CN110253882A - 一种新型4d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型4D打印系统。装置包括运动装置，喷头装置和送料装置三大主要组成部分。运动装置为龙门式结构，可以带动喷头在三维空间内灵活移动。送料装置由螺杆挤出装置，卷轴，气泵三部分集成。喷头装置分为内部结构和外壳两层，在电机驱动下，内部结构可以相对外壳旋转，从而实现不同出料口和外壳喷头的对接。本发明装置可以在单台装置上实现不同种活性材料的无间断切换打印，节约了打印时间，提高打印效率；同时单喷口结构保证了打印精度，减少了机构冗余。

Description

一种新型4D打印系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种针对活性材料打印的4D打印装置。

背景技术

由活性材料制作的，具有“自组装，自修复，自折叠”功能的4D打印产品正在多个领域大放异彩，它所制造的智能产品摆脱了传统机电结构的限制，能够以更轻便，更简洁的形式完成自组装，自修复，自变形等高级功能，因此具有更大的灵活性。这种优势在多个领域均具有巨大潜力，例如军事领域，4D打印产品可以完成从二维到三维形状的变化，在运输中大大节省了军事装备的空间占用率；在软体机器人领域，以活性材料为骨架的机械臂可以实现灵活度更高，更加精确的空间运动；航空航天领域中，形状聚合物和硬质基体材料结合的智能结构可以代替传统的机翼结构，成为可折叠固态飞行器的一部分。

相比于传统制造工艺，通过4D打印技术制作智能结构有着巨大的优势。4D打印技术的本质就是基于活性材料的增材制造技术。该技术融合了当下热门的3D打印和活性材料两个领域，目标在于制造出能够在时间维度上随外界刺激而发生性状改变的机敏结构。它能够利用增材制造技术，实现具有复杂空间造型的智能结构打印，从而充分发挥活性材料的性能。

但是，一般的3D打印装置，通常无法适应活性材料打印的各种要求。其不仅在进料方式上难以适应那些可能是软物质的活性材料，在多材料打印技术上也很难做到不同材料区分打印。因此，开发设计一种能够适应活性材料打印要求的新型4D打印机，是极为有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型4D打印系统，能够在打印过程中实现多种不同活性材料的快速切换，以解决当下4D打印效率低下的问题，同时利用单喷口结构，实现喷头装置简化，打印精度提升，运行速度提升等特点。

本发明所采取的技术方案为：

本发明包括运动装置，送料装置，喷头装置，送料装置设置在运动装置的侧方，送料装置与运动装置之间通过喷头装置连接；喷头装置包括喷头支架和喷头主体，喷头主体通过喷头支架安装到运动装置上。

喷头主体包括喷头外壳、旋转电机、旋转盘和挡板层，喷头外壳开有空腔，旋转盘和挡板层自上而下依次水平安装在喷头外壳的空腔中，所述的旋转盘和挡板层仅与喷头外壳的内表面接触，且不影响旋转盘和挡板层的旋转运动。

挡板层的中央开有环形凹槽，位于环形凹槽内圈的挡板层形成挡板凸台，挡板层在环形凹槽外围的一周均匀开有多个竖直贯通的通孔作为出料口，多个出料口分别在最靠近自身的环形凹槽内设有各自的滑动机构，每个滑动机构主要由复位弹簧、电磁吸盘和挡板片组成，环形凹槽的内圈外侧壁和外圈内侧壁之间通过径向设置的连杆固定连接，连杆与环形凹槽内圈的外侧壁连接的一端处固定设有电磁吸盘，挡板片的上部活动套装在连杆中并沿连杆滑动，挡板片的下部与出料口的下底面接触连接，位于挡板片和电磁吸盘之间的连杆上套装有复位弹簧。

旋转盘同轴固定连接在挡板层的上方，旋转电机的电机轴与旋转盘同轴固定连接，旋转盘在对应每个出料口的位置处设有进料口，每个进料口与各自对应的出料口之间对应连通形成多个进料通道；喷头外壳的底部在对应出料口的同一圆周方向上开有一个贯通至空腔的通孔作为喷头孔，喷头孔朝向运动装置的打印平台设置，各个进料通道与送料装置中的各个送料设备一一对应连接，旋转电机旋转带动各个进料通道依次与喷头孔连通。

所述的挡板片为金属材质，电磁吸盘不通电时，挡板片在复位弹簧的作用下封闭出料口的底面；电磁吸盘通电时，电磁吸盘与挡板片相互吸引靠近，挡板片朝靠近挡板凸台的方向滑动使挡板片不封闭出料口的底面。

