CN109624304A - 一种复合材料3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料3D打印机，包括箱体、空压机、机械振动混料装置、点胶机、光照加热系统、排气冷却系统、控制系统、机械转化装置。机械振动混料装置用于预处理浆料。控制系统包括控制单元和移动平台。控制单元连接控制移动平台和机械转化装置，机械转化装置连接点胶机，点胶机连接空压机。箱体外部设置空压机、点胶机和控制单元，箱体内部设置移动平台、机械转化装置、光照加热系统和排气冷却系统。光照加热系统用于对箱体内部进行加热，排气冷却系统用于对箱体内部进行降温。箱体内设置有温度检测装置，用于对箱体内部温度进行检测。本发明结构简单，设计合理，实用性强，工作效率高，操作简单，成本低，适于推广应用。

Description

一种复合材料3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，特别是涉及一种复合材料3D打印机。

背景技术

3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

但现有3D打印机存在诸多问题，例如常因内部温度过高，导致机器运作卡顿，或因浆料固化太慢而导致效率及产品质量的降低，给人们的使用过程带来了一定的不利影响；还有就是点胶时长需要人工设置，一般只能自动完成四次点胶和回抽，降低了工作效率，使用不便；还有就是浆料中常含有气泡和间隙，质地不够均匀，严重影响打印出的产品质量；还有就是结构复杂，操作不便，不便于维修。

因此，如何解决上述技术问题成为了本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的目的就是提供一种复合材料3D打印机，能完全解决上述现有技术的不足之处。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种复合材料3D打印机，包括箱体、空压机、机械振动混料装置、点胶机、光照加热系统、排气冷却系统、控制系统、机械转化装置；所述机械振动混料装置用于对所述点胶机的料筒内的浆料进行振动沉降，排除浆料中的间隙和气泡；所述控制系统包括控制单元和移动平台；所述控制单元连接控制移动平台和机械转化装置，机械转化装置连接点胶机，点胶机连接空压机；所述箱体外部设置空压机、点胶机和控制单元，箱体内部设置移动平台、机械转化装置、光照加热系统和排气冷却系统；所述光照加热系统用于对箱体内部进行加热，排气冷却系统用于对箱体内部进行降温；所述箱体内设置有温度检测装置，用于对箱体内部温度进行检测，从而调节光照加热系统和排气冷却系统。

进一步，所述机械振动混料装置包括振动电机以及安装在振动电机上的夹持机构，夹持机构用于配套夹持料筒。通过振动电机振动夹持在夹持机构的料筒，料筒内的浆料下沉，使其质地更为均匀紧密，排除浆料中存在的气泡和间隙。

进一步，所述点胶机为半自动点胶机。半自动点胶机包括半自动和人工两种模式，本方案选用人工模式，通过机械转化装置代替人工操作，从而实现点胶机的自动化，不限次数和时长，规避了传统全自动点胶机存在点胶次数和时长限制的缺陷。

进一步，所述机械转化装置包括安装座，安装座上安装有伺服电机，伺服电机连接控制单元，伺服电机的旋转轴上设置有齿轮，齿轮啮合有推杆，推杆对应有点胶机的点胶开关；所述齿轮带动推杆正向或反向直线运动，使其推杆触碰点胶开关或脱离点胶开关，从而控制点胶机点胶或回抽。伺服电机通过控制单元控制转向，为顺时针旋转或逆时针旋转，实现点胶开关的停止或启动，在打印的过程中，不限次数和时长，无需人工辅助，方便快捷，提高了工作效率。

进一步，所述移动平台包括龙门架以及设置在龙门架下方的打印平台，龙门架上安装有上下移动的横梁，横梁上安装有左右移动的移动座，移动座用于配套安装料筒。该移动平台稳定性好，轻便灵敏，综合性能优良。

