CN107696477B - 一种大尺度机器人3d打印设备与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度机器人3D打印设备与工艺，其中打印设备包括备料系统、塑料熔融挤出系统、机器人系统和底盘系统，备料系统包括计量配料机、干燥机和真空送料机，塑料熔融挤出系统包括塑料熔融挤出机，计量配料机、干燥机与塑料熔融挤出机依次连通，真空送料机用于使物料依次在计量配料机、干燥机与塑料熔融挤出机间输送，机器人系统包括机械臂、控制柜和外部轴，机械臂设置于外部轴上，控制柜控制机械臂的运动，底盘系统包括自动调平模块和设置于自动调平模块上的平板。本发明公开的大尺度机器人3D打印设备与工艺的打印作业空间更大，可以打印超大尺度的建筑构件，突破了现有3D打印只能运用于小尺寸的零构件的约束。

Description

一种大尺度机器人3D打印设备与工艺

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种大尺度机器人3D打印设备与工艺。

背景技术

3D打印技术是快速成型技术一种，与传统制造过程相比，产品在3D打印过程中无需开模、铸造、切割、部件组装等复杂流程，实现了一次成型的加工工艺，大大的降低了产品开发的费用，缩短了产品的研发周期，因而广泛应用于医学、航天、建筑，汽车等领域。

目前市场上主流的3D打印机多采用FDM(Fused Deposition Modeling)熔融层积打印技术，其成型原理是利用3D打印机的内置软件自动读取3D模型数据并将其分层、自动生成每层的模型成形路径和支撑路径，然后通过打印机喷嘴挤出熔融丝材填充路径平面并迅速凝结固化，逐层打印、直至成品完成。

FDM熔融层积打印技术具有成型精度较高、制作工艺干净、无化学污染等优点。但是由于成本及技术的原因，现在无论是价格低廉的桌面级3D打印机、还是造价昂贵的工业级3D打印机，都面临一个不可避免的关键问题，那就是3D打印机的成型空间较小、成型速度较慢、无法打印大尺度构件。

为了使3D打印技术在各领域中得到更为广泛的应用，摆脱其只适用于打印小型零部件的约束，大尺度3D打印技术已经成为3D打印技术领域目前的重点研发方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺度机器人3D打印设备与工艺，以解决现有3D打印机的成型空间较小、成型速度较慢、无法打印大尺度构件的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种大尺度机器人3D打印设备，包括备料系统、塑料熔融挤出系统、机器人系统和底盘系统，所述备料系统包括计量配料机、干燥机和真空送料机，所述塑料熔融挤出系统包括塑料熔融挤出机，所述计量配料机、所述干燥机与所述塑料熔融挤出机依次连通，所述真空送料机用于使物料依次在所述计量配料机、所述干燥机与所述塑料熔融挤出机间输送，所述机器人系统包括机械臂、控制柜和外部轴，所述机械臂设置于所述外部轴上，所述控制柜控制所述机械臂的运动，所述底盘系统包括自动调平模块和设置于所述自动调平模块上的平板，所述平板上表面用于承接打印材料。

优选地，所述平板为与打印材料类型一致的塑料薄板。

优选地，还包括冷却系统，所述冷却系统包括空气压缩机、送风软管和冷却风扇，所述送风软管的一端设置于所述塑料熔融挤出机上，所述送风软管的另一端与所述空气压缩机连通。

优选地，还包括后处理系统，所述后处理系统包括切割及打磨平台。

优选地，所述计量配料机包括配料机支架以及设置于所述配料机支架上的配料箱和储料箱，所述配料箱上部设置有配料箱进料口，所述配料箱下部设置有配料箱出料口，所述储料箱设置于所述配料箱下部且与所述配料箱出料口连通。

优选地，所述机械臂通过法兰盘固定于所述外部轴上。

优选地，还包括供料系统，所述供料系统包括进料口和不锈钢料斗，所述不锈钢料斗的大径端与所述干燥机连通，所述不锈钢料斗的小径端与所述进料口上端连通，所述进料口下端与所述塑料熔融挤出机连通。

