CN106042400A - 材料成型设备及3d打印模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可选择性适配安装不同工作模块以实现不同用途的材料成型设备以及可拆卸安装在材料成型设备上的3D打印装置。该设备包括多轴进给机构，所述多轴进给机构上设置有用于安装工作模块的接口，所述接口可选择性适配安装切削加工模块、增材制造模块和几何测量模块中的任意一种；或者，所述接口可选择性适配安装切削加工模块和增材制造模块中的任意一种；或者，所述接口可选择性适配安装增材制造模块和几何测量模块中的任意一种。当多轴进给机构上的接口适配安装切削加工模块时该设备可实现切削用途；当接口适配安装增材制造模块时该设备可实现增材制造用途；当接口适配安装几何测量模块时该设备可实现测量用途。

Description

材料成型设备及3D打印模块
技术领域
本发明涉及一种材料成型设备以及用于可拆卸安装于材料成型设备上的3D打印模块。
背景技术
在汽车造型等工业设计领域，经常需要运用油泥等软质材料制作三维实体模型来进行造型仿真。其中一种常用的方法是在计算机中利用三维建模软件进行设计，然后再利用多轴数控切削设备对软质材料按设计好的形状进行加工。在本申请的申请日前，本申请的申请人开发了一种三维软质模型切削成型机，该成型机的多轴进给机构上设置有用于安装工作模块的接口，该接口可选择性适配安装油泥切削模块和接触式位置探测模块的任意一种。这样，当所述接口适配安装油泥切削模块时该成型机为油泥切削机，其工作时，油泥切削模块在多轴进给机构的带动下在三维空间中运动从而对软质材料进行切削加工；当所述接口适配安装接触式位置探测模块时该成型机则为多坐标测量仪，其工作时，接触式位置探测模块在多轴进给机构的带动下在三维空间中运动，当接触式位置探测模块的探头与被测点接触时通过对该探头位置的标定即可确定被测点的位置。上述的三维软质模型切削成型机具备了材料切削和几何测量两种功能，拓宽了用户的使用场景。
另一方面，随着3D打印技术的发展，3D打印机已在材料成型领域得到了较为广泛的应用。但是，申请人发现，目前的3D打印机一般只能实现3D打印功能，因此，相较于上述既能进行材料切削又能进行几何测量的三维软质模型切削成型机而言，其功能比较单一。然而，无论是上述的三维软质模型切削成型机还是目前的3D打印机，还都存在对已成型产品的形状和构造不易进行修改的问题。对于三维软质模型切削成型机而言，其工作原理是切除材料上不需要的部分进而实现材料成型，成型后对已经切除的部分将难以修复或重新造型；对于3D打印机而言，其工作原理是对材料进行堆叠从而实现材料成型，一旦成型后产品局部同样难以重新造型。另外，切削成型机、3D打印机和多坐标测量仪都是材料成型领域中的常用设备，目前这类机型普遍功能单一，增大了用户投入和使用成本，限制了产品成型的灵活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可选择性适配安装不同工作模块以实现不同用途的材料成型设备。本发明还要提供一种可拆卸安装在材料成型设备上的3D打印装置。
本发明的材料成型设备，包括多轴进给机构，所述多轴进给机构上设置有用于安装工作模块的接口，所述接口可选择性适配安装切削加工模块、增材制造模块和几何测量模块中的任意一种；或者，所述接口可选择性适配安装切削加工模块和增材制造模块中的任意一种；或者，所述接口可选择性适配安装增材制造模块和几何测量模块中的任意一种。本发明的多轴进给机构是指能够带动接口上的工作模块在水平横向、水平纵向以及竖直方向上单独和同时在其中至少两个方向上运动的机构。
本发明的材料成型设备包括三种情况。第一种情况为：多轴进给机构上的接口可选择性适配安装切削加工模块、增材制造模块和几何测量模块中的任意一种。这时，该材料成型设备可以实现三种用途。即当多轴进给机构上的接口适配安装切削加工模块时，该材料成型设备实现切削用途；当多轴进给机构上的接口适配安装增材制造模块时，该材料成型设备实现增材制造用途；当多轴进给机构上的接口适配安装几何测量模块时，该材料成型设备实现测量用途。这时，材料成型设备既可以分别用于材料的切削成型和增材制造成型，也可以在切削成型或增材制造成型后再对已经切除或堆叠的部分进行反向的修改，还可以对产品的几何参数进行测量，因而大大拓宽了可能的使用场景。
