CN112571791B - 一种桌面级3d打印和复印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面级3D打印和复印装置及方法，该装置包括底座、三维移动组件、控制系统、打印板组件、3D打印头组件、3D复印头组件、夹具、材料塑化组件、柔性熔体输送复合管、熔体开关阀和3D复印模具组件，所述3D打印头组件或所述3D复印头组件设置在三维移动组件上并根据工序要求相互替换，所述3D打印头组件或3D复印头组件与材料塑化组件通过可弯曲的柔性熔体输送复合管进行连接，极大的解放了材料塑化组件的位置。本发明通过将3D打印核心功能与注射成型核心功能单元模块化、结构再设计组合成小型化装置，形成打印模具、复印制品的一体化工艺，将注塑机代入人们日常生活，实现桌面级3D复印机快速精确高效复印3D制品。

Description

一种桌面级3D打印和复印装置及方法

技术领域

本发明属于高分子材料加工成型技术领域，尤其涉及一种桌面级3D打印和复印装置及方法。

背景技术

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来，3D打印技术发展迅速，特别是随着桌面级3D打印机的发展，3D打印已经进入人们的日常生活。但是桌面级3D打印机打印材料有限、打印精度不高、打印周期长。而注射成型机以模塑成型的方式实现3D制品的不断复制，成型材料广泛、成型速度快、成型精度高，但是由于所需模具制造困难、加工周期长、价格昂贵，使其难以进入大众生活并进行三维物品的个性化制造。

中国专利说明书CN103294421B中提出通过3D扫描仪对3D实体进行实体扫描，然后进行模型重构及数据处理，最后用3D打印机进行三维打印，以实现3D实体的复印。该方法虽然能够实现三维物体复制，但是由于受限于3D打印机，其成型精度不高、成型周期较长，难以实现3D实体的大批量快速复印。

中国专利说明书CN104960207B中公开了一种个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，通过将模具单元化自动组装以适应不同的三维实体形状，然后通过吸塑成型3D个性化口罩。中国专利申请说明书CN111283969A中公开了一种柔性变焦模塑眼镜3D复印装置，通过可调节曲率的金属膜片凸模与可调节距离的凹模形成具有不同厚度及焦距规格的镜片模腔，从而实现模具的快速变换。但是，上述两种方法应用范围有限，仅能针对特定产品(例如：口罩或眼镜)进行快速制造。

综上所述，只有实现模具的快速制造或变换，打破一模一腔的传统限制，才能使注射成型机像3D打印机一样，实现3D物品的快速复制并引入人们日常生活。

发明内容

为此，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种桌面级3D打印和复印装置，以解决现有技术中桌面级3D打印机打印材料有限、打印精度不高、打印周期长的技术问题，实现模具型腔的快速制造与3D实体的高效精确复制。

作为同一种技术构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种桌面级3D打印和复印方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种桌面级3D打印和复印装置，包括底座、三维移动组件、控制系统、打印板组件、3D打印头组件、3D复印头组件、夹具、材料塑化组件、熔体输送管、熔体开关阀和3D复印模具组件；所述三维移动组件和所述控制系统安装在所述底座上；所述打印板组件一侧通过滑槽滑轨与所述底座相连，另一侧安装在所述三维移动组件上；所述3D打印头组件或所述3D复印头组件设置在三维移动组件上并根据工序要求相互替换，所述夹具设置于所述3D复印头组件上；所述材料塑化组件与所述3D打印头组件或所述3D复印头组件通过所述熔体输送管相连以形成熔体流动通道，所述熔体开关阀设于所述熔体输送管上用于控制熔体流量；所述材料塑化组件用于塑化物料，为所述3D打印头组件或所述3D复印头组件供料；所述3D打印头组件可进行所述3D复印模具组件的打印，然后将所述3D复印模具组件设置在所述打印板组件上，所述3D复印头组件向所述3D复印模具组件进行注射模塑成型。

作为一种改进，所述三维移动组件包括三个相同的线性移动组件，分别为上下线性移动组件、左右线性移动组件和前后线性移动组件，以承担三向移动功能；

所述线性移动组件包括伺服电机、支架、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、安装板和安装孔位，所述伺服电机、所述滚珠丝杠和所述滚珠丝杠螺母位于所述支架内部，所述伺服电机带动所述滚珠丝杠旋转并驱使所述滚珠丝杠螺母线性运动，所述安装板固定连接在所述滚珠丝杠螺母上并随着所述滚珠丝杠螺母的运动而运动，所述支架与所述安装板上根据需要布置合适的安装孔位；

所述上下线性移动组件的支架固定于所述底座上，所述左右线性移动组件的支架与所述上下线性移动组件的安装板固定连接，所述3D打印头组件或所述3D复印头组件与所述左右线性移动组件的安装板固定连接；

