CN107116791A - 便携式可折叠3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式可折叠3D打印机，包括三根立柱，在每个立柱的内表面设有丝杠，在丝杠上均设有丝杠螺母，丝杠螺母连接效应器，在效应器的中间通过螺纹与喷嘴组件相连；喷嘴组件与挤出机相连；在立柱的下部安装有底盘，底盘包括远处外扩层、中间滑轨层、外围切割层、外围切割提升层、辅助动力层和底部轨道层，远处外扩层的外圈与立柱相连；远处外扩层与曲柄一端铰链连接，曲柄另一端固定在底部轨道层，底部轨道层固定；实现远处外扩层的旋转外扩运动，且远处外扩层沿着中间滑轨层做直线运动；中间滑道层也做旋转运动；外围切割层分布在远处外扩层扩张后的间隙面积内在外围切割提升层的作用下提升；辅助动力层为外围切割层提供辅助动力。

Description

便携式可折叠3D打印机

技术领域

本发明公开了一种便携式可折叠3D打印机。

背景技术

目前国外出现的可折叠便携的3D打印机。虽然是可以便携可折叠的3D打印机，但是其目前的可变形机型也是基于现有机型的改进，折叠后所占有空间依旧比较大，例如：TeeBot、FoldaRap；这两种基于Prusa i3龙门结构的折叠变形，将X和Z轴的行程放倒，使用时再重新展开，定位装置仅仅是通过普通螺母进行固定，每次使用前，还要进行重新拧紧和调平，对用户的使用造成极大的不便。

国内前几年也推出过一款可折叠的3D打印机Minione，其工作原理也是将 XZ或者YZ放倒，在Z轴底端，设置一卡扣，实现翻转一步到位，作为成功上市的可折叠3D打印机，这一款机型在折叠上做出的改进是非常成功的，但是折叠后其所占空间还是比较大。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种便携式可折叠3D打印机；本发明在对传统的FDM桌面级3D打印机进行了充分研究后，提出了以虹膜机制和滑轨伸缩变形的折叠方式，同时为了设备的微型化，分别对进给系统、挤出系统等部分进行了创新设计。对于3D打印机的打印平台采用折叠平台，在虹膜机制的基础上，进行了创新设计，实现了保证打印平台面积的同时，降低了使用空间。伸缩式轨道也进一步降低了收缩状态的使用空间，配合丝杠的优势实现往复式运动。挤出系统采用远程抽丝的方式，采用一体式的挤出头设计，降低了堵丝的风险，提高了设备的稳定性。

本发明采用的技术方案如下：

便携式可折叠3D打印机，包括三根在圆周方向上均匀分布的立柱，在每个立柱的内表面设有丝杠，，每个丝杠通过电机驱动其旋转；在每个丝杠上均设有丝杠螺母，三个丝杠螺母连接一个固定块，所述的固定块通过连杆以及鱼眼轴承与一个效应器相连，在所述的效应器的中间通过螺纹与喷嘴组件相连；所述的喷嘴组件与挤出机相连；在所述的立柱的下部安装有底盘，所述的底盘包括从上到下依次设置同轴安装的远处外扩层、中间滑轨层、外围切割层、外围切割提升层、辅助动力层和底部轨道层，所述的远处外扩层的外圈与所述的三立柱固定相连；远处外扩层与安装在底部轨道层上的曲柄一端铰链连接，曲柄另一端固定在底部轨道层，所述的底部轨道层固定；实现远处外扩层的旋转外扩运动，且远处外扩层底部安装有插销，所述的插销沿着所述的中间滑轨层做直线运动；所述的中间滑道层也做旋转运动；且中间滑道层的转轴插装在底部轨道层实现了中间滑道层沿Z向的抬升和降落；所述的外围切割层分布在远处外扩层扩张后的间隙面积内在外围切割提升层的作用下提升；所述的辅助动力层为外围切割层提供辅助动力。

进一步的，所述的远处外扩层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销I以及导向板，所述的插销I沿着中间滑轨层内滑槽滑动，且插销I穿过外围切割提升层、辅助动力层与旋转曲柄的外端相连。

进一步的，所述的中间滑轨层包括三个沿圆周方向呈120度角分布且连接在一起的滑轨，在所述的滑轨上设有滑槽；滑轨连接位置的底部设有一个旋转轴，在所述的旋转轴的外圈设有两个成180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销II。

