CN109263041A - 一种4d打印装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种4D打印装置及系统，涉及3D打印技术领域。该4D打印装置包括基座、打印平台、立柱、滑块、移动部、连接板以及打印喷嘴。打印平台和立柱均设置于基座上。滑块设置于立柱上。移动部设置于滑块上；连接板一端与移动部移动连接形成悬臂梁结构，另一端与打印喷嘴铰接。打印平台绕自身轴线的转动、连接板沿打印平台的径向运动、滑块沿立柱的竖直运动以及打印喷嘴相对连接板的转动协同实现了极坐标模式下的4D打印功能。该打印装置尤其在打印旋转件上精度更高，效率更快，并且能有效提高弧面和曲面的打印精度。其打印部件结构具有可重构性，打印尺寸范围调节灵活。整体上组成简单，更具柔性，在打印区域形成开放式结构，方便被打印物取放。

Description

一种4D打印装置及系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种4D打印装置及系统。

背景技术

目前，3D打印机的工作结构大多采用空间正交型的机构，即其传统3D打印系统是基于笛卡尔坐标系来建立运动模式的，基于这种坐标系所设计的3D打印系统结构外形通常为立方体，占据的空间位置较大。而当下出现的基于极坐标系下的3D打印系统，其机械结构相对复杂，对打印区域的空间形成了一定的阻隔，不方便打印后进行被打印物的取放。

另外，传统的3D打印系统打印喷嘴与底座平面的夹角始终处于一个固定状态，虽然易于实现，但并没有考虑到弧面或曲面材料成形时打印方向变化的问题，当材料在逐层打印形成弧面或曲面的过程中，会使喷出材料所成形的线条之间的距离会发生变化，直接影响了打印精度。

因此，设计一种4D打印装置，使其结构简单且可重构，不仅能简单地实现极坐标模式的4D打印，而且其悬臂梁式的开放结构特点使得取放打印物体异常方便；另外，有效地提高弧面或曲面打印的精度，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种4D打印装置，其结构简单，实现了极坐标模式的4D打印，并且方便被打印物的取放，同时提高了弧面或曲面打印的精度。

本发明的目的还包括提供一种4D打印系统，其通过对不同的独立打印动作的协同控制实现高精度的打印。

本发明提供的第一种技术方案：

一种4D打印装置，包括基座、打印组件以及打印喷嘴；所述打印组件包括打印平台、立柱、滑块、移动部以及连接板；所述打印平台和所述立柱均设置于所述基座上，所述滑块设置于所述立柱上，且所述滑块能沿所述立柱轴线方向运动，所述移动部设置于所述滑块上，所述连接板的一端与所述移动部连接，所述连接板的另一端与所述打印喷嘴铰接；

所述打印平台绕自身轴线的转动、所述打印喷嘴在所述连接板的带动下沿所述打印平台的径向移动、所述滑块相对所述立柱的直线运动以及所述打印喷嘴相对所述连接板的转动协同实现所述打印喷嘴在极坐标模式下的4D打印；所述4D打印装置结构简单，实现了极坐标模式的4D打印，并且所述4D打印装置悬臂梁式的开放性结构方便被打印物的取放，同时提高了弧面或曲面打印的精度。

进一步地，所述立柱设置于所述打印平台的一侧；所述立柱上开设有滑槽，所述滑块上设置有滑轨；所述滑槽与所述滑轨配合以实现所述滑块与所述立柱的相对运动。

进一步地，所述连接板上靠近所述打印喷头的一端相对设置有第一侧板和第二侧板；所述第一侧板上开设有第一铰接孔，所述第二侧板上与所述第一铰接孔相对的位置开设有第二铰接孔；所述连接板还包括插销，所述插销一端设置于所述第一铰接孔中，另一端设置于所述第二铰接孔中，且所述插销能相对自身的轴线转动；所述打印喷嘴设置于所述插销上，以实现所述打印喷嘴相对所述连接板的转动。

