CN114683535A - 三维打印设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维打印设备，包括承载台、主动旋转座、被动旋转座以及打印头，承载台上具有第一移动机构与第二移动机构，第二移动机构上具有支架，第二移动机构在第一移动机构上左右往复移动，支架在第二移动机构上前后往复移动，主动旋转座位于第一移动机构的一端，被动旋转座设置于第一移动机构上，主动旋转座与被动旋转座间具有套设管材的管材承载棒，打印头连接于第三移动机构并设置于管材承载棒上方，打印头通过第三移动机构移动以执行打印步骤时，支架同时通过第一移动机构与第二移动机构进行移动以使打印头与支架间的距离固定。
Description
技术领域
本发明为提供一种三维打印设备，尤其是有关于一种在管材表面打印线材以在管材表面形成螺旋状纹路的三维打印设备。
背景技术
三维打印又称为立体打印、增材制造或积层制造，是一种不断添加材料的过程，属于快速成形的技术之一，相较于其他传统的工业制造方法，优势在于即使欲制造的成品复杂度提升，也不会增加制造成本与制造难度。现有的三维打印设备其打印方法或原理视原料种类而有所差异，以热塑性高分子材料而言，适合以熔融沉积法(Fused depositionmodeling，FDM)制造成品，此方法通过打印头将线条状原料加热熔化后喷射，冷却后即可成形，打印成品精度高也可进行客制化，因此FDM法也是目前最普遍的三维打印技术。
三维打印设备随着可应用的技术领域增加，根据所使用的原料、设计图或打印规划路径也能够打印出与生物体兼容的管状结构，例如人工血管等。然而现有FDM法的三维打印设备在进行立体结构、工件制造时大多是在平台或是另一工件的平面上进行打印，目前仍然缺乏可直接在管状或圆柱状表面进行三维打印的打印设备。因此，仍需要提供一种可在管状或圆柱状等非平面工件上进行三维打印的设备。
先前技术段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在先前技术段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的习知技术。在先前技术段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
根据现有技术缺点，本发明的目的是提供一种三维打印设备，适合对管材的表面打印。
本发明的另一目的是利用三维打印设备对管材的表面打印形成线材，可增加管材的应力并且避免管材弯曲或变形。
为达上述目的，本发明提供一种三维打印设备，用于对管材打印，三维打印设备包括承载台、主动旋转座、被动旋转座以及打印头，承载台上具有第一移动机构及第二移动机构，第二移动机构于平行承载台的方向上与第一移动机构相互垂直且可移动的设置在第一移动机构上，第一移动机构上设有第一驱动装置以驱动第二移动机构在第一移动机构上左右往复移动，第二移动机构上设有第二驱动装置以及支架，支架连接第二驱动装置，支架通过第二驱动装置驱动以在第二移动机构上前后往复移动，主动旋转座设置于承载台上且位于第一移动机构的一侧，主动旋转座的一端与马达枢接，被动旋转座相对于主动旋转座并且可移动的设置于第一移动机构上，主动旋转座及被动旋转座间具有套设管材的管材承载棒，管材承载棒的一端由主动旋转座相对于马达的另一端夹持，以及管材载承棒的另一端由被动旋转座夹持，使得套设管材的管材承载棒设置于第一移动机构的上方以及位于第二移动机构的上方，打印头连接于第三移动机构且设置于套设管材的管材承载棒的上方，第三移动机构在平行于承载台的方向上带动打印头移动，其中打印头用于接收原料线材，并对原料线材加热后于管材的表面上执行打印步骤，其中马达驱动套设管材的管材承载棒以在第一移动机构上方进行旋转，且在第二移动机构上的支架支撑套设管材的管材承载棒，使得打印头将加热后的原料线材打印在旋转的管材的表面上，其中打印头通过第三移动机构于平行承载台的方向上移动时，支架通过第一移动机构以及第二移动机构进行移动以使打印头与支架间的距离固定。
在一较佳实施例中，三维打印设备还包括原料供应装置以提供原料线材。
在一较佳实施例中，三维打印设备还包括线材传感器，以及原料线材自原料供应装置拉出后，通过线材传感器再连接至打印头。
在一较佳实施例中，三维打印设备还包括控制单元，其中控制单元电性连接第一驱动装置、第二驱动装置、马达、第三移动机构以及打印头，以分别控制第一驱动装置与第二驱动装置驱动支架移动、控制马达驱动套设管材的管材承载棒进行旋转、控制第三移动机构带动打印头移动以及控制打印头加热原料线材。
在一较佳实施例中，支架还包括一组支撑轮，以及支架通过支撑轮支撑套设有管材的管材承载棒。
在一较佳实施例中，第一移动机构为滑轨，被动旋转座还具有卡固件，以及被动旋转座可配合管材承载棒的长度于滑轨上来回移动以夹持管材承载棒的另一端并通过卡固件定位。
在一较佳实施例中，管材的材质为聚氨酯、聚乳酸或聚己内酯。
