CN109334001A - 一种具有双行走机构的三维打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有双行走机构的三维打印装置，属于快速成型技术领域。该装置包括机架及安装在机架上的控制器、打印头、载物台及行走机构，控制器包括存储器与处理器；行走机构包括第一行走机构与第二行走机构，第一行走机构受控制器控制地驱动打印头相对机架做三维空间移动，第二行走机构受控制器控制地驱动载物台至少做垂向移动。通过将打印头与载物台都配置成均能在垂向上移动的结构，可在提高打印质量的同时，扩大三维打印工艺的适用范围。

Description

一种具有双行走机构的三维打印装置

本申请是申请号为CN201710399616.4、发明名称为“一种三维打印装置”的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及快速成型技术领域，具体地说，涉及一种具有双行走机构的三维打印装置。

背景技术

三维打印装置，是一种基于三维物体的数字模型，利用成型丝等材料，通过逐层打印的方式构建出三维物体的设备。

如图1所示，是一种以成型丝的形式向打印头05供给成型材料的三维打印装置，在卷盘02上缠绕有成型丝03，将该卷盘02安装至三维打印装置的卷盘安装架的转轴01上，从而可实现将成型丝03提供给打印头05。在使用过程中，将成型丝03从卷盘02上拉出，使被拉直的成型丝通过由摩擦阻力较小的材料制成的软导管04，直至将成型丝供给至打印头05上由电机055驱动的送料主动轮053及送料从动轮054，在送料主动轮053与送料从动轮054的夹紧驱动下，成型丝03进入电加热器051，成型丝在电加热器051内，经加热成熔融状态的成型材料在后续成型丝推动下，从设于电加热器051末端的打印喷嘴052挤出并沉积于载物台06上；该三维打印装置的控制器通过控制打印头05在水平的X-Y平面内运动，同时控制载物台06在垂直的Z向运动，以逐层的打印出预定三维物体。

由于打印头只能在水平的X-Y平面内移动，载物台只能在Z向移动，通常都能很好地完成打印，但是在需要重复缩短载物台与打印喷嘴间的间距后又扩大二者间间距的特殊情况下，用于驱动载物台在垂向移动的丝杆螺母机构会产生回程误差，而且载物台质量随打印进程的进行而不断增加，导致其回程误差难以确定且难以进行很好的补偿，这限制了三维打印装置的适用范围。此外，为了尽量缩小回程误差，通常是使用高等级丝杆，不仅推高了三维打印装置的成本，且回程误差的确定及补偿难题还是存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有双行走机构的三维打印装置，以扩大三维打印装置的适用范围。

为了实现上述目的，本发明提供的三维打印装置包括机架及安装在机架上的控制器、打印头、载物台及行走机构，打印头包括打印喷嘴，控制器包括存储器与处理器；行走机构包括第一行走机构与第二行走机构，第一行走机构受控制器控制地驱动打印喷嘴相对机架做三维空间移动，第二行走机构受控制器控制地驱动载物台至少做垂向移动。

通过将打印头与载物台都配置成均能在垂向上移动的结构，即具有双行走机构，以充分利用打印头在打印过程中质量几乎保持不变的特性，在垂向上重复移动过程中，能很好地对丝杆回程误差进行控制与补偿，此时，可利用经验值进行消差，以在提高打印质量的同时，扩大三维打印装置的可打印范围，即其适应范围。此外，对所使用丝杆的等级的选择范围更大了。

具体的方案为打印喷嘴侧旁安装有用于测量从打印喷嘴挤出成型材料温度的红外测温器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：基于测得的温度与所用成型丝的材料参数，判断打印喷嘴挤出成型材料的流体形态。以对不同材料种类、不同批次成型丝的挤出状态进行监控，便于根据实际需要调整打印速度、温度等参数，进一步提高打印质量。