进一步的，所述的外围切割层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销III以及导向板，所述的插销III穿过外围切割提升层、辅助动力层插接到底部轨道层的圆弧形滑槽内，沿该圆弧形滑槽滑动。

进一步的，所述的外围切割提升层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III；在圆形板的底部设有旋转轴II，所述的旋转轴II上设有两个呈180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销IV；所述的两个插销IV所在的平面与两个插销II所在的平面相互垂直；所述的旋转轴II上设有凹槽，所述的凹槽用于插销II的穿过。

进一步的，所述的辅助动力层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III。

进一步的，所述的底部导轨层包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板圆周方向分布的三个圆弧形槽；所述的圆弧形槽用于插入外围切割层的插销III；在所述的圆形板的底部设有空心轴，在所述的空心轴的外壁上设有四个螺旋形的弧形槽，且相对的两个螺旋形的弧形槽形状相同；其中两个螺旋形的弧形槽用于限制插销II的运动轨迹，实现中间滑道层的升降；另外两个螺旋形的弧形槽用于限制插销IV的运动轨迹，实现外围切割提升层的升降。

进一步的，所述的立柱包括上部型材轨道以及下部型材轨道，所述的上部型材轨道和下部型材轨道之间通过弹性件卡装在一起，当弹性件按下时，两者之间可以伸缩，当弹性件弹起时，两者之间固定。

进一步的，所述的上部型材轨道的内部安装有丝杠，且在丝杠螺母运动的极限位置设有限位开关。

进一步的，所述的喷嘴组件包括引导管、喷嘴以及散热肋片，所述的引导管与喷嘴相连，散热肋片安装在引导管和喷嘴的连接处。

本发明产生的有益效果如下：

便携式可折叠3D打印机采用Delta结构设计，采用Delta的并联方式，可以充分利用并联机构具有结构稳定、易于控制、惯性小、刚度大、承载力强、精度高等特点，其定位精度远高于串联模式的机构。

底面平台基于虹膜机制，实现可伸展平面。将一个外径200mm的平台缩小到外径只有110mm，同时提供一个直径100mm的圆形平面，变性前后，可伸缩平台的Z向高度有效控制在25mm，极大地降低了打印平台的占用体积。

X、Y、Z三根立柱采用完全对称的结构设计，一方面降低加工制作成本，另一方面三轴完全对称设计又降低了组装难度。同时，为实现高度上尽可能的降低，将X、Y、Z三根立柱采用了可伸缩的结构设计，最大限度的降低了3D打印机收缩时所占空间。

X、Y、Z三根立柱部分通过鱼眼轴承，实现与末端执行器的连接，作为一种降低性能的球铰链实现方式，配合三轴的快速移动，实现空间位移，提高了运动部分的平稳性。

末端执行器即3D打印的喷头部分，采用全新一体式设计，同时配有强劲肋片散热，将多余热量极快流失，提高出丝稳定性，降低堵头的风险。

附图说明

图1、图2、图3 3D打印机折叠前的总装结构图；

图4、图5、图6 3D打印机折叠后的总装结构图；

图7、图8、图9滑轨装配结构图；

图10、图11、图12底盘展开后的结构图；

图13、图14、图15底盘收缩后的结构图；

图16底盘收缩爆炸图；图17底盘展开爆炸图；图18底盘收缩爆炸图；图19 为远处外扩层的结构图；图20为中间滑轨层的结构图；图21外围切割层的结构图；图22辅助动力层的结构图；图23外围切割提升层的结构图；图24旋转曲柄的结构图；图25底部轨道层的结构图；图26底部轨道的滑槽结构图；