所述前后线性移动组件的支架固定于所述底座上，所述打印板组件上远离所述滑槽滑轨的一侧与所述前后线性移动组件的安装板固定连接。

作为一种改进，所述3D复印头组件包括复印用伺服电机、缸体、复印用滚珠丝杠螺母、圆柱筒体、复印用滚珠丝杠、金属活塞、加热棒、复印箱体、复印储料腔、单向止逆阀、复印进料口和复印头，所述复印用滚珠丝杠螺母和所述复印用滚珠丝杠组成复印用滚珠丝杠副；所述复印用伺服电机与所述复印箱体分别与所述缸体的上下两侧固定连接，所述金属活塞与所述复印用滚珠丝杠螺母通过所述圆柱筒体固定连接，所述复印用滚珠丝杠位于所述圆柱筒体的内部，所述复印箱体的内腔为所述复印储料腔，所述加热棒设置在所述复印箱体内部并分布在所述复印储料腔周围，所述复印进料口设置在所述复印箱体侧面下端位置，内部有所述单向止逆阀；所述复印头安装在所述复印箱体下侧中心位置并可更换不同尺寸规格；所述金属活塞在所述复印用滚珠丝杠副的驱动下进行上下运动，实现所述复印箱体内熔体通过所述复印头向所述3D复印模具组件的型腔注射供料。

作为进一步地改进，所述夹具为剪刀型机械夹具，所述剪刀型机械夹具包括驱动杆和两个交叉布置的夹爪，两个所述夹爪中部铰接于所述复印箱体上，每个所述夹爪的上部均开设有滑动孔，所述夹爪的下端为夹持端；所述驱动杆的中部通过连接轴固定于所述圆柱筒体上，所述驱动杆的两端均设有与所述滑动孔相配合的滑动销轴，所述缸体上开设有避让所述连接轴的竖向避让孔；通过所述复印用滚珠丝杠螺母、所述圆柱筒体及所述金属活塞的上下运动实现所述剪刀型机械夹具的开合；当所述金属活塞完成熔体注射向上运动时，通过所述剪刀型机械夹具和所述三维移动组件实现所述3D复印模具组件的开模。

作为一种改进，所述3D打印头组件包括打印进料口、打印头安装孔、打印用加热棒、打印头熔体通道、打印箱体和打印头，所述打印箱体上表面一侧开设所述打印进料口，所述打印箱体背面设置用于与所述三维移动组件连接的所述打印头安装孔，所述打印用加热棒设置在所述打印箱体内部并分布在所述打印头熔体通道周围，所述打印头安装在所述打印箱体下表面一侧并可更换不同尺寸规格，所述打印头熔体通道一端连接所述打印进料口，另一端连接所述打印头，所述打印头熔体通道为双U型通道。

作为一种改进，所述打印板组件包括打印板安装孔、打印板主体、模具安装孔、打印板盖板、打印板滑槽、顶出闲置杆、顶出增加杆、进气嘴、顶出工作杆和顶出杆容纳孔，所述打印板主体一侧设置所述打印板滑槽，与支撑板滑轨滑动接触连接，所述支撑板滑轨固定于所述底座的一侧，所述打印板滑槽和所述支撑板滑轨形成所述滑槽滑轨，另一侧设置用于与所述三维移动组件连接的所述打印板安装孔；

所述打印板主体远离所述打印板安装孔的一侧设置有用于固定所述3D复印模具组件的所述模具安装孔以及所述顶出杆容纳孔，所述打印板盖板内嵌于所述打印板主体之中并且两者上端面平齐，所述打印板盖板上开设有与所述顶出杆容纳孔相对应的防脱孔；所述顶出杆容纳孔内设置有顶出杆，所述顶出杆为下大上小的凸台圆柱结构，其下侧凸台的直径与所述顶出杆容纳孔的孔径相适配，上侧圆柱直径小于下侧凸台的直径且与所述防脱孔的孔径相适配；

未承担顶出任务时的所述顶出杆为所述顶出闲置杆，所述顶出闲置杆的上端面与所述打印板盖板上端面平齐，以作为3D打印工序的打印板，当进行3D复印工序时，承担顶出任务的所述顶出杆为所述顶出工作杆，所述顶出工作杆下端为所述顶出增加杆，其长度尺寸是根据所述3D复印模具组件的模具结构决定，并由3D打印工序进行打印得到；

所述进气嘴设置在所述顶出杆容纳孔的下侧，与气泵相连，在需要执行顶出任务时，位于所述顶出工作杆及顶出增加杆下方的所述进气嘴及所述气泵在所述控制系统的控制下瞬间施加气压，推动所述顶出工作杆及所述顶出增加杆向上运动，完成制品顶出任务。