所述的挡板层的其中一个出料口作为气孔，气孔与挡板凸台之间不设置滑动机构，即气孔的进料通道始终保持畅通；气泵通过气泵导管与气孔连通。

所述的送料装置包括送料支架以及安装在送料支架上的送料设备，送料设备包括送丝设备、螺杆挤出设备和气泵，送料设备分别通过各自的连接管与各自的进料口连接。

所述的螺杆挤出设备包括设备外壳、漏斗型进料口和螺旋输送机(绞龙部分)，设备外壳内水平安装螺旋输送机，设备外壳开孔用于安装漏斗型进料口，漏斗型进料口与螺旋输送机连通。

螺杆挤出设备的工作过程为：软物质颗粒从漏斗型进料口送入，同时内部的螺旋输送机转动。在压力状态下软物质颗粒熔融，并且在绞龙旋转运动下从设备前端挤出。

软物质材料主要指具有较强弹性形变能力，不适合制作成线材送入打印装置的材料。这类材料主要包括液晶，两亲分子，生物大分子以及胶体材料等，具体例子如弹性树脂，弹性硅胶。

送丝设备旁的送料支架上安装有卷轴，卷轴与送丝设备相连，线材卷绕在卷轴上并由送丝设备输送至进料通道中。输送的线材包括常见的ABS塑料线材，PLA线材等弹性较弱的材料。

所述的旋转盘主要由多层旋转层沿竖直方向同轴固定连接组成的，相邻两层旋转平板之间具有间隙用于散热，多层旋转层在对应每个出料口均开有上下贯通的通孔形成进料口。

运动装置包括打印机机架、打印平台和三方向运动机构，打印机机架固定安装，三方向运动机构安装在打印机机架上，三方向运动机构包括三个方向相互垂直的X方向运动组件、Y方向运动组件和Z方向运动组件，喷头支架安装在X方向运动组件上，喷头支架在X方向运动组件带动下沿X方向运动，X方向运动组件与Z方向运动组件连接，喷头支架和X方向运动组件在Z方向运动组件的带动下共同沿Z方向运动，平台与Y方向运动组件连接，平台在Y方向运动组件的带动下沿Y方向运动。

所述的Y方向运动组件Y方向运动组件包括Y向带传动机构和Y向导轨，Y向导轨水平固定安装在X方向运动组件的下方，Y向带传动机构的传动方向与Y向导轨的轴线方向一致，Y向导轨的布置方向垂直于X向导轨和Z向导轨，X向导轨和Z向导轨在同一平面相互垂直。打印平台与Y向带传动机构连接，并且打印平台滑动套装在Y向导轨上形成滑动副，使得打印平台在Y向带传动机构的带动下沿Y向导轨移动。

所述的Z方向运动组件包括Z向螺杆，Z向导轨和Z向电机，Z向螺杆和Z向导轨均竖直安装在打印机机架上，Z向电机与Z向螺杆连接并带动Z向螺杆绕自身轴线转动，Z向导轨竖直固定，X方向运动组件的X轴支架活动套装在Z向螺杆和Z向导轨上，X轴支架与Z向螺杆传动构成丝杠螺母副，使得X轴支架在丝杠螺母副的作用下沿Z向导轨上下升降；X方向运动组件还包括Y向带传动机构和X向导轨，X向带传动机构的传动方向与X向导轨的轴线方向一致，X向导轨和Z向导轨相互垂直。喷头支架与X向带传动机构连接，并且喷头支架滑动套装在X向导轨上形成滑动副，喷头支架在X向带传动机构的带动下沿X向导轨移动。

本发明运行原理主要是基于旋转切换法，能够实现多种活性材料的无间断打印。本发明在每个出料口处对应设置一个滑动机构，滑动机构对应封闭或开启出料口使喷头装置形成旋转式切换结构，喷头装置的旋转电机带动内部结构相对喷头外壳进行旋转，从而在打印中实现不同种打印材料的快速切换。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过旋转式切换结构，在单喷头结构内实现了多种不同材料的快速切换，减少了4D打印过程中因切换材料浪费的时间，极大地提高了4D打印装置的工作效率。

