CN110053258B - 一种3d打印机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种3D打印机，本发明解决了3D打印设备不能进行精加工的难题，该3D打印机包括打印喷头、物料装载体、打印路径控制终端，打印喷头和物料装载体设置在机械手上，机械手结合三维打印的应用优势在于层积式的成形原理，能摆脱模具对于造形上的束缚，通过六轴机械手放样可以灵活精准的在各种曲面做法矢量打印。

Description

一种3D打印机及其使用方法

技术领域

本发明涉及打印领域，更具体地讲，涉及一种3D打印机。

背景技术

近年来，3D 打印作为一种新的加工技术，受到了人们广泛的关注，随着人们对3D打印技术研究的不断深入，它独特的工作方式和高效率、低成本的制造手段，已经成为制造行业的新兴力量。

随着3D 打印技术的深入发展，3D 打印技术在较多的行业内已经实现了较为深入应用，如用于珠宝行业领域内珠宝的设计打印，航空航天领域内航天部件的制造，汽车工业制造领域内汽车配件的生产，建筑工程领域内房子的打印，医疗卫生领域内的药物筛选研究，文物行业领域文物的修复，食品安全领域内食品的加工等。

3D打印的本质是增材制造，其中，主流3D打印技术的原理类似数学里的微积分，把三维模型通过切片软件微分切片，再在打印中把不同材料的面片积分成实体三维模型。基于这个原理，由于打印材料和堆叠方式的不同，产生了不同类型的3D打印技术，其中较为成熟的有熔融沉积成形(FDM )、粉末粘结(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)和光固化成形((SLA)等技术。

虽然3D 打印技术在各行各业内得到了较为蓬勃的发展，但是依然存在着许多亟待解决的问题，如打印精度与速度问题等等，因此，针对这一现状，迫切需要开发一种新型的3D打印机，在精度方面对打印机进行优化，以期提高打印机的精度，并满足实际使用的需要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，该3D打印机包括打印喷头、物料装载体、打印路径控制终端，打印喷头和物料装载体设置在机械手上，机械手具有多个自由度。

进一步的，打印喷头用于打印操作，包括进料马达、马达转接块、联轴器、进料螺杆、机械手接头、机械手法兰转接盘、喷头组件、进料组件、喷嘴组件。

进一步的，进料马达用于驱动进料螺杆进行旋转进料，联轴器用于连接固定进料马达的轴心与进料螺杆，马达转接块用于配合进料马达的接角以及其下方的机械手接头的连接。

进一步的，机械手接头包括接头基座、PVC螺纹接头、PLA塞盖，其中，PVC螺纹接头位于接头基座的下部，PLA塞盖位于接头基座的上部，接头基座连接在机械手法兰转接盘上，机械手法兰转接盘连接在机械手上。

进一步的，喷头组件包括一个三通管，三通管呈“Y”型，三通管分别连接机械手接头、喷嘴组件、进料组件，三通管的两个管道内均设有直通套。

进一步的，进料组件连接于三通管的一个管道上，进料组件包括进料转接头、进料接管，进料接管与进料软管连接，进料转接头用于将不同直径的进料接管转接在三通管的直通套上。

进一步的，喷嘴组件包括喷嘴接头、喷嘴本体，喷嘴本体连接于三通管的直通套上，喷嘴本体与喷嘴接头连接。

进一步的，物料装载体用于储存打印物料，并且能同时将装载体中的物料持续推进打印喷头内，通过气压推进的方式作为推进物料的动力来源，包括装载体喷头、喷头转接头、上下装载体转接头、物料装储管、气源盖帽、气源连接头。

进一步的，物料装储管的上部连接有上装载体转接头，上装载体转接头上连接有气源盖帽，气源盖帽上连接有气源连接头，物料装储管的下部连接有下装载体转接头，下装载体转接头上连接有喷头转接头，喷头转接头上连接有装载体喷头，气源连接头与空压管连接，空压管的一端连接在空压机上，装载体喷头通过进料软管与进料接管连接。

