CN108311698A - 一种金属3d打印机的多维度打印平台及调整与打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属3D打印机的多维度打印平台及调整与打印方法；打印平台系统包括一打印平台、支撑在打印平台底面的结构相同的三组并联的丝杆；三组并联的丝杆的端部分别与打印平台的底面通过万向关节机构连接；该三组并联的丝杆分别以打印平台的中心为中心点，呈等边三角形分布，构成ABC三个支点支撑一个平面；该三组并联的丝杆在Z轴方向的运动行程，由各自独立的步进电机根据脉冲信号控制，以改变各并联的丝杆在Z轴方向的行程长度，完成打印平台相对于水平面高度及角度的多维调节，从而实现对多维度旋转平台的精确控制。当各电机的脉冲信号同步时，平台实现垂直升降运动；当各电机的脉冲信号不同步时，平台便可实现多维度旋转。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机打印平台，尤其涉及一种金属3D打印机的多维度打印平台及调整与打印方法。
背景技术
3D打印技术，属于快速成形技术的一种，它是一种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，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。3D打印技术已被广泛地应用于模具制造、工业设计等领域，而且正逐渐向航空航天，牙科和医疗等高尖端邻域发展，发展速度十分迅猛。
3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。但是传统的3D打印机结构(由水平运动的X、Y 轴和垂直升降的Z轴组成)并不灵活，无法支持各种复杂的模型的打印；并且在打印某些悬空或者悬角较大的模型时，会大大降低打印成功率；大量的打印支撑也在一定程度上限制了打印模型的精度和美观。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种金属3D打印机的多维度打印平台及调整与打印方法。采用三根并联丝杆控制打印平台的升降，旋转和倾斜的多维调节，实现五轴金属3D打印，避免复杂金属3D 打印零件添加大量支撑结构，以此来提高金属3D打印机的打印能力、打印质量和打印成功率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种金属3D打印机的多维度打印平台，包括密封打印仓及其内的激光打印系统、打印平台系统；所述打印平台系统包括一打印平台1、支撑在打印平台1底面的结构相同的三组并联的丝杆2；
三组并联的丝杆2的端部分别与打印平台1的底面通过万向关节机构3 连接；
该三组并联的丝杆2分别以打印平台1的中心为中心点，呈等边三角形分布，构成A、B、C三个支点支撑一个平面；
该三组并联的丝杆2在Z轴方向的运动行程，由各自独立的步进电机5 根据脉冲信号控制，以改变各并联的丝杆2在Z轴方向的行程长度，进而实现打印平台1相对于水平面高度及角度的多维调节。
所述密封打印仓内有一隔板7，该三组并联的丝杆2的丝杆螺母4固定在隔板7上，步进电机5的转轴连接在隔板7下方丝杆2的末端，步进电机5 本体固定在密封打印仓底部；通过改变各丝杆2的万向关节机构3在隔板7 上方的高度差，使打印平台1作出相应的升降，旋转和倾斜等多维度运动。
当打印平台1中心点的高度不变，相应地上升或降低三个万向关节机构3 的高度位置，实现以打印平台1所在平面上任一穿过中心点的直线为旋转轴的旋转运动；
旋转角度θ，指旋转后打印平台1所在平面与水平面的夹角；
旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系为：
△A＝√3a/3cos(60°-α)tanθ
△B＝-√3a/3cos(90°-α)tanθ
△C＝-√3a/3cos(120°-α)tanθ。
一种金属3D打印机的多维度打印平台调平方法，包括激光打印头归位步骤，所述调平方法通过下述步骤实现：
步骤一：激光打印头6的调平探针垂下，激光打印头6移动至打印平台1 中心点O点上方，三个步进电机5驱动三根丝杆2以相同的速度向上，即向负方向移动；打印平台1上升至触碰到激光打印头6的调平探针后停止，记录改点为Z轴零点；接着控制三个步进电机5驱动三根丝杆2以相同的速度向正方向移动，使调平探针与打印平台1分离；
步骤二：激光打印头6分别移动至打印平台1的A、B、C三个支点的上方，并记录A、B、C三个支点Z轴坐标；
步骤三：激光打印头6调平探针收起；三个步进电机5驱动三根丝杆2 分别归位，使A、B、C三个支点移动到Z轴的零点坐标，完成打印平台1的调平。
所述激光打印头归位步骤如下：XY轴归位方式为同步带驱动激光打印头 6向X、Y轴零点方向移动，各轴到达零点后分别触发限位开关并停止，记录改点为X、Y轴零点。
一种多维度打印平台在打印途中调整打印角度的方法，其包括如下步骤：
启动打印程序，3D打印机先进行权利要求5中所述多维度打印平台X、 Y、Z轴的归零和调平；