优选地，所述真空送料机为两个，两个所述真空送料机分别通过软管与所述干燥机和所述不锈钢料斗的顶部连通，所述软管与所述真空送料机连接的一端设置有空气滤清器护罩。

本发明还提供一种大尺度机器人3D打印工艺，包括以下步骤：

1)将3D打印材料颗粒按比例送入计量配料机；

2)真空送料机将所述计量配料机中的材料颗粒送入干燥机，进行烘干及预混合；

3)烘干及预混合完成后，所述真空送料机将所述干燥机中的材料颗粒送入塑料熔融挤出机上的不锈钢料斗中备用；

4)摆置若干自动调平模块作为3D打印工作平面，并进行调平，剪裁与打印材料性能一致的平板作为工作底盘，并进行固定；

5)启动所述塑料熔融挤出机，将所述塑料熔融挤出机内温度升至材料颗粒熔点温度；

6)启动冷却系统，并检测低温空气是否正常喷出；

7)导入打印作业程序进机器人系统，通过机器人控制面板控制及开启所述打印程序，并检测机器人工作平面及各项指标无误；

8)开启塑料熔融挤出机出料程序，所述真空送料机将所述干燥机中的材料颗粒送入所述塑料熔融挤出机，待塑料熔融结束，材料以熔融粘流态经由所述塑料熔融挤出机的机头挤出；

9)3D打印作业程序自动控制机械臂的移动，经由挤出机塑料熔融挤出机的机头挤出的3D打印材料跟随所述机械臂移动进行打印作业，直至程序完成；

10)打印完成后将被打印件取出，并移至切割及打磨平台上进行切割打磨，以保证3D打印构件的质量。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)充分利用现有的3D打印工艺和相关设备系统、实现了大尺度3D打印的目的，整套工艺处于国内领先水平；(2)本发明所支持的打印作业空间更大，可以打印超大尺度的建筑构件，突破了现有3D打印只能运用于小尺寸的零构件的约束。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明大尺度机器人3D打印设备系统说明图；

图2为本发明大尺度机器人3D打印设备结构示意图；

附图标记说明：1、备料系统；2、塑料熔融挤出系统；3、机器人系统；4、冷却系统；5、供料系统；6、底盘系统；7、监测系统；8、后处理系统；101、配料箱进料口；102、配料机控制面板；103、配料箱机身；104、配料箱出料口；105、配料机支架；106、储料箱；107、干燥机料斗；108、风机；109、干燥机控制面板；1010、吸风口；1011、空气滤清器护罩；1012、真空送料机控制面板；1013、真空送料机机身；1014、干燥机排风口；1015、干燥机吸料口；1016、第一料斗；1017、第一底座；201、法兰盘；202、电机；203、减速器；204、料筒；205、机头；301、机械臂；302、控制柜；303、外部轴；401、空气压缩机；402、送风软管；403、冷却风扇；501、进料口；502、不锈钢料斗；601、自动调平模块；602、平板；701、机械臂控制面板；702、挤出机控制器；801、切割及打磨平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大尺度机器人3D打印设备及打印工艺，以解决现有3D打印机成型空间小、成型速度慢、无法打印大尺度构件的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本实施方式提供一种大尺度机器人3D打印设备，包括备料系统1、塑料熔融挤出系统2、机器人系统3、冷却系统4、供料系统5、底盘系统6、检测系统和后处理系统8，本实施方式所采用的材料为PLA/ABS颗粒。

备料系统1包括计量配料机、干燥机和真空送料机。计量配料机包括配料机支架105、配料箱和储料箱106，配料箱和储料箱106设置于配料机支架105上。其中配料箱位于配料机支架105上方，用于将多种打印原料混合配料。储料箱106位于配料机支架105下方，用于将按比例配好的打印原料暂时储存。配料箱包括作为配料主体的配料箱机身103，配料箱机身103上部设置有配料箱进料口101，配料箱机身103下部设置有配料箱出料口104，配料箱出料口104与下方的储料箱106连通。干燥机包括干燥机料斗107、第一料斗1016和风机108，风机108通过通风管道与干燥机料斗107的侧壁相连通，用以对干燥机料斗107内的打印材料进行干燥处理。第一料斗1016设置于干燥机料斗107上方并通过第一底座1017与干燥机料斗107固定连接，第一料斗1016一方面用以作为中间结构承接从储料箱106输送至干燥机料斗107的打印材料，另一方面用以作为排风结构使干燥机料斗107内的空气排出形成负压。第一料斗1016上设置有干燥机吸料口1015和干燥机排风口1014，其中干燥机吸料口1015通过软管与储料箱106连通，干燥机排风口1014用于与真空送料机连通。干燥机外侧还固连有干燥机控制面板109，干燥机控制面板109与风机108相连，用以对干燥过程进行控制。