在一较佳实施例中，原料线材的材质为聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯或热塑性聚氨酯。
在一较佳实施例中，打印头的加热温度介于180至400℃。
根据上述，本发明的实施例中，三维打印设备通过马达驱动由主动旋转座与被动旋转座夹持套设管材的管材承载棒的进行旋转，支架通过第一移动机构与第二移动机构以在平行于承载台的方向上移动并支撑套设管材的管材承载棒，且此三维打印设备执行打印步骤时，打印头与支架间的距离固定，如此一来，本发明的三维打印设备在对管材表面打印线材后，可增加管材的应力，并且避免管材弯曲或变形，进而提升打印质量。
附图说明
图1是根据本发明所揭露的技术，表示三维打印设备的架构示意图；
图2是根据图1，表示支架、管材承载棒与打印头相对位置的正视示意图；
图3是根据图1，表示支架、管材、管材承载棒与打印头相对位置的侧视示意图；以及
图4是根据图1，表示三维打印设备中各组件间电性连接关系的系统架构示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是根据本发明的一实施例，表示三维打印设备的架构示意图，其中图1中的XYZ坐标轴仅用于说明本实施例，而非用于限制本发明的申请专利范围。请参考图1，三维打印设备10可对管材19进行打印，其中管材19的管体长度远大于管材19的管径。三维打印设备10包括承载台11、主动旋转座16、被动旋转座17以及打印头20，承载台11上具有第一移动机构111以及第二移动机构112，其中第二移动机构112以垂直方向且可移动的设置在第一移动机构111上。本实施例中，第一移动机构111为滑轨且固定于承载台11上，第二移动机构112为另一滑轨并设置于第一移动机构111上，且在第一移动机构111上沿X方向来回移动。
请继续参考图1，第一移动机构111上设有第一驱动装置13，第二移动机构112上具有支架12，支架12枢接于第二驱动装置14，因此在本发明的实施例中，第一驱动装置13驱动第二移动机构112在第一移动机构111上左右往复移动(也就是在X方向上移动)，支架12可移动的设置于第二移动机构112，并通过第二驱动装置14驱动支架12在第二移动机构112上前后往复移动(也就是在Y方向上移动)。具体而言，第一驱动装置13与第二驱动装置14可为步进马达、气压缸或其他合适的机电组件，如此一来就能够精确控制第二移动机构112与支架12的移动位置。
请继续参考图1，主动旋转座16设置于承载台11上且位于第一移动机构111的一侧，被动旋转座17可移动的设置于第一移动机构111上。主动旋转座16与被动旋转座17间夹持有管材承载棒18，而待打印的管材可套设在管材承载棒18上。在本发明的实施例中，管材19可为聚氨酯(polyurethane，PU)、聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚己内酯(polycaprolactone，PCL)或其他合适的高分子材料，然而上述材料所制作的管材19的材质柔软，因此需要管材承载棒18来支撑管材19以进行后续的线材打印步骤。管材承载棒18的两端18a、18b分别由主动旋转座16、被动旋转座17夹持，如此一来套设有管材19的管材承载棒18的位置会位于第一移动机构111的上方以及第二移动机构112的上方。
在另一实施例中，被动旋转座17还具有卡固件171，用于固定被动旋转座17在第一移动机构111上的位置。要说明的是，由于第一移动机构111为滑轨，被动旋转座17可在第一移动机构111上来回滑动，因此被动旋转座17可以配合管材承载棒18的长度来调整在第一移动机构111上的位置，再利用卡固件171将调整好的距离的被动旋转座组17固定在第一移动机构111上，如此一来被动旋转座17即可配合各种不同长度的管材承载棒18自由进行调整，提高三维打印设备10的泛用性。
请继续参考图1，打印头20设置于套设有管材19的管材承载棒18的上方，打印头20用于接收由原料供应装置30供应的原料线材21，并对原料线材21加热后对管材19的表面执行打印步骤，其中打印头20连接于第三移动机构22，第三移动机构22可为机械手臂或其他合适的移动构件以在平行于承载台11的方向上带动打印头20移动，也就是沿XY方向移动。详细而言，打印头20内设有加热装置(未示出于图1)对原料线材21加热，使原料线材21熔融成液体后通过打印头20在管材19的表面上移动而形成在管材19上。此外，受到原料线材21的拉伸带动，原料供应装置30可持续不断的供应固体状的原料线材21以供打印头20进行连续打印，直到完成在管材19上的打印步骤为止。本实施例中，原料线材21的材质为线条状固态高分子材料，例如聚对苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、热塑性聚氨酯(thermoplasticpolyurethane，TPU)或其他合适的高分子材料。另外，打印头20将原料线材21由固体加热熔融至液体的加热温度较佳的介于180至400℃。