更具体的方案为若为流态，在完成对当前切片层的打印后，控制第二行走机构驱动载物台向下移动将要打印切片层的厚度；若为非流态，在完成对当前切片层的打印后，控制第一行走机构驱动打印喷嘴向上移动将要打印切片层的厚度。以根据实际需要进行打印，防止流态时利用打印喷嘴移动调高而容易出现丝料被甩出打印喷嘴而影响打印质量的问题。

另一个更具体的方案为控制第一行走机构驱动打印喷嘴按照预定行走轨迹打印切片层，打印喷嘴在挤出成型材料为非流态时沿预定行走轨迹的行走加速度高于挤出成型材料为流态时的行走加速度。以防行走加速度过大而将呈流态的成型材料甩出，出现局部堆积而局部缺料的问题，进一步提高打印质量。

另一个具体的方案为第二行走机构受控制器控制地驱动载物台做三维空间移动，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：在打印切片层的表面光滑部分时，控制载物台保持静止，并控制第一行走机构驱动打印喷嘴移动而打印出表面光滑部分；在打印切片层的内部填充部分时，控制打印喷嘴保持静止，并控制第二行走机构驱动载物台移动而打印出内部填充部分。从而可有效地防止打印内部填充部分时，在表面光滑部分邻接处变向时而出现成型材料被甩出影响打印质量的问题或限制了打印速度的提高，即可在确保打印质量的前提下，提高打印速度。

再一个具体的方案为第二行走机构受控制器控制地驱动载物台做三维空间移动，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：在打印切片层时，若打印喷嘴按照一条连续预定行走轨迹的行走加速度的最高值超过预设阈值，则控制第二行走机构驱动载物台按照预定行走轨迹的镜像轨迹移动，并控制打印喷嘴按照预定速率挤出成型材料进行打印，否则，控制第一行走机构驱动打印喷嘴按照预定行走轨迹进行打印。可在确保连续打印的条件下，提高打印质量。

优选的方案为打印头包括电加热器、设于电加热器的末端的打印喷嘴及通过导管向电加热器输送成型丝的送料单元，电加热器安装在第一行走机构上，送料单元安装在机架上；送料单元包括送料主动轮、送料从动轮及动力装置，动力装置包括驱动电机、受驱动电机驱动的小径齿轮及与小径齿轮内齿啮合的大径齿轮，大径齿轮与送料主动轮传动连接。通过使用内齿啮合机构作为传动与减速机构，在转速比相同的条件，有效地降低输送料的体积。

更优选的方案为送料单元通过一根静定梁紧固安装在机架上。

另一个优选的方案为第二行走机构包括四根垂向导杆、两根垂向丝杆及垂向驱动电机，四根垂向导杆与设在载物台的四个直角部上的导孔相配合，两根垂向丝杆与固定在相对两个边缘部中部上的螺母相旋合，垂向驱动电机通过同步带驱动两根垂向丝杆同步转动。通过四根导杆构成四个支撑导向点，约束多且结构稳定，有效地确保驱动载物台上下移动过程的垂直度、调节力度。

再一个优选的方案为第一行走机构包括行走架，两根垂向导杆，两根垂向丝杆，两根横向丝杆、两个与所述横向丝杆旋合的横向螺母，两根纵向丝杆，及两个与纵向丝杆旋合的纵向螺母；行走架包括支撑架、纵向导杆、横向导杆及正交滑块，正交滑块上设有与纵向导杆相配合的纵向导孔及与横向导杆相配合的横向导孔，打印喷嘴安装在正交滑块上；支撑架两个共边的直角部上设有与垂向导杆相配合的导孔，另外两个共边的直角部上固设有与垂向丝杆相旋合的螺母，固设在机架上的垂向驱动电机通过同步带驱动两根垂向丝杆同步转动；两根横向丝杆可转动地安装在支撑架的一对相对边缘部上，两根纵向丝杆可转动地安装在支撑架的另一对相对边缘部上；纵向导杆的两端分别与横向螺母固定连接，横向导杆的两端分别与纵向螺母固定连接，固设在支撑架上的横向驱动电机通过同步带驱动两根横向丝杆同步转动，固设在支撑架上的纵向驱动电机通过同步带驱动两根纵向丝杆同步转动。整体结构稳定，且能很好地驱动打印喷嘴做三维空间移动，即X-Y-Z三维移动。

