CN108437441A - 一种高温硬质复合材料压入式智能3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，包括智能测厚模块、Z轴模块、料槽及成形平台模块、刮刀模块、以及投影仪；料槽及成形平台模块包括多缸连通料槽和成形平台模块，多缸连通料槽被分割成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构，料槽底部贯通，且具有倾斜角度，沿着补料及回料一体料槽、成型平台料槽、平衡储料料槽倾斜高度变大，打印时，成形平台模块和补料压板浸入高温硬质复合材料，每层打印结束后成形平台模块依靠Z轴模块引导向下运动，高温硬质复合材料在压力的作用下从成形平台料槽和补料及回料一体料槽挤向平衡储料槽；实现材料的补偿流动，后通过刮刀把单层打印所需的材料铺至成形平台。

Description

一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机

技术领域

本发明属于増材制造(3D打印)技术领域，涉及一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机。

背景技术

当下，高温硬质复合材料的发展及应用日益迅猛，适用机型主要是SLA和DLP。前者精度高，无需添加辅助支架即可打印，但激光发射器价格昂贵，且打印速度较低，限制该机型的推广发展；后者在打印效率上具备较大的优势，但局限于材料补偿不到位，固化后液面内凹导致打印精度下滑等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，解决了高温硬质复合材料固化收缩后，若无法及时补充材料，将导致材料液面内凹不平整的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，包括打印机主体框架，所述打印机主体框架上设有智能测厚模块、Z轴模块、料槽及成形平台模块、刮刀模块、以及投影仪；所述Z轴模块垂直设置在料槽及成形平台模块的上方，包括双精密线轨和丝杆模块，所述双精密线轨和丝杆模块设置在同一块安装板上；所述料槽及成形平台模块包括多缸连通料槽和成形平台模块，所述多缸连通料槽被分割成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构，所述成形平台料槽位于中间，所述平衡储料料槽、补料及回料料槽两个缸体位于成型平台的两侧，各料槽底部贯通，且具有倾斜角度，沿着补料及回料一体料槽、成型平台料槽、平衡储料料槽倾斜高度变大，在平衡储料料槽一端设有放料阀；所述成型平台模块设置在成形平台料槽中，所述补料及回料一体料槽上设有补料压板，所述成型平台模块和补料压板分别通过Z型焊接固定在Z轴模块上，打印时，成形平台模块和补料压板浸入高温硬质复合材料，每层打印结束后成形平台模块依靠Z轴模块引导向下运动，高温硬质复合材料在压力的作用下从成形平台料槽和补料及回料一体料槽挤向平衡储料槽；所述刮刀模块安装在料槽及成形平台模块外侧壁上，所述智能测厚模块和投影仪均设置在料槽及成形平台模块的上方。

作为优选的技术方案，所述多缸连通料槽的底部为双U型结构，成形平台料槽和平衡储料料槽之间的材料互为补充，保证成形平台模块上的材料液面始终保持同一高度。

作为优选的技术方案，所述智能测厚模块包括传感器基座和设置在传感器基座上的激光测距传感器，打印时，采用激光测距传感器实时监控打印过程中材料液面与成形平台模块之间的材料厚度，即每次打印层厚，并且及时将反馈信息传到料槽及成形平台模块，进而修正Z轴模块下压的高度。

作为优选的技术方案，所述Z轴模块包括丝杆支撑端、Z轴丝杆、左右两条直线导轨、线性垫块、丝杆支撑块、联轴器、Z轴电机支撑架以及Z轴电机，所述Z轴丝杆丝杆分别通过两端的丝杆支撑端和丝杆支撑块固定在安装板上，所述左右两条直线导轨设置在安装板的左右两侧，所述线性垫块架设在左右两条直线导轨上，所述Z轴电机通过联轴器与Z轴丝杆连接，所述Z轴电机通过电机支撑块固定在安装板上。

作为优选的技术方案，所述成形平台模块包括成形平台上板、成形平台中间连接板以及成形平台底板，所述平台上板设置在成形平台中间连接板上，所述成型平台中间连接板通过成形平台弹簧组与成形平台连接板连接。

作为优选的技术方案，所述成形平台底板四侧边缘位置上具有过渡圆弧结构。

作为优选的技术方案，所述刮刀模块包括刮刀上端、刮刀弹簧组、刮刀微调平块、刮刀、料槽载板、刮刀电机支撑架、刮刀电机、丝杆单螺母、刮刀丝杆、线性滑块以及直线线轨，所述刮刀通过刮刀弹簧组固定在刮刀上端，所述刮刀微调模块设置在刮刀和刮刀弹簧组上，所述直线线轨、刮刀电机支撑架均设置在料槽载板上，所述刮刀电机通过刮刀电机支撑架固定，所述刮刀电机与刮刀丝杆一端连接，刮刀丝杠中间部位设有丝杆单螺母，所述线性滑块设置在直线线轨上。

