CN108748991A - 一种3d打印机的快速弧边打印设备及打印方法 - Google Patents

一种3d打印机的快速弧边打印设备及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印机的快速弧边打印设备及打印方法，包括定轴旋转装置，定轴旋转装置下端的左右两侧均设置有展臂调节装置，展臂调节装置的下端连接有弧边打印头，展臂调节装置与弧边打印头之间设置有弧边打印头伸缩装置，两个弧边打印头连线的中心处设置有一个打印中心主头，本发明利用定轴旋转装置、展臂调节装置以及弧边打印头伸缩装置自由配合，实现多种打印头打印的组合方式，以达到方便自由地对弧边准确，快速，稳定地打印，可实现完整与非完整，规则与非规则等弧边的打印，满足现有产品打印时的多种需求，解决了现有3D弧边打印时打印难度大，过程复杂，而且打印速度缓慢等问题。

Description

一种3D打印机的快速弧边打印设备及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种3D打印机的快速弧边打印设备及打印方法。
背景技术
熔融沉积型3D打印技术是快速成型技术的一种，其基本工作原理是将在计算机中建立的三维产品模型进行分层处理，得到若干二维平面图形，然后利用喷头的送丝机构将热塑性材料送至喷嘴，并将其加热至熔融态，再根据二维平面图形的轮廓信息，在计算机的控制下从喷嘴的微细孔挤出熔融态材料逐层打印这些二维平面图形，经过层层堆叠形成一个三维实体模型。
目前的3D打印机的工作方式为，利用电机驱动打印底板在水平方向上前后移动，打印头在底板上方做自由左右或者上下方向直线移动，利用打印头以及打印底板的互相配合可实现逐层打印物体。但是打印设备在做弧边打印时需要打印头与打印底板快速移动配合才能较为精确地打印出圆弧边，打印难度大，过程复杂，而且打印速度缓慢，不能满足人们对产品生产高效的需求。
例如，申请号为201610407343.9的，名称为一种多喷头3D打印机及打印方法的发明专利。
该发明包括可升降旋转托盘、在X、Y方向移动打印喷头组件，以及六个沿支撑臂径向同步伸缩打印喷头，各打印喷头与托盘形成相对旋转，特别适合于打印大件回转体；通过滚珠丝杆驱动旋转托盘上下移动，实现产品高度上的堆积；第五驱动电机带动一个大齿轮旋转，六个小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮通过同步同步带、滑块沿径向往复运动，带动各打印喷头同步工作，可同时打印至多六件产品，大大提高了小件产品打印工作效率或者是六个喷头同时打印一个大件产品，六个打印喷头同时工作，提高了单件产品的打印速度，实现一机多用，灵活方便。
上述发明的目的在于解决多个工件同时打印时，利用多喷头快速打印相同的物体；本发明的主要目的在于解决弧边打印过程打印的复杂性以及缓慢性，本发明喷头数目仅有三个，利用定轴旋转方式画弧大大加快打印速度以及精度。
现有的3D打印机的快速弧边打印设备及打印方法仍然存在以下缺陷：
(1)现有的3D弧边打印时需要打印头与打印底板快速移动配合才能较为精确地打印出圆弧边，打印难度大，过程复杂，而且打印速度缓慢；
(2)现有的3D弧边打印采用多边无限趋近的方式打印出圆弧，可能受到外界的硬件设施的约束，造成打印出的圆弧在堆叠过程中造成吻合精度存在些许偏差，影响打印效果。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3D打印机的快速弧边打印设备，包括有定轴旋转装置，所述定轴旋转装置下端的左右两侧均设置有展臂调节装置，所述展臂调节装置的下端连接有弧边打印头，所述展臂调节装置与所述弧边打印头之间设置有弧边打印头伸缩装置，两个所述弧边打印头连线的中心处设置有一个打印中心主头；
所述定轴旋转装置包括有伺服电机罩，所述伺服电机罩内设置有伺服电机，所述伺服电机的下端设置有矩形固定安装横板，所述固定安装横板的正下方设置有锁紧底板，所述锁紧底板与所述固定安装横板之间固定连接有四根立柱，所述伺服电机的下端连接有电机联轴器，所述电机联轴器的下端连接有两个左右对称的驱动横块，两个所述驱动横块的外端均连接有连动转杆；