附图说明

图1为现有一种三维打印装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中三维打印装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1中三维打印装置的侧视图；

图4为本发明实施例1中电加热器、打印喷嘴及正交滑块的结构示意图；

图5为本发明实施例1中送料单元的结构示意图；

图6为本发明实施例1中送料单元的结构分解图；

图7为本发明实施例2在打印切片层时打印喷嘴的预定行走轨迹示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图2及图3，本三维打印装置1包括机架20及安装在该机架20上的控制器、打印头、载物台21、第一行走机构及第二行走机构，即具有双行走机构。控制器包括存储器与处理器，第一行走机构与第二行走机构一起构成本实施例中的行走机构。

参见图2、图3及图4，打印头包括电加热器31、设于电加热器31的末端的打印喷嘴32及通过导管33向电加热器31输送成型丝的送料单元4，送料单元4通过一根静定梁22紧固安装在机架20的侧旁上。

在打印喷嘴32的侧旁安装有用于测量其挤出的成型材料温度的红外测温器23，在本实施例中为热成像仪，其参数：静态电流为65μA，波长通带为5.5μm至14μm，可测量温度范围为-70℃至380℃。

如图2及图3所示，第一行走机构受控制器控制地驱动打印喷嘴32与电加热器31一起做三维空间移动，包括行走架，四根垂向导杆51，两根垂向丝杆52，垂向驱动电机53，两根横向丝杆54，两个与横向丝杆54旋合的横向螺母55，横向驱动电机56，两根纵向丝杆57，两个与纵向丝杆57旋合的纵向螺母58及纵向驱动电机59。横向丝杆54与纵向丝杆57位于两个水平面内，且二者轴向相互正交，即该两根丝杆和垂向丝杆52一起构成两两相互正交的结构，对应于图示的正交坐标系X-Z-Y。

行走架包括支撑架61、纵向导杆62、横向导杆63及正交滑块64，正交滑块64上设有与纵向导杆62相配合的纵向导孔641及与横向导杆63相配合的横向导孔642，电加热器32安装在正交滑块64的下方，从而可随正交滑块64做三维空间移动。

支撑架61两个共横向边的直角部及纵向边缘的中部上设有与垂向导杆51相配合的导孔，另外两个共横向边的直角部上固设有与垂向丝杆52相旋合的螺母，固设在机架20上的垂向驱动53电机通过同步带65驱动两根垂向丝杆51同步转动，从而驱动支撑架61在垂向上移动，继而通过正交滑块64带动打印喷嘴32在垂向上移动。

两根横向丝杆54分别可转动地安装在支撑架61的一对相对横向边缘部上，即每个横向边缘部上可转动地安装有一根横向丝杆54，两根纵向丝杆54可转动地安装在支撑架61的另一对相对纵向边缘部上，即每个纵向边缘部可转动地上安装有一根横向丝杆54。

纵向导杆62的两端分别与横向螺母55固定连接，横向导杆63的两端分别与纵向螺母58固定连接，固设在支撑架61上的横向驱动电机56通过同步带66驱动两根横向丝杆54同步转动，固设在支撑架61上的纵向驱动电机59通过同步带67驱动两根纵向丝杆57同步转动。

通过三台驱动电机的协同配合驱动，从而通过正交滑块64带动打印喷嘴32相对机架20做三维空间移动。

如图2及图3所示，第二行走机构包括四根垂向导杆71、两根垂向丝杆72及垂向驱动电机73，四根垂向导杆71与设在载物台的四个直角部上的导孔相配合，两根垂向丝杆72与固定在相对两个边缘部的中部上的螺母相旋合，垂向驱动电机73通过同步带74驱动两根垂向丝杆72同步转动。从而可驱动载物台21在垂向上往复移动。

