CN109648849B - 轮胎3d打印系统及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的轮胎3D打印系统及打印方法，包括胶体螺旋注射单元、轨迹合成单元和轨迹控制单元；轨迹合成单元安装在胶体螺旋注射单元的出胶端侧；轨迹控制单元用于控制胶体注射参数和轨迹合成单元的运动参数；胶体螺旋注射单元在打印过程中处于相对静止状态，其负责将符合要求的胶体按规定参数匀速喷出至环状胎基的组合胎槽中。上述打印系统及打印方法具有打印精度高、系统控制简单、喷胶过程稳定性高、喷胶精度高；橡胶打印喷头后部设有对胶体温度二次调节的温度调节器，对橡胶的胶体特性如粘度进行精确控制；轨迹合成单元将前后运动、上下运动和旋转运动结合在一起，并在打印过程中进行优化迭代，最终形成精确的打印轨迹。

Description

轮胎3D打印系统及打印方法

技术领域

本发明涉及轮胎生产技术领域，具体涉及一种轮胎3D打印系统及打印方法。

背景技术

目前，被称为3D打印技术的快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing)在我国得到了迅速的发展和广泛的运用。快速原型制造（RPM）好像燕子衔泥筑巢，将材料微粒一层一层粘接而形成产品。每层粘结有如印刷，多层粘结就形象地称为立体打印或3D打印。

根据成型方法，RPM可分为为两类。第一类为基于激光及其他光源的成型技术，例如：立体光固化成型SLA、分层实制造LOM、选域激光粉末烧结SLS、形状沉积成型SDM等。第二类为基于喷射的成型技技术，例如：熔融沉积成型FDM、三维印刷3DP、多相喷射沉积MJD。比较成熟的快速成型技术有下列几种：

1、立体光固化成型法（Stereo lithography Appearance, SLA）

是用立体雕刻原理对液态光敏树脂进行分层选择性固化的快速成型技术。

、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing, LOM）

是根据零件分层几何信息，在电脑控制下的薄片材料激光叠加实体造型工艺。

、选域激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）

用激光对粉末材料分层选择性烧结的快速成型工艺。

、熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）

是丝状热塑性材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结成型。

、三维印刷成型（Three-Dimensional Printing，3DP）

是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”（粘结）在材料粉末上面。

、多层喷射沉积（multi-layer spray deposition，MD）

通过喷头将橡胶胶体一层一层的喷在模具上，利用橡胶本身的粘结力和胶体沉积作用形成特定的形状。

上述多层喷射沉积（MD）在橡胶轮胎生产领域有着较大应用前景，其应用案例也越来越多，国际轮胎巨头如米其林公司和国内一些规模较大企业正在该领域加大投入，也产出了一些成果，如山东玲珑轮胎股份有限公司的3D打印聚氨酯轮胎技术、米其林公司3D打印的蜂窝结构轮胎等。

多层喷射沉积（MD）技术在橡胶轮胎生产领域目前已经发展了2代，其向高效、节能的发展趋势越发明显。目前多层喷射沉积（MD）技术在前2代的基础上，前端结合橡胶混炼和密炼技术，后端结合3D打印技术，已经进入MD2.5时代。

但上述技术成果对免充气橡胶轮胎的打印并无涉及，由于橡胶轮胎的特殊性能，目前对橡胶台进行3D打印的案例非常少，中国专利CN201610126970.5《一种橡胶组合物、制备方法及其在3D打印空心轮胎中的应用》提到橡胶组合物在3D打印中的应用事项，为橡胶轮胎3D打印工业化生产提供了一种解决思路。

中国专利申请CN201610129153.5《一种制造空心橡胶轮胎的3D打印机》提出了一种3D轮胎打印方案，部分解决了轮胎3D打印的问题，但由于其结构复杂，特别是需要单独控制橡胶打印喷头的运动轨迹并与侧环的运动轨迹匹配，打印精度难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种轮胎3D打印系统及打印方法，实现了从橡胶原料到轮胎打印的体系化，解决了免充气橡胶轮胎工业化3D打印的难题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：轮胎3D打印系统，包括胶体注射单元、轨迹合成单元和轨迹控制单元；轨迹合成单元安装在胶体注射单元的出胶端侧；轨迹控制单元用于控制胶体挤出参数和轨迹合成单元的运动参数；胶体注射单元在打印过程中处于相对静止状态，其负责将符合要求的胶体按规定参数匀速喷出至环状胎基的组合胎槽中。