作为一种改进，所述3D复印模具组件包括上模具、开模孔、注射流道、下模具、随形冷却通道、型腔和顶出通道，所述3D复印模具组件的所有部件均通过所述3D打印头组件经3D打印工序得到；所述下模具下侧与所述打印板组件的模具安装孔固定连接，上侧与所述上模具通过倒锥形面接触，且所述下模具和所述上模具之间形成所述型腔；所述下模具设置有所述随形冷却通道和所述顶出通道，分别用于3D复印制品的随形冷却和顶出；所述上模具上端面中心开设球形凹口，与所述3D复印头组件的复印头接触，所述球形凹口下方设置所述注射流道，将通过所述复印头注射的熔体运送到所述型腔中；所述上模具上部侧面设置所述开模孔，用于所述夹具夹持以开模。

作为一种改进，所述材料塑化组件包括塑化底座、塑化电机、塑化电机支撑板、料筒、加热器、机筒、螺杆、连接法兰和机头支撑板；所述塑化电机支撑板与所述机头支撑板分别固定在所述塑化底座的两侧，所述塑化电机与所述机筒固定在所述塑化电机支撑板的两侧，所述料筒连通所述机筒的内部，所述螺杆转动安装于所述机筒内且由所述塑化电机驱动，所述机头支撑板用于支撑所述机筒的机头。

作为一种改进，所述熔体输送管为柔性熔体输送复合管，所述柔性熔体输送复合管包括金属软管、保温层、隔热层、表皮保护层和管侧连接法兰；所述金属软管可弯曲，为熔体输送层；所述保温层采用防火阻燃材料且设于所述金属软管的外侧，用于保温；所述隔热层采用隔热材料且设于所述保温层的外侧，用于防止熔体向外界散热，保持熔体温度；所述表皮保护层为耐高温塑料或纤维布且设于所述隔热层的外侧，用于保护内部各层；所述柔性熔体输送复合管一侧通过所述管侧连接法兰与所述材料塑化组件的连接法兰相连接，另一侧通过螺纹形式与所述3D打印头组件的打印进料口或所述3D复印头组件的复印进料口相连接。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种桌面级3D打印和复印方法，对三维实体进行三维扫描后通过计算机程序语言对三维模型进行逆向设计，或使用三维软件直接建模，得到模具的三维模型；

采用上述桌面级3D打印和复印装置，利用3D打印头组件进行所述模具的打印，得到3D复印模具组件，然后将所述3D复印模具组件设置在所述打印板组件上，3D复印头组件向所述3D复印模具组件进行注射模塑成型，实现三维实体的复印。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的桌面级3D打印和复印装置及方法，可以根据3D制品的形状自由打印相匹配的模具，并实现3D制品的大批量快速复印，真正意义上将3D复印技术代入人们日常生活，实现桌面级3D复印机快速精确高效复印3D制品；

2)通过将3D打印核心功能与注射成型核心功能的单元模块化、结构再设计组合成小型化装置，大大缩小了整机体积，也降低了整机成本；形成打印模具、复印制品的一体化工艺。

3)本发明的3D复印头组件，由于在复印进料口内部设置了单向止逆阀，有效防止了所述金属活塞注射过程熔体逆流。

4)所述夹具为剪刀型机械夹具，剪刀型机械夹具上部的驱动杆与圆柱筒体连接，通过滚珠螺母、圆柱筒体及金属活塞的上下运动实现剪刀型机械夹具的开合，这样当金属活塞进行熔体注射向下运动时，剪刀型机械夹具打开并与3D复印模具组件的上模具不接触；当金属活塞完成熔体注射向上运动时，剪刀型机械夹具夹住上模具，在三维移动组件向上运动的带动下，实现开模；使得夹具借助3D复印头组件的动力进行开合，不必再设置单独的动力，不仅使得装置集成化程度更高，而且进一步降低了成本。

5)本发明3D打印头组件中，打印头熔体通道采用双U型通道，避免了熔体从打印头浇口处流涎。

6)本发明的打印板组件中，顶出杆为下大上小的凸台圆柱结构，打印板盖板起到限位作用，防止了顶出工作杆在气压的作用下脱离打印板主体。

7)本发明3D复印模具组件中，下模具上侧与上模具通过倒锥形面接触，保证了合模面的接触良好。

8)本发明通过柔性熔体输送复合管的柔性可弯曲特性，增加了材料塑化组件与3D打印头组件或3D复印头组件的安装柔性，使得材料塑化组件的位置布置更加灵活，有利于装置整体的结构优化及紧凑型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的线性移动组件的结构示意图；

图3a是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的3D复印头组件的结构示意图；

图3b是图3a中A处局部放大图；

图3c是另一种单向止逆阀的放大示意图；

图4是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的3D打印头组件的结构示意图；

图5a是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的底座及打印板组件的结构示意图；

图5b是图5a中B处局部放大图；

图6是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的3D复印模具组件的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的材料塑化组件的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置的柔性熔体输送复合管的结构示意图；

