CN107160684B - 一种超大型3d打印系统及其打印方法 - Google Patents

一种超大型3d打印系统及其打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超大型3D打印系统，包括可沿Y轴移动的龙门式走行机构，所述龙门式走行机构支腿之间设有可沿Z轴升降的工作台，所述龙门式走行机构上设有3D打印装置，所述3D打印装置包括打印头，以及用于安装打印头并能驱动打印头旋转和沿Z轴移动的小幅升降装置，所述小幅升降装置设在龙门式走行机构的横梁上并可沿X轴移动，所述的3D打印装置还包括能为打印头输送打印物料的供料系统，本发明还公开了一种超大型3D打印方法，从而实现超大型3D打印构件的打印。

Description

一种超大型3D打印系统及其打印方法
【技术领域】
本发明涉及一种超大型3D打印系统，本发明还涉及一种运用打印系统的超大型3D打印方法。
【背景技术】
3D打印是新一轮产业革命的标杆性技术，3D打印技术在制造业的应用越来越广泛，一是能够快速输出一些难以手工或机械工具完成的立体模型，二是大型金属结构件直接制造，其在汽车、航空等工业领域已经初露锋芒。大型3D打印基本都采用了龙门式走行机构在一个固定的平面内进行打印，其打印高度都是采用一个较大长度的Z向移动机构来带动打印头来实现，但如Z向移动机构高度越大，则其打印精度就越难以得到保证，因此，目前大型打印构件的高度最多就只能达到几米高，且这些大型3D打印机也只能打印建筑结构这类精度要求非常低下的大型构件，对于超大型打印构件则无法实现。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种简单的能够打印超大型构件的超大型3D打印系统。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超大型3D打印系统，其特征在于：包括可沿Y轴移动的龙门式走行机构，所述龙门式走行机构支腿之间设有可沿Z轴升降的工作台，所述龙门式走行机构上设有3D打印装置，所述3D打印装置包括打印头，以及用于安装打印头并能驱动打印头旋转和沿Z轴移动的小幅升降装置，所述小幅升降装置设在龙门式走行机构的横梁上并可沿X轴移动，所述的3D打印装置还包括能为打印头输送打印物料的供料系统。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述的工作台有一个或一个以上，每个所述的工作台上连接有能驱动其沿Z轴移动，以及驱动其相对水平面转动倾斜的升降装置。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述供料系统包括安装在龙门式走行机构的横梁上且可沿X轴移动的、并用于提供即时打印物料的小料斗，以及安装在龙门式走行机构的支腿上方的并用于储存打印物料的大料斗，在所述的小料斗内的打印物料低于设定值时，所述的大料斗往小料斗内输送打印物料。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述的小幅升降装置沿X轴移动的宽度介于0至100m之间，所述的打印头沿Z轴的移动的范围介于0至3m之间，且旋转角度介于0至360度之间。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述的超大型3D打印系统还包括导轨，所述龙门式走行机构两支腿上分别设有与导轨相配合从而使得龙门式走行机构沿Y轴移动的移动部。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述龙门式走行机构沿Y轴移动的长度主要取决于导轨的安装长度，其介于0至200m之间。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述工作台沿Z轴移动的高度介于0至50m之间。
如上所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述龙门式走行机构支腿端上安装有用于放置工具和材料的工具库，所述龙门式走行机构的横梁上设有可沿X轴移动并能够抓取工具库中的工具或者材料进行工作的机械手。
本发明还提供一种超大型3D打印方法，包括以下步骤：
A：启动超大型3D打印系统，所述的超大型3D打印系统包括设可沿Y轴移动的龙门式走行机构，所述龙门式走行机构两支腿之间设有可沿Z轴升降的工作台，所述的工作台有一个或一个以上，每个所述的工作台上连接有能驱动其沿Z轴移动，以及驱动其相对水平面转动倾斜的升降装置,所述龙门式走行机构上设有3D打印装置，所述3D打印装置包括打印头，以及用于安装打印头并能驱动打印头旋转和沿Z轴移动的小幅升降装置，所述小幅升降装置设在龙门式走行机构横梁上并可沿X轴移动，所述的3D打印装置还包括能为打印头输送打印物料的供料系统,所述供料系统包括安装在小幅升降装置上的并用于提供即时打印物料的小料斗，以及安装在龙门式走行机构的支腿上方的并用于储存打印物料的大料斗，在所述的小料斗内的打印物料低于设定值时，所述的大料斗往小料斗内输送打印物料；