轨迹控制单元安装在独立的控制器柜中。

轨迹合成单元可以实现前后、上下方向的合成运动，同时实现环状胎基的旋转运动，继而达到打印轮胎的目的。

轨迹控制单元实时监控胶体注射单元的各项参数和轨迹合成单元运动参数，并计算出轮胎横截面任一点的匹配参数值。

所述轨迹控制单元包括控制器模块和传感器组件，传感器组件包括温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器；温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器分别安装在胶体注射单元上并同时与控制器模块连接；控制器模块位于胶体注射单元和轨迹合成单元之间；温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器将胶体注射单元的温度、压力和胶体粘度值实时传输给控制器模块。控制器模块采用西门子或三菱PLC，自带输入和输出接口，可以方便的与各种传感器和显示终端进行通信。

控制器模块如果采用西门子PLC，一般选择S7-200系列；如果采用三菱PLC，一般选择FX2N系列。

温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器的电信号一般先转换成模拟信号传输给PLC,因此在PLC与上述各传感器之间需要设有数模转换装置。

温度传感器采用美国Omega HX94 系列,技术参数为：

电压输入范围： 6~30Vdc（极性保护）

测量范围： 3°C ~95°C 精度：±2%

重复性：±1%

温度补偿： -20 ~ 85°C (4 ~ 185°F)

电流输出 HX94C： 4~20 mA（0~100%）

电压输出 HX94V： 0~1.0 V（0~100%）

时间常数: （在流速为1m/sec的空气中, 25°C下达到90%响应的时间）

少于20秒: 10 ~ 90% RH

少于30秒: 90 ~ 10% RH

温度薄膜100 Ω铂RTD (DIN 43760)

输入电压范围: 6 ~ 30 Vdc （极性保护）

量程: 0 to 100°C (32 ~ 212°F)

精度: ±0.6°C (±1°F)

重复性: ±0.3°C (±0.5°F)

电流输出: HX94C: 0 ~ 100°C为4 ~ 20 mA

电压输出: HX94V: 0 ~ 100°C为0 ~ 1.0 V

时间常数: （60%响应）在移动的空气(1m/sec)中少于2秒，在静止空气中少于10秒。

压力传感器采用美国OmegaPX409系列，技术参数为：

0.08% BSL，包括线性度、滞后性及重复性；温度补偿范围： -29 ~ 85°C (-20 ~185°F)；温度性能跨度：在补偿范围内为±0.5%；输出可选：mV/V；0 ~ 5 V 或 0 ~ 10 V；4~ 20mA；含5测量点NIST可溯源校准；跨越整个温度和压力量程的数字动态热补偿；低压量程始于10 in-H2O；全不锈钢接液部件；响应时间短；具有固态可靠性和稳定性；可测量表压和绝对压力；最小300%的耐受压力。

胶体粘度传感器以诺克尔SV-250在线浸入式粘度传感器为基础，可以提供在线检测，没有可拆卸部件，不受流动条件、振动的影响。

所述胶体注射单元包括注射成型机、橡胶打印喷头和温度调节器；温度调节器安装在注射成型机和橡胶打印喷头之间。

橡胶打印喷头的外壁是由多层结构所构成，内层是导热层，导热层与其外侧的弹性保温层相接触固定，在弹性保温层的外侧是外壁，在弹性保温层的上部设置有压力传导结构。橡胶打印喷头的内管腔的形状是倒锥形。

所述轨迹合成单元包括底座、前后移动组件、上下移动组件和旋转组件，所述前后移动组件安装在底座上，上下移动组件安装在前后移动组件上，旋转组件安装在上下移动组件上；底座为整体式配重座，其底侧安装有调平装置，既可以实现相对容易的移动，又起到稳定轨迹合成单元重心、提高系统稳定性、保证打印精度的作用。

所述前后移动组件包括托盘、驱动电机、水平光滑导轨副和螺杆驱动机构，驱动电机固定在底座上，水平光滑导轨副固定在底座两侧；螺杆驱动机构一端连接在驱动电机上，托盘的下侧面上设有与螺杆驱动机构的螺杆配合的螺母；水平光滑导轨副的可移动部分与托盘连接；

所述上下移动组件包括竖直运动驱动电机、传动涡轮蜗杆副、竖直光滑导轨副、顶板、底板和导轨副连接构件，底板固定在托盘上，竖直运动驱动电机固定在底板上，传动涡轮蜗杆副的下端连接在竖直运动驱动电机上；导轨副连接构件对称的连接在竖直光滑导轨副的活动部分上；顶板固定在竖直光滑导轨副的顶端；传动涡轮蜗杆副的输出轴上部为外螺纹杆；顶板下侧面上固定有与传动涡轮蜗杆副的输出轴配合的内螺纹座；

所述旋转组件包括旋转驱动电动机、传动轴和环状胎基；旋转驱动电动机固定在导轨副连接构件上，环状胎基安装在另一侧的导轨副连接构件上；传动轴同时穿过对称安装的导轨副连接构件，传动轴的两端分别与旋转驱动电动机和环状胎基连接。