图中：1、三维移动组件；101、上下线性移动组件；102、左右线性移动组件；103、前后线性移动组件；2、3D复印头组件；3、夹具；4、3D复印模具组件；5、熔体输送管；6、熔体开关阀；7、材料塑化组件；8、打印板组件；9、底座；10、控制系统；11、控制面板；12、3D打印头组件；

1-1、伺服电机；1-2、支架；1-3、滚珠丝杠；1-4、滚珠丝杠螺母；1-5、安装板；1-6、安装孔位；2-1、复印用伺服电机；2-2、缸体；2-3、复印用滚珠丝杠螺母；2-4、圆柱筒体；2-5、复印用滚珠丝杠；2-6、金属活塞；2-7、加热棒；2-8、复印箱体；2-9、复印储料腔；2-10、单向止逆阀；2-11、复印进料口；2-12、复印头；3-1、驱动杆；3-2、夹爪；3-3、连接轴；3-4、滑动销轴；12-1、打印进料口；12-2、打印头安装孔；12-3、打印用加热棒；12-4、打印头熔体通道；12-5、打印箱体；12-6、打印头；9-1、控制系统安装面；9-2、上下线性移动组件安装面；9-3、前后线性移动组件安装面；9-4、支撑板滑轨；8-1、打印板安装孔；8-2、打印板主体；8-3、模具安装孔；8-4、打印板盖板；8-5、打印板滑槽；8-6、顶出闲置杆；8-7、顶出增加杆；8-8、进气嘴；8-9、顶出工作杆；8-10、顶出杆容纳孔；4-1、上模具；4-2、开模孔；4-3、注射流道；4-4、下模具；4-5、随形冷却通道；4-6、型腔；4-7、顶出通道；7-1、塑化底座；7-2、塑化电机；7-3、塑化电机支撑板；7-4、料筒；7-5、加热器；7-6、机筒；7-7、螺杆；7-8、连接法兰；7-9、机头支撑板；5-1、金属软管；5-2、保温层；5-3、隔热层；5-4、表皮保护层；5-5、管侧连接法兰。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图4共同所示，一种桌面级3D打印和复印装置，包括底座9、三维移动组件1、控制系统10、打印板组件8、3D打印头组件12、3D复印头组件2、夹具3、材料塑化组件7、熔体输送管5、熔体开关阀6和3D复印模具组件4；三维移动组件1和控制系统10安装在底座9上；控制系统10上设置有控制面板11，打印板组件8一侧通过滑槽滑轨与底座9相连，另一侧安装在三维移动组件1上；3D打印头组件12或3D复印头组件2设置在三维移动组件1上并根据工序要求相互替换，夹具3设置于3D复印头组件2上；材料塑化组件7与3D打印头组件12或3D复印头组件2通过熔体输送管5相连以形成熔体流动通道，熔体开关阀6设于熔体输送管5上用于控制熔体流量；材料塑化组件7用于塑化物料，为3D打印头组件12或3D复印头组件2供料；3D打印头组件12可进行3D复印模具组件4的打印，然后将3D复印模具组件4设置在打印板组件8上，3D复印头组件2向3D复印模具组件4进行注射模塑成型。

三维移动组件1包括三个相同的线性移动组件，分别为上下线性移动组件101、左右线性移动组件102和前后线性移动组件103，以承担三向移动功能。

如图2所示，优选地，线性移动组件包括伺服电机1-1、支架1-2、滚珠丝杠1-3、滚珠丝杠螺母1-4、安装板1-5和安装孔位1-6，伺服电机1-1、滚珠丝杠1-3和滚珠丝杠螺母1-4位于支架1-2内部，伺服电机1-1带动滚珠丝杠1-3旋转并驱使滚珠丝杠螺母1-4线性运动，安装板1-5固定连接在滚珠丝杠螺母1-4上并随着滚珠丝杠螺母1-4的运动而运动，支架1-2与安装板1-5上根据需要布置合适的安装孔位1-6。当然，作为一种替代方式，线性移动组件中的伺服电机1-1、滚珠丝杠1-3及滚珠丝杠螺母1-4三个部件还可由直线电机代替，以行使线性驱动的功能。需要说明的是，线性移动组件不限于上述两种方式，还可以采用伺服电机驱动的同步带机构等等，在此不再赘述。

在本实施例中，上下线性移动组件101的支架固定于底座9上，左右线性移动组件102的支架与上下线性移动组件101的安装板固定连接，3D打印头组件12或3D复印头组件2与左右线性移动组件102的安装板固定连接；前后线性移动组件103的支架固定于底座9上，打印板组件8上远离滑槽滑轨的一侧与前后线性移动组件103的安装板固定连接。

