CN113977935A - 一种适用于fdm型3d打印的热辊压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于FDM型3D打印的热辊压装置，主要由万向热辊、压下量调控装置、自动化全时水平补偿机构组成。将感应线圈安装在微型轧辊内，形成微型轧辊表面温度可调的热辊(温度调控范围：室温～260℃)。同时，热辊的运动方向受安装在喷头侧面的万向装置控制，可实现万向辊压。通过激光测距仪检测打印喷嘴与打印平台之间的距离，从而对热辊压下量进行精确的控制。将两个水平检测仪以直角的形式固定在打印平台的边界凹槽内，水平仪在打印过程中可以对打印平台的水平度进行全时监测，并通过伸缩支撑脚实现打印平台的实时调平。利用该热辊压装置可以显著提高FDM型3D打印制件的致密度，且适用于塑性较差的成形材料。
Description
技术领域：
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种适用于FDM型3D打印的热辊压装置。
背景技术：
基于离散-堆积原理，采用材料逐层堆积方法的增材制造技术可以实现构件数字化无模成形制造，被誉为十二大颠覆性技术之一和第三次工业革命的重要突破口之一。FDM(熔融沉积成型)型3D打印技术是将丝状的热塑性材料通过喷头加热融化，喷头底部的喷嘴在计算机的控制下依据模型数据移动到指定位置将熔丝挤出，被挤出的熔融物沉积在前一层已固化的表面，通过逐层堆积最终形成三维实体。FDM型3D打印技术是一种机械结构最简单、制造成本较低的增材制造技术，目前已经成功应用于教育、医疗、工艺设计、建筑设计等领域。但是，FDM型3D打印技术仍然存在很多亟待改进的问题，例如，FDM型3D打印制件的致密度较低。
申请号为202020953321.4的中国发明专利提出了一种辊压辅助的增材制造装置，设计了一种z轴方向可调节的压辊，用于辅助辊压丝材，增加相邻两层的结合面积，提升3D打印制件的致密度。但是，该辊压装置不能对3D打印制件进行热辊压，所以不适用于室温塑性较差的丝材。同时，该辊压装置只能沿直线行进，无法适用于含有曲面的3D打印制件。申请号为201911006325.X的中国发明专利提出了一种连续纤维复材3D打印机及其万向层压装置，连续纤维复材沉积到成形平板上后，可被喷嘴后方的压辊压实，由于摩擦力的原因，压辊便会随打印方向绕喉管自动旋转，达到万向压实的效果。虽然实现了万向层压的功能，但是，该万向层压装置无法对压下量进行调控，且只能进行室温辊压。申请号为201710121438.9的中国发明专利提出了一种用于材料挤出成形的多功能3D打印头及使用方法，利用激光预热技术和滚筒上的恒温片对3D打印制件的表面进行加热，从而实现热辊压的功能，以提高室温塑性变形能力较差的3D打印制件的致密度。但是，该热辊压装置存在辊压温度不可调、激光预热面积小、激光预热效率低等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于FDM型3D打印的热辊压装置；该热辊压装置可以显著提高具备不同塑性变形能力的FDM型3D打印制件的致密度。
为了达到上述的目的，本发明采取如下的技术方案：
一种适用于FDM型D打印的热辊压装置，包括喉管、喷嘴、万向热辊、压下量调控装置和自动化全时水平补偿机构；
喷嘴安装在喉管的末端，万向热辊套装在喉管外部，并能够绕喉管及喷嘴进行360°的旋转；压下量调控装置安装在喷嘴上，并与自动化全时水平补偿机构电连接，两者配合实现精确的压下量调节；
万向热辊由万向装置和热辊组成；所述万向装置包括万向装置外壳，以及设置于万向装置外壳内的多个滚动轴承、环形锥齿轮、电机电池板、步进电机、锥齿轮和万向控制器；
滚动轴承的内圈与喉管的圆周外壁配合安装，滚动轴承的外圈安装在万向装置外壳的轴承座孔内；步进电机与万向控制器和电机电池板电连接，由电机电池板供电，由万向控制器控制其运动；锥齿轮安装在步进电机的输出轴上，锥齿轮与套装在喉管的外壁上的环形锥齿轮啮合，使得在步进电机的驱动下万向装置能绕喉管和喷嘴转动；