第二种情况为：多轴进给机构上的接口可选择性适配安装切削加工模块和增材制造模块中的任意一种。这时，该材料成型设备可以实现两种用途。即当多轴进给机构上的接口适配安装切削加工模块时，该材料成型设备实现切削用途；当多轴进给机构上的接口适配安装增材制造模块时，该材料成型设备实现增材制造用途。这时，材料成型设备既可以分别用于材料的切削成型和增材制造成型，也可以在切削成型或增材制造成型后对已经切除或堆叠的部分进行反向的修改。
第三种情况为：多轴进给机构上的接口可选择性适配安装增材制造模块和几何测量模块中的任意一种。这时，该材料成型设备同样可以实现两种用途。即当多轴进给机构上的接口适配安装增材制造模块时，该材料成型设备实现增材制造用途；当多轴进给机构上的接口适配安装几何测量模块时，该材料成型设备实现测量用途。这时，材料成型设备既可以用于增材制造成型，也可以对产品的几何参数进行测量。
本发明的上述材料成型设备中，切削加工模块优选为软质材料切削模块；增材制造模块优选为3D打印模块；几何测量模块优选为接触式/非接触式位置探测模块。当多轴进给机构上的接口上适配安装软质材料切削模块时该材料成型设备即为三维软质模型切削成型机；当多轴进给机构上的接口上适配安装3D打印模块时该材料成型设备即为3D打印机；当多轴进给机构上的接口上适配安装接触式/非接触式位置探测模块时该材料成型设备即为多坐标测量仪。
本发明的上述材料成型设备中，所述增材制造模块的具体结构可以包括用于与所述接口适配连接的连接部以及分别与该连接部连接的驱动部和工作部，驱动部上设置有用于独立驱动增材制造模块实现增材功能的驱动装置，当连接部与所述接口适配连接后所述驱动部整体或大部分隐藏在多轴进给机构中对应的腔槽内。这样可以在安装增材制造模块后使得整个设备结构紧凑、外形美观。
本发明提供的3D打印模块包括沿横向依次设置的伺服电机、减速机构、连接板和3D打印装置，伺服电机通过减速机构安装在连接板的一侧，3D打印装置相对安装在连接板的另一侧，3D打印装置包括由上至下依次设置的储料机构、送料机构和熔料输出机构，伺服电机通过减速机构与送料机构中的送料部件传动连接，连接板可与材料成型设备的多轴进给机构上用于安装工作模块的接口可拆卸连接。
上述3D打印模块是申请人针对上述可选择性适配安装不同工作模块以实现不同用途的材料成型设备所开发的设备。该3D打印模块的伺服电机和减速机构所组成的部分与3D打印装置部分基本垂直，伺服电机和减速机构与3D打印装置通过连接板分开，整个模块通过连接板与材料成型设备的多轴进给机构上用于安装工作模块的接口可拆卸连接后，伺服电机和减速机构所组成的部分可以隐藏在所述接口中，使得整个设备结构紧凑、外形美观，并且较好的保证了3D打印模块安装和使用时的稳定性。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明材料成型设备安装3D打印模块后的结构示意图。
图2为图1中3D打印模块与接口分离时的结构示意图。
图3为3D打印模块的放大图。
图4为3D打印模块的侧向示意图。
图5为3D打印模块的内部结构示意图。
图6为图5的左视图。
图中标记为：多轴进给机构100、底座110、立柱120、滑块130、横臂140、接口200、腔槽210、增材制造模块300、3D打印模块310、伺服电机311、减速机构312、连接板313、储料机构314、送料机构315、熔料输出机构316、相对编码器317、保护罩318、可调挤压构件315A、挤压架315B、导向喉管315C、挤料轮315D、进料轮315E。
具体实施方式
