CN107415230A - 五轴熔融沉积成型3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五轴熔融沉积成型3D打印机，包括X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构、打印头机构、控制器、机架、打印平台和打印材料；所述X轴直动机构和Y轴直动机构均安装于所述机架的上面，并且所述打印头机构与Y轴直动机构传动连接，进而使打印头机构在XY平面内移动；Z轴直动机构安装于所述机架的侧面，使Z轴直动机构的底板沿Z轴方向上下移动；所述B轴摆动机构包括第一电机、摆动基座和摆动架，所述第一电机和摆动基座均安装于所述底板上，所述摆动架安装于摆动基座上并且摆动架与第一电机传动连接，进而使摆动架围绕Y轴摆动。本发明增加了两个自由度，提高含复杂特征打印件的制造精度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机技术领域，具体涉及一种五轴熔融沉积成型3D打印机。
背景技术
3D打印技术，也常被称为增材制造技术，可以追溯到20世纪80年代提出的快速成型技术，该技术在计算机中将CAD模型分成若干层，按照分层图形将材料黏合、烧结或熔融在一起，一层一层叠加起来，从而通过各层图形的累积形成三维物体。和传统的制造技术相比，3D打印技术具有制造多样化复杂产品成本小、废弃材料少、制造时间少、设备运行与维护方便等优点，因此越来越受到人们的青睐，并被誉为第三次工业革命的标志。3D打印技术按照成型原理不同包括多种类型，如熔融沉积成型(FDM)、选区激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和立体平板印刷(SLA)等。其中熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是美国学者Scott Crump在1988年研究和提出的制造技术，材料一般为热塑性材料，丝料结构，如蜡、ABS和尼龙等。对零件模型进行切片处理，得到切片数据，以此规划喷头移动位置，材料在加热腔内被加热至熔融态并从喷头挤出，迅速遇冷后与周围的材料凝结。
目前，传统FDM型3D打印机的结构繁多，形状有如三棱柱型打印机和四棱柱型打印机等，运动形式有打印头移动和打印底盘移动，但归根结底传统3D打印机是对空间三个方向的自由度进行控制，在打印线性产品时，可以满足其精度要求。
现有的FDM型3D打印机存在不足之处，比如打印机喷头运动方式，二维平面(打印截面)采用直角坐标控制移动路径，当打印圆形或类圆形，打印头移动方式只能用直线段拟合圆弧段，造成精度不够，误差很大。当打印机在对打印件模型进行分层切片时，对于镂空结构，喷头挤料过程会间断，导致打印件局部熔丝堆积和整体表面粗糙等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种五轴熔融沉积成型3D打印机，以增加两个自由度，提高含复杂特征打印件的制造精度。
本发明提供一种五轴熔融沉积成型3D打印机，包括X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构、打印头机构、控制器、机架、打印平台和打印材料；
所述X轴直动机构和Y轴直动机构均安装于所述机架的上面，并且所述打印头机构与Y轴直动机构传动连接，进而使打印头机构在XY平面内移动；Z轴直动机构安装于所述机架的侧面，使Z轴直动机构的底板沿Z轴方向上下移动；
所述B轴摆动机构包括第一电机、摆动基座和摆动架，所述第一电机和摆动基座均安装于所述底板上，所述摆动架安装于摆动基座上并且摆动架与第一电机传动连接，进而使摆动架围绕Y轴摆动；
所述C轴转动机构包括第二电机、安装座和转动轴；所述第二电机和转动轴分别通过所述安装座安装于所述摆动架上，并且第二电机与转动轴传动连接；所述转动轴的上端与所述打印平台连接，进而使打印平台以转动轴为中心转动；
所述打印材料和控制器均设于所述机架的侧面，并且所述打印材料与打印头机构传动连接，以及所述控制器分别与所述X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构和打印头机构的电路导电连接。
优选地，所述X轴直动机构包括第三电机、第一同步带、固定座、第一滑套和传动轴；所述传动轴设有两个，并且每个传动轴的均通过两个所述固定座安装于所述机架的上面，两个所述传动轴均垂直于X轴并且位于机架上面的两边；其中一个传动轴的两端分别通过所述第一同步带与另外一个传动轴的两端一一对应传动连接，每个第一同步带均固定连接一个所述第一滑套，并且每个第一滑套还与相应的第一同步带下方的导杆滑动连接；所述第三电机安装于机架上并且与其中一个传动轴传动连接，通过第三电机带动两个第一同步带转动进而使两个第一滑套在XY平面内沿X轴同步移动。X轴直动机构中采用同步带传动，该传动方式囊括了摩擦带传动、链传动和齿轮传动的优势。而且同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮之间无相对滑动，能保证精确的传动比，传动效率高，而且结构简单，缓冲吸振，传动平稳，传递运动跨度大。
