CN110696361A - 一种3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印机，包括增强液储槽、底座、固定柱、悬臂、打印头和工作台，增强液储槽中充注有增强液，纤维线进入增强液储槽并被增强液浸没，增强液包裹在纤维线的外部形成增强纤维线；打印头包括引导管、锥形壳和加热丝，引导管插在锥形壳中，引导管包括第一开口和第二开口，锥形壳的底部设置有锥形孔，加热丝对锥形壳进行加热，使得锥形腔的温度维持在使增强纤维线离开锥形孔时保持流体状态的水平；垂直于打印头还设置有水平支撑臂；水平支撑臂分别与压紧机和压毛机连接；压毛机用于在从锥形孔出来的流体状态的增强纤维线形成的层的上表面上形成粗糙的凸起，压紧机用于将从锥形孔出来的流体状态的增强纤维线形成的层与层之间压紧。

Description

一种3D打印机
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种3D打印机。
背景技术
3D打印机是快速成型(Rapid Prototyping，RP)的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维成品，其运行过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。
现有技术中，3D打印机打印的层与层之间的结合强度不够高，导致打印制作的成品容易损坏。
发明内容
本发明旨在提供一种3D打印机，所要解决的技术问题是如何提高3D打印的层与层之间的结合强度。
为了实现上述目的，本发明提供一种3D打印机，包括增强液储槽9、底座34、固定柱36、悬臂32、打印头22和工作台40，所述的固定柱36竖直安装在底座34上，悬臂32的一端固定安装在固定柱36的顶部，另一端通过法兰盘28固定连接到打印头22的外壁上；所述的增强液储槽9中充注有增强液11，纤维线12进入增强液储槽9并被增强液11浸没，增强液包裹在纤维线的外部形成增强纤维线18；所述的打印头22包括引导管24、锥形壳84和加热丝88，所述的引导管24插在锥形壳84中，所述的加热丝88呈螺旋状地缠绕在锥形壳84的外周壁上；所述的引导管24包括第一开口26和第二开口25，所述的第一开口26位于锥形壳84的外部；所述的第二开口25位于锥形壳84的锥形腔80中；所述锥形壳84的底部设置有锥形孔86，所述的增强纤维线18从第一开口26穿入引导管24并从第二开口25穿出，随后通过锥形孔86穿出锥形腔80；所述的加热丝88对锥形壳84进行加热，使得锥形腔80的温度维持在使增强纤维线18离开锥形孔86时保持流体状态的水平；垂直于打印头22还设置有水平支撑臂152；所述水平支撑臂152分别与压紧机和压毛机连接；所述的压毛机用于在从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层106的上表面上形成粗糙的凸起，所述的压紧机用于将从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层与层之间压紧。
所述的压毛机包括第一H型悬臂144和压毛滚筒200，所述的压毛滚筒的外周壁上设置有压毛锯齿284；所述的第一H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压毛滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端。
所述的第一H型悬臂144上还设置有用于吸取碎屑的负压吸管204，所述的负压吸管的端部设置有吸入口202，所述的吸入口设置在压毛滚筒的一侧。
所述的压紧机包括第二H型悬臂138和压紧滚筒182，所述的第二H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压紧滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端，第二H型悬臂与第一H型悬臂平行设置。
所述的压紧滚筒内部设置有加热装置256。
所述的水平支撑臂的端部设置有紫外光固化发射装置116，所述的紫外光固化发射装置用于向从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层发射紫外光118，通过紫外光照射使流体状态的增强纤维线固化。
所述的增强液包括液态光固化树脂、着色剂、紫外光稳定剂和阻燃剂。