如图3a所示，3D复印头组件2包括复印用伺服电机2-1、缸体2-2、复印用滚珠丝杠螺母2-3、圆柱筒体2-4、复印用滚珠丝杠2-5、金属活塞2-6、加热棒2-7、复印箱体2-8、复印储料腔2-9、单向止逆阀2-10、复印进料口2-11和复印头2-12，复印用滚珠丝杠螺母2-3和复印用滚珠丝杠2-5组成复印用滚珠丝杠副；复印用伺服电机2-1与复印箱体2-8分别与缸体2-2的上下两侧固定连接，金属活塞2-6与复印用滚珠丝杠螺母2-3通过圆柱筒体2-4固定连接，复印用滚珠丝杠2-5位于圆柱筒体2-4的内部，复印箱体2-8的内腔为复印储料腔2-9，加热棒2-7设置在复印箱体2-8内部并分布在复印储料腔2-9周围，复印进料口2-11设置在复印箱体2-8侧面下端位置，内部有单向止逆阀2-10，以防止金属活塞2-6注射过程熔体逆流；单向止逆阀2-10的具体结构可采用如图3b所示的止逆环结构或者采用如图3c所示的止逆球结构等等，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述；复印头2-12安装在复印箱体2-8下侧中心位置并可更换不同尺寸规格；金属活塞2-6在复印用滚珠丝杠副的驱动下进行上下运动，实现复印箱体2-8内熔体通过复印头2-12向3D复印模具组件4的型腔注射供料。

结合图1和图3a，本实施例中，夹具3为剪刀型机械夹具，剪刀型机械夹具包括驱动杆3-1和两个交叉布置的夹爪3-2，两个夹爪3-2中部铰接于复印箱体2-8上，每个夹爪3-2的上部均开设有滑动孔(图中未标出)，夹爪3-2的下端为夹持端；驱动杆3-1的中部通过连接轴3-3固定于圆柱筒体2-4上，驱动杆3-1的两端均设有与滑动孔相配合的滑动销轴3-4，缸体2-2上开设有避让连接轴3-3的竖向避让孔(图中未标出)；通过复印用滚珠丝杠螺母2-3、圆柱筒体2-4及金属活塞2-6的上下运动实现剪刀型机械夹具的开合；当金属活塞2-6完成熔体注射向上运动时，通过剪刀型机械夹具和三维移动组件1实现所述3D复印模具组件的开模。具体地，当金属活塞2-6进行熔体注射向下运动时，剪刀型机械夹具打开并与上模具不接触，当金属活塞2-6完成熔体注射向上运动时，剪刀型机械夹具3夹住上模具，在三维移动组件1向上运动的带动下，实现开模。这样使得夹具3借助3D复印头组件2的动力进行开合，不必再设置单独的动力，不仅使得装置集成化程度更高，而且进一步降低了成本。

如图4所示，3D打印头组件12包括打印进料口12-1、打印头安装孔12-2、打印用加热棒12-3、打印头熔体通道12-4、打印箱体12-5和打印头12-6，打印箱体12-5上表面一侧开设打印进料口12-1，打印箱体12-5背面设置用于与三维移动组件1的左右线性移动组件102连接的打印头安装孔12-2，打印用加热棒12-3设置在打印箱体12-5内部并分布在打印头熔体通道12-4周围，打印头12-6安装在打印箱体12-5下表面一侧并可更换不同尺寸规格，打印头熔体通道12-4一端连接打印进料口12-1，另一端连接打印头12-6，打印头熔体通道12-4为双U型通道，以避免熔体从打印头12-6浇口处流涎。

如图5a所示，底座9包括控制系统安装面9-1、上下线性移动组件安装面9-2、前后线性移动组件安装面9-3和支撑板滑轨9-4，控制系统安装面9-1、上下线性移动组件安装面9-2、前后线性移动组件安装面9-3均设置有安装孔位，分别与控制系统10、上下线性移动组件101、前后线性移动组件103相连接。

如图5a和5b共同所示，打印板组件8包括打印板安装孔8-1、打印板主体8-2、模具安装孔8-3、打印板盖板8-4、打印板滑槽8-5、顶出闲置杆8-6、顶出增加杆8-7、进气嘴8-8、顶出工作杆8-9和顶出杆容纳孔8-10，打印板主体8-2一侧设置打印板滑槽8-5，与支撑板滑轨9-4滑动接触连接，支撑板滑轨9-4固定于底座9的一侧，打印板滑槽8-5和支撑板滑轨9-4形成滑槽滑轨，另一侧设置用于与三维移动组件1的前后线性移动组件103连接的打印板安装孔8-1，以使打印板组件8随着前后线性移动组件103的运动而运动。

打印板主体8-2远离打印板安装孔8-1的一侧设置有用于固定3D复印模具组件4的模具安装孔8-3以及顶出杆容纳孔8-10，打印板盖板8-4内嵌于打印板主体8-2之中并且两者上端面平齐，打印板盖板8-4上开设有与顶出杆容纳孔8-10相对应的防脱孔(图中未标出)；顶出杆容纳孔8-10内设置有顶出杆，顶出杆为下大上小的凸台圆柱结构，其下侧凸台的直径与顶出杆容纳孔8-10的孔径相适配，上侧圆柱直径小于下侧凸台的直径且与防脱孔的孔径相适配。

