CN107901413A - 一种三维打印装置及其打印平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印装置及其打印平台系统，属于快速成型技术领域。三维打印装置包括控制单元、机架及安装在机架上且受控制单元控制的打印头及打印平台系统，打印平台系统包括安装座、驱动系统及打印平台，打印头相对安装座可做三维空间移动；驱动系统包括通过转轴安装在安装座上的转台，驱动转台绕转轴转动的旋转驱动器，可沿横向滑动地安装在转台上的滑台，及驱动滑台在横向上做二维平面移动的横向驱动器；打印平台通过用于调整打印平台姿态的调姿机构安装在滑台上。通过在三维打印装置中设置上述打印平台系统，可有效地提高三曲形件的打印质量，其可广泛地应用于快速成形制造领域。

Description

一种三维打印装置及其打印平台系统

技术领域

本发明涉及快速成型技术领域，具体地说，涉及一种能有效地提高曲形件打印质量的三维打印装置及用于构建该三维打印装置的打印平台系统。

背景技术

三维打印技术以产品的数字模型为基础，通过对数字模型进行切片分层，及依据切片分层结果逐层叠加材料的方法来成形出三维物体，即目标产品。相比于传统制造模式，三维打印可以成形出复杂度更高的产品。

现有三维打印装置以相互正交的X-Y-Z三轴驱动为主，对于数字模型每层切片层根据该切片层求取近似轮廓，利用打印头在X-Y方向上的平动实现轮廓以及内部支撑的打印。对于内外表面具有曲面或曲线外形特征的曲形件，在打印其曲形结构边界时，由于打印控制方法本身采用直线逼近方法，尽管打印步长可以设置得很小，但与原设计模型间仍存有一定误差。

此外，由于设置了初始位置之后不能更改，在高度方向上会出现一定厚度的“阶梯效应”，导致曲形件的三维打印精度难以显著提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维打印装置，以提高曲形件的打印质量；

本发明的另一目的是提供一种用于构建上述三维打印装置的打印平台系统。

为了实现上述目的，本发明提供的三维打印装置包括控制单元、机架及安装在机架上且受控制单元控制的打印头及打印平台系统，打印平台系统包括安装座、驱动系统及打印平台，打印头相对安装座可做三维空间移动；驱动系统包括通过转轴安装在安装座上的转台，驱动转台绕转轴转动的旋转驱动器，可沿横向滑动地安装在转台上的滑台，及驱动滑台在横向上做二维平面移动的横向驱动器；打印平台通过调姿机构安装在滑台上，调姿机构用于调整打印平台的姿态。

在打印过程中，通过结合打印平台转动运动与横向上的二维平面移动及打印头相对安装座在横向上的移动，以使从打印头挤出的成型材料在打印平台上成型各种曲形结构，以可更好地打印出质量更高的曲形件。此外，通过调姿机构调整打印平台的姿态以匹配三维模型的切片层高度方向，有效地减少打印出的三维物体上出现“阶梯效应”，进一步提高曲形件的打印质量；且可调整打印平台的支撑方向，以改变三维物体上的打印方向，有效地减少部分结构由于在固定方向上打印而需打印支撑结构的问题，以减少成型材料的消耗量及提高三维物体表面的平整度。

一个具体的方案为旋转驱动器包括固设在安装座上的伺服电机，与伺服电机的转子轴传动连接的主动锥齿轮，及套装在转轴上且与主动锥齿轮配合传动的从动锥齿轮；从动锥齿轮与安装座间安装有推力球轴承，转台固设在从动锥齿轮上，主动锥齿轮与从动锥齿轮的传动比大于1。采用该结构的旋转驱动器，可有效地提高旋转驱动的平稳性。

另一个具体的方案为横向驱动器包括输出第一横向位移的第一直线位移输出装置及输出第二横向位移的第二直线位移输出装置，第一横向位移与第二横向位移相正交，第一直线位移输出装置的定子安装在转台上，第二直线位移输出装置的定子安装在第一直线位移输出装置的动子上，第二直线位移输出装置的动子构成滑台。