根据给定工件的打印角度，旋转打印平台1至该角度后，进行逐层打印；每层打印完成时，三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根并联丝杆2做同步的旋转向下运动，三个万向关节机构3做同等距离的竖直下降运动，即打印平台1保持原角度下降一个层厚的高度，完成工件的逐层打印；
在逐层打印作业过程中，若中途调整打印角度时，中断打印作业，通过如下步骤实现旋转打印平台调整：
A步骤：打印平台1保持当前旋转角度不变步骤：三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3做同步垂直下降运动，使打印平台1携带工件远离激光打印头加工位置，以免调整过程中触碰激光打印头6；
B步骤：打印平台1水平归位步骤：根据打印平台1当前旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3所需补偿垂直升降的距离，给定三个步进电机5相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台1水平归位调节；
C步骤：旋转打印平台步骤：根据目标旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆2及其顶部的三个万向关节3所需垂直升降的距离，给定三个步进电机5相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台1目标旋转角度调节；
D步骤：三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3做同步的垂直上升运动，打印平台1保持目标旋转角度不变，上升到激光打印头加工位置，恢复打印作业。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明主要由三个步进电机驱动三根并联丝杆构成的多维度旋转平台的联动结构，以及根据打印模型形状特征智能化调整打印角度，获得无支撑复杂金属3D打印。与现有金属3D打印技术相比，本发明通过三根丝杆组成的多维度旋转平台代替传统的垂直升降平台，提供了更大的自由度，提高和优化了金属3D打印机的加工能力，创造了基于智能化控制的新型金属3D生产技术。支撑和调整多维度旋转平台的三根丝杆分别由三个步进电机独立控制，电脑或者机器主板通过发送相应的脉冲信号到各步进电机，实现对三根丝杆的运动控制，从而实现对多维度旋转平台的精确控制。当各电机的脉冲信号同步时，打印平台实现垂直升降运动；当各电机的脉冲信号不同步时，平台便可实现多维度的倾斜和旋转运动。这种运动有以下几大优点。
第一，多维度旋转平台给金属3D打印机提供了多维度的打印能力，结合打印平台的智能化调整平，可通过对打印模型进行分析，能得出最佳的打印角度，从而最大限度的减少打印模型的支撑，提高打印质量和打印精度。
第二，采用本发明多维度打印平台的3D打印机，通过对打印模型的数据分析，使打印过程中实时智能调整打印角度，解决中空模型封顶打印时远距离悬空拉丝打印等问题，实现对复杂、中空模型的高精度打印。
第三，采用本发明多维度打印平台的3D打印机，调平时，激光打印头上的调平探针垂下，在平台上的A、B、C三个特征点上获取点的当前高度，再通过调节三根丝杆的高度补偿这三个点与中心点的高度差，即可实现智能调平，解决传统垂直升降平台的调平精度差等问题。
附图说明
图1为本发明所述多维度打印平台结构示意图。
图2为本发明所述多维度打印平台旋转角度计算的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-2所示。本发明公开了一种金属3D打印机的多维度打印平台，包括密封打印仓及其内的激光打印系统、打印平台系统；所述打印平台系统包括一打印平台1、支撑在打印平台1底面的结构相同的三组并联的丝杆2；
三组并联的丝杆2的端部分别与打印平台1的底面通过万向关节机构3 连接；
该三组并联的丝杆2分别以打印平台1的中心为中心点，呈等边三角形分布，构成A、B、C三个支点支撑一个平面；
该三组并联的丝杆2在Z轴方向的运动行程，由各自独立的步进电机5 根据脉冲信号控制，以改变各并联的丝杆2在Z轴方向的行程长度，进而实现打印平台1相对于水平面高度及角度的多维调节。即打印平台1上任意一点的纵轴坐标由三根丝杆的高度坐标合成。
丝杆可采用T型丝杆，可直接与步进电机转轴相连。
如上所述，本发明多维度旋转平台，是由三个步进电机独立控制三根丝杆来实现对打印平台的支撑和多维度旋转。通过发送相应的脉冲信号到各步进电机，实现对三根丝杆的运动控制，从而实现对多维度旋转平台的精确控制，使工件处于最佳打印角度。
所述密封打印仓内有一隔板7，该三组并联的丝杆2的丝杆螺母4固定在隔板7上，步进电机5的转轴连接在隔板7下方丝杆2的末端，步进电机5 本体固定在密封打印仓底部；通过改变各丝杆2的万向关节机构3在隔板7 上方的高度差，使打印平台1作出相应的升降及倾斜动作。当各步进电机的脉冲信号同步时，打印平台实现垂直升降运动；当各步进电机的脉冲信号不同步时，打印平台便可实现多维度旋转。
步进电机5可采用非自锁电机或者自锁电机。
本发明采用了由三根并联丝杆组成的多维度旋转平台，代替传统的仅能够垂直的升降平台，使打印过程中能实时调整打印角度，提高金属3D打印机的加工能力，更大限度的减少打印支撑，提高打印质量和打印精度，进而获得无支撑复杂金属3D打印零件。