所述的3D打印机还包括第一支撑圆筒6、第二支撑圆筒8、上刮料圆筒10A、下刮料圆筒10B、中间支撑圆筒14、第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B，所述的纤维线12从第一支撑圆筒6和第二支撑圆筒8的上表面穿过后进入增强液储槽9并被增强液浸没，上刮料圆筒10A设置在下刮料圆筒10B的上方，上刮料圆筒10A和下刮料圆筒10B之间的缝隙将纤维线外表面上多余的增强液刮除，被刮下的增强液流入增强液储槽9中；增强纤维线18从中间支撑圆筒14的上表面穿过后进入第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B之间的缝隙，第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B各自相向自转，驱动增强纤维线18从第一开口26穿入引导管24并从第二开口25穿出。
所述的工作台40下部设置有第一基板44，所述第一基板的下方设置有第二基板48，所述第二基板的下方设置有固定板54；所述工作台的底面上设置有互相平行的第一X轴导向槽42A和第二X轴导向槽42B，工作台的侧面设置有X轴电动机41；所述第一基板的顶面上设置有第一X轴导向凸条43A和第二X轴导向凸条43B，所述的第一X轴导向凸条可滑动地嵌在第一X轴导向槽中，第二X轴导向凸条可滑动地嵌在第二X轴导向槽中，所述的X轴电动机41能够带动工作台沿着第一X轴导向槽42A和第二X轴导向槽42B的方向(即X轴方向)往复运动；所述第二基板的顶面上设置有互相平行的第一Y轴导向槽46A和第二Y轴导向槽46B，第一基板的底面上设置有互相平行的第一Y轴导向凸条和第二Y轴导向凸条，第一基板的侧面设置有Y轴电动机；所述的第一Y轴导向凸条可滑动地嵌在第一Y轴导向槽中，所述的第二Y轴导向凸条可滑动地嵌在第二Y轴导向槽中，所述的Y轴电动机能够带动第一基板和工作台一起沿着第一Y轴导向槽46A和第二Y轴导向槽46B的方向(即Y轴方向)往复运动；所述的第一Y轴导向槽46A和第一X轴导向槽42A垂直；第二Y轴导向槽46B和第二X轴导向槽42B垂直；所述第二基板的侧面设置有Z轴导向凸条50，固定板54的侧面设置有Z轴导向柱52，所述Z轴导向柱的侧面设置有Z轴导向槽，所述的Z轴导向凸条50可滑动地嵌在Z轴导向槽中，第二基板的侧面还设置有Z轴电动机；所述的Z轴导向槽与第一X轴导向槽42A和第一Y轴导向槽均垂直；所述的Z轴电动机能够带动第二基板、第一基板和工作台一起沿着Z轴导向槽的方向(即Z轴方向)往复运动。
所述的锥形腔80内部还设置有温度传感器90，所述温度传感器与温控器92连接，所述的温控器92与加热丝88连接，根据温度传感器检测的锥形腔80内部的温度控制加热丝88的加热功率；所述的锥形腔80还与保护气供气管82连接。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的3D打印机采用压紧滚筒将打印的层与层之间压紧，同时采用压毛机将打印的层的上表面压毛，形成粗糙结构的结合表面，使得层与层之间的结合强度得到增强。另外本发明还采用增强液预处理并包裹纤维线，3D打印时通过加热线圈将纤维线外部包裹的增强液加热到熔融状态，从而使得纤维线之间粘合在一起，进一步提高了结合强度。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明所述的3D打印机的结构示意图。
图2是本发明所述3D打印机的工作台的结构示意图。
图3是本发明所述压毛机和压紧机的局部放大示意图。
图4是本发明所述压毛机的结构示意图。
图5是本发明所述打印头的剖视图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
如图1至图5所示，本发明所述的3D打印机包括增强液储槽9、底座34、固定柱36、悬臂32、打印头22和工作台40，所述的固定柱36竖直安装在底座34上，悬臂32的一端固定安装在固定柱36的顶部，另一端通过法兰盘28固定连接到打印头22的外壁上；所述的增强液储槽9中充注有增强液11，纤维线12进入增强液储槽9并被增强液11浸没，增强液包裹在纤维线的外部形成增强纤维线18；所述的打印头22包括引导管24、锥形壳84和加热丝88，所述的引导管24插在锥形壳84中，所述的加热丝88呈螺旋状地缠绕在锥形壳84的外周壁上；所述的引导管24包括第一开口26和第二开口25，所述的第一开口26位于锥形壳84的外部；所述的第二开口25位于锥形壳84的锥形腔80中；所述锥形壳84的底部设置有锥形孔86，所述的增强纤维线18从第一开口26穿入引导管24并从第二开口25穿出，随后通过锥形孔86穿出锥形腔80；所述的加热丝88对锥形壳84进行加热，使得锥形腔80的温度维持在使增强纤维线18离开锥形孔86时保持流体状态的水平；垂直于打印头22还设置有水平支撑臂152；所述水平支撑臂152分别与压紧机和压毛机连接；所述的压毛机用于在从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层106的上表面上形成粗糙的凸起，所述的压紧机用于将从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层与层之间压紧。
