CN112622260B - 一种五轴硅胶3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴硅胶3D打印机及其打印方法。该3D打印机包括基座、挤出装置、三轴运动平台、控制系统以及两轴运动平台。两轴运动平台包括旋转组件一和旋转组件二，旋转组件一包括底座、两个旋转轴支承座、摆动架以及电机一，旋转组件二包括工作台、电机二以及旋转轴支承板。控制系统通过控制电机一转动以调节摆动架的旋转角度一，通过控制电机二转动以调节工作台的旋转角度二，使两个运动调节旋转轴按照预设角度变化路径进行运动。本发明通过五个轴的配合运动，使得挤出装置以相对工件坐标系任意挤出轴矢量，移动到工件坐标系内的任意位置，大大减少打印工件的难度，缩短打印时间，甚至可以实现三轴3D机所实现不了的复杂形状工件的制造。

Description

一种五轴硅胶3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域的一种3D打印机，尤其涉及一种五轴硅胶3D打印机，还涉及该打印机的打印方法。

背景技术

目前，我国的3D打印技术处于应用阶段，目前使用的材料主要有钛合金、陶瓷、工程塑料、光敏树脂等、陶泥、水泥等材料，应用领域主要为军工、医疗、教育行业、建筑、艺术。就目前而言，柔性材料的3D打印作为3D打印的一个分支，在我国的发展还在起步阶段，其中用途广泛、环境友好的硅胶材料的3D打印的应用较少，国内市场上没有一台硅胶3D打印机。目前硅胶3D打印按照原理可分为材料喷射和材料挤出等，按照固化机理可分为光固化、湿固化、热固化。但是，目前的3D打印机一般均为三轴打印机，打印工件需要精确定位，打印时间长，而且打印工件难度较大。

发明内容

为解决现有的3D打印机打印时间长，而且打印工件难度较大的技术问题，本发明提供一种五轴硅胶3D打印机及其打印方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种五轴硅胶3D打印机，其包括：

基座；

挤出装置，其位于所述基座上方，并用于挤出打印材料；

三轴运动平台，其安装在所述基座上，并用于实现所述挤出装置在三维空间中的三轴运动；

控制系统，其用于控制所述三轴运动平台的三个运动调节平移轴按照一个预设直线变化路径进行运动；

两轴运动平台，其包括旋转组件一和旋转组件二；所述旋转组件一包括底座、两个旋转轴支承座、摆动架以及电机一；所述底座安装在所述基座上；两个旋转轴支承座相间设置，并预留出一个旋转空间一；所述摆动架转动安装在两个旋转轴支承座上，并位于所述旋转空间一内，且内部预留出一个旋转空间二；所述电机一安装在其中一个旋转轴支承座上，并用于驱使所述摆动架相对两个旋转轴支承座转动；所述旋转组件二包括工作台、电机二以及旋转轴支承板；所述工作台位于所述旋转空间二中，并作为所述打印材料的打印承载平台；所述旋转轴支承板安装在所述摆动架上，并位于两个旋转轴支承座之间区域的侧向上；所述电机二安装在所述旋转轴支承板上，且与所述工作台连接，并用于驱使所述工作台在所述旋转空间二中旋转；所述摆动架的旋转轴与所述工作台的旋转轴延长后始终相交于一点，且共同作为所述两轴运动平台调节打印方向的两个运动调节旋转轴；

其中，所述控制系统通过控制所述电机一转动以调节所述摆动架的旋转角度一，通过控制所述电机二转动以调节所述工作台的旋转角度二，使两个运动调节旋转轴按照一个预设角度变化路径进行运动，并实时配合所述三个运动调节平移轴的预设直线变化路径，使所述打印材料在五轴运动方向上打印成型。

本发明通过在三轴运动平台的基础上增加两轴运动平台，三轴运动平台提供三维空间中三个直线方向上的运动调节，而两轴运动平台则提供两个运动调节旋转轴以调节工作台的旋转角度。这样，通过五个轴的配合运动，能够使得挤出装置以相对工件坐标系任意挤出轴矢量，移动到工件坐标系内的任意位置，可以大大减少打印工件的难度，缩短打印时间，甚至可以实现三轴3D机所实现不了的复杂形状工件的制造，解决了现有的3D打印机打印时间长，而且打印工件难度较大的技术问题，得到了减少打印时间，降低打印难度，提供打印效率的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，所述打印材料为湿固化/室温固化材料；所述三轴运动平台包括X轴移动组件、Y轴移动组件以及Z轴移动组件；所述X轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的X轴方向做直线运动，所述Y轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的Y轴方向做直线运动，所述Z轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的Z轴方向做直线运动。

进一步地，所述Y轴移动组件包括四个Y轴支承座、两块Y轴支承板、Y轴电机、Y轴滚珠丝杠副、两根Y轴导轨、Y轴滑块、Y轴限位开关、Y轴拖链支板、Y轴拖链、Y轴挡片、Y轴联轴器、Y轴线性滑轨以及Y轴线性滑轨滑块；四个Y轴支承座均安装在所述基座上，且其中两个Y轴支承座位于所述旋转空间一的相对一侧，其中另外两个Y轴支承座位于所述旋转空间一的相对另一侧；其中一块Y轴支承板安装在其中两个Y轴支承座上，其中另一块Y轴支承板安装在其中另外两个Y轴支承座上，且两块Y轴支承板平行设置；所述Y轴滚珠丝杠副架设在其中一块Y轴支承板的顶部上，且后端通过所述Y轴联轴器联接所述Y轴电机；两根Y轴导轨关于所述Y轴滚珠丝杠副对称，并安装在所述Y轴支承板的顶面上，且与所述Y轴滚珠丝杠副平行设置；所述Y轴滑块搭设在两根Y轴导轨上，并与所述Y轴滚珠丝杠副的螺母固定连接，且与所述X轴移动组件的一端连接；所述Y轴拖链支板通过所述Y轴支承板安装在所述Y轴滚珠丝杠副的侧壁上，并用于承托所述Y轴拖链；所述Y轴拖链的一端连接在所述Y轴拖链支板的一端上，所述Y轴拖链的另一端连接在所述X轴移动组件的一端上；所述Y轴限位开关用于限位所述Y轴滑块在所述Y轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述Y轴挡片安装在所述Y轴滑块上，且在经过所述Y轴限位开关时触发并阻挡所述Y轴滑块运动；所述Y轴线性滑轨安装在其中另一块Y轴支承板上，并与所述Y轴滚珠丝杠副平行设置；所述Y轴线性滑轨滑块安装在所述Y轴线性滑轨上，并与所述X轴移动组件的另一端连接。

再进一步地，所述X轴移动组件包括X轴电机、X轴联轴器、X轴支承座、X轴滚珠丝杠副、两根X轴导轨、X轴滑块、X轴限位开关以及XZ轴连接板；所述X轴支承座的两端分别固定在所述Y轴滑块和所述Y轴线性滑轨滑块上；所述X轴滚珠丝杠副安装在所述X轴支承座上，且长度方向与所述Y轴滚珠丝杠副的长度方向垂直；所述X轴滚珠丝杠副的后端通过所述X轴联轴器联接所述X轴电机；两根X轴导轨关于所述Y轴滚珠丝杠副对称设置，并安装在所述X轴支承座的顶面上，且与所述X轴滚珠丝杠副平行设置；所述X轴滑块架设在两根X轴导轨上，并与所述X轴滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述X轴限位开关用于限位所述X轴滑块在所述X轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述XZ轴连接板固定在所述X轴滑块上，并与所述Z轴移动组件连接。

