CN107891598B - 一种单喷头压紧式3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单喷头压紧式3D打印机，打印机架上设置一个可调节高度的打印喷头，打印机架和打印平台之间可相对运动，打印喷头包括胶体喷头和给粉装置，其中，胶体喷头包括胶体输送装置和胶体喷嘴，胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，给粉装置将打印物品的原料粉体喷射到胶滴上；打印平台包括固定平台和移动平台，移动平台上下移动与固定平台之间形成打印腔，打印喷头在打印腔内进行打印。该打印机还通过设置刮板装置、压辊和激光装置，对单层打印层进行刮平和压紧处理，同时激光装置对打印层的表面进行激光熔融处理，使不同物品层之间进行连接紧密，防止出现粉末粒子之间的空隙过大造成的收缩变形甚至开裂等严重后果。

Description

一种单喷头压紧式3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印机领域，特别是涉及一种单喷头压紧式3D打印机及其打印方法。

背景技术

现有技术中，金属模具、陶瓷用品、刀具、厨具等物品的制造采用传统砂模法等手段生产，效率很低，成本高。

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。3D打印常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

一般的3D打印机均采用打印头逐层打印，首先通过计算机建模，生成三维模型切片和逐层的截面信息，打印机读取上述信息并用液体状、粉末状或片状的材料将这些截面信息逐层打印出来，各层截面间以各种方式粘合起来形成打印物品。然而，每层打印层之间的粘连度和粉末粒子之间的间隙会影响成型后打印物品表面的粗糙度和强度，粉末粒子之间的空隙过大会造成收缩变形甚至开裂等严重后果。

CN201610583348.7公开了一种新型3D打印机，本发明公开了一种新型3D打印机，包括计算机、二氧化碳激光器和微处理器，计算机的右侧设置有微处理器，且计算机的下方设置有二氧化碳激光器，二氧化碳激光器的右端设置有激光发射管，激光发射管的右侧设置有扫描镜，扫描镜的下方设置有信号接收器，且信号接收器安装在滑板上，滑板的左右两端设置有滑槽，且滑板的下方设置有喷料头，喷料头的下方设置有热压辊，热压辊在打印时可以实现快速加热，使快速打印的材料迅速烘干，热压辊的下方设置有加工升降台，加工升降台的左右两侧设置有3D成像装置。该发明的3D打印机在打印过程中气压机可以通过伸缩杆对铸模托盘进行下降，方便供下一层堆叠上来，加快了打印速度。但是该发明没有解决减小打印物品中的粉末粒子之间的间隙问题，成型后的打印物品强度较低。

因此，有必要发明一种单喷头压紧式3D打印机及其打印方法，该3D打印机可适于打印以粉体为材料的产品，尤其可用于打印金属模具、陶瓷用品、刀具、厨具等物品。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述现有技术的不足，提供一种单喷头压紧式3D打印机，该打印机通过设置刮板装置、压辊和激光装置，对单层打印层进行刮平和压紧处理，同时激光装置对打印层的上表面进行激光熔融处理，使所述打印喷头在进行下一层打印时与上一层之间进行连接紧密。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种单喷头压紧式3D打印机，包括设置于真空室内的打印机架，所述打印机架上设置一个可调节高度的打印喷头，所述打印机架设置于承载打印物品的打印平台的上方，所述打印机架和所述打印平台之间可相对运动，所述打印平台可相对于所述打印机架水平往复运动；或者，所述打印机架可相对于所述打印平台水平往复运动；

其中，所述打印喷头包括胶体喷头和给粉装置，所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述打印喷头在所述打印平台上进行打印物品的逐层打印；

所述打印机还包括打印平台机架，所述打印平台设置在所述打印平台机架上，所述打印平台包括固定平台和移动平台，所述移动平台紧邻所述固定平台设置，所述移动平台上下移动与所述固定平台之间形成打印腔，所述打印喷头在所述打印腔内进行打印；所述打印平台机架上还安装压辊，所述压辊置于所述打印平台上，所述压辊沿所述打印喷头运行的方向滚动，所述压辊对打印物品进行压紧处理；

所述打印机架上设置刮板装置，所述刮板装置沿所述打印喷头运行的方向设置，所述刮板装置设置在所述打印喷头的一侧或两侧，所述刮板装置将位于所述打印腔之外的打印物品刮除。