所述展臂调节装置包括有固定在所述连动转杆下端的滑动横轨，所述滑动横轨的下端连接有浮起滑动块，所述浮起滑动块的本体上设置有传动齿轮空心槽，所述传动齿轮空心槽内固定设置有传动齿轮，所述传动齿轮水平方向外侧设置有换向齿链轮，所述传动齿轮水平方向内侧设置有驱动齿链轮，所述驱动齿链轮、所述换向齿链轮以及所述传动齿轮共同连接在传动齿链上，所述驱动齿链轮的上端连接有竖直驱动转杆，所述竖直驱动转杆的上端连接有齿链驱动电机，所述换向齿链轮的上端连接有辅助转杆；
所述弧边打印头伸缩装置包括有设置在所述浮起滑动块内部的可控气缸，所述可控气缸的下端连接有活塞伸缩板。
进一步地，两个所述可控气缸是两个独立单元，可受软件程序单独控制且互不干扰。
进一步地，所述打印中心主头包括有铁氧龙管，所述铁氧龙管的下端连接有喉管，所述喉管与所述铁氧龙管的连接处设置有耐高温密封圈，所述喉管外端设置有通风散热主外壳，所述通风散热主外壳下端连接有主加热头。
进一步地，所述弧边打印头包括有连接在所述活塞伸缩板下端的伸缩板连接座，所述伸缩板连接座的上表面设置有一层防冲压软垫，所述伸缩板连接座下端设置有散热副外壳，所述散热副外壳的底端连接有副加热头。
进一步地，两个所述齿链驱动电机为两个相同的步进电机，且采用同时同步的控制方式控制两个所述齿链驱动电机转动。
进一步地，所述浮起滑动块底端表面上设置有两条横向平行的超导磁体座，所述超导磁体座上设置有若干紧密排列的条状超导磁体，所述超导磁体的底端设置有若干与所述超导磁体N-S磁极对应放置的电磁体，若干所述电磁体共同连接有驱动电源。
进一步地，所述通风散热主外壳与所述散热副外壳的表面均设置有风叶式通风孔。
另外本发明还设计了一种3D打印机的快速弧边打印方法，包括如下步骤：
S100、在开始打印之前首先需要进行校准，先校准弧边打印臂的高度，保持双臂高度一致，然后校准展臂调节滑块距离，保证两滑块关于中心严格对称，最后校准伸缩装置的高度，保证在弧边打印前左右两侧的打印头等高且高度高于主打印头的高度；
S200、当需要做弧边打印操作时，首先进行判定弧边的半径大小，当弧边的半径大于打印中心主头的宽度，即采用两侧的打印头旋转打印方式，此时保证底座固定，当弧边的半径小于打印中心主头的宽度，则继续采用打印中心主头配合底座移动的打印方式；
S300、其次判定其是否为规则的完整圆弧，如果是规则圆弧，则控制两侧打印头共同配合打印，此时伸缩装置控制其下降保证两侧打印头高度低于中心打印头，如果不是完整的圆弧，判定为较近一侧的端点打印头打印，另一个端点打印头不做下降操作，仅仅配合另一个打印的打印头左右移动，保证打印过程的严格对称，此时仅一端的伸缩装置下降保证一侧的打印头高度低于中心打印头，另一侧的打印头不做伸缩运动保持其高位不变；
S400、弧边打印开始，利用磁悬浮原理控制打印滑块与滑轨非接触固定，各个电机均采用软件程序控制其工作步骤，保证打印流程准确稳定；
S500、打印结束，伸缩装置控制两侧打印头回到高位，展臂调节滑块回到校准的零点，主控旋转电机关闭，底座回到打印起点，待温度降低后取下产品，完成打印。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用定轴旋转装置、展臂调节装置以及弧边打印头伸缩装置自由配合，实现多种打印头打印的组合方式，以达到方便自由地对弧边准确，快速，稳定地打印，可实现完整与非完整，规则与非规则等弧边的打印，满足现有产品打印时的多种需求。
(2)本发明通过调节，校准，同时同步的控制方式控制两个齿链驱动电机，独立控制可控气缸，滑动横轨与浮起滑动块之间采用磁悬浮等设计，为了减小打印过程中减小外界环境与自身设备的误差干扰，保证打印精度，大大提高弧边打印质量。
附图说明
图1为本发明整体立体结构示意图；
图2为本发明主视图；
图3为本发明弧边打印头伸缩装置结构示意图；
图4为本发明滑动横轨的磁悬浮内部结构示意图。
图中标号：
1-定轴旋转装置；2-展臂调节装置；3-弧边打印头伸缩装置；4-打印中心主头；5-弧边打印头；
101-伺服电机罩；102-固定安装横板；103-立柱；104-锁紧底板；105-电机联轴器；106-驱动横块；107-连动转杆；108-伺服电机；
201-滑动横轨；202-浮起滑动块；203-传动齿链；204-齿链驱动电机；205-竖直驱动转杆；206-驱动齿链轮；207-辅助转杆；208-换向齿链轮；209-传动齿轮空心槽；210-传动齿轮；
2021-超导磁体；2022-超导磁体座；2023-电磁体；2024-驱动电源；
