CN113211590A - 一种自循环供料3d打印机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自循环供料3D打印机，包括旋转平台、旋转模块、刮刀模块、打印模块和供料模块；旋转平台上开有凹槽，凹槽的底部开有第一通孔和第二通孔，打印模块包括可升降的打印平台，供料模块包括可升降的供料活塞，打印平台嵌入第一通孔内并与第一通孔滑动连接，供料活塞嵌入第二通孔内并与第二通孔滑动连接；旋转模块安装在旋转平台上，刮刀模块包括用于铺覆打印材料的刮刀，旋转模块与刮刀模块连接并带动刮刀旋转，从而刮刀在凹槽内将供料活塞上的打印材料铺覆在打印平台上。还涉及一种自循环供料3D打印机的控制方法，采用上述自循环3D打印机。本发明对打印材料的利用率高，且打印速度快，属于3D打印技术领域。

Description

一种自循环供料3D打印机及其控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种自循环供料3D打印机及其控制方法。

背景技术

3D打印技术是一种快速成型技术工艺，采用逐层堆积的方式成型出完整实体。3D打印技术由于具有成型自由度高、生产周期较短、成本相对低等独特优势，越来越广泛应用于各行各业，包括航空航天、汽车制造、生物医疗、科学教育等领域。

目前常见的3D打印技术主要有激光选区烧结成型技术、光固化成型技术、熔融沉积技术，其中激光选区烧结技术、光固化成型技术等都涉及打印材料的铺覆过程，例如对金属粉末、陶瓷浆料的铺覆。然而在材料铺覆过程中，尤其对于陶瓷浆料等粘度较高的打印材料，打印材料会黏附在经过的打印机壁面上，造成浪费。而常见的刮刀铺覆为直线往复式的运动方式，因此在铺覆时刮刀前进带动的陶瓷浆料等打印材料在刮刀退回时无法将材料重新刮回利用，这导致了完整成型零件时往往需要比零件本身占用的打印材料多出许多甚至几倍的材料用量，导致单次储存的打印材料的利用率较低，启动打印所需材料量较高，这个缺点在打印稀有或昂贵材料时更加突出，此外，现有直线往复式的材料铺覆方法中，刮刀回程复位与备料等步骤在占据了相当大一部分工作时，对设备的打印效率造成影响，影响了增材制造的进一步推广。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种打印材料利用率高的自循环供料3D打印机及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自循环供料3D打印机，包括旋转平台、旋转模块、刮刀模块、打印模块和供料模块；旋转平台上开有凹槽，凹槽的底部开有第一通孔和第二通孔，打印模块包括可升降的打印平台，供料模块包括可升降的供料活塞，打印平台嵌入第一通孔内并与第一通孔滑动连接，供料活塞嵌入第二通孔内并与第二通孔滑动连接；旋转模块安装在旋转平台上，刮刀模块包括用于铺覆打印材料的刮刀，旋转模块与刮刀模块连接并带动刮刀旋转，刮刀的刀刃位于凹槽内，刮刀的刀刃随刮刀旋转扫过的区域形成位于凹槽底部的环形平面，第一通孔和第二通孔均位于环形平面的下方；沿刮刀铺覆打印材料时的旋转方向，刮刀旋转经过的路径上依次设有第一工位、第二工位、第三工位、第四工位，第二工位处于第二通孔的上方，第四工位处于第一通孔的上方。采用这种结构后，刮刀模块在旋转模块的带动下于凹槽内围绕凹槽中心作旋转运动，当刮刀在凹槽内旋转一周，刮刀亦推动打印材料在凹槽内扫过一周，使打印材料经过打印平台与供料活塞上方，在此期间完成将打印材料均匀地铺覆在打印平台上、将铺覆过程中多余的打印材料重新刮回供料活塞上、将供料模块中为下一层打印所准备的材料推动至打印平台附件等多个步骤，实现了打印材料的循环供给。因此相比于直线往复式运动的铺覆方式，本方案可提高对储存的打印材料的利用率，降低打印相同零件所需要的材料启动量。