作为优选的技术方案，所述刮刀为前后平行设置的双层刮刀结构，前后层刮刀均与水平面有一倾角，且底部为圆弧结构；工作时，前层刮刀从补偿用料槽向成形平台模块运动，将一定量的材料跟随刮刀模块运动刮至成形平台模块以补偿内凹现象，后由后层刮刀再次刮平液面。

作为优选的技术方案，所述多缸连通料槽是由两块竖直设置的隔板隔成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构。

作为优选的技术方案，所述多缸连通料槽的顶部四周设有防漏橡胶垫。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的智能3D打印机具有智能测厚模块，利用激光测距传感器实时监控模型的打印层厚，当打印前液面高度差偏离设定值时，通过反馈信息调节成形平台的位置，校正Z轴精度。

2、本发明采用多缸料槽连通、下压式的方式，每层所需的材料都从过量补偿料用槽通过挤压流到平衡储料槽，然后通过刮刀将每层打印所需材料铺至成形平台，这样补充较为及时，且有利于监控。

3、本发明的刮刀采用双层结构，前后层满足材料的润湿角，借助该特殊的刮刀结构，一方面可以限制材料蘸附刮刀致使刮后液面仍旧不平整，另一方面可以避免液面内凹导致的打印件局部特征缺失或密度降低等问题。

4、本发明的引导成形平台和补偿用料槽的补料推杆升降的Z轴上采用双精密线轨+丝杆模块来提高运动精度，并由于装在同一块厚板上，可以实现较好的直线度和平面度；成形平台和补料推杆通过一块刚度较好的Z型焊件焊接到Z轴，下压时稳定性较好，且利用弹簧组结构，便于调平。

5、本发明的料槽底部采用双弧形倾斜结构，并在底部侧面开有小孔，便于打印完的材料清理。

6、本发明的刮刀模块采用线轨+丝杆协调配合刮刀的稳定运动，并安装在料槽外侧壁上，保证了刮刀运动的平面保持度和稳定性，进一步保证了准备打印材料液面的平整度。

附图说明

图1为本发明所述的智能3D打印机模型图。

图2为本发明所述的料槽及成形平台模块安装关系示意图。

图3为本发明所述的下压式中材料流动示意图。

图4为本发明所述的多缸料槽纵向剖面图。

图5为本发明所述的智能测厚模块示意图。

图6为本发明所述的Z轴模块示意图。

图7为本发明所述的成形平台模块示意图。

图8为本发明所述的刮刀模块示意图。

图9为本发明所述的刮刀示意图。

其中，1、投影仪，2、刮刀模块，3、为料槽及成形平台模块，4、Z轴模块，5、智能测厚模块，6、Z型焊件，7、成形平台模块，8、多缸连通料槽，9、隔板，10、防漏橡胶垫，11、放料阀，12、传感器基座，13、激光测距传感器，14、补料压板，15为丝杆支持端，16、Z轴丝杆，17、直线导轨，18、线轨垫块，19、丝杆支撑块，20、联轴器，21、Z轴电机支撑架，22、Z轴电机，23、成形平台上板，24、成形平台中间连接板，25、成型平台弹簧组，26、成形平台底板，27、刮刀上端，28、刮刀弹簧组，29、刮刀微调平块，30、刮刀，31、料槽载板，32、刮刀电机支撑架，33、刮刀电机，34、丝杆单螺母，35、刮刀丝杆，36、线轨滑块，37、直线线轨，38导气管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如附图1所示，本发明涉及一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，所述的智能3D打印机采用多缸料槽连通、下压式，通过刮刀往复运动将材料铺至成形平台模块，并且在一定程度上能够起到平整液面的作用；同时，该智能3D打印机具有智能测厚模块，本质为利用激光测距传感器实时监控模型的打印层厚。此外，该智能3D打印机为了适应高温硬质复合材料的立体成型，于多处采用特殊结构，比如组成成形平台的底板采用过渡圆弧+倾角的结构，且倾角满足材料的润湿角；引导成形平台和补偿用料槽的补料压板升降的Z轴采用双精密线轨+丝杆模块来控制抬升，精度较高，并通过一块刚度较高的Z型焊件与成形平台、补料压板焊接为一体，稳定性较好；刮刀采用双层结构，前后层为倾斜的刀片层；料槽底部采用双弧形倾斜结构，并在底部侧面开有小孔，便于打印完的材料清理；刮刀模块采用线轨+丝杆协调配合刮刀的稳定运动，并安装在料槽外侧壁上。

