印平台；

(3)进行三维模型切片获得模型的待打印截面；

(4)对每层切片整体进行打印路径规划，对落入不同分区的路径进行重新规划，采用就近原则从距离打印头最近的路径开始，依次排序所有分区内的路径；

(5)整理分区的数据形成打印数据包，输送至控制器，由喷头驱动装置接收控制器发出的信号，带动喷头完成打印工作。

进一步的，步骤(1)中每个分区的宽度W大于等于打印头宽度的2倍；相邻的上下两层分区始终保持距离为d的错位。

进一步的，步骤(4)中将每个分区等分成左子分区和右子分区，对单个子分区的打印路径重新排序，打印过程中所有打印头先进行某一子分区的打印任务，完成后，所有打印头再一起移动到另一子分区进行打印。

本发明与现有技术相比的积极效果为：本发明通过设置X、Y轴独立运动结构，多喷头共用一个打印平台，使得喷头数量任意拓展，且便于进行分区协同打印，软件通过合理路径规划实现分区间无缝连接，同时避免多喷头间相互干扰，极大提高了3D打印效率，尤其成倍缩短大型3D制备件的加工时间。

附图说明

图1为本发明3D打印机整体结构示意图；

图2为本发明3D打印机的XY运动组件结构图；

图3为本发明3D打印机的X轴运动机构立体结构图；

图4为本发明3D打印机的Z轴运动机构立体结构图；

图5为本发明3D打印机的运动结构示意图；

图6为本发明3D打印机的控制单元示意图；

图7为本发明3D打印方法的打印分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种多喷头分区协同工作的3D打印机，包括运动机构及控制单元。参见图1-图5，所述运动机构包括机体7、XY运动组件、Z轴运动机构3、打印平台4，所述XY运动组件上设有N个X轴运动机构1、N个Y轴运动机构2、N个送丝机构5及N个喷头6；所述N≥1，且N为整数。所述N个X轴运动机构1相互独立运动，每个X轴运动机构1对应有一个喷头6；所述N个Y轴运动机构2相互独立运动；所述Z轴运动机构3只有一个，统一调整所有喷头6相对于打印平台4的高度；所述N个送丝机构5相互独立工作，每个送丝机构5对应一个喷头6；所述打印平台4只有一个，为所有喷头6共用；多个X轴运动机构和多个Y轴运动结构沿Y轴导杆平行排列；打印空间沿Y轴方向由位置传感器9均分成N个打印分区。

所述XY运动组件包括回字形中空支架8，支架的左右两端固定有Y轴导杆207及齿条206，多个X轴运动机构1和多个Y轴运动结构2沿Y轴导杆207平行排列。

所述X轴运动机构1包括连接架104、X轴驱动电机101、X轴运动导杆102、传动带103；所述连接架位于X轴运动机构的两端，通过轴承204连接在Y轴导杆207上可以前后移动；两根X轴运动导杆102的两端固定于两个连接架104之间，所述喷头6通过轴套套接在运动导杆102上；所述X轴驱动电机101位于连接架104下端，X轴驱动电机101通过传动带103驱动喷头6沿X轴运动导杆102运动，实现X轴向运动；X轴运动机构1模块化，便于任意扩展。

所述Y轴运动机构2包括Y轴驱动电机201、Y轴传动杆202、齿轮203、轴承204、联轴器205、齿条206、Y轴导杆207；所述Y轴传动杆202固定于连接架104上，两端分别与齿轮203连接，所述齿轮203与齿条206啮合；所述Y轴传动杆202位于X轴运动导杆102上端，且与X轴运动导杆102相互平行；所述Y轴驱动电机201位于连接架104上端，通过联轴器205驱动Y轴传动杆202转动，带动齿轮203转动，从而带动轴承204在Y轴导杆207上移动，实现Y轴向运动。