塑料熔融挤出系统2为单螺杆塑料熔融挤出机，通过法兰盘201固定于机械臂301上。单螺杆塑料熔融挤出机包括电机202、减速器203、料筒204和机头205，料筒204和机头205内设置有螺杆，电机202经减速器203减速后带动螺杆转动。料筒204内部还设置有电加热器，电加热器用于对料筒204以及料筒204内部的螺杆进行加温，为塑料熔融提供环境温度，使熔融的塑料在机头205处以一定的几何截面及尺寸挤出成型。

供料系统5包括进料口501、位于进料口501上端的不锈钢料斗502和位于不锈钢料斗502上方的第二料斗。第二料斗上设置有不锈钢料斗吸料口和不锈钢料斗排风口，不锈钢料斗吸料口通过软管与干燥机料斗107连通第二料斗一方面用以作为中间结构承接从干燥机料斗107输送至不锈钢料斗502的打印材料，另一方面用以作为排风结构使不锈钢料斗502内的空气排出形成负压。第二料斗通过第二底座与不锈钢料斗502的大径端连通，不锈钢料斗502的小径端与进料口501上端连通，进料口501下端与单螺杆塑料熔融挤出机的料筒204上端连通，料筒204下端与机头205连通。

真空送料机为两个，包括第一真空送料机和第二真空送料机。每个真空送料机均包括一个真空送料机机身1013，真空送料机机身1013上设置有真空送料机控制面板1012和吸风口1010，吸风口1010处设置有空气滤清器护罩1011。第一真空送料机的吸风口1010通过软管与干燥机排风口1014连通，第二真空送料机的吸风口1010通过软管与不锈钢料斗排风口连通。当真空送料机工作时，干燥机料斗107和不锈钢料斗502内的空气经软管由真空送料机抽出，形成负压，从而使打印材料在计量配料机、干燥机与塑料熔融挤出机间依次输送。

机器人系统3包括机械臂301、控制柜302和外部轴303。机械臂301为六轴机械臂，机械臂301设置于外部轴303上，控制柜302用于控制机械臂301的运动。底盘系统6包括自动调平模块601和设置于自动调平模块601上的平板602，自动调平模块601的尺寸为1.2m x2.4m。标准尺寸的自动调平模块601具有多样化组合、易于搬运、节约成本等优点。平板602上表面用于承接打印材料，平板602为与打印材料类型一致的塑料薄板，遇粘流态打印材料时能起到良好的底盘固定作用。后处理系统8为切割及打磨平台801，切割及打磨平台801相邻设置于自动调平模块601的一侧，用于对已完成的3D打印构件进行后期切割、打磨处理，保证3D打印质量。

冷却系统4包括空气压缩机401、送风软管402和冷却风扇403，送风软管402为四根，送风软管402的一端设置于塑料熔融挤出机上，送风软管402的另一端与空气压缩机401连通。冷却风扇403为工业级冷却风扇，两个冷却风扇403对称设置于自动调平模块601两侧，用于大范围加快室内空气流通速度，加速打印材料的固化成型过程。

监测系统7包括机械臂控制面板701和挤出机控制器702，其中机械臂控制面板701与控制柜302相连，挤出机控制器702与单螺杆塑料熔融挤出机的电机202和电加热器相连。监测系统7用于检测、控制挤出机各组件及打印材料的温度、压力、流量，对整个3D打印过程实施全程监测，保证打印质量。

本实施方式还提供一种大尺度机器人3D打印设备的打印工艺，步骤如下：

1)将3D打印材料颗粒按比例送入计量配料机；

2)真空送料机将计量配料机中的材料颗粒送入干燥机，进行烘干及预混合；

3)烘干及预混合完成后，真空送料机将干燥机中的材料颗粒送入塑料熔融挤出机上的不锈钢料斗502中备用；

4)摆置若干自动调平模块601作为3D打印工作平面，并进行调平，剪裁与打印材料性能一致的平板602作为工作底盘，并进行固定；

5)启动塑料熔融挤出机，将塑料熔融挤出机内温度升至材料颗粒熔点温度；

6)启动冷却系统4，并检测低温空气是否正常喷出；

7)导入打印作业程序进机器人系统3，通过机器人控制面板控制及开启打印程序，并检测机器人工作平面及各项指标无误；

8)开启塑料熔融挤出机出料程序，真空送料机将干燥机中的材料颗粒送入塑料熔融挤出机，待塑料熔融结束，材料以熔融粘流态经由挤出机塑料熔融挤出机的机头205挤出；

9)3D打印作业程序自动控制机械臂301的移动，经由挤出机塑料熔融挤出机的机头205挤出的3D打印材料跟随机械臂301移动进行打印作业，直至程序完成；

10)打印完成后将被打印件取出，并移至切割及打磨平台801上进行切割打磨，以保证3D打印构件的质量。

本实施方式提供的大尺度机器人3D打印设备及打印工艺可打印最大尺寸为10m x5m x 4m的大型构件，且系统配套完善、打印质量优良。该打印设备与打印工艺可运用于任何大型建筑构件的制造与加工，可以提升复杂建筑构件的可建造性、节约制造加工时间、使3D打印技术得以广泛运用。