2.本发明的喷头装置为单喷口结构，相较于多喷口结构，在实现多材料打印的同时还能有效提高打印精度。

3.本发明的送料装置中包括一个气泵，在每次切换过程中都可以加入空气清洗环节，能够有效防止不同种材料间的交叉污染。

附图说明

图1为喷头装置的结构示意图。

图2为喷头挡板层的结构示意图。

图3为运动装置的结构示意图。

图4为送料装置示意图。

图5为4D打印装置总装配示意图。

图6为4D打印装置工作流程图。

图中：旋转电机1，电机轴2，旋转盘3，挡板层4，复位弹簧5，电磁吸盘6，挡板片7，打印机机架8，X轴支架9，Z向螺杆10，Z向导轨11，打印平台12，Z向电机13，Y向皮带14，Y向导轨15，Y向电机16，X向皮带17，X向电机18，X向导轨19，喷头支架20，螺杆挤出装置21，卷轴22，送料支架23，气泵24，气泵导管25，送丝设备26。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图3所示，运动装置选用龙门式结构，该类型的运动装置可以完成精度要求不高的三维空间运动。考虑到打印机对精度要求并不是很高，选用龙门式结构具有较好的经济性。喷头支架20安装在X方向运动组件上，喷头支架20在X方向运动组件带动下沿X方向运动，X方向运动组件与Z方向运动组件连接，喷头支架20和X方向运动组件在Z方向运动组件的带动下共同沿Z方向运动，平台12与Y方向运动组件连接，平台12在Y方向运动组件的带动下沿Y方向运动。

所述的Y方向运动组件Y方向运动组件包括Y向带传动机构和Y向导轨15，Y向导轨15水平固定安装在X方向运动组件的下方，Y向带传动机构的传动方向与Y向导轨15的轴线方向一致，Y向导轨15的布置方向垂直于X向导轨19和Z向导轨11，X向导轨19和Z向导轨11在同一平面相互垂直。打印平台12与Y向带传动机构连接，并且打印平台12滑动套装在Y向导轨15上形成滑动副，使得打印平台12在Y向带传动机构的带动下沿Y向导轨15移动。

Y向带传动机构包括Y向皮带14、Y向电机16和Y向皮带轮，Y向导轨15的两端分别设有一个Y向皮带轮，两个Y向皮带轮之间通过Y向皮带14连接形成Y向带传动机构，Y向皮带14的长度方向平行于Y向导轨15的轴线方向，其中一个皮带轮作为主动轮与Y向电机16的输出轴同轴固定连接。

所述的Z方向运动组件包括Z向螺杆10，Z向导轨11和Z向电机13，Z向螺杆10和Z向导轨11均竖直安装在打印机机架8上，Z向电机13与Z向螺杆10连接并带动Z向螺杆10绕自身轴线转动，Z向导轨11竖直固定，X方向运动组件的X轴支架9活动套装在Z向螺杆10和Z向导轨11上，X轴支架9与Z向螺杆10传动构成丝杠螺母副，使得X轴支架9在丝杠螺母副的作用下沿Z向导轨11上下升降；X方向运动组件还包括Y向带传动机构和X向导轨19，X向带传动机构的传动方向与X向导轨19的轴线方向一致，X向导轨19和Z向导轨11相互垂直。喷头支架20与X向带传动机构连接，并且喷头支架20滑动套装在X向导轨19上形成滑动副，喷头支架20在X向带传动机构的带动下沿X向导轨19移动。

X向带传动机构包括X向皮带17、X向电机18和X向皮带轮，X向导轨19的两端旁分别设有一个X向皮带轮，两个X向皮带轮之间通过X向皮带17连接形成X向带传动机构，X向皮带17与喷头支架20固定连接，平行于X向皮带17设置，其中一个X向皮带轮作为主动轮与X向电机18的输出轴同轴固定连接。

如图1所示，所述喷头装置通过喷头支架连接到运动装置上，喷头支架则固定在运动装置的X轴滑块上。喷头装置的旋转电机1带动内部结构相对喷头外壳进行旋转，从而在打印中实现不同种打印材料的快速切换。如图2所示，挡板层4内部的滑动机构可以灵活控制挡板开关，从而控制熔融的打印材料处于挤出状态或待命状态。

喷头外壳做成了镂空的桶装结构，不会干预旋转层加热时的散热。喷头装置的外壳最终只有一个喷口，切换仅在内部进行，可以避免喷口因切换材料而位移，有效提高了打印精度。喷头装置中有一个孔与气泵24相连，该孔可以用于喷射空气，从而实现对喷头内残余材料的清洗。所述挡板片7为金属材质，受到电磁吸盘吸引时会打开。

如图5所示，运动装置位于左侧，送料装置位于右侧，喷头装置通过喷头支架20连接到运动装置之上。所述送料装置和喷头装置之间由多条导管连接，用于输送打印材料。

如图1所示，喷头装置中的旋转盘3开有四个通孔，四个通孔与挡板层4的四个出料口一一对应，分别作为送料装置的三个材料输出管和一个气泵导管。三个打印材料(为描述方便分别称为材料A、B、C)分别由进料装置上的不同设备进行输送。