另外，万向关节机构3与打印平台1的连接方式可采用通用连接方式。也可采用在打印平台1底部的连接点上安装内外两个折耳10及螺钉11构成的组件实现；螺钉11安装在内外两个折耳10上，万向关节设置在螺钉11(螺栓)上，并保持一个方向的自由度。相应的，打印平台底部折耳10以隔板7 中心点为中心呈等边三角形分布，内外两折耳中心孔的连线(包括螺钉11的轴线)皆通过隔板7中心点，内外两折耳最小距离(如3-8cm)可根据打印平台最大旋转角度θ确定，为2√3a/3(1/cosθ-1)。
当打印平台1中心点的高度不变，相应地上升或降低三个万向关节机构3 的高度位置，实现以打印平台1所在平面上任一穿过中心点的直线为旋转轴的旋转运动；
旋转角度θ，指旋转后打印平台1所在平面与水平面的夹角；
旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系为：
△A＝√3a/3cos(60°-α)tanθ
△B＝-√3a/3cos(90°-α)tanθ
△C＝-√3a/3cos(120°-α)tanθ。
一种金属3D打印机的多维度打印平台调平方法，通过下述步骤实现：
一、激光打印头归位：XY轴归位方式为同步带驱动激光打印头6向X、 Y轴零点方向移动，各轴到达零点后分别触发限位开关并停止，记录改点为X、 Y轴零点。
二、完成激光打印头归位后，激光打印头6的调平探针垂下，激光打印头6移动至打印平台1中心点O点上方，三个步进电机5驱动三根丝杆2以相同的速度向上，即向负方向移动；打印平台1上升至触碰到激光打印头6 的调平探针后停止，记录改点为Z轴零点；接着控制三个步进电机5驱动三根丝杆2以相同的速度向正方向移动，使调平探针与打印平台1分离；
三：激光打印头6分别移动至打印平台1的A、B、C三个支点的上方，并记录A、B、C三个支点Z轴坐标；
四：激光打印头6调平探针收起；三个步进电机5驱动三根丝杆2分别归位，使A、B、C三个支点移动到Z轴的零点坐标，完成打印平台1的调平。
一种多维度打印平台在打印途中调整打印角度的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：启动打印程序，包括3D打印机先进行权利要求5中所述多维度打印平台X、Y、Z轴的归零和调平；
根据给定工件的打印角度，旋转打印平台1至该角度后，进行逐层打印；每层打印完成时，三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根并联丝杆2做同步的旋转向下运动，三个万向关节机构3做同等距离的竖直下降运动，即打印平台1保持原角度下降一个层厚的高度，完成工件的逐层打印；
步骤二：在逐层打印作业过程中，若中途调整打印角度时，中断打印程序，执行旋转打印平台程序：
A步骤：打印平台1保持当前旋转角度不变步骤：三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3做同步垂直下降运动，使打印平台1携带工件远离激光打印头加工位置，以免调整过程中触碰激光打印头6；
B步骤：打印平台1水平归位步骤：根据打印平台1当前旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3所需补偿垂直升降的距离，给定三个步进电机5相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台1水平归位调节；
C步骤：旋转打印平台步骤：根据目标旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构3的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆2及其顶部的三个万向关节3所需垂直升降的距离，给定三个步进电机5相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台1目标旋转角度调节；
D步骤：三个步进电机5给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆2及其顶部的三个万向关节机构3做同步的垂直上升运动，打印平台1保持目标旋转角度不变，上升到激光打印头加工位置，恢复打印作业。
在启动步骤一打印程序作业之前，还需通过计算机建模软件上完成三维模型的建模设计和格式转换，导出STL格式的三维模型并进行检查并修复；
接着，通过人工调整打印角度或者智能调整打印角度；
人工调整打印角度步骤：将检查无误后的STL模型导入切片软件或路径规划软件，人工分析模型的形状特征、成型要求以及支撑需求，确定最佳的打印角度。输入打印角度数值，计算机自动完成对模拟软件中打印平台以及模型的旋转。设定其他打印参数，对打印模型进行切片分层处理并导出成型刀路。