B：所述的打印头由小幅升降装置以及龙门式走行机构带动做X、Y方向的运动以实现当前层的打印，在此步骤中当所述供料系统中的小料斗内的原料消耗到一定程度达到设定值时，大料斗输送原料到小料斗内，以满足其短时间的打印需求；
C：当前层打印结束后，所述小幅升降装置带动打印头沿Z轴提升一个打印层的高度，然后开始进行下一层的打印，如此循环一定的层数；
D：当所述打印头在小幅升降装置驱动下提升数个打印层高度后达到小幅升降装置设定的高度时，对应的工作台在升降装置的驱动下下降一定的高度，打印头在小幅升降装置的带动下下降同样的高度,再重复步骤B至步骤C，实现高度较大产品的3D打印。
如上所述的一种超大型3D打印方法，其特征在于：所述龙门式走行机构上安装有用于放置工具和材料的工具库，所述龙门式走行机构的横梁上设有可沿X轴移动并能够抓取工具库中的工具或者材料进行工作的机械手，所述工具库放置有预埋配件以及用于超声波抛光、超声波焊接、纤维缠绕的工具及相应材料；
在步骤B至步骤C中，当打印到放置预埋配件的设定位置时，所述的机械手抓取并预埋相关的预埋配件在打印件中；
在步骤B至步骤C中，当内外表面有抛光要求时，所述的机械手抓取超声波抛光工具将所需抛光位置上已打印部分的表面进行超声波抛光；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的焊接位置时，所述的机械手抓取超声波焊接工具将设定位置上已打印部分进行超声波焊接；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的玻璃钢化处理位置时，所述的机械手抓取纤维缠绕工具和材料将设定位置上已打印部分进行玻璃钢化处理。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、通过工作台的升降配合，从而实现高度较大产品的3D打印，而打印宽度由龙门式走行机构的横梁跨度来决定，其宽度可以达到几米到上百米，而打印长度则通过龙门式走行机构沿Y轴移动的距离长度决定，从而实现超大型物品(如建筑、船舶、飞机、汽车等)的打印。
2、所述的工作台有一个或以上，每个工作台可由一个或者多个升降装置带动其沿向移动实现其高度方向的变化，使得不同的工作台可以具有相同或不同的高度，并且每个工作台与水平面之间的角度都可以分别进行调节，这样就可以实现不同高度水平面甚至将工作台倾斜一定角度等多种形式的打印方式。
3、所述供料系统包括小料斗和大料斗，在所述的小料斗内的打印物料低于设定值时，所述的大料斗往小料斗内输送打印物料，所述大料斗固定在龙门式走行机构的支腿上方，用于主要打印物料的储存，而小料斗主要是为打印头提供即时打印物料。这样既可解决当打印件面积大，如果物料在打印系统以外通过管道输送则将导致输送管道长度的增长所带来的输送困难、输送能耗高等问题，也减少了当所有物料放在龙门式走行机构横梁上，将增大龙门式走行机构横梁压力而带来的一系列问题。
4、通过小幅升降装置控制打印头相对其做小幅升降，从而保证3D打印的精度，同时实现了超大型物品的打印，提升了3D打印的生产效率，降低了打印过程的能源消耗，也缩短了生产周期。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1是本发明一种超大型3D打印系统的结构示意图；
图2是多个工作台及其对应的升降装置的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1至图2所示的一种超大型3D打印系统，包括设在X轴方向上并可沿Y轴移动的龙门式走行机构1，所述龙门式走行机构1两支腿之间设有可沿Z轴升降的工作台2，所述龙门式走行机构1上设有3D打印装置3，所述3D打印装置3包括打印头31，以及用于安装打印头31并能驱动打印头31旋转和沿Z轴移动的小幅升降装置32，所述小幅升降装置32设在龙门式走行机构1横梁上并可沿X轴移动，所述的3D打印装置3还包括能为打印头31输送打印物料的供料系统33。3D打印过程中，所述的小幅升降装置32带动打印头31沿X轴移动，所述龙门式走行机构1带动小幅升降装置32和打印头31一起做Y轴移动，从而实现打印构件8在一个平面层的打印；所述的小幅升降装置32能够带动打印头31在Z轴上做小幅的升降移动，当当前层打印结束后，所述小幅升降装置32带动打印头31沿Z轴提升一个打印层的高度，然后开始进行下一层的打印，如此循环一定的层数；当所述打印头31在小幅升降装置32驱动下提升数个打印层高度后达到小幅升降装置32设定的高度时，对应的工作台2在Z轴方向上下降一定的高度，打印头31在小幅升降装置32的带动下下降同样的高度,再重复上述打印过程。通过小幅升降装置32控制打印头31相对其做小幅升降，从而保证3D打印的精度，同时通过工作台2的升降配合，从而实现高度较大产品的3D打印，而打印宽度由龙门式走行机构1的横梁跨度来决定，其宽度可以达到几米到上百米，而打印长度则通过龙门式走行机构1沿Y轴移动的距离长度决定，从而实现超大型物品(如建筑、船舶、飞机、汽车等)的打印。
