CN108312519A - 快速3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速3D打印装置及方法，包括至少两台3D打印装置，至少一个同步定位板，在3D打印装置之间设有用于引导同步定位板的导向装置，在每台3D打印装置的位置设有用于定位同步定位板的定位装置；所述的3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部和零件填充部。将零件按一定高度分层，在每层的外轮廓设定为零件轮廓部，将零件轮廓部之间的区域设定为零件填充部；以至少一台3D打印装置在同步定位板上打印各层的零件轮廓部，移动同步定位板至另一台3D打印装置打印零件填充部；通过以上步骤，实现快速3D打印。通过采用独立的具有不同直径喷口的多台3D打印装置，在确保精度的前提下大幅提升了零件的3D打印速度。

Description

快速3D打印装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别是一种快速3D打印装置及方法。

背景技术

3D打印技术是计算机数字技术与制造技术相结合的一种制造技术。通过分层堆叠的方式，使现有的制作人员能够快速的制作样品，尤其对于塑胶产品而言，能够大幅节省模具的费用，降低开发成本。现有的3D打印装置打印一个零件的速度较慢。这是因为为了确保零件的精度，需要将3D打印装置的喷口直径设置的足够细，而较细的喷口直径1是容易被塑料中的杂质堵塞，2是打印速度非常的慢。

现有技术中有采用多喷头的方案解决该技术问题，例如中国专利文献CN104985812 A记载了一种 3D打印机用多喷头机构，采用不同的喷嘴直径的喷头进行物品的加工，从而缩短物品加工时间，同时提高物品的加工精度。该方案从纸面上看较为完美，但是存在以下的技术问题，1是物料堵塞的问题，在更换喷头后，喷头内的塑料容易因为冷却后进入灰尘而堵塞喷头。2是喷头在频繁的更换过程中，容易出现误差积累的状况。3是在狭小空间内更换喷头的定位精度很难控制。

现有的塑料3D打印装置还存在打印的零件强度不够的问题，以及悬空部位难以打印的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速3D打印装置及方法，能够加快3D打印装置的成型速度，优选的方案中，能够提高零件的强度，克服悬空部位难以打印的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速3D打印装置，包括至少两台3D打印装置，至少一个同步定位板，在3D打印装置之间设有用于引导同步定位板的导向装置，在每台3D打印装置的位置设有用于定位同步定位板的定位装置；

所述的3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部和零件填充部。

优选的方案中，所述的导向装置为轨道，同步定位板沿轨道滑动；

在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和/或直线定位装置、重力定位装置；所述的直线定位装置中设有由电磁铁驱动的锥销，在同步定位板上设有相应的锥孔；

或者，在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和重力定位装置；所述的重力定位装置中，在同步定位板设有定位齿条，定位齿条与定位齿轮啮合连接，定位齿轮与定位轴固定连接，定位轴与偏心盘固定连接，在偏心盘上设有可调节或不可调节径向位置的偏心块。

优选的方案中，对应零件轮廓部的喷口的直径小于对应零件填充部的喷口的直径。

另一可选的方案中，所述的3D打印装置沿圆周布置，同步定位板定位安装在可转动的转盘上，所述的定位装置为周向定位装置。

优选的方案中，所述的周向定位装置中，设有由电磁铁驱动的限位杆，在限位杆上设有弹簧，限位杆与衔铁固定连接，在转盘上设有与限位杆咬合的转盘限位槽，转盘限位槽在转盘上的位置与3D打印装置的位置相对应。

优选的方案中，在转盘的中间设有孔，内立柱穿过孔固定安装，外立柱在转盘的外围沿圆周布置，3D打印装置安装在内立柱与外立柱之间；

所述的3D打印装置中，两个Z轴升降导轨可升降的分别安装在内立柱和外立柱上，两个Y轴平移小车可水平移动的安装在Z轴升降导轨上，在Y轴平移小车之间固设有X轴导轨，打印小车安装在X轴导轨上，并沿着X轴导轨运行。

优选的方案中，在所有3D打印装置之外设有密封罩体，密封罩体的内腔与抽真空装置连接；

优选的方案中，在3D打印装置还设有用于加热零件的加热装置。

优选的方案中，所述的3D打印装置最少为三台，3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部、零件支撑部和零件填充部，其中的零件支撑部能够在零件成型后被去除。