优选的，所述打印机架上还设置抽吸装置，所述抽吸装置沿所述打印喷头运行的方向设置在所述刮板装置的一侧，所述抽吸装置将刮除后的胶滴和粉体吸走。

优选的，所述打印喷头沿其运行方向的两侧分别设置至少一个所述刮板装置和一个所述抽吸装置。即在打印喷头的左侧和右侧均设置刮板装置和抽吸装置，实现往复过程中的刮平处理和抽吸处理。

优选的，所述打印机架上还设置有激光装置，所述激光装置紧邻所述打印喷头设置，所述激光装置对打印物品的表面进行激光熔融处理，使所述打印喷头在进行下一层打印时与上一层之间进行紧密连接。

优选的，所述固定平台包括左固定平台和右固定平台，所述移动平台设置在所述左固定平台和所述右固定平台之间，所述移动平台和所述左固定平台、右固定平台之间形成所述打印腔，所述打印腔的高度随着所述移动平台的上下移动变化。

优选的，所述固定平台的中间设置多边形通孔，所述移动平台的形状与所述通孔的形状相同，所述移动平台置于所述通孔内且紧贴所述通孔的内壁。

优选的，所述固定平台和所述移动平台接触的位置设置有导向结构和高度检测仪，所述导向结构为导轨导槽结构，所述高度检测仪通过检测所述移动平台移动的距离来确定所述打印腔的高度。

优选的，所述固定平台上设置限位结构，所述限位结构设置在所述固定平台的侧壁上，所述限位结构防止所述移动平台离开所述打印腔。

优选的，所述移动平台为圆形，所述打印机架上设置中心支架，所述中心支架位于所述打印平台正上方，所述中心支架上连接打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂，所述打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂绕着所述中心支架与所述移动平台做相对旋转运动；所述打印喷头安装在所述打印机械臂上，所述刮板装置安装在所述刮板机械臂上，所述压辊机械臂上安装有压辊，所述打印喷头、刮板装置和压辊与所述中心支架的距离相同，所述打印喷头、刮板装置和压辊与所述中心支架之间的距离可以调节。

本发明的目的之二在于提供一种上述3D打印机的打印方法，采取的技术方案如下：

一种打印机的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：

(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；

(2)所述打印指令驱动所述打印喷头相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印喷头进行往复式直线运动或旋转运动；

(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述打印喷头同时工作，所述打印喷头在所述打印腔中沿所述移动平台的X轴方向和Y轴方向打印物品层，或沿所述移动平台的中心旋转打印物品层，所述刮板装置随着所述打印喷头的运行将位于所述打印腔之外的打印物品刮除；所述打印腔内打印完成一层物品层后，所述移动平台上升使物品层上移一部分，所述压辊沿所述打印喷头运行的轨迹向前运行，所述压辊对上升后的物品层进行滚动压紧处理；

(4)经过压辊压紧处理后的物品层随着移动平台的下降下移至所述打印腔内，且物品层的高度低于所述打印腔的高度，调节所述打印喷头高度在所述打印腔内的物品层上继续进行下一层打印。所述打印头在打印时，先由所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴至所述移动平台上，接着所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明打印喷头在所述打印腔中打印物品层，刮板装置随着打印喷头的运行将位于打印腔之外的打印物品刮除；打印腔内打印完成一层物品层后，移动平台上升使物品层上移一部分，压辊向打印喷头运行的方向向前运行，压辊对上升后的物品进行滚动压紧处理；采用刮板装置、压辊对单层打印层进行刮平和压紧处理，可以使打印物品中的粉末粒子之间的间隙得到压缩变小，使粉末粒子之间的结合更加紧密，避免粉末粒子之间的空隙过大会造成收缩变形甚至开裂等严重后果。同时使物品层的表面更加光滑便于下一层的打印堆叠。本发明的打印腔是在移动平台和固定平台之间形成的，通过调节移动平台的高度来调节打印腔的深度，根据不同的打印物品需求，设置合适的打印腔高度打印物品层，确保每一层物品层中的粉末粒子之间的间隙不会因为物品层高度过大导致物品层出现疏松情况。打印机架上还设置有激光装置，激光装置紧邻所述打印喷头设置，激光装置对打印物品的表面进行激光熔融处理，使打印喷头在进行下一层打印时与上一层之间的粘连更加紧密。