301-可控气缸；302-活塞伸缩板；
401-铁氧龙管；402-耐高温密封圈；403-喉管；404-主加热头；405-通风散热主外壳；406-风叶式通风孔；
501-伸缩板连接座；502-防冲压软垫；503-散热副外壳；504-副加热头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1、图2与图3所示，本发明提供一种技术方案：一种3D打印机的快速弧边打印设备，包括有定轴旋转装置1，所述定轴旋转装置1下端的左右两侧均设置有展臂调节装置2，所述展臂调节装置2的下端连接有弧边打印头5，所述展臂调节装置2与所述弧边打印头5之间设置有弧边打印头伸缩装置3，两个所述弧边打印头5连线的中心处设置有一个打印中心主头4。
本发明的工作方式为，定轴旋转装置1控制左右展臂旋转，展臂调节装置2间接控制弧边打印头5的水平方向位置，弧边打印头伸缩装置3控制弧边打印头5的高度，实现实时选择某种打印头进行打印。具体打印头的选取有，单一打印中心主头4打印；打印中心主头4配合两个弧边打印头5共同打印；仅有两个弧边打印头5打印；仅有一个弧边打印头5打印；打印中心主头4配合单一弧边打印头5，这五种打印模式。
不涉及到弧边打印时，仅利用打印中心主头4打印，只有涉及到弧边打印时才使用弧边打印头进行打印。
如图1与图2所示，所述轴旋转装置1包括有伺服电机罩101，所述伺服电机罩101内设置有伺服电机108，所述伺服电机108的下端设置有矩形固定安装横板102，所述固定安装横板102的正下方设置有锁紧底板104，所述锁紧底板104与所述固定安装横板102之间固定连接有四根立柱103，所述伺服电机108的下端连接有电机联轴器105，所述电机联轴器105的下端连接有两个左右对称的驱动横块106，两个所述驱动横块106的外端均连接有连动转杆107。
轴旋转装置1的具体工作流程是，伺服电机108带动电机联轴器105转动，电机联轴器105带动左右对称的驱动横块106在水平面上转动，驱动横块106带着连动转杆107旋转，进而实现定轴旋转画弧的功能。
固定安装横板102与锁紧底板104采用对称结构保证设备的平稳性，固定安装横板102与锁紧底板104之间采用立柱103固定，避免设备在工作中晃动过大，影响打印效果。
如图1图2与图3所示，所述展臂调节装置2包括有固定在所述连动转杆107下端的滑动横轨201，所述滑动横轨201的下端连接有浮起滑动块202，所述浮起滑动块202的本体上设置有传动齿轮空心槽209，所述传动齿轮空心槽209内固定设置有传动齿轮210，所述传动齿轮210水平方向外侧设置有换向齿链轮208，所述传动齿轮210水平方向内侧设置有驱动齿链轮206，所述驱动齿链轮206、所述换向齿链轮208以及所述传动齿轮210共同连接在传动齿链203上，所述驱动齿链轮206的上端连接有竖直驱动转杆205，所述竖直驱动转杆205的上端连接有齿链驱动电机204，所述换向齿链轮208的上端连接有辅助转杆207。
展臂调节装置2的具体工作过程是，滑动横轨201受连动转杆107带动旋转，滑动横轨201与下端的浮起滑动块202采用磁悬浮的方式设置，大大减少了浮起滑动块202在滑块运动过程中受到的阻力。浮起滑动块202上的传动齿轮210受到驱动齿链轮206的驱动，在水平面上滑动。实现了圆弧半径的大小调节。
如图2所示，两个所述齿链驱动电机204为两个相同的步进电机，且采用同时同步的控制方式控制两个所述齿链驱动电机204转动。
采用步进电机可由程序控制其正反转，进一步达到控制浮起滑动块202左右移动的目的。且采用同时同步的控制方式控制两个齿链驱动电机204转动是为了控制浮起滑动块202等距地处在打印中心主头5的两侧，保证打印时两侧半径相同。
如图2与图3所示，所述弧边打印头伸缩装置3包括有设置在所述浮起滑动块202内部的可控气缸301，所述可控气缸301的下端连接有活塞伸缩板302。
弧边打印头伸缩装置3的工作原理是，可控气缸301受软件控制，进而调节活塞伸缩板302，实现活塞伸缩板302上下移动，达到控制弧边打印头5高度的目的。
如图2与图3所示，所述两个所述可控气缸301是两个独立单元，可受软件程序单独控制且互不干扰。
两个所述可控气缸301互相独立，能够实现单一调节一侧的弧边打印头5的高度，在不规则非完整的弧边打印时，采用单一一侧的打印头进行打印的功能。