图27、图28、图29喷头装配体；

图30、图31、图32是底部型材固定结构；

图33、图34、图35是顶部型材固定结构；

图36、图37、图38、图39是滑轨模组结构图；

图40、图41、图42是挤出机装配体结构图；

图43、图44、图45是滑轨装配体-弹块部分组装图；

图46、图47、图48是上端型材滑轨的结构图；

图49、图50、图51是下端型材轨道的结构图；

图52、图53、图54是效应器的结构图；

图中：1中心核，2底盘，3立柱，4喷头组件，5喷头驱动组件；6碳杆， 7耗材，8挤出机；2-1上端型材固定，2-2轴承，2-3轨道固定弹块，2-4弹簧固定块，2-5弹簧；3-1远处外扩层，3-2外围切割层，3-3中间滑道层，3-4模型轨道，3-5外围切割提升层，3-6辅助动力层，3-7旋转曲柄，3-8底部轨道层；4-1 喉管，4-2效应器，4-3散热肋板，4-4挤出头喷嘴；5-1顶部型材固定，5-2 步进电机，5-3顶部型材，5-4上端型材轨道，5-5鱼眼轴承模组固定，5-6顶丝螺栓，5-7弹块，5-8下端型材轨道，5-9底部型材固定，5-10滑动模组，5-11顶丝螺栓，5-12螺栓，5-13顶丝螺栓,5-14上端型材固定，5-15丝杠，5-16螺栓，5-17 限位开关，5-18联轴器；6-1螺栓，6-2挤出轮，6-3挤出轴承，6-4螺栓，6-5挤出轴承固定，6-6顶丝螺栓，6-7弹簧，6-8步进电机，6-9挤出机固定座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

1.便携式可折叠3D打印机的总体结构方案

综合现有的桌面级3D打印机的设计方案，在成熟的箱式架构，龙门架构， Delta架构中，从降低可折叠难度，提高桌面级3D打印机的空间利用率，降低可折叠方案的制作难度，以及桌面级消费产品的用户体验等不同方面来考虑，选择了Delta的设计方案。

如图1、2、3、4、5、6所示，Delta的设计方案为三角洲架构，区别于一般的XYZ直角坐标系的结构方式，Delta的设计方式通过三根立柱，带动效应器等部分，实现XYZ空间的空间位移。3D打印从运动方式来说，就是通过不同的技术方式，实现对末端执行结构XYZ三个方向的位置控制，为进一步节省桌面级 3D打印机的所占空间，XYZ三轴采用丝杠传动的方式，实现末端执行器的空间位移。

对于成型底面，将打印平面分为空间三部分，通过与三根立柱3的连接，在立柱张开的同时，底盘2也随之展开，在径向实现移动的同时，也实现Z方向的移动，基于虹膜原理的设计，可以极大地节省3D打印机的平台所占空间，同时打印平台除了实现提供一打印平面外，还可以同时提供三轴定位功能。实现径向三轴控制。

便携式可折叠3D打印机采用Delta结构设计，采用Delta的并联方式，可以充分利用并联机构具有结构稳定、易于控制、惯性小、刚度大、承载力强、精度高等特点，其定位精度远高于串联模式的机构。

底面平台基于虹膜机制，实现可伸展平面。将一个外径200mm的平台缩小到外径只有110mm，同时提供一个直径100mm的圆形平面，变性前后，可伸缩平台的Z向高度有效控制在25mm，极大地降低了打印平台的占用体积。打印平台变性前后，如图所示。

XYZ三根立柱采用完全对称的结构设计，一方面降低加工制作成本，另一方面三轴完全对称设计又降低了组装难度。同时，为实现高度上尽可能的降低，将 XYZ三根立柱采用了可伸缩的结构设计，最大限度的降低了3D打印机收缩时所占空间。

XYZ三根立柱部分通过鱼眼轴承，实现与末端执行器的连接，作为一种降低性能的球铰链实现方式，配合三轴的快速移动，实现空间位移，提高了运动部分的平稳性。

末端执行器即3D打印的喷头部分，采用全新一体式设计，同时配有强劲肋片散热，将多余热量极快流失，提高出丝稳定性，降低堵头的风险。

2.进给系统的选择设计

现有的3D打印驱动系统的传动方式有丝杆传动，同步带传动和齿轮齿条传动，对于3D打印机来说，进给系统的设计，将直接影响3D打印机的打印精度，而进给系统中最重要的部分是丝杠副的设计选取，在进给系统中，传动系统的精度、稳定性、灵敏度将直接决定着3D打印机的定位精度和打印精度。

丝杆副驱动的方式是比较成熟稳定的，同时还具有传动效率高和预紧简单的特点，丝杆传动从加工制作方式上，丝杆传动也是三者比较中最为简单的方式，为了进一步节省3D打印机的工作空间，提升传动效率，在此我们采用丝杆副的设计方案。

在现有的传动模组设计中，丝杆的安装方式一般有五种：a、丝杠固定，螺母旋转；b、一端固定，一段自由；c、两端固定；d、一端固定，一端游动；e、两端固定。

本发明从传动效率、加工难易程度、结构设计成本等多方面考虑，采用一端固定，一端游动的方式。进给系统展开如图7、8、9所示；包括步进电机5-2，丝杠5-15；连轴器5-18；