一种采用上述的快速3D打印装置的快速3D打印方法，包括以下步骤：

一、将零件按一定高度分层，在每层的外轮廓设定为零件轮廓部，将零件轮廓部之间的区域设定为零件填充部；

二、以至少一台3D打印装置在同步定位板上打印各层的零件轮廓部，移动同步定位板至另一台3D打印装置打印零件填充部；

一层打印完成后，将同步定位板移动至初始的3D打印装置继续打印下一层的零件轮廓部，然后再移动同步定位板至另一台3D打印装置打印零件填充部；

通过以上步骤，实现快速3D打印。

本发明提供了一种快速3D打印装置及方法，通过采用独立的具有不同直径喷口的多台3D打印装置，配合精确移动并定位同步定位板的方式，分别用不同直径的喷口打印零件的零件轮廓部和零件填充部，在确保精度的前提下大幅提升了零件的3D打印速度。而且由于零件填充部中液滴的直径较大，零件的强度有所提升。进一步优选的方案中，通过采用真空打印和加热打印的方案，减少了塑料液滴之间的空气，减缓了塑料液滴的凝固速度，使塑料液滴之间的连接强度更高，进一步提升了零件的强度。通过采用不同的3D打印装置分别打印零件轮廓部、零件支撑部和零件填充部的方案，克服了现有技术中悬空部位难以打印的问题，且不会额外增加零件的重量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中直线式快速3D打印装置的俯视示意图。

图2为本发明中直线式快速3D打印装置驱动和直线定位装置的俯视示意图。

图3为本发明打印时的立体示意图。

图4为本发明打印零件的横截面示意图。

图5为本发明中重力定位装置的立体结构示意图。

图6为本发明中圆周式快速3D打印装置的俯视示意图。

图7为本发明中圆周式快速3D打印装置的主视结构示意图。

图8为本发明中周向定位装置的结构示意图。

图9为本发明中抽真空时的结构示意图。

图10为本发明中加工具有悬空部位零件时的结构示意图。

图中：第一3D打印装置1，第二3D打印装置2，轨道3，第一限位块4，第二限位块5，同步定位板6，零件轮廓部7，零件填充部8，第一喷口9，第二喷口10，转盘11，转盘限位槽111，横梁12，外立柱13，内立柱14，内旋转驱动装置15，周向定位装置16，电磁铁161，衔铁162，弹簧163，限位杆164，零件17，底板定位销18，密封罩体19，抽真空口191，加热装置20，第一位置传感器21，第二位置传感器22，直线驱动装置23，外旋转驱动装置24，直线定位装置25，锥销251，环形支承座26，零件支撑部27，Z轴升降导轨28，Y轴平移小车29，X轴导轨30，打印小车31。

具体实施方式

实施例1：

如图1~4中，一种快速3D打印装置，包括至少两台3D打印装置，至少一个同步定位板6，在3D打印装置之间设有用于引导同步定位板6的导向装置，在每台3D打印装置的位置设有用于定位同步定位板6的定位装置；

所述的3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部7和零件填充部8。通过以上结构，分别在第一3D打印装置1的位置打印零件轮廓部7，然后沿着导向装置移动同步定位板6到第二3D打印装置2打印零件填充部8，从而大幅加快打印速度。

优选的方案如图1、2中，所述的导向装置为轨道3，同步定位板6沿轨道3滑动，在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和/或直线定位装置25；

本例中的限位块为碰块，用于挡住同步定位板6的位置，实现精确限位。进一步优选的，所述的限位块内设有电磁铁或在限位块一侧设有电磁铁。当限位块与同步定位板6接触后，电磁铁即得电将同步定位板6吸附。在将电磁铁设置到限位块一侧的方案中，还设有用于缓冲的弹簧。

所述的直线定位装置25中设有由电磁铁驱动的锥销251，在同步定位板6上设有相应的锥孔。如图4中所示，锥销251活动设置在座体内，在锥销251的底部设有衔铁，在衔铁的中间设有弹簧，衔铁和座体之间还设有限位滑块和滑槽，在衔铁的上方设有电磁铁，通常在弹簧作用下锥销251缩回，当需要定位时，电磁铁得电，使锥销251伸出，锥销251与同步定位板6的锥孔套合，实现同步定位板6的自动化精确定位。

另一可选的方案如图5中，在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和重力定位装置32；所述的重力定位装置32中，在同步定位板6设有定位齿条321，定位齿条321与定位齿轮322啮合连接，定位齿轮322与定位轴323固定连接，定位轴323与偏心盘324固定连接，在偏心盘324上设有可调节或不可调节径向位置的偏心块325。本例中巧妙的利用限位块精确限制了同步定位板6的位置，同时利用偏心块325的重量，使同步定位板6压紧在限位块上，原理是，如图5中，当同步定位板6触碰到左上方的第一限位块4时，偏心块325正好位于偏心盘324上的6点、7点~12点之间的位置，从而偏心块325通过重力产生扭矩，并传递到定位齿轮322和定位齿条321之间的啮合机构，使同步定位板6靠紧到第一限位块4。而当同步定位板6触碰到右下方的第二限位块5时，偏心块325正好位于偏心盘324上的12点~1点、6点之间的位置，从而偏心块325通过重力产生扭矩，并传递到定位齿轮322和定位齿条321之间的啮合机构，使同步定位板6靠紧到第二限位块5。