附图说明

图1为本发明公开的打印头的示意图；

图2为本发明公开的实施例一的主视示意图；

图3为本发明公开的实施例一的俯视示意图；

图4为本发明公开的实施例二的俯视示意图；

图5为本发明公开的实施例三的结构示意图；

图6为本发明公开的实施例三的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1-3所示，本发明公开了一种单喷头压紧式3D打印机，包括设置于真空室内的打印机架2，所述打印机架2上设置一个可调节高度的打印喷头1，所述打印喷头1可上下移动，所述打印机架2设置于承载打印物品的打印平台的上方，所述打印机架2和所述打印平台之间可相对运动，所述打印平台可相对于所述打印机架2水平往复运动，或者，所述打印机架2可相对于所述打印平台水平往复运动；其中，所述打印喷头1包括胶体喷头和给粉装置，其中，胶体喷头包括胶体输送装置131和胶体喷嘴141，给粉装置包括粉体输送装置111和粉体喷嘴121，所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述打印喷头在所述打印平台上进行打印物品的逐层打印。

实施例一

如图2和3所示，所述打印机还包括打印平台机架6，所述打印平台设置在所述打印平台机架6上，所述打印平台包括固定平台8和移动平台10，所述移动平台10紧邻所述固定平台8设置，所述移动平台10上下移动与所述固定平台8之间形成打印腔101，所述打印喷头1在所述打印腔101内进行打印；所述打印平台机架6上还安装压辊7，所述压辊7置于所述打印平台上，压辊7沿所述打印喷头1运行的方向滚动，优选的，所述压辊7的两端沿所述打印平台机架6上的滑槽移动，所述压辊7对打印物品进行压紧处理。所述打印机架2上设置刮板装置3，所述刮板装置3沿所述打印喷头1运行的方向设置，所述刮板装置3和所述打印喷头1间隔设置，刮板装置3设置在所述打印喷头的一侧或两侧，所述刮板装置3将位于所述打印腔101之外的打印物品刮除。所述打印机架2上还设置抽吸装置4，所述抽吸装置4沿所述打印喷头1运行的方向设置在所述刮板装置3的一侧，所述抽吸装置4将刮除后的胶滴和粉体吸走。具体地，所述抽吸装置4可采用真空泵。所述打印喷头1沿其运行方向的两侧分别设置至少一个所述刮板装置3和一个所述抽吸装置4。优选的，即在打印喷头1的左侧和右侧均设置一个刮板装置3和一个抽吸装置4，实现往复过程中的刮平处理和抽吸处理。

打印腔101内打印完成一层物品层后，移动平台10上升使物品层上移一部分，压辊7向打印喷头1运行的方向向前运行，压辊7对上升后的物品层进行滚动压紧处理；采用刮板装置3、压辊7对单层打印层进行刮平和压紧处理，可以使打印物品中的粉末粒子之间的间隙得到压缩变小，使粉末粒子之间的结合更加紧密，避免粉末粒子之间的空隙过大会造成收缩变形甚至开裂等严重后果。同时使物品层的表面更加光滑便于下一层的打印堆叠。本发明的打印腔101是在移动平台10和固定平台8之间形成的，通过调节移动平台10的高度来调节打印腔101的深度，根据不同的打印物品需求，设置合适的打印腔101高度打印物品层，确保每一层物品层中的粉末粒子之间的间隙不会因为物品层高度过大导致物品层出现疏松情况。

优选的，所述固定平台8和所述移动平台10接触的位置设置有导向结构和高度检测仪，所述导向结构为导轨导槽结构，导向结构可以确保移动平台10上下移动过程中不会发生位置偏移，移动平台10的水平度保持不变，所述高度检测仪通过检测所述移动平台10移动的距离来确定所述打印腔101的高度，高度检测仪根据实际需要打印物品的材料成分确定每层物品层的高度，从而调节打印腔101的深度。所述固定平台8上设置限位结构9，所述限位结构9设置在所述固定平台8的侧壁上，所述限位结构9防止所述移动平台10离开所述打印腔101，即防止移动平台10的高度高于固定平台8的高度。