与步进电机靠近一段，采用联轴器5-18连接的方式，将步进电机和滚珠丝杆连接，起着重要地作用。丝杆螺母固定在模组上，步进电机通过联轴器连接在传动丝杆上，模组滑块随着步进电机的旋转，实现沿着型材轨道的往复运行。

在便携式可折叠3D打印机的轨道模组中，螺母固定在滑块上，三根立柱竖直放置，这样螺母主要承受来自轴向受力。轴向压力随着连杆的不同角度受力不同，但在当运动到极限和特殊位置时，往往会出现最大轴向力，会导致螺母副之间的磨损，所以计算丝杆与螺母之间的耐磨性非常重要。

基于FDM原理的3D打印机在工作过程中，沿轴向的打印速度由于每层切片的速度不一样从而大小变化，速度大概在4-10mm/s，因为施加在螺旋副上的压力主要来自于滑块模组的重量和所连接碳杆及末端执行器的重量之和，可以测算出其重量的之和大概在200克，大约为2N，将参数代入上式中，既可以得到螺纹中径的最小值为0.3mm，查阅相关梯形螺纹的选择标准，可以选择直径为5mm 的标准直径的梯形丝杆。

从梯形螺纹表格就可以得出，可以选择螺纹中径为5mm的梯形螺纹，三个立柱，即XYZ三根滑块模组的传动丝杆的最小中径为5mm，通过校核计算，其强度性能可以满足设计的要求。

需要对便携式可折叠3D打印机滑块模组的轴向受力最大值进行螺杆的强度计算，在滑块模组的往复运动过程中，在传动螺母上，危险截面同时受到切应力和压缩应力，在这种条件下，需要计算滑块模组上螺母处的许用应力，通过第四强度理论来校核计算，应该满足如下条件：

式中：

T——螺杆所受螺距(N·mm)

F——螺杆所受的轴向拉力或压力(N)

W_T——螺杆螺纹段的抗扭矩截面系数(mm³)

A——螺杆螺纹部分的危险截面面积(mm²)

d₁——螺杆螺纹的小径(mm)

[σ]——螺杆材料的许用应力(Mpa)

将所需参数代入上式，校核结果满足螺杆螺纹的强度要求。既可以得出便携式可折叠3D打印机的三轴的传动方式，选择导程为8mm，直径为5mm的丝杆，同时丝杆螺母采用高度5mm的螺母，螺母的材料选择黄铜，丝杆的材料选择不锈钢。

3.挤出系统设计

3D打印机喷头组件4设计

以FDM技术为核心的3D打印机的重要部分是喷头，3D打印机的喷头的送丝准确性、稳定性和加热效率的高低对打印件的成型质量和产品的使用寿命有直接影响，正如传统的机械加工一样，优良的切削刀具会加工出尺寸精度准确，表面质量好的零部件。基于FDM的3D打印机的喷头主要包括一体式的喷头喉管、外部散热肋片、尾部特氟龙连接、陶瓷加热器和测温电偶。

本方案设计的喷头是基于现有的喷头，结合自身便携可折叠的特点，进行优化设计，在保证基本性能的前提下，尽可能的减小喷头的体积。控制喷头的质量，提高喷头的送丝稳定性、准确性，保证打印机的打印速度。

便携式可折叠3D打印机的采用远程送丝的方式，挤出机8在远端，通过挤出轮6-2的挤压和摩擦作用将耗材9送到喷头处。远程送丝的方式将会最大限度的降低执行末端的重量，结合采用了Delta的移动方式，可以实现喷头的快速移动，在保证打印精度的条件下，提高打印速度。

相反，虽然远程送丝会带来诸多优势，但是由于采用了远程送丝的方式，当耗材通过远端送丝机构的作用，耗材到达喷头处时，由于为了使耗材以0.4mm 的口径熔融喷出，喷头处的耗材将会受到极大的阻力，而这时由挤出机传送过来的前进的动力也被消耗殆尽，正所谓“强弩之末，势不能穿鲁缟”，如何减小喷头处的摩擦力就显得尤为重要。