再一个具体的方案为调姿机构包括三根沿竖向布置地固设在滑台上的伸缩杆，第一根伸缩杆的伸缩端通过铰链与打印平台的底面连接，第二根伸缩杆的伸缩端通过球形头与打印平台的底面连接，第三根伸缩杆的伸缩端通过导轨滑块机构与打印平台的底面连接；导轨滑块机构的直线导轨与滑块中，一者与打印平台的底面固定连接，另一者与第三根伸缩杆的伸缩端铰接；三根伸缩杆的固定端点构成正三角形结构，导轨滑块机构中的直线导轨的长度方向指向正三角形结构的中心。通过三根伸缩杆的伸缩移动及打印平台绕转轴的转动运动，以实现其各种姿态的调整。

一个优选的方案为打印平台上固设有用于检测打印平台的姿态的陀螺仪，陀螺仪向控制单元输出姿态检测信号，控制单元基于姿态检测信号向调姿机构输出调姿控制信号；用于驱动打印头在横向上做二维移动的行走机构通过升降机构安装在机架上。

另一个优选的方案为控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

直形结构打印步骤，控制横向驱动器驱动滑台在横向上做二维平面移动的同时，控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，在打印平台上打印出三维物体的直形结构；

曲形结构打印步骤，按照所需打印曲形结构的位置信息、曲率半径信息及曲率半径的变化信息，控制打印头相对安装座在横向上的位移以匹配曲线结构的曲率半径，控制横向驱动器驱动滑台在横向上的位移、控制旋转驱动器驱动转台的转角及控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，以在打印平台上打印出三维物体的曲形结构；

换向打印步骤，通过调姿机构将打印平台调整至将要打印悬空部的拉伸方向大致沿竖向布置，在已打印三维物体的部分结构上逐层地打印出所述悬空部。

基于上述打印方法，可有效地减少因需打印支撑结构所需的材料，不仅可节省成型材料的使用，还可提高三维物体表面的打印质量。

为了实现上述另一目的，本发明提供的打印平台系统包括安装座、驱动系统及打印平台；驱动系统包括通过转轴安装在安装座上的转台，驱动转台绕转轴转动的旋转驱动器，可沿横向滑动地安装在转台上的滑台，及驱动滑台在横向上做二维平面移动的横向驱动器；打印平台通过调姿机构安装在滑台上，调姿机构用于调整打印平台的姿态。

使用上述打印平台系统构建的三维打印装置，可有效地提高三维物体中的曲面结构的打印质量，及减少支撑结构的打印量与“阶梯效应”，以减少成型材料的消耗量及提高三维物体表面的表面平整度。

具体的方案为旋转驱动器包括固设在安装座上的伺服电机，与伺服电机的转子轴传动连接的主动锥齿轮，及套装在转轴上且与主动锥齿轮配合传动的从动锥齿轮；从动锥齿轮与安装座间安装有推力球轴承，转台固设在从动锥齿轮上，主动锥齿轮与从动锥齿轮的传动比大于1。

另一个具体的方案为横向驱动器包括输出第一横向位移的第一直线位移输出装置及输出第二横向位移的第二直线位移输出装置，第一横向位移与第二横向位移相正交，第一直线位移输出装置的定子安装在转台上，第二直线位移输出装置的定子安装在第一直线位移输出装置的动子上，第二直线位移输出装置的动子构成滑台。

再一个具体的方案为调姿机构包括三根沿竖向布置地固设在滑台上的伸缩杆，第一根伸缩杆的伸缩端通过铰链与打印平台的底面连接，第二根伸缩杆的伸缩端与通过球形头与打印平台的底面连接，第三根伸缩杆的伸缩端通过导轨滑块机构与打印平台的底面连接；导轨滑块机构的直线导轨与滑块中，一者与打印平台的底面固定连接，另一者与第三根伸缩杆的伸缩端铰接；三根伸缩杆的固定端点构成正三角形结构，导轨滑块机构的直线导轨的长度方向指向正三角形结构的中心；打印平台上固设有用于检测打印平台的姿态的陀螺仪，陀螺仪输出姿态检测信号。

附图说明

图1为本发明三维打印装置实施例中打印平台系统的主视图；

图2为本发明三维打印装置实施例中打印平台系统的俯视图；

图3为本发明三维打印装置实施例中安装座、转台及旋转驱动器的主视图；

图4为本发明三维打印装置实施例中调姿机构与打印平台的主视图；

图5为使用现有技术进行打印具有悬空部位的三维物体的过程示意图；

图6为使用本专利三维打印装置实施例进行打印三维物体中主体部的过程示意图；

图7为使用本专利三维打印装置实施例进行打印三维物体中悬空部的过程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