再进一步地，所述Z轴移动组件包括Z轴电机、Z轴联轴器、Z轴滚珠丝杠副、Z轴限位开关、Z轴连接块、Z轴安装板、Z轴挡片、Z轴导轨、Z轴滑块、Z轴连接板、挤出连接板以及挤出固定座；所述Z轴连接块安装在所述XZ轴连接板上，所述Z轴安装板安装在所述Z轴连接块上；所述Z轴滚珠丝杠副安装在所述Z轴安装板上，并垂直于所述X轴滚珠丝杠副与所述Y轴滚珠丝杠副所在的XY平面；所述Z轴滚珠丝杠副的后端通过所述Z轴联轴器联接所述Z轴电机；两根Z轴导轨关于所述Z轴滚珠丝杠副对称设置，且与所述Z轴滚珠丝杠副平行设置；所述Z轴滑块架设在两根Z轴导轨上，并与所述Z轴滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述Z轴限位开关用于限位所述Z轴滑块在所述Z轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述Z轴挡片安装在所述Z轴滑块上，且在经过所述Z轴限位开关时触发并阻挡所述Z轴滑块运动；所述Z轴连接板安装在所述Z轴滑块上；所述挤出连接板安装在所述Z轴连接板上，所述挤出固定座安装在所述挤出连接板上；所述挤出装置通过所述挤出连接板与所述挤出固定座而与所述Z轴连接板相对固定。

作为上述方案的进一步改进，所述旋转组件一还包括减速器法兰一、减速器一、输出法兰一、轴套一、轴套二以及轴承固定座一；所述电机一通过所述减速器法兰一安装在所述减速器一上，所述输出法兰一与其中一个旋转轴支承座以及所述摆动架相联接；所述摆动架通过由所述轴套一、所述轴套二、所述轴承固定座一组成的滑动轴承组件与其中另一个旋转轴支承座连接；

所述旋转组件二还包括减速器法兰二、减速器二、输出法兰二、轴套三以及轴套四；所述电机二通过所述减速器法兰二安装在所述减速器二上所述输出法兰二的两端分别与所述减速器二和所述工作台相联接；所述工作台通过所述旋转轴支承板、所述轴套三、所述轴套四转动安装在所述摆动架上，所述电机二的输出轴与所述减速器二的输入端相联接；其中，所述摆动架的旋转轴与所述工作台的旋转轴垂直。

进一步地，所述挤出装置通过采用单组份或者双组份的方式挤出所述打印材料；在采用单组份的挤出方式时，所述挤出装置包括单个螺杆泵以及单个硅胶容器；在采用双组份的挤出方式时，所述挤出装置包括两个螺杆泵以及分别对应两个螺杆泵的两个硅胶容器；每个螺杆泵包括挤出电机、挤出减速器、万向联轴器、吸入腔结构、连接螺母、转子、定子、挤出腔结构、喷嘴、吸入腔连接器以及连接腔结构；所述挤出电机通过所述挤出减速器、所述万向联轴器带动所述转子相对所述定子转动以改变所述挤出腔结构的容积，使对应的硅胶容器中的打印材料依次从所述连接腔结构、所述吸入腔结构通过而进入所述挤出腔结构中并从所述喷嘴挤出；所述吸入腔连接器用于连接所述连接腔结构与所述硅胶容器，所述连接螺母用于连接并密封所述吸入腔结构与所述挤出腔结构；所述硅胶容器的顶部设有容器盖，所述容器盖上连接有与所述硅胶容器的内壁紧密配合的活塞；所述打印材料为硅胶，且所述硅胶为胶状的、含有6000～7000硅氧单元的长直链有机硅聚合物，并通过缩合反应交联聚合固化；所述3D打印机还包括：

外罩，其罩在所述基座上，并形成容纳所述挤出装置、所述三轴运动平台以及所述两轴运动平台的封闭空间；

辅助装置，其包括检测系统和调节系统；所述检测系统用于检测所述封闭空间中的实时温度和实时湿度；所述控制系统根据所述实时温度和所述实时湿度，通过所述调节系统调节所述封闭空间中的温度和湿度以使所述实时温度位于20～30℃内，使所述实时湿度位于40％～60％内。

再进一步地，所述控制系统控制所述两轴运动平台和所述挤出装置，其中运动系统的控制涉及三个移动轴及五个转动轴，并实现任意三轴定位及任意挤出轴矢量定向，通过齐次坐标变换，构建从机床坐标到工件坐标的坐标变换：

其中，P_x，P_y，P_z，T_x，T_y，T_z分别为工件坐标系下的喷嘴点位和挤出轴矢量，X，Y，Z，A，B分别为各轴的相对运动量，再求得其逆解，建立工件坐标系下喷嘴点位及挤出轴矢量到运动轴的映射关系，实现对五轴硅胶3D打印机的运动控制。

再进一步地，所述控制系统控制所述两轴运动平台和所述挤出装置；其中所述挤出装置的控制，根据所述喷嘴的内径D、背压P以及所述三轴运动平台、所述两轴运动平台组成的五轴运动平台的移动速度V、喷嘴高度H，基于设计实验路径及打印参数通过实验和仿真的方式对传递函数做参数辨识，以所述传递函数实现所述打印材料的打印速度规划；所述实验路径为“e”形轨迹，针对挤出材料的瞬态过程和稳态过程，通过实验和仿真的方法探究挤出线宽的变化规律，其中瞬态过程为线宽随时间而变的挤出过程，稳态过程为线宽不随时间而变化的挤出过程；其中瞬态仿真使用流体仿真软件，采用多相流模型中的两相流模型进行开展仿真计算，其中设置硅胶材料参数为：密度ρ＝1040kg/m³、表面张力σ_T＝0.02N/m²、硅胶粘度卡罗模型进行表述

其中硅胶在零剪切下的粘度μ₀＝62.5Pa·s、硅胶在无限剪切下的粘度μ_∞＝0Pa·s、松弛时间λ＝0.0137s、剪切率为

幂律指数n＝0.5，空气材料的设置采用内置材料库参数，仿真模型针对喷嘴流道进行简化，忽略非必要的凸台圆角得到，仿真采用瞬态仿真，设置时间步长为0.01s，单步最大迭代次数为50次，其余采用默认设置，仿真结果经过后处理得到界面关于时间的变化规律，再经过图像处理得到线宽随时间的变化规律，其中仿真结果首先设置显示体积分数为0.5的等值面，设置距离喷嘴轴线5mm的竖直面，取两者各个时刻的交线为轮廓线，从而得到线截面轮廓随时间的变化，针对各时刻的线截面轮廓，提取线宽方向最小值与最大值，将其作为线宽随时间变化的仿真值；其中稳态仿真结果及提取瞬态仿真中线宽达到稳态时的线宽数值；瞬态实验针对“e”形轨迹的OA段，通过校准过的电子显微镜获取OA段俯视的图像，接着分多点测量线宽数值，得到线宽随时间的变化；稳态实验类似瞬态实验，测量EF段线宽，以避免运动方向对稳态数据的影响；采用Lambert W函数对传递函数进行辨识，确定具体的传递函数模型；所述打印速度规划方法，通过对相关线段对应的G代码中间，根据挤出速率的变化插入G代码，从而调整移动速率，使得挤出速率与移动速率匹配，从而改善在瞬态阶段线宽不均匀的现象，插入的G代码按照辨识得到的传递函数，对实际的挤出速率进行预测，并将该段移动速率与之匹配，其中匹配的方法是对挤出速率比例变化，其比例系数通过理论推导与实验优选确定；通过理论推导得到的系数为：

其中：W是挤出线宽，U是挤出速度，V是移动速度，a₀是喷嘴内径，H是喷嘴高度，k_a，k_b，k_c是修正系数，实验方法是通过前述的“e”型轨迹测得不同U，V，a₀，H对应的W，从而建立线宽的经验模型，通过实验确定理论模型中的修正系数，从而建立最终的模型。