所述的工作台2有一个或者一个以上，每个所述的工作台2上连接有能驱动其沿Z轴移动，以及驱动其相对水平面转动倾斜的升降装置4，每个工作台2可由一个或者多个升降装置4带动其沿Z向移动实现其高度方向的变化，使得不同的工作台2可以具有不同的高度，如打印房屋时，由于洗手间的沉箱需要低于房屋的地面一定的高度，则可以采用多个升降工作台2，从而避免地面部分要悬空起来打印困难的问题；并且每个工作台2与水平面之间的角度都可以分别进行调节，如在悬空式打印时可以将工作台2倾斜，从而可以实现无需支架支撑实现悬空打印；这样就可以实现不同高度水平面甚至将工作台2倾斜一定角度等多种形式的打印方式。
所述供料系统33包括安装在龙门式走行机构1的横梁上且可沿X轴移动的、并用于提供即时打印物料的小料斗331，以及安装在龙门式走行机构1的支腿上方的并用于储存打印物料的大料斗332，在所述的小料斗331内的打印物料低于设定值时，所述的大料斗332往小料斗331内输送打印物料。所述大料斗332固定在龙门式走行机构1的支腿上方，用于主要打印物料的储存，而小料斗331主要是为打印头31提供即时打印物料，这样既可解决当打印面积大，如果物料在打印系统以外通过管道输送则将导致输送管道长度的增长，也减少了当所有物料放在龙门式走行机构1横梁上，其移动时给龙门式走行机构1横梁压力增大而带来的一系列问题。
所述的小幅升降装置32沿X轴移动的宽度介于0至100m之间，使得打印宽度能够满足超大型产品的打印，同时随着大型龙门式走行机构技术的发展，所述的小幅升降装置32沿X轴移动的宽度还可以在100m以上；所述的打印头31沿Z轴的移动的范围介于0至3m之间，且旋转角度介于0至360度之间，从而使得打印头31沿Z轴的移动的同时保证打印精度。另外，由于打印头31相对小料斗331的高度位置变化范围不大，因此，可以较为方便的将材料输送到打印头31。
所述的超大型3D打印系统还包括导轨7，所述龙门式走行机构1两支腿上分别设有与导轨7相配合从而使得龙门式走行机构1沿Y轴移动的移动部11，所述龙门式走行机构1沿Y轴移动的长度主要取决于导轨7的安装长度，其介于0至200m之间，使得打印长度能够满足超大型产品的打印，所述的超大型3D打印系统的打印长度可以随着导轨7的增加实现无限延长。
所述工作台2沿Z轴移动的高度介于0至50m之间，实现超大高度的打印，从而解决了当前3D打印普遍存在的不能实现超大高度(>6m)的物品打印的问题。
所述龙门式走行机构1支腿上安装有用于放置工具和材料的工具库5，所述工具库5中放置有预埋配件以及用于超声波抛光、超声波焊接、纤维缠绕的工具以及相应材料，所述龙门式走行机构1的横梁上设有可沿X轴移动并能够抓取工具库5中的工具或者材料进行工作的机械手6，从而使得在打印的过程中能够进行抛光、焊接与表面纤维缠绕等工作，能够极大地提高3D打印的生产效率。
一种超大型3D打印方法，包括以下步骤：
A：启动上述的超大型3D打印系统；
B：所述的打印头31由龙门式走行机构1、小幅升降装置32带动做X、Y方向的运动以实现当前层的打印，在此步骤中当所述供料系统33中的小料斗331内的原料消耗到一定程度达到设定值时，大料斗332输送原料到小料斗331内，以满足其短时间的打印需求；
C：当前层打印结束后，所述小幅升降装置32带动打印头31沿Z轴提升一个打印层的高度，然后开始进行下一层的打印，如此循环一定的层数；
D：当所述打印头31在小幅升降装置32驱动下提升数个打印层高度后达到小幅升降装置32设定的高度时，对应的工作台2在升降装置4的驱动下下降一定的高度，打印头31在小幅升降装置32的带动下下降同样的高度,再重复步骤B至步骤C，实现高度较大产品的3D打印。
在步骤B至步骤C中，当打印到放置预埋配件的设定位置时，所述的机械手6抓取并预埋相关的预埋配件在打印件中；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的抛光位置时，所述的机械手6抓取超声波抛光工具将设定位置上已打印部分的表面进行超声波抛光；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的焊接位置时，所述的机械手6抓取超声波焊接工具将设定位置上已打印部分进行超声波焊接；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的玻璃钢化处理位置时，所述的机械手6抓取纤维缠绕工具和材料将设定位置上已打印部分进行玻璃钢化处理。
