CN110356004A - 适用于单材料或多材料同时打印的3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，包括：打印基座、旋转装置、控制终端及至少一套打印装置；所述一套打印装置包括供料系统、Z轴支撑系统、X轴支撑系统、打印头。本发明的3D打印机可实现多打印头同层同时打印，也就是可通过多打印头的同层同时打印，实现多材料的同时打印，且该3D打印机的同层运动支架只负责x值运动矢量，y值矢量由打印平台旋转值α及x矢量共同完成，控制方式相对独特且较为新颖，具有稳定性高的优点。

Description

适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机及其打印方法。

背景技术

现有技术中的3D打印机一般在同一打印时刻都仅能实现单一材料的打印，若需要更换打印材料则需要在当前打印完成后，再更换新的打印材料，同时，现有的3D打印机还存在结构较为复杂，控制程序繁复，且稳定性较低的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机及其打印方法，可实现多打印头同层同时打印，也就是可通过多打印头的同层同时打印，实现多材料的同时打印，且该3D打印机的同层运动支架只负责x值运动矢量，y值矢量由打印平台旋转值α及x矢量共同完成，控制方式相对独特且较为新颖，具有稳定性高的优点。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，包括：打印基座、旋转装置、控制终端及至少一套打印装置；所述一套打印装置包括供料系统、Z轴支撑系统、X轴支撑系统、打印头；

所述旋转装置包括旋转打印平台及旋转传动装置，所述旋转打印平台与旋转传动装置相连，旋转传动装置用于控制旋转打印平台进行步进式转动，且旋转打印平台安装于打印基座上；

所述Z轴支撑系统包括Z轴支架、Z轴传动装置、Z轴丝杆、Z轴直线导轨，Z轴直线导轨与Z轴支架相连，Z轴传动装置安装于Z轴支架上，Z轴传动装置与Z轴丝杆螺纹配合，Z轴传动装置通过控制其转动方向控制Z轴丝杆上下移动；

所述X轴支撑系统包括X轴支架、X轴直线导轨、X轴丝杆、X轴传动装置，所述X轴支架固定于Z轴丝杆上，X轴丝杆一端与X轴支架连接，X轴丝杆另一端与X轴传动装置相连，X轴传动装置套接于Z轴直线导轨上，X轴传动装置用于控制X轴丝杆转动，X轴直线导轨一端固定于X轴支架上，X轴直线导轨另一端套接于Z轴直线导轨上，X轴直线导轨、X轴传动装置均可在Z轴直线导轨上上下滑动；

所述供料系统用于向打印头提供打印材料，所述打印头套接于X轴直线导轨上且与X轴丝杆螺纹配合；所述控制终端分别与所述旋转传动装置、Z轴传动装置、X轴传动装置、供料系统、打印头连接；

本发明的3D打印机的工作原理为：本发明的3D打印机的旋转打印平台为一旋转平台，其作用在于在同层打印时，通过控制终端对旋转打印平台旋转角度值α的控制及对打印头直线移动x矢量值的控制(具体通过X轴支撑系统的相应运动控制实现)，使打印头移动至各个打印位置，完成该层打印件的打印工作，然后，打印架整体上移(通过Z轴支撑系统的运动控制实现)，开始下一层的打印工作，在这个过程中，打印机实际控制的三个矢量值为(x、α、z)，x为打印头的直线移动值；α为打印平台的旋转角度；z为打印头进入下一层打印的Z方向移动量；当需要实现多材料的同时打印时，则可具体配置与打印材料数量相当的多套打印装置，在同一层打印时，各套打印装置的打印头可同时进行打印，互不干涉，每个打印头输出材料不同，那么即可实现多材料的同时打印。

进一步地，所述供料系统包括供料中心及输料管，所述输料管的一端与打印头连通，输料管的另一端与供料中心连通，所述供料中心与控制终端连接，供料中心内存储有打印材料，供料中心根据控制终端的控制通过输料管实现向打印头供应打印材料。

进一步地，当包括多套打印装置时，各套打印装置的打印头围绕旋转打印平台圆周方向均匀布置，则具体打印时，每个打印头在各自运动轴线上进行打印，共同完成当前层及各层的打印工作。

进一步地，所述多套打印装置的各供料系统的打印材料不同。

进一步地，所述控制终端为计算机。

同时，本发明还公开了一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印方法，由上述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机实现，包括以下步骤：