智能调整打印角度步骤：将检查无误后的STL模型导入切片软件或路径规划软件，计算机通过分析模型的形状特征、成型要求以及支撑需求，智能规划出最高精度打印方式、最佳强度打印方式，最少支撑打印方式以及最高成功率打印方式等，生产人员根据需求选择最合适的智能打印模式。其他打印参数的设定维持不变，对打印模型进行切片分层处理并导出成型刀路。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种金属3D打印机的多维度打印平台，包括密封打印仓及其内的激光打印系统、打印平台系统；其特征在于：所述打印平台系统包括一打印平台(1)、支撑在打印平台(1)底面的结构相同的三组并联的丝杆(2)；
三组并联的丝杆(2)的端部分别与打印平台(1)的底面通过万向关节机构(3)连接；
该三组并联的丝杆(2)分别以打印平台(1)的中心为中心点，呈等边三角形分布，构成A、B、C三个支点支撑一个平面；
该三组并联的丝杆(2)在Z轴方向的运动行程，由各自独立的步进电机(5)根据脉冲信号控制，以改变各并联的丝杆(2)在Z轴方向的行程长度，进而实现打印平台(1)相对于水平面高度及角度的多维调节。
2.根据权利要求1所述金属3D打印机的多维度打印平台，其特征在于：所述密封打印仓内有一隔板(7)，该三组并联的丝杆(2)的丝杆螺母(4)固定在隔板(7)上，步进电机(5)的转轴连接在隔板(7)下方丝杆(2)的末端，步进电机(5)本体固定在密封打印仓底部；通过改变各丝杆(2)的万向关节机构(3)在隔板(7)上方的高度差，使打印平台(1)作出相应的升降及倾斜动作。
3.根据权利要求2所述金属3D打印机的多维度打印平台，其特征在于：当打印平台(1)中心点的高度不变，相应地上升或降低三个万向关节机构(3)的高度位置，实现以打印平台(1)所在平面上任一穿过中心点的直线为旋转轴的旋转运动；
旋转角度θ，指旋转后打印平台(1)所在平面与水平面的夹角；
旋转角度θ与三个万向关节机构(3)的高度变化关系为：
△A＝√3a/3cos(60°-α)tanθ
△B＝-√3a/3cos(90°-α)tanθ
△C＝-√3a/3cos(120°-α)tanθ。
4.一种金属3D打印机的多维度打印平台调平方法，包括激光打印头归位步骤，其特征在于，所述调平方法通过下述步骤实现：
步骤一：激光打印头(6)的调平探针垂下，激光打印头(6)移动至打印平台(1)中心点O点上方，三个步进电机(5)驱动三根丝杆(2)以相同的速度向上，即向负方向移动；打印平台(1)上升至触碰到激光打印头(6)的调平探针后停止，记录改点为Z轴零点；接着控制三个步进电机(5)驱动三根丝杆(2)以相同的速度向正方向移动，使调平探针与打印平台(1)分离；
步骤二：激光打印头(6)分别移动至打印平台(1)的A、B、C三个支点的上方，并记录A、B、C三个支点Z轴坐标；
步骤三：激光打印头(6)调平探针收起；三个步进电机(5)驱动三根丝杆(2)分别归位，使A、B、C三个支点移动到Z轴的零点坐标，完成打印平台(1)的调平。
5.根据权利要求4所述金属3D打印机的多维度打印平台调平方法，其特征在于，所述激光打印头归位步骤如下：XY轴归位方式为同步带驱动激光打印头(6)向X、Y轴零点方向移动，各轴到达零点后分别触发限位开关并停止，记录改点为X、Y轴零点。
6.一种多维度打印平台在打印途中调整打印角度的方法，其特征在于包括如下步骤：
根据给定工件的打印角度，旋转打印平台(1)至该角度后，进行逐层打印；每层打印完成时，三个步进电机(5)给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆(2)做同步的旋转向下运动，三个万向关节机构(3)做同等距离的竖直下降运动，即打印平台(1)保持原角度下降一个层厚的高度，完成工件的逐层打印作业；
在工件逐层打印作业过程中，若中途调整打印角度时，中断打印作业，通过如下步骤实现旋转打印平台调整：
A步骤：打印平台(1)保持当前旋转角度不变步骤：三个步进电机(5)给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆(2)及其顶部的三个万向关节机构(3)做同步垂直下降运动，使打印平台(1)携带工件远离激光打印头加工位置，以免调整过程中触碰激光打印头(6)；
B步骤：打印平台(1)水平归位步骤：根据打印平台(1)当前旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构(3)的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆(2)及其顶部的三个万向关节机构(3)所需补偿垂直升降的距离，给定三个步进电机(5)相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台(1)水平归位调节；
C步骤：旋转打印平台步骤：根据目标旋转角度，代入旋转角度θ与三个万向关节机构(3)的高度变化关系公式，分别求得三根丝杆(2)及其顶部的三个万向关节3所需垂直升降的距离，给定三个步进电机(5)相应的三组不同步的脉冲信号，即可实现打印平台(1)目标旋转角度调节；
D步骤：三个步进电机(5)给定三组同步的脉冲信号，驱动三根丝杆(2)及其顶部的三个万向关节机构(3)做同步的垂直上升运动，打印平台(1)保持目标旋转角度不变，上升到激光打印头加工位置，恢复工件打印作业。
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