CN110682531A - 一种3d打印设备及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印设备及3D打印方法，该设备包括打印平台、支撑组件和机器臂组件；支撑组件包括支架、滑块和连接杆，滑块可沿Z向滑动地连接到支架上，连接杆第一端通过第一轴承与滑块连接，连接杆第二端通过第二轴承与打印平台连接；机器臂组件包括滑轨、第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂，第一连接臂第一端可沿Z向滑动地连接到滑轨上，第一连接臂第二端连接有第一电机，第一电机连接第二连接臂第一端，第二连接臂第二端连接有第二电机，第二电机连接第三连接臂第一端，第三连接臂第二端上安装有打印喷头；支撑组件的数目为至少三个，机器臂组件的数目为至少两个。本发明能够实现两种以上不同材料在同一3D打印设备中一次打印成型。

Description

一种3D打印设备及3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印设备及3D打印方法。

背景技术

3D打印可以通过材料层层累加的方式将材料堆叠成三维实体，可以实现无模具的复杂形状产品的工艺。

目前，针对一些泥浆例如水泥、陶泥浆料的3D打印设备主要是使用自由成型，打印的精度在2mm以上，因此不能满足对产品精度的要求。采用3D打印模具的方式间接成型水泥产品，虽然可以成型精度较高的制品，但通常需要打印模具后通过另外的工序挤入或注入泥浆成型，没有办法在无人工操作下完成。目前，针对塑料的3D打印设备主要是使用熔融沉积成型技术（FDM），在一台设备上同时只能打印一种或者两种塑料材料，不能在同一设备上同时打印两种以上不同类型的材料，例如不能同时打印塑料和非塑料，这使得现有3D打印产品的材料单一，性能也单一。例如，申请号为201610344610.2中国发明专利公开了一种具有曲面加工特性的3D打印机，其通过机座平台的倾斜以及3D打印机主体上喷嘴的移动，对工件悬臂和空腔曲面打印件进行无需支撑物的打印，然而这种打印机只能打印一种材料，不能同时兼容多种材料打印。申请号为201811159227.5中国发明专利申请公开了一种3D打印机的旋转切换双喷头装置及其打印方法，其在挤出头上加入了旋转切换机，但是打印的材料也只能局限于塑料，不能使两种以上不同类型的材料例如塑料和非塑料在同一3D打印设备中成型。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种3D打印设备，其能够实现两种以上不同类型的材料例如塑料和非塑料在同一3D打印设备中打印成型。

本发明的第二目的是提供一种3D打印方法，其能够实现两种以上不同类型的材料例如塑料和非塑料在同一3D打印设备中打印成型。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种3D打印设备，其包括打印平台、支撑组件和机器臂组件；支撑组件包括支架、滑块和连接杆，支架沿Z向延伸，滑块可沿Z向滑动地连接到支架上，连接杆第一端通过第一轴承与滑块连接，连接杆第二端通过第二轴承与打印平台连接；机器臂组件包括滑轨、第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂，滑轨沿Z向延伸；第一连接臂第一端可沿Z向滑动地连接到滑轨上，第一连接臂第二端连接有第一电机，第一电机连接第二连接臂第一端，第二连接臂第二端连接有第二电机，第二电机连接第三连接臂第一端，第三连接臂第二端上设有安装位置，安装位置安装有打印喷头；支撑组件的数目为至少三个，至少三个的支撑组件的支架围绕打印平台设置；机器臂组件的数目为至少两个，至少两个的机器臂组件的滑轨围绕打印平台设置。

进一步的技术方案是，打印喷头可拆卸地安装在安装位置上。

进一步的技术方案是，第一轴承和第二轴承为万向轴承。

进一步的技术方案是，3D打印设备还包括固定架，支架和滑轨固定安装在固定架上。

进一步的技术方案是，支撑组件还包括第一驱动机构；第一驱动机构包括第三电机、主动轮、从动轮和皮带，主动轮和从动轮设置在支架两端，皮带环绕主动轮和从动轮设置，第三电机驱动主动轮转动；皮带与滑块连接并带动滑块移动。

进一步的技术方案是，滑块的两侧分别各连接有一个连接杆。

进一步的技术方案是，机器臂组件还包括丝杆和第四电机，丝杆设置在滑轨内，第四电机连接丝杆并带动丝杆转动，丝杆连接第一连接臂第一端并且带动第一连接臂移动。

为实现本发明的第二目的，本发明提供了一种3D打印方法，该方法在上述任一方案所述的一种3D打印设备中进行；该方法包括以下步骤：

步骤一：根据三维模型的切片信息来确定支撑组件滑块的移动路径；

步骤二：根据移动路径，支撑组件带动打印平台移动，至少两个的机械臂组件中的第一机械臂组件在打印平台上逐层打印，得到先成型部分；第二机械臂组件在先成型部分上逐层打印或在第一成型部分内注入浆料；