A.控制终端控制各套打印装置进行打印工作，先进行同层打印；

B.Z轴传动装置在控制终端的控制下转动，从而带动与其螺纹配合的Z轴丝杆做直线移动，进而通过Z轴丝杆带动X轴支撑系统沿Z轴直线导轨做直线移动；

C.X轴支撑系统整体做直线运动的同时，X轴传动装置在控制终端的控制下控制X轴丝杆转动，从而带动与其螺纹配合的打印头沿X轴直线导轨水平移动；

D.控制终端再控制旋转传动装置带动旋转打印平台进行步进式转动，从而获取各打印点坐标，并控制供料系统向打印头供料由打印头进行打印，从而完成当前层打印件的打印；

E.当前层打印完成后，控制终端控制Z轴支架上的Z轴传动装置来带动X轴支撑系统整体上移一层距离，而后进行下一层打印，依次渐进，直至完成打印件的整体打印。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机及其打印方法，可实现多打印头同层同时打印，也就是可通过多打印头的同层同时打印，实现多材料的同时打印，且该3D打印机的同层运动支架只负责x值运动矢量，y值矢量由打印平台旋转值α及x矢量共同完成，控制方式相对独特且较为新颖，具有稳定性高的优点。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的适用于单材料打印的3D打印机示意图。

图2是本发明的一个实施例中打印时各打印点的走位示意图。

图3是本发明的一个实施例中适用于多材料同时打印的3D打印机示意图。

图4是本发明的一个实施例中三个打印头的布置位置示意图。

附图标记：1-打印基座，21-旋转打印平台，22-旋转传动装置，31-Z轴支架，32-Z轴传动装置，33-Z轴丝杆，34-Z轴直线导轨，41-供料中心，42-输料管，51-X轴支架，52-X轴直线导轨，53-X轴丝杆，54-X轴传动装置，6-打印头，7-控制终端。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

如图1所示，一种适用于单材料打印的3D打印机，包括：打印基座1、旋转装置、控制终端7及一套打印装置；打印装置包括供料系统、Z轴支撑系统、X轴支撑系统、打印头6。

其中，打印基座1为位置固定部件，其主要作用是为旋转装置提供安装支撑。旋转装置包括旋转打印平台21及旋转传动装置22，旋转打印平台21与旋转传动装置22相连，旋转传动装置22用于控制旋转打印平台21进行步进式转动，且旋转打印平台21安装于打印基座1上，其中，旋转打印平台21主要作用是打印件的基础平台，在同层打印过程中，通过控制终端7对旋转传动装置22的转动控制，使旋转打印平台21进行步进式转动，配合打印头6在其专属X轴上的直线往复移动，使打印头6实现对各点的打印。

Z轴支撑系统包括Z轴支架31、Z轴传动装置32、Z轴丝杆33、Z轴直线导轨34，Z轴直线导轨34与Z轴支架31相连，Z轴传动装置32安装于Z轴支架31上，Z轴传动装置32与Z轴丝杆33螺纹配合，Z轴传动装置32通过控制其转动方向控制Z轴丝杆33上下移动；X轴支撑系统包括X轴支架51、X轴直线导轨52、X轴丝杆53、X轴传动装置54，X轴支架51固定于Z轴丝杆33上，X轴丝杆53一端与X轴支架51连接，X轴丝杆53另一端与X轴传动装置54相连，X轴传动装置54套接于Z轴直线导轨34上，X轴传动装置54用于控制X轴丝杆53转动，X轴直线导轨52一端固定于X轴支架51上，X轴直线导轨52另一端套接于Z轴直线导轨34上，X轴直线导轨52、X轴传动装置54均可在Z轴直线导轨34上上下滑动。

其中，Z轴支撑系统主要是用于通过带动X轴支撑系统整体做Z轴方向(即竖直方向位移)，从而间接带动打印头6的竖直方向的位移，Z轴支架31为位置固定部件，其主要作用是为X轴支架51提供基础安装支撑，并在控制终端7对Z轴传动装置32的传动控制下，使X轴支撑系统整体沿Z轴直线导轨34做直线移动，X轴支撑系统则主要是为打印头6提供基础安装支撑、带动打印头6在Z轴方向发生位移，以及通过控制终端7对X轴传动装置54的传动控制，使打印头6在X轴丝杆53上发生X轴方向的位移(即水平方向的位移)，使打印头6按要求沿着X轴直线导轨52轴线做往复直线移动。