下面对结合附图对本发明的智能3D打印机做进一步详细的阐述：

如图1所示，本实施例一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，包括打印机主体框架，所述打印机主体框架上设有投影仪1，刮刀模块2、料槽及成形平台模块3、Z轴模块4以及智能测厚模块5；所述Z轴模块垂直设置在料槽及成形平台模块的上方，包括双精密线轨和丝杆模块，所述双精密线轨和丝杆模块设置在同一块安装板上；所述料槽及成形平台模块包括多缸连通料槽8和成形平台模块7，所述多缸连通料槽被分割成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构，所述成形平台料槽位于中间，所述平衡储料料槽、补料及回料料槽两个缸体位于成型平台的两侧，各料槽底部贯通，且具有倾斜角度，沿着补料及回料一体料槽、成型平台料槽、平衡储料料槽倾斜高度变大，在平衡储料料槽一端设有放料阀；所述成型平台模块设置在成形平台料槽中，所述补料及回料一体料槽上设有补料压板14，所述成型平台模块和补料压板分别通过Z型焊接6固定在Z轴模块4上，打印时，成形平台模块和补料压板浸入高温硬质复合材料，每层打印结束后成形平台模块依靠Z轴模块引导向下运动，高温硬质复合材料在压力的作用下从成形平台料槽和补料及回料一体料槽挤向平衡储料槽；所述刮刀模块安装在料槽及成形平台模块外侧壁上，所述智能测厚模块和投影仪均设置在料槽及成形平台模块的上方。

如图2、3所示，所述的采用多缸料槽8为连通式、下压式，即料槽被内嵌的两块钢板分为成形平台和补偿用料槽两部分，其中补偿用料槽可以具体分为平衡储料槽和补料及回料一体平台三缸，它们在形式上为双U型结构。借助补料压板和成形平台的下压，成形平台所需的打印材料可以从补料及回料一体平台三缸补充到平衡储料槽。下压式即打印过程中，成形平台和补料推杆浸入高温硬质复合材料，每层打印结束后成形平台依靠Z轴引导向下运动，由于成形平台底板和料槽壁、侧板隔块的间距小，且底板四侧切出倾斜角满足材料的润湿角以起到缓冲作用，可以最大限度地防止材料从成形平台底板与料槽壁、侧板隔块之间的间隙过快溅出，且在压力的作用下，高温硬质复合材料将主要从成形平台挤向平衡储料槽，同时，由于补料压板的作用，适量的材料从补料及回料一体平台三缸流到平衡储料槽，这是实现功能上的平衡储料槽与补料及回料一体平台三缸的动态转换。然后刮刀运动将材料铺至成形平台，补偿液面内凹现象所需的材料，为下一次打印进行充足的材料准备，当刮刀运动至补料及回料一体平台三缸时，多余的材料便回流到此料槽中。

如附图4所示，所述多缸连通料槽是由两块竖直设置的隔板9隔成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构，所述多缸连通料槽的顶部四周设有防漏橡胶垫10。成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构在形式上为双U型结构，在功能实现上分为成形平台和补偿用料槽，满足多缸连通的功能需求。当打印结束后，进行材料清理时，由于料槽底部采用双弧形倾斜结构(如图4中的倾角γ)，并在底部侧面开有小孔，且安装有放料阀11，这样方便材料集中流到阀门处，从而达到利于材料清理的目的。

如附图5所示，所述的智能测厚模块固定在Z型焊件上正对着成形平台模块。所述智能测厚模块5包括传感器基座12和设置在传感器基座上的激光测距传感器13。其本质是采用激光测距传感器实时监控打印过程中材料液面与成形平台之间的材料的厚度，即测出即将打印的那层模型的厚度，与初始设定的打印层厚进行对比，当测出误差值大于一定的阀值时，将信息反馈至Z轴，控制成形平台的上下移动，再次刮平液面，持续监控，从而保证打印过程中Z轴精度较高，克服当下成形平台移动式打印机型普遍存在的Z轴精度易偏低的问题。

