CN107415225A - 一种基于极坐标运动的高温3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，特别设计一种基于极坐标运动的高温3D打印机，其包括内部腔体和套设在内部腔体外部的外壳，内部腔体位于外壳中部，其包括金属支撑外壳、隔热层和多级加热片装置实现逐级升温恒温，内部腔体顶部与外壳顶部之间设置有喷头运动电机和支架，内部腔体顶部设置有孔，线性运动喷头通过支架与喷头电机相连，从孔内伸入所述内部腔体内，所述喷头运动电机带动所述线性运动喷头线性运动，所述内部腔体内部设置有旋转复合成型平台，由喷头喷出的材料在该旋转复合成型平台上成型。本发明的打印机能够维持成型空间温度恒定，改善其打印运动路径，能有效解决现有FDM打印机高温打印的成型翘曲、分层等成型问题。

Description

一种基于极坐标运动的高温3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别设计一种基于极坐标运动的高温3D打印机，其能够有效解决高温打印的成型翘曲、分层等成型问题。

背景技术

3D打印技术又称快速成型技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)或增材制造技术，它涉及到机械工程、材料工程、数字控制、逆向制造、CAD技术以及计算机技术等学科。3D打印技术的基本原理为“逐层打印、层层叠加”，即先通过CAD软件生成三维模型，然后由上位机切片软件(例如cura、Repetier-Host、Retinacreate等)对其进行分层切片并规划路径，将生成的G-code文件导入给下位机控制器，接着由控制器控制3D打印设备逐层再现三维实体模型。

以3D打印快速成型技术为核心，出现了不同打印原理的3D成型设备，其中，熔融沉积成型(FDM)设备依靠其使用方便、操作简单而成为当下应用的热点。其硬件核心是热熔打印喷头，打印材料多为热熔性塑料。打印过程中，在控制器的控制下，由送料机构将热熔性塑料推送至打印喷头，然后再经过喷头的高温熔化而挤出成型。

目前成型温度在300℃以上的高温FDM 3D成型技术，仍面临很多问题：(1)对于高熔点材料，高温打印后成型件因温度骤降而收缩明显，而3D打印成型时间较长，在常温环境下成型的收缩变形程度较大；(2)现有的3D打印机的结构中，由于腔体和喷头运动之间相互作用，导致腔体和外界空气因对流而产生热损失；(3)在成型的过程中，由于成型件的逐层递增导致成型环境的温度变化，进而导致打印件产生分层翘曲等问题。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种3D打印方法，使其能够减小打印成型环境和外界环境的热损失、减少成型环境的温度变化，以便满足高温FDM3D成型技术的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于极坐标的高温3D打印机，其通过旋转复合平台和线性运动喷头的结合，能够实现XOY平面复杂路径的扫描，内部腔体将线性运动喷头的高温部分及旋转复合成型平台封闭于一圆柱空间内，并通过逐级升温设计，随旋转复合成型平台的下降逐级启动维持成型空间温度恒定，本申请还涉及外壳和内部腔体的具体结构等的设计。本发明的打印机能够提高打印温度，维持成型空间温度恒定，改善其打印运动路径，能有效解决现有FDM打印机高温打印的成型翘曲、分层等成型问题，还具有整体结构简洁美观，适应性强的优点，尤其适用于成型温度在300℃以上的高温FDM 3D成型技术。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于极坐标运动的高温3D打印机，其特征在于，其包括：内部腔体、套设在内部腔体外部的外壳以及设置在内部腔体和外壳之间的喷头组件，其中：

该内部腔体包括由外至内依次设置的金属支撑外壳、隔热层和多级加热片装置，所述喷头组件包括喷头运动电机、支架和线性运动喷头，所述内部腔体顶部设置有孔，该线性运动喷头通过支架与喷头电机相连，并从孔内伸入所述内部腔体内，所述喷头运动电机带动所述线性运动喷头线性运动，所述内部腔体底部设置有旋转复合成型平台，由线性运动喷头喷出的材料在该旋转复合成型平台上成型。

具体地，对内腔结构进行设计，如多级加热片装置的设置，使其具备逐级升温恒温的作用，从而使腔体内部的温度能随成型体的成型进行变化，同时在成型后能够保持温度，避免因温度变化导致的成型体的收缩变形。同时，结合线性运动喷头和旋转复合成型平台，使该打印机能够完成XOY平面内的高精度打印，使其具有更广泛的适应性。