优选的方案如图3中，对应零件轮廓部7的喷口的直径小于对应零件填充部8的喷口的直径。

在本例中，同步定位板6上还设有直线驱动装置23，本例中的直线驱动装置23包括伺服电机、减速器和摩擦轮，伺服电机固定安装在同步定位板6的底部，伺服电机通过减速器与摩擦轮连接，摩擦轮与轨道3接触，通过伺服电机的转动，推动同步定位板6往复运动，当要接近第一3D打印装置1和第二3D打印装置2时，在轨道3一侧设置的第一位置传感器21和第二位置传感器22检测同步定位板6位置，控制装置收到位置传感器发送的信号后，即控制伺服电机减速，直至同步定位板6触碰第一限位块4或第二限位块5，或者被直线定位装置25定位。当被限位后，控制装置控制伺服电机输出较低的扭矩，以实现持力状态，消除限位机构与同步定位板6之间的间隙，确保定位精度。

实施例2：

与实施例1中不同的，另一可选的方案如图6~9中，所述的3D打印装置沿圆周布置，同步定位板6定位安装在可转动的转盘11上，所述的定位装置为周向定位装置16。

优选的方案如图8中，所述的周向定位装置16中，设有由电磁铁161驱动的限位杆164，在限位杆164上设有弹簧163，限位杆164与衔铁162固定连接，在转盘11上设有与限位杆164咬合的转盘限位槽111，转盘限位槽111在转盘11上的位置与3D打印装置的位置相对应。通过周向定位装置16来精确定位转盘11在圆周上的位置。

优选的方案如图7、8中，在转盘11的中间设有孔，内立柱14穿过孔固定安装，外立柱13在转盘11的外围沿圆周布置，3D打印装置安装在内立柱14与外立柱13之间；

所述的3D打印装置中，两个Z轴升降导轨28可升降的分别安装在内立柱14和外立柱13上，两个Y轴平移小车29可水平移动的安装在Z轴升降导轨28上，在Y轴平移小车29之间固设有X轴导轨30，打印小车31安装在X轴导轨30上，并沿着X轴导轨30运行。由此结构，实现多台3D打印装置沿着圆周的安装。根据各个3D打印装置的打印速度，将多台3D打印装置分为两组，一组打印零件轮廓部7，另一组打印零件填充部8，例如有三台3D打印装置，其中两台用来打印零件轮廓部7，其中一台用来打印零件填充部8，以使各个3D打印装置之间的打印时间均衡，提高效率。更进一步的，能够形成流水线生产，确保每台3D打印装置都基本处于工作状态，减少待机状态的时间。

如图6中，转盘11的转动采用摩擦轮驱动的结构。摩擦轮和驱动摩擦轮转动的伺服电机和减速器放置在转盘11的一侧，摩擦轮与转盘接触，

优选的方案如图7和10中，所述的3D打印装置最少为三台，3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部7、零件支撑部27和零件填充部8，其中的零件支撑部27能够在零件成型后被去除。如图9中的零件，由于具有悬空的部位，在现有技术中成型存在较大困难，采用本例的方案，能够克服该技术困难，在悬空部位的下方先利用一台3D打印装置打印零件支撑部27，然后再在其上打印零件轮廓部7或零件填充部8。进一步优选的零件支撑部27采用易于在成型后被去除的材料，例如发泡塑料，又例如水溶性的材料，改性淀粉、人造巧克力材料等。

实施例3：

现有3D打印的塑料零件存在强度不够的问题，发明人将零件切片后在显微镜下观察发现零件上存在较多的层间气泡，且液滴之间结合界面较为清晰。

在实施例1、2的基础上，优选的方案如图9中，在所有3D打印装置之外设有密封罩体19，密封罩体19的内腔与抽真空装置连接；由此方案，减少零件上的层间气泡。相对真空度可以在-10~-75KPa之间。

优选的方案中，在3D打印装置还设有用于加热零件的加热装置20。本例中的加热装置为电阻丝加热装置，加热温度为40~80摄氏度。

通过采用以上的方案，经显微镜下观察，层间气泡大幅减少，液滴之间结合界面较为模糊，相同形状和尺寸下零件的抗弯强度增强，弯曲直至折断半径减小。

实施例4：

一种采用上述的快速3D打印装置的快速3D打印方法，包括以下步骤：

一、将零件按一定高度分层，在每层的外轮廓设定为零件轮廓部7，将零件轮廓部7之间的区域设定为零件填充部8；在零件轮廓部7的内侧转角位置设置过度圆角，以避免出现空洞。