步骤三：结束打印，支撑组件恢复原态。

进一步的技术方案是，在步骤一中，根据三维模型的切片信息来确定支撑组件中滑块和机械臂组件中第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂至少一个的移动路径；在步骤二中，根据移动路径，机械臂组件中的第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂中的至少一个移动，带动打印喷头移动从而进行打印；每个机械臂组件完成打印后，机械臂组件的第二连接臂和第三连接臂恢复原态；在步骤三中，结束打印后，每个机械臂组件的第一连接臂恢复原态。

进一步的技术方案是，步骤一还包括：根据打印材料的种类选择至少两个的机械臂组件中的打印喷头；设置逐层打印的厚度，调整打印喷头的温度，调整打印喷头的送料速率； 步骤二进行一次或重复进行多次。

与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

（1）发明的3D打印设备和3D打印方法能够在一个设备中对多种不同的材料例如塑料和非塑料加工成型，拓展了3D打印的材料加工范围。在打印由多种不同材料组成的产品时，可以通过控制打印平台和/或机械臂组件的运动来改变打印材料，进而实现同平台完成多材料产品的打印。

（2）当加工较为高的工件时，本发明的3D打印设备和3D打印方法在Z方向上的加工长度是打印平台的Z向运动行程和机械臂的Z向运动行程的总和，因此理论上通过提高机械臂Z方向上的运动行程就可以提高3D打印Z方向上的加工长度。

（3）本发明可以通过打印平台的运动实现3D打印，而机械臂组件无需动作。当加工较为复杂的工件时，打印平台和3D打印机械臂可以同时运动，六轴运动可以满足大多数复杂工件的加工。

（4）当加工高精度的工件时，可以通过本发明设备和方法的加工多种材料的特性，一个喷头打印模具，一个喷头喷射浆料来完成。

附图说明

图1是本发明3D打印设备实施例的立体结构示意图；

图2是本发明3D打印设备实施例的侧面结构示意图。

其中，10-打印平台，20-支撑组件，21-支架，22-滑块，23-连接杆，24-第一轴承，25-第二轴承，26-第三电机，27-皮带，30-机器臂组件，31-滑轨，32-第一连接臂，33-第二连接臂，34-第三连接臂，35-第一电机，36-第二电机，37-打印喷头，38-丝杆，39-第四电机，40-固定架，41-底座，42-顶座，43-支柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1至图2，本实施例提供了一种3D打印设备，其打印平台10、支撑组件20、机器臂组件30和固定架40。

支撑组件20包括支架21、滑块22和连接杆23。支架21沿Z向延伸，滑块22可沿Z向滑动地连接到支架21上，连接杆23第一端通过第一轴承24与滑块22连接，连接杆23第二端通过第二轴承25与打印平台10连接。在本实施例中，支撑组件20的数目为三个，三个支撑组件20分别对应的三个支架21分别对称地围绕打印平台10设置，并固定连接在在固定架40上，具体地，固定架40具有底座41和顶座42以及连接在底座41和顶座42之间的支柱43，支架21连接在支柱43上，支架21包括滑杆，滑块22可沿滑杆移动。其中，第一轴承24和第二轴承25为万向轴承，例如可以是鱼眼轴承。每个滑块22两侧分别连接一个连接杆23，即在本实施例中，连接杆23为六根，两两一组与同一滑块22相连，通过控制三个滑块22的位移来确定打印平台10的XYZ方向的移动，进而精准控打印平台10的运动轨迹。

支撑组件20还包括第一驱动机构。第一驱动机构包括第三电机26、主动轮、从动轮和皮带27，主动轮和从动轮设置在支架21两端，皮带27环绕主动轮和从动轮设置，第三电机26驱动主动轮转动，皮带27与滑块22连接并带动滑块22移动。在本实施例中，主动轮连接在底座41上，从动轮连接在顶座42上。

机器臂组件30包括滑轨31、第一连接臂32、第二连接臂33和第三连接臂34。滑轨31沿Z向延伸。第一连接臂32第一端可沿Z向滑动地连接到滑轨31上，第一连接臂32第二端连接有第一电机35，第一电机35的转动端连接第二连接臂33第一端，第二连接臂33第二端连接有第二电机36，第二电机36的转动端连接第三连接臂34第一端，第三连接臂34第二端上设有安装位置，所述安装位置安装有打印喷头37，打印喷头37可拆卸地安装到安装位置上，可以根据不同材料的要求拆装不同的打印喷头37，打印喷头37是可更换的套件。在打印过程中，待机状态下的打印喷头37可以进行更换，以满足多种材料的打印。

在本实施例，机器臂组件30的数目为两个，两个机器臂组件30分别对应的两个滑轨31围绕打印平台10设置，可以相对设置在打印平台10两侧，并固定连接在固定架40上，例如可以通过螺栓连接到固定架40上。通过第一连接臂32、第二连接臂33和第三连接臂34的移动，打印喷头37可移动到打印平台10的上方，或者，通过三个滑块22的移动，打印平台10能够移动到各个打印喷头37的下方。第一电机35和第二电机36可以是由电机驱动的伺服电机，控制着机械臂水平XY方向的运动轨迹。

机器臂组件30还包括丝杆38和第四电机39，丝杆38设置在滑轨31内，第四电机通过联轴器连接丝杆38并驱动丝杆38转动，丝杆38连接第一连接臂32第一端并且带动第一连接臂32在Z方向上移动。通过控制第一电机35、第二电机36和第四电机39工作，准确地控制打印喷头37的运动轨迹。

打印设备还包括控制装置，控制装置通过控制第一电机35，第二电机36，第三电机26和第四电机39的工作状态实现对打印位置的控制并且避免两个机械臂之间打印时产生相互干涉；并且通过控制打印喷头37以控制打印进度与打印速度。还可以根据打印的样品的复杂程度来确定打印模式，例如形貌及构造较为简单的打印件，可以仅通过打印平台10在XYZ方向上的运动实现打印过程，如果打印的样件较为复杂，则打印平台10和机械臂则可以同时运动来实现复杂结构的成型。例如，在一个打印过程中，第一机械臂组件30中的打印喷头37不断送料到打印平台10按照“点-线-面”的成型方式进行打印进而控制一层的成型过程，完成一层厚度的打印后，打印平台10下降一个层面的厚度，进行第二层的打印，若此时需要打印另外一种材料，则第一机械臂组件30的打印喷头37打印完后停止供料，并且第一机械臂组件30恢复到原态，打印平台10移动到第二机械臂组件30的打印喷嘴37附近，继续打印，若有第三种材料，则第一机械臂组件30的打印喷头37在恢复后可更换成第三种材料的打印喷头37继续进行打印。

打印方法实施例一

本实施例使用上述3D打印设备打印塑料模具成型陶瓷工艺品。 具体包括以下步骤：

步骤一：将三维模型文件导入至3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定打印平台和3D打印机械臂的移动路径。 根据打印材料，第一机械臂组件中选用塑料材料打印喷头，第二机械臂组件中选用陶瓷浆体材料打印喷头。

步骤二：支撑组件移动使得打印平台对准第一机械臂组件的塑料材料打印喷头后，塑料材料打印喷头开始出料，根据移动路径，支撑组件移动使得打印平台逐层下移，使得第一机械臂组件逐层打印模具。模具加工到合适的层高后，第一机械臂组件恢复到原态，支撑组件移动使得打印平台对准第二机械臂组件的陶瓷浆体材料打印喷头，陶瓷浆体材料打印喷头开始稳定挤出陶瓷浆料，浆料挤出完毕之后，第二机械臂组件恢复到原态。

步骤三：支撑组件及打印平台恢复到原态，打印结束。

打印方法实施例二

本实施例使用上述3D打印设备打印塑料模具成型水泥工艺品。 具体包括以下步骤：

步骤一：将三维模型文件导入至3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定3D打印平台和3D打印机械臂的移动路径。 根据打印材料，第一机械臂组件中选用塑料材料打印喷头，第二机械臂组件中选用水泥浆体材料打印喷头。

步骤二：支撑组件移动使得打印平台对准第一机械臂组件的塑料材料打印喷头后，塑料材料打印喷头开始出料，根据移动路径，支撑组件移动使得打印平台逐层下移，使得第一机械臂组件逐层打印模具。模具加工到合适的层高后，第一机械臂组件恢复到原态，支撑组件移动使得打印平台对准第二机械臂组件的水泥浆料材料打印喷头，水泥浆料材料打印喷头开始稳定挤出水泥浆料。浆料挤出完毕之后，第二机械臂组件恢复到原态。

步骤三：支撑组件和打印平台恢复到原态，打印结束。

打印方法实施例三

本实施例使用上述3D打印设备打印陶瓷水泥工艺品。 具体包括以下步骤：

步骤一：将三维模型文件导入至3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定3D打印平台和3D打印机械臂的移动路径。 根据打印材料，第一械臂组件中选用陶瓷浆体材料打印喷头，第二机器臂组件中选用水泥浆体材料打印喷头。

步骤二：支撑组件移动使得打印平台对准第一机械臂的陶瓷浆体材料打印喷头后，陶瓷浆体材料打印喷头开始出料，根据移动路径，支撑组件移动使得打印平台逐层下移，使得第一机械臂组件逐层打印陶瓷部分。加工到所需的层高后，第一机械臂组件恢复到原态，支撑组件移动使得打印平台对准第二机械臂组件的水泥浆体材料打印喷头，水泥浆体材料打印喷头开始稳定挤出水泥浆料，根据移动路径，支撑组件移动使得打印平台逐层下移，使得第二机械臂组件逐层打印水泥部分。水泥浆料挤出完毕之后，第二机械臂组件恢复到原态。支撑组件移动使得打印平台再次对准第一机械臂组件的打印喷头，继续打印。循环这个过程，直到打印完成。

步骤三：支撑组件和打印平台恢复到原态，打印结束。

由上可见，本发明可实现多种材料的一次性加工，并且在加工Z方向上有较大的尺寸空间，适合不同产品和材料的要求，实用性强。

尽管本说明书较多地使用了打印平台、支撑组件、支架、滑块、连接杆、第一轴承、第二轴承、第三电机、皮带、机器臂组件、滑轨、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂、第一电机、第二电机、打印喷头、丝杆、第四电机、固定架、底座、顶座、支柱等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 其中，第一、第二、第三、第四等表述仅表示区别，不对结构或功能带来限制。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种3D打印设备，其特征在于包括打印平台、支撑组件和机器臂组件；

所述支撑组件包括支架、滑块和连接杆，所述支架沿Z向延伸，所述滑块可沿Z向滑动地连接到所述支架上，所述连接杆第一端通过第一轴承与所述滑块连接，所述连接杆第二端通过第二轴承与所述打印平台连接；

所述机器臂组件包括滑轨、第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂，所述滑轨沿Z向延伸；所述第一连接臂第一端可沿Z向滑动地连接到所述滑轨上，所述第一连接臂第二端连接有第一电机，所述第一电机连接所述第二连接臂第一端，所述第二连接臂第二端连接有第二电机，所述第二电机连接所述第三连接臂第一端，所述第三连接臂第二端上设有安装位置，所述安装位置安装有打印喷头；

所述支撑组件的数目为至少三个，至少三个的所述支撑组件的所述支架围绕所述打印平台设置；所述机器臂组件的数目为至少两个，至少两个的所述机器臂组件的所述滑轨围绕所述打印平台设置。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印设备，其特征在于：

所述打印喷头可拆卸地安装在所述安装位置上。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印设备，其特征在于：

所述第一轴承和所述第二轴承为万向轴承。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种3D打印设备，其特征在于：

还包括固定架，所述支架和所述滑轨固定安装在所述固定架上。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印设备，其特征在于：

所述支撑组件还包括第一驱动机构；

所述第一驱动机构包括第三电机、主动轮、从动轮和皮带，所述主动轮和所述从动轮设置在所述支架两端，所述皮带环绕所述主动轮和所述从动轮设置，所述第三电机驱动所述主动轮转动；所述皮带与所述滑块连接并带动所述滑块移动。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种3D打印设备，其特征在于：

所述滑块的两侧分别各连接有一个所述连接杆。

7.根据权利要求1至3任一项所述的一种3D打印设备，其特征在于：

所述机器臂组件还包括丝杆和第四电机，所述丝杆设置在所述滑轨内，所述第四电机连接所述丝杆并驱动所述丝杆转动，所述丝杆连接所述第一连接臂第一端并且带动所述第一连接臂移动。

8.一种3D打印方法，其特征在于：

所述方法在权利要求1至7任一项所述的一种3D打印设备中进行；所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据三维模型的切片信息来确定所述支撑组件中所述滑块的移动路径；

步骤二：根据所述移动路径，所述支撑组件带动所述打印平台移动，至少两个的所述机械臂组件中的第一机械臂组件在所述打印平台上逐层打印，得到先成型部分；第二机械臂组件在所述先成型部分上逐层打印或在所述第一成型部分内注入浆料；

步骤三：结束打印，所述支撑组件恢复原态。

9.根据权利要求8所述的一种3D打印方法，其特征在于：

在所述步骤一中，根据所述三维模型的切片信息来确定所述支撑组件中所述滑块以及所述机械臂组件中所述第一连接臂、所述第二连接臂和所述第三连接臂至少一个的移动路径；

在所述步骤二中，根据所述移动路径，所述机械臂组件中的所述第一连接臂、所述第二连接臂和所述第三连接臂中的至少一个移动，带动所述打印喷头移动从而进行打印；每个所述机械臂组件完成打印后，所述机械臂组件的所述第二连接臂和所述第三连接臂恢复原态；

在所述步骤三中，结束打印后，每个所述机械臂组件的所述第一连接臂恢复原态。

10.根据权利要求8或9所述的一种3D打印方法，其特征在于：

所述步骤一还包括：根据打印材料的种类选择至少两个的所述机械臂组件中的所述打印喷头；设置逐层打印的厚度，调整所述打印喷头的温度，调整所述打印喷头的送料速率；

所述步骤二进行一次或重复进行多次。

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