三维打印装置实施例

参见图1至图4，本发明三维打印装置包括控制单元、机架及安装在机架上且受控制单元控制的打印头及打印平台系统1。

打印平台系统1包括安装座10、驱动系统及打印平台13，驱动系统包括通过转轴可转动地安装在安装座10上的转台11，驱动转台11绕转轴转动的旋转驱动器2，可沿横向滑动地安装在转台11上的滑台12，及驱动滑台在X-Y平面上做二维平面移动的横向驱动器3。在本实施例中，X-Y平面沿横向布置，X轴向构成第一横向，Y轴向构成第二横向，及第一横向与第二横向相正交，即Z轴向为竖向。

如图1及图3所示，旋转驱动器2包括通过固定螺栓固设在安装座10上的伺服电机21，与伺服电机21的转子轴通过联轴器22传动连接的主动锥齿轮23，及套装在转轴上且与主动锥齿轮23配合传动的从动锥齿轮24，从动锥齿轮24与安装座10间安装有推力球轴承25，转台11固设在从动锥齿轮24上；主动锥齿轮23的次数少于从动锥齿轮的次数，即二者传动比大于1。

如图1及图2所示，横向驱动器3包括输出X轴向位移的第一直线位移输出装置及输出Y轴向位移的第二直线位移输出装置。第一直线位移输出装置包括通过固定螺栓固定安装在转台11上的安装座30，沿X轴向布置地安装在安装座30的上表面上的两根直线导轨300，可滑动地置于两根直线导轨300上的滑块34，可转动地安装在安装座30上的主动丝杆32，固设在滑块34的下表面上且与主动丝杆32相配合的从动螺母33，及固设在安装座30上用于驱动主动丝杆32转动的伺服电机31，从而通过丝杆螺母机构将伺服电机31的正反转动位移转换成滑块34沿X轴向的往复移动。即安装座30与滑块34分别构成本实施例第一直线位移输出装置中的定子与动子。

第二直线位移输出装置包括通过固定螺栓固定安装在滑块34上的安装座35，沿Y轴向布置地安装在安装座35的上表面上的两根直线导轨350，可转动地安装在安装座35上的主动丝杆37，固设在滑台12的下表面上且与主动丝杆37相配合的从动螺母，及固设在安装座35上用于驱动主动丝杆37转动的伺服电机36。滑台12滑动地置于两根直线导轨350上，从而通过丝杆螺母机构将伺服电机36的正反转动位移转换成滑台12沿Y轴向的往复移动。即安装座35与滑台12分别构成本实施例第二直线位移输出装置中的定子与动子。

即通过第一直线位移输出装置与第二直线位移输出装置的配合，驱动滑台12在横向上做二维平面移动。

如图1及图4所示，打印平台13通过调姿机构4安装在滑台12上，以通过该调姿机构4调整打印平台13的姿态。

调姿机构4包括三根沿竖向布置地固设在滑台上的伸缩杆41、42、43，伸缩杆43的伸缩端通过铰链430与打印平台13的底面连接，伸缩杆42的伸缩端通过球形头与打印平台13的底面连接，伸缩杆41的伸缩端通过导轨滑块机构410与打印平台13的底面连接，导轨滑块机构410包括固设在打印平台13的底面上的直线导轨412及可沿直线导轨412往复滑动的滑块411，滑块411与伸缩杆43的伸缩端铰接；三根伸缩杆的固定端点构成正三角形结构，直线导轨412的长度方向指向正三角形结构的中心；打印平台13上固设有用于检测打印平台13姿态的陀螺仪，该陀螺仪向三维打印装置的控制单元输出姿态检测信号，控制单元基于接收到的姿态检测信号向调姿机构4输出调姿控制信号，以将打印平台13的调整至预定姿态。

在机架上安装有用于驱动打印头在X-Y平面内做二维移动的行走机构，该行走机构与机架间通过用于控制其在Z轴向上的往复移动的升降机构连接，从而达到控制打印头相对安装座10做三维空间运动的目的。当然了，也可是行走机构与机架固定连接，而通过升降机构驱动安装座10在Z轴向上往复移动，以达到控制打印头相对安装架10做三维空间运动。