进一步地，所述移动部包括限位部以及互连接的滚珠丝杆和螺母；所述限位部设置于所述滑块上，且所述限位部上相对的设置有第一限位板和第二限位板，所述滚珠丝杆设置于所述第一限位板和所述第二限位板之间，所述连接板与所述螺母连接，所述螺母能带动所述连接板相对所述滚珠丝杆运动。

进一步地，所述打印喷嘴绕所述连接板与所述打印喷嘴的铰接处转动的角度范围为0度至180度。

进一步地，所述打印平台为圆盘，所述立柱和所述圆盘可拆卸地设置于所述基座上；所述滑块可拆卸地设置于所述立柱上。

进一步地，还包括尺寸不同的多个打印组件；每个所述打印组件用于在进行不同尺寸范围的4D打印时，选择性地安装于所述基座上进行打印工作，使所述4D打印结构具有可重构性，满足被打印物不同打印尺寸的需要。

本发明提供的第二种技术方案：

一种4D打印系统，包括驱动装置以及第一种技术方案中所述的4D打印装置；所述驱动装置包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置以及第四驱动装置；所述第一驱动装置与所述打印平台连接，用于驱动所述打印平台转动；所述第二驱动装置与所述滑块连接，用于驱动所述滑块相对所述立柱运动；所述第三驱动装置与所述移动部连接，用于驱动所述移动部以带动所述连接板运动；所述第四驱动装置与所述打印喷嘴连接，用于驱动所述打印喷嘴相对所述连接板运动。

进一步地，所述第一驱动装置为伺服电机；所述伺服电机设置于所述基座上，且位于远离所述打印平台的一侧；所述伺服电机与所述打印平台连接。

进一步地，还包括控制器；所述控制器分别与所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置连接；所述控制器控制所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置的动作，实现所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置的协同运动，所述控制器通过对不同的独立打印动作的协同控制实现高精度的打印。

相比现有的3D打印机，本发明提供的一种4D打印装置及系统的有益效果是：

4D打印装置包括立柱、打印平台、基座、滑块、移动部、连接板以及打印喷嘴组成，结构简单地实现了极坐标模式的4D打印功能，并且形成开放式的打印空间，方便被打印物的取放。另外，打印喷嘴可相对连接板转动，利于弧面或曲面的打印，提高了弧面或曲面打印的精度。

4D打印系统包括驱动装置和控制器，可高效的协同控制打印的各个独立动作，实现3D打印的自动化，提高打印效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的4D打印装置的结构示意图；

图2为图1中I的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的4D打印装置的滑块、移动部、连接板以及打印喷嘴组装的结构示意图；

图4为图3中II的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的4D打印系统的打印动作控制系统框图。

图标：100-4D打印装置；01-基座；02-打印平台；03-立柱；31-滑槽；04-滑块；41-滑轨；05-移动部；51-限位部；511-安装板；512-第一限位板；513-第二限位板；52-滚珠丝杆；53-螺母；06-连接板；61-第一侧板；62-第二侧板；63-插销；07-打印喷嘴；08-驱动装置；81-第一驱动装置；82-第二驱动装置；83-第三驱动装置；84-第四驱动装置；09-控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1并参阅图5，本实施例提供了一种4D打印系统。该4D打印系统包括控制器09、驱动装置08以及4D打印装置100。驱动装置08用于驱动4D打印装置100的各运动部件动作。控制器09用于控制驱动装置08的启停和调节，实现4D打印装置100的各运动部件的协同运动，实现精确打印。

具体地，4D打印装置100包括基座01、打印组件以及打印喷嘴07。打印组件包括打印平台02、立柱03、滑块04、移动部05以及连接板06。打印平台02设置于基座01上。基座01为圆柱体。圆柱体中空形成空腔，且侧面开设有开口。圆柱体的一端面设置于安装位置上，另一端的端面上设置打印平台02。