进一步的，打印路径控制终端用于完成形状设计、机械手参数设定、路径模拟、路径资料转换、传输电路控制，机械手与打印路径控制终端通过数据传输线联通。

进一步的，机械手置放于机械手载台上，打印喷头下方设有打印平台，打印平台上置放有打印载板。

进一步的，机械手具有六个自由度。

进一步的，打印路径控制终端还设有机械手控制面板。

进一步的，物料装储管的材质为PVC，装载体喷头、喷头转接头、上下装载体转接头、气源盖帽、气源连接头的材质均为金属。

进一步的，3D打印机还包括测试针头，测试针头能够安装在机械手上。

本发明解决了3D打印设备不能进行精加工的难题，该3D打印机包括打印喷头、物料装载体、打印路径控制终端，打印喷头和物料装载体设置在机械手上，机械手结合三维打印的应用优势在于层积式的成形原理，能摆脱模具对于造形上的束缚，通过六轴机械手放样可以灵活精准的在各种曲面做法矢量打印。

附图说明

图1为本发明的结构主示意图。

图2为本发明的打印喷头示意图。

图3为本发明的打印喷头细节示意图。

图4为本发明的物料装载体示意图。

图5为本发明的物料装载体细节示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

整体来说本发明所涉及的3D打印系统大致可以分为如下部分，分别是打印喷头1、物料装载体2、打印路径控制终端3、机械手4等四大部分，打印喷头1和物料装载体2设置在机械手4上，机械手4具有多个个为宜自由度，具有很高的使用范围。

打印喷头1是3D打印系统中非常关键的硬设备之一，主要在打印中控制打印物料的粗细大小与物料出料的速度快慢，本发明所涉及的整组打印喷头1包括进料马达1-1、马达转接块1-2、联轴器1-3、进料螺杆、机械手接头1-4、机械手法兰转接盘1-5、喷头组件、进料组件、喷嘴组件等零件。

其中，进料马达1-1用于驱动进料螺杆进行旋转进料，联轴器1-3用于连接固定进料马达1-1的轴心与进料螺杆，进料螺杆用于将物料从进料位置向下往喷嘴组件位置输送，促使物料往下推进挤出。马达转接块1-2用于配合进料马达1-1的接角以及其下方的机械手接头1-4的连接，由于本发明可以针对不同种类和不同软硬的物料进行打印，应当避免输出力矩的限制和抖动，因而优选马力更大旋转速度更快的直流马达。

马达转接块1-2是为了配合进料马达1-1的接角的位置以及其下方的机械手接头1-4连接所设计的，由于本发明所涉及的步进马达架设的铜柱的接角位置比较靠近轴心，而机械手接头1-4也会随着喷头组件的外扩跟着外扩，因此进料马达1-1与机械手接头1-4的脚位可能会无法对上，所以使用马达转接块1-2来转接。

机械手接头1-4包括接头基座、PVC螺纹接头、PLA塞盖，其中，PVC螺纹接头位于接头基座的下部，PLA塞盖位于接头基座的上部，接头基座连接在机械手法兰转接盘1-5上，机械手法兰转接盘1-5连接在机械手4上。PVC螺纹接头是用于连接下方的直通套，PLA塞盖则是用于阻挡物料向上溢出，同时让进料螺杆保持在中心位置。

喷头组件包括一个三通管1-6，三通管1-6呈“Y”型，属于一个三向交叉连接的转接头，三通管1-6分别连接机械手接头1-4、喷嘴组件、进料组件，三通管1-6的两个管道内均设有直通套1-7，直通套1-7是用于增减喷头组件本身长短的构件，并且其中的直通套1-7的内管壁可以紧贴进料螺杆的外缘。也就是说，喷头内部管径与进料螺杆配合紧密，不会使得有些物料因为压力的原因从螺杆与管壁间的缝隙向下推进。