所述的压毛机包括第一H型悬臂144和压毛滚筒200，所述的压毛滚筒的外周壁上设置有压毛锯齿284；所述的第一H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压毛滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端。
所述的第一H型悬臂144上还设置有用于吸取碎屑的负压吸管204，所述的负压吸管的端部设置有吸入口202，所述的吸入口设置在压毛滚筒的一侧。
所述的压紧机包括第二H型悬臂138和压紧滚筒182，所述的第二H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压紧滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端，第二H型悬臂与第一H型悬臂平行设置。
所述的压紧滚筒内部设置有加热装置256。
所述的水平支撑臂的端部可旋转地设置有紫外光固化发射装置116，所述的紫外光固化发射装置用于向从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层发射紫外光118，通过紫外光照射使流体状态的增强纤维线固化。
所述的增强液包括液态光固化树脂、着色剂、紫外光稳定剂和阻燃剂。
所述的3D打印机还包括第一支撑圆筒6、第二支撑圆筒8、上刮料圆筒10A、下刮料圆筒10B、中间支撑圆筒14、第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B，所述的纤维线12从第一支撑圆筒6和第二支撑圆筒8的上表面穿过后进入增强液储槽9并被增强液浸没，上刮料圆筒10A设置在下刮料圆筒10B的上方，上刮料圆筒10A和下刮料圆筒10B之间的缝隙将纤维线外表面上多余的增强液刮除，被刮下的增强液流入增强液储槽9中；增强纤维线18从中间支撑圆筒14的上表面穿过后进入第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B之间的缝隙，第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B各自相向自转，驱动增强纤维线18从第一开口26穿入引导管24并从第二开口25穿出。
所述的工作台40下部设置有第一基板44，所述第一基板的下方设置有第二基板48，所述第二基板的下方设置有固定板54；所述工作台的底面上设置有互相平行的第一X轴导向槽42A和第二X轴导向槽42B，工作台的侧面设置有X轴电动机41；所述第一基板的顶面上设置有第一X轴导向凸条43A和第二X轴导向凸条43B，所述的第一X轴导向凸条可滑动地嵌在第一X轴导向槽中，第二X轴导向凸条可滑动地嵌在第二X轴导向槽中，所述的X轴电动机41能够带动工作台沿着第一X轴导向槽42A和第二X轴导向槽42B的方向(即X轴方向)往复运动；所述第二基板的顶面上设置有互相平行的第一Y轴导向槽46A和第二Y轴导向槽46B，第一基板的底面上设置有互相平行的第一Y轴导向凸条和第二Y轴导向凸条，第一基板的侧面设置有Y轴电动机；所述的第一Y轴导向凸条可滑动地嵌在第一Y轴导向槽中，所述的第二Y轴导向凸条可滑动地嵌在第二Y轴导向槽中，所述的Y轴电动机能够带动第一基板和工作台一起沿着第一Y轴导向槽46A和第二Y轴导向槽46B的方向(即Y轴方向)往复运动；所述的第一Y轴导向槽46A和第一X轴导向槽42A垂直；第二Y轴导向槽46B和第二X轴导向槽42B垂直；所述第二基板的侧面设置有Z轴导向凸条50，固定板54的侧面设置有Z轴导向柱52，所述Z轴导向柱的侧面设置有Z轴导向槽，所述的Z轴导向凸条50可滑动地嵌在Z轴导向槽中，第二基板的侧面还设置有Z轴电动机；所述的Z轴导向槽与第一X轴导向槽42A和第一Y轴导向槽均垂直；所述的Z轴电动机能够带动第二基板、第一基板和工作台一起沿着Z轴导向槽的方向(即Z轴方向)往复运动。
如图5所示，所述的锥形腔80内部还设置有温度传感器90，所述温度传感器与温控器92连接，所述的温控器92与加热丝88连接，根据温度传感器检测的锥形腔80内部的温度控制加热丝88的加热功率；所述的锥形腔80还与保护气供气管82连接。
本发明所述的3D打印机在工作时，如图1所示，放线轴4上的纤维线12从第一支撑圆筒6和第二支撑圆筒8的上表面穿过后进入增强液储槽9并被增强液浸没，增强液包裹在纤维线的外部形成增强纤维线18；增强纤维线18进入上刮料圆筒10A和下刮料圆筒10B之间，上刮料圆筒10A和下刮料圆筒10B之间的缝隙将纤维线外表面上多余的增强液刮除，被刮下的增强液流入增强液储槽9中；增强纤维线18从中间支撑圆筒14的上表面穿过后进入第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B之间的缝隙。增强液包括液态光固化树脂、着色剂、紫外光稳定剂和阻燃剂。通过增强液处理获得的增强纤维线18具有很高的比刚度(模量-密度比)、比强度(强度-密度比)、蠕变和抗疲劳性以及断裂韧性。