进一步优选地，所述外壳由弧形门和圆柱外壳形成圆柱腔体，所述外壳位于所述内部腔体底部以下的部分为底座，底座内设置有支柱对所述内部腔体进行支撑。通过将弧形门和圆柱外壳形成圆柱腔体，即可简单隔离外界和内部腔体，能够避免操作人员意外触碰工作中的内部腔体，提高操作的安全性。同时，支柱与内部腔体底部连接，并形成一定空间，可用于放置各电机及传感器的控制设备及操作面板。

优选地，所述喷头运动电机通过电机架竖直固定，所述喷头运动电机的转轴伸入电机架内，所述喷头运动电机的转轴通过联轴器与一旋转轴一端相连，该旋转轴的另一端通过轴承的短筒套固定在所述内部腔体顶部，且该旋转轴还与连杆的一端连接，所述连杆的另一端与空心短轴连接并带动喷头运动。通过采用电机直接驱动连杆进而带动喷头运动，解决了传统FDM打印机齿轮传动或同步带传动所不可避免的传动精度误差，提高了喷头的打印精度。

优选地，所述喷头上部通过卡扣固定在空心支架的下端，所述空心支架的上端通过空心短轴将气动接头固定，所述喷头底部为喷嘴，所述连杆的中部设置有牛眼轮进行支撑。通过采用气动接头连接空心短轴、空心支架、卡扣、喷嘴组成打印喷头组件，能够顺利地融化并挤出丝材。所述电机、联轴器、电机架等组成的连杆驱动组件，为连杆传动提供动力。所述连杆用于连接打印喷头组件和连杆驱动组件。而连杆与支撑板之间由牛眼轮支撑，则能够减小悬臂结构的影响造成的喷头震动，从而提高打印精度。

优选地，所述内部腔体为圆筒形，其还包括两扇弧形门。采用弧形门的设计不仅便于阻隔和外界的空气对流，还能方便打印试样成型后取样。

优选地，所述多级加热片装置包括热电偶和加热片，所述加热片紧贴腔体侧壁从下至上依次排布，实现恒温腔体的逐级加热。通过设置热电偶和加热片，并从上至下依次设置，结合旋转复合平台的隔热封闭板，能够实现内部腔体的逐级升温和恒温，满足打印时成型材的环境温度的需要。

优选地，所述旋转复合成型平台包括旋转平台、支撑平台和旋转装置，所述旋转平台和支撑平台同轴设置，所述旋转装置包括设置在支撑平台下方的旋转电机和电机架，传动轴一端与旋转电机相连接，另一端与旋转平台的支撑板固定连接，该旋转电机带动旋转平台旋转，所述支撑平台上还设置有多个牛眼轮支撑旋转平台。通过旋转复合成型平台的结构设置，能够实现旋转平台的旋转，配合喷头的线性运动，实现基于极地坐标的3D打印。而将牛眼轮固定在支撑平台上，能够防止成型平台外端发生扰动，并减小运动时的平台震动。

优选地，所述旋转复合成型平台还包括升降机构，所述升降机构包括若干丝杆和光杆，所述支撑平台的外周穿过丝杆和光杆，所述丝杆通过丝杆滑块固定在支撑平台上，所述丝杆旋转带动所述支撑平台上下移动。通过升降机构的设置能够实现整个旋转复合成型平台的垂直升降。进一步的，还可以通过电机带动丝杆旋转驱动平台上升下降，而为了保护丝杆，将每根丝杆配以一根光杆，起到支撑作用避免丝杆破坏。

优选地，所述旋转平台包括紧密贴合的成型板和支撑板，所述支撑平台包括隔热封闭板和支撑板，且所述成型板/隔热封闭板和支撑板之间均有螺栓固定，所述隔热封闭板将所述内部腔体隔离为两部分。通过隔热封闭板的设置，能够将整个腔体实现分割，结合加热片的设计，便于控制内部腔体的温度。

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，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的基于极坐标运动的高温3D打印机，通过对内部腔体的结构进行设计，减小打印成型环境和外界环境的热损失，通过设置逐级升温恒温的内部腔体，将线性运动喷头的高温部分及可旋转复合成型平台封闭于一圆柱空间内，并通过逐级升温设计，随旋转复合成型平台的下降逐级启动，能够实现成型体在体积变化的过程中的逐级环境温度控制，同时营造合适的高温成型环境，以减少成型完成后成型体的收缩变形，避免最终成型体因温度变化导致的收缩明显、成型翘曲、分层等问题，解决了市面上一般FDM打印机成型环境不满足高温FDM打印需求的问题。