所述Z轴运动机构3位于XY运动组件下面，且与XY运动组件垂直，包括Z轴驱动电机、传动轮301、Z轴传动丝杆302、Z轴运动导杆303，打印平台支架304。所述Z轴驱动电机通过传动带与传动轮301连接，所述传动轮301与Z轴传动丝杆302连接，所述Z轴运动导杆303与Z轴传动丝杆302平行，分别穿过打印平台支架304，所述打印平台支架上固定有滚珠螺母与Z轴传动丝杆链接。Z轴驱动电机通过传动带、传动轮301驱动Z轴传动丝杆302，带动打印平台支架304升降，实现Z轴向运动。

所述打印平台4位于打印平台支架上，其高度调节由Z轴运动机构3实现；所述打印平台4带有调平装置。

所述送丝机构5位于XY运动组件上，包括送丝电机、导向滑杆501、导向轮502、导丝管503。所述送丝电机集成在喷头6中，导向滑杆501两端固定在XY运动组件支架8上，位于齿条206上方，且与齿条平行；所述导向轮502通过轴套套接在导向滑杆501上，导丝管503置于导向轮502的凹槽中。工作过程中，当打印头6作Y向运动时，打印头6通过导丝管503带动导向轮502在导向滑杆501上相应移动。

如图6所示，所述控制单元包括分别与控制器连接的主机、喷头驱动装置、检测装置及显示与报警装置。所述主机通过通信接收装置接收打印命令，形成数据包传输给控制器，控制器接收的数据包暂存在缓存区，等待控制器处理。检测装置接收按键信号、温度传感信号、位置传感信号传输给控制器。所述控制器主要进行命令解析与数据分发，以及产生喷头运动与加热控制信号。所述喷头驱动装置根据控制信号，实现X-Y-Z轴电机、送丝电机、喷头加热元件、打印平台加热元件的功率驱动。所述主机还可以实时查询机器的各种状态参数。

本发明的多喷头3D打印机的协同打印方法，是进行打印分区、进行三维模型切片；对每层切片整体进行打印路径规划；对落入的不同子分区的路径进行重新规划；左右两个子分区进行交替打印；相邻的上下两层始终保持左右错位，以便分层搭接，如图7所示。具体内容如下：

(1)将打印平台按照打印头个数N平均分成N个打印分区，每个分区对应一个打印头，每个分区的宽度W大于等于打印头宽度的2倍。

(2)将需要打印的三维模型载入用户软件的虚拟打印平台，如果三维模型的最大截面小于一个分区，软件提示模型移动到其中一个分区的位置。

(3)进行三维模型沿Y轴方向切片获得模型的每个分区的待打印截面。

(4)对每层切片整体进行打印路径规划，对落入的不同分区的路径进行重新规划。

A.将每个分区左右等分成左子分区1-1和右子分区1-2，打印过程中所有打印头先进行某一子分区(例如左子分区)的打印任务，完成后，所有打印头再一起移动到另外一个子分区(例如右子分区)进行打印。由于每个分区的宽度W大于等于打印头宽度的2倍，当某个打印头在打印当前子分区最右边位置时刻，其右邻的打印头有可能打印当前所述子分区的最左边位置，相邻打印头中心距始终能大于喷头结构的物理宽度，打印过程中不会出现相邻打印头相互碰触。

B.对单个子分区的打印路径重新排序，采用就近原则，当前某条路径打印完成，从距离打印头最近的规划路径起点打印下一条路径，依次排序所有同一子分区内的路径，能够提高打印效率。

C.整理子分区的数据形成打印数据包，包括每条路径的编号、对应打印头、目的坐标。

(5)将打印数据包输送至控制器，由喷头驱动装置接收控制器发出的信号，带动喷头完成打印工作。

(6)为加强子分区之间打印结合部的连接，在进行子分区划分时，相邻的上下两层始终保持距离为d的左右错位，以便分层搭接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种多喷头3D打印机，其特征在于，包括运动机构及控制单元；所述运动机构包括机体、固定在机体上的XY运动组件及Z轴运动机构、位于Z轴运动机构上的打印平台；所述XY运动组件上设有N个相互独立运动的X轴运动机构、N个相互独立运动的Y轴运动机构及N个相互独立工作的送丝机构；所述N≥1，且N为整数；每个X轴运动机构上设有一个喷头，每个送丝机构对应一个喷头；所述打印平台为所有喷头共用；所述XY运动组件包括回字形中空支架，支架的左右两端固定有Y轴导杆及齿条，多个X轴运动机构和多个Y轴运动结构沿Y轴导杆平行排列；所述控制单元包括分别与控制器连接的主机、喷头驱动装置及检测装置。