所述环状胎基的外侧面安装有组合胎槽，该组合胎槽包括环状侧板和环状基板；环状侧板安装在环状基板的两侧，并与环状基板形成与待打印轮胎内侧环面匹配的形状。组合胎槽可以根据轮胎的特定形状进行订制，打印完成后拆卸胎坯时不需将环装胎基一并拆卸下来。环状胎基一般采用铸件，重量大。由于环装胎基与旋转驱动电动机连接，其拆装比较费时费力，比较困难；如大量配置环状胎基，容易造成物料浪费，效率也无法保证；采用组合胎槽，可以有效提高作业效率，降低物料成本。

所述环状侧板胶合在环状基板上，环状基板的内环面上设有固定键槽；所述环状胎基上设有与上述固定键槽匹配的定位槽，固定键槽和定位槽组成的连接腔内塞入定位块；所述定位块包括前端为直板和后端直板，前端直板和后端直板垂直布置；前端直板和后端直板之间为阶梯状过渡区；后端直板上设有固定圆孔；环状胎基的外侧设有与固定圆孔匹配的安装孔。安装时先将胶合好的组合胎槽套装在环状胎基上，调整环状胎基和组合胎槽的相位，确保固定键槽和定位槽位置匹配；然后将定位块塞入定位槽和固定键槽形成的空腔内，使用螺钉通过固定圆孔和安装孔将后端直板固定在环状胎基上。

上述阶梯状过渡区设有凸台，环状胎基另一侧设有环状挡板，上述凸台和环状挡板配合起到限位作用，可以限制组合胎槽在环状胎基上的轴向运动，既可以方便的拆卸，又可以满足轮胎打印精度要求。

更换组合胎槽时只需要将定位块拆掉，就可以轻松的将组合胎槽从环状胎基上取下。

所述导轨副连接构件包括连接筒和固定在连接筒两端的连接板，连接板上开有与连接筒内孔匹配的通孔。连接筒与连接板焊接在一起。

所述温度调节器包括外壳、加热扁管、进胶口和出胶口，进胶口和出胶口分别位于外壳的两端，加热扁管固定在进胶口和出胶口之间。加热扁管内部设有加热电阻丝，加热电阻丝由外壳对应的通道引入，形成电加热回路。外壳上设有对应的加热缆线出入口。

橡胶打印喷头的外壁是由多层结构所构成，内层是导热层，导热层与其外侧的弹性保温层相接触固定，弹性保温层的外侧是外壁，在弹性保温层的上部设置有压力传导结构。该压力传导结构的内表面为光滑面，入口处与出口处的相位差为50°～65°。橡胶打印喷头的内管腔的形状是倒锥形，倒锥形是上端与压力传导结构的出口处连接。

所述加热扁管的横截面为椭圆形，该椭圆形的内壁上敷设加热电阻丝，加热扁管的管壁2mm～3mm，以提高导热效率。加热扁管椭圆形外观可以减少胶体的摩擦阻力。在加热扁管之间还设有加强杆，防止压力过大损坏加热扁管。另外，加热扁管的椭圆形结构还具有较好的抗压性能。

轮胎3D打印方法，包括以下步骤：

a.确定注射成型机当前的运行状态：检测注射成型机所述当前运行状态下的温度值、橡胶粘度值和压力值，在所述压力值、温度值和橡胶粘度值满足所述预设检测条件时，控制器自动确定橡胶打印喷头初始喷出速率值；控制器将启动信号传输给胶体注射单元的注射成型机，注射成型机启动，此时温度调节器也开始运行。温度调节器在控制器根据温度传感器的反馈信号计算后，对橡胶流体进行微加热、重值加热或高值加热。由于打印过程中橡胶流体会不断的带走热量和橡胶打印喷头不断的散失热量，在橡胶打印喷头处需要不断补充热量，保证橡胶流体保持要求的流动性。

根据步骤a中橡胶打印喷头初始喷出速率值确定环状胎基的初始旋转速率值和轨迹合成单元的初始运动速率值；轨迹合成单元的初始运动速率值包括前后往复运动的速率值、上下往复运动的速率值。其中，前后往复运动由驱动电机正反转切换实现；上下往复运动由竖直运动驱动电机正反转切换实现。

先启动旋转驱动电动机使环状胎基在其初始旋转速率下旋转，然后轨迹合成单元启动；使环状胎基的与橡胶打印喷头的距离达到设定值，橡胶打印喷头启动开始喷胶；环状胎基的组合胎槽与橡胶打印喷头的距离与橡胶流体的温度、橡胶打印喷头内的压力和橡胶流体的粘度正相关。