摩擦力的产生是由于到达喷头处后，由于喷头顶部的陶瓷加热装置对喷嘴处进行加热，温度最高可以达到230摄氏度以上，由于整个喷头都采用金属材质，导致会有部分热量从喷头处向后扩散，一直传递到尾部，从此看来，尾部的金属部分温度也是非常之高，然而，尾部的高温对于耗材并不是一个有利的条件，这样就会提前将刚刚进入尾部的耗材进行加热，导致耗材提前软化，如果温度过高，甚至会导致耗材熔融。在实际操作过程中，只有耗材在硬度达到一定的情况下，才会对前方开始熔融的耗材提供向前的挤出力，当材料变软，由于采用的是远程送丝的方式，传递到喷头处的力量本来就小，这样导致耗材的喷丝不顺畅，极大地影响打印效果。

在一般情况下，采用远程送丝的打印机，采用E3D工作室挤出喷头，该挤出喷头的构造也分为：挤出头，加热块，喉管，散热肋片等部分，为了降低喷头的成本和减小维修难度，E3D的喷头采用模块化设计，不同的部分也采用了不同的材质加工。

考虑到机器的稳定性，设计了一体式的喷嘴，主要特点是将喷嘴，加热块，喉管实现一体化设计。尽可能的降低由于采用较高导热率的材料，导致喷头尾部热量过高，提前将耗材熔融。

因为挤出耗材将会填满整个喷头的内部，为了降低喷嘴处的热量传递到尾部，需要选择恰当的加热材料。

为了实现喷嘴处的温度最快上升，即实现将外部陶瓷加热传递到喷嘴处，实现对材料的熔融，考虑到材料的加工难易程度，同时考虑加工的经济成本，由上表可以看出，痛的导热率比较高，可以快速传递热量，喷嘴的加热时间短，所以选取铜(纯铜，紫铜)作为喷头前部喷嘴处的加工材料。同时连接处的肋片采用铝加工，一方面可以将热量传递到环境中，另一方面又可以减少对尾部喉管的导热作用。喉管的作用是实现耗材的“引流”，为了减少热量对喉管的影响，所以采用铁作为后管的加工材料。

4.喷头组件4的设计

喷头组件4包括喉管4-1，效应器4-2，散热肋板4-3，挤出头喷嘴4-4；

效应器4-2的作用连接碳杆6和喷头，线规模组连接碳杆，碳杆的另一端连接效应器。碳杆与效应器的连接，为了实现喷头在各个位置的顺畅移动，应该采用球铰链的连接方式。常见的球铰链可以通过鱼眼轴承或者强磁实现。

本发明采用鱼眼轴承实现。鱼眼轴承是一种常见的轴承，又称关节轴承，可以实现球铰链的功能，通过碳杆6的移动，将效应器在三维空间内移动。为了配合3D打印机的便携性，降低重量，同时实现喷头处热量的充分交换，将效应器通过鱼眼轴承与碳杆连接，不同于强磁连接的方式，在各个位置点，效应器都不会脱落。框架式的设计结构，三根连杆汇集中央，效应器中央处为喷头的连接部分，通过螺旋的方式将喷头固定。

5.3D打印机挤出机8设计

包括螺栓6-1，挤出轮6-2，挤出轴承6-3，螺栓6-4，挤出轴承固定6-5，顶丝螺栓6-6，弹簧6-7，步进电机6-8，挤出机固定座6-9。

在打印过程中，打印耗材会不断的消耗7挤出，所以需要设计一个轻便型送丝机构将耗材可控的送到喷头处，由于采用的远程送丝方式，在打印过程中，通过程序控制步进电机的旋转，进而实现耗材的前进挤出和回抽后退，保证挤出稳定。

3D打印机的送丝机构，通过挤出轮和轴承配合，利用摩擦力将耗材输送到喷嘴处，送丝机构如图所示。挤出轮与步进电机连接，挤出轮上带有轮齿，配合轴承进行摩擦挤出，将耗材送至加热区。

为了减小在挤出部分对耗材的破坏，同时由于耗材的直径粗细不一，为了保证耗材在输送过程中稳定有效的挤出，实现自己实时可调节，在挤出机构上增加了挤出弹簧，可以增加挤出轮与耗材之间的摩擦力，减少打印过程中，打印耗材打滑，出丝不连续等问题，挤出机设计如图40、41、42所示。