作为一种优选，刮刀模块还包括刮刀调整架、刮刀固定块、高度调节组件、角度调节组件；角度调节组件包括角度调节螺栓、第一螺母，刮刀固定块上开有第一安装孔，刮刀上开有第二安装孔，角度调节螺栓穿过第一安装孔和第二安装孔，第一螺母套于角度调节螺栓上；高度调节组件包括高度调节螺栓、弹簧，刮刀调整架上开有第三通孔，刮刀固定块上开有螺纹孔，高度调节螺栓穿过第三通孔并旋入螺纹孔内，弹簧套于高度调节螺栓上，弹簧位于第三通孔与螺纹孔之间，弹簧处于压缩状态；角度调节螺栓的轴线平行于环形平面，高度调节螺栓的轴线垂直于环形平面。采用这种结构后，可通过调整刮刀与刮刀固定块之间的夹角从而调整刮刀在铺覆打印材料时的角度，同时通过高度调节螺栓与弹簧的结合调整刮刀固定块与刮刀调整架之间的相对位置，实现刮刀刀刃的高低位置调节。

作为一种优选，刮刀调整架为中空结构，刮刀固定块嵌入刮刀调整架内。

作为一种优选，旋转模块包括安装支架、驱动电机、传动机构，安装支架与旋转平台固定连接，驱动电机安装在安装支架上，驱动电机的输出轴通过传动机构与刮刀模块连接；传动机构包括联轴器、传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、转轴，驱动电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，主动锥齿轮固定地套于传动轴上，从动锥齿轮固定地套于转轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，转轴与刮刀模块连接并带动刮刀模块旋转。采用这种结构后，传动轴的轴线方向水平，转轴的轴线方向竖直，通过主动锥齿轮与从动锥齿轮的啮合实现驱动电机与转轴之间的动力传递与方向改变。

作为一种优选，凹槽的底部安装有第一轴承，转轴通过第一轴承与凹槽的底部转动连接。采用这种结构后，可减小转轴转动时的摩擦力，并实现转轴的径向定位。

作为一种优选，打印模块还包括成型电缸，供料模块还包括供料电缸，成型电缸与打印平台连接并带动打印平台升降，供料电缸与供料活塞连接并带动供料活塞升降。

作为一种优选，一种自循环供料3D打印机还包括机架、控制器、光源输出模块，光源输出模块和旋转平台均安装在机架上；旋转模块、打印模块、供料模块和光源输出模块均通过电路连接控制器。采用这种结构后，光源输出模块用于对打印材料层进行照射，控制器控制旋转模块、升降模块、光源输出模块之间配合运转。