进一步，所述温度检测装置安装在移动座上。有利于检测料筒出料端周围温度，即成型产品周围的固化温度，检测精度更为准确，缩小温度误差，从而更为准确的进行判断，是否需要对光照加热系统和/或排气冷却系统进行调节，以保持合适的固化温度，使其固化速度加快又不至于导致过度固化而出现裂纹。

进一步，所述温度检测装置为温度计。使用简单方便，成本低。

进一步，所述光照加热系统包括安装在箱体内侧壁上的多个烤灯，烤灯对应照射打印平台，用于对料筒挤出的浆料进行加热，加速其固化。

进一步，所述排气冷却系统包括安装在箱体侧壁上的多个风扇，用于对箱体内部进行排气降温。

进一步，所述箱体包括透明的箱门，便于观察箱体内部打印情况和温度计的温度情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：结构简单，设计合理，实用性强，工作效率高，打印出的产品品质更好，操作简单，成本低，适于推广应用。

附图说明

图1是本发明的控制原理图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是箱体的结构示意图。

图4是机械振动混料装置的结构示意图。

图5是机械振动混料装置的使用状态图。

图6是夹持机构的结构示意图。

图7是中部固定板的结构示意图。

图8是上部夹持板的结构示意图。

图9是紧固螺钉的结构示意图。

图10是排气冷却系统的安装示意图。

图11是烤灯的结构示意图。

图12是控制系统的结构示意图。

图13是夹持板、温度计和固定块的连接关系图。

图14是固定块和连接板的连接关系图。

图15是伺服电机的结构示意图。

图16是安装座、伺服电机、推杆和齿轮的连接关系图。

图17是推杆的结构示意图。

图18是机械转化装置的俯视图。

图19是机械转化装置的结构示意图。

图20是安装座的结构示意图。

附图标记：箱体1、空压机2、机械振动混料装置3、点胶机4、光照加热系统5、排气冷却系统6、控制系统7、机械转化装置8、底板101、顶板102、左侧板103、右侧板104、后侧板105、前侧板106、安装口9、料筒401、振动电机301、连接座302、上部夹持板303、中部固定板304、下部夹持板305、通孔306，、螺纹通孔307、紧固螺钉308、控制单元701、移动平台702、龙门架703、打印平台704、横梁705、移动座706、连接板707、烤灯501、温度计10、固定块100、安装座801、伺服电机802、齿轮803、推杆804、第一连接杆805、第二连接杆806、第三连接杆807、直齿808、橡皮筋套座809、凹槽810、弹簧卡套811、弹簧槽812、弹簧顶板813、橡皮筋导向座819、导向孔814、橡皮筋固定座815、限位座816、限位板817、杆件818、电源200、烤灯调节器300、风扇调节器400。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图20所示，一种复合材料3D打印机，包括箱体1、空压机2、机械振动混料装置3、点胶机4、光照加热系统5、排气冷却系统6、控制系统7、机械转化装置8。箱体1由底板101、侧板和顶板102组成，侧板又包括左侧板103、右侧板104、后侧板105和前侧板106。前侧板106为透明的箱门，有利于观察箱体1内部打印情况和温度计的温度情况。在后侧板105上开设有安装排气冷却系统6的安装口9。排气冷却系统6为组合的多个风扇，风扇配合安装口9通过螺钉固定在后侧板105上，用于对箱体1内部进行排气降温，如图10。排气冷却系统6可优先选用立信电子商行的机柜机箱散热风扇，2500转或3200转带调速电源，风量大小可以通过旋钮自由控制，尺寸优选三风扇版，长36cm，宽12cm，厚2.5cm。