打印平台02主要用于放置被打印物，打印平台02能绕自身轴线的转动，并带动被打印物转动，以实现4D打印工作的其中一个打印动作。打印平台02的形状可以是不同的形状，优选地，本实施例中，打印平台02为圆盘，圆盘在驱动装置08的控制下可绕自身几何中心轴线转动。

立柱03设置于基座01上，且位于打印平台02的一侧。滑块04、移动部05、连接板06以及打印喷嘴07均设置于立柱03上，且能相对立柱03沿立柱03移动，实现4D打印工作中的其中一个打印动作。本实施例中，立柱03采用单一设置，即在基座01上只设置一个立柱03，这样，一方面形成了更加开放的打印空间，利于作业人员进行被打印物的取放，另一方面节约的4D打印装置100的制造成本。

请参阅件图2，滑块04直接与立柱03相连。立柱03上靠近打印平台02的一侧开设有滑槽31，在滑块04上设置有与滑槽31相适应的滑轨41。通过滑槽31与滑轨41的配合，可实现滑块04沿立柱03的运动。

值得说明的是，滑槽31与滑轨41的设置是相对的。在立柱03上开设滑槽31，在滑块04上设置滑轨41。同样地，也可以在立柱03上设置滑轨，在滑块04上开设滑槽均能实现滑块04相对立柱03的移动。

请参阅图3，移动部05包括限位部51、滚珠丝杆52以及螺母53。限位部51包括安装板511、第一限位板512以及第二限位板513。安装板511的一端设置于滑块04上。安装板511上远离基座01的一侧上相对的设置有第一限位板512和第二限位板513。滚珠丝杆52设置于第一限位板512和第二限位板513之间，即滚珠丝杆52的一端设置于第一限位板512上，滚珠丝杆52另一端设置于第二限位板513上。螺母53设置于滚珠丝杆52上，且螺母53能沿滚珠丝杆52的轴线方向相对安装板511运动，实现4D打印工作的其中一个打印动作。

连接板06的一端与螺母53连接，形成悬臂梁结构，这样，螺母53可带动连接板06沿滚珠丝杆52的设置方向相对安装板511运动。连接板06的另一端与打印喷嘴07连接。

具体地，请参阅图4。连接板06上与打印喷嘴07连接的一端相对的设置有第一侧板61和第二侧板62。在第一侧板61上开设有第一铰接孔(图中未示出)，在第二侧板62上与第一铰接孔向对应的位置上开设有第二铰接孔(图中未示出)。与第一铰接孔和第二铰接孔适配的插销63的一端设置于第一铰接孔中，另一端设置于第二铰接孔中。打印喷嘴07与插销63连接。插销63可相对自身的中心轴线转动，这样，插销63可带动打印喷嘴07转动，实现4D打印工作的其中一个动作。

打印喷嘴07在插销63的带动下相对连接板06转动的范围在0度到180度之间，可最大限度的实现对弧面或者曲面的精确打印，避免了打印喷嘴07与打印平台02的角度固定造成的打印弧面或曲面的材料所成形的线条之间的距离的不一致，严重影响打印精度，减低被打印物的质量。

可以理解的是，移动部05的形式和结构选择多样，可根据打印精度的不同要求来适合的选择其结构和形式，例如对于较低的打印精度，移动部05可选用齿轮齿条的配合或者传送带的形式等。相应地，移动部05与滑块04和连接板06的连接结构也可根据移动部05的选择来设计，以满足移动部05的4D打印功能。

本实施例中，4D打印装置100选用圆盘、立柱03、滑块04、滚珠丝杆52、螺母53以及连接板06为主要部件来搭建整个体系，相互之间的配合在满足打印精度的同时，使4D打印装置100的机械结构更加具有柔性。