所述热辊包括热辊外壳，以及安装在热辊外壳内的热辊电池板、轧辊外圈、多个连接轴承、感应线圈和轧辊轴芯；万向装置外壳与热辊外壳通过连接件固定连接在一起，使得热辊能随着万向装置一起旋转，且旋转的角度可控；同时万向装置外壳与热辊外壳的连接位置可调；
热辊外壳上设置有一对位置相对的安置孔，轧辊轴芯的两端分别固定安装在所述安置孔内，使轧辊轴芯与热辊外壳相固定；感应线圈以轧辊轴芯为轴环绕在其柱体上；连接轴承的内圈与轧辊轴芯的外壁配合安装；轧辊外圈套装在轧辊轴芯以及感应线圈之外，并与连接轴承的外圈配合安装；热辊电池板与感应线圈电连接，用于为感应线圈提供电源，以加热轧辊外圈；
压下量调控装置包括激光测距传感器和测距控制器，激光测距传感器安装在喷嘴的外壳上，测距控制器安装在喷嘴的外壳内，用于测量喷嘴与打印平台之间的距离；所述测距控制器根据测量的距离，来调节打印平台的高度，以实现对热辊压下量的精确调控；
自动化全时水平补偿机构由打印平台、两个水平检测仪和水平补偿装置组成；两个水平检测仪呈直角分布形态，均通过连接件安装在打印平台的边界凹槽内，水平检测仪用于实时检测打印平台的水平度；所述水平补偿装置包括四个支撑伸缩脚和支撑板；每个支撑伸缩脚均由推动杆、齿轮连杆机构、传动圆柱齿轮、伸缩电机和伸缩控制器组成；推动杆的底部与齿轮连杆机构的连杆相连，齿轮连杆机构的齿轮与传动圆柱齿轮啮合，传动圆柱齿轮与伸缩电机相连，由伸缩电机驱动其转动；伸缩电机与伸缩控制器电连接，由伸缩控制器对其进行控制；四个伸缩支撑脚的下端分别安置在支撑板上表面的四个边角上，上端分别支撑在打印平台底面的四个边角上；推动杆通过在z轴方向上推动打印平台边角的上升或者下降，实现打印平台的调平。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过在热辊内部安装感应线圈，使得感应线圈通电便可加热微型轧辊表面，实现温度可调的热辊压动作。因此本发明能适用于室温塑性变形能力较差的材料，拓宽了辊压装置的适用范围。
(2)本发明利用万向装置可以控制微型轧辊进行360°转动，且万向控制器保证了轧辊转动角度可控。因此，本发明所述的热辊压装置可以适用于任意复杂形状工件的3D打印。
(3)本发明通过调整打印平台与喷嘴之间的距离，结合激光测距传感器的精确测量，便可实现不同压下量的辊压操作，从而对不同材料实施最优程度的压实。
(4)本发明通过设置自动化全时水平补偿机构，使得水平仪在打印全过程中实时监测打印平台的水平度，并利用水平补偿控制器控制伸缩支撑脚对打印平台进行自动化全时调平，可以避免3D打印制件由于局部区域变形量不同而影响其成型精度和打印质量。
附图说明：
图1是本发明所述适用于FDM型3D打印的热辊压装置的结构图；
图2是万向热辊结构图；
图3是热辊的连接简图；
图4是轧辊的内部剖视图；
图5是自动化全时水平补偿机构的结构简图；
图6是伸缩脚的结构简图；
图中所示的附图标记为：
1-喉管，2-喷嘴，3-万向热辊，31-万向装置，311-滚动轴承，312-万向装置外壳，313-环形锥齿轮，314-电机电池板，315-步进电机，316-锥齿轮，317-万向控制器，32-热辊，321-矩形凹槽，322-热辊电池板，323-热辊外壳，324-轧辊外圈，325-连接轴承，326-感应线圈，327-轧辊轴芯，4-压下量调控装置，5-自动化全时水平补偿机构，51-打印平台，52--水平检测仪，53-伸缩支撑脚，531-推动杆，532-齿轮连杆机构，533-传动圆柱齿轮，534-伸缩电机，535-伸缩控制器，54-支撑板。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明提供了一种适用于FDM型3D打印的热辊压装置包括喉管1、喷嘴2、万向热辊3、压下量调控装置4和自动化全时水平补偿机构5。
喷嘴2安装在喉管1的末端，万向热辊3套装在喉管1外部，并能够绕喉管1及喷嘴2进行360°的旋转；压下量调控装置4安装在喷嘴2的外壳上，并与自动化全时水平补偿机构5电连接，两者配合实现精确的压下量调节。