如附图6所示，所述Z轴模块包括丝杆支撑端15、Z轴丝杆16、左右两条直线导轨17、线性垫块18、丝杆支撑块19、联轴器20、Z轴电机支撑架21以及Z轴电机22，所述Z轴丝杆丝杆分别通过两端的丝杆支撑端和丝杆支撑块固定在安装板上保障两者安装后的直线度和平面度，使运动精度更高；所述左右两条直线导轨设置在安装板的左右两侧，所述线性垫块架设在左右两条直线导轨上，所述Z轴电机通过联轴器与Z轴丝杆连接，所述Z轴电机通过电机支撑块固定在安装板上。引导成形平台模块和补偿用料槽的补料压板升降的Z轴上采用双精密线轨+丝杆模块，避免传统结构中的光轴+丝杆模块在长期使用后，由于光轴磨损导致运动精度降低的问题，并将其安装在同一块刚度较高的厚板上，较大限度地避免安装时产生的人为误差，实现抬升机构的平面度和直线度，同时利用一块刚度较好的Z型焊件将成形平台、补偿用料槽的补料压板和Z轴焊接为一体，在成形平台调平后的打印过程中，成形平台下压时也能保证平台稳定性和最大限度地实现所设定的下压值，提高打印精度。

本实施例中，采用一块刚度较好的Z型焊件6将成形平台底板及补偿用料槽的补料压板与Z轴焊接到一起，实现成形平台模块、补料压板和Z轴模块一体化，使三者的动作同步，避免通过中间连接件带来的安装误差和传递的功率损失，使平台下压时稳定性较好。同时，由于补偿用料槽的补料压板底部与成形平台平齐，故当Z轴模块下压时带动补料压板向下运动，将材料向下挤压，多出的材料主要流向平衡储料槽，进而使得平衡储料槽的材料液面上升，随后刮刀运动将材料铺至成形平台以补偿材料，当刮刀运动至补料及回料一体平台三缸时，多余的材料便回流到该料槽中。

如附图7所示，所述成形平台模块包括成形平台上板23、成形平台中间连接板24以及成形平台底板26，所述平台上板设置在成形平台中间连接板上，所述成型平台中间连接板通过成形平台弹簧组25与成形平台连接板连接。所述的成形平台采用过渡圆弧(如图7中的圆弧C)+倾角(如图7中的倾角α)的结构，即组成成形平台的底板四侧边缘位置上具有过渡圆弧结构，增大与材料的接触面积以起到缓冲作用，且倾角与高温硬质复合材料的润湿角相近，利用到材料的毛细现象。故在成形平台底板与料槽壁、分隔料槽的分隔钢板的间隙较小时，最大程度地限制材料过快上涌造成溅出，使材料主要流向补偿用料槽。而为保障下压时的顺利，减少摩擦，底板采用的材质为自润滑性较好的铜合金，并可视需要是否对表面进行皂化处理。同时，为保障下压时的稳定性，成形平台底板较其余两板厚，刚度较高。

如附图8、图9所示，所述刮刀模块包括刮刀上端27、刮刀弹簧组28、刮刀微调平块29、刮刀30、料槽载板31、刮刀电机支撑架32、刮刀电机33、丝杆单螺母34、刮刀丝杆35、线性滑块36以及直线线轨37，所述刮刀微调模块上设有可额外附加的真空吸附系统导气管38；所述刮刀通过刮刀弹簧组固定在刮刀上端，所述刮刀微调模块设置在刮刀和刮刀弹簧组上，所述直线线轨、刮刀电机支撑架均设置在料槽载板上，所述刮刀电机通过刮刀电机支撑架固定，所述刮刀电机与刮刀丝杆一端连接，刮刀丝杠中间部位设有丝杆单螺母，所述线性滑块设置在直线线轨上所述的用于置平材料的刮刀分为双层。前后层的刀刃结构均与竖直面成一定的倾斜角(如图9中的θ)，该倾角与高温硬质复合材料的润湿角相近，可在刮刀运动时避免材料沿着刀片向上运动，导致部分材料沾附在刮刀上，进而当刮刀刮过液面时致使液面刮后仍有部分的不平整度。而刮刀系统工作时，表现为刮刀前层的刀片将平衡储料槽中的溢出的材料铺至成形平台，并初步刮平液面；然后刮刀后层的刀片再次对液面进行置平，并将多余的材料刮至补料及回料一体平台三缸。

刮刀模块整体安装在料槽的外壁，在一定程度上提高了整体机型的空间利用率，也让整体各部分的结构显得更为紧凑些。用于置平材料的刮刀分为双层结构，前后层为倾斜的刮片，倾斜角度满足材料的润湿角，这样能够更好地将材料置平。由于置平材料用的刮刀采用前后层结构，中间留有通气孔和一定的缝隙。当现机型的刮料置平效果不佳时，中间的空间为添加额外的真空吸附系统提供了可能性。额外的真空吸附系统的导气软管可以安装在该通气孔中，导气软管穿过固定在刮刀上端的方形管，这样能够提高结构紧凑性。刮刀运动时，通过前层刮刀将平衡储料槽中的过量材料铺至成形平台所在的成形平台，然后由后层刮刀再次刮平液面，实现液面的平整度最大化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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 (10)

