CN110421846B

CN110421846B - 一种基于多级坐标系统的嵌套式3d打印机及打印方法

Info

Publication number: CN110421846B
Application number: CN201910739824.3A
Authority: CN
Inventors: 李清朋
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2039-08-12
Also published as: CN110421846A

Abstract

本发明公开了一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机及打印方法，涉及3D打印领域，包括设置在3D打印机内的喷嘴系统，喷嘴系统包括内环喷嘴，用于进行内环截面的打印，内环喷嘴相对于打印时建立的坐标原点可以进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；外环喷嘴，用于进行外环截面的打印，内部填充有与内环喷嘴不同的3D打印材料，外环喷嘴相对于内环喷嘴的方位角及径向距离可以进行调节，本发明解决目前市场上普及的3D打印机不能同时、非平行打印多种材料所导致的打印效率较低等问题。

Description

一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机及打印方法。

背景技术

目前市场上所普及的3D打印机，仅仅具有一个喷头安装基座，并在该基座上安装一个或多个打印喷头。这样的3D打印机具有很大的局限性，具体的说包括以下两点：

1）具有一个打印喷头的3D打印机，是针对一种材料的打印机；这导致在打印具有不同材料的同一截面时，需要更换材料重复打印，打印效率较低；

2）具有多个打印喷头的3D打印机，其工作原理与单一喷头的3D打印机相同，这种3D打印机，针对多种不同材料平行分布的情况，可以一次性打印，打印效率显著提高；但针对多种不同材料非平行分布时，仍然需要重复打印，打印效率没有任何提高。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机及打印方法，解决目前市场上普及的3D打印机不能同时、非平行打印多种材料所导致的打印效率较低等问题。

一种基于多级坐标系统的嵌套式D打印机，包括设置在3D打印机内的喷嘴系统，所述喷嘴系统包括：

内环喷嘴，用于进行内环截面的打印，所述内环喷嘴相对于打印时建立的坐标原点可以进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

外环喷嘴，用于进行外环截面的打印，内部填充有与内环喷嘴不同的3D打印材料，所述外环喷嘴相对于内环喷嘴的方位角及径向距离可以进行调节。

可选的，还包括：

第一驱动控制系统，用于控制并驱动所述内环喷嘴相对于打印截面的坐标原点进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

第二驱动控制系统，用于控制并驱动所述外环喷嘴以内环喷嘴为原点进行X轴以及Y轴方向上运动，以调节外环喷嘴相对于内环喷嘴的方位角及径向距离。

可选的，所述第一驱动控制系统包括前级驱动系统、第二移动块、第一轴承座、第一转轴和内环喷嘴基座，所述前级驱动系统驱动所述第二移动块进行第X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动，第二移动块的下端转动连接有所述第一转轴，第一转轴的下端固定有所述内环喷嘴基座，内环喷嘴基座的下端设有所述内环喷嘴。

可选的，所述第二驱动控制系统包括第二电机、第二滑道、第三电机、第二丝杆、外环喷嘴基座和第二轴承座，所述第二移动块的下端固定有所述第二电机，第二电机的输出轴传动连接有第一主动齿轮，所述第一转轴的外端设有与所述第一主动齿轮啮合的第一齿道，所述内环喷嘴基座的外壁固定有所述第二滑道，第二滑道内固定有所述第三电机，第三电机的输出轴转动连接有所述第二丝杆，第二丝杆的另一端与固定在第二滑道内的所述第二轴承座转动连接，第二丝杆上螺纹连接有所述外环喷嘴基座，外环喷嘴基座沿着第二滑道）进行滑动，外环喷嘴基座的下端设有所述外环喷嘴。

可选的，所述前级驱动系统包括第一移动块、第一滑道、第一电机、第一丝杆、第三滑道、第三丝杆、第四电机、第三轴承座、转动座、基座和第五电机，所述第一移动块的一端固定有所述第一滑道，第一滑道内固定有所述第一电机，第一电机的输出轴转动连接有所述第一丝杆，第一丝杆的另一端与固定在第一滑道内的所述第一轴承座转动连接，第一丝杆上螺纹连接有所述第二移动块，第二移动块沿着第一滑道进行滑动，第一移动块还在所述第三滑道上滑动，第三滑道内设有所述第三丝杆，第三丝杆的一端与固定在第三滑道内的所述第四电机的输出轴转动连接，第三丝杆的另一端与固定在第三滑道内的所述第三轴承座转动连接，第三滑道的下端设有所述转动座，转动座转动连接在所述基座上，基座内固定有所述第五电机，第五电机的输出轴传动连接有第二主动齿轮，转动座的外端设有与所述第二主动齿轮啮合的第二齿道。

可选的，所述前级驱动系统包括第一调节杆和第二调节杆，所述3D打印机包括框架主体，所述框架主体上设有所述第一调节杆和所述第二调节杆，第一调节杆滑动连接在框架主体上，并且相对于框架主体进行Z轴上的轴向运动，第二调节杆滑动连接在第一调节杆上，并且相对于第一调节杆进行Y轴上的轴向运动，所述第二移动块滑动连接在第二调节杆上，并且相对于第二调节杆进行X轴上的轴向运动。

一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

获取打印截面的形状、材料和截面面积，使得喷嘴系统靠近打印截面；

确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴和外环喷嘴的运行轨迹；

内环喷嘴和外环喷嘴按照各自既定的运行轨迹进行打印工作。

可选的，确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴和外环喷嘴的运行轨迹，具体包括：

若打印截面为内外环形状不同、材料不同的截面形式，第一驱动控制系统和第二驱动控制系统分别驱动控制内环喷嘴和外环喷嘴按照各自的运动轨迹进行运动；

若打印截面截面为外环为流变性较小材料、内部为流变性较大材料的截面形式，外环喷嘴内装有流变性较小材料，第二驱动控制系统驱动控制外环喷嘴先进行打印，外环喷嘴按照运行轨迹打印一闭合环，内环喷嘴内装有流变性较大材料，第一驱动控制系统再驱动控制内环喷嘴进行打印，使得流变性较大材料自由流动至铺平状态，直至与所述闭合环的内圈边界相接触。

本发明的优点在于：克服现有3D打印机的不足，提出一种基于多级坐标系统统概念的嵌套式3D打印机，具体地解决目前市场上普及的3D打印机不能同时、非平行打印多种材料所导致的打印效率较低等问题，除了兼具传统3D打印机的所有功能外，还支持多种材料非同时、非平行等多种打印方式，这扩大了3D打印的自由度，并提高了3D打印的效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种状态的结构示意图图；

图2为本发明实施例另一种状态的结构示意图；

图3为本发明实施例中一种截面形式的示意图；

图4为本发明实施例中另一种截面形式的示意图；

图5为本发明实施例的流程示意图。

其中，1-第一移动块，2-第一滑道，3-第一电机，4-第一丝杆，5-第二移动块，6-第一轴承座，7-第一转轴，8-内环喷嘴基座，9-内环喷嘴，10-第二电机，11-第二滑道，12-第三电机，13-第二丝杆，14-外环喷嘴基座，15-第二轴承座，16-外环喷嘴，17-第三滑道，18-第三丝杆，19-第四电机，20-第三轴承座，21-转动座，22-基座，23-第五电机，24-框架主体，25-第一调节杆，26-第二调节杆。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

作为一个实施例，本发明提出一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机，包括设置在3D打印机内的喷嘴系统，所述喷嘴系统包括：

本发明还提出了一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

通过3D打印机及打印方法的设计，克服现有3D打印机的不足，提出一种基于多级坐标系统统概念的嵌套式3D打印机，具体地解决目前市场上普及的3D打印机不能同时、非平行打印多种材料所导致的打印效率较低等问题，除了兼具传统3D打印机的所有功能外，还支持多种材料非同时、非平行等多种打印方式，这扩大了3D打印的自由度，并提高了3D打印的效率。

下面对本发明较佳实现方式进行详细说明。

请参阅图1和图2，该3D打印机包括设置在3D打印机内的喷嘴系统，喷嘴系统包括：

内环喷嘴9，用于进行内环截面的打印，内环喷嘴9相对于以打印截面的坐标原点可以进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

外环喷嘴16，用于进行外环截面的打印，内部填充有与内环喷嘴9不同的3D打印材料，外环喷嘴16相对于内环喷嘴9的方位角及径向距离可以进行调节；

第一驱动控制系统，用于控制并驱动内环喷嘴9相对于打印截面的坐标原点进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

第二驱动控制系统，用于控制并驱动外环喷嘴16以内环喷嘴9为原点进行X轴以及Y轴方向上运动，以调节外环喷嘴16相对于内环喷嘴9的方位角及径向距离。

具体的，第一驱动控制系统包括前级驱动系统、第二移动块5、第一轴承座6、第一转轴7和内环喷嘴基座8，前级驱动系统驱动第二移动块5进行第X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动，第二移动块5的下端转动连接有第一转轴7，第一转轴7的下端固定有内环喷嘴基座8，内环喷嘴基座8的下端设有内环喷嘴9。

具体的，第二驱动控制系统包括第二电机10、第二滑道11、第三电机12、第二丝杆13、外环喷嘴基座14和第二轴承座15，第二移动块5的下端固定有第二电机10，第二电机10的输出轴传动连接有第一主动齿轮，第一转轴7的外端设有与第一主动齿轮啮合的第一齿道，内环喷嘴基座8的外壁固定有第二滑道11，第二滑道11内固定有第三电机12，第三电机12的输出轴转动连接有第二丝杆13，第二丝杆13的另一端与固定在第二滑道11内的第二轴承座15转动连接，第二丝杆13上螺纹连接有外环喷嘴基座14，外环喷嘴基座14沿着第二滑道11进行滑动，外环喷嘴基座14的下端设有外环喷嘴16。

通过第二电机10带动第一主动齿轮转动，这样带动第一主动齿轮啮合的第一转轴7随着一起转动，再通过第三电机12驱动第二丝杆13转动，进而带动外环喷嘴基座14沿着第二滑道11的轴向进行滑动，外环喷嘴16等于是以内环喷嘴9为坐标原点进行运动，这样就能实现外环喷嘴16相对于内环喷嘴9的方位角及径向距离。

请参阅图1，此为前级驱动系统的一种实现方式的示意图，该前级驱动系统可以包括第一移动块1、第一滑道2、第一电机3、第一丝杆4、第三滑道17、第三丝杆18、第四电机19、第三轴承座20、转动座21、基座22和第五电机23，第一移动块1的一端固定有第一滑道2，第一滑道2内固定有第一电机3，第一电机3的输出轴转动连接有第一丝杆4，第一丝杆4的另一端与固定在第一滑道2内的第一轴承座6转动连接，第一丝杆4上螺纹连接有第二移动块5，第二移动块5沿着第一滑道2进行滑动，第一移动块1还在第三滑道17上滑动，第三滑道17内设有第三丝杆18，第三丝杆18的一端与固定在第三滑道17内的第四电机19的输出轴转动连接，第三丝杆18的另一端与固定在第三滑道17内的第三轴承座20转动连接，第三滑道17的下端设有转动座21，转动座21转动连接在基座22上，基座22内固定有第五电机23，第五电机23的输出轴传动连接有第二主动齿轮，转动座21的外端设有与第二主动齿轮啮合的第二齿道。

同样地，通过第一电机3驱动第一丝杆4转动，进而带动第二移动块5沿着第一滑道2的轴向进行滑动。再通过第五电机23带动第二主动齿轮转动，这样转动第二主动齿轮啮合的转动座21随着一起转动，再通过第四电机19驱动第三丝杆18转动，进而带动第一移动块1沿着第三滑道17的轴向进行滑动，通过第四电机19、第五电机23和第一电机3的驱动，这样就能实现内环喷嘴9相对于打印截面的坐标原点进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动。

请参阅图2，此为前级驱动系统另一种具体实现方式的示意图，该前级驱动结构还可以包括第一调节杆25和第二调节杆26，3D打印机包括框架主体24，框架主体24上设有第一调节杆25和第二调节杆26，第一调节杆25滑动连接在框架主体24上，并且相对于框架主体24进行Z轴上的轴向运动，第二调节杆26滑动连接在第一调节杆25上，并且相对于第一调节杆25进行Y轴上的轴向运动，第二移动块5滑动连接在第二调节杆26上，并且相对于第二调节杆26进行X轴上的轴向运动。可以理解的是，第一调节杆25处对称设为两根，两根第一调节杆25通过第二调节杆26进行固定，并且框架主体24处设有驱动控制第一调节杆25进行Z轴上运动的第一调节控制系统，例如丝杆电机、液压系统等等，第一调节杆25处设有驱动控制第二调节杆26进行Y轴上运动的第二调节控制系统，第二调节杆26处设有驱动控制第二移动块5进行X轴上运动的第三调节控制系统，第一调节控制系统、第二调节控制系统和第三调节控制系统的驱动，也能实现内环喷嘴9相对于打印截面的中心点为坐标原点进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动。

请参阅图5，该3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴9和外环喷嘴16的运行轨迹；

内环喷嘴9和外环喷嘴16按照各自既定的运行轨迹进行打印工作。

确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴9和外环喷嘴16的运行轨迹，分别两种情况，具体包括：

请参阅图3，若打印截面为内外环形状不同、材料不同的截面形式，第一驱动控制系统和第二驱动控制系统分别驱动控制内环喷嘴9和外环喷嘴16按照各自的运动轨迹进行运动，形成两个闭合环；

请参阅图4，若打印截面截面为外环为流变性较小材料、内部为流变性较大材料的截面形式，外环喷嘴16内装有流变性较小材料，第二驱动控制系统驱动控制外环喷嘴16先进行打印，外环喷嘴16按照运行轨迹打印一闭合环，该闭合环等于形成了“围墙”，内环喷嘴9内装有流变性较大材料，第一驱动控制系统再驱动控制内环喷嘴9进行打印，使得流变性较大材料自由流动至铺平状态，直至与闭合环的内圈边界相接触。

综上所述，本发明的优点在于：克服现有3D打印机的不足，提出一种基于多级坐标系统统概念的嵌套式3D打印机，具体地解决目前市场上普及的3D打印机不能同时、非平行打印多种材料所导致的打印效率较低等问题，除了兼具传统3D打印机的所有功能外，还支持多种材料非同时、非平行等多种打印方式，这扩大了3D打印的自由度，并提高了3D打印的效率。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机，包括设置在3D打印机内的喷嘴系统，其特征在于，所述喷嘴系统包括：

内环喷嘴（9），用于进行内环截面的打印，所述内环喷嘴（9）相对于打印时建立的坐标原点可以进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

外环喷嘴（16），用于进行外环截面的打印，内部填充有与内环喷嘴（9）不同的3D打印材料，所述外环喷嘴（16）相对于内环喷嘴（9）的方位角及径向距离可以进行调节；

还包括：

第一驱动控制系统，用于控制并驱动所述内环喷嘴（9）相对于打印截面的坐标原点进行X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动；

第二驱动控制系统，用于控制并驱动所述外环喷嘴（16）以内环喷嘴（9）为原点进行X轴以及Y轴方向上运动，以调节外环喷嘴（16）相对于内环喷嘴（9）的方位角及径向距离；

所述第一驱动控制系统包括前级驱动系统、第二移动块（5）、第一轴承座（6）、第一转轴（7）和内环喷嘴基座（8），所述前级驱动系统驱动所述第二移动块（5）进行第X轴、Y轴以及Z轴三轴方向上的运动，第二移动块（5）的下端转动连接有所述第一转轴（7），第一转轴（7）的下端固定有所述内环喷嘴基座（8），内环喷嘴基座（8）的下端设有所述内环喷嘴（9）；

所述第二驱动控制系统包括第二电机（10）、第二滑道（11）、第三电机（12）、第二丝杆（13）、外环喷嘴基座（14）和第二轴承座（15），所述第二移动块（5）的下端固定有所述第二电机（10），第二电机（10）的输出轴传动连接有第一主动齿轮，所述第一转轴（7）的外端设有与所述第一主动齿轮啮合的第一齿道，所述内环喷嘴基座（8）的外壁固定有所述第二滑道（11），第二滑道（11）内固定有所述第三电机（12），第三电机（12）的输出轴转动连接有所述第二丝杆（13），第二丝杆（13）的另一端与固定在第二滑道（11）内的所述第二轴承座（15）转动连接，第二丝杆（13）上螺纹连接有所述外环喷嘴基座（14），外环喷嘴基座（14）沿着第二滑道（11）进行滑动，外环喷嘴基座（14）的下端设有所述外环喷嘴（16）；

所述前级驱动系统包括第一调节杆（25）和第二调节杆（26），所述3D打印机包括框架主体（24），所述框架主体（24）上设有所述第一调节杆（25）和所述第二调节杆（26），第一调节杆（25）滑动连接在框架主体（24）上，并且相对于框架主体（24）进行Z轴上的轴向运动，第二调节杆（26）滑动连接在第一调节杆（25）上，并且相对于第一调节杆（25）进行Y轴上的轴向运动，所述第二移动块（5）滑动连接在第二调节杆（26）上，并且相对于第二调节杆（26）进行X轴上的轴向运动；

第一调节杆（25）处对称设为两根，两根第一调节杆（25）通过第二调节杆（26）进行固定，并且框架主体（24）处设有驱动控制第一调节杆（25）进行Z轴上运动的第一调节控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴（9）

和外环喷嘴（16）的运行轨迹；

内环喷嘴（9）和外环喷嘴（16）按照各自既定的运行轨迹进行打印工作。

3.根据权利要求2所述的一种基于多级坐标系统的嵌套式3D打印机的打印方法，其特征在于：确定第一驱动控制系统和第二驱动控制系统的运行参数，以确定内环喷嘴（9）和外环喷嘴（16）的运行轨迹，具体包括：

若打印截面为内外环形状不同、材料不同的截面形式，第一驱动控制系统和第二驱动控制系统分别驱动控制内环喷嘴（9）和外环喷嘴（16）按照各自的运动轨迹进行运动；

若打印截面截面为外环为流变性较小材料、内部为流变性较大材料的截面形式，外环喷嘴（16）内装有流变性较小材料，第二驱动控制系统驱动控制外环喷嘴（16）先进行打印，外环喷嘴（16）按照运行轨迹打印一闭合环，内环喷嘴（9）内装有流变性较大材料，第一驱动控制系统再驱动控制内环喷嘴（9）进行打印，使得流变性较大材料自由流动至铺平状态，直至与所述闭合环的内圈边界相接触。