请继续参考图1，主动旋转座16的一端与马达15枢接，当套设有管材19的管材承载棒18被夹持于主动旋转座16与被动旋转座17间时，马达15可驱动主动旋转座16旋转，以同时驱动套设有管材19的管材承载棒18进行旋转，而被动承载座17也会协同管材承载棒18一并旋转，其中位于第二移动机构112上的支架12支撑套设有管材19的管材承载棒18，以便承受当打印头20将加热熔融后的原料线材21打印在旋转的管材19的表面上时向下的压力。
请同时参考图1、图2与图3，图2是根据图1的实施例，表示支架、管材承载棒与打印头相对位置的正视示意图，图3是根据图1的实施例，表示支架、管材承载棒与打印头相对位置的侧视示意图，其中图2与图3中的XYZ坐标轴仅用于说明本实施例，而非用于限制本发明的申请专利范围。当打印头20通过第三移动机构22于平行承载台11的方向上移动时，支架12也通过第一移动机构111与第二移动机构112进行移动，以使打印头20与支架12间的距离保持固定。举例而言，当打印头20对管材19进行打印步骤时，打印头20会通过第三移动机构22改变位置以移动至管材19上的待打印位置如A、B、C点等，其中若要在管材19上打印通过A、B、C各点的螺旋状花纹时，管材19必须通过管材承载棒18一起旋转才可配合打印头20实施打印步骤。也就是说，当套设管材19的管材承载棒18旋转时，第三移动机构22会同时带动打印头20移动，且打印头20会同时加热并熔融原料线材21以对管材19进行打印。
请继续参考图1、图2与图3，在打印过程中，由于套设管材19的管材承载棒18会持续旋转，且打印头20也会通过第三移动机构22持续移动，因此支架12必须随着打印头20持续移动才可实时支撑管材承载棒18与管材19。此外，本实施例的支架12上还可选择性的设置一组支撑轮121、122，支撑轮121与122分别通过枢转轴(未示出)枢接于支架12上以配合管材19与管材承载棒18的旋转，因此管材19不会直接受到支架12的摩擦而受损。支撑轮121与122于Z轴方向上的位置可调整为令支撑轮121与122的外表面刚好抵触管材19，如此一来可令管材19与管材承载棒18不会承受过大的向上压力而造成弯曲。另外，为了配合各种不同的打印规划路径，本实施例中打印头20会通过第三移动机构22而在平行于承载台11的方向上移动(也就是平行于XY平面的方向)，而不一定会刚好沿管材19与管材承载棒18的长度方向移动(也就是平行于X轴的方向)。此时支架12可通过第一移动机构111与第二移动机构112的带动以使支架12也在平行于承载台11的方向上移动，如此一来即可令支架12与打印头20间维持固定距离。本实施例中此距离为打印头20的喷嘴至支撑轮121或122间的距离D，也就是说支架12不会位于打印头20的正下方，如此一来可避免管材19与管材承载棒18受到自身的重量影响而造成管材19的弯曲或变形。
图4是根据图1的实施例，表示各组件间电性连接关系的系统架构示意图，请参考图1与图4，三维打印设备10还包括控制单元40与操作接口50，其中控制单元40可根据用户的需求发出控制信号至各组件，也能接收来自各组件间的回馈信号，操作接口50电性连接于控制单元40，操作接口50可供用户输入各种打印控制参数或是输入由计算机辅助设计软件规划的各种打印路径，也能够显示打印状态等信息供用户观看。详细而言，控制单元40为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)或其他适合执行大量运算的电子组件或设备，操作接口50可为触控屏幕、桌面计算机或其他合适的电子组件。本实施例中，控制单元40电性连接第一驱动装置13、第二驱动装置14、马达15、打印头20以及第三移动机构22，以分别控制第一驱动装置13与第二驱动装置14驱动支架12移动、控制马达15驱动套设管材19的管材承载棒18进行旋转、控制第三移动机构22带动打印头20移动以及控制打印头20加热原料线材21。此外，控制单元40也电性连接于原料供应装置30以控制原料线材21的供应速率。
请继续参考图1与图4，在另一实施例中，三维打印设备10还包括线材传感器31，线材传感器31电性连接于控制单元40，当原料线材21自原料供应装置30拉出后会先通过线材传感器31再连接至打印头20，其中线材传感器31可侦测原料线材21的张力，当线材传感器31侦测到原料线材21的张力超过或小于预设的安全张力范围时，线材传感器31可分别发出张力过大或过小的侦测信号至控制单元40，控制单元40即可根据这些侦测信号对应发出控制信号至原料供应装置30，以控制原料供应装置30加快或是减缓原料线材21的供应速率，如此一来可以避免打印时原料线材21的断裂或是阻塞。