如图5所示，第一驱动圆筒16A和第二驱动圆筒16B各自相向自转，驱动增强纤维线18从引导管24的第一开口26穿入引导管24并从第二开口25穿出，随后通过锥形孔86穿出锥形腔80；所述的加热丝88对锥形壳84进行加热，温控器92根据温度传感器检测的锥形腔80内部的温度控制加热丝88的加热功率，使得锥形腔80的温度维持在使增强纤维线18离开锥形孔86时保持流体状态的水平；通过保护气供气管82向锥形腔80内部喷入保护气体(例如氩气)，避免流体状态的纤维线与空气等反应。流体状态的纤维线在工作台40的上表面上一层一层地形成3D打印成品38。
具体来说，如图2所示，所述的X轴电动机41带动工作台沿着第一X轴导向槽42A和第二X轴导向槽42B的方向(即X轴方向)往复运动；Y轴电动机带动第一基板和工作台一起沿着第一Y轴导向槽46A和第二Y轴导向槽46B的方向(即Y轴方向)往复运动；Z轴电动机能够带动第二基板、第一基板和工作台一起沿着Z轴导向槽的方向(即Z轴方向)往复运动。在打印头22固定不动的情况下，通过工作台在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的往复运动实现流体状态的纤维线在工作台40的上表面上一层一层地形成3D打印成品38。
3D打印成品38的具体形状可以以图形文件的形式保存在电脑上或3D打印机自带的存储装置中，3D打印机自身的控制器根据图形文件控制工作台40在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的运动路径，从而实现在工作台40的上表面上一层一层地形成3D打印成品38。
为了提高层与层之间的结合强度，每完成一层的打印，第一H型悬臂与第二H型悬臂即向下旋转，工作台40带动刚打印完成的层从压毛滚筒200和压紧滚筒182下方经过，同时配合紫外光固化发射装置116向从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线形成的层发射紫外光118，通过紫外光照射使流体状态的增强纤维线固化。
具体来说，当完成一层的打印后，工作台40带动刚打印完成的层首先从压紧滚筒182下方经过，将刚打印完成的层与下方的层紧密结合在一起(压紧滚筒内部的加热装置256对压紧滚筒进行加热，通过控制加热装置256的加热功率使得压紧滚筒的温度保持在能够避免刚打印完成的层过快固化)，同时启动紫外光固化发射装置116向刚打印完成的层的上表面发射紫外光118，控制工作台40的移动速度和紫外光固化发射装置116发射的紫外光强度，使得刚打印完成的层完成半固化，然后工作台40带动半固化的层从压毛滚筒200的下方经过，如图4所示，压毛滚筒200的压毛锯齿284在半固化的层106的上表面上滚过，使得半固化的层的上表面上形成凹凸起伏的粗糙结构(压毛)，同时负压吸管204启动，将压毛过程中产生的碎屑从吸入口202吸走。然后再次启动紫外光固化发射装置116向凹凸起伏的粗糙结构发射紫外光，控制工作台40的移动速度和紫外光固化发射装置116发射的紫外光强度，使得最上面的层完成完整固化。
当工作台40再次带动固化后的层从打印头22下方经过时，从锥形孔86出来的流体状态的增强纤维线在粗糙结构的上表面形成新的层，流体(或半流体)状态的新的层与粗糙结构的上表面之间形成犬牙交错的连接结构，通过压紧滚筒182的再次压紧，使得层与层之间的结合强度得到增强。
作为优选的实施例，所述的纤维线可以选用金属材质或树脂材质。选用金属材质时向锥形腔80内部喷入保护气体(例如氩气)能够防止金属氧化。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (10)

1.一种3D打印机，其特征在于，所述的3D打印机包括增强液储槽、底座、固定柱、悬臂、打印头和工作台，所述的固定柱竖直安装在底座上，悬臂的一端固定安装在固定柱的顶部，另一端通过法兰盘固定连接到打印头的外壁上；所述的增强液储槽中充注有增强液，纤维线进入增强液储槽并被增强液浸没，增强液包裹在纤维线的外部形成增强纤维线；所述的打印头包括引导管、锥形壳和加热丝，所述的引导管插在锥形壳中，所述的加热丝呈螺旋状地缠绕在锥形壳的外周壁上；所述的引导管包括第一开口和第二开口，所述的第一开口位于锥形壳的外部；所述的第二开口位于锥形壳的锥形腔中；所述锥形壳的底部设置有锥形孔，所述的增强纤维线从第一开口穿入引导管并从第二开口穿出，随后通过锥形孔穿出锥形腔；所述的加热丝对锥形壳进行加热，使得锥形腔的温度维持在使增强纤维线离开锥形孔时保持流体状态的水平；垂直于打印头还设置有水平支撑臂；所述水平支撑臂分别与压紧机和压毛机连接；所述的压毛机用于在从锥形孔出来的流体状态的增强纤维线形成的层的上表面上形成粗糙的凸起，所述的压紧机用于将从锥形孔出来的流体状态的增强纤维线形成的层与层之间压紧。