该三维打印装置的控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

调平步骤S1，根据陀螺仪的检测信号，控制调姿机构4对打印平台13进行调平。

直形结构打印步骤S2，控制横向驱动器3驱动滑台12在横向上做二维平面移动的同时，控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，在打印平台13上打印出三维物体的直形结构。

曲形结构打印步骤S3，按照所需打印曲形结构的位置信息、曲率半径信息及曲率半径的变化信息，控制行走机构驱动打印头相对安装座10在横向上的位移以匹配曲形结构的曲率半径，控制横向驱动器3驱动滑台12在横向上的位移、控制旋转驱动器2驱动转台11转角及控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，以在打印平台13上打印出三维物体的曲形结构。

在本发明中，行走机构只用于调整打印头与转台11的转轴之间的间距，即在以转台11为参照系时，以使打印头相对转台绕转轴旋转的曲率半径按需要进行设置，而打印直形结构的驱动由驱动系统中的第一直线位移输出装置与第二直线位移输出装置完成，以便于控制系统的控制。

换向打印步骤S4，通过调姿机构4将打印平台13调整至将要打印悬空部的拉伸方向大致沿Z轴向布置，在已打印三维物体的部分结构上逐层地打印出该悬空部。

若使用现有技术打印出如图5所示的由拉伸方向A沿Z轴向布置的主体部02与拉伸方向B相对Z轴向逆时针旋转α角度的悬空部03的三维物体01时，对三维物体01的数字模型进行切片处理过程包括：(1)在数字模型中添置用于对悬空部03进行支撑的支撑部04，(2)将主体部02、悬空部03及支撑部06均切割成面法向沿Z轴向布置的切片层；进行打印过程为：沿Z轴向逐层地打印出登高部位的切片层。

若使用本三维打印装置01进行打印，如图5所示，对三维物体01的数字模型进行切片处理过程为：将三维物体01中的主体部02切割成面法向沿其拉伸方向A布置的切片层及将悬空部03切割层面法向沿其拉伸方向B布置的切片层，即根据各部分拉伸方向的不同而将数字模型分割成对应子部，并对各子部切割成面法向沿该子部拉伸方向布置的切片层，而打印过程如下：

(1)如图6所示，通过调姿机构将打印平台13调整至其法向沿Z轴向布置，即沿主体部02的拉伸方向布置，完成对打印平台的调平处理，并在打印平台13上逐层地打印出主体部02。

(2)如图7所示，通过调姿机构将打印平台13调整至其法向与Z轴向成60度夹角，即将将要打印的悬空部的拉伸法向旋转至沿Z轴向布置，在已打印的主体部02上逐层地打印出悬空部03。

基于上述打印方法，可有效地减少因需打印支撑结构所需的材料，不仅可节省成型材料的使用，还可提高三维物体表面的打印质量。

打印平台系统实施例

在上述三维打印装置实施例中已对打印平台系统实施例进行了说明，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种三维打印装置，包括控制单元、机架及安装在所述机架上且受所述控制单元控制的打印头及打印平台系统，其特征在于：

所述打印平台系统包括安装座、驱动系统及打印平台，所述打印头相对所述安装座可做三维空间移动；

所述驱动系统包括通过转轴安装在所述安装座上的转台，驱动所述转台绕所述转轴转动的旋转驱动器，可沿横向滑动地安装在所述转台上的滑台，及驱动所述滑台在横向上做二维平面移动的横向驱动器；

所述打印平台通过调姿机构安装在所述滑台上，所述调姿机构用于调整所述打印平台的姿态。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于：

所述旋转驱动器包括固设在所述安装座上的伺服电机，与所述伺服电机的转子轴传动连接的主动锥齿轮，及套装在所述转轴上且与所述主动锥齿轮配合传动的从动锥齿轮；

所述从动锥齿轮与所述安装座间安装有推力球轴承，所述转台固设在所述从动锥齿轮上，所述主动锥齿轮与所述从动锥齿轮的传动比大于1。

3.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于：

所述横向驱动器包括输出第一横向位移的第一直线位移输出装置及输出第二横向位移的第二直线位移输出装置，所述第一横向位移与所述第二横向位移相正交，所述第一直线位移输出装置的定子安装在所述转台上，所述第二直线位移输出装置的定子安装在所述第一直线位移输出装置的动子上，所述第二直线位移输出装置的动子构成所述滑台。