综上所述，本发明揭示的三维打印设备中，马达驱动由主动旋转座与被动旋转座夹持的套设管材的管材承载棒进行旋转，支架通过第一移动机构与第二移动机构以在平行于承载台的方向上移动并支撑套设管材的管材承载棒，且此三维打印设备执行打印步骤时，打印头与支架间的距离固定。如此一来，本发明的三维打印设备在对管材表面打印线材后，可增加管材的应力，并且避免管材的变形或弯曲，进而提升打印质量。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。此外，本说明书或申请专利范围中提及的「第一」、「第二」等用语仅用于命名组件的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制组件数量上的上限或下限。
Claims (9)
1.一种三维打印设备，用于对管材打印，所述三维打印设备包括：
承载台，于所述承载台上具有第一移动机构及第二移动机构，其中所述第二移动机构于平行所述承载台的方向上与所述第一移动机构相互垂直且可移动的设置在所述第一移动机构上，所述第一移动机构上设有第一驱动装置以驱动所述第二移动机构在所述第一移动机构上左右往复移动，所述第二移动机构上设有第二驱动装置以及支架，所述支架连接所述第二驱动装置，以及所述支架通过所述第二驱动装置驱动以在所述第二移动机构上前后往复移动；主动旋转座，设置于所述承载台上且位于所述第一移动机构的一侧，其中所述主动旋转座的一端与马达枢接；
被动旋转座，相对于所述主动旋转座并且可移动的设置于所述第一移动机构上，其中所述主动旋转座及所述被动旋转座间具有套设所述管材的管材承载棒，所述管材承载棒的一端由所述主动旋转座相对于所述马达的另一端夹持，以及所述管材载承棒的另一端由所述被动旋转座夹持，使得套设所述管材的所述管材承载棒设置于所述第一移动机构的上方以及位于所述第二移动机构的上方；以及
打印头，连接于第三移动机构且设置于套设所述管材的所述管材承载棒的上方，所述第三移动机构在平行于所述承载台的方向上带动所述打印头移动，其中所述打印头用于接收原料线材，并对所述原料线材加热后于所述管材的表面上执行打印步骤；
其中所述马达驱动套设所述管材的所述管材承载棒以在所述第一移动机构的上方进行旋转，且在所述第二移动机构上的所述支架支撑套设所述管材的所述管材承载棒，使得所述打印头将所述加热后的所述原料线材打印在旋转的所述管材的所述表面上；
其中所述打印头通过所述第三移动机构于平行所述承载台的方向上移动时，所述支架通过所述第一移动机构以及所述第二移动机构进行移动以使所述打印头与所述支架间的距离固定。
2.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，还包括原料供应装置以提供所述原料线材。
3.如权利要求2所述的三维打印设备，其特征在于，还包括线材传感器，以及所述原料线材自所述原料供应装置拉出后，通过所述线材传感器再连接至所述打印头。
4.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，还包括控制单元，其中所述控制单元电性连接所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、所述马达、所述第三移动机构以及所述打印头，以分别控制所述第一驱动装置与所述第二驱动装置驱动所述支架移动、控制所述马达驱动套设所述管材的所述管材承载棒进行旋转、控制所述第三移动机构带动所述打印头移动以及控制所述打印头加热所述原料线材。
5.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，所述支架还包括一组支撑轮，以及所述支架通过所述支撑轮支撑套设所述管材的所述管材承载棒。
6.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，所述第一移动机构为滑轨，所述被动旋转座还具有卡固件，以及所述被动旋转座可配合所述管材承载棒的长度于所述滑轨上来回移动以夹持所述管材承载棒的另一端并通过所述卡固件定位。
7.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，所述管材的材质为聚氨酯、聚乳酸或聚己内酯。
8.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，所述原料线材的材质为聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯或热塑性聚氨酯。
9.如权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于，所述打印头的加热温度介于180至400℃。
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- 2020-12-28 CN CN202011578635.1A patent/CN114683535A/zh active Pending
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