6.变形系统设计

虹膜机制的平台设计

作为便携式可折叠3D打印机最为关键的部分，打印平台的设计显得尤为重要。为了尽可能的降低加工制作难度和减小3D打印机折叠后的变形空间使用，必须要设计一种非常轻便同时可以实现一步到位的变形平台。

本发明采用虹膜机制的变形平台，在常见的主流相机中，基于小孔成像的原理，都含有光圈结构，类似于人眼的虹膜，负责调解进光量的大小。相机中的光圈结构，通过旋转张合，实现了控制光孔的大小，进而控制进光量。相机光圈通常由多个互相重叠的弧形金属薄片组成，内部的电机转动，实现叶片的离合，进而控制中心圆孔的大小。

虹膜机制，即将一个平面分割，将薄片按圆周对称分布，在一个近似平面内实现薄片的重合，同时在金属薄片中旋转收缩张合时统一步调的运动，薄片之间进行拼合，最后实现不同孔径构成，甚至出现完全闭合平面。

将平面模块化，分组然后实现统一步调的运动，在一个旋转的步调下，实现面积的变化。与虹膜机制不同的是在打印平台的伸缩张合过程中，打印平台是外扩的，而虹膜机制是内扩的，只需要将虹膜的基点位置从以外部端点为核心变为以内部中心为转轴即可。同时由于虹膜机制的展开面积过于狭小，金属薄片有重叠，而打印平台对展开平面的平面度有要求，所以不同薄片之间不可以重叠，为此必须对相机光圈的设计在虹膜机制的基础上进行改进，为此设计出如图10到图26所示的方案：

为了实现整个平台在保证打印面积的情况下，占用空间尽可能的小，将展开面积分为三层，除了顶部三层的模块化之外，还有下面三层作为轨道动力以及顶托作用层。

打印平台由六组构成，由上至下分别为：远处外扩层、中间滑道层、外围切割层、外围切割提升层、辅助动力层、底部轨道层。为了实现平面的拼接和展开，将打印平台的实际承载打印面积分为三组。

第一组，是远处外扩层3-1，这一层的作用是提供动力，以及配合中间滑道层实现三根轨道模组实现定位。

所述的远处外扩层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销I 以及导向板，所述的插销I沿着中间滑轨层内滑槽滑动，且插销I穿过外围切割提升层、辅助动力层与旋转曲柄的外端相连。

当用向外作用的力拉动三根轨道模组时，由于远处外扩层与轨道模组固定，所以远处外扩层也会向外扩张，由于远处外扩层与底部曲柄3-7是铰链连接，远处外扩层向外扩张时，曲柄也会随动向外扩张而由于底部轨道层固定，导致远处外扩层要实现向外扩张必须带动曲柄外伸，随之带来的影响就是远处外扩层必须以组合运动的方式实现运动，即旋转外扩运动。将复合运动拆解开来就是：外伸运动和旋转运动。该层在旋转过程中，由于限制在滑道中，所以一边旋转一边带动辅助动力层旋转。

第二组，是中间滑道层3-3，给远处外扩层提供向外扩张的直线运行轨迹，

中间滑轨层包括三个沿圆周方向呈120度角分布且连接在一起的滑轨，在所述的滑轨上设有滑槽；滑轨连接位置的底部设有一个旋转轴，在所述的旋转轴的外圈设有两个成180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销II。

由上面分析可知，远处外扩层的运动方式为负荷运动，但是在以中间滑道的坐标系中，远处外扩层的运动为直线运动，中间滑道部分的作用为保证远处外扩层的扩张时直线扩张。中间滑道层在旋转过程中，由于其底部突出在底部轨道层的内嵌式斜槽内，中间滑道层还可以实现Z向的抬升。

第三组，是外围切割层3-2，如果仅仅有两层提供打印平台是不能保证打印机有足够的打印面积，而外围切割层的作用是提供缺少部分的面积，同时外围切割层对第一组的打印平台实现部分限位作用。该部分的动力主要来自于辅助动力层，由于辅助动力层的旋转，外围切割层下底面的立柱被带动，随着辅助动力层旋转而旋转，但由于外围切割层立柱同时陷入底部轨道层的槽口中，只能在底部轨道层的槽口中按照预先设定的轨迹运动，结合外围提升层的直线槽口轨道，外围切割层实现了旋转外伸运动。

所述的外围切割层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销III 以及导向板，所述的插销III穿过外围切割提升层、辅助动力层插接到底部轨道层的圆弧形滑槽内，沿该圆弧形滑槽滑动。