2.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述X轴运动机构包括连接架、X轴驱动电机、X轴运动导杆、传动带；所述连接架位于X轴运动机构的两端，通过轴承连接在Y轴导杆上；两根X轴运动导杆的两端分别固定于两个连接架之间，所述喷头通过轴套套接在X轴运动导杆上；所述X轴驱动电机固定在连接架上，所述X轴驱动电机通过传动带与喷头连接。

3.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述Y轴运动机构包括Y轴驱动电机、Y轴传动杆、齿轮；所述Y轴传动杆固定于连接架上，两端分别与齿轮连接，所述齿轮与齿条啮合；所述Y轴传动杆位于X轴运动导杆上端，且与X轴运动导杆相互平行；所述Y轴驱动电机固定于连接架上，通过联轴器与Y轴传动杆连接。

4.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述Z轴运动机构位于XY运动组件下面，且与XY运动组件垂直，包括Z轴驱动电机、传动轮、Z轴传动丝杆、Z轴运动导杆及打印平台支架；所述Z轴驱动电机通过传动带与传动轮连接，所述传动轮与Z轴传动丝杆连接，所述Z轴运动导杆与Z轴传动丝杆平行，分别穿过打印平台支架，所述打印平台支架上固定有滚珠螺母与Z轴传动丝杆链接；所述打印平台位于打印平台支架上。

5.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述送丝机构位于XY运动组件上，包括送丝电机、导向滑杆、导向轮及导丝管；所述送丝电机集成在喷头中，所述导向滑杆两端固定在XY运动组件支架上，位于齿条上方，且与齿条平行；所述导向轮通过轴套套接在导向滑杆上，所述导丝管置于导向轮的凹槽中。

6.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述主机通过通信接收装置接收打印命令，形成数据包传输给控制器，控制器接收的数据包暂存在缓存区，等待控制器处理；所述检测装置接收按键信号、温度传感信号、位置传感信号传输给控制器；所述控制器进行命令解析与数据分发，以及产生喷头运动与加热控制信号；所述喷头驱动装置根据控制信号，实现X-Y-Z轴电机、送丝电机、喷头加热元件、打印平台加热元件的功率驱动。

7.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机，其特征在于，所述控制单元还包括显示与报警装置。

8.根据权利要求1所述一种多喷头3D打印机的协同打印方法，其特征在于，步骤为：

（1）将打印平台按照打印头个数N平均分成N个打印分区，每个分区对应一个打印头；

（2）将需要打印的三维模型载入用户软件的虚拟打印平台；

（3）进行三维模型切片获得模型的待打印截面；

（4）对每层切片整体进行打印路径规划，对落入不同分区的路径进行重新规划，采用就近原则从距离打印头最近的路径开始，依次排序所有分区内的路径；

（5）整理分区的数据形成打印数据包，输送至控制器，由喷头驱动装置接收控制器发出的信号，带动喷头完成打印工作。

9.根据权利要求8所述一种多喷头3D打印机的协同打印方法，其特征在于，步骤（1）中每个分区的宽度W大于等于打印头宽度的2倍；相邻的上下两层分区始终保持距离为d的错位。

10.根据权利要求8所述一种多喷头3D打印机的协同打印方法，其特征在于，步骤（4）中将每个分区等分成左子分区和右子分区，对单个子分区的打印路径重新排序，打印过程中所有打印头先进行某一子分区的打印任务，完成后，所有打印头再一起移动到另一子分区进行打印。