参见图5及图6，送料单元4包括送料主动轮41、送料从动轮42及动力装置，动力装置包括驱动电机43、受驱动电机43驱动的小径齿轮44及与小径齿轮44内齿啮合的大径齿轮45，大径齿轮45固定在转盘46上，转盘46通过固定螺母47与传动轴48固定连接，送料主动轮41与传动轴48固定连接，即大径齿轮45与送料主动轮41通过转盘46、传动轴48传动连接。从而通驱动过电机43的驱动，送料主动轮41与送料从动轮42挤压位于二者间的成型丝49并将其输送至电加热器31的加热熔融腔内。两个内齿啮合的齿轮中心距为38mm，小径齿轮44的齿数为10、模数为1、齿顶圆直径12.82mm、齿根圆直径8.32mm、变位系数为0.412及分度圆直径10mm。大径齿轮45的内齿数为86、模数为1、齿顶圆直径84.82mm、齿根圆直径89.32mm、变位系数为-0.412及分度圆直径86mm。二者传动比为1:8.6，重合度为1.51。若采用同传动比的外啮合齿轮传动机构的体积为23106.27mm³，而本内啮合齿轮传动机构的体积为20214.54mm³，二者相比，体积减少了2891.73mm³。

从上述结构布置可以看出，打印头的电加热器32安装在第一行走机构上，而送料单元4安装在机架21上，通过将两者进行分离设置，以减少位于第一行走机构上部分的质量，以减少它们在打印过程中的质量，即惯性，从而可降低行走加速过程中的振动，及将驱动电机43的振动与打印喷嘴32隔离。

在使用本三维打印装置进行打印，为通过控制器控制电加热器31、送料单元4、第一行走机构、第二行走机构的动作从而在载物台21上逐层地打印出三维物体的每层切片层，累加成与三维数字模型相对应的三维物体。

在本实施例中，控制器包括存储器与处理器，存储器中存储有计算机程序。

第一种打印控制方法：该计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

接收红外测温器23对从打印喷嘴32挤出的成型材料温度进行检测所获取的温度数据，基于该温度数据与所用成型丝的材料参数(可基于丝料盒芯片上获取或在装入丝料盒时认为通过触摸屏进行输入)，判断从打印喷嘴32挤出的成型材料的流体形态；

若挤出的成型材料被判断为流态，则在完成对当前切片层的打印后，控制第二行走机构驱动载物台21向下移动将要打印切片层的厚度，以继续打印将要打印的切片层；

若挤出的成型材料被判断为非流态，则在完成对当前切片层的打印后，控制第一行走机构驱动所述打印喷嘴32向上移动将要打印切片层的厚度，以继续打印将要打印的切片层。

在本实施例中，所谓“切片层”是建模时，将三维物体模型在垂向切割成由若干层等厚或不等厚的层叠加而成，打印时，按照切片层的形状逐层的打印出，并累加成目标三维物体。

根据成型材料的流体形态判断是使用降低载物台21还是升高打印喷嘴32来实现不同切片层的切换，以在为非流态时不容易被甩出而充分利用打印头的质量维持稳定的特点，利用提高打印喷嘴的方法实现切换，以提高调整的精度；而在流态时，利用降低载物台实现切片层的切换，可有效防止成型材料被甩出而影响打印质量，根据打印材料的性质而权衡不同情况下的利弊，以提高打印质量。

第二种打印控制方法：该计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

接收红外测温器23对从打印喷嘴32挤出的成型材料温度进行检测所获取的温度数据，基于该温度数据与所用成型丝的材料参数(可基于丝料盒芯片上获取或在装入丝料盒时认为通过触摸屏进行输入)，判断从打印喷嘴32挤出的成型材料的流体形态；

在打印同一层切片时，控制第一行走机构驱动打印喷嘴32按照预定行走轨迹打印切片层，打印头在挤出成型材料为非流态时沿预定行走轨迹的行走加速度高于挤出成型材料为流态时的行走加速度。在成型材料为非流态时不容易被甩出而提高行走加速度，而在流态容易被甩出，降低行走加速度，即通过权衡打印速度与成型材料被甩出量而降低打印质量两个问题，以确保打印质量的前提下，尽量提高打印速度。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