参见图4至图9，机械振动混料装置3用于对点胶机4的料筒401内的浆料进行振动沉降，排除浆料中的间隙和气泡。机械振动混料装置3包括振动电机301以及安装在振动电机301上的夹持机构，夹持机构用于配套夹持料筒401。夹持机构包括一工字型的连接座302，通过螺栓组件固定在振动电机301的连接端口上，连接座302上竖向安装有夹持板。夹持板包括上部夹持板303、中部固定板304和下部夹持板305。中部固定板304固定在连接座302上，上部夹持板303和下部夹持板305分别固定在中部固定板304的顶部和底部。上部夹持板303和下部夹持板305位于同一竖直平面，互为平行。上部夹持板303和下部夹持板305上均设置有竖向的通孔306，两通孔306的中心位于同一竖直线上，通孔306的大小根据料筒401而定。在上部夹持板303和下部夹持板305的自由端均设置有螺纹通孔307，水平贯穿至通孔306内，螺纹通孔307配套紧固螺钉308，通过紧固螺钉308对放置在通孔306内的料筒401进行锁紧。安装好料筒401后，开启振动电机301，料筒401内的浆料将随之振动，排除浆料中的气泡和间隙，避免浆料中的气泡和间隙对打印的产品产生影响，从而提高产品质量。其中，振动电机301优选上海科界机电制造有限公司大溪分公司生产的ZB10平板振动抹光机，220V单相250W。拆除振动电机301的底盘，安装上夹持机构，即构成机械振动混料装置3。

参见图12，控制系统7包括控制单元701和移动平台702，控制单元701设置在箱体1外，移动平台702设置在箱体1内，控制单元701连接控制移动平台702。移动平台702包括龙门架703以及设置在龙门架703下方的打印平台704，龙门架703上安装有上下移动的横梁705，横梁705上安装有左右移动的移动座706，移动座706用于配套安装料筒401。移动座706包括上述用于夹持料筒401的夹持板，也就是说，移动座706上的夹持板和机械振动混料装置3上的夹持板的结构和功能都是一样的，均用于夹持固定料筒401，此处不再赘述。移动座706上的夹持板通过一“L”型的连接板707连接在移动座706上。在打印的过程中，控制单元701控制移动平台702的X轴、Y轴、Z轴运动，也就是移动座706的左右运动，打印平台704的前后运动，横梁705的上下运动。其中控制系统7可优先选用品牌为MicroMake，型号为C1的3D打印机，将其移动座上的打印头更换为夹持板，通过“L”型的连接板707连接固定即可。

参见图2和图11，箱体1内设置有光照加热系统5，光照加热系统5包括安装在左侧板103、右侧板104和后侧板105上的多个烤灯501，烤灯501对应照射打印平台704，用于对料筒401挤出的浆料进行加热，加速其固化。其中烤灯501可优先选用品牌为NOMOYPET的全光谱UVA+UVB3.0太阳灯，360度可旋转，带调温灯架，灯架可夹可挂，使用方便。因此，在安装的时候，可在箱体1内设置挂钩，通过灯架将烤灯挂于挂钩上即可，非常方便。

参见图13和图14，为了对箱体1内温度进行检测，在箱体1内安装有温度检测装置，温度检测装置为温度计10，温度计10安装在移动座706上。为了便于安装温度计10，在移动座706上的连接板707与夹持板之间设置有固定块100。也就是说，固定块100的一面固定连接连接板707，另一面固定连接夹持板。在固定块100的侧面绑定温度计10，这样有利于检测料筒401出料端周围温度，即成型产品周围的固化温度，检测精度更为准确，缩小温度误差，从而更为准确的进行判断，是否需要对光照加热系统5和/或排气冷却系统6进行调节，以保持合适的固化温度，使其固化速度加快又不至于导致过度固化而出现裂纹。