万向热辊3由万向装置31和热辊32组成。
所述万向装置31包括万向装置外壳312，以及设置于万向装置外壳312内的多个滚动轴承311、环形锥齿轮313、电机电池板314、步进电机315、锥齿轮316和万向控制器317。
滚动轴承311的内圈与喉管1的圆周外壁配合安装，滚动轴承311的外圈安装在万向装置外壳312的轴承座孔内。步进电机315与万向控制器317和电机电池板314电连接，由电机电池板314供电，由万向控制器317控制其运动。锥齿轮316安装在步进电机315的输出轴上，锥齿轮316与套装在喉管1的外壁上的环形锥齿轮313啮合，使得在步进电机315的驱动下万向装置31能绕喉管1和喷嘴2进行主动的转动。万向控制器317根据打印图案的反馈，发出脉冲信号去调控步进电机315的输出功率并控制旋转角度，可以实现万向功能的可控性。万向控制器317通过调控步进电机315的转动方向，可以实现万向辊压装置转动角度的可控性。
所述热辊32包括热辊外壳323，以及安装在热辊外壳323内的热辊电池板322、轧辊外圈324、多个连接轴承325、感应线圈326和轧辊轴芯327。
万向装置外壳312与热辊外壳323通过连接件固定连接在一起，使得热辊32能随着万向装置31一起旋转，且旋转的角度可控。同时万向装置外壳312与热辊外壳323的连接位置可调，使得热辊32可以微调其z轴方位。比如在热辊外壳323上设置矩形凹槽321，通过改变固定螺丝在矩形凹槽321上的固定位置，即可实现热辊32在z轴方位上的微调。
热辊外壳323上设置有一对位置相对的安置孔，轧辊轴芯327的两侧分别固定安装在所述安置孔上，使轧辊轴芯327与热辊外壳323相固定。感应线圈326以轧辊轴芯327为轴环绕在其柱体上。连接轴承325的内圈与轧辊轴芯327的外壁配合安装。轧辊外圈324套装在轧辊轴芯327以及感应线圈326之外，并与连接轴承325的外圈配合安装。热辊电池板322与感应线圈326电连接，用于为感应线圈326提供电源，以加热轧辊外圈324。通过调控提供给感应线圈326的电流大小，可在室温～260℃的温度范围内加热轧辊外圈324，实现温度可调的热辊压功能。
压下量调控装置4包括激光测距传感器和测距控制器，激光测距传感器安装在喷嘴2的外壳上，测距控制器安装在喷嘴2的外壳内，激光测距传感器用于测量喷嘴2与打印平台51之间的距离。激光测距传感器的测量范围为800mm，测量精度为50μm。所述测距控制器根据激光测距传感器测量的距离，来调节打印平台51的高度，以实现对热辊压下量的精确调控。
自动化全时水平补偿机构由打印平台51、两个水平检测仪52和水平补偿装置组成。两个水平检测仪52呈直角分布形态，均通过连接件安装在打印平台51的边界凹槽内，水平检测仪52可以实时检测打印平台51的水平度，依据所测得的水平度数据，再利用水平补偿装置对其水平度进行调控，水平补偿装置的调节范围为0～20mm。
所述水平补偿装置包括四个支撑伸缩脚53和支撑板54。
每个支撑伸缩脚53均由推动杆531、齿轮连杆机构532、传动圆柱齿轮533、伸缩电机534和伸缩控制器535组成。推动杆531的底部与齿轮连杆机构532的连杆相连，齿轮连杆机构532的齿轮与传动圆柱齿轮533啮合，传动圆柱齿轮533与伸缩电机534相连，由伸缩电机534驱动其转动。伸缩电机534与伸缩控制器535电连接，由伸缩控制器535对其进行控制。
四个伸缩支撑脚53的下端分别安置在支撑板54上表面的四个边角上，上端分别支撑在打印平台51底面的四个边角上。
根据打印平台51的倾斜角度，伸缩控制器535给伸缩电机534发送脉冲信号，伸缩电机534带动传动圆柱齿轮533与齿轮连杆机构532的齿轮啮合，使齿轮连杆机构532的连杆能联动推动杆531，使推动杆531能在z轴方向上推动打印平台51边角的上升或者下降，以此来达到调平打印平台51的目的，实现打印平台全时自动调平的功能，保证了提升制件致密度的动作能够顺利实施。