未承担顶出任务时的顶出杆为顶出闲置杆8-6，顶出闲置杆8-6的上端面与打印板盖板8-4上端面平齐，以作为3D打印工序的打印板，当进行3D复印工序时，承担顶出任务的顶出杆为顶出工作杆8-9，顶出工作杆8-9下端为顶出增加杆8-7，其长度尺寸是根据3D复印模具组件4的模具结构决定，并由3D打印工序进行打印得到。

进气嘴8-8设置在顶出杆容纳孔8-10的下侧，与气泵相连，在需要执行顶出任务时，位于顶出工作杆8-9及顶出增加杆8-7下方的进气嘴8-8及气泵在控制系统10的控制下瞬间施加气压，推动顶出工作杆8-9及顶出增加杆8-7向上运动，完成制品顶出任务，此时打印板盖板8-4起到限位作用，以防止顶出工作杆8-9在气压的作用下脱离打印板主体8-2。

如图6所示，3D复印模具组件4包括上模具4-1、开模孔4-2、注射流道4-3、下模具4-4、随形冷却通道4-5、型腔4-6和顶出通道4-7，3D复印模具组件4的所有部件均通过3D打印头组件12经3D打印工序得到。下模具4-4下侧与打印板组件8的模具安装孔8-3固定连接，上侧与上模具4-1通过倒锥形面接触，以保证合模面的接触良好，下模具4-4和上模具4-1之间形成型腔4-6。下模具4-4设置有随形冷却通道4-5和顶出通道4-7，分别用于3D复印制品的随形冷却和顶出。结合图3a和图6，上模具4-1上端面中心开设球形凹口，与3D复印头组件2的复印头2-12接触，球形凹口下方设置注射流道4-3，将通过复印头2-12注射的熔体运送到型腔4-6中。上模具4-1上部侧面可设置开模孔4-2，用于夹具3夹持以开模。

结合图5a、5b和图6，需要说明的是，本实施例中，上述顶出增加杆8-7为圆柱结构，其直径与顶出杆容纳孔8-10相适配，其长度与下模具4-4型腔结构下表面距离打印板盖板8-4上表面的长度相同，其结构可由打印工序进行灵活快速制造。并且，根据下模具4-4型腔结构的不同，顶出工作杆8-9及相应的顶出增加杆8-7的个数不同，以及顶出增加杆8-7的长度不同。

如图7所示，材料塑化组件7包括塑化底座7-1、塑化电机7-2、塑化电机支撑板7-3、料筒7-4、加热器7-5、机筒7-6、螺杆7-7、连接法兰7-8和机头支撑板7-9；塑化电机支撑板7-3与机头支撑板7-9分别固定在塑化底座7-1的两侧，塑化电机7-2与机筒7-6固定在塑化电机支撑板7-3的两侧，料筒7-4连通机筒7-6的内部，螺杆7-7转动安装于机筒7-6内且由塑化电机7-2驱动，机头支撑板7-9用于支撑机筒7-6机头。

如图8所示，熔体输送管5为柔性熔体输送复合管，柔性熔体输送复合管包括金属软管5-1、保温层5-2、隔热层5-3、表皮保护层5-4和管侧连接法兰5-5；金属软管5-1可弯曲，为熔体输送层，保温层5-2采用防火阻燃材料且设于金属软管5-1的外侧，用于保温，隔热层5-3采用隔热材料且设于保温层5-2的外侧，用于防止熔体向外界散热，保持熔体温度，表皮保护层5-4可为耐高温塑料或纤维布且设于隔热层5-3的外侧，用于保护内部各层。结合图1、图3a、图4、图7和图8，柔性熔体输送复合管一侧通过管侧连接法兰5-5与材料塑化组件7的连接法兰7-8相连接，另一侧通过螺纹形式与3D打印头组件12的打印进料口12-1或3D复印头组件2的复印进料口2-11相连接。

通过柔性熔体输送复合管的柔性可弯曲特性，增加了材料塑化组件7与3D打印头组件12或3D复印头组件2的安装柔性，材料塑化组件7的位置布置更加灵活，有利于装置整体的结构优化及紧凑型。

本发明实施例还公开了一种桌面级3D打印和复印方法，对三维实体进行三维扫描后通过计算机程序语言对三维模型进行逆向设计，或使用三维软件直接建模，得到模具的三维模型；采用上述桌面级3D打印和复印装置，利用3D打印头组件12进行模具的打印，得到3D复印模具组件4，然后将3D复印模具组件4设置在打印板组件8上，通过3D复印头组件2向3D复印模具组件4进行注射模塑成型，实现三维实体的复印。