优选地，所述Y轴直动机构包括第四电机、第二同步带和第二滑套；所述第四电机安装于其中一个第一滑套上，所述第二同步带设于两个第一滑套之间并且第二同步与第四电机传动连接；所述第二滑套与所述第二同步带固定连接并且第二滑套还滑动连接于两个所述第一滑套之间的导杆上，通过第四电机带动第二同步带转动进而使第二滑套在XY平面内沿Y轴移动。Y轴直动机构也采用了同步带传动，与传统带传动、链传动和齿轮传动相比，由于其工作面制有类似于齿轮的工作齿，同步带轮制有与之相对应的齿槽，工作时相互啮合，依靠带与带轮之间的啮合来传递运动和动力，无相对滑动；除此之外，同步带传动生产制作价格低，润滑少，维护简单。
优选地，所述Z轴直动机构包括第五电机、底板和丝杆；所述丝杆和第五电机均安装于所述机架的侧面并且丝杆垂直于XY平面，所述丝杆分别与所述底板和第五电机传动连接，并且底板位于机架内，通过第五电机带动丝杆转动进而使底板沿Y轴上下移动。底板上设于与丝杆相匹配的滚珠，进而使底板和丝杆形成了滚珠丝杠结构，该结构能承受较大的负载，并且其传动精度高，可逆性运行，使用寿命长，从而使底板更稳定地上下移动。
优选地，所述机架的侧面还设有两个用于引导所述底板移动沿Y轴上下移动的导杆。这里的导杆防止了底板随着丝杆的转动而在XY平面内转动。
优选地，所述摆动架设有用于安装所述安装座的安装槽，并且所述安装槽的底壁与所述打印平台平行。
优选地，所述摆动基座上设有用于校对所述摆动架初始位置的偏角行程开关，并且偏角行程开关与所述控制器导电连接。
优选地，所述偏角行程开关包括表盘和指针，所述表盘上设有触点并且表盘安装于摆动基座上，所述指针与所述摆动架固定连接，通过摆动架带动指针在表盘上摆动。B轴摆动机构的倾角容易受外部因素干扰，且对打印质量影响较大，在打印前通过偏角行程开关对B轴摆动机构进行校对调零，提高其上部的打印平台的定位精度。
优选地，所述表盘上设有三个触点，并且三个触点分别分布于表盘的中间和两边。当指针触碰中间的触点时，表示调零成功并停止调零；当指针触碰两边的触点时，控制器则控制B轴摆动机构反向旋转，直到指针触碰中间的触点，调零成功并停止调零。
优选地，所述打印头机构包括打印头本体和风扇，所述风扇的出风端与打印头本体的加热腔相对，用于控制加热腔的温度。打印头本体的送料机构将打印材料送入加热腔内，经过加热腔内的加热器加热后使线状的打印材料成为熔融态，由于材料的特殊性，FDM工艺对温度的要求较为严格，需将喷嘴出丝温度和成型温度控制在一定温度范围内，当温度高于该温度范围时，一方面，控制器将控制打印头机构的加热器停止加热，另一方面，控制器将控制打印头机构的风扇工作，使加热腔的温度快速下降到该温度范围内。
本发明的有益效果体现在：
本发明分提供一种五轴熔融沉积成型3D打印机，包括X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构。X轴直动机构、Y轴直动机构和Z轴直动机构实现空间三自由度运动控制，满足对线性打印件的打印精度要求。在打印含有复杂特征的零件结构时，比如圆形截面结构、镂空结构和依赖支撑结构等，在X轴直动机构、Y轴直动机构和Z轴直动机构的基础上，增加了B轴摆动机构和C轴转动机构，将整个运动分为三个平动轴运动、一个转动轴运动和一个摆动轴运动，从而实现了五轴打印。该打印方式使模型特征分析和支撑设置分析更加简单，打印圆形截面结构、镂空结构和依赖支撑结构的精度更高，从而提高含复杂特征打印件的制造精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1轴测图；
图4为图3中A出的放大图。
附图中，1-机架，2-控制器，3-打印平台，4-打印材料，5-第三电机，6-第一同步带，7-固定座，8-第一滑套，9-传动轴，10-导杆，11-第四电机，12-第二同步带，13-第二滑套，14-第五电机，15-底板，16-丝杆，17-第一电机，18-摆动基座，19-摆动架，20-第二电机，21-安装座，22-转动轴，23-安装槽，24-表盘，25-指针，26-触点，27-打印头本体，28-风扇，29-加热腔，30-打印头机构，31-偏角行程开关，32-送料机构