如图1至3所示，材料成型设备的多轴进给机构100包括底座110、立柱120、滑块130和横臂140，所述立柱120通过水平纵向导向驱动机构安装在底座110上，滑块130通过竖直方向导向驱动机构安装在立柱120上，横臂140通过水平横向导向驱动机构安装在滑块130上；在横臂140的端部设置用于安装工作模块的接口200，所述接口200可选择性适配安装切削加工模块(图中未示出)、增材制造模块300和几何测量模块(图中未示出)中的任意一种。其中，所述切削加工模块具体为软质材料切削模块，当所述接口200适配安装切削加工模块时该材料成型设备为三维软质模型切削成型机；所述几何测量模块为接触式位置探测模块，当所述接口200适配安装几何测量模块时该材料成型设备为多坐标测量仪；所述增材制造模块300具体为3D打印模块310，当所述接口200适配安装增材制造模块时该材料成型设备为3D打印机。上述多轴进给机构100可以带动安装在接口200上的软质材料切削模块、3D打印模块310或接触式位置探测模块沿水平横向(一般称为X轴方向)、水平纵向(一般称为Y轴方向)和竖直方向(一般称为Z轴方向)上单独或同时在其中至少两个方向上运动。另外，当材料成型设备为三维软质模型切削成型机时，为了更为清楚的了解三维软质模型切削成型机的构造和工作方式，可以参考申请人在专利号为ZL2013103761226的中国专利文件中所提供的相关内容。而对于3D打印模块以及接触式位置探测模块，它们的基本技术原理除一般无法与接口200可拆卸连接外其他均属于现有技术。
如图2至6所示，在本具体实施方式中，材料成型设备的接口200包括位于横臂140端面上的开口，横臂140的端部位于该开口内侧形成腔槽210。同时，所述3D打印模块310包括了沿横向依次设置的伺服电机311、减速机构312、连接板313和3D打印装置，伺服电机311通过减速机构312安装在连接板313的一侧，3D打印装置相对安装在连接板313的另一侧，3D打印装置包括由上至下依次设置的储料机构314、送料机构315和熔料输出机构316，伺服电机311通过减速机构312与送料机构315中的送料部件传动连接。当接口200上适配安装上述的3D打印模块310时，所述连接板313通过连接结构安装在横臂140端面上，伺服电机311和减速机构312则整体横向伸入并隐藏在所述腔槽210内。显然，要使连接板313通过连接结构安装在横臂140端面上，连接结构本身可以有多种实施方式，本具体实施方式中采用了将连接板313通过分布于连接板313上的多个螺纹连接件安装在所述横臂140的端面上的方式。
本具体实施方式中3D打印装置，如图3至6所示，其送料机构315包括挤可调挤压构件315A、挤压架315B、导向喉管315C、挤料轮315D、和进料轮315E；其中，导向喉管315C的上端口对准储料机构314的输出口，导向喉管315C的下端口对准挤料轮315D与进料轮315E之间的辊缝，挤料轮315D与进料轮315E之间形成的辊缝的下方对准熔料输出机构316的进料端；挤料轮315D安装在挤压架315B上，进料轮315E安装在送料机构315的外壳上并与减速机构312的输出轴连接，可调挤压构件315A推动挤压架315B进而带动挤料轮315D向进料轮315E方向运动；储料机构314具体为储料盘，储料盘卷绕存放用于3D打印的料丝。该3D打印装置的工作方式为：当控制系统命令伺服电机311转动后进料轮315E相继转动，经导向喉管315C传导于挤料轮315D与进料轮315E之间辊缝中的料丝在进料轮315E转动的摩擦力的带动下进入熔料输出机构316，实现固态料丝的导向传递然后加热熔融并挤出。由于可调挤压构件315A能够调节其对挤压架315B的压力继而调节挤料轮315D对料丝的压力，从而确保进料轮315E对料丝施加合适的摩擦力，提高3D打印时出料的精确性。另外，本具体实施方式中还在送料机构315的外壳上的外壳上安装了用于感应进料轮315E转动的相对编码器317，从而提供送料位移的计数脉冲，实现料丝实际位移反馈，并通过控制系统对伺服电机311进行反馈控制，进一步提高了3D打印时出料的精确性。
实施例
用上述具体实施方式的材料成型设备制作汽车局部三维模型。首先，在接口200上安装3D打印模块310，具体方式是借助与横臂140端面上开设的多个螺纹连接孔，通过分布于连接板313上的多个螺钉将连接板313安装在所述横臂140的端面上。然后通过常规的对刀操作标定出3D打印模块310与多轴进给机构100坐标原点的相对位置。此后向材料成型设备的控制系统中输出3D打印程序，启动后开始打印三维模型。打印完成后三维模型的造型设计师对模型进行反复的观察研究，确定修改方式，交由数控程序的编写人员编制切削数控程序。将3D打印模块310从接口200上拆下，更换为软质材料切削模块。通过常规的对刀操作标定出软质材料切削模块与多轴进给机构100坐标原点的相对位置。向材料成型设备的控制系统中输出数控切削程序，启动后在原打印的三维模型的上对拟修改部位进行切除。