(2)通过对于线形运动喷头及其连接件的结构设计，如电机、喷头、连杆等的设置，能够实现喷头的线性运动，且通过采用电机直接驱动连杆进而带动喷头运动，解决了传统FDM打印机齿轮传动或同步带传动所不可避免的传动精度误差，提高了喷头的打印精度。

(3)对于可旋转成型复合平台的具体结构的设计，使其能够实现旋转平台的旋转和垂直方向的移动，通过旋转平台的旋转，配合喷头的线性运动，能够实现XOY平面复杂路径的扫描，实现基于极地坐标的3D打印，其适用范围更广。而通过加热片的设计，配合升降机构和隔热封闭板的设置，能够将整个腔体实现分割，便于控制内部腔体的温度。

(4)而该打印机中多个机构均设置了牛眼轮，通过牛眼轮能够起到良好的支撑作用，且能够防止成型平台外端发生扰动，或喷头自身的震动，减小整个装置在运动时产生的震动，从而提高打印精度。

(5)本发明的打印机能够提升其打印温度，改善其打印运动路径，能有效解决现有FDM打印机高温打印的成型翘曲、分层等成型问题，还具有整体结构简洁美观，适应性强的优点，尤其适用于成型温度在300℃以上的高温FDM 3D成型技术。

附图说明

图1是本发明的高温3D打印机的整体结构示意图；

图2是本发明的高温3D打印机的可旋转复合成型平台结构示意图；

图3是本发明的高温3D打印机的线性运动喷头组件结构剖视图；

图4是是本发明的高温3D打印机的内部腔体结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-钣金圆柱外壳；102-钣金弧形门；103-支柱；104-底座；105-半圆钣金面板；201-丝杆；202-光杆；203-支撑平台；204-套筒；205-底板；206-成型板；207-支撑板；208-牛眼轮；209-隔热片；210-轴承；211-传动轴；212-电机架；213-旋转电机；301-喷头运动电机；302-长电机架；303-联轴器；304-套筒；305-旋转轴；306-窄套筒；307-轴承；308-连杆；309-牛眼轮；310-气动接头；311-连接空心短轴；312-空心支架；313-支撑板；314-卡扣；315-喷头；316-喷头；401-金属支撑外壳；402-弧形门；403-加热片。

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所示的一种基于极坐标运动的高温3D打印机的结构示意图，包括：可旋转复合成型平台、线性运动喷头、内部腔体、保护外壳。

所述保护外壳包括：钣金弧形门102，钣金圆柱外壳101，支柱103，底座104，半圆钣金面板105组成。钣金弧形门102，钣金圆柱外壳101形成圆柱腔体，隔离外界和内部腔体，避免操作人员意外触碰工作的内部腔体。所述支柱103连接于内部腔体底部，与底座104，钣金圆柱外壳101，及半圆钣金面板105形成一定空间放置文中所述各电机及传感器的控制设备及操作面板。

图2是本发明的高温3D打印机的可旋转复合成型平台结构示意图，如图2所示，所述可旋转复合成型平台由成型平台，旋转装置，升降机构组成。所述成型平台包含成型板206，支撑板207组成。所述成型板206支撑板由207螺栓连接紧固。所述旋转装置由旋转电机213，电机架212，传动轴211，支撑平台207，牛眼轮208组成。旋转电机213固定在电机架212上，与传动轴211连接，传动轴211与支撑平台207通过螺栓紧固，整体旋转装置通过轴承210放置于支撑平台203上。牛眼轮208固定在支撑平台203上，呈正六边形，防止成型平台外端发生扰动，并减小平台震动。所述升降机构包括丝杆201，丝杆滑块204，光杆202，旋转电机213，底板205，支撑平台203，隔热封闭板209组成，丝杆滑块204固定在支撑平台203上，通过旋转电机213带动丝杆201旋转驱动支撑平台203上升下降，为保护丝杆201，每根丝杆201配以一根光杆202，起到支撑作用避免丝杆201承重破坏。