进料组件连接于三通管1-6的一个管道上，进料组件包括进料转接头1-8、进料接管1-9，进料接管1-9与进料软管连接，进料转接头1-8用于将不同直径的进料接管1-9转接在三通管1-6的直通套1-7上；进料转接头1-8是用于转接不同管径的转接头，具体的是在此进料组件上使用在管径较大的进料接管1-9与管径较小的直通套1-7之间当转接。进料接管1-9是用于物料装载体2的进料软管连接喷头组件的接头。

喷嘴组件包括喷嘴接头1-10、喷嘴本体1-11，喷嘴本体1-11连接于三通管1-6的直通套1-7上，喷嘴本体1-11与喷嘴接头1-10连接，喷嘴本体1-11主要是将物料集中于设定好的管径内，使得挤出的物料尺寸为预期的大小，喷嘴本体1-11可以进行更换，以适用能够挤出多种尺寸的物料。

物料装载体2用于储存打印物料并挂载于机械手4上所使用，并且能同时将装载体中的物料持续推进打印喷头1内，通过气压推进的方式作为推进物料的动力来源，包括装载体喷头2-7、喷头转接头2-6、上下装载体转接头、物料装储管2-4、气源盖帽2-2、气源连接头2-3。

物料装储管2-4的上部连接有上装载体转接头2-1，上装载体转接头2-1上连接有气源盖帽2-2，气源盖帽2-2上连接有气源连接头2-3，物料装储管2-4的下部连接有下装载体转接头2-5，下装载体转接头2-5上连接有喷头转接头2-6，喷头转接头2-6上连接有装载体喷头2-7。

物料装储管2-4的材质为PVC，装载体喷头2-7、喷头转接头2-6、上下装载体转接头2-5、气源盖帽2-2、气源连接头2-3的材质均为金属。能够使得物料装载体2符合良好的气密性和足够的材料强度，能够防止空压机5推料时的漏气的状况发生，有效避免了充满气压时爆裂的可能。

气源连接头2-3与空压管连接，空压管的一端连接在空压机5上，装载体喷头2-7通过进料软管与进料接管1-9连接，利用空压机5的气压将物料装载体2中的物料往喷头组件推进。

机械手4置放于机械手载台6上，打印喷头1下方设有打印平台7，打印平台7上置放有打印载板。3D打印机还包括测试针头，测试针头能够安装在机械手4上。

打印路径控制终端3能够用于完成形状设计、机械手4参数设定、路径模拟、路径资料转换、传输电路控制等等，机械手4与打印路径控制终端3通过数据传输线联通。

本发明涉及的打印路径编写、模拟以及机械手的控制主要由 3D造型软件及其插件程序（例如Grasshopper）来完成。3D造型软件主要负责的是打印路径和机械手在三维空间中几何形态与动态模拟的显示，而打印的路径则是都在插件程序中编写完成，插件程序还负责了机械手的控制与模拟等相关事项，这其中包括了打印路径的模拟、机械手臂末端执行器放样、I/O 控制设定、几何资料转译机械手语言、资料传输等过程。

具体来讲，本发明从物料打印路经编写再到机械手执行打印的整个流程大约可分为五个阶段，分别是路径编写、汇整目标信息、目标信息转译机械手语言、机械手运行模拟以及机械手程序码传输与联通。

打印路径控制终端3还设有机械手控制面板，进一步方便操作。

本发明所涉及的3D打印系统在上机前有许多的前置作业必须先完成，这些前置作业大约可以分成六大步骤，而每一大步骤中又会有许多分步骤，具体的，3D打印机的使用方法包括如下步骤：