控制器迭代程序启动，继续检测注射成型机的压力值、温度值和橡胶粘度值，并根据所述压力值、温度值和橡胶粘度值对橡胶打印喷头的喷胶速率值进行修正；所述压力值、温度值和橡胶粘度值对橡胶打印喷头的喷胶速率值修正后，环状胎基的组合胎槽与橡胶打印喷头的距离也会相应改变。注射成型机自带加热功能，其对橡胶的加热过程为第一次加热，温度调节器对注射成型机送出的橡胶流体进行第二次加热。注射成型机选择浙江百纳橡塑设备有限公司生产的第八代挤出机。注射成型机后部还可以安装橡胶开练机，可以实现炼胶、挤胶和轮胎打印的自动化生产。

根据步骤d中修正后的喷胶速率值对轨迹合成单元的移动速率值和环状胎基的旋转速率值进行修正；

f.重复进行步骤d和步骤e至轮胎打印完成。

所述步骤d中迭代程序包括水平方向迭代公式和竖直方向迭代公式；

其中，水平方向迭代公式为

，j=1,2,...,N；

竖直方向的迭代公式为，j=1,2,...,N；

将水平方向迭代公式与竖直方向迭代公式组合，得到下列输出矩阵公式，，其中，ii是行号，jj是列号；/>为轮胎端面内对应点的打印参数值。该参数值包括环状胎基的旋转速率、橡胶打印喷头喷胶的速率和胶体温度、轨迹合成单元前后移动速率和上下移动速率。

所述步骤f完成后，将组合胎槽与轮胎一起拆下待硫化作业；同时更换新的组合胎槽为下一次打印做好准备。组合胎槽与环状胎基采用螺栓连接。环状胎基为采用一体化铸造技术生产，以保持较大转动惯性。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.打印精度高，打印轨迹仅由轨迹合成单元完成，胶体注射单元始终处于静止状态；打印时橡胶打印喷头始终处于轮胎最高位置的端面处，降低了系统控制的复杂性；

2.采用固定式的橡胶打印喷头，方便与其他设备如注射成型机匹配，简化系统喷胶部分的结构，提高喷胶过程的稳定性，提升喷胶精度；

3. 橡胶打印喷头后部设有对胶体温度二次调节的温度调节器，对橡胶的胶体特性如粘度进行精确控制，提高打印效果；

4. 轨迹合成单元可以进行复杂的多维度内运动，将前后运动、上下运动和旋转运动结合在一起，并在打印过程中进行优化迭代，最终形成精确的打印轨迹。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明轮胎3D打印系统的布置结构示意图；

附图2为本发明轮胎3D打印系统的布置结构示意图;

附图3为本发明的轨迹合成单元结构示意图；

附图4为本发明的轨迹合成单元结构示意图;

附图5为本发明的旋转组件爆炸结构示意图；

附图6为本发明定位块的结构示意图；

附图7为本发明组合胎槽的结构示意图；

附图8为本发明环状胎基的结构示意图；

附图9为本发明温度调节器的结构示意图；

附图10为本发明加热扁管的结构示意图；

附图11为本发明温度调节器的外壳结构示意图。

图中：1、控制器柜；2、控制器模块；3、轨迹合成单元；4、胶体注射单元；5、调平装置；6、底座；7、驱动电机；8、水平光滑导轨副；9、旋转驱动电动机；10、顶板；11、输出轴；12、组合胎槽；13、竖直运动驱动电机；14、托盘；15、底板；16、传动涡轮蜗杆副；17、竖直光滑导轨副；18、螺杆驱动机构；19、内螺纹座；20、传动轴；21、环状胎基；22、定位块；23、前端直板；24、凸台；25、后端直板；26、固定圆孔；27、固定键槽；28、环状侧板；29、环状基板；30、环状挡板；31、定位槽；32、安装孔；33、加热扁管；34、外壳；35、通道；36、出胶口；37、橡胶打印喷头；38、加强杆；39、加热缆线出入口；40、进胶口；41、连接线槽；42、连接板；43、连接筒。

实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图2所示的一种轮胎3D打印系统，包括胶体注射单元4、轨迹合成单元3和轨迹控制单元；轨迹控制单元的控制器柜1通过连接线缆43与胶体注射单元4、轨迹合成单元3连接。控制器模块2安装在控制器柜1内部。

轨迹合成单元3安装在胶体注射单元4的出胶端侧；轨迹控制单元用于控制胶体挤出参数和轨迹合成单元3的运动参数；胶体注射单元4在打印过程中处于相对静止状态，其负责将符合要求的胶体按规定参数匀速喷出至组合胎槽12中。

胶体注射单元4包括注射成型机、橡胶打印喷头37和温度调节器，为适应自动化生产，还可以配备橡胶开练机等设备。

轨迹控制单元的控制器模块安装在独立的控制器柜1中。

轨迹合成单元3可以实现前后、上下方向的合成运动，同时实现环状胎基的旋转运动，继而达到打印轮胎的目的。

轨迹控制单元实时监控胶体注射单元4的各项参数和轨迹合成单元3运动参数，并计算出轮胎横截面任一点的匹配参数值。

轨迹控制单元包括控制器模块2和传感器组件，传感器组件包括温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器；温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器分别安装在胶体注射单元4上并同时与控制器模块2连接。温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器通过连接线缆43与控制器模块2连接。

轨迹合成单元3上安装有位置传感器、转速传感器和线速度传感器；转速传感器和线速度传感器分别用来检测轨迹合成单元3前后方向的运动速度、上下方向运动速度和转速值；位置传感器用来确定旋转组件相对与橡胶打印喷头37的位置。

控制器模块2位于胶体注射单元4和轨迹合成单元3之间；温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器将胶体注射单元的温度、压力和胶体粘度值实时传输给控制器模块2。控制器模块2采用西门子或三菱PLC，自带输入和输出接口，可以方便的与各种传感器和显示终端进行通信。

控制器模块2如果采用西门子PLC，一般选择S7-200系列；如果采用三菱PLC，一般选择FX2N系列。

温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器的电信号一般先转换成模拟信号传输给PLC,因此在PLC与上述各传感器之间需要设有数模转换装置。

温度传感器采用美国Omega HX94 系列,技术参数为：

电压输入范围： 6~30Vdc（极性保护）

测量范围： 3°C ~95°C 精度：±2%

重复性：±1%

温度补偿： -20 ~ 85°C (4 ~ 185°F)

电流输出 HX94C： 4~20 mA（0~100%）

电压输出 HX94V： 0~1.0 V（0~100%）

时间常数: （在流速为1m/sec的空气中, 25°C下达到90%响应的时间）

少于20秒: 10 ~ 90% RH

少于30秒: 90 ~ 10% RH

温度薄膜100 Ω铂RTD (DIN 43760)

输入电压范围: 6 ~ 30 Vdc （极性保护）

量程: 0 to 100°C (32 ~ 212°F)

精度: ±0.6°C (±1°F)

重复性: ±0.3°C (±0.5°F)

电流输出: HX94C: 0 ~ 100°C为4 ~ 20 mA

电压输出: HX94V: 0 ~ 100°C为0 ~ 1.0 V

时间常数: （60%响应）在移动的空气(1m/sec)中少于2秒，在静止空气中少于10秒。

压力传感器采用美国OmegaPX409系列，技术参数为：

0.08% BSL，包括线性度、滞后性及重复性；温度补偿范围： -29 ~ 85°C (-20 ~185°F)；温度性能跨度：在补偿范围内为±0.5%；输出可选：mV/V；0 ~ 5 V 或 0 ~ 10 V；4~ 20mA；含5测量点NIST可溯源校准；跨越整个温度和压力量程的数字动态热补偿；低压量程始于10 in-H2O；全不锈钢接液部件；响应时间短；具有固态可靠性和稳定性；可测量表压和绝对压力；最小300%的耐受压力。

胶体粘度传感器以诺克尔SV-250在线浸入式粘度传感器为基础，可以提供在线检测，没有可拆卸部件，不受流动条件、振动的影响。

胶体注射单元4包括注射成型机、橡胶打印喷头37和温度调节器；温度调节器安装在注射成型机和橡胶打印喷头37之间。

温度调节器包括外壳34、加热扁管33、进胶口40和出胶口36；进胶口40和出胶口36分别位于外壳的两端，并有90°相位差。

加热扁管33固定在进胶口40和出胶口36之间。加热扁管33内部设有加热电阻丝，加热电阻丝由外壳34对应的通道35引入，形成电加热回路。加热电阻丝紧贴加热扁管33的内壁敷设；采用嵌装的方式，将加热电阻丝装入加热扁管33内表面的凹槽中，并在电阻丝和加热扁管33之间设有隔热绝缘层。外壳34上设有对应的加热缆线出入口39。加热缆线一端与加热电阻丝连接，另一端与控制器柜1连接。

控制器柜1上配有加热电源。控制器模块2控制加热电源的开启和关闭，实现加热电阻丝的通电和断电。

橡胶打印喷头37的外壁是由多层结构所构成，内层是导热层，导热层与其外侧的弹性保温层相接触固定，在弹性保温层的外侧是外壁，在弹性保温层的上部设置有压力传导结构。橡胶打印喷头37的内管腔的形状是倒锥形。

如图3至图11所示，轨迹合成单元3包括底座6、前后移动组件、上下移动组件和旋转组件，前后移动组件在控制器模块2的控制下前后往复运动，形成待打印轮胎轴心方向的往复运动。

上下移动组件在控制器模块2的控制下上下往复运动，形成待打印轮胎径向的往复运动。

旋转组件在控制器模块2的控制下匀速旋转，形成待打印轮胎的周向运动。

前后移动组件安装在底座6上，上下移动组件安装在前后移动组件上，旋转组件安装在上下移动组件上，形成前后、上下和旋转的复合运动。

底座6为整体式配重座，其底侧安装有调平装置5，既可以实现相对容易的移动，又起到稳定轨迹合成单元3重心、提高系统稳定性、保证打印精度的作用。

前后移动组件包括托盘14、驱动电机7、水平光滑导轨副8和螺杆驱动机构18，驱动电机7固定在底座6上，水平光滑导轨副8固定在底座6两侧；螺杆驱动机构18一端连接在驱动电机7上，托盘14的下侧面上设有与螺杆驱动机构18的螺杆配合的螺母；水平光滑导轨副8的可移动部分与托盘14连接；螺杆驱动机构18包括螺杆和支撑座，支撑座固定在底座6的端部，螺杆穿过螺母安装在支撑座上。螺杆与支撑座通过轴承连接。水平光滑导轨副8包括直线光滑导轨和可移动的滑块。

上下移动组件包括竖直运动驱动电机13、传动涡轮蜗杆副16、竖直光滑导轨副17、顶板10、底板15和导轨副连接构件，底板15固定在托盘14上，竖直运动驱动电机13固定在底板15上，传动涡轮蜗杆副16的下端连接在竖直运动驱动电机13上；导轨副连接构件对称的连接在竖直光滑导轨副17的活动部分上；顶板10固定在竖直光滑导轨副17的顶端；传动涡轮蜗杆副16的输出轴上部为外螺纹杆；顶板10下侧面上固定有与传动涡轮蜗杆副16的输出轴配合的内螺纹座；传动涡轮蜗杆副16包括涡轮和长蜗杆，可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑，两轮啮合齿面间为线接触，相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小，具有自锁性，传动精度高，非常适合轮胎的3D打印。

旋转组件包括旋转驱动电动机9、传动轴20和环状胎基21；旋转驱动电动机9固定在导轨副连接构件上，环状胎基21安装在另一侧的导轨副连接构件上；传动轴20同时穿过对称安装的导轨副连接构件，传动轴20的两端分别与旋转驱动电动机9和环状胎基21连接。导轨副连接构件包括对称布置的两块连接板42和连接筒43，连接筒43焊接在两个连接板42之间。

环状胎基21的外侧面安装有组合胎槽12，该组合胎槽12包括环状侧板28和环状基板29；环状侧板28安装在环状基板29的两侧，并与环状基板29形成与待打印轮胎内侧环面匹配的形状。组合胎槽12可以根据轮胎的特定形状进行订制，打印完成后拆卸胎坯时不需将环装胎基21一并拆卸下来。

环状胎基21一般采用铸件，重量大。由于环装胎基21与旋转驱动电动机9连接，其拆装费时费力，比较困难；如大量配置环状胎基21，容易造成物料浪费，效率也无法保证；采用组合胎槽12，可以形成系列化生产方式，可大量减少环状胎基21的配置数量，有效提高作业效率，降低物料成本。

环状侧板28胶合在环状基板29上，环状基板29的内环面上设有固定键槽27；环状胎基21上设有与上述固定键槽27匹配的定位槽31，固定键槽27和定位槽31组成的连接腔内塞入定位块22。

定位块22包括前端为直板23和后端直板25，前端直板23和后端直板25垂直布置；前端直板23和后端直板25之间为阶梯状过渡区；阶梯状过渡区用于固定组合胎槽12，防止组合胎槽12轴向串动。

后端直板25上设有固定圆孔26；环状胎基21的外侧设有与固定圆孔26匹配的安装孔32。安装时先将胶合好的组合胎槽12套装在环状胎基21上，调整环状胎基21和组合胎槽12的相位，确保固定键槽27和定位槽31位置匹配；然后将定位块22塞入定位槽31和固定键槽27形成的空腔内，使用螺钉通过固定圆孔26和安装孔32将后端直板固定在环状胎基21上。

上述阶梯状过渡区设有凸台24，环状胎基21另一侧设有环状挡板30，上述凸台24和环状挡板30配合起到限位作用，可以限制组合胎槽12在环状胎基21上的轴向运动，既可以方便的拆卸，又可以满足轮胎打印精度要求。

更换组合胎槽12时只需要将定位块22拆掉，就可以轻松的将组合胎槽12和打印好的轮胎一起从环状胎基21上取下。然后换上新的组合胎槽12，就可以进行下一次打印。

导轨副连接构件包括连接筒43和固定在连接筒43两端的连接板42，连接板42上开有与连接筒43内孔匹配的通孔。连接筒43与连接板42焊接在一起。

橡胶打印喷头37的外壁是由多层结构所构成，内层是导热层，导热层与其外侧的弹性保温层相接触固定，弹性保温层的外侧是外壁，在弹性保温层的上部设置有压力传导结构。该压力传导结构的内表面为光滑面，入口处与出口处的相位差为50°～65°。橡胶打印喷头37的内管腔的形状是倒锥形，倒锥形是上端与压力传导结构的出口处连接。

加热扁管33的横截面为椭圆形，该椭圆形的内壁上敷设加热电阻丝，加热扁管的管壁2mm～3mm，以提高导热效率。加热扁管椭圆形外观可以减少胶体的摩擦阻力。在加热扁管之间还设有加强杆38，防止压力过大损坏加热扁管33或导致加热扁管33变形。另外，加热扁管33的椭圆形结构还具有较好的抗压性能。

轮胎3D打印方法，包括以下步骤：

a.确定注射成型机当前的运行状态：检测注射成型机所述当前运行状态下的温度值、橡胶粘度值和压力值，在所述压力值、温度值和橡胶粘度值满足所述预设检测条件时，控制器自动确定橡胶打印喷头37初始喷出速率值；控制器将启动信号传输给胶体注射单元4的注射成型机，注射成型机启动，此时温度调节器也开始运行。温度调节器在控制器根据温度传感器的反馈信号计算后，对橡胶流体进行微加热、重值加热或高值加热。由于打印过程中橡胶流体会不断的带走热量和橡胶打印喷头不断的散失热量，在橡胶打印喷头处需要不断补充热量，保证橡胶流体保持要求的流动性。

根据步骤a中橡胶打印喷头37初始喷出速率值确定环状胎基21的初始旋转速率值和轨迹合成单元3的初始运动速率值；轨迹合成单元3的初始运动速率值包括前后往复运动的速率值、上下往复运动的速率值。其中，前后往复运动由驱动电机7正反转切换实现；上下往复运动由竖直运动驱动电机17正反转切换实现。

先启动旋转驱动电动机9使环状胎基21在其初始旋转速率下旋转，然后轨迹合成单元3启动；使环状胎基21的与橡胶打印喷头37的距离达到设定值，橡胶打印喷头37启动开始喷胶；环状胎基21的组合胎槽12与橡胶打印喷头37的距离与橡胶流体的温度、橡胶打印喷头内的压力和橡胶流体的粘度正相关。

控制器模块迭代程序启动，继续检测注射成型机的压力值、温度值和橡胶粘度值，并根据所述压力值、温度值和橡胶粘度值对橡胶打印喷头37的喷胶速率值进行修正；压力值、温度值和橡胶粘度值对橡胶打印喷头的喷胶速率值修正后，环状胎基的组合胎槽12与橡胶打印喷头37的距离也会相应改变。注射成型机自带加热功能，其对橡胶的加热过程为第一次加热，温度调节器对注射成型机送出的橡胶流体进行第二次加热。注射成型机选择浙江百纳橡塑设备有限公司生产的第八代挤出机。注射成型机后部还可以安装橡胶开练机，可以实现炼胶、挤胶和轮胎打印的自动化生产。

根据步骤d中修正后的喷胶速率值对轨迹合成单元的移动速率值和环状胎基21的旋转速率值进行修正；

f.重复进行步骤d和步骤e至轮胎打印完成。

所述步骤d中迭代程序包括水平方向迭代公式和竖直方向迭代公式；

其中，水平方向迭代公式为

，j=1,2,...,N；

竖直方向的迭代公式为，j=1,2,...,N；

将水平方向迭代公式与竖直方向迭代公式组合，得到下列输出矩阵公式，其中，ii是行号，jj是列号；/>为轮胎端面内对应点的打印参数值。该参数值包括环状胎基21的旋转速率、橡胶打印喷头37喷胶的速率和胶体温度、轨迹合成单元3前后移动速率和上下移动速率。

所述步骤f完成后，将组合胎槽12与轮胎一起拆下待硫化作业；同时更换新的组合胎槽12为下一次打印做好准备。组合胎槽12与环状胎基21采用螺栓或键连接连接。环状胎基21为采用一体化铸造技术生产，以保持较大转动惯性。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.轮胎3D打印系统，其特征在于：包括胶体螺旋注射单元、轨迹合成单元和轨迹控制单元；轨迹合成单元安装在胶体螺旋注射单元的出胶端侧；轨迹控制单元用于控制胶体螺旋注射参数和轨迹合成单元的运动参数；所述轨迹合成单元包括底座、前后移动组件、上下移动组件和旋转组件，所述前后移动组件安装在底座上，上下移动组件安装在前后移动组件上，旋转组件安装在上下移动组件上；

所述轨迹控制单元包括控制器模块和传感器组件，传感器组件包括温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器；温度传感器、压力传感器和胶体粘度传感器分别安装在胶体螺旋注射单元上并同时与控制器模块连接；控制器模块位于胶体螺旋注射单元和轨迹合成单元之间；

所述胶体螺旋注射单元包括螺旋注射成型机、橡胶打印喷头和温度调节器；温度调节器安装在螺旋注射成型机和橡胶打印喷头之间；

所述温度调节器包括外壳、加热扁管、进胶口和出胶口，进胶口和出胶口分别位于外壳的两端，加热扁管固定在进胶口和出胶口之间；

所述加热扁管的横截面为椭圆形，该椭圆形的内壁上敷设加热电阻丝。

2.根据权利要求1所述轮胎3D打印系统，其特征在于：所述前后移动组件包括托盘、驱动电机、水平光滑导轨副和螺杆驱动机构，驱动电机固定在底座上，水平光滑导轨副固定在底座两侧；螺杆驱动机构一端连接在驱动电机上，托盘的下侧面上设有与螺杆驱动机构的螺杆配合的螺母；水平光滑导轨副的可移动部分与托盘连接；

所述上下移动组件包括竖直运动驱动电机、传动涡轮蜗杆副、竖直光滑导轨副、顶板、底板和导轨副连接构件，底板固定在托盘上，竖直运动驱动电机固定在底板上，传动涡轮蜗杆副的下端连接在竖直运动驱动电机上；导轨副连接构件对称的连接在竖直光滑导轨副的活动部分上；顶板固定在竖直光滑导轨副的顶端；传动涡轮蜗杆副的输出轴上部为外螺纹杆；顶板下侧面上固定有与传动涡轮蜗杆副的输出轴配合的内螺纹座；

所述旋转组件包括旋转驱动电动机、传动轴和环状胎基；旋转驱动电动机固定在导轨副连接构件上，环状胎基安装在另一侧的导轨副连接构件上；传动轴同时穿过对称安装的导轨副连接构件，传动轴的两端分别与旋转驱动电动机和环状胎基连接。

3.根据权利要求2所述轮胎3D打印系统，其特征在于：所述环状胎基的外侧面安装有组合胎槽，该组合胎槽包括环状侧板和环状基板；环状侧板安装在环状基板的两侧，并与环状基板形成与待打印轮胎内侧截面匹配的形状。

4.根据权利要求3所述轮胎3D打印系统，其特征在于：所述环状侧板胶合在环状基板上，环状基板的内环面上设有固定键槽；所述环状胎基上设有与上述固定键槽匹配的定位槽，固定键槽和定位槽组成的连接腔内塞入定位块；所述定位块包括前端直板和后端直板，前端直板和后端直板垂直布置；前端直板和后端直板之间为阶梯状过渡区；后端直板上设有固定圆孔；环状胎基的外侧设有与固定圆孔匹配的安装孔。

5.根据权利要求2所述轮胎3D打印系统，其特征在于：所述导轨副连接构件包括连接筒和固定在连接筒两端的连接板，连接板上开有与连接筒内孔匹配的通孔。

6.根据权利要求3所述的轮胎3D打印系统的轮胎3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.确定螺旋注射成型机当前的运行状态：检测螺旋注射成型机当前运行状态下的温度值、橡胶粘度值和压力值，在压力值、温度值和橡胶粘度值满足预设检测条件时，控制器自动确定橡胶打印喷头初始喷出速率值；

b.根据步骤a中橡胶打印喷头初始喷出速率值确定环状胎基的初始旋转速率值和轨迹合成单元的初始运动速率值；

c.先启动旋转驱动电动机使环状胎基在其初始旋转速率下旋转，然后轨迹合成单元启动；使环状胎基与橡胶打印喷头的距离达到设定值，橡胶打印喷头启动开始喷胶；

d.控制器迭代程序启动，继续检测螺旋注射成型机的压力值、温度值和橡胶粘度值，并根据所述压力值、温度值和橡胶粘度值对橡胶打印喷头的喷胶速率值进行修正；迭代程序包括水平方向迭代公式和竖直方向迭代公式；

其中，水平方向迭代公式为

,j=1,2,...,N；

竖直方向的迭代公式为

,j=1,2,...,N；

将水平方向迭代公式与竖直方向迭代公式组合，得到下列输出矩阵公式，其中，ii是行号，jj是列号；/>为轮胎端面内对应点的打印参数值;

e.根据步骤d中修正后的喷胶速率值对轨迹合成单元的移动速率值和环状胎基的旋转速率值进行修正；

f.重复进行步骤d和步骤e至轮胎打印完成；所述步骤f完成后，将组合胎槽与轮胎一起拆下待硫化作业；同时更换新的组合胎槽为下一次打印做好准备。