综上，本发明实施例提供的桌面级3D打印和复印装置及方法，可以根据3D制品的形状自由打印相匹配的模具，并实现3D制品的大批量快速复印，真正意义上将3D复印技术代入人们日常生活，实现桌面级3D复印机快速精确高效复印3D制品；通过将3D打印核心功能与注射成型核心功能的单元模块化、结构再设计组合成小型化装置，大大缩小了整机体积，也降低了整机成本；形成打印模具、复印制品的一体化工艺。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：包括底座、三维移动组件、控制系统、打印板组件、3D打印头组件、3D复印头组件、夹具、材料塑化组件、熔体输送管、熔体开关阀和3D复印模具组件；所述三维移动组件和所述控制系统安装在所述底座上；所述打印板组件一侧通过滑槽滑轨与所述底座相连，另一侧安装在所述三维移动组件上；所述3D打印头组件或所述3D复印头组件设置在三维移动组件上并根据工序要求相互替换，所述夹具设置于所述3D复印头组件上；所述材料塑化组件与所述3D打印头组件或所述3D复印头组件通过所述熔体输送管相连以形成熔体流动通道，所述熔体开关阀设于所述熔体输送管上用于控制熔体流量；所述材料塑化组件用于塑化物料，为所述3D打印头组件或所述3D复印头组件供料；所述3D打印头组件可进行所述3D复印模具组件的打印，然后将所述3D复印模具组件设置在所述打印板组件上，所述3D复印头组件向所述3D复印模具组件进行注射模塑成型；

所述3D复印头组件包括复印用伺服电机、缸体、复印用滚珠丝杠螺母、圆柱筒体、复印用滚珠丝杠、金属活塞、加热棒、复印箱体、复印储料腔、单向止逆阀、复印进料口和复印头，所述复印用滚珠丝杠螺母和所述复印用滚珠丝杠组成复印用滚珠丝杠副；所述复印用伺服电机与所述复印箱体分别与所述缸体的上下两侧固定连接，所述金属活塞与所述复印用滚珠丝杠螺母通过所述圆柱筒体固定连接，所述复印用滚珠丝杠位于所述圆柱筒体的内部，所述复印箱体的内腔为所述复印储料腔，所述加热棒设置在所述复印箱体内部并分布在所述复印储料腔周围，所述复印进料口设置在所述复印箱体侧面下端位置，内部有所述单向止逆阀；所述复印头安装在所述复印箱体下侧中心位置并可更换不同尺寸规格；所述金属活塞在所述复印用滚珠丝杠副的驱动下进行上下运动，实现所述复印箱体内熔体通过所述复印头向所述3D复印模具组件的型腔注射供料；

所述夹具为剪刀型机械夹具，所述剪刀型机械夹具包括驱动杆和两个交叉布置的夹爪，两个所述夹爪中部铰接于所述复印箱体上，每个所述夹爪的上部均开设有滑动孔，所述夹爪的下端为夹持端；所述驱动杆的中部通过连接轴固定于所述圆柱筒体上，所述驱动杆的两端均设有与所述滑动孔相配合的滑动销轴，所述缸体上开设有避让所述连接轴的竖向避让孔；通过所述复印用滚珠丝杠螺母、所述圆柱筒体及所述金属活塞的上下运动实现所述剪刀型机械夹具的开合；当所述金属活塞完成熔体注射向上运动时，通过所述剪刀型机械夹具和所述三维移动组件实现所述3D复印模具组件的开模；

所述熔体输送管为柔性熔体输送复合管，所述柔性熔体输送复合管包括金属软管、保温层、隔热层、表皮保护层和管侧连接法兰；所述金属软管可弯曲，为熔体输送层；所述保温层采用防火阻燃材料且设于所述金属软管的外侧，用于保温；所述隔热层采用隔热材料且设于所述保温层的外侧，用于防止熔体向外界散热，保持熔体温度；所述表皮保护层为耐高温塑料或纤维布且设于所述隔热层的外侧，用于保护内部各层；所述柔性熔体输送复合管一侧通过所述管侧连接法兰与所述材料塑化组件的连接法兰相连接，另一侧通过螺纹形式与所述3D打印头组件的打印进料口或所述3D复印头组件的复印进料口相连接。

2.根据权利要求1所述的桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：所述三维移动组件包括三个相同的线性移动组件，分别为上下线性移动组件、左右线性移动组件和前后线性移动组件，以承担三向移动功能；

所述线性移动组件包括伺服电机、支架、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、安装板和安装孔位，所述伺服电机、所述滚珠丝杠和所述滚珠丝杠螺母位于所述支架内部，所述伺服电机带动所述滚珠丝杠旋转并驱使所述滚珠丝杠螺母线性运动，所述安装板固定连接在所述滚珠丝杠螺母上并随着所述滚珠丝杠螺母的运动而运动，所述支架与所述安装板上根据需要布置合适的安装孔位；