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1至4所示，本实施例提供了一种五轴熔融沉积成型3D打印机，包括X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构、打印头机构30、控制器2、机架1、打印平台3和打印材料4。X轴直动机构和Y轴直动机构均安装于机架1的上面，并且打印头机构30与Y轴直动机构传动连接，进而使打印头机构30在XY平面内移动。X轴直动机构包括第三电机5、第一同步带6、固定座7、第一滑套8和传动轴9；传动轴9设有两个，并且每个传动轴9的均通过两个固定座7安装于机架1的上面，两个传动轴9均垂直于X轴并且位于机架1上面的两边；其中一个传动轴9的两端分别通过第一同步带6与另外一个传动轴9的两端一一对应传动连接，每个第一同步带6均固定连接一个第一滑套8，并且每个第一滑套8还与相应的第一同步带6下方的导杆10滑动连接；第三电机5安装于机架1上并且与其中一个传动轴9传动连接，通过第三电机5带动两个第一同步带6转动进而使两个第一滑套8在XY平面内沿X轴同步移动。X轴直动机构中采用同步带传动，该传动方式囊括了摩擦带传动、链传动和齿轮传动的优势。而且同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮之间无相对滑动，能保证精确的传动比，传动效率高，而且结构简单，缓冲吸振，传动平稳，传递运动跨度大。Y轴直动机构包括第四电机11、第二同步带12和第二滑套13；第四电机11安装于其中一个第一滑套8上，第二同步带12设于两个第一滑套8之间并且第二同步与第四电机11传动连接；第二滑套13与第二同步带12固定连接并且第二滑套13还滑动连接于两个第一滑套8之间的导杆10上，通过第四电机11带动第二同步带12转动进而使第二滑套13在XY平面内沿Y轴移动。Y轴直动机构也采用了同步带传动，与传统带传动、链传动和齿轮传动相比，由于其工作面制有类似于齿轮的工作齿，同步带轮制有与之相对应的齿槽，工作时相互啮合，依靠带与带轮之间的啮合来传递运动和动力，无相对滑动；除此之外，同步带传动生产制作价格低，润滑少，维护简单。Z轴直动机构安装于机架1的侧面，使Z轴直动机构的底板15沿Z轴方向上下移动。Z轴直动机构包括第五电机14、底板15和丝杆16；丝杆16和第五电机14均安装于机架1的侧面并且丝杆16垂直于XY平面，丝杆16分别与底板15和第五电机14传动连接，并且底板15位于机架1内，通过第五电机14带动丝杆16转动进而使底板15沿Y轴上下移动。底板15上设于与丝杆16相匹配的滚珠，进而使底板15和丝杆16形成了滚珠丝杠结构，该结构能承受较大的负载，并且其传动精度高，可逆性运行，使用寿命长，从而使底板15更稳定地上下移动。机架1的侧面还设有两个用于引导底板15移动沿Y轴上下移动的导杆10。这里的导杆10防止了底板15随着丝杆16的转动而在XY平面内转动。
如图1至4所示，B轴摆动机构包括第一电机17、摆动基座18和摆动架19，第一电机17和摆动基座18均安装于底板15上，摆动架19安装于摆动基座18上并且摆动架19与第一电机17传动连接，进而使摆动架19围绕Y轴摆动。C轴转动机构包括第二电机20、安装座21和转动轴22；第二电机20和转动轴22分别通过安装座21安装于摆动架19上，并且第二电机20与转动轴22传动连接；转动轴22的上端与打印平台3连接，进而使打印平台3以转动轴22为中心转动。摆动架19设有用于安装安装座21的安装槽23，并且安装槽23的底壁与打印平台3平行。B轴摆动机构在打印过程中作摆动运动，随着B轴转动一定偏角，则C轴转动机构随之偏转，由于安装槽23的底壁与打印平台3平行，进而使打印件截面始终与打印平台3相平行，故打印件截面随之偏转，从而完成曲轴打印。摆动基座18上设有用于校对摆动架19初始位置的偏角行程开关31，并且偏角行程开关31与控制器2导电连接。偏角行程开关31包括表盘24和指针25，表盘24上设有触点26并且表盘24安装于摆动基座18上，指针25与摆动架19固定连接，通过摆动架19带动指针25在表盘24上摆动。表盘24上设有三个触点26，并且三个触点26分别分布于表盘24的中间和两边。当指针25触碰中间的触点26时，表示调零成功并停止调零；当指针25触碰两边的触点26时，控制器2则控制B轴摆动机构反向旋转，直到指针25触碰中间的触点26，调零成功并停止调零。B轴摆动机构的倾角容易受外部因素干扰，且对打印质量影响较大，在打印前通过偏角行程开关31对B轴摆动机构进行校对调零，提高其上部的打印平台3的定位精度。打印材料4和控制器2均设于机架1的侧面，并且打印材料4与打印头机构30传动连接，以及控制器2分别与X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构和打印头机构30的电路导电连接。打印头机构30包括打印头本体27和风扇28，风扇28的出风端与打印头本体27的加热腔29相对，用于控制加热腔29的温度。打印头本体27的送料机构32将打印材料4送入加热腔29内，经过加热腔29内的加热器加热后使线状的打印材料4成为熔融态，由于材料的特殊性，FDM工艺对温度的要求较为严格，需将喷嘴出丝温度和成型温度控制在一定温度范围内，当温度高于该温度范围时，一方面，控制器2将控制打印头机构30的加热器停止加热，另一方面，控制器2将控制打印头机构30的风扇28工作，使加热腔29的温度快速下降到该温度范围内。本实施例提供的五轴熔融沉积成型3D打印机的打印过程为：处理器将输入的打印数据进行预先处理，经过切片算法计算后，规划合理路径，先确定Z轴位置，再确定B轴偏角从而确定并固定打印面位置，在线性截面内控制X轴，Y轴直动模块，非线性截面内控制C轴转动模块，打印该截面完成后，Z轴正向移动到下一截面位置。重复上述步骤，直至完成整个打印件。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：包括X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构、打印头机构、控制器、机架、打印平台和打印材料；