需要说明的是，本实施方式为了详细阐述打印材料在计量配料机、干燥机与塑料熔融挤出机间的输送过程，对计量配料机、干燥机、塑料熔融挤出机、真空送料机等装置的结构及其连接方式进行了举例说明，本领域技术人员也可采用其它形式的结构或连接方式，只要能实现打印材料在计量配料机、干燥机与塑料熔融挤出机间依次输送即可。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，包括备料系统、塑料熔融挤出系统、机器人系统和底盘系统，所述备料系统包括计量配料机、干燥机和真空送料机，所述塑料熔融挤出系统包括塑料熔融挤出机，所述计量配料机、所述干燥机与所述塑料熔融挤出机依次连通，所述真空送料机用于使物料依次在所述计量配料机、所述干燥机与所述塑料熔融挤出机间输送，所述机器人系统包括机械臂、控制柜和外部轴，所述机械臂设置于所述外部轴上，所述控制柜控制所述机械臂的运动，所述底盘系统包括自动调平模块和设置于所述自动调平模块上的平板，所述平板上表面用于承接打印材料；

所述大尺度机器人3D打印设备还包括供料系统，所述供料系统包括进料口和不锈钢料斗，所述不锈钢料斗的大径端与所述干燥机连通，所述不锈钢料斗的小径端与所述进料口上端连通，所述进料口下端与所述塑料熔融挤出机连通；

所述真空送料机为两个，两个所述真空送料机分别通过软管与所述干燥机和所述不锈钢料斗的顶部连通，所述软管与所述真空送料机连接的一端设置有空气滤清器护罩。

2.根据权利要求1所述的大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，所述平板为与打印材料类型一致的塑料薄板。

3.根据权利要求1所述的大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括空气压缩机、送风软管和冷却风扇，所述送风软管的一端设置于所述塑料熔融挤出机上，所述送风软管的另一端与所述空气压缩机连通。

4.根据权利要求1所述的大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，还包括后处理系统，所述后处理系统包括切割及打磨平台。

5.根据权利要求1所述的大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，所述计量配料机包括配料机支架以及设置于所述配料机支架上的配料箱和储料箱，所述配料箱上部设置有配料箱进料口，所述配料箱下部设置有配料箱出料口，所述储料箱设置于所述配料箱下部且与所述配料箱出料口连通。

6.根据权利要求1所述的大尺度机器人3D打印设备，其特征在于，所述机械臂通过法兰盘固定于所述外部轴上。

7.一种大尺度机器人3D打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)将3D打印材料颗粒按比例送入计量配料机；

2)真空送料机将所述计量配料机中的材料颗粒送入干燥机，进行烘干及预混合；

3)烘干及预混合完成后，所述真空送料机将所述干燥机中的材料颗粒送入塑料熔融挤出机上的不锈钢料斗中备用；

4)摆置若干自动调平模块作为3D打印工作平面，并进行调平，剪裁与打印材料性能一致的平板作为工作底盘，并进行固定；

5)启动所述塑料熔融挤出机，将所述塑料熔融挤出机内温度升至材料颗粒熔点温度；

6)启动冷却系统，并检测低温空气是否正常喷出；

7)导入打印作业程序进机器人系统，通过机器人控制面板控制及开启所述打印程序，并检测机器人工作平面及各项指标无误；

8)开启塑料熔融挤出机出料程序，所述真空送料机将所述干燥机中的材料颗粒送入所述塑料熔融挤出机，待塑料熔融结束，材料以熔融粘流态经由所述塑料熔融挤出机的机头挤出；

9)3D打印作业程序自动控制机械臂的移动，经由挤出机塑料熔融挤出机的机头挤出的3D打印材料跟随所述机械臂移动进行打印作业，直至程序完成；

10)打印完成后将被打印件取出，并移至切割及打磨平台上进行切割打磨，以保证3D打印构件的质量。