Claims (10)

1.材料成型设备，包括多轴进给机构(100)，所述多轴进给机构(100)上设置有用于安装工作模块的接口(200)，其特征在于：所述接口(200)可选择性适配安装切削加工模块、增材制造模块(300)和几何测量模块中的任意一种；或者，所述接口(200)可选择性适配安装切削加工模块和增材制造模块(300)中的任意一种；或者，所述接口(200)可选择性适配安装增材制造模块(300)和几何测量模块中的任意一种。
2.如权利要求1所述的材料成型设备，其特征在于：所述多轴进给机构(100)包括底座(110)、立柱(120)、滑块(130)和横臂(140)，所述立柱(120)通过水平纵向导向驱动机构安装在底座(110)上，滑块(130)通过竖直方向导向驱动机构安装在立柱(120)上，横臂(140)通过水平横向导向驱动机构安装在滑块(130)上；所述接口(200)设置在横臂(140)的端部。
3.如权利要求1或2所述的材料成型设备，其特征在于：所述增材制造模块(300)包括用于与所述接口(200)适配连接的连接部以及分别与该连接部连接的驱动部和工作部，驱动部上设置有用于独立驱动增材制造模块(300)实现增材功能的驱动装置，当连接部与所述接口(200)适配连接后所述驱动部整体或大部分隐藏在多轴进给机构(100)中对应的腔槽(210)内。
4.如权利要求3所述的材料成型设备，其特征在于：所述接口(200)包括位于横臂(140)端面上的开口，横臂(140)的端部位于该开口内侧形成腔槽(210)；当所述增材制造模块与接口(200)适配连接后该增材制造模块的连接部安装在横臂(140)端面上，该增材制造模块(300)的驱动部则整体或大部分横向伸入并隐藏在所述腔槽(210)内。
5.如权利要求4所述的材料成型设备，其特征在于：所述增材制造模块为3D打印模块(310)；该3D打印模块(310)包括沿横向依次设置的伺服电机(311)、减速机构(312)、连接板(313)和3D打印装置，伺服电机(311)通过减速机构(312)安装在连接板(313)的一侧，3D打印装置相对安装在连接板(313)的另一侧，3D打印装置包括由上至下依次设置的储料机构(314)、送料机构(315)和熔料输出机构(316)，伺服电机(311)通过减速机构(312)与送料机构(315)中的送料部件传动连接，所述连接板(313)通过连接结构安装在横臂(140)端面上，伺服电机(311)和减速机构(312)整体横向伸入并隐藏在所述腔槽(210)内。
6.如权利要求5所述的材料成型设备，其特征在于：所述连接板(313)通过分布于连接板(313)上的多个螺纹连接件安装在所述横臂(140)的端面上。
7.如权利要求5所述的材料成型设备，其特征在于：所述3D打印模块(310)还包括用于检测送料机构(315)中送料部件的位移数据并通过该位移数据对伺服电机(311)进行反馈控制的控制系统。
8.如权利要求1或2所述的材料成型设备，其特征在于：所述切削加工模块为软质材料切削模块；则当所述接口(200)适配安装切削加工模块时该材料成型设备为三维软质模型切削成型机。
9.如权利要求1或2所述的材料成型设备，其特征在于：所述几何测量模块为接触式/非接触式位置探测模块；则当所述接口(200)适配安装几何测量模块时该材料成型设备为多坐标测量仪。
10.3D打印模块，其特征在于：包括沿横向依次设置的伺服电机(311)、减速机构(312)、连接板(313)和3D打印装置，伺服电机(311)通过减速机构(312)安装在连接板(313)的一侧，3D打印装置相对安装在连接板(313)的另一侧，3D打印装置包括由上至下依次设置的储料机构(314)、送料机构(315)和熔料输出机构(316)，伺服电机(311)通过减速机构(312)与送料机构(315)中的送料部件传动连接，连接板(313)可与材料成型设备的多轴进给机构(100)上用于安装工作模块的接口(200)可拆卸连接。
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