另外，打印平台02和立柱03是可拆卸地设置于基座01上，并且滑块04与立柱03之间也是可拆卸地设置。因此，整个打印组件能可拆卸的设置在基座01上。为了实现4D打印装置100对于不同尺寸范围打印的功能，本实施例提供的4D打印装置100还包括多个部件结构相同但尺寸不同的打印组件，不同尺寸的打印组件可以打印的4D结构的尺寸范围不同，因此，多个打印组件可以根据被打印物实际需要的尺寸，更换安装在基座01上，以实现对不同尺寸范围的被打印物的打印。这样，本实施例提供的4D打印装置100所打印的结构的尺寸范围更加广泛且灵活。

通过上述对4D打印装置100具体结构的描述，容易理解，该4D打印装置100实现极坐标模式的打印功能，具体是通过打印平台02绕自身轴线的转动、打印喷嘴07在连接板06的带动下沿打印平台02的径向移动、滑块04相对立柱03的直线运动以及打印喷嘴07相对连接板06的转动，多个动作协同工作完成的。

其中，打印平台02绕自身轴线的转动、打印喷嘴07在连接板06的带动下沿打印平台02的径向移动以及滑块04相对立柱03的直线运动实现极坐标模式下的3D打印功能，而打印喷嘴07相对连接板06的转动增加了打印装置在3D打印模式下的打印自由度，能够更好地适应弧面和曲面的打印，有效提高对弧面和曲面的打印精度。这样，就实现了整个打印装置在极坐标系下的4D打印功能。

总的来说，相比于现有的3D打印装置，本实施例提供的4D打印装置100颠覆了传动采用正交坐标模式的3D打印，在打印应用上，尤其在打印旋转件时，精度更高，效率更快，并且打印喷嘴07相对连接板06的转动能有效提高曲面和弧面打印的精度。4D打印的零部件可根据打印尺寸的变化灵活调节，结构具有可重构性，并且在对结构进行重构时能保证结构的柔性，有效的提高了打印精度，节约了制造成本，更换操作高效迅速。

请参阅图5，4D打印装置100的打印动作由控制器09和驱动装置08完成。具体地，驱动装置08包括第一驱动装置81、第二驱动装置82、第三驱动装置83以及第四驱动装置84。第一驱动装置81与打印平台02连接，用于驱动打印平台02转动。第二驱动装置82与滑块04连接，用于驱动滑块04相对立柱03运动。第三驱动装置83与移动部05连接，用于驱动移动部05运动。第四驱动装置84与打印喷嘴07连接，用于驱动打印喷嘴07相对连接板06运动。

控制器09分别与第一驱动装置81、第二驱动装置82、第三驱动装置83以及第四驱动装置84连接，协同控制第一驱动装置81、第二驱动装置82、第三驱动装置83以及第四驱动装置84的动作实现精确的4D打印。其中，第一驱动装置81、第二驱动装置82、第三驱动装置83以及第四驱动装置84的选择多样，本实施例中，第一驱动装置81、第二驱动装置82、第三驱动装置83以及第四驱动装置84均为伺服电机，第一驱动装置81设置于基座01的腔体中，且与打印平台02连接。

综上所述，本实施例中提供的一种4D打印系统具有以下几点有益效果：

4D打印装置100包括立柱03、打印平台02、基座01、滑块04、移动部05、连接板06以及打印喷嘴07组成，结构简单地实现了极坐标模式的4D打印功能，并且形成开放式的打印空间，方便被打印物的取放。另外，打印喷嘴07可相对连接板06转动，利于弧面或曲面的打印，提高了弧面或曲面打印的精度。

采用圆盘、立柱03、滑块04、滚珠丝杆52、螺母53以及连接板06为主要部件来搭建整个体系，相互之间的配合在满足打印精度的同时，使4D打印装置100的机械结构更加具有柔性。并且尤其在打印旋转件时，精度更高，效率更快，打印喷嘴07相对连接板06的转动增加了打印装置在3D打印模式下的打印自由度，能够更好地适应弧面和曲面的打印，有效提高对弧面和曲面的打印精度。多个打印组件可以根据被打印物的需要更换安装在基座01上，以实现对不同尺寸范围的被打印物的打印。