如图1与图2所示，所述打印中心主头4包括有铁氧龙管401，所述铁氧龙管401的下端连接有喉管403，所述喉管403与所述铁氧龙管401的连接处设置有耐高温密封圈402，所述喉管403外端设置有通风散热主外壳405，所述通风散热主外壳405下端连接有主加热头404。
如图1与图2所示，所述弧边打印头5包括有连接在所述活塞伸缩板302下端的伸缩板连接座501，所述伸缩板连接座501的上表面设置有一层防冲压软垫502，所述伸缩板连接座501下端设置有散热副外壳503，所述散热副外壳503的底端连接有副加热头504。
打印中心主头4与弧边打印头5均采用主流的设置，打印材料受热熔入到铁氧龙管401中，进入喉管403，从加热头流出实现逐层打印。
如图4所示，浮起滑动块202底端表面上设置有两条横向平行的超导磁体座2022，所述超导磁体座2022上设置有若干紧密排列的条状超导磁体2021，所述超导磁体2021的底端设置有若干与所述超导磁体2021N-S磁极对应放置的电磁体2023，若干所述电磁体2023共同连接有驱动电源2024。
利用磁悬浮原理使得电磁体2023对应超导磁体2021的磁极，使得浮起滑动块202浮起，达到移动低阻的目的。
如图2所示，通风散热主外壳405与所述散热副外壳503的表面均设置有风叶式通风孔406。
风叶式通风孔406外侧对应设置散热扇，以达到快速散热的目的，防止温度过高造成打印产品失败。
参照图1图2图3与图4所示，本发明还设计了一种3D打印机的快速弧边打印方法，包括如下步骤：
步骤S100、在开始打印之前首先需要进行校准，先校准弧边打印臂的高度，保持双臂高度一致，然后校准展臂调节滑块距离，保证两滑块关于中心严格对称，最后校准伸缩装置的高度，保证在弧边打印前左右两侧的打印头等高且高度高于主打印头的高度；
步骤S200、当需要做弧边打印操作时，首先进行判定弧边的半径大小，当弧边的半径大于打印中心主头的宽度，即采用两侧的打印头旋转打印方式，此时保证底座固定，当弧边的半径小于打印中心主头的宽度，则继续采用打印中心主头配合底座移动的打印方式；
步骤S300、其次判定其是否为规则的完整圆弧，如果是规则圆弧，则控制两侧打印头共同配合打印，此时伸缩装置控制其下降保证两侧打印头高度低于中心打印头，如果不是完整的圆弧，判定为较近一侧的端点打印头打印，另一个端点打印头不做下降操作，仅仅配合另一个打印的打印头左右移动，保证打印过程的严格对称，此时仅一端的伸缩装置下降保证一侧的打印头高度低于中心打印头，另一侧的打印头不做伸缩运动保持其高位不变；
步骤S400、弧边打印开始，利用磁悬浮原理控制打印滑块与滑轨非接触固定，各个电机均采用软件程序控制其工作步骤，保证打印流程准确稳定；
步骤S500、打印结束，伸缩装置控制两侧打印头回到高位，展臂调节滑块回到校准的零点，主控旋转电机关闭，底座回到打印起点，待温度降低后取下产品，完成打印。
其中磁悬浮技术属于现有技术，步进电机是可利用脉冲信号对电机的正反转进行控制，是一种现有的产品。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种3D打印机的快速弧边打印设备，包括有定轴旋转装置(1)，所述定轴旋转装置(1)下端的左右两侧均设置有展臂调节装置(2)，所述展臂调节装置(2)的下端连接有弧边打印头(5)，所述展臂调节装置(2)与所述弧边打印头(5)之间设置有弧边打印头伸缩装置(3)，两个所述弧边打印头(5)连线的中心处设置有一个打印中心主头(4)；
所述定轴旋转装置(1)包括有伺服电机罩(101)，所述伺服电机罩(101)内设置有伺服电机(108)，所述伺服电机(108)的下端设置有矩形固定安装横板(102)，所述固定安装横板(102)的正下方设置有锁紧底板(104)，所述锁紧底板(104)与所述固定安装横板(102)之间固定连接有四根立柱(103)，所述伺服电机(108)的下端连接有电机联轴器(105)，所述电机联轴器(105)的下端连接有两个左右对称的驱动横块(106)，两个所述驱动横块(106)的外端均连接有连动转杆(107)；