供料系统用于向打印头6提供打印材料，具体是在控制终端7的控制下，为打印头6持续供料，以保证打印工作的顺利进行，打印头6套接于X轴直线导轨52上且与X轴丝杆53螺纹配合，打印头6主要作用是在控制终端7的控制下为打印件持续提供打印材料，确保打印工作的顺利完成，控制终端7分别与旋转传动装置22、Z轴传动装置32、X轴传动装置54、供料系统、打印头6连接，控制终端7主要作用是对打印件进行数据处理，并对打印机各部分进行控制，确保打印工作按要求顺利进行。

具体的，本实施例的3D打印机在工作时，为了完成打印，具体需要实现打印机的三个矢量(x、α、z)，x为打印头6的直线移动值；α为旋转打印平台21的旋转角度；z为打印头6进入下一层打印的Z方向移动量。

具体是控制终端7控制安装在X轴支架51上的X轴传动装置54带动X轴丝杆53转动，使安装在X轴支架51上的打印头6沿X轴直线导轨52做直线移动，即实现矢量x的控制，同时，控制终端7控制安装在Z轴支架31上的Z轴传动装置32带动Z轴丝杆33转动，使X轴支撑系统整体沿着Z轴直线导轨34向安装在打印基座1上的旋转打印平台21移动，即实现矢量z的控制，待打印头6到达打印起始位置后，控制终端7控制供料中心41通过输料管42向打印头6持续供料，打印工作正式开始。

本实施例的3D打印机在同层打印中，最重要的就是控制打印头6的走位，也就是控制其的行走路径，如图2所示，打印头6水平移动的平面坐标系中，任意一条曲线，我们都可以看作是无数个点组成，将这些点连接起来，就构成了需要的曲线，由此，因此，解决的就是控制打印头6如何从A(x1,y1)点到达相邻的B(x2,y2)点，再到下一点C(x3,y3)…的走位，也就是要将各个打印点送至打印头6的喷嘴下，具体的，本实施例中，A为在X轴上的点，则y1的值为0。

从图2中可以看出，如果整体图形不绕O点转动，那么从A点到B点，在X,Y方向上，打印头6的移动量为：

但是由于在同一层打印中，打印头6只能沿着X轴直线导轨52的轴方向做直线运动，所以Δy值应由旋转打印平台21的旋转角度α来决定，根据三角函数关系可得出：即

则当B点转动到X轴上时，因为旋转中心为O点，所以得出：

而实际X方向行进值Δx1’为Δx1'＝x2'-x1。

则可以得出，在同层打印中的两个关键控制参数(Δx(n)，α(n))的设定：Δx(n)代表相邻两点打印头6沿X轴直线导轨52所走的距离；α(n)表示将相邻两点的第二点转到X轴直线导轨52的轴线上，旋转打印平台21绕经过轴心O点的法线旋转的角度，具体为控制终端7控制旋转打印平台21上的旋转传动装置22带动旋转打印平台21进行步进式转动，致使打印曲线上的所有点都要经过X轴直线导轨52的轴线，也就是图2所示的X轴，也就是说，当前打印点肯定是在X轴上，以此依次打印，最终完成当前打印层的打印工作.

在完成当前层的打印工作后，控制终端7控制Z轴支架31上的Z轴传动装置32带动Z轴丝杆33转动，使X轴支撑系统整体沿着Z轴直线导轨34向上移动一层距离，进行第二层打印工作，如此依次进行各层打印，直至完成打印件的打印加工工作。

实施例二

实施例一种的3D打印机可拓展为实现多材料同时打印的3D打印机，具体即按需要打印的材料数量配置相同数量的打印装置即可，并将各套打印装置的打印头6围绕旋转打印平台21圆周方向均匀布置，则每个打印头6输出不同材料，同时在各自运动轴线上进行打印，共同完成当前层及各层的打印工作。

如图3所示为以需要实现三种材料同时打印的3D打印机为例：

如图3所示，本实施例的3D打印机与对比文件1的区别为，本实施例中的3D打印机配置有三套打印装置，且如图4所示，三个打印头6围绕旋转打印平台21圆周方向均匀布置，且三个打印头6各自输出不同材料，在同层打印中，分别在各自的运动轴线X1、X2、X3按打印件当前层的构架进行往复直线运动，旋转打印平台21按匀速步进式转动，保证每个打印头6都可以完成当前点的打印工作，以此进行，直至完成当前层的打印，进入下一层。在当前层的打印过程中，三个打印头6各自运动行进的轴线方向不同，因此，在同层打印中可以做到在同时打印行进过程中互不干涉。

实施例三

一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印方法，由上述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机实现，包括以下步骤：