4D打印系统包括驱动装置08和控制器09，可高效的协同控制打印的各个独立动作，实现4D打印的自动化，提高打印效率。

需要说明的是，所有附图中带箭头的附图标记是指代虚体结构，例如孔、槽、腔等，不带箭头的附图标记是指代实体结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种4D打印装置，其特征在于，包括基座、打印组件以及打印喷嘴；所述打印组件包括打印平台、立柱、滑块、移动部以及连接板；所述打印平台和所述立柱均设置于所述基座上，所述滑块设置于所述立柱上，且所述滑块能沿所述立柱轴线方向运动，所述移动部设置于所述滑块上，所述连接板的一端与所述移动部连接形成悬臂梁结构，所述连接板的另一端与所述打印喷嘴铰接；

所述打印平台绕自身轴线的转动、所述打印喷嘴在所述连接板的带动下沿所述打印平台的径向移动、所述滑块相对所述立柱的直线运动以及所述打印喷嘴相对所述连接板的转动协同实现所述打印喷嘴在极坐标模式下的4D打印。

2.如权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述立柱设置于所述打印平台的一侧；所述立柱上开设有滑槽，所述滑块上设置有滑轨；所述滑槽与所述滑轨配合以实现所述滑块与所述立柱的相对运动。

3.如权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述连接板上靠近所述打印喷头的一端相对设置有第一侧板和第二侧板；所述第一侧板上开设有第一铰接孔，所述第二侧板上与所述第一铰接孔相对的位置开设有第二铰接孔；所述连接板还包括插销，所述插销一端设置于所述第一铰接孔中，另一端设置于所述第二铰接孔中，且所述插销能相对自身的轴线转动；所述打印喷嘴设置于所述插销上，以实现所述打印喷嘴相对所述连接板的转动。

4.如权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述移动部包括限位部以及互连接的滚珠丝杆和螺母；所述限位部设置于所述滑块上，且所述限位部上相对的设置有第一限位板和第二限位板，所述滚珠丝杆设置于所述第一限位板和所述第二限位板之间，所述连接板与所述螺母连接，所述螺母能带动所述连接板相对所述滚珠丝杆运动。

5.如权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述打印喷嘴绕所述连接板与所述打印喷嘴的铰接处转动的角度范围为0度至180度。

6.如权利要求1所述的4D打印装置，其特征在于，所述打印平台为圆盘，所述立柱和所述圆盘可拆卸地设置于所述基座上；所述滑块可拆卸地设置于所述立柱上。

7.如权利要求6所述的4D打印装置，其特征在于，还包括尺寸不同的多个打印组件；每个所述打印组件用于在进行不同尺寸范围的4D打印时，选择性地安装于所述基座上进行打印工作。

8.一种4D打印系统，其特征在于，包括驱动装置以及权利要求1-7任意一项所述的4D打印装置；所述驱动装置包括第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置以及第四驱动装置；所述第一驱动装置与所述打印平台连接，用于驱动所述打印平台转动；所述第二驱动装置与所述滑块连接，用于驱动所述滑块相对所述立柱运动；所述第三驱动装置与所述移动部连接，用于驱动所述移动部以带动所述连接板运动；所述第四驱动装置与所述打印喷嘴连接，用于驱动所述打印喷嘴相对所述连接板运动。

9.如权利要求8所述的4D打印系统，其特征在于，所述第一驱动装置为伺服电机；所述伺服电机设置于所述基座上，且位于远离所述打印平台的一侧；所述伺服电机与所述打印平台连接。

10.如权利要求8所述的4D打印系统，其特征在于，还包括控制器；所述控制器分别与所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置连接；所述控制器控制所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置的动作，实现所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、第三驱动装置以及所述第四驱动装置的协同运动。