A，组装喷头组件；

1、将 Y 型的三通管的直通套和喷嘴组件的喷嘴接头、喷嘴本体依照顺序由最下往上组装，将喷嘴组件连接在喷头组件上，

2、将进料螺杆由机械手接头下方穿入并让螺杆的上方穿出机械手接头，然后在穿出机械手接头的底端套入一个油封，

3、将装有进料螺杆的机械手接头与组装好的喷头组件装配在一起，

4、将进料马达从机械手接头上方装配，将进料螺杆上端放入连轴器中并锁紧，然后将进料马达与机械手接头之间通过马达转接块连接，

5、将进料组件连接在喷头组件的 Y 型三通管的侧边的管道上，

B，机械手工作平面校正；

1、打开机械手并在机械手的末端执行器换上较正用的测试针头，

2、将打印载板置放在打印平台上，然后操作机械手去测量打印载板边缘四个端点的 X、Y、Z的坐标，

3、将测量到的打印载板的端点坐标输入到打印路径控制终端中作为工作平面来放样，

C，使用打印喷头测试路径；

1、将机械手末端执行器换成打印喷头来测试打印路径，

2、观察喷嘴本体与打印载板之间的距离是否为设定的距离，若不正确则通过打印路径控制终端微调 Z 轴的距离，

D、将配件设备连接机械手的 I/O；

1、将进料马达的电源线接入马达驱动器，

2、将进料马达驱动器的电源线接入机械手的 I/O 中，

3、将空压机的空压管接入电子阀的输入端，

4、把电子阀输出端的空压管接入机械式泄气阀的输入端，

5、将电子阀的讯号端接入机械手的 I/O 中，

E，将打印物料装入物料装载体内；

1、将要打印的物料炼制到适合的软硬度，

2、将炼制好的打印物料填入物料装储管中，

3、将下装载体转接头、喷头转接头、装载体喷头按照顺序装配在物料装储管的下部，

4将气压推片由物料装储管的上方放入物料装储管中，再将上装载体转接头、气源盖帽按照顺序装配在物料装储管的上部，

5、把物料装载体架到机械手上固定好，

6、将物料装载体下方通过进料软管与进料接管连接，物料装载体上方则将机械式泄气阀输出端的空压管接入，

F，顺料及各设备最后调整；

1、使用机械手面板开启进料马达 I/O ，查看进料马达是否正常运作，

2、使用机械手面板开启电子阀 I/O ，查看电子阀是否正常运作，

3、开启空压机与进料马达 I/O ，开始顺料直到出料稳定。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种3D打印机，所述的3D打印机包括打印喷头、物料装载体、打印路径控制终端，所述的打印喷头和所述的物料装载体设置在机械手上，所述的机械手具有多个自由度，其特征在于，

所述的打印喷头用于打印操作，包括进料马达、马达转接块、联轴器、进料螺杆、机械手接头、机械手法兰转接盘、喷头组件、进料组件、喷嘴组件；

所述的物料装载体用于储存打印物料，并且能同时将装载体中的物料持续推进打印喷头内，通过气压推进的方式作为推进物料的动力来源，包括装载体喷头、喷头转接头、上下装载体转接头、物料装储管、气源盖帽、气源连接头；

所述的进料马达用于驱动所述的进料螺杆进行旋转进料，所述的联轴器用于连接固定所述的进料马达的轴心与所述的进料螺杆，所述的马达转接块用于配合所述的进料马达的接脚以及其下方的所述的机械手接头的连接；

所述的机械手接头包括接头基座、PVC螺纹接头、PLA塞盖，其中，所述的PVC螺纹接头位于所述的接头基座的下部，所述的PLA塞盖位于所述的接头基座的上部，所述的接头基座连接在所述的机械手法兰转接盘上，所述的机械手法兰转接盘连接在所述的机械手上；

所述的喷头组件包括一个三通管，所述的三通管呈“Y”型，所述的三通管分别连接所述的机械手接头、喷嘴组件、进料组件，所述的三通管的两个管道内均设有直通套；

所述的进料组件连接于所述的三通管的一个管道上，所述的进料组件包括进料转接头、进料接管，所述的进料接管与进料软管连接，所述的进料转接头用于将不同直径的进料接管转接在所述的三通管的直通套上；