作为一种优选，凹槽为圆形槽。

一种自循环供料3D打印机的控制方法，采用上述的一种自循环供料3D打印机，包括如下步骤：

S1，控制升降模块带动打印平台上升，直至打印平台的上表面与凹槽的底部处于同一高度；

S2，控制驱动电机驱动刮刀复位至第一工位；

S3，控制升降模块带动供料活塞移动，将供料活塞上的部分打印材料推至第二通孔的上方；

S4，控制驱动电机驱动刮刀转动并经第二工位到达第三工位；

S5，控制升降模块带动打印平台下移一个打印层厚；

S6，控制驱动电机驱动刮刀转动并经第四工位到达第一工位，从而将打印材料铺覆在打印平台上；

S7，控制升降模块带动供料活塞上升，将打印下一层所需的打印材料推至第二通孔的上方；

S8，对打印平台表面的打印材料进行选择性照射；

S9，重复S4～S8直至整个模型打印完成。

采用上述控制方法，步骤S2和步骤S3同时进行，步骤S4和步骤S5同时进行，步骤S6和步骤S7同时进行，可提高打印速度。

作为一种优选，步骤S4中，驱动电机带动刮刀以第一转速转动至第三工位，步骤S6中，驱动电机带动刮刀以第二转速转动至第一工位，第一转速大于第二转速。

总的说来，本发明具有如下优点：

(1)降低打印启动量：常见的刮刀铺覆为直线往复式的运动方式，为保证打印材料铺覆效果，在刮刀每次铺覆都需要从供料缸刮走1.5-2倍打印层所需要的粉末量，而多余的打印材料在刮刀回程时无法将其重新刮回利用，这导致了往往需要在打印前准备比零件成型所需的打印材料多出几倍的材料用量，导致供料缸中储备的打印材料的利用率较低，启动打印所需材料量较高，这个缺点在打印稀有或昂贵材料时更加突出，本发明通过旋转运动的刮刀，将铺覆后多余的材料重新刮回材料储存处，以提高单次储存的打印材料的利用率，降低打印启动量。

(2)提高设备工作效率。在常见的刮刀直线往复式运动方式下，一次固化完成后，打印设备必须等待成型缸下降一个打印层厚距离，刮刀回复至起始位置后才能进入供料、铺料等下一层打印过程，且刮刀回复运动过程中光机无法工作，而采用本发明基于旋转刮刀的自循环供料系统，在刮刀进行旋转运动回复至起始位置过程中，成型缸下降、供料系统启动供料、光机选择性曝光固化材料可以同时进行，由此减少了单层打印周期用时，提高了设备工作效率。

附图说明

图1为一种自循环供料3D打印机的立体结构示意图。

图2为旋转平台、旋转模块、刮刀模块、打印模块和供料模块的结构示意图。

图3为旋转平台的结构示意图。

图4为刮刀模块的内部结构示意图。

图5为打印模块与供料模块的结构示意图。

其中，1为旋转平台，2为旋转模块，3为刮刀模块，4为打印模块，5为供料模块，6为机架。

11为第一通孔，12为第二通孔，13为第一轴承，14为凹槽。

21为安装支架，22为驱动电机，23为联轴器，24为传动轴，25为主动锥齿轮，26为从动锥齿轮，27为转轴，28为上肋板，29为下肋板。

31为刮刀，32为刮刀固定块，33为刮刀调整架，34为弹簧，35为高度调节螺栓，36为角度调节螺栓，37为第一螺母。

41为打印平台，42为成型活塞，43为成型电缸。

51为供料活塞，52为供料电缸。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种自循环供料3D打印机，包括旋转平台1、旋转模块2、刮刀模块3、打印模块4和供料模块5；旋转平台上开有凹槽14，凹槽的底部开有第一通孔11和第二通孔12，打印模块包括可升降的打印平台41，供料模块包括可升降的供料活塞51，打印平台嵌入第一通孔内并与第一通孔滑动连接，供料活塞嵌入第二通孔内并与第二通孔滑动连接；旋转模块安装在旋转平台上，刮刀模块包括用于铺覆打印材料的刮刀31，旋转模块与刮刀模块连接并带动刮刀旋转，刮刀的刀刃位于凹槽内，刮刀的刀刃随刮刀旋转扫过的区域形成位于凹槽底部的环形平面，第一通孔和第二通孔均位于环形平面的下方；沿刮刀铺覆打印材料时的旋转方向，刮刀旋转经过的路径上依次设有第一工位、第二工位、第三工位、第四工位，第二工位处于第二通孔的上方，第四工位处于第一通孔的上方。

刮刀模块还包括刮刀调整架33、刮刀固定块32、高度调节组件、角度调节组件；角度调节组件包括角度调节螺栓36、第一螺母37，刮刀固定块上开有第一安装孔，刮刀上开有第二安装孔，角度调节螺栓穿过第一安装孔和第二安装孔，第一螺母套于角度调节螺栓上；高度调节组件包括高度调节螺栓35、弹簧34，刮刀调整架上开有第三通孔，刮刀固定块上开有螺纹孔，高度调节螺栓穿过第三通孔并旋入螺纹孔内，弹簧套于高度调节螺栓上，弹簧位于第三通孔与螺纹孔之间，弹簧处于压缩状态；角度调节螺栓的轴线平行于环形平面，高度调节螺栓的轴线垂直于环形平面。采用这种结构后，可调节刮刀的角度和高低。