步骤一：控制终端7控制各套打印装置进行打印工作，先进行同层打印；

步骤二：Z轴传动装置32在控制终端7的控制下转动，从而带动与其螺纹配合的Z轴丝杆33做直线移动，进而通过Z轴丝杆33带动X轴支撑系统沿Z轴直线导轨34做直线移动；

步骤三：X轴支撑系统整体做直线运动的同时，X轴传动装置54在控制终端7的控制下控制X轴丝杆53转动，从而带动与其螺纹配合的打印头6沿X轴直线导轨52水平移动；

步骤四：控制终端7再控制旋转传动装置22带动旋转打印平台21进行步进式转动，从而获取各打印点坐标，并控制供料系统向打印头6供料由打印头6进行打印，从而完成当前层打印件的打印；

步骤五：当前层打印完成后，控制终端7控制Z轴支架31上的Z轴传动装置32来带动X轴支撑系统整体上移一层距离，而后进行下一层打印，依次渐进，直至完成打印件的整体打印。

其中，多材料的打印原理与单材料打印原理相同，就是需要在旋转打印平台21周围均布多个打印头6及各自所属运动控制和供料系统，每个打印头6输出不同材料，同时在各自运动轴线上进行打印，同时工作，互不干涉，共同完成当前层及各层的打印工作。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，其特征在于，包括：

打印基座、旋转装置、控制终端及至少一套打印装置；所述一套打印装置包括供料系统、Z轴支撑系统、X轴支撑系统、打印头；

所述旋转装置包括旋转打印平台及旋转传动装置，所述旋转打印平台与旋转传动装置相连，旋转传动装置用于控制旋转打印平台进行步进式转动，且旋转打印平台安装于打印基座上；

所述Z轴支撑系统包括Z轴支架、Z轴传动装置、Z轴丝杆、Z轴直线导轨，Z轴直线导轨与Z轴支架相连，Z轴传动装置安装于Z轴支架上，Z轴传动装置与Z轴丝杆螺纹配合，Z轴传动装置通过控制其转动方向控制Z轴丝杆上下移动；

所述X轴支撑系统包括X轴支架、X轴直线导轨、X轴丝杆、X轴传动装置，所述X轴支架固定于Z轴丝杆上，X轴丝杆一端与X轴支架连接，X轴丝杆另一端与X轴传动装置相连，X轴传动装置套接于Z轴直线导轨上，X轴传动装置用于控制X轴丝杆转动，X轴直线导轨一端固定于X轴支架上，X轴直线导轨另一端套接于Z轴直线导轨上，X轴直线导轨、X轴传动装置均可在Z轴直线导轨上上下滑动；

所述供料系统用于向打印头提供打印材料，所述打印头套接于X轴直线导轨上且与X轴丝杆螺纹配合；所述控制终端分别与所述旋转传动装置、Z轴传动装置、X轴传动装置、供料系统、打印头连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，其特征在于，所述供料系统包括供料中心及输料管，所述输料管的一端与打印头连通，输料管的另一端与供料中心连通，所述供料中心与控制终端连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，其特征在于，当包括多套打印装置时，各套打印装置的打印头围绕旋转打印平台圆周方向均匀布置。

4.根据权利要求3所述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，其特征在于，所述多套打印装置的各供料系统的打印材料不同。

5.根据权利要求1至4中任一所述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机，其特征在于，所述控制终端为计算机。

6.一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印方法，其特征在于，由权利要求1至5中任一所述的一种适用于单材料或多材料同时打印的3D打印机实现，包括以下步骤：

A.控制终端控制各套打印装置进行打印工作，先进行同层打印；

B.Z轴传动装置在控制终端的控制下转动，从而带动与其螺纹配合的Z轴丝杆做直线移动，进而通过Z轴丝杆带动X轴支撑系统沿Z轴直线导轨做直线移动；

C.X轴支撑系统整体做直线运动的同时，X轴传动装置在控制终端的控制下控制X轴丝杆转动，从而带动与其螺纹配合的打印头沿X轴直线导轨水平移动；

D.控制终端再控制旋转传动装置带动旋转打印平台进行步进式转动，从而获取各打印点坐标，并控制供料系统向打印头供料由打印头进行打印，从而完成当前层打印件的打印；

E.当前层打印完成后，控制终端控制Z轴支架上的Z轴传动装置来带动X轴支撑系统整体上移一层距离，而后进行下一层打印，依次渐进，直至完成打印件的整体打印。