第四组，是外围切割提升层3-5，在第三组外围切割层的运动过程中，外围切割层只能实现沿径向的运动，即实现平面扩展，但是为了实现外围切割层的Z 向变动，需要外围切割提升层辅助外围切割层实现上下运动，外围切割提升层底部有突出，与中间滑道部分一致，外围切割提升层的底部突出也位于底部轨道层的内嵌式斜槽扣内，随着外围切割层的转动实现外围切割层的上升，同时带动外围切割层的提升。

进一步的，所述的外围切割提升层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III。

所述的外围切割提升层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120 角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III；在圆形板的底部设有旋转轴II，所述的旋转轴II 上设有两个呈180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销IV；所述的两个插销IV所在的平面与两个插销II所在的平面相互垂直；所述的旋转轴II上设有凹槽，所述的凹槽用于插销II的穿过。

第五组，为辅助动力层3-6，第四组和第五组的外形基本一致，但是作用不完全一致，辅助动力层作为提供外围切割层动力的主要部分，在旋转过程中，外围切割层立柱陷入辅助动力层的槽口中，带动外围切割层的旋转。

所述的辅助动力层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III。

第六组，为底部轨道层3-8，该层包含曲柄，由于采用虹膜机制，扩展部分有两组，每组三个，合计六个扩展部分，需要六根曲柄，但是由于远处外扩层的扩展距离为35mm，而外围切割层的扩展距离为15mm，距离的不同导致在远处外扩层和外围切割层的步调一致的情况下，必须采用不同的铰链机制，基于此，远处外扩层的采用曲柄旋转来实现，外围切割层如果依旧采用曲柄则会导致与远处外扩层的曲柄干涉，而曲柄的核心在于轨迹，所以设计了圆形槽口轨道，来自外围切割层的立柱相切于圆形槽口内，按照槽口的轨迹进行旋转。同时底部轨道层底面还有四个螺旋形的弧形槽，实现了中间滑道层和外围切割层的高度方向的旋转提升。

进一步的，底部导轨层包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板圆周方向分布的三个圆弧形槽；所述的圆弧形槽用于插入外围切割层的插销 III；在所述的圆形板的底部设有空心轴，在所述的空心轴的外壁上设有四个螺旋形的弧形槽，且相对的两个螺旋形的弧形槽形状相同；其中两个螺旋形的弧形槽用于限制插销II的运动轨迹，实现中间滑道层的升降；另外两个螺旋形的弧形槽用于限制插销IV的运动轨迹，实现外围切割提升层的升降。

通过六层的相互配合，在外力带动轨道模组的情况下，实现了打印平台的伸缩与扩张同时对轨道模组进行定位。

7.可伸缩导轨的机身设计

包括顶部型材固定5-1；顶部型材5-3，上端型材轨道5-4，鱼眼轴承模组固定5-5，顶丝螺栓5-6，弹块5-7，下端型材轨道5-8，底部型材固定5-9，滑动模组5-10，顶丝螺栓5-11，螺栓5-12，顶丝螺栓5-13,上端型材固定5-14， 5-16螺栓；

传统Delta结构的3D打印机的目前存在顶部空间利用率不高的问题，这是由于Delta结构为了实现连杆在空间内移动，将往复式直线滑轨运动变为连杆的角度变化，从而带动效应器的运动，进而带动喷头的移动实现打印，为了减小在收缩状态时打印机占用的空间，将滑动轨道部分分为两部分，固定丝杆提供往复动力的部分和提供高度实现打印的部分。

以铝型材的槽口设计为出发点，设计了嵌套式的型材，一方面可以起到支撑作用，另一方面又可以对往复的轨道模组的滑块部分提供轨道约束，实现往复运动。极大地节省了收缩状态的空间。在收缩状态时，丝杆底部带有弹簧式卡扣，将上端轨道锁定在支撑轨道的底端，伸张状态时，丝杆轨道部分沿支撑轨道内部滑槽上升，在支撑轨道的顶部留有槽口，弹簧式卡扣弹出，将轨道固定锁住。

本发明进给系统中采用丝杆传动的方式，具有稳定，精度高和易于控制的特点。挤出系统进行微小化设计，同时为了适应大多数厂家的耗材，进行的了弹簧随动式的方案。变形部分分为两部分，一部分详细阐述了采用虹膜机制的变形方式，另一部分讲解了轨道的滑动方案和变形结构。