4.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于：

所述调姿机构包括三根沿竖向布置地固设在所述滑台上的伸缩杆，第一根伸缩杆的伸缩端通过铰链与所述打印平台的底面连接，第二根伸缩杆的伸缩端通过球形头与所述底面连接，第三根伸缩杆的伸缩端通过导轨滑块机构与所述底面连接；

所述导轨滑块机构的直线导轨与滑块中，一者与所述底面固定连接，另一者与第三根伸缩杆的伸缩端铰接；三根伸缩杆的固定端点构成正三角形结构，所述直线导轨的长度方向指向所述正三角形结构的中心。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述打印平台上固设有用于检测所述打印平台的姿态的陀螺仪，所述陀螺仪向所述控制单元输出姿态检测信号，所述控制单元基于所述姿态检测信号向所述调姿机构输出调姿控制信号；

用于驱动所述打印头在横向上做二维移动的行走机构通过升降机构安装在所述机架上。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于，所述控制单元包括处理器与存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

直形结构打印步骤，控制横向驱动器驱动滑台在横向上做二维平面移动的同时，控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，在打印平台上打印出三维物体的直形结构；

曲形结构打印步骤，按照所需打印曲形结构的位置信息、曲率半径信息及曲率半径的变化信息，控制打印头相对安装座在横向上的位移以匹配曲形结构的曲率半径，控制横向驱动器驱动滑台在横向上的位移、控制旋转驱动器驱动转台的转角及控制打印头挤出呈熔融状态的成型材料，以在打印平台上打印出三维物体的曲形结构；

换向打印步骤，通过调姿机构将打印平台调整至将要打印悬空部的拉伸方向大致沿竖向布置，在已打印三维物体的部分结构上逐层地打印出所述悬空部。

7.一种三维打印装置的打印平台系统，其特征在于，包括安装座、驱动系统及打印平台；

所述驱动系统包括通过转轴安装在所述安装座上的转台，驱动所述转台绕所述转轴转动的旋转驱动器，可沿横向滑动地安装在所述转台上的滑台，及驱动所述滑台在横向上做二维平面移动的横向驱动器；

所述打印平台通过调姿机构安装在所述滑台上，所述调姿机构用于调整所述打印平台的姿态。

8.根据权利要求7所述的打印平台系统，其特征在于：

所述旋转驱动器包括固设在所述安装座上的伺服电机，与所述伺服电机的转子轴传动连接的主动锥齿轮，及套装在所述转轴上且与所述主动锥齿轮配合传动的从动锥齿轮；

所述从动锥齿轮与所述安装座间安装有推力球轴承，所述转台固设在所述从动锥齿轮上，所述主动锥齿轮与所述从动锥齿轮的传动比大于1。

9.根据权利要求7所述的打印平台系统，其特征在于：

所述横向驱动器包括输出第一横向位移的第一直线位移输出装置及输出第二横向位移的第二直线位移输出装置，所述第一横向位移与所述第二横向位移相正交，所述第一直线位移输出装置的定子安装在所述转台上，所述第二直线位移输出装置的定子安装在所述第一直线位移输出装置的动子上，所述第二直线位移输出装置的动子构成所述滑台。

10.根据权利要求7所述的打印平台系统，其特征在于：

所述调姿机构包括三根沿竖向布置地固设在所述滑台上的伸缩杆，第一根伸缩杆的伸缩端通过铰链与所述打印平台的底面连接，第二根伸缩杆的伸缩端与通过球形头与所述底面连接，第三根伸缩杆的伸缩端通过导轨滑块机构与所述底面连接；

所述导轨滑块机构的直线导轨与滑块中，一者与所述底面固定连接，另一者与第三根伸缩杆的伸缩端铰接；三根伸缩杆的固定端点构成正三角形结构，所述直线导轨的长度方向指向所述正三角形结构的中心；

所述打印平台上固设有用于检测所述打印平台的姿态的陀螺仪，所述陀螺仪输出姿态检测信号。