二、以至少一台3D打印装置在同步定位板6上打印各层的零件轮廓部7，移动同步定位板6至另一台3D打印装置打印零件填充部8；

一层打印完成后，将同步定位板6移动至初始的3D打印装置继续打印下一层的零件轮廓部7，然后再移动同步定位板6至另一台3D打印装置打印零件填充部8；

通过以上步骤，实现快速3D打印。

进一步优选的方案中，将零件按一定高度分层，在每层的外轮廓设定为零件轮廓部7，将零件轮廓部7之间的区域设定为零件填充部8，将零件下方悬空的位置设置为零件支撑部27。

将同步定位板6移动到相应的3D打印装置2，分别打印零件轮廓部7、零件填充部8和零件支撑部27。由上述的步骤，实现具有悬空部位的零件的打印。

进一步优选的，零件支撑部27采用发泡塑料，改性淀粉，人造巧克力材料制成，优选采用改性淀粉，在整个零件打印完成后，将零件放入到水中，等淀粉软化后，清洗并取出零件即可。由此结构，实现复杂形状具有悬空结构的3D零件的打印。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速3D打印装置，其特征是：包括至少两台3D打印装置，至少一个同步定位板（6），在3D打印装置之间设有用于引导同步定位板（6）的导向装置，在每台3D打印装置的位置设有用于定位同步定位板（6）的定位装置；

所述的3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部（7）和零件填充部（8）。

2.根据权利要求1所述的一种快速3D打印装置，其特征是：所述的导向装置为轨道（3），同步定位板（6）沿轨道（3）滑动；

在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和/或直线定位装置（25）、重力定位装置（32）；所述的直线定位装置（25）中设有由电磁铁驱动的锥销（251），在同步定位板（6）上设有相应的锥孔；

或者，在与3D打印装置相对应的位置设有限位块和重力定位装置（32）；所述的重力定位装置（32）中，在同步定位板（6）设有定位齿条（321），定位齿条（321）与定位齿轮（322）啮合连接，定位齿轮（322）与定位轴（323）固定连接，定位轴（323）与偏心盘（324）固定连接，在偏心盘（324）上设有可调节或不可调节径向位置的偏心块（325）。

3.根据权利要求1所述的一种快速3D打印装置，其特征是：对应零件轮廓部（7）的喷口的直径小于对应零件填充部（8）的喷口的直径。

4.根据权利要求1所述的一种快速3D打印装置，其特征是：所述的3D打印装置沿圆周布置，同步定位板（6）定位安装在可转动的转盘（11）上，所述的定位装置为周向定位装置（16）。

5.根据权利要求4所述的一种快速3D打印装置，其特征是：所述的周向定位装置（16）中，设有由电磁铁（161）驱动的限位杆（164），在限位杆（164）上设有弹簧（163），限位杆（164）与衔铁（162）固定连接，在转盘（11）上设有与限位杆（164）咬合的转盘限位槽（111），转盘限位槽（111）在转盘（11）上的位置与3D打印装置的位置相对应。

6.根据权利要求4所述的一种快速3D打印装置，其特征是：在转盘（11）的中间设有孔，内立柱（14）穿过孔固定安装，外立柱（13）在转盘（11）的外围沿圆周布置，3D打印装置安装在内立柱（14）与外立柱（13）之间；

所述的3D打印装置中，两个Z轴升降导轨（28）可升降的分别安装在内立柱（14）和外立柱（13）上，两个Y轴平移小车（29）可水平移动的安装在Z轴升降导轨（28）上，在Y轴平移小车（29）之间固设有X轴导轨（30），打印小车（31）安装在X轴导轨（30）上，并沿着X轴导轨（30）运行。

7.根据权利要求1所述的一种快速3D打印装置，其特征是：在所有3D打印装置之外设有密封罩体（19），密封罩体（19）的内腔与抽真空装置连接。

8.根据权利要求1或7所述的一种快速3D打印装置，其特征是：在3D打印装置还设有用于加热零件的加热装置（20）。

9.根据权利要求1、2、4或7所述的一种快速3D打印装置，其特征是：所述的3D打印装置最少为三台，3D打印装置设有不同直径的喷口，分别对应零件轮廓部（7）、零件支撑部（27）和零件填充部（8），其中的零件支撑部（27）能够在零件成型后被去除。

10.一种采用权利要求1~9任一项所述的快速3D打印装置的快速3D打印方法，其特征是包括以下步骤：

一、将零件按一定高度分层，在每层的外轮廓设定为零件轮廓部（7），将零件轮廓部（7）之间的区域设定为零件填充部（8）；

二、以至少一台3D打印装置在同步定位板（6）上打印各层的零件轮廓部（7），移动同步定位板（6）至另一台3D打印装置打印零件填充部（8）；

一层打印完成后，将同步定位板（6）移动至初始的3D打印装置继续打印下一层的零件轮廓部（7），然后再移动同步定位板（6）至另一台3D打印装置打印零件填充部（8）；

通过以上步骤，实现快速3D打印。