1.一种高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，包括打印机主体框架，其特征在于，所述打印机主体框架上设有智能测厚模块、Z轴模块、料槽及成形平台模块、刮刀模块、以及投影仪；所述Z轴模块垂直设置在料槽及成形平台模块的上方，包括双精密线轨和丝杆模块，所述双精密线轨和丝杆模块设置在同一块安装板上；所述料槽及成形平台模块包括多缸连通料槽和成形平台模块，所述多缸连通料槽被分割成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构，所述成形平台料槽位于中间，所述平衡储料料槽、补料及回料料槽两个缸体位于成型平台的两侧，各料槽底部贯通，且具有倾斜角度，沿着补料及回料一体料槽、成型平台料槽、平衡储料料槽倾斜高度变大，在平衡储料料槽一端设有放料阀；所述成型平台模块设置在成形平台料槽中，所述补料及回料一体料槽上设有补料压板，所述成型平台模块和补料压板分别通过Z型焊接固定在Z轴模块上，打印时，成形平台模块和补料压板浸入高温硬质复合材料，每层打印结束后成形平台模块依靠Z轴模块引导向下运动，高温硬质复合材料在压力的作用下从成形平台料槽和补料及回料一体料槽挤向平衡储料槽；所述刮刀模块安装在料槽及成形平台模块外侧壁上，所述智能测厚模块和投影仪均设置在料槽及成形平台模块的上方。

2.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述多缸连通料槽的底部为双U型结构，成形平台料槽和平衡储料料槽之间的材料互为补充，保证成形平台模块上的材料液面始终保持同一高度。

3.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述智能测厚模块包括传感器基座和设置在传感器基座上的激光测距传感器，打印时，采用激光测距传感器实时监控打印过程中材料液面与成形平台模块之间的材料厚度，即每次打印层厚，并且及时将反馈信息传到料槽及成形平台模块，进而修正Z轴模块下压的高度。

4.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述Z轴模块包括丝杆支撑端、Z轴丝杆、左右两条直线导轨、线性垫块、丝杆支撑块、联轴器、Z轴电机支撑架以及Z轴电机，所述Z轴丝杆丝杆分别通过两端的丝杆支撑端和丝杆支撑块固定在安装板上，所述左右两条直线导轨设置在安装板的左右两侧，所述线性垫块架设在左右两条直线导轨上，所述Z轴电机通过联轴器与Z轴丝杆连接，所述Z轴电机通过电机支撑块固定在安装板上。

5.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述成形平台模块包括成形平台上板、成形平台中间连接板以及成形平台底板，所述平台上板设置在成形平台中间连接板上，所述成型平台中间连接板通过成形平台弹簧组与成形平台连接板连接。

6.根据权利要求5所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述成形平台底板四侧边缘位置上具有过渡圆弧结构。

7.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述刮刀模块包括刮刀上端、刮刀弹簧组、刮刀微调平块、刮刀、料槽载板、刮刀电机支撑架、刮刀电机、丝杆单螺母、刮刀丝杆、线性滑块以及直线线轨，所述刮刀通过刮刀弹簧组固定在刮刀上端，所述刮刀微调模块设置在刮刀和刮刀弹簧组上，所述直线线轨、刮刀电机支撑架均设置在料槽载板上，所述刮刀电机通过刮刀电机支撑架固定，所述刮刀电机与刮刀丝杆一端连接，刮刀丝杠中间部位设有丝杆单螺母，所述线性滑块设置在直线线轨上。

8.根据权利要求7所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述刮刀为前后平行设置的双层刮刀结构，前后层刮刀均与水平面有一倾角，且底部为圆弧结构；工作时，前层刮刀从补偿用料槽向成形平台模块运动，将一定量的材料跟随刮刀模块运动刮至成形平台模块以补偿内凹现象，后由后层刮刀再次刮平液面。

9.根据权利要求1所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述多缸连通料槽是由两块竖直设置的隔板隔成成形平台料槽、平衡储料料槽、补料及回料一体料槽三缸结构。

10.根据权利要求9所述高温硬质复合材料压入式智能3D打印机，其特征在于，所述多缸连通料槽的顶部四周设有防漏橡胶垫。