所述X轴直动机构和Y轴直动机构均安装于所述机架的上面，并且所述打印头机构与Y轴直动机构传动连接，进而使打印头机构在XY平面内移动；Z轴直动机构安装于所述机架的侧面，使Z轴直动机构的底板沿Z轴方向上下移动；
所述B轴摆动机构包括第一电机、摆动基座和摆动架，所述第一电机和摆动基座均安装于所述底板上，所述摆动架安装于摆动基座上并且摆动架与第一电机传动连接，进而使摆动架围绕Y轴摆动；
所述C轴转动机构包括第二电机、安装座和转动轴；所述第二电机和转动轴分别通过所述安装座安装于所述摆动架上，并且第二电机与转动轴传动连接；所述转动轴的上端与所述打印平台连接，进而使打印平台以转动轴为中心转动；
所述打印材料和控制器均设于所述机架的侧面，并且所述打印材料与打印头机构传动连接，以及所述控制器分别与所述X轴直动机构、Y轴直动机构、Z轴直动机构、B轴摆动机构、C轴转动机构和打印头机构的电路导电连接。
2.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述X轴直动机构包括第三电机、第一同步带、固定座、第一滑套和传动轴；所述传动轴设有两个，并且每个传动轴的均通过两个所述固定座安装于所述机架的上面，两个所述传动轴均垂直于X轴并且位于机架上面的两边；其中一个传动轴的两端分别通过所述第一同步带与另外一个传动轴的两端一一对应传动连接，每个第一同步带均固定连接一个所述第一滑套，并且每个第一滑套还与相应的第一同步带下方的导杆滑动连接；所述第三电机安装于机架上并且与其中一个传动轴传动连接，通过第三电机带动两个第一同步带转动进而使两个第一滑套在XY平面内沿X轴同步移动。
3.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述Y轴直动机构包括第四电机、第二同步带和第二滑套；所述第四电机安装于其中一个第一滑套上，所述第二同步带设于两个第一滑套之间并且第二同步与第四电机传动连接；所述第二滑套与所述第二同步带固定连接并且第二滑套还滑动连接于两个所述第一滑套之间的导杆上，通过第四电机带动第二同步带转动进而使第二滑套在XY平面内沿Y轴移动。
4.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述Z轴直动机构包括第五电机、底板和丝杆；所述丝杆和第五电机均安装于所述机架的侧面并且丝杆垂直于XY平面，所述丝杆分别与所述底板和第五电机传动连接，并且底板位于机架内，通过第五电机带动丝杆转动进而使底板沿Y轴上下移动。
5.根据权利要求4所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述机架的侧面还设有两个用于引导所述底板移动沿Y轴上下移动的导杆。
6.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述摆动架设有用于安装所述安装座的安装槽，并且所述安装槽的底壁与所述打印平台平行。
7.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述摆动基座上设有用于校对所述摆动架初始位置的偏角行程开关，并且偏角行程开关与所述控制器导电连接。
8.根据权利要求7所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述偏角行程开关包括表盘和指针，所述表盘上设有触点并且表盘安装于摆动基座上，所述指针与所述摆动架固定连接，通过摆动架带动指针在表盘上摆动。
9.根据权利要求8所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述表盘上设有三个触点，并且三个触点分别分布于表盘的中间和两边。
10.根据权利要求1所述的五轴熔融沉积成型3D打印机，其特征在于：所述打印头机构包括打印头本体和风扇，所述风扇的出风端与打印头本体的加热腔相对，用于控制加热腔的温度。
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- 2017-09-11 CN CN201710811227.8A patent/CN107415230A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |