CN110001058A - 一种可精确打印弧面的3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可精确打印弧面的3D打印机，包括底座、磁性底盘、旋转机构、电磁机构和喷头机构。所述旋转机构包括旋转底盘、固定夹、机械臂、步进电机、铁质圆盘。所述电磁铁机构包括电磁铁、控制电磁铁三维空间运动的机械臂及滑槽。所述喷头机构包括挤出料步进电机、喷头、冷却风扇、竖向调整机构和水平调整机构。本发明所述的一种可精确打印弧面的3D打印机与现有3D打印机相比，通过电磁永磁复合装置增加底盘的旋转自由度，不仅能实现一般情况下的平面立方体的三维实体成型，还能在笛卡尔坐标系、柱坐标系及球坐标系中灵活切换，实现弧面与球面打印精度的提升，提高打印效率。且设备操作简单，适用范围广，为高精微打印创造了设备条件。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种可精确打印弧面的3D打印机。
背景技术
3D打印技术是增材制造技术的一种，它以STL数字模型为基础，通过将粉末状金属或塑料等可粘合的材料熔融沉积来制造三维物体。与传统的减材制造工艺相比，3D打印工艺具有更高的材料利用率，且能根据实际使用要求加工结构复杂的制品。
但是现有的多数3D打印机仍建立在笛卡尔坐标系中，其特点是打印时三轴相互独立，打印过程中各轴仅能控制做各轴单方向的往复运动，通过各轴间的运动配合完成物体三维空间内的宏观成型。而对于具有弧面及球面等一系列曲面的制品，打印出来的物品在微观结构上并不是一个光滑的圆弧，其通过将曲面微分成直角打印，和原始设计相比存在一定的误差。且打印的制品越精细，小三角体现的越明显，打印相对精度则越差。
专利号CN207747423U公布的一种基于柱坐标传动定位的3D打印机通过增加成型底座在水平方向的旋转自由度进行平面回转体的打印。但同时，此专利仅适用于柱坐标系，其牺牲了普通笛卡尔坐标的打印优势，不能打印立方体，不能实现多坐标系协同打印。
发明内容
本发明针对普通3D打印机只能在单坐标系中工作所存在的不足，提供一种可精确打印弧面的3D打印机，其不仅能有效避免制品弧面在打印时的设备误差，还能实现笛卡尔坐标系、柱坐标系及球坐标系的任意切换，进一步提高3D打印的精确度以及进一步扩宽3D打印机在微结构领域的应用范围。
本发明在原有的笛卡尔系3D打印机简单易于控制的基础上，利用磁吸装置及旋转装置增加底盘的空间自由度，根据打印要求自定义柱坐标轴线或球坐标圆心进行打印，可有效提高制品弧面及球面的3D打印精度，完成复杂制品(包含球面、弧面及非曲面一种以上的制品)的高精度打印要求。
本发明的结构方案是：一种可精确打印弧面的3D打印机包括底座、磁性底盘、旋转机构、电磁机构和喷头机构。所述旋转机构包括旋转底盘、固定夹、机械臂、步进电机、铁质圆盘。所述电磁铁机构包括电磁铁、控制电磁铁三维空间运动的机械臂及滑槽。所述喷头机构包括挤出料步进电机、喷头、冷却风扇、竖向调整机构和水平调整机构。
本发明所述的旋转底盘内部含有永磁铁和电磁铁，通过控制流过电磁铁的电流控制退磁和磁化，永磁铁可保证在打印工作时不需要为电磁底盘提供持续电流，节约能源，且能保证可靠性。
所述磁性底盘与底座之间通过球副连接；旋转底盘与磁性底盘间通过固定夹固定；旋转机构机械臂安装在装置外壳上，机械臂的空间运动由机械臂两侧的步进电机进行控制；机械臂的夹钳结构由其侧端的步进电机控制，步进电机与铁质圆盘固定连接，滑槽安装在底座周围，机械臂则通过滑轨机构与滑槽相连。
所述磁性底盘与球副相连接的部分采用普通金属进行制造，与旋转底盘平行的部分采用对磁性比较敏感的金属进行制造。所述旋转机构机械臂中含有的夹钳机构采用对磁性较不敏感的金属，在保证应有强度的同时，减小底盘对夹钳机构的力学作用。
本发明一种可精确打印弧面的3D打印机中磁性底盘和电磁铁机构配合提供竖直平面的旋转自由度，旋转机构提供水平面内的旋转自由度，喷头运动机构提供竖直和水平两个平面的移动自由度。
本发明一种可精确打印弧面的3D打印机的工作方式是：当打印普通平面组合体(无弧形)时，采用普通笛卡尔系3D打印的算法，旋转机构与电磁铁机构不工作，调整磁性底盘与球副的连接，确保旋转底盘保持水平。喷头按既定程序打印制品。
当打印平面弧形组合体时，在原有的笛卡尔坐标系的基础上，旋转机构发挥作用，在打印组合体弧形部分时，喷头在水平方向保持静止，取下固定夹，旋转机构工作，给旋转底盘通电，进行释磁操作，旋转机构中的机械臂将旋转底盘上的对应弧形回转中心移动至步进电机与铁质圆盘的旋转中心上，将铁质圆盘磁化并给旋转底盘断电，使铁质圆盘与旋转底盘吸合，以实现步进电机工作带动旋转底盘旋转完成弧形组合体的打印工作。
当打印球形(空间弧面)组合体时，旋转机构的机械臂夹钳结构离开旋转底盘表面，喷头在水平面上维持一定角度并保持静止，将铁质圆盘磁化，并给旋转底盘断电，使铁质圆盘与旋转底盘吸合。电磁铁机构通电，磁性底盘与旋转底盘同时在竖直空间内旋转一定角度后，步进电机通电以带动旋转机构中的旋转底盘旋转，进而更加精确地打印球形组合体。
本发明所述一种可精确打印弧面的3D打印机不局限于本发明案例中提供的结构方案和实施方式，其他的结构方案例如喷头处使用旋转机构增加其空间旋转自由度，均属于本发明。
本发明一种可精确打印弧面的3D打印机与现有3D打印机相比，通过电磁永磁复合装置增加底盘的旋转自由度，不仅能实现一般情况下的平面立方体的三维实体成型，还能在笛卡尔坐标系、柱坐标系及球坐标系中灵活切换，实现弧面与球面打印精度的提升，提高打印效率。且设备操作简单，适用范围广，为高精微打印创造了设备条件。
附图说明
图1为一种可精确打印弧面的3D打印机的整体安装示意图正视图；
图2为一种可精确打印弧面的3D打印机的整体安装示意图轴侧图；
图3为一种可精确打印弧面的3D打印机的电磁铁机构局部示意图。
图中：1-固定夹，2-旋转底盘，3-夹钳机构，4-冷却风扇，5-水平调整机构，6-供料步进电机，7-竖向调整机构，8-喷头，9-夹钳机构步进电机，10-步进电机，11-旋转机构机械臂，12-旋转机构机械臂步进电机，13-球副，14-底座，15-电磁铁，16-机械臂，17-磁性底盘，18-滑槽，19-滑轨机构,20-铁质圆盘。
具体实施方式
如图1所示，一种可精确打印弧面的3D打印机包括底座14、磁性底盘17、旋转机构、电磁机构和喷头机构。所述喷头机构包括供料步进电机6、喷头8、冷却风扇4、竖向调整机构7和水平调整机构5。
如图3所示，所述电磁铁机构包括电磁铁15、控制电磁铁三维空间运动的机械臂16及滑槽18。所述旋转机构包括旋转底盘2、固定夹1、机械臂11、步进电机10、铁质圆盘20。
本发明一种可精确实现弧状物体打印的3D打印机的具体实施方式是：当打印普通平面组合体(无弧形)时，采用普通笛卡尔系3D打印的算法，旋转机构与电磁铁机构不工作，调整磁性底盘17与球副13的连接，确保旋转底盘2保持水平。喷头8按既定程序打印制品。
如图2所示，当打印平面弧形组合体时，在原有的笛卡尔坐标系的基础上，旋转机构发挥作用，在打印组合体弧形部分时，喷头8在水平方向保持静止，取下固定夹1，旋转机构工作，给旋转底盘2通电，进行释磁操作，旋转机构中的机械臂11将旋转底盘2上的对应弧形回转中心移动至步进电机10与铁质圆盘20的旋转中心上，将铁质圆盘20磁化并给旋转底盘2断电，使铁质圆盘20与旋转底盘2吸合，以实现步进电机10工作带动旋转底盘2旋转完成弧形组合体的打印工作。
当打印球形(空间弧面)组合体时，旋转机构的机械臂夹钳结构3离开旋转底盘2表面，喷头8在水平面上维持一定角度并保持静止，将铁质圆20磁化，并给旋转底盘2断电，使铁质圆盘20与旋转底盘2吸合。电磁铁机构通电，磁性底盘17与旋转底盘2同时在竖直空间内旋转一定角度后，步进电机10通电以带动旋转机构中的旋转底盘2旋转，进而更加精确地打印球形组合体。
以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，均属于本发明。
Claims (5)
1.一种可精确打印弧面的3D打印机，其特征在于：包括底座、磁性底盘、旋转机构、电磁机构和喷头机构，所述旋转机构包括旋转底盘、固定夹、机械臂、步进电机、铁质圆盘，所述电磁铁机构包括电磁铁、控制电磁铁三维空间运动的机械臂及滑槽，所述喷头机构包括挤出料步进电机、喷头、冷却风扇、竖向调整机构和水平调整机构。
2.根据权利要求1所述的一种可精确打印弧面的3D打印机，其特征在于：旋转底盘内部含有永磁铁和电磁铁，通过控制流过电磁铁的电流控制退磁和磁化。
3.根据权利要求2所述的一种可精确打印弧面的3D打印机，其特征在于：所述磁性底盘与底座之间通过球副连接；旋转底盘与磁性底盘间通过固定夹固定；旋转机构机械臂安装在装置外壳上，机械臂的空间运动由机械臂两侧的步进电机进行控制；机械臂的夹钳结构由其侧端的步进电机控制，步进电机与铁质圆盘固定连接，滑槽安装在底座周围，机械臂则通过滑轨机构与滑槽相连。
4.根据权利要求1所述的一种可精确打印弧面的3D打印机，其特征在于：所述磁性底盘与球副相连接的部分采用普通金属进行制造，与旋转底盘平行的部分采用对磁性比较敏感的金属进行制造；所述旋转机构机械臂中含有的夹钳机构采用对磁性较不敏感的金属。
5.根据权利要求2所述的一种可精确打印弧面的3D打印机，其特征在于：磁性底盘和电磁铁机构配合提供竖直平面的旋转自由度，旋转机构提供水平面内的旋转自由度，喷头运动机构提供竖直和水平两个平面的移动自由度。
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