本实施例优选的，所述固定平台8包括左固定平台和右固定平台，所述移动平台101设置在所述左固定平台和所述右固定平台之间，所述移动平台10和所述左固定平台、右固定平台之间形成所述打印腔101，所述打印腔101的高度随着所述移动平台10的上下移动发生变化。

所述打印机架2上还设置有激光装置5，激光装置5紧邻打印喷头1设置，激光装置5对打印物品的表面进行激光熔融处理，使所述打印喷头在进行下一层打印时与上一层之间进行紧密连接。

打印机获取物品的打印数据信息并传输至控制器；控制器根据打印数据信息生成相应的打印指令；打印指令驱动打印喷头1沿移动平台10的X轴方向和Y轴方向移动打印物品层的一层，所述打印指令驱动所述打印喷头1工作的同时，所述刮板装置3随着所述打印喷头1的运行将位于所述打印腔101之外的打印物品刮除；所述打印腔内101打印完成一层物品层后，所述移动平台10上升使物品层上移一部分，所述压辊7向所述打印喷头1运行的方向向前运行，所述压辊7对上升后的物品进行滚动压紧处理；经过压辊压紧处理后的物品层随着移动平台10的下降下移至所述打印腔101内，且物品层的高度低于所述打印腔101的高度，所述打印喷头1在所述打印腔101内的物品层上继续进行下一层打印。在打印下一层物品层时通过激光装置5对上一层物品层的表面进行激光熔融处理，便于两层物品层之间更加紧密的结合，各物品层之间通过胶滴和激光进行粘结固定。

实施例二

如图4所示，与实施例一不同的是，本实施例的固定平台8中间设置多边形通孔，所述移动平台10的形状与所述通孔的形状相同，所述移动平台10置于所述通孔内且紧贴所述通孔的内壁。移动平台10和通孔的内壁之间形成打印腔101，打印喷头1在打印腔101内实现往复式逐层打印。

实施例三

如图5和6所示，与实施例一不同的是，本实施例的所述移动平台10为圆形，固定平台8上设置圆形通孔，移动平台10在圆形通孔内上下移动，且与圆形通孔的内壁紧密贴合，所述打印机架2上设置中心支架20，所述中心支架20位于所述打印平台正上方，所述中心支架20上连接打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂，所述打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂绕着所述中心支架20与所述移动平台做相对旋转运动；所述打印喷头1安装在所述打印机械臂上，所述刮板装置3安装在所述刮板机械臂上，所述压辊机械臂上安装有压辊7，所述打印喷头1、刮板装置3和压辊7与所述中心支架20的距离始终保持相同，所述打印喷头1、刮板装置3和压辊7与所述中心支架20之间的距离可以调节。打印喷头1在打印腔101内进行逐层打印，打印腔101的高度可以随着移动平台10的升降而改变，刮板装置3和压辊7装置实现对物品层的刮平和压紧。调节打印喷头1、刮板装置3、压辊7与所述中心支架20之间的距离，可以实现对移动平台10上不同半径区域内的物品打印，完成环状和柱状物品的打印，同时通过调节打印喷头1的高度来实现逐层打印。

实施例四

本实施例公开了一种打印机的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：

(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；

(2)所述打印指令驱动所述打印喷头相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印喷头进行往复式直线运动或旋转运动；

(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述打印喷头同时工作，所述打印喷头在所述打印腔中沿所述移动平台的X轴方向和Y轴方向打印物品层，或沿所述移动平台的中心旋转打印物品层，所述刮板装置随着所述打印喷头的运行将位于所述打印腔之外的打印物品刮除；所述打印腔内打印完成一层物品层后，所述移动平台上升使物品层上移一部分，所述压辊沿所述打印喷头运行的轨迹向前运行，所述压辊对上升后的物品层进行滚动压紧处理；

(4)经过压辊压紧处理后的物品层随着移动平台的下降下移至所述打印腔内，且物品层的高度低于所述打印腔的高度，所述打印喷头在所述打印腔内的物品层上继续进行下一层打印。所述打印头在打印时，先由所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴至所述移动平台上，接着所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种单喷头压紧式3D打印机，包括设置于真空室内的打印机架，所述打印机架上设置一个可调节高度的打印喷头，所述打印机架设置于承载打印物品的打印平台的上方，所述打印机架和所述打印平台之间可相对运动；