所述展臂调节装置(2)包括有固定在所述连动转杆(107)下端的滑动横轨(201)，所述滑动横轨(201)的下端连接有浮起滑动块(202)，所述浮起滑动块(202)的本体上设置有传动齿轮空心槽(209)，所述传动齿轮空心槽(209)内固定设置有传动齿轮(210)，所述传动齿轮(210)水平方向外侧设置有换向齿链轮(208)，所述传动齿轮(210)水平方向内侧设置有驱动齿链轮(206)，所述驱动齿链轮(206)、所述换向齿链轮(208)以及所述传动齿轮(210)共同连接在传动齿链(203)上，所述驱动齿链轮(206)的上端连接有竖直驱动转杆(205)，所述竖直驱动转杆(205)的上端连接有齿链驱动电机(204)，所述换向齿链轮(208)的上端连接有辅助转杆(207)；
所述弧边打印头伸缩装置(3)包括有设置在所述浮起滑动块(202)内部的可控气缸(301)，所述可控气缸(301)的下端连接有活塞伸缩板(302)。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：两个所述可控气缸(301)是两个独立单元，可受软件程序单独控制且互不干扰。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：所述打印中心主头(4)包括有铁氧龙管(401)，所述铁氧龙管(401)的下端连接有喉管(403)，所述喉管(403)与所述铁氧龙管(401)的连接处设置有耐高温密封圈(402)，所述喉管(403)外端设置有通风散热主外壳(405)，所述通风散热主外壳(405)下端连接有主加热头(404)。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：所述弧边打印头(5)包括有连接在所述活塞伸缩板(302)下端的伸缩板连接座(501)，所述伸缩板连接座(501)的上表面设置有一层防冲压软垫(502)，所述伸缩板连接座(501)下端设置有散热副外壳(503)，所述散热副外壳(503)的底端连接有副加热头(504)。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：两个所述齿链驱动电机(204)为两个相同的步进电机，且采用同时同步的控制方式控制两个所述齿链驱动电机(204)转动。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：所述浮起滑动块(202)底端表面上设置有两条横向平行的超导磁体座(2022)，所述超导磁体座(2022)上设置有若干紧密排列的条状超导磁体(2021)，所述超导磁体(2021)的底端设置有若干与所述超导磁体(2021)N-S磁极对应放置的电磁体(2023)，若干所述电磁体(2023)共同连接有驱动电源(2024)。
7.根据权利要求3所述的一种3D打印机的快速弧边打印设备，其特征在于：所述通风散热主外壳(405)与所述散热副外壳(503)的表面均设置有风叶式通风孔(406)。
8.一种3D打印机的快速弧边打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、在开始打印之前首先需要进行校准，先校准弧边打印臂的高度，保持双臂高度一致，然后校准展臂调节滑块距离，保证两滑块关于中心严格对称，最后校准伸缩装置的高度，保证在弧边打印前左右两侧的打印头等高且高度高于主打印头的高度；
S200、当需要做弧边打印操作时，首先进行判定弧边的半径大小，当弧边的半径大于打印中心主头的宽度，即采用两侧的打印头旋转打印方式，此时保证底座固定，当弧边的半径小于打印中心主头的宽度，则继续采用打印中心主头配合底座移动的打印方式；
S300、其次判定其是否为规则的完整圆弧，如果是规则圆弧，则控制两侧打印头共同配合打印，此时伸缩装置控制其下降保证两侧打印头高度低于中心打印头，如果不是完整的圆弧，判定为较近一侧的端点打印头打印，另一个端点打印头不做下降操作，仅仅配合另一个打印的打印头左右移动，保证打印过程的严格对称，此时仅一端的伸缩装置下降保证一侧的打印头高度低于中心打印头，另一侧的打印头不做伸缩运动保持其高位不变；
S400、弧边打印开始，利用磁悬浮原理控制打印滑块与滑轨非接触固定，各个电机均采用软件程序控制其工作步骤，保证打印流程准确稳定；
S500、打印结束，伸缩装置控制两侧打印头回到高位，展臂调节滑块回到校准的零点，主控旋转电机关闭，底座回到打印起点，待温度降低后取下产品，完成打印。
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