如图4所示，进料装置在支架上从低到高放置不同的送料装置，采用集成化结构把多种针对不同类型活性材料的送料设备集中在了一起形成多功能送料装置。最顶层的是软物质输送的螺杆挤出装置21，可以通过加压加热把使得塑料颗粒融化并通过管道均匀挤出，主要应用于不适合制作成线材的弹性物质；中间层是两个普通卷轴22，用于缠绕聚合物线材，线材的一端通过送丝设备26输出至喷头主体中；底层是一个小型气泵24，气泵的作用是往喷嘴内注入空气压力，将喷嘴内的材料残留清除，及时清除上一次打印的残留材料可以有效防止打印原料间的相互污染。

非打印状态下挡板层4的挡板片7为封闭状态，即挡板片7封堵出料口的底面以防止旋转盘3中熔融状态的液体材料流出。打印工作进行时，上方旋转电机1控制其中一个出料口对准喷头孔，同时在挡板层4中该出料口对应的电磁吸盘6的作用下，挡板片7开启，熔融材料经喷头孔挤出。当需要切换材料时，电磁吸盘6关闭，在复位弹簧5的作用下挡板片7先行关闭，之后旋转电机再次控制其他出料口移动，挡板开启，重复上述操作实现不同种材料的交替打印。

如图6所示，本发明的具体工作过程如下：

当打印工作开始时，首先喷头装置中的旋转电机1会带动旋转盘3转动，选定材料A由送料设备输送至旋转盘3中并在旋转层中预热储存，直至旋转电机1带动材料A的出料口对准喷头外壳的喷头孔。开启电磁吸盘6，挡板结构运行，在磁力吸引下，金属材质的挡板片7向所述电磁吸盘6靠近，即挡板片7从封闭该出料口的状态下逐渐向内移动直至完全开启出料口，熔融的打印材料A通过开启的出料通道进入喷头孔，随后被挤出至打印平台12上。

准备进入打印时，通过X、Y、Z三个方向运动组件的带动下，在打印平台12上打印形成产品结构。当材料A该阶段的打印任务结束后，电磁吸盘6断电，材料A的挡板片7在复位弹簧5的作用下被推回原位，即挡板关闭。该材料A不再能通过挡板层。接着所述旋转电机1转动所述旋转盘结构3，使得材料B的出料口对准喷头外壳的单喷头出口，之后挡板动作同上。如此循环往复，直到产品打印完毕。

若打印的材料A,B为不可混溶材料时，为防止交叉污染，需要在切换过程中加入空气清洗环节，具体是：所述旋转电机3将气泵24的导管口对准喷头外壳的喷头孔，开启气泵24，喷头孔中残余的上一种打印材料将会在高压空气作用下被吹出，实现对喷头孔的空气清洗。

具体实施中，当需要进行空气清洗环节时，运动装置需要先将喷头移出打印区域以免污染打印平台12。需要注意的是，不是所有4D打印过程均需要空气清洗环节，要根据打印产品的性质做出不同的工艺规划。

Claims (10)

1.一种新型4D打印系统，其特征在于：包括运动装置，送料装置，喷头装置，送料装置设置在运动装置的侧方，送料装置与运动装置之间通过喷头装置连接；喷头装置包括喷头支架(20)和喷头主体，喷头主体通过喷头支架(20)安装到运动装置上；

喷头主体包括喷头外壳、旋转电机(1)、旋转盘(3)和挡板层(4)，喷头外壳开有空腔，旋转盘(3)和挡板层(4)自上而下依次水平安装在喷头外壳的空腔中；挡板层(4)的中央开有环形凹槽，位于环形凹槽内圈的挡板层(4)形成挡板凸台，挡板层(4)在环形凹槽外围的一周均匀开有多个竖直贯通的通孔作为出料口，多个出料口分别在最靠近自身的环形凹槽内设有各自的滑动机构，每个滑动机构主要由复位弹簧(5)、电磁吸盘(6)和挡板片(7)组成，环形凹槽的内圈外侧壁和外圈内侧壁之间通过径向设置的连杆固定连接，连杆与环形凹槽内圈的外侧壁连接的一端处固定设有电磁吸盘(6)，挡板片(7)的上部活动套装在连杆中并沿连杆滑动，挡板片(7)的下部与出料口的下底面接触连接，位于挡板片(7)和电磁吸盘(6)之间的连杆上套装有复位弹簧(5)；