第二行走机构的结构与第一行走机构的结构类似，即增设了支撑架，而原本直接连接在载物台上的垂向导杆与垂向丝杆连接至该支撑架上，而载物台通过可沿水平面内二维移动机构与支撑架连接，该二维移动机构的结构与第一行走机构中正交滑块、横向丝杆、横向导杆、横向螺母、横向驱动电机、纵向丝杆、纵向导杆及纵向螺母构成结构一样，只是载物台固设在正交滑块的上方。

其主要是为了解决现有技术中存在的以下问题：参见图1及图7所示，由于打印头05集成了电加热器051、打印喷嘴052、电机055、供料滚轮053及供料滚轮054，其质量较大而拥有较大的惯性，导致其响应灵敏度偏低，从而在变速过程中容易引起不小的振幅，变速及振幅将导致呈熔融状态的成型材料被从打印喷嘴052中甩出而出现局部成型材料堆积的问题，尤其是，在打印如图7所示切片层07时，其先慢速使用高精度的细丝打印出物体的表面光滑部分071，以使打印出的物体表面光滑、细密，对于内部填充部分072则快速使用低精度的粗丝进行填充，其中，表面光滑部分071的所谓光滑是相对于内部填充部分的外观而言，以提高打印速度；此外，为了确保打印出三维物体的结构强度，内部填充部分常打印成经纬线交织结构，意味在边界处要实现180度的转弯，容易导致粗丝在内部填充部分072与表面光滑部分71交接处被甩至已打印好的表面光滑部分071上而堆积，降低了表面平整度，同时还减弱了内部填充部分071与表面光滑部分071间的结构连接强度，为了避免出现前述质量问题，需在边界转弯慢慢减速后再慢慢加速，从而限制了打印速度的进一步提高。

而本实施例通过基于改进后的结构，通过处理器执行存储在存储器中的计算机程序，可实现以下步骤，以解决该技术问题：

在打印切片层的表面光滑部分071时，控制载物台保持静止，并控制第一行走机构驱动打印头移动而打印出表面光滑部分071；

在打印切片层的内部填充部分072时，控制打印头保持静止，并控制第二行走机构驱载物台移动而打印出内部填充部分072。

即，利用打印头移动打印出表面光滑部分071，再利用载物台的移动打印出内部填充部分072，以避免在大的行走加速度时，成型材料被从打印喷嘴甩出并堆积至表面光滑部分上而影响表面打印质量及结构强度。

此外，还可以通过处理器执行存储在存储器中的计算机程序，实现以下步骤，从而提高打印质量：

在打印同层切片层时，若打印头按照一条连续预定行走轨迹的行走加速度的最高值超过预设阈值，则控制第二行走机构驱动载物台按照预定行走轨迹的镜像轨迹移动，并控制打印头按照预定速率挤出成型材料进行打印，否则，控制第一行走机构驱动打印头按照预定行走轨迹进行打印。从而可在确保打印质量的前提下，提高打印速度。

在上述实施例中，“成型材料为流态”是指在测得成型材料的温度时，其在该温度条件下为流态；“成型丝为非流态”是指在测得成型材料的温度时，其在该温度条件下，从打印喷嘴挤出的成型材料为塑态或部分为塑态且部分为流态的状态。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双行走机构的三维打印装置，包括机架及安装在所述机架上的控制器、打印头、载物台及行走机构，所述打印头包括打印喷嘴，所述控制器包括存储器与处理器；

其特征在于：

所述行走机构包括第一行走机构与第二行走机构，所述第一行走机构受所述控制器控制地驱动所述打印喷嘴相对所述机架做三维空间移动，所述第二行走机构受所述控制器控制地驱动所述载物台至少做垂向移动。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，在所述打印喷嘴侧旁安装有用于测量挤出成型材料温度的热成像仪，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