刮刀调整架为中空结构，刮刀固定块嵌入刮刀调整架内。

旋转模块包括安装支架21、驱动电机22、传动机构，安装支架与旋转平台固定连接，驱动电机安装在安装支架上，驱动电机的输出轴通过传动机构与刮刀模块连接；传动机构包括联轴器23、传动轴24、主动锥齿轮25、从动锥齿轮26、转轴27，驱动电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，主动锥齿轮固定地套于传动轴上，从动锥齿轮固定地套于转轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，转轴与刮刀模块连接并带动刮刀模块旋转。

凹槽的底部安装有第一轴承13，转轴通过第一轴承与凹槽的底部转动连接。

打印模块还包括成型电缸43，供料模块还包括供料电缸52，成型电缸与打印平台连接并带动打印平台升降，供料电缸与供料活塞连接并带动供料活塞升降。

一种自循环供料3D打印机还包括机架6、控制器、光源输出模块，光源输出模块和旋转平台均安装在机架上；旋转模块、打印模块、供料模块和光源输出模块均通过电路连接控制器。采用这种结构后，光源输出模块用于对打印材料层进行照射，控制器控制旋转模块、升降模块、光源输出模块之间配合运转。

凹槽为圆形槽。

安装支架包括支架上段、轴承座、支架中段、支架下段、上肋板28、下肋板29；支架中段为竖直放置的板状结构，支架下段与支架上段均为水平放置的板状结构。驱动电机安装在支架中段上；支架中段与支架上段之间通过上肋板固定连接；支架下段与支架中段通过下肋板固定连接，从而进行加固与定位；轴承座内装有第二轴承，用于传动轴的径向定位，轴承座与支架上段固定连接。

成型模块还包括成型活塞42，成型电缸与成型活塞连接并驱动成型活塞升降，打印平台固定连接于成型活塞的顶部。第一通孔与第二通孔均为圆形孔，供料活塞与第二通孔同轴心，打印活塞与第一通孔同轴心。