2.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的压毛机包括第一H型悬臂和压毛滚筒，所述的压毛滚筒的外周壁上设置有压毛锯齿；所述的第一H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压毛滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端。
3.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述的第一H型悬臂上还设置有用于吸取碎屑的负压吸管，所述的负压吸管的端部设置有吸入口，所述的吸入口设置在压毛滚筒的一侧。
4.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述的压紧机包括第二H型悬臂和压紧滚筒，所述的第二H型悬臂可旋转地悬挂安装在水平支撑臂上，压紧滚筒可旋转地安装在第一H型悬臂的底端，第二H型悬臂与第一H型悬臂平行设置。
5.根据权利要求4所述的3D打印机，其特征在于，所述的压紧滚筒内部设置有加热装置。
6.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的水平支撑臂的端部设置有紫外光固化发射装置，所述的紫外光固化发射装置用于向从锥形孔出来的流体状态的增强纤维线形成的层发射紫外光，通过紫外光照射使流体状态的增强纤维线固化。
7.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的增强液包括液态光固化树脂、着色剂、紫外光稳定剂和阻燃剂。
8.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的3D打印机还包括第一支撑圆筒、第二支撑圆筒、上刮料圆筒、下刮料圆筒、中间支撑圆筒、第一驱动圆筒和第二驱动圆筒，所述的纤维线从第一支撑圆筒和第二支撑圆筒的上表面穿过后进入增强液储槽并被增强液浸没，上刮料圆筒设置在下刮料圆筒的上方，上刮料圆筒和下刮料圆筒之间的缝隙将纤维线外表面上多余的增强液刮除，被刮下的增强液流入增强液储槽中；增强纤维线从中间支撑圆筒的上表面穿过后进入第一驱动圆筒和第二驱动圆筒之间的缝隙，第一驱动圆筒和第二驱动圆筒各自相向自转，驱动增强纤维线从第一开口穿入引导管并从第二开口穿出。
9.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的工作台下部设置有第一基板，所述第一基板的下方设置有第二基板，所述第二基板的下方设置有固定板；所述工作台的底面上设置有互相平行的第一X轴导向槽和第二X轴导向槽，工作台的侧面设置有X轴电动机；所述第一基板的顶面上设置有第一X轴导向凸条和第二X轴导向凸条，所述的第一X轴导向凸条可滑动地嵌在第一X轴导向槽中，第二X轴导向凸条可滑动地嵌在第二X轴导向槽中，所述的X轴电动机能够带动工作台沿着第一X轴导向槽和第二X轴导向槽的方向往复运动；所述第二基板的顶面上设置有互相平行的第一Y轴导向槽和第二Y轴导向槽，第一基板的底面上设置有互相平行的第一Y轴导向凸条和第二Y轴导向凸条，第一基板的侧面设置有Y轴电动机；所述的第一Y轴导向凸条可滑动地嵌在第一Y轴导向槽中，所述的第二Y轴导向凸条可滑动地嵌在第二Y轴导向槽中，所述的Y轴电动机能够带动第一基板和工作台一起沿着第一Y轴导向槽和第二Y轴导向槽的方向往复运动；所述的第一Y轴导向槽和第一X轴导向槽垂直；第二Y轴导向槽和第二X轴导向槽垂直；所述第二基板的侧面设置有Z轴导向凸条，固定板的侧面设置有Z轴导向柱，所述Z轴导向柱的侧面设置有Z轴导向槽，所述的Z轴导向凸条可滑动地嵌在Z轴导向槽中，第二基板的侧面还设置有Z轴电动机；所述的Z轴导向槽与第一X轴导向槽和第一Y轴导向槽均垂直；所述的Z轴电动机能够带动第二基板、第一基板和工作台一起沿着Z轴导向槽的方向往复运动。
10.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的锥形腔内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与温控器连接，所述的温控器与加热丝连接，根据温度传感器检测的锥形腔内部的温度控制加热丝的加热功率；所述的锥形腔还与保护气供气管连接。
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