旋转盘(3)同轴固定连接在挡板层(4)的上方，旋转电机(1)的电机轴(2)与旋转盘(3)同轴固定连接，旋转盘(3)在对应每个出料口的位置处设有进料口，每个进料口与各自对应的出料口之间对应连通形成多个进料通道；喷头外壳的底部在对应出料口的同一圆周方向上开有一个贯通至空腔的通孔作为喷头孔，喷头孔朝向运动装置的打印平台设置，各个进料通道与送料装置中的各个送料设备一一对应连接，旋转电机(1)旋转带动各个进料通道依次与喷头孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的挡板片(7)为金属材质，电磁吸盘(6)不通电时，挡板片(7)在复位弹簧(5)的作用下封闭出料口的底面；电磁吸盘(6)通电时，电磁吸盘(6)与挡板片(7)相互吸引靠近，挡板片(7)朝靠近挡板凸台的方向滑动使挡板片(7)不封闭出料口的底面。

3.根据权利要求1所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的挡板层(4)的其中一个出料口作为气孔，气孔与挡板凸台之间不设置滑动机构，即气孔的进料通道始终保持畅通；气泵(24)通过气泵导管(25)与气孔连通。

4.根据权利要求1所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的送料装置包括送料支架(23)以及安装在送料支架(23)上的送料设备，送料设备包括送丝设备(26)、螺杆挤出设备(21)和气泵(24)，送料设备分别通过各自的连接管与各自的进料口连接。

5.根据权利要求4所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的螺杆挤出设备(21)包括设备外壳、漏斗型进料口和螺旋输送机(绞龙部分)，设备外壳内水平安装螺旋输送机，设备外壳开孔用于安装漏斗型进料口，漏斗型进料口与螺旋输送机连通。

6.根据权利要求4所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：送丝设备(26)旁的送料支架(23)上安装有卷轴(22)，卷轴(22)与送丝设备(26)相连，线材卷绕在卷轴(22)上并由送丝设备(26)输送至进料通道中。

7.根据权利要求1所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的旋转盘(3)主要由多层旋转层沿竖直方向同轴固定连接组成的，相邻两层旋转平板之间具有间隙用于散热，多层旋转层在对应每个出料口均开有上下贯通的通孔形成进料口。

8.根据权利要求1所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：运动装置包括打印机机架(8)、打印平台(12)和三方向运动机构，打印机机架(8)固定安装，三方向运动机构安装在打印机机架(8)上，三方向运动机构包括三个方向相互垂直的X方向运动组件、Y方向运动组件和Z方向运动组件，喷头支架(20)安装在X方向运动组件上，喷头支架(20)在X方向运动组件带动下沿X方向运动，X方向运动组件与Z方向运动组件连接，喷头支架(20)和X方向运动组件在Z方向运动组件的带动下共同沿Z方向运动，平台(12)与Y方向运动组件连接，平台(12)在Y方向运动组件的带动下沿Y方向运动。

9.根据权利要求8所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的Y方向运动组件Y方向运动组件包括Y向带传动机构和Y向导轨(15)，Y向导轨(15)水平固定安装在X方向运动组件的下方，Y向带传动机构的传动方向与Y向导轨(15)的轴线方向一致，打印平台(12)与Y向带传动机构连接，并且打印平台(12)滑动套装在Y向导轨(15)上形成滑动副，使得打印平台(12)在Y向带传动机构的带动下沿Y向导轨(15)移动。

10.根据权利要求8所述的一种新型4D打印系统，其特征在于：所述的Z方向运动组件包括Z向螺杆(10)，Z向导轨(11)和Z向电机(13)，Z向螺杆(10)和Z向导轨(11)均竖直安装在打印机机架(8)上，Z向电机(13)与Z向螺杆(10)连接并带动Z向螺杆(10)绕自身轴线转动，Z向导轨(11)竖直固定，X方向运动组件的X轴支架(9)活动套装在Z向螺杆(10)和Z向导轨(11)上，X轴支架(9)与Z向螺杆(10)传动构成丝杠螺母副，使得X轴支架(9)在丝杠螺母副的作用下沿Z向导轨(11)上下升降；X方向运动组件还包括Y向带传动机构和X向导轨(19)，X向带传动机构的传动方向与X向导轨(19)的轴线方向一致，喷头支架(20)与X向带传动机构连接，并且喷头支架(20)滑动套装在X向导轨(19)上形成滑动副，喷头支架(20)在X向带传动机构的带动下沿X向导轨(19)移动。