刮刀上设有夹刀槽用于安装刀片或橡胶条等以提高铺覆质量，并利用螺钉进行夹紧固定。

驱动电机采用步进电机，成型电缸由伺服电机驱动，供料电缸由伺服电机驱动。

一种自循环供料3D打印机的控制方法，采用上述的一种自循环供料3D打印机，包括如下步骤：

S1，控制升降模块带动打印平台上升，直至打印平台的上表面与凹槽的底部处于同一高度。

S2，控制驱动电机驱动刮刀复位至第一工位。

S3，控制升降模块带动供料活塞移动，将供料活塞上的部分打印材料推至第二通孔的上方。

S4，控制驱动电机驱动刮刀转动并经第二工位到达第三工位。从而将第二通孔上方的打印材料刮至第三工位。

S5，控制升降模块带动打印平台下移一个打印层厚。

S6，控制驱动电机驱动刮刀转动并经第四工位到达第一工位，从而将打印材料铺覆在打印平台上。

S7，控制升降模块带动供料活塞上升，将打印下一层所需的打印材料推至第二通孔的上方。

S8，对打印平台表面的打印材料进行选择性照射。

S9，重复S4～S8直至整个模型打印完成。

步骤S3中，根据预计参数计算所需的打印材料用量，然后根据此用量控制供料活塞的上升高度。步骤S7中，根据模型切片信息，控制光源输出模块对需要照射的范围进行照射。

步骤S4中，驱动电机带动刮刀以第一转速转动至第三工位，步骤S6中，驱动电机带动刮刀以第二转速转动至第一工位，第一转速大于第二转速。

在实际使用时，控制器接收到启动打印的信号后，即开始执行上述步骤，整个模型打印完成后，控制器反馈打印完成信号。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自循环供料3D打印机，其特征在于：包括旋转平台、旋转模块、刮刀模块、打印模块和供料模块；旋转平台上开有凹槽，凹槽的底部开有第一通孔和第二通孔，打印模块包括可升降的打印平台，供料模块包括可升降的供料活塞，打印平台嵌入第一通孔内并与第一通孔滑动连接，供料活塞嵌入第二通孔内并与第二通孔滑动连接；旋转模块安装在旋转平台上，刮刀模块包括用于铺覆打印材料的刮刀，旋转模块与刮刀模块连接并带动刮刀旋转，刮刀的刀刃位于凹槽内，刮刀的刀刃随刮刀旋转扫过的区域形成位于凹槽底部的环形平面，第一通孔和第二通孔均位于环形平面的下方；沿刮刀铺覆打印材料时的旋转方向，刮刀旋转经过的路径上依次设有第一工位、第二工位、第三工位、第四工位，第二工位处于第二通孔的上方，第四工位处于第一通孔的上方。

2.按照权利要求1所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：刮刀模块还包括刮刀调整架、刮刀固定块、高度调节组件、角度调节组件；角度调节组件包括角度调节螺栓、第一螺母，刮刀固定块上开有第一安装孔，刮刀上开有第二安装孔，角度调节螺栓穿过第一安装孔和第二安装孔，第一螺母套于角度调节螺栓上；高度调节组件包括高度调节螺栓、弹簧，刮刀调整架上开有第三通孔，刮刀固定块上开有螺纹孔，高度调节螺栓穿过第三通孔并旋入螺纹孔内，弹簧套于高度调节螺栓上，弹簧位于第三通孔与螺纹孔之间，弹簧处于压缩状态；角度调节螺栓的轴线平行于环形平面，高度调节螺栓的轴线垂直于环形平面。

3.按照权利要求2所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：刮刀调整架为中空结构，刮刀固定块嵌入刮刀调整架内。

4.按照权利要求1所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：旋转模块包括安装支架、驱动电机、传动机构，安装支架与旋转平台固定连接，驱动电机安装在安装支架上，驱动电机的输出轴通过传动机构与刮刀模块连接；传动机构包括联轴器、传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、转轴，驱动电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，主动锥齿轮固定地套于传动轴上，从动锥齿轮固定地套于转轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，转轴与刮刀模块连接并带动刮刀模块旋转。

5.按照权利要求4所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：凹槽的底部安装有第一轴承，转轴通过第一轴承与凹槽的底部转动连接。

6.按照权利要求1所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：打印模块还包括成型电缸，供料模块还包括供料电缸，成型电缸与打印平台连接并带动打印平台升降，供料电缸与供料活塞连接并带动供料活塞升降。

7.按照权利要求1所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：还包括机架、控制器、光源输出模块，光源输出模块和旋转平台均安装在机架上；旋转模块、打印模块、供料模块和光源输出模块均通过电路连接控制器。

8.按照权利要求1所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：凹槽为圆形槽。

9.一种自循环供料3D打印机的控制方法，采用权利要求1～8任一项所述的一种自循环供料3D打印机，其特征在于：包括如下步骤：

S1，升降模块带动打印平台上升，直至打印平台的上表面与凹槽的底部处于同一高度；

S2，驱动电机驱动刮刀复位至第一工位；

S3，升降模块带动供料活塞上升，将供料活塞上的部分打印材料推至第二通孔的上方；

S4，驱动电机驱动刮刀转动并经第二工位到达第三工位；

S5，升降模块带动打印平台下移一个打印层厚；

S6，驱动电机驱动刮刀转动并经第四工位到达第一工位，从而将打印材料铺覆在打印平台上；

S7，控制升降模块带动供料活塞上升，将打印下一层所需的打印材料推至第二通孔的上方；

S8，对打印平台表面的打印材料进行选择性照射；

S9，重复S4～S8直至整个模型打印完成。

10.按照权利要求9所述的一种自循环供料3D打印机的控制方法，其特征在于：步骤S4中，驱动电机带动刮刀以第一转速转动至第三工位，步骤S6中，驱动电机带动刮刀以第二转速转动至第一工位，第一转速大于第二转速。

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