采用本发明所述的适用于FDM型3D打印的热辊压装置辊压制件，可以有效地大幅度提升3D打印制件的致密度。同时，利用压下量调控装置可以精确拟定热辊的压下量，满足配合不同材料丝材的压下量需求，对每种材料达到最优压实效果。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (1)
1.一种适用于FDM型3D打印的热辊压装置，其特征在于，包括喉管(1)、喷嘴(2)、万向热辊(3)、压下量调控装置(4)和自动化全时水平补偿机构(5)；
喷嘴(2)安装在喉管(1)的末端，万向热辊(3)套装在喉管(1)外部，并能够绕喉管(1)及喷嘴(2)进行360°的旋转；压下量调控装置(4)安装在喷嘴(2)上，并与自动化全时水平补偿机构(5)电连接，两者配合实现精确的压下量调节；
万向热辊(3)由万向装置(31)和热辊(32)组成；所述万向装置(31)包括万向装置外壳(312)，以及设置于万向装置外壳(312)内的多个滚动轴承(311)、环形锥齿轮(313)、电机电池板(314)、步进电机(315)、锥齿轮(316)和万向控制器(317)；
滚动轴承(311)的内圈与喉管(1)的圆周外壁配合安装，滚动轴承(311)的外圈安装在万向装置外壳(312)的轴承座孔内；步进电机(315)与万向控制器(317)和电机电池板(314)电连接，由电机电池板(314)供电，由万向控制器(317)控制其运动；锥齿轮(316)安装在步进电机(315)的输出轴上，锥齿轮(316)与套装在喉管(1)的外壁上的环形锥齿轮(313)啮合，使得在步进电机(315)的驱动下万向装置(31)能绕喉管(1)和喷嘴(2)转动；
所述热辊(32)包括热辊外壳(323)，以及安装在热辊外壳(323)内的热辊电池板(322)、轧辊外圈(324)、多个连接轴承(325)、感应线圈(326)和轧辊轴芯(327)；万向装置外壳(312)与热辊外壳(323)通过连接件固定连接在一起，使得热辊(32)能随着万向装置(31)一起旋转，且旋转的角度可控；同时万向装置外壳(312)与热辊外壳(323)的连接位置可微调；
热辊外壳(323)上设置有一对位置相对的安置孔，轧辊轴芯(327)的两端分别固定安装在所述安置孔内，使轧辊轴芯(327)与热辊外壳(323)相固定；感应线圈(326)以轧辊轴芯(327)为轴环绕在其柱体上；连接轴承(325)的内圈与轧辊轴芯(327)的外壁配合安装；轧辊外圈(324)套装在轧辊轴芯(327)以及感应线圈(326)之外，并与连接轴承(325)的外圈配合安装；热辊电池板(322)与感应线圈(326)电连接，用于为感应线圈(326)提供电源，以加热轧辊外圈(324)；
压下量调控装置(4)包括激光测距传感器和测距控制器，激光测距传感器安装在喷嘴(2)的外壳上，测距控制器安装在喷嘴(2)的外壳内，用于测量喷嘴(2)与打印平台(51)之间的距离；所述测距控制器根据测量的距离，来调节打印平台(51)的高度，以实现对热辊压下量的精确调控；
自动化全时水平补偿机构由打印平台(51)、两个水平检测仪(52)和水平补偿装置组成；两个水平检测仪(52)呈直角分布形态，均通过连接件安装在打印平台(51)的边界凹槽内，水平检测仪(52)用于实时检测打印平台(51)的水平度；所述水平补偿装置包括四个支撑伸缩脚(53)和支撑板(54)；每个支撑伸缩脚(53)均由推动杆(531)、齿轮连杆机构(532)、传动圆柱齿轮(533)、伸缩电机(534)和伸缩控制器(535)组成；推动杆(531)的底部与齿轮连杆机构(532)的连杆相连，齿轮连杆机构(532)的齿轮与传动圆柱齿轮(533)啮合，传动圆柱齿轮(533)与伸缩电机(534)相连，由伸缩电机(534)驱动其转动；伸缩电机(534)与伸缩控制器(535)电连接，由伸缩控制器(535)对其进行控制；四个伸缩支撑脚(53)的下端分别安置在支撑板(54)上表面的四个边角上，上端分别支撑在打印平台(51)底面的四个边角上；推动杆(531)通过在z轴方向上推动打印平台(51)边角的上升或者下降，实现打印平台(51)的调平。
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