本发明还提供一种打印方法，其应用于上述的五轴硅胶3D打印机中，其包括以下步骤：

步骤1：切片及代码优化；确定打印参数，并在一个预设硅胶产品三维模型进行切片，得到打印代码；通过开发的打印速度规划方法对所述打印代码进行优化，使得挤出速度与移动速度匹配；

步骤2：打印准备；先向所述硅胶容器的出口处注入待固化的打印材料，再将所述硅胶容器与所述螺杆泵连接；

步骤3：打印实施；所述控制系统先驱使所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机、所述电机一、所述电机二带动相应的各个运动轴回到初始位置，再根据优化后的所述打印代码使所述挤出电机、所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机、所述电机一、所述电机二按照程序轨迹，进行硅胶产品的增材制造；

步骤4：过程检测与控制；在所述硅胶产品的制造中，检测所述封闭空间中的实时温度和实时湿度；根据所述实时温度和所述实时湿度，通过所述调节系统调节所述封闭空间中的温度和湿度以使所述实时温度位于一个预设温度区间内，使所述实时湿度位于一个预设湿度区间内。

相较于现有的3D打印机，本发明的五轴硅胶3D打印机及其打印方法具有以下有益效果：

1、该五轴硅胶3D打印机，其通过在三轴运动平台的基础上增加两轴运动平台，三轴运动平台提供三维空间中三个直线方向上的运动调节，而两轴运动平台则提供两个运动调节旋转轴以调节工作台的旋转角度。这样，通过五个轴的配合运动，能够使得挤出装置以相对工件坐标系任意挤出轴矢量，移动到工件坐标系内的任意位置，可以大大减少打印工件的难度，缩短打印时间，甚至可以实现三轴3D机所实现不了的复杂形状工件的制造。而且，打印材料可以为湿固化/室温固化材料，可以在外罩中快速成型，进而实现柔性材料的高效五轴3D打印功能。

2、该五轴硅胶3D打印机，其挤出装置可设置单个或者双个螺杆泵，以单组份挤出为例，挤出电机通过万向联轴器带动转子转动，转子在运行时发生啮合运动，通过改变型腔容积从而从吸入腔结构吸入硅胶，从挤出腔结构挤出，并进一步从喷嘴挤出硅胶。该种螺杆泵采用内啮合型封闭式螺杆泵，流量稳定、自吸能力强、精度高、容积效率高，能够提高打印机的稳定性和合格率，保证打印持续进行。

3、该五轴硅胶3D打印机，其辅助装置包含检测功能和调节功能，从而加快硅胶的固化速度。硅胶是一种室温固化硅胶，其固化速度与湿度和温度相关，湿度越高、温度越高、固化速度越快。检测系统能够检测外罩内的温度及湿度，并通过调节系统调节温度和湿度。调节系统包含温度调节和湿度增加功能，根据检测系统反馈的数据增加或调节温度，湿度的增加通过加湿器实现，温度的调节通过内置在外罩内的温度调节元件(如半导体制冷片、加热电阻等)实现。如此，打印机可以提高打印速度和效率、并防止打印过程中的变形与坍塌。

4、该五轴硅胶3D打印机，其采用了一种基于传递函数的打印速度规划方法，针对硅胶3D打印过程中由于硅胶的流变学特性导致挤出装置的挤出速度与五轴运动平台运动速度的不匹配而造成的在启动、停止、拐角、及其他存在速度波动的情况时的延迟现象，做基于传递函数的打印速度规划，从而提高打印线宽的均一性，提高打印质量。

5、该打印方法，其有益效果与上述五轴硅胶3D打印机的有益效果相同。

附图说明

图1为本发明实施例1的五轴硅胶3D打印机的外部立体结构示意图。

图2为本发明实施例1的五轴硅胶3D打印机的内部立体结构示意图。

图3为图1中的五轴硅胶3D打印机的Y轴移动组件的立体结构示意图。

图4为图1中的五轴硅胶3D打印机的X、Y轴移动组件的立体结构示意图。

图5为图1中的五轴硅胶3D打印机的Z轴移动组件的立体结构示意图。

图6为图1中的五轴硅胶3D打印机的两轴运动平台的立体结构示意图。

图7为图6中的两轴运动平台的拆分图。

图8为图1中的五轴硅胶3D打印机的挤出装置的外部立体结构示意图。

图9为图1中的五轴硅胶3D打印机的挤出装置的剖视图。

图10为本发明实施例中的“e”型实验路径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-9，本实施例提供了一种五轴硅胶3D打印机，该3D打印机用将材料在工件坐标系中按照需要的挤出轴矢量和位置进行打印，得到三维产品。在本实施例中，打印材料为柔性材料，可以为湿固化/室温固化材料。打印材料具体为单组份硅胶材料，并利用湿固化/热固化的方式进行固化定性，可以实现产品的快速成型，实现硅胶产品的五轴3D打印。其中，该3D打印机包括外罩1、基座2、挤出装置9、三轴运动平台、两轴运动平台、辅助装置8以及控制系统10。其中，三轴运动平台、两轴运动平台共同组成五轴运动系统(平台)。

在本实施例中，外罩1为有机玻璃板制成的外罩1。外罩1的形状根据具体需求确定，例如立方体盒型，圆柱筒型等。在其他实施例中，外壳也可采用其他材料，具体材料类型需要根据实际需求进行确定，例如采用不锈钢框架制成的外罩1则能够提供较高的刚度和稳定性，而采用PVC或其他聚合物制作的外罩1则较为轻便，方便拆装、维修3D打印机，且易于携带。外罩1上可根据需要开设门、孔，便于更换、维修、取件、走线等操作。当然，在一些实施例中，外罩1也能够与设备一体成型，以便于制造更大打印设备。

外罩1罩在基座2上，并形成容纳挤出装置9、三轴运动平台以及两轴运动平台的封闭空间。五轴运动系统在外罩1中，其主要用于将挤出装置9在外罩1中机型移动，以便于在工件坐标系中达到预定的挤出轴矢量和空间位置。在一些实施例中，基座2可以直接与外罩1连接成为一体，并且在外罩1的顶部开设可以取出打印产品和其他器件的窗口。

三轴运动平台安装在基座2上，并用于实现挤出装置9在三维空间中的三轴运动。在本实施例中，三轴运动平台包括X轴移动组件4、Y轴移动组件3以及Z轴移动组件5。X轴移动组件4用于驱使挤出装置9在三维空间中的X轴方向做直线运动，主要是将挤出装置9在外罩1中进行单向移动。Y轴移动组件3用于驱使挤出装置9在三维空间中的Y轴方向做直线运动，主要将挤出装置9在另一个方向上移动。Z轴移动组件5用于驱使挤出装置9在三维空间中的Z轴方向做直线运动，是将挤出装置9在与X轴和Y轴构成的平面所在的竖直方向上移动。这样，在挤出装置9挤出打印材料时，可以使打印材料在三维空间中的任意位置挤出，实现3D打印的功能。

请继续参阅图3，Y轴移动组件3包括四个Y轴支承座、两块Y轴支承板、Y轴电机32、Y轴滚珠丝杠副33、两根Y轴导轨34、Y轴滑块35、Y轴限位开关36(电磁感应或光电感应式限位开关)、Y轴拖链38支板37、Y轴拖链38、Y轴挡片39、Y轴联轴器310、Y轴线性滑轨311以及Y轴线性滑轨滑块312。四个Y轴支承座均安装在基座2上，且其中两个Y轴支承座位于旋转空间一的相对一侧，其中另外两个Y轴支承座位于旋转空间一的相对另一侧。其中，这四个Y轴支承座的标号分别为31-1、31-2、31-3、31-4。两块Y轴支承板的标号分别为31-5、31-6。其中一块Y轴支承板安装在其中两个Y轴支承座上，其中另一块Y轴支承板安装在其中另外两个Y轴支承座上，且两块Y轴支承板平行设置。Y轴滚珠丝杠副33架设在其中一块Y轴支承板的顶部上，且后端通过Y轴联轴器310联接Y轴电机32。两根Y轴导轨34关于Y轴滚珠丝杠副33对称，并安装在Y轴支承板的顶面上，且与Y轴滚珠丝杠副33平行设置。Y轴滑块35搭设在两根Y轴导轨34上，并与Y轴滚珠丝杠副33的螺母固定连接，且与X轴移动组件4的一端连接。Y轴拖链38支板37通过Y轴支承板安装在Y轴滚珠丝杠副33的侧壁上，并用于承托Y轴拖链38。Y轴拖链38的一端连接在Y轴拖链38支板37的一端上，Y轴拖链38的另一端连接在X轴移动组件4的一端上。Y轴限位开关36用于限位Y轴滑块35在Y轴滚珠丝杠副33的轴向上的移动。Y轴挡片39安装在Y轴滑块35上，且在经过Y轴限位开关36时触发并阻挡Y轴滑块35运动。Y轴线性滑轨311安装在其中另一块Y轴支承板上，并与Y轴滚珠丝杠副33平行设置。Y轴线性滑轨滑块312安装在Y轴线性滑轨311上，并与X轴移动组件4的另一端连接。

在本实施例中，Y轴移动组件3中的两根Y轴导轨34和Y轴滚珠丝杠副33均通过螺钉安装在Y轴支承座(31-3、31-4)上，Y轴滑块35搭设在两根Y轴导轨34上，两根Y轴导轨34限制Y轴滑块35X、Z方向的移动自由度和A、B、C方向的转动自由度，使Y轴滑块35仅能沿Y轴方向移动。Y轴移动组件3中的Y轴线性滑轨311通过螺钉安装在Y轴支承座(31-1、31-2)上，Y轴线性滑轨滑块312安装在Y轴线性滑轨311上，Y轴线性滑轨311限制Y轴线性滑轨滑块312X、Z方向的移动自由度和A、B方向(即两轴运动平台的两个旋转轴方向)的转动自由度，使Y轴滑块35仅能沿Y轴方向移动。Y轴滚珠丝杠副33的螺母固接在Y轴滑块35上，Y轴电机32通过转接法兰安装在Y轴滚珠丝杠副33的后部，并通过Y轴联轴器310使Y轴电机32的转动传递到Y轴滚珠丝杠副33的丝杠轴上，带动Y轴滑块35移动。导轨外侧安装有电磁感应或光电感应式Y轴限位开关36，Y轴滑块35上安装有Y轴挡片39。

请继续参阅图4，X轴移动组件4包括X轴电机41、X轴联轴器42、X轴支承座43、X轴滚珠丝杠副44、两根X轴导轨45、X轴滑块46、X轴限位开关47(电磁感应或光电感应式限位开关)以及XZ轴连接板48。X轴支承座43的两端分别固定在Y轴滑块35和Y轴线性滑轨滑块312上。X轴滚珠丝杠副44安装在X轴支承座43上，且长度方向与Y轴滚珠丝杠副33的长度方向垂直。X轴滚珠丝杠副44的后端通过X轴联轴器42联接X轴电机41。两根X轴导轨45关于Y轴滚珠丝杠副33对称设置，并安装在X轴支承座43的顶面上，且与X轴滚珠丝杠副44平行设置。X轴滑块46架设在两根X轴导轨45上，并与X轴滚珠丝杠副44的螺母固定连接。X轴限位开关47用于限位X轴滑块46在X轴滚珠丝杠副44的轴向上的移动。XZ轴连接板48固定在X轴滑块46上，并与Z轴移动组件5连接。其中，且XZ轴连接板48长度方向与X轴滚珠丝杠副44的铺设方向垂直。

在本实施例中，X轴移动组件4中的两根X轴导轨45和X轴滚珠丝杠副44均通过螺钉安装在X轴支承座43上，X轴滑块46搭设在两根X轴导轨45上，两根X轴导轨45限制X轴滑块46Y、Z方向的移动自由度和A、B方向的转动自由度，使X轴滑块46仅能沿X轴方向移动。X轴滚珠丝杠副44的螺母固接在X轴滑块46上，X轴电机41通过转接法兰安装在X轴滚珠丝杠副44的后部，并通过X轴联轴器42使X轴电机41的转动传递到X轴滚珠丝杠副44的丝杠轴上，带动X轴滑块46移动。导轨外侧安装有电磁感应或光电感应式X轴限位开关47，X轴滑块46上安装有限位开关挡片。XZ轴连接板48通过螺钉安装在X轴滑块46上。Z轴连接块55通过螺钉安装在XZ轴连接板48上。

请继续参阅图5，Z轴移动组件5包括Z轴电机51、Z轴联轴器52、Z轴滚珠丝杠副53、Z轴限位开关54(电磁感应或光电感应式限位开关)、Z轴连接块55、Z轴安装板56、Z轴挡片57、Z轴导轨58、Z轴滑块59、Z轴连接板510、挤出连接板511以及挤出固定座512。Z轴连接块55安装在XZ轴连接板48上，Z轴安装板56安装在Z轴连接块55上。Z轴滚珠丝杠副53安装在Z轴安装板56上，并垂直于X轴滚珠丝杠副44与Y轴滚珠丝杠副33所在的XY平面。Z轴滚珠丝杠副53的后端通过Z轴联轴器52联接Z轴电机51。两根Z轴导轨58关于Z轴滚珠丝杠副53对称设置，且与Z轴滚珠丝杠副53平行设置。Z轴滑块59架设在两根Z轴导轨58上，并与Z轴滚珠丝杠副53的螺母固定连接。Z轴限位开关54用于限位Z轴滑块59在Z轴滚珠丝杠副53的轴向上的移动。Z轴挡片57安装在Z轴滑块59上，且在经过Z轴限位开关54时触发并阻挡Z轴滑块59运动。Z轴连接板510安装在Z轴滑块59上。挤出连接板511安装在Z轴连接板510上，挤出固定座512安装在挤出连接板511上。挤出装置9通过挤出连接板511与挤出固定座512而与Z轴连接板510相对固定。

在本实施例中，Z轴移动组件5中的两根Z轴导轨58和Z轴滚珠丝杠副53均通过螺钉安装在Z轴安装板56上，Z轴安装板56安装在Z轴连接块55上，Z轴连接块55安装在XZ轴连接板48上，Z轴滑块59搭设在两根Z轴导轨58上，两根Z轴导轨58限制Z轴滑块59X、Y方向的移动自由度和A、B方向的转动自由度，使Z轴滑块59仅能沿Z轴方向移动。Z轴滚珠丝杠副53的螺母固接在Z轴滑块59上，Z轴电机51通过转接法兰安装在Z轴滚珠丝杠副53的后部，并通过Z轴联轴器52使Z轴电机51的转动传递到Z轴滚珠丝杠副53的丝杠轴上，带动Z轴滑块59移动。导轨外侧安装有电磁感应或光电感应式Z轴限位开关54，Z轴滑块59上安装有Z轴挡片57。

请继续参阅图6和图7，两轴运动平台包括旋转组件一6和旋转组件二7。旋转组件一6包括底座61、两个旋转轴支承座(标号分别为62和64)、摆动架63以及电机一65，还可以包括减速器法兰一66、减速器一67、输出法兰一68、轴套一69-1、轴套二69-2以及轴承固定座一610。底座61安装在基座2上。两个旋转轴支承座相间设置，并预留出一个旋转空间一。摆动架63转动安装在两个旋转轴支承座上，并位于旋转空间一内，且内部预留出一个旋转空间二。电机一65安装在其中一个旋转轴支承座上，并用于驱使摆动架63相对两个旋转轴支承座转动。电机一65通过减速器法兰一66安装在减速器一67上，输出法兰一68与其中一个旋转轴支承座以及摆动架63相联接。摆动架63通过由轴套一69-1、轴套二69-2、轴承固定座一610组成的滑动轴承组件与其中另一个旋转轴支承座连接。

旋转组件二7包括工作台71、电机二72以及旋转轴支承板76，还可以包括减速器法兰二73、减速器二74、输出法兰二75、轴套三77-1以及轴套四77-2。工作台71位于旋转空间二中，并作为打印材料的打印承载平台。旋转轴支承板76安装在摆动架63上，并位于两个旋转轴支承座之间区域的侧向上。电机二72安装在旋转轴支承板76上，且与工作台71连接，并用于驱使工作台71在旋转空间二中旋转。摆动架63的旋转轴与工作台71的旋转轴延长后始终相交于一点，且共同作为两轴运动平台调节打印方向的两个运动调节旋转轴。电机二72通过减速器法兰二73安装在减速器二74上输出法兰二75的两端分别与减速器二74和工作台71相联接。工作台71通过旋转轴支承板76、轴套三77-1、轴套四77-2转动安装在摆动架63上，电机二72的输出轴与减速器二74的输入端相联接。其中，摆动架63的旋转轴与工作台71的旋转轴垂直。

请继续参阅图8和图9，挤出装置9通过采用单组份或者双组份的方式挤出打印材料。在采用单组份的挤出方式时，挤出装置9包括单个螺杆泵91以及单个硅胶容器92。在采用双组份的挤出方式时，挤出装置9包括两个螺杆泵91以及分别对应两个螺杆泵91的两个硅胶容器92。在本实施例中，螺杆泵91是一种内啮合型封闭式螺杆泵91，流量稳定、自吸能力强、精度高、容积效率高。每个螺杆泵91包括挤出电机93、挤出减速器94、万向联轴器95、吸入腔结构96、连接螺母97、转子98、定子99、挤出腔结构910、喷嘴911、吸入腔连接器914以及连接腔结构915，还包括相关的密封、轴承部件。挤出电机93通过挤出减速器94、万向联轴器95带动转子98相对定子99转动以改变挤出腔结构910的容积，使对应的硅胶容器92中的打印材料依次从连接腔结构915、吸入腔结构96通过而进入挤出腔结构910中并从喷嘴911挤出。吸入腔连接器914用于连接连接腔结构915与硅胶容器92，连接螺母97用于连接并密封吸入腔结构96与挤出腔结构910。硅胶容器92的顶部设有容器盖912，容器盖912上连接有与硅胶容器92的内壁紧密配合的活塞913。

控制系统10用于控制三轴运动平台的三个运动调节平移轴按照一个预设直线变化路径进行运动。并且，控制系统10通过控制电机一65转动以调节摆动架63的旋转角度一，通过控制电机二72转动以调节工作台71的旋转角度二，使两个运动调节旋转轴按照一个预设角度变化路径进行运动，并实时配合三个运动调节平移轴的预设直线变化路径，使打印材料在五轴运动方向上打印成型。所述控制系统10包括切片、控制软件及控制设备，控制设备放置在外罩1外，通过通讯控制各轴的运动。控制系统10首先获取打印路径及打印速度，再确定挤出装置9的挤出流量，然后建立延迟数学模型，并确定延迟速率曲线参数，最后驱使基础装置的基础速率与五轴运动系统的运动速率匹配，使得挤出的线宽均匀一致。

辅助装置8包括检测系统和调节系统。检测系统用于检测封闭空间中的实时温度和实时湿度。控制系统10根据实时温度和实时湿度，通过调节系统调节封闭空间中的温度和湿度以使实时温度位于20～30℃内，使实时湿度位于40％～60％内。在本实施例中，辅助装置包含检测系统和调节功能，从而加快硅胶的固化速度。在本实施例中，硅胶是一种室温固化硅胶，其固化速度与湿度和温度相关，湿度越高、温度越高、固化速度越快。检测系统能够检测外罩1内的温度及湿度，并通过调节系统调节温度和湿度。在本实施例中，调节系统包含温度调节和湿度增加功能，根据检测系统反馈的数据增加或调节温度，湿度的增加通过加湿器实现，温度的调节通过内置在外罩1内的温度调节元件(如半导体制冷片、加热电阻等)实现。

所述控制系统控制所述两轴运动平台和所述挤出装置，其中运动系统的控制涉及三个移动轴及五个转动轴，并实现任意三轴定位及任意挤出轴矢量定向，通过齐次坐标变换，构建从机床坐标到工件坐标的坐标变换：

其中，P_x，P_y，P_z，T_x，T_y，T_z分别为工件坐标系下的喷嘴点位和挤出轴矢量，X，Y，Z，A，B分别为各轴的相对运动量，再求得其逆解，建立工件坐标系下喷嘴点位及挤出轴矢量到运动轴的映射关系，实现对五轴硅胶3D打印机的运动控制。

其中所述挤出装置的控制，根据所述喷嘴的内径D、背压P以及所述三轴运动平台、所述两轴运动平台组成的五轴运动平台的移动速度V、喷嘴高度H，基于设计实验路径及打印参数通过实验和仿真的方式对传递函数做参数辨识，以所述传递函数实现所述打印材料的打印速度规划；所述实验路径为“e”形轨迹，参见图10，其中OA段为喷嘴自左向右运动时，材料开始挤出，挤出线宽到达稳定的过程，AB段为喷嘴自左向右，为挤出线宽稳定线段，CD段为喷嘴自右向左，挤出线宽稳定线段，EF段为喷嘴自左向右，挤出线宽稳定线段。针对挤出材料的瞬态过程和稳态过程，通过实验和仿真的方法探究挤出线宽的变化规律，其中瞬态过程为线宽随时间而变的挤出过程，稳态过程为线宽不随时间而变化的挤出过程；其中瞬态仿真使用流体仿真软件，采用多相流模型中的两相流模型进行开展仿真计算，其中设置硅胶材料参数为：密度ρ＝1040kg/m³、表面张力σ_T＝0.02N/m²、硅胶粘度卡罗模型进行表述

其中硅胶在零剪切下的粘度μ₀＝62.5Pa·s、硅胶在无限剪切下的粘度μ_∞＝0Pa·s、松弛时间λ＝0.0137s、剪切率为

幂律指数n＝0.5，空气材料的设置采用内置材料库参数，仿真模型针对喷嘴流道进行简化，忽略非必要的凸台圆角得到，仿真采用瞬态仿真，设置时间步长为0.01s，单步最大迭代次数为50次，其余采用默认设置，仿真结果经过后处理得到界面关于时间的变化规律，再经过图像处理得到线宽随时间的变化规律，其中仿真结果首先设置显示体积分数为0.5的等值面，设置距离喷嘴轴线5mm的竖直面，取两者各个时刻的交线为轮廓线，从而得到线截面轮廓随时间的变化，针对各时刻的线截面轮廓，提取线宽方向最小值与最大值，将其作为线宽随时间变化的仿真值；其中稳态仿真结果及提取瞬态仿真中线宽达到稳态时的线宽数值；瞬态实验针对“e”形轨迹的OA段，通过校准过的电子显微镜获取OA段俯视的图像，接着分多点测量线宽数值，得到线宽随时间的变化；稳态实验类似瞬态实验，测量EF段线宽，以避免运动方向对稳态数据的影响；采用Lambert W函数对传递函数进行辨识，确定具体的传递函数模型；所述打印速度规划方法，通过对相关线段对应的G代码中间，根据挤出速率的变化插入G代码，从而调整移动速率，使得挤出速率与移动速率匹配，从而改善在瞬态阶段线宽不均匀的现象，插入的G代码按照辨识得到的传递函数，对实际的挤出速率进行预测，并将该段移动速率与之匹配，其中匹配的方法是对挤出速率比例变化，其比例系数通过理论推导与实验优选确定；通过理论推导得到的系数为：

其中：W是挤出线宽，U是挤出速度，V是移动速度，a₀是喷嘴内径，H是喷嘴高度，k_a，k_b，k_c是修正系数，实验方法是通过前述的“e”型轨迹测得不同U，V，a₀，H对应的W，从而建立线宽的经验模型，通过实验确定理论模型中的修正系数，从而建立最终的模型。

综上所述，相较于现有的3D打印机，本发明的五轴硅胶3D打印机及其打印方法具有以下有益效果：

1、该五轴硅胶3D打印机，其通过在三轴运动平台的基础上增加两轴运动平台，三轴运动平台提供三维空间中三个直线方向上的运动调节，而两轴运动平台则提供两个运动调节旋转轴以调节工作台71的旋转角度。这样，通过五个轴的配合运动，能够使得挤出装置9以相对工件坐标系任意挤出轴矢量，移动到工件坐标系内的任意位置，可以大大减少打印工件的难度，缩短打印时间，甚至可以实现三轴3D机所实现不了的复杂形状工件的制造。而且，打印材料可以为湿固化/室温固化材料，可以在外罩1中快速成型，进而实现柔性材料的高效五轴3D打印功能。本发明能够实现复杂形状零件的五轴3D打印，加速打印，提高打印效率，提高打印质量，并减少固化时间，提高打印产品的合格率。

2、该五轴硅胶3D打印机，其挤出装置9可设置单个或者双个螺杆泵91，以单组份挤出为例，挤出电机93通过万向联轴器95带动转子98转动，转子98在运行时发生啮合运动，通过改变型腔容积从而从吸入腔结构96吸入硅胶，从挤出腔结构910挤出，并进一步从喷嘴911挤出硅胶。该种螺杆泵91采用内啮合型封闭式螺杆泵91，流量稳定、自吸能力强、精度高、容积效率高，能够提高打印机的稳定性和合格率，保证打印持续进行。

3、该五轴硅胶3D打印机，其辅助装置8包含检测功能和调节功能，从而加快硅胶的固化速度。硅胶是一种室温固化硅胶，其固化速度与湿度和温度相关，湿度越高、温度越高、固化速度越快。检测系统能够检测外罩1内的温度及湿度，并通过调节系统调节温度和湿度。调节系统包含温度调节和湿度增加功能，根据检测系统反馈的数据增加或调节温度，湿度的增加通过加湿器实现，温度的调节通过内置在外罩1内的温度调节元件(如半导体制冷片、加热电阻等)实现。如此，打印机可以提高打印速度和效率、并防止打印过程中的变形与坍塌。

实施例2

本实施例提供了一种五轴硅胶3D打印机，该打印机在实施例1的基础上对打印材料进行确定。本实施例中，所使用的材料为一种硅橡胶材料，为单组份硅橡胶，后称硅胶。硅胶是一种胶状的、含有6000～7000硅氧单元的长直链有机硅聚合物，这种聚合物中存在部分已交联的硅胶，硅橡胶拥有良好的温度耐抗性(-65～177℃)、耐腐蚀性及良好的绝缘性。硅胶特征在于：其通过缩合反应交联聚合固化，该反应需要水的参与，并且根据材料的不同释放肟合物、酒精或乙酸等，这里以单组份脱肟固化硅胶为例。在潮湿环境中，硅胶具有表面快干的特性，3～6分钟结皮，10分钟表面固化，24小时完全固化。实验表明，挤出需要在14分钟内完成，以避免水分进入喷嘴911内的硅胶造成喷嘴911堵塞造成打印失败。室温条件下相对湿气高于30％时，硅胶的固化速度将增加。除了相对湿度，温度也能够显著影响固化速度，适当提高温度也能够提高固化速率。

实施例3

本实施例提供了一种五轴硅胶3D打印机，该打印机与实施例1相似，区别在于检测系统和调节系统有所不同。其中，检测系统包括温度检测装置和湿度检测装置。在本实施例中，湿度检测装置包括湿度传感器。湿度传感器安装在外罩1中，并用于检测实时湿度。温度传感器安装在外罩1中，并用于检测实时温度。为了便于检测温度和湿度，两者还可以直接集合在一起，并选用合适的温度湿度传感器对温度和湿度进行检测。

温度调节装置包括半导体制冷片(后称制冷片)和电阻发热网(后称加热网)。冷片安装在外罩1中，控制系统10通过调节电压及电路的通断驱动半导体制冷片，吸收外罩1中的热量，以降低外罩1中的温度。加热网可使用多点布置，使得外罩1中的热场分布更加均匀，通过施加电压驱动加热网，从而提高外罩1中的温度。

实施例4

本实施例提供了一种五轴硅胶3D打印机，该打印机与实施例1相似，区别在于本实施例中控制系统10采用了一种基于传递函数的打印速度规划方法，针对硅胶3D打印过程中由于硅胶的流变学特性导致挤出装置9挤出速度与五轴运动平台运动速度的不匹配而造成的在启动、停止、拐角、及其他存在速度波动的情况时的延迟现象做基于传递函数的打印速度规划，从而提高打印线宽的均一性，提高打印质量。在本实施例中，控制系统10根据喷嘴911的内径D、背压P以及三轴运动平台、两轴运动平台组成的五轴运动平台的移动速度V、喷嘴911高度H，基于设计实验路径及打印参数通过实验和仿真的方式对传递函数做参数辨识，以传递函数实现打印材料的打印速度规划。

因此，该五轴硅胶3D打印机，其采用了一种基于传递函数的打印速度规划方法，针对硅胶3D打印过程中由于硅胶的流变学特性导致挤出装置9的挤出速度与五轴运动平台运动速度的不匹配而造成的在启动、停止、拐角、及其他存在速度波动的情况时的延迟现象，做基于传递函数的打印速度规划，从而提高打印线宽的均一性，提高打印质量。

实施例5

本实施例提供了一种五轴硅胶3D打印机，该打印机与实施例1相似，进一步明确了材料与固化方式，并明确其打印方法。本实施例使用的材料为聚乳酸(PLA)丝材，通过挤出机通过喉管被挤出到加热铝块中加热到熔融状态，接着从喷嘴911中被挤出。材料被挤出后冷却后固化。所使用的PLA材料是一种可降解的环境友好型材料，熔点为155～185℃，加工温度为170～230℃，玻璃化转变温度为60～65℃，拉伸强度为40～60MPa，断裂伸长率为4～10％。生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好；本实施例使用材料的固化方式为，对挤出的材料吹风冷却、或者降低环境温度，能够增加固化速度；保持环境温度为玻璃化转变温度能够有效避免翘曲变形缺陷的出现，提高打印速度和打印质量。在本实施例中，通过优选的加热铝块和丝材，能够实现PLA的大流量熔融沉积成型。除了常见的逐线、逐层沉积的方式成型，还可以利用液体卷绳效应实现特殊填充图案的高效成型，在本实施例中，利用液体卷绳效应实现了镂空灯罩的高效五轴3D打印，将喷嘴911抬高到距离基板高H，以移动速率V移动，以基础速率U挤出，其中喷嘴911内径为D，通过优选的工艺参数，使得挤出的熔融状态的液体绳堆积、失稳，产生卷绕图案，从而进行镂空灯罩的五轴3D打印。

实施例6

本实施例提供了一种打印方法，该打印方法应用于实施例1-4中所提供的五轴硅胶3D打印机中。其中，该打印方法包括以下这些步骤。

步骤1：切片及代码优化；确定打印参数，并在一个预设硅胶产品三维模型进行切片，得到打印代码；通过开发的打印速度规划方法对打印代码进行优化，使得挤出速度与移动速度匹配。

步骤2：打印准备；先向硅胶容器92的出口处注入待固化的打印材料，再将硅胶容器92与螺杆泵91连接。

步骤3：打印实施；控制系统10先驱使X轴电机41、Y轴电机32、Z轴电机51、电机一65、电机二72带动相应的各个运动轴回到初始位置，再根据优化后的打印代码使挤出电机93、X轴电机41、Y轴电机32、Z轴电机51、电机一65、电机二72按照程序轨迹，进行硅胶产品的增材制造。

步骤4：过程检测与控制；在硅胶产品的制造中，检测封闭空间中的实时温度和实时湿度；根据实时温度和实时湿度，通过调节系统调节封闭空间中的温度和湿度以使实时温度位于一个预设温度区间内，使实时湿度位于一个预设湿度区间内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种五轴硅胶3D打印机，其包括：

基座；

挤出装置，其位于所述基座上方，并用于挤出打印材料；

三轴运动平台，其安装在所述基座上，并用于实现所述挤出装置在三维空间中的三轴运动；

控制系统，其用于控制所述三轴运动平台的三个运动调节平移轴按照一个预设直线变化路径进行运动；

其特征在于，所述3D打印机还包括：

两轴运动平台，其包括旋转组件一和旋转组件二；所述旋转组件一包括底座、两个旋转轴支承座、摆动架以及电机一；所述底座安装在所述基座上；两个旋转轴支承座相间设置，并预留出一个旋转空间一；所述摆动架转动安装在两个旋转轴支承座上，并位于所述旋转空间一内，且内部预留出一个旋转空间二；所述电机一安装在其中一个旋转轴支承座上，并用于驱使所述摆动架相对两个旋转轴支承座转动；所述旋转组件二包括工作台、电机二以及旋转轴支承板；所述工作台位于所述旋转空间二中，并作为所述打印材料的打印承载平台；所述旋转轴支承板安装在所述摆动架上，并位于两个旋转轴支承座之间区域的侧向上；所述电机二安装在所述旋转轴支承板上，且与所述工作台连接，并用于驱使所述工作台在所述旋转空间二中旋转；所述摆动架的旋转轴与所述工作台的旋转轴延长后始终相交于一点，且共同作为所述两轴运动平台调节打印方向的两个运动调节旋转轴；

其中，所述控制系统通过控制所述电机一转动以调节所述摆动架的旋转角度一，通过控制所述电机二转动以调节所述工作台的旋转角度二，使两个运动调节旋转轴按照一个预设角度变化路径进行运动，并实时配合所述三个运动调节平移轴的预设直线变化路径，使所述打印材料在五轴运动方向上打印成型；

所述三轴运动平台包括X轴移动组件、Y轴移动组件以及Z轴移动组件；所述X轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的X轴方向做直线运动，所述Y轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的Y轴方向做直线运动，所述Z轴移动组件用于驱使所述挤出装置在所述三维空间中的Z轴方向做直线运动；

所述Y轴移动组件包括四个Y轴支承座、两块Y轴支承板、Y轴电机、Y轴滚珠丝杠副、两根Y轴导轨、Y轴滑块、Y轴限位开关、Y轴拖链支板、Y轴拖链、Y轴挡片、Y轴联轴器、Y轴线性滑轨以及Y轴线性滑轨滑块；四个Y轴支承座均安装在所述基座上，且其中两个Y轴支承座位于所述旋转空间一的相对一侧，其中另外两个Y轴支承座位于所述旋转空间一的相对另一侧；其中一块Y轴支承板安装在其中两个Y轴支承座上，其中另一块Y轴支承板安装在其中另外两个Y轴支承座上，且两块Y轴支承板平行设置；所述Y轴滚珠丝杠副架设在其中一块Y轴支承板的顶部上，且后端通过所述Y轴联轴器联接所述Y轴电机；两根Y轴导轨关于所述Y轴滚珠丝杠副对称，并安装在所述Y轴支承板的顶面上，且与所述Y轴滚珠丝杠副平行设置；所述Y轴滑块搭设在两根Y轴导轨上，并与所述Y轴滚珠丝杠副的螺母固定连接，且与所述X轴移动组件的一端连接；所述Y轴拖链支板通过所述Y轴支承板安装在所述Y轴滚珠丝杠副的侧壁上，并用于承托所述Y轴拖链；所述Y轴拖链的一端连接在所述Y轴拖链支板的一端上，所述Y轴拖链的另一端连接在所述X轴移动组件的一端上；所述Y轴限位开关用于限位所述Y轴滑块在所述Y轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述Y轴挡片安装在所述Y轴滑块上，且在经过所述Y轴限位开关时触发并阻挡所述Y轴滑块运动；所述Y轴线性滑轨安装在其中另一块Y轴支承板上，并与所述Y轴滚珠丝杠副平行设置；所述Y轴线性滑轨滑块安装在所述Y轴线性滑轨上，并与所述X轴移动组件的另一端连接；

所述X轴移动组件包括X轴电机、X轴联轴器、X轴支承座、X轴滚珠丝杠副、两根X轴导轨、X轴滑块、X轴限位开关以及XZ轴连接板；所述X轴支承座的两端分别固定在所述Y轴滑块和所述Y轴线性滑轨滑块上；所述X轴滚珠丝杠副安装在所述X轴支承座上，且长度方向与所述Y轴滚珠丝杠副的长度方向垂直；所述X轴滚珠丝杠副的后端通过所述X轴联轴器联接所述X轴电机；两根X轴导轨关于所述Y轴滚珠丝杠副对称设置，并安装在所述X轴支承座的顶面上，且与所述X轴滚珠丝杠副平行设置；所述X轴滑块架设在两根X轴导轨上，并与所述X轴滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述X轴限位开关用于限位所述X轴滑块在所述X轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述XZ轴连接板固定在所述X轴滑块上，并与所述Z轴移动组件连接；

所述Z轴移动组件包括Z轴电机、Z轴联轴器、Z轴滚珠丝杠副、Z轴限位开关、Z轴连接块、Z轴安装板、Z轴挡片、Z轴导轨、Z轴滑块、Z轴连接板、挤出连接板以及挤出固定座；所述Z轴连接块安装在所述XZ轴连接板上，所述Z轴安装板安装在所述Z轴连接块上；所述Z轴滚珠丝杠副安装在所述Z轴安装板上，并垂直于所述X轴滚珠丝杠副与所述Y轴滚珠丝杠副所在的XY平面；所述Z轴滚珠丝杠副的后端通过所述Z轴联轴器联接所述Z轴电机；两根Z轴导轨关于所述Z轴滚珠丝杠副对称设置，且与所述Z轴滚珠丝杠副平行设置；所述Z轴滑块架设在两根Z轴导轨上，并与所述Z轴滚珠丝杠副的螺母固定连接；所述Z轴限位开关用于限位所述Z轴滑块在所述Z轴滚珠丝杠副的轴向上的移动；所述Z轴挡片安装在所述Z轴滑块上，且在经过所述Z轴限位开关时触发并阻挡所述Z轴滑块运动；所述Z轴连接板安装在所述Z轴滑块上；所述挤出连接板安装在所述Z轴连接板上，所述挤出固定座安装在所述挤出连接板上；所述挤出装置通过所述挤出连接板与所述挤出固定座而与所述Z轴连接板相对固定；

所述控制系统控制所述两轴运动平台和所述挤出装置；

其中所述挤出装置的控制，根据喷嘴的内径D、背压P以及所述三轴运动平台、所述两轴运动平台组成的五轴运动平台的移动速度V、喷嘴高度H，基于设计实验路径及打印参数通过实验和仿真的方式对传递函数做参数辨识，以所述传递函数实现所述打印材料的打印速度规划；所述实验路径为“e”形轨迹，针对挤出材料的瞬态过程和稳态过程，通过实验和仿真的方法探究挤出线宽的变化规律，其中瞬态过程为线宽随时间而变的挤出过程，稳态过程为线宽不随时间而变化的挤出过程；其中瞬态仿真使用流体仿真软件，采用多相流模型中的两相流模型进行开展仿真计算，其中设置硅胶材料参数为：密度ρ＝1040kg/m³、表面张力σ_T＝0.02N/m²、硅胶粘度卡罗模型进行表述

其中硅胶在零剪切下的粘度μ₀＝62.5Pa·s、硅胶在无限剪切下的粘度μ_∞＝0Pa·s、松弛时间λ＝0.0137s、剪切率为

幂律指数n＝0.5，空气材料的设置采用内置材料库参数，仿真模型针对喷嘴流道进行简化，忽略非必要的凸台圆角得到，仿真采用瞬态仿真，设置时间步长为0.01s，单步最大迭代次数为50次，其余采用默认设置，仿真结果经过后处理得到界面关于时间的变化规律，再经过图像处理得到线宽随时间的变化规律，其中仿真结果首先设置显示体积分数为0.5的等值面，设置距离喷嘴轴线5mm的竖直面，取两者各个时刻的交线为轮廓线，从而得到线截面轮廓随时间的变化，针对各时刻的线截面轮廓，提取线宽方向最小值与最大值，将其作为线宽随时间变化的仿真值；其中稳态仿真结果及提取瞬态仿真中线宽达到稳态时的线宽数值；瞬态实验针对“e”形轨迹的OA段，通过校准过的电子显微镜获取OA段俯视的图像，接着分多点测量线宽数值，得到线宽随时间的变化；稳态实验类似瞬态实验，测量EF段线宽，以避免运动方向对稳态数据的影响；采用Lambert W函数对传递函数进行辨识，确定具体的传递函数模型；所述打印速度规划方法，通过对相关线段对应的G代码中间，根据挤出速率的变化插入G代码，从而调整移动速率，使得挤出速率与移动速率匹配，从而改善在瞬态阶段线宽不均匀的现象，插入的G代码按照辨识得到的传递函数，对实际的挤出速率进行预测，并将该段移动速率与之匹配，其中匹配的方法是对挤出速率比例变化，其比例系数通过理论推导与实验优选确定；通过理论推导得到的系数为：

其中：W是挤出线宽，U是挤出速度，V是移动速度，a₀是喷嘴内径，H是喷嘴高度，k_a，k_b，k_c是修正系数，实验方法是通过前述的“e”型轨迹测得不同U，V，a₀，H对应的W，从而建立线宽的经验模型，通过实验确定理论模型中的修正系数，从而建立最终的模型。

2.如权利要求1所述的五轴硅胶3D打印机，其特征在于，所述打印材料为湿固化/室温固化材料。

3.如权利要求1所述的五轴硅胶3D打印机，其特征在于，所述旋转组件一还包括减速器法兰一、减速器一、输出法兰一、轴套一、轴套二以及轴承固定座一；所述电机一通过所述减速器法兰一安装在所述减速器一上，所述输出法兰一与其中一个旋转轴支承座以及所述摆动架相联接；所述摆动架通过由所述轴套一、所述轴套二、所述轴承固定座一组成的滑动轴承组件与其中另一个旋转轴支承座连接；

所述旋转组件二还包括减速器法兰二、减速器二、输出法兰二、轴套三以及轴套四；所述电机二通过所述减速器法兰二安装在所述减速器二上所述输出法兰二的两端分别与所述减速器二和所述工作台相联接；所述工作台通过所述旋转轴支承板、所述轴套三、所述轴套四转动安装在所述摆动架上，所述电机二的输出轴与所述减速器二的输入端相联接；其中，所述摆动架的旋转轴与所述工作台的旋转轴垂直。

4.如权利要求1所述的五轴硅胶3D打印机，其特征在于，所述挤出装置通过采用单组份或者双组份的方式挤出所述打印材料；在采用单组份的挤出方式时，所述挤出装置包括单个螺杆泵以及单个硅胶容器；在采用双组份的挤出方式时，所述挤出装置包括两个螺杆泵以及分别对应两个螺杆泵的两个硅胶容器；每个螺杆泵包括挤出电机、挤出减速器、万向联轴器、吸入腔结构、连接螺母、转子、定子、挤出腔结构、喷嘴、吸入腔连接器以及连接腔结构；所述挤出电机通过所述挤出减速器、所述万向联轴器带动所述转子相对所述定子转动以改变所述挤出腔结构的容积，使对应的硅胶容器中的打印材料依次从所述连接腔结构、所述吸入腔结构通过而进入所述挤出腔结构中并从所述喷嘴挤出；所述吸入腔连接器用于连接所述连接腔结构与所述硅胶容器，所述连接螺母用于连接并密封所述吸入腔结构与所述挤出腔结构；所述硅胶容器的顶部设有容器盖，所述容器盖上连接有与所述硅胶容器的内壁紧密配合的活塞；所述打印材料为硅胶，且所述硅胶为胶状的、含有6000～7000硅氧单元的长直链有机硅聚合物，并通过缩合反应交联聚合固化；所述3D打印机还包括：

外罩，其罩在所述基座上，并形成容纳所述挤出装置、所述三轴运动平台以及所述两轴运动平台的封闭空间；

辅助装置，其包括检测系统和调节系统；所述检测系统用于检测所述封闭空间中的实时温度和实时湿度；所述控制系统根据所述实时温度和所述实时湿度，通过所述调节系统调节所述封闭空间中的温度和湿度以使所述实时温度位于20～30℃内，使所述实时湿度位于40％～60％内。

5.如权利要求4所述的五轴硅胶3D打印机，其特征在于，所述控制系统控制所述两轴运动平台和所述挤出装置，其中运动系统的控制涉及三个移动轴及五个转动轴，并实现任意三轴定位及任意挤出轴矢量定向，通过齐次坐标变换，构建从机床坐标到工件坐标的坐标变换：

其中，P_x，P_y，P_z，T_x，T_y，T_z分别为工件坐标系下的喷嘴点位和挤出轴矢量，X，Y，Z，A，B分别为各轴的相对运动量，再求得其逆解，建立工件坐标系下喷嘴点位及挤出轴矢量到运动轴的映射关系，实现对五轴硅胶3D打印机的运动控制。

6.一种打印方法，其应用于如权利要求5所述的五轴硅胶3D打印机中，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：切片及代码优化；确定打印参数，并在一个预设硅胶产品三维模型进行切片，得到打印代码；通过开发的打印速度规划方法对所述打印代码进行优化，使得挤出速度与移动速度匹配；

步骤2：打印准备；先向所述硅胶容器的出口处注入待固化的打印材料，再将所述硅胶容器与所述螺杆泵连接；

步骤3：打印实施；所述控制系统先驱使所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机、所述电机一、所述电机二带动相应的各个运动轴回到初始位置，再根据优化后的所述打印代码使所述挤出电机、所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机、所述电机一、所述电机二按照程序轨迹，进行硅胶产品的增材制造；

步骤4：过程检测与控制；在所述硅胶产品的制造中，检测所述封闭空间中的实时温度和实时湿度；根据所述实时温度和所述实时湿度，通过所述调节系统调节所述封闭空间中的温度和湿度以使所述实时温度位于一个预设温度区间内，使所述实时湿度位于一个预设湿度区间内。

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