所述的喷嘴组件包括喷嘴接头、喷嘴本体，所述的喷嘴本体连接于所述的三通管的直通套上，所述的喷嘴本体与所述的喷嘴接头连接；

所述的物料装储管的上部连接有上装载体转接头，所述的上装载体转接头上连接有所述的气源盖帽，所述的气源盖帽上连接有所述的气源连接头，所述的物料装储管的下部连接有下装载体转接头，所述的下装载体转接头上连接有所述的喷头转接头，所述的喷头转接头上连接有所述的装载体喷头，所述的气源连接头与空压管连接，所述的空压管的一端连接在空压机上，所述的装载体喷头通过所述的进料软管与所述的进料接管连接。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的打印路径控制终端能够用于完成形状设计、机械手参数设定、路径模拟、路径资料转换、传输电路控制，所述的机械手与所述的打印路径控制终端通过数据传输线联通。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的机械手置放于机械手载台上，所述的打印喷头下方设有打印平台，所述的打印平台上置放有打印载板。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的机械手具有六个自由度。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的打印路径控制终端还设有机械手控制面板。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的物料装储管的材质为PVC，所述的装载体喷头、喷头转接头、上下装载体转接头、气源盖帽、气源连接头的材质均为金属。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印机，其特征在于，所述的3D打印机还包括测试针头，所述的测试针头能够安装在所述的机械手上。

8.一种权利要求7中所述的3D打印机的使用方法，其特征在于，所述的使用方法包括如下步骤：

A），组装喷头组件；

1）、将 Y 型的三通管的直通套和喷嘴组件的喷嘴接头、喷嘴本体依照顺序由最下往上组装，将喷嘴组件连接在喷头组件上，

2）、将进料螺杆由机械手接头下方穿入并让螺杆的上方穿出机械手接头，然后在穿出机械手接头的底端套入一个油封，

3）、将装有进料螺杆的机械手接头与组装好的喷头组件装配在一起，

4）、将进料马达从机械手接头上方装配，将进料螺杆上端放入连轴器中并锁紧，然后将进料马达与机械手接头之间通过马达转接块连接，

5）、将进料组件连接在喷头组件的Y型三通管的侧边的管道上，

B），机械手工作平面校正；

1）、打开机械手并在机械手的末端执行器换上较正用的测试针头，

2）、将打印载板置放在打印平台上，然后操作机械手去测量打印载板边缘四个端点的X、Y、Z的坐标，

3）、将测量到的打印载板的端点坐标输入到打印路径控制终端中作为工作平面来放样，

C），使用打印喷头测试路径；

1）、将机械手末端执行器换成打印喷头来测试打印路径，

2）、观察喷嘴本体与打印载板之间的距离是否为设定的距离，若不正确则通过打印路径控制终端微调 Z 轴的距离，

D）、将配件设备连接机械手的I/O；

1）、将进料马达的电源线接入马达驱动器，

2）、将进料马达驱动器的电源线接入机械手的I/O中，

3）、将空压机的空压管接入电子阀的输入端，

4）、把电子阀输出端的空压管接入机械式泄气阀的输入端，

5）、将电子阀的讯号端接入机械手的I/O中，

E），将打印物料装入物料装载体内；

1）、将要打印的物料炼制到适合的软硬度，

2)、将炼制好的打印物料填入物料装储管中，

3）、将下装载体转接头、喷头转接头、装载体喷头按照顺序装配在物料装储管的下部，

4）将气压推片由物料装储管的上方放入物料装储管中，再将上装载体转接头、气源盖帽按照顺序装配在物料装储管的上部，

5）、把物料装载体架到机械手上固定好，

6）、将物料装载体下方通过进料软管与进料接管连接，物料装载体上方则将机械式泄气阀输出端的空压管接入，

F），顺料及各设备最后调整；

1）、使用机械手面板开启进料马达I/O ，查看进料马达是否正常运作，

2）、使用机械手面板开启电子阀I/O ，查看电子阀是否正常运作，

3）、开启空压机与进料马达I/O ，开始顺料直到出料稳定。

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