通过打印平台的变形，实现了3D打印机在径向方面的变形缩小，通过轨道的伸缩变形，实现了3D打印机在高度上的缩小，二者配合，从空间维度上解决了传统3D打印机的空间占用率高的问题，配合在挤出系统，效应器等部分的优化设计，完成了3D打印机的全部功能，也达到了便携式可折叠的效果。

Claims (10)

1.便携式可折叠3D打印机，其特征在于，包括三根在圆周方向上均匀分布的立柱，在每个立柱的内表面设有丝杠，，每个丝杠通过电机驱动其旋转；在每个丝杠上均设有丝杠螺母，三个丝杠螺母连接一个固定块，所述的固定块通过连杆以及鱼眼轴承与一个效应器相连，在所述的效应器的中间通过螺纹与喷嘴组件相连；所述的喷嘴组件与挤出机相连；在所述的立柱的下部安装有底盘，所述的底盘包括从上到下依次设置同轴安装的远处外扩层、中间滑轨层、外围切割层、外围切割提升层、辅助动力层和底部轨道层，所述的远处外扩层的外圈与所述的三立柱固定相连；远处外扩层与安装在底部轨道层上的曲柄一端铰链连接，曲柄另一端固定在底部轨道层，所述的底部轨道层固定；实现远处外扩层的旋转外扩运动，且远处外扩层底部安装有插销，所述的插销沿着所述的中间滑轨层做直线运动；所述的中间滑道层也做旋转运动；且中间滑道层的转轴插装在底部轨道层实现了中间滑道层沿Z向的抬升和降落；所述的外围切割层分布在远处外扩层扩张后的间隙面积内在外围切割提升层的作用下提升；所述的辅助动力层为外围切割层提供辅助动力。

2.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的远处外扩层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销I以及导向板，所述的插销I沿着中间滑轨层内滑槽滑动，且插销I穿过外围切割提升层、辅助动力层与旋转曲柄的外端相连。

3.如权利要求2所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的中间滑轨层包括三个沿圆周方向呈120度角分布且连接在一起的滑轨，在所述的滑轨上设有限制插销I运动轨迹的滑槽；滑轨连接位置的底部设有一个旋转轴，在所述的旋转轴的外圈设有两个成180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销II。

4.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的外围切割层包括三个扇形板，三个所述的扇形板的底部设有插销III以及导向板，所述的插销III穿过外围切割提升层、辅助动力层插接到底部轨道层的圆弧形滑槽内，沿该圆弧形滑槽滑动。

5.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的外围切割提升层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III；在圆形板的底部设有旋转轴II，所述的旋转轴II上设有两个呈180度分布且与旋转轴轴线垂直的插销IV；所述的两个插销IV所在的平面与两个插销II所在的平面相互垂直；所述的旋转轴II上设有凹槽，所述的凹槽用于插销II的穿过。

6.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的辅助动力层，包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板径向分布且呈120角的贯通槽以及三个沿圆形板圆周方向分布且呈120角的非贯通槽；所述的贯通槽用于供远层外扩层的插销I穿过；所述的非贯通槽用于插入外围切割层的插销III。

7.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的底部导轨层包括一个圆形板，在所述的圆形板上开有三个沿圆形板圆周方向分布的三个圆弧形槽；所述的圆弧形槽用于插入外围切割层的插销III；在所述的圆形板的底部设有空心轴，在所述的空心轴的外壁上设有四个螺旋形的弧形槽，且相对的两个螺旋形的弧形槽形状相同；其中两个螺旋形的弧形槽用于限制插销II的运动轨迹，实现中间滑道层的升降；另外两个螺旋形的弧形槽用于限制插销IV的运动轨迹，实现外围切割提升层的升降。

8.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的立柱包括上部型材轨道以及下部型材轨道，所述的上部型材轨道和下部型材轨道之间通过弹性件卡装在一起，当弹性件按下时，两者之间可以伸缩，当弹性件弹起时，两者之间固定。

9.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，所述的上部型材轨道的内部安装有丝杠，且在丝杠螺母运动的极限位置设有限位开关。

10.如权利要求1所述的便携式可折叠3D打印机，其特征在于，，所述的喷嘴组件包括引导管、喷嘴以及散热肋片，所述的引导管与喷嘴相连，散热肋片安装在引导管和喷嘴的连接处。