图3是本发明的高温3D打印机的喷头组件剖视图，如图3所示，所述喷头组件包括：喷头运动电机301，联轴器303，长电机架302，联轴器303，旋转轴305，连杆308，套筒304，轴承307，牛眼轮309，气动接头310，连接空心短轴311，空心支架312，卡扣314，喷头315，喷嘴316，支撑板313组成。所述气动接头310，连接空心短轴311，空心支架312，卡扣314，喷头315，喷嘴316组成打印喷头组件，用来熔化挤出丝材。所述喷头运动电机301，联轴器303，长电机架302，旋转轴305，套筒304，轴承306，组成连杆驱动组件用于为连杆308传动提供动力。所述连杆308用于连接打印喷头组件和连杆驱动组件。所述连杆308，打印片头组件和连杆驱动组件置于支撑板313之上，并且连杆308与支撑板313之间由牛眼轮309支撑，减小悬臂结构的影响，提高打印精度。

图4是是本发明的高温3D打印机的内部腔体结构示意图，所述内部腔体，包含：金属支撑外壳401，加热片403，两扇弧形门403组成，所述多个加热片403，通过单片机控制实现腔体逐级供热恒温。所述弧形门402便于阻隔和外界的空气对流，并方便打印试样成型后取样。

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 (9)

1.一种基于极坐标运动的高温3D打印机，其特征在于，其包括：内部腔体、套设在内部腔体外部的外壳以及设置在内部腔体和外壳之间的喷头组件，其中：

该内部腔体包括由外至内依次设置的金属支撑外壳、隔热层和多级加热片装置，所述喷头组件包括喷头运动电机、支架和线性运动喷头，所述内部腔体顶部设置有孔，该线性运动喷头通过支架与喷头电机相连，并从孔内伸入所述内部腔体内，所述喷头运动电机带动所述线性运动喷头线性运动，所述内部腔体底部设置有旋转复合成型平台，由线性运动喷头喷出的材料在该旋转复合成型平台上成型。

2.如权利要求1所述的高温3D打印机，其特征在于，所述外壳由弧形门和圆柱外壳形成圆柱腔体，所述外壳位于所述内部腔体底部以下的部分为底座，底座内设置有支柱对所述内部腔体进行支撑。

3.如权利要求1或2所述的高温3D打印机，其特征在于，所述喷头运动电机通过电机架竖直固定，所述喷头运动电机的转轴伸入电机架内，所述喷头运动电机的转轴通过联轴器与一旋转轴一端相连，该旋转轴的另一端通过轴承的短筒套固定在所述内部腔体顶部，且该旋转轴还与连杆的一端连接，所述连杆的另一端与空心短轴连接并带动喷头运动。

4.如权利要求3所述的高温3D打印机，其特征在于，所述喷头上部通过卡扣固定在空心支架的下端，所述空心支架的上端通过空心短轴将气动接头固定，所述喷头底部为喷嘴，所述连杆的中部设置有牛眼轮进行支撑。

5.如权利要求4所述的高温3D打印机，其特征在于，所述内部腔体为圆筒形，其还包括两扇弧形门。

6.如权利要求5所述的高温3D打印机，其特征在于，所述多级加热片装置包括热电偶和加热片，所述加热片紧贴腔体侧壁从下至上依次排布，实现恒温腔体的逐级加热。

7.如权利要求6所述的高温3D打印机，其特征在于，所述旋转复合成型平台包括旋转平台、支撑平台和旋转装置，所述旋转平台和支撑平台同轴设置，所述旋转装置包括设置在支撑平台下方的旋转电机和电机架，传动轴一端与旋转电机相连接，另一端与旋转平台的支撑板固定连接，该旋转电机带动旋转平台旋转，所述支撑平台上还设置有多个牛眼轮支撑旋转平台。

8.如权利要求7所述的高温3D打印机，其特征在于，所述旋转复合成型平台还包括升降机构，所述升降机构包括若干丝杆和光杆，所述支撑平台的外周穿过丝杆和光杆，所述丝杆通过丝杆滑块固定在支撑平台上，所述丝杆旋转带动所述支撑平台上下移动。

9.如权利要求8所述的高温3D打印机，所述旋转平台包括紧密贴合的成型板和支撑板，所述支撑平台包括紧密贴合的隔热封闭板和支撑板，所述隔热封闭板将所述内部腔体隔离为两部分。