基于测得的温度与所用成型丝的材料参数，判断所述打印喷嘴挤出的成型材料的流体形态。

3.根据权利要求2所述的三维打印装置，其特征在于：

若为流态，在完成对当前切片层的打印后，控制所述第二行走机构驱动所述载物台向下移动将要打印切片层的厚度；

若为非流态，在完成对当前切片层的打印后，控制所述第一行走机构驱动所述打印喷嘴向上移动将要打印切片层的厚度。

4.根据权利要求2所述的三维打印装置，其特征在于：

在打印同一层切片层时，控制所述第一行走机构驱动所述打印喷嘴按照预定行走轨迹打印切片层，所述打印喷嘴在挤出成型材料为非流态时沿所述预定行走轨迹的行走加速度高于挤出成型材料为流态时的行走加速度。

5.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，所述第二行走机构受所述控制器控制地驱动所述载物台做三维空间移动，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

在打印切片层的表面光滑部分时，控制所述载物台保持静止，并控制所述第一行走机构驱动所述打印喷嘴移动而打印出所述表面光滑部分；

在打印切片层的内部填充部分时，控制所述打印喷嘴保持静止，并控制所述第二行走机构驱动所述载物台移动而打印出所述内部填充部分。

6.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于，所述第二行走机构受所述控制器控制地驱动所述载物台做三维空间移动，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

在打印切片层时，若打印喷嘴按照一条连续预定行走轨迹的行走加速度的最高值超过预设阈值，则控制所述第二行走机构驱动所述载物台按照所述预定行走轨迹的镜像轨迹移动，并控制所述打印喷嘴按照预定速率挤出成型材料进行打印，否则，控制所述第一行走机构驱动所述打印喷嘴按照所述预定行走轨迹进行打印。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述打印头包括电加热器及通过导管向所述电加热器输送成型丝的送料单元，所述打印喷嘴设于所述电加热器的末端，所述电加热器安装在所述第一行走机构上，所述送料单元安装在所述机架上；

所述送料单元包括送料主动轮、送料从动轮及动力装置，所述动力装置包括驱动电机、受所述驱动电机驱动的小径齿轮及与所述小径齿轮内齿啮合的大径齿轮，所述大径齿轮与所述送料主动轮传动连接。

8.根据权利要求7所述的三维打印装置，其特征在于：

所述送料单元通过一根静定梁紧固安装在所述机架上。

9.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述第二行走机构包括四根垂向导杆、两根垂向丝杆及垂向驱动电机，四根所述垂向导杆与设在所述载物台的四个直角部上的导孔相配合，两根所述垂向丝杆与固定在两个相对边缘部的中部上的螺母相旋合，所述垂向驱动电机通过同步带驱动两根所述垂向丝杆同步转动。

10.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述第一行走机构包括行走架，两根垂向导杆，两根垂向丝杆，两根横向丝杆，两个与所述横向丝杆旋合的横向螺母，两根纵向丝杆，及两个与所述纵向丝杆旋合的纵向螺母；

所述行走架包括支撑架、纵向导杆、横向导杆及正交滑块，所述正交滑块上设有与所述纵向导杆相配合的纵向导孔及与所述横向导杆相配合的横向导孔，所述打印喷嘴安装在所述正交滑块上；

所述支撑架两个共边的直角部上设有与所述垂向导杆相配合的导孔，另外两个共边的直角部上固设有与所述垂向丝杆相旋合的螺母，固设在所述机架上的垂向驱动电机通过同步带驱动两根所述垂向丝杆同步转动；

两根所述横向丝杆可转动地安装在所述支撑架的一对相对边缘部上，两根所述纵向丝杆可转动地安装在所述支撑架的另一对相对边缘部上；

所述纵向导杆的两端分别与所述横向螺母固定连接，所述横向导杆的两端分别与所述纵向螺母固定连接，固设在所述支撑架上的横向驱动电机通过同步带驱动两根所述横向丝杆同步转动，固设在所述支撑架上的纵向驱动电机通过同步带驱动两根所述纵向丝杆同步转动。