所述上下线性移动组件的支架固定于所述底座上，所述左右线性移动组件的支架与所述上下线性移动组件的安装板固定连接，所述3D打印头组件或所述3D复印头组件与所述左右线性移动组件的安装板固定连接；

所述前后线性移动组件的支架固定于所述底座上，所述打印板组件上远离所述滑槽滑轨的一侧与所述前后线性移动组件的安装板固定连接。

3.根据权利要求1所述的桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：所述3D打印头组件包括打印进料口、打印头安装孔、打印用加热棒、打印头熔体通道、打印箱体和打印头，所述打印箱体上表面一侧开设所述打印进料口，所述打印箱体背面设置用于与所述三维移动组件连接的所述打印头安装孔，所述打印用加热棒设置在所述打印箱体内部并分布在所述打印头熔体通道周围，所述打印头安装在所述打印箱体下表面一侧并可更换不同尺寸规格，所述打印头熔体通道一端连接所述打印进料口，另一端连接所述打印头，所述打印头熔体通道为双U型通道。

4.根据权利要求1所述的桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：所述打印板组件包括打印板安装孔、打印板主体、模具安装孔、打印板盖板、打印板滑槽、顶出闲置杆、顶出增加杆、进气嘴、顶出工作杆和顶出杆容纳孔，所述打印板主体一侧设置所述打印板滑槽，与支撑板滑轨滑动接触连接，所述支撑板滑轨固定于所述底座的一侧，所述打印板滑槽和所述支撑板滑轨形成所述滑槽滑轨，另一侧设置用于与所述三维移动组件连接的所述打印板安装孔；

所述打印板主体远离所述打印板安装孔的一侧设置有用于固定所述3D复印模具组件的所述模具安装孔以及所述顶出杆容纳孔，所述打印板盖板内嵌于所述打印板主体之中并且两者上端面平齐，所述打印板盖板上开设有与所述顶出杆容纳孔相对应的防脱孔；所述顶出杆容纳孔内设置有顶出杆，所述顶出杆为下大上小的凸台圆柱结构，其下侧凸台的直径与所述顶出杆容纳孔的孔径相适配，上侧圆柱直径小于下侧凸台的直径且与所述防脱孔的孔径相适配；

未承担顶出任务时的所述顶出杆为所述顶出闲置杆，所述顶出闲置杆的上端面与所述打印板盖板上端面平齐，以作为3D打印工序的打印板，当进行3D复印工序时，承担顶出任务的所述顶出杆为所述顶出工作杆，所述顶出工作杆下端为所述顶出增加杆，其长度尺寸是根据所述3D复印模具组件的模具结构决定，并由3D打印工序进行打印得到；

所述进气嘴设置在所述顶出杆容纳孔的下侧，与气泵相连，在需要执行顶出任务时，位于所述顶出工作杆及顶出增加杆下方的所述进气嘴及所述气泵在所述控制系统的控制下瞬间施加气压，推动所述顶出工作杆及所述顶出增加杆向上运动，完成制品顶出任务。

5.根据权利要求1所述的桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：所述3D复印模具组件包括上模具、开模孔、注射流道、下模具、随形冷却通道、型腔和顶出通道，所述3D复印模具组件的所有部件均通过所述3D打印头组件经3D打印工序得到；所述下模具下侧与所述打印板组件的模具安装孔固定连接，上侧与所述上模具通过倒锥形面接触，且所述下模具和所述上模具之间形成所述型腔；所述下模具设置有所述随形冷却通道和所述顶出通道，分别用于3D复印制品的随形冷却和顶出；所述上模具上端面中心开设球形凹口，与所述3D复印头组件的复印头接触，所述球形凹口下方设置所述注射流道，将通过所述复印头注射的熔体运送到所述型腔中；所述上模具上部侧面设置所述开模孔，用于所述夹具夹持以开模。

6.根据权利要求1所述的桌面级3D打印和复印装置，其特征在于：所述材料塑化组件包括塑化底座、塑化电机、塑化电机支撑板、料筒、加热器、机筒、螺杆、连接法兰和机头支撑板；所述塑化电机支撑板与所述机头支撑板分别固定在所述塑化底座的两侧，所述塑化电机与所述机筒固定在所述塑化电机支撑板的两侧，所述料筒连通所述机筒的内部，所述螺杆转动安装于所述机筒内且由所述塑化电机驱动，所述机头支撑板用于支撑所述机筒的机头。

7.一种桌面级3D打印和复印方法，其特征在于：对三维实体进行三维扫描后通过计算机程序语言对三维模型进行逆向设计，或使用三维软件直接建模，得到模具的三维模型；

采用如权利要求1至6中任一项所述的桌面级3D打印和复印装置，利用3D打印头组件进行所述模具的打印，得到3D复印模具组件，然后将所述3D复印模具组件设置在所述打印板组件上，3D复印头组件向所述3D复印模具组件进行注射模塑成型，实现三维实体的复印。

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