所述的超大型3D打印方法打印精度好，实现了超大型物品的打印，提升了3D打印的生产效率，缩短了生产周期。

Claims (7)

1.一种超大型3D打印系统，其特征在于：包括沿Y轴设置并固定的导轨(7)和能在导轨(7)上沿Y轴移动的龙门式走行机构(1)，所述龙门式走行机构(1)的两支腿和横梁为相固定的一体化结构，所述龙门式走行机构(1)两支腿上分别设有与导轨(7)相配合从而使得龙门式走行机构(1)沿Y轴移动的移动部(11)，所述龙门式走行机构(1)支腿之间设有可沿Z轴升降的工作台(2)，所述工作台(2)有一个以上，每个所述的工作台(2)上连接有能驱动其沿Z轴移动，以及驱动其相对水平面转动倾斜的升降装置(4)，所述龙门式走行机构(1)上设有3D打印装置(3)，所述3D打印装置(3)包括打印头(31)，以及用于安装打印头(31)并能驱动打印头(31)旋转和沿Z轴移动的小幅升降装置(32)，所述小幅升降装置(32)设在龙门式走行机构(1)的横梁上并可沿X轴移动，所述的3D打印装置(3)还包括能为打印头(31)输送打印物料的供料系统(33)，所述供料系统(33)包括安装在龙门式走行机构(1)的横梁上且可沿X轴移动的、并用于提供即时打印物料的小料斗(331)，以及安装固定在龙门式走行机构(1)的支腿上方随龙门式走行机构(1)移动的并用于储存打印物料的大料斗(332)，所述大料斗(332)和小料斗(331)通过管道连接，在所述的小料斗(331)内的打印物料低于设定值时，所述的大料斗(332)往小料斗(331)内输送打印物料。
2.根据权利要求1所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述的小幅升降装置(32)沿X轴移动的宽度介于0至100m之间，所述的打印头(31)沿Z轴的移动的范围介于0至3m之间，且旋转角度介于0至360度之间。
3.根据权利要求1所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述龙门式走行机构(1)沿Y轴移动的长度主要取决于导轨(7)的安装长度，其介于0至200m之间。
4.根据权利要求1所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述工作台(2)沿Z轴移动的高度介于0至50m之间。
5.根据权利要求1所述的一种超大型3D打印系统，其特征在于：所述龙门式走行机构(1)支腿端上安装有用于放置工具和材料的工具库(5)，所述龙门式走行机构(1)的横梁上设有可沿X轴移动并能够抓取工具库(5)中的工具或者材料进行工作的机械手(6)。
6.一种应用权利要求1所述的超大型3D打印系统的超大型3D打印方法，包括以下步骤：
A：启动所述超大型3D打印系统，通过升降装置(4)分别调整各个工作台(2)的高度和相对水平面的倾斜角度；
B：所述的打印头(31)由小幅升降装置(32)以及龙门式走行机构(2)带动做X、Y方向的运动以实现当前层的打印，在此步骤中当所述供料系统(33)中的小料斗(331)内的原料消耗到一定程度达到设定值时，大料斗(332)输送原料到小料斗(331)内，以满足其短时间的打印需求；
C：当前层打印结束后，所述小幅升降装置(32)带动打印头(31)沿Z轴提升一个打印层的高度，然后开始进行下一层的打印，如此循环一定的层数；
D：当所述打印头(31)在小幅升降装置(32)驱动下提升数个打印层高度后达到小幅升降装置(32)设定的高度时，对应的工作台(2)在升降装置(4)的驱动下下降一定的高度，打印头(31)在小幅升降装置(32)的带动下下降同样的高度,再重复步骤B至步骤C，实现高度较大产品的3D打印。
7.根据权利要求6所述的一种超大型3D打印方法，其特征在于：所述龙门式走行机构(1)上安装有用于放置工具和材料的工具库(5)，所述龙门式走行机构(1)的横梁上设有可沿X轴移动并能够抓取工具库(5)中的工具或者材料进行工作的机械手(6)，所述工具库(5)放置有预埋配件以及用于超声波抛光、超声波焊接、纤维缠绕的工具及相应材料；
在步骤B至步骤C中，当打印到放置预埋配件的设定位置时，所述的机械手(6)抓取并预埋相关的预埋配件在打印件中；
在步骤B至步骤C中，当内外表面有抛光要求时，所述的机械手(6)抓取超声波抛光工具将所需抛光位置上已打印部分的表面进行超声波抛光；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的焊接位置时，所述的机械手(6)抓取超声波焊接工具将设定位置上已打印部分进行超声波焊接；
在步骤B至步骤C中，当打印到设定的玻璃钢化处理位置时，所述的机械手(6)抓取纤维缠绕工具和材料将设定位置上已打印部分进行玻璃钢化处理。
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