其特征在于，所述打印喷头包括胶体喷头和给粉装置，所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述打印喷头在所述打印平台上进行打印物品的逐层打印；

所述打印机还包括打印平台机架，所述打印平台设置在所述打印平台机架上，所述打印平台包括固定平台和移动平台，所述移动平台紧邻所述固定平台设置，所述移动平台上下移动与所述固定平台之间形成打印腔，所述打印喷头在所述打印腔内进行打印；所述打印平台机架上还安装压辊，所述压辊置于所述打印平台上，所述压辊沿所述打印喷头运行的方向滚动，所述压辊对打印物品进行压紧处理；

所述打印机架上设置刮板装置，所述刮板装置沿所述打印喷头运行的方向设置，所述刮板装置设置在所述打印喷头的一侧或两侧，所述刮板装置将位于所述打印腔之外的打印物品刮除；

通过调节所述移动平台的高度来调节所述打印腔的深度，所述打印喷头在所述打印腔内进行打印完成一层物品层后，所述移动平台上升使物品层上移一部分，所述压辊向所述打印喷头运行的方向向前运行，所述压辊对上升后的物品层进行滚动压紧处理；

经过所述压辊压紧处理后的物品层随着所述移动平台的下降下移至所述打印腔内，且所述物品层的高度低于所述打印腔的高度，所述打印喷头在所述打印腔内的物品层上继续进行下一层打印；

所述打印机架上还设置有激光装置，所述激光装置紧邻所述打印喷头设置，所述激光装置对打印物品的表面进行激光熔融处理，使所述打印喷头在进行下一层打印时与上一层之间进行紧密连接；

所述固定平台和所述移动平台接触的位置设置有导向结构和高度检测仪，所述导向结构为导轨导槽结构，所述高度检测仪通过检测所述移动平台移动的距离来确定所述打印腔的高度；

所述移动平台为圆形，所述打印机架上设置中心支架，所述中心支架位于所述打印平台正上方，所述中心支架上连接打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂，所述打印机械臂、刮板机械臂和压辊机械臂绕着所述中心支架与所述移动平台做相对旋转运动；所述打印喷头安装在所述打印机械臂上，所述刮板装置安装在所述刮板机械臂上，所述压辊机械臂上安装有压辊，所述打印喷头、刮板装置和压辊与所述中心支架的距离相同，所述打印喷头、刮板装置和压辊与所述中心支架之间的距离可以调节。

2.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述打印机架上还设置抽吸装置，所述抽吸装置沿所述打印喷头运行的方向设置在所述刮板装置的一侧，所述抽吸装置将刮除后的胶滴和粉体吸走。

3.一种根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于：所述打印喷头沿其运行方向的两侧分别设置至少一个所述刮板装置和一个所述抽吸装置。

4.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述固定平台包括左固定平台和右固定平台，所述移动平台设置在所述左固定平台和所述右固定平台之间，所述移动平台和所述左固定平台、右固定平台之间形成所述打印腔，所述打印腔的高度随着所述移动平台的上下移动变化。

5.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述固定平台的中间设置多边形通孔，所述移动平台的形状与所述通孔的形状相同，所述移动平台置于所述通孔内且紧贴所述通孔的内壁。

6.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述固定平台上设置限位结构，所述限位结构设置在所述固定平台的侧壁上，所述限位结构防止所述移动平台离开所述打印腔。

7.一种根据权利要求1-6一项所述的3D打印机的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括以下步骤：

(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；

(2)所述打印指令驱动所述打印喷头相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印喷头进行往复式直线运动或旋转运动；

(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述打印喷头同时工作，所述打印喷头在所述打印腔中沿所述移动平台的X轴方向和Y轴方向打印物品层，或沿所述移动平台的中心旋转打印物品层，所述刮板装置随着所述打印喷头的运行将位于所述打印腔之外的打印物品刮除；所述打印腔内打印完成一层物品层后，所述移动平台上升使物品层上移一部分，所述压辊沿所述打印喷头运行的轨迹向前运行，所述压辊对上升后的物品层进行滚动压紧处理；

(4)经过压辊压紧处理后的物品层随着移动平台的下降下移至所述打印腔内，且物品层的高度低于所述打印腔的高度，调节所述打印喷头高度在所述打印腔内的物品层上继续进行下一层打印。

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