参见图15至图20，机械转化装置8设置于箱体1内。机械转化装置8包括安装座801，安装座801固定在右侧板104上。安装座801上安装有伺服电机802，伺服电机802连接控制单元701，伺服电机802优先选用品牌为MicroMake，型号为42BYGH47-23D的电机。伺服电机802的旋转轴上设置有圆盘式的齿轮803，齿轮803顶部啮合有推杆804。推杆804包括第一连接杆805、第二连接杆806和第三连接杆807，第一连接杆805和第三连接杆807横向设置，第二连接杆806竖向设置。第二连接杆806的底端连接第一连接杆805的右端，第二连接杆806的顶端连接第三连接杆807的左端。第三连接杆807的底端设置有与齿轮803相互啮合的直齿808，用于带动推杆804水平向移动。第三连接杆807的右端连接有橡皮筋套座809，橡皮筋套座809中部设置有用于套设橡皮筋(图中未画出)的凹槽810。橡皮筋套座809的自由端端面连接有弹簧卡套811，安装座801上设置有带弹簧槽812的弹簧顶板813，弹簧槽812正对弹簧卡套811，中间设置弹簧(图中未画出)，弹簧一端卡持在弹簧卡套811上，另一端位于弹簧槽812内。橡皮筋套座809下方的安装座801上设置有橡皮筋导向座819，橡皮筋导向座819内横向设置有导向孔814，导向孔814对应有橡皮筋固定座815，橡皮筋固定座815设置在安装座801上。橡皮筋穿过导向孔814，一端套设在橡皮筋套座809的凹槽810内，另一端套设在橡皮筋固定座815上。对应第一连接杆805的安装座801上设置有限位座816，限位座816包括两对称的限位板817，限位板817之间连接有杆件818，第一连接杆805位于两限位板817之间以及杆件818的下方，由此对第一连接杆805起到限位移动的作用。第一连接杆805的自由端对应有点胶机4的点胶开关(图中未画出)，点胶开关安装在安装座801上。伺服电机802通过控制单元701控制其顺时针旋转或反时针旋转，伺服电机802带动齿轮803同步旋转，齿轮803带动推杆804水平正向或反向移动，使其第一连接杆805的自由端触碰点胶开关或脱离点胶开关，从而控制点胶机4点胶或回抽。

机械转化装置8连接点胶机4，点胶机4连接空压机2，点胶机4和空压机2设置在箱体1外部。其中空压机2优选品牌为OUTSTANDING，型号为750W-30L的空压机。点胶机4为半自动点胶机，优先选用型号为JF-2000半自动点胶机。半自动点胶机包括半自动和人工两种模式，本方案选用人工模式，通过机械转化装置8代替人工操作，从而实现点胶机的自动化，不限次数和时长，规避了传统全自动点胶机存在点胶次数和时长限制的缺陷。

本发明是经本工作室最新自制研发的复合材料3D打印机，是基于现有的塑料打印机的移动平台，进行一系列设计、改造、组装而成。设备主体采用原塑料打印机的移动平台，由空压机2为复合材料浆料挤出提供压力。为了实现了精准控制挤出浆料，及时回抽的基本功能，加装了点胶机4，并由一个伺服电机802控制点胶机4，使其按规定的时间和剂量挤出和回抽。控制单元701控制移动平台702的移动和浆料挤出，使平台移动702和浆料挤出同步控制。料筒401附近装有温度计10，可实时观测箱体1内部的温度，由四个烤灯501加速模型干燥、固化，后置三个排气扇及时排气，降温。经过试验测试，该设备能够打印多种复杂结构的复合材料模型。同时，以上所选品牌、型号等，只是其中一种合理的匹配方案，并不局限于此，其余合理的参数匹配形式也是可以的。

参见图1，其具体的操作及控制流程为：

1.浆料预处理

(1).将配好的浆料注入料筒401，将活塞推入针筒1/4处用以预留回抽空间。

(2).将针头旋入料筒401挤出口。

(3).将料筒401垂直放置于机械振动混料装置3的夹持机构中，并将紧固螺母旋紧。

(4).开启震动开关，震动数分钟，直到料筒401内浆料无气泡和间隙。

(5).反向旋转松开机械振动混料装置3夹持机构上的紧固螺钉308，将处理好的浆料随料筒401取下，料筒401上部接入气管线，并放置于3D打印机移动平台702的移动座706中，并将其紧固螺钉308旋紧。

2、储备压力

(1).将空压机2接通电源，开关置于ON位置，机器启动。

(2).待储气缸压力值上升到合适范围，将开关置于OFF位置，机器停止运转。

(3).打开空压机2压力阀门。

3、模型切片

(1).将STL格式的模型文件导入切片软件Cura，进行切片处理。

(2).层厚应与所使用针管的直径保持一致。

(3).打印速度设置为20左右为宜。

(4).输出文件格式为Gcode文件，在电脑上将其导入读卡器后，取下内存卡，将内存卡插入控制单元701左边的插槽中。

3、3D打印操作流程

(1).按下遥控器上的开关按钮或电源200上的按钮，开启总电源。

(2).旋转控制单元701显示面板旁的旋钮以选择切片文件，找到已经切好的模型文件，按下按钮即为确定，移动平台702开始移动。

(3).按下点胶机4电源开关按钮至ON位置，显示灯亮，再将模式选择为MAN。

(4).根据打印针头的粗细，调节AIR PRESSURE旋钮以调节气压大小。

(5).调节VACUUM旋钮以调节回抽压力大小。

(6).打印过程中，可根据移动平台702的移动座706上的温度计10实时观测箱体1内部温度变化，根据温度可通过烤灯调节器300调节烤灯501强弱和风扇调节器400调节风扇强弱。

4、产品后处理

(1).打印好的模型，放置于箱体1中继续保温加热一段时间，待其干燥后再取出。

(2).将模型放入光固化箱体中，进行二次固化。

(3).最后进行烧结成型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料3D打印机，其特征在于：包括箱体、空压机、机械振动混料装置、点胶机、光照加热系统、排气冷却系统、控制系统、机械转化装置；所述机械振动混料装置用于对所述点胶机的料筒内的浆料进行振动沉降，排除浆料中的间隙和气泡；所述控制系统包括控制单元和移动平台；所述控制单元连接控制移动平台和机械转化装置，机械转化装置连接点胶机，点胶机连接空压机；所述箱体外部设置空压机、点胶机和控制单元，箱体内部设置移动平台、机械转化装置、光照加热系统和排气冷却系统；所述光照加热系统用于对箱体内部进行加热，排气冷却系统用于对箱体内部进行降温；所述箱体内设置有温度检测装置，用于对箱体内部温度进行检测，从而调节光照加热系统和排气冷却系统。

2.根据权利要求1所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述机械振动混料装置包括振动电机以及安装在振动电机上的夹持机构，夹持机构用于配套夹持料筒。

3.根据权利要求1所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述点胶机为半自动点胶机。

4.根据权利要求1所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述机械转化装置包括安装座，安装座上安装有伺服电机，伺服电机连接控制单元，伺服电机的旋转轴上设置有齿轮，齿轮啮合有推杆，推杆对应有点胶机的点胶开关；所述齿轮带动推杆正向或反向直线运动，使其推杆触碰点胶开关或脱离点胶开关，从而控制点胶机点胶或回抽。

5.根据权利要求1所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述移动平台包括龙门架以及设置在龙门架下方的打印平台，龙门架上安装有上下移动的横梁，横梁上安装有左右移动的移动座，移动座用于配套安装料筒。

6.根据权利要求5所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述温度检测装置安装在移动座上。

7.根据权利要求6所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述温度检测装置为温度计。

8.根据权利要求5所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述光照加热系统包括安装在箱体内侧壁上的多个烤灯，烤灯对应照射打印平台，用于对料筒挤出的浆料进行加热，加速其固化。

9.根据权利要求1所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述排气冷却系统包括安装在箱体侧壁上的多个风扇，用于对箱体内部进行排气降温。

10.根据权利要求7所述的复合材料3D打印机，其特征在于：所述箱体包括透明的箱门，便于观察箱体内部打印情况和温度计的温度情况。