CN201201296Y - 基于矩阵打印方式的快速成型机 - Google Patents

Abstract

一种基于矩阵打印方式的快速成型机，包括主机支架、围粉墙、储粉室、送粉机构、铺粉机构、打印机构、提升机构和控制机构，并接收控制机构发出的指令依次执行送粉、铺粉、打印、提升的任务，该成型机包括N个打印单元和相应的送粉、铺粉机构，N个打印单元安装在相互平行的打印主轴和传动机构上，打印主轴、传动机构和两端的连接杆组成一个刚性的矩形打印机构支架并连接在提升机构上；每个打印单元包括打印小车轴、打印小车、往复电机轴和往复电机；控制机构将打印区域虚拟切割成N个打印任务，并将其分配给N个打印单元。该成型机打印速度快、不需拼接可直接生成大尺寸工件、打印介质不受限制、可减少台阶效应、可纵横向随意扩展，应用广泛。

Description

基于矩阵打印方式的快速成型机

技术领域：

本实用新型涉及一种快速成型机，特别是一种基于矩阵打印方式的快速成型机。

背景技术：

快速成型机大致可分为：SLA(光固化成型或立体光刻造型)，LOM(分层实体制造)，SLS(选择性激光烧结)，FDM(熔融沉积成型)，3DP(三维打印)几种类型，前三种快速成型机(即：SLA、LOM与SLS)存在的共同问题是：机器成本和运行成本高、操作复杂；后两种快速成型机(FDM和3DP)与前三种快速成型机相比，具有成本低、结构简单等的特点，因此在办公室中应用十分广泛，其中，3DP快速成型机采用的是3DP方法(三维打印方法)，该方法以类似喷墨式打印机的方式，将陶瓷或金属粉末平铺在一基板，再由喷嘴喷出粘结剂加以粘结，最后逐层堆积成型，由于3DP快速成型机具有速度快、不需要支撑、污染极小的特点被人们普遍采用，然而3DP快速成型机也存在着如下缺点：1、打印速度有限，加工工件尺寸受限；目前3DP快速成型机一般只有一个打印单元，所制作的工件尺寸和打印速度都受到限制，一般只能打印较小的工件，因为随着工件尺寸的增加，层数大大增加，打印头移动的距离也增加，这将要耗费更多的时间，使制作大尺寸工件几乎难以完成；2、台阶效应；对于目前的喷墨打印技术，XP平面内喷射精度已经可以高达2000DPI，然而目前一般每层切片厚度在0.10～0.30MM之间，因此台阶效应明显，众所周知，减小层厚可以解决或降低台阶效应，切片越细，所形成的工件台阶效应越小，工件精度也越高，但工作量巨增，为了达到减小台阶效应提高z轴精度而不增加工作量的目标，人们提出了各种切片算法和进行所谓的曲面切割，这些方法虽有一定的改善，但始终不能从根本上解决问题，解决台阶效应和提高z轴精度的最佳方法仍然只能通过减小层厚或增加打印层数来实现；3、此外，传统的3DP快速成型机采取工件平台逐层下降的方式，也不利于制作大型工件或模型。

实用新型内容：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种工作效率高、能方便地制作大尺寸工件、减少台阶效应的基于矩阵打印方式的快速成型机，以解决上述已有技术的不足。

本实用新型采取的的技术方案是：一种基于矩阵打印方式的快速成型机，包括主机支架、围粉墙、储粉室、送粉机构、铺粉机构、打印机构、提升机构和控制机构，储粉室支承在储粉支架上并位于主机支架的顶部，围粉墙安装在打印机构下方四周从而在打印机构下方形成一工件成型空间，送粉机构、铺粉机构、打印机构和提升机构接收控制机构发出的指令信息依次执行送粉、铺粉、打印、提升的任务；

所述的打印机构包括N个打印单元，该N个打印单元安装在相互平行的二根打印主轴和驱动打印单元沿X轴方向运动的传动机构上，打印主轴、传动机构和两端的连接杆组成一个刚性的矩形打印机构支架；

所述的每个打印单元包括打印小车轴、安装在打印小车轴上的打印小车、与打印小车轴平行的往复电机轴和安装在往复电机轴上的往复电机，打印小车轴通过两端的滑动轴承与打印主轴滑动连接，往复电机轴两端与和滑动轴承连接的传动机构连接，打印小车上安装有打印喷头，打印单元还安装有控制电路板和驱动打印喷头沿Y轴方向运动的的驱动装置；

所述的提升机构包括升降电机、减速装置和升降螺杆，竖向安装在打印机构支架四角的升降螺杆与主机支架顶端的平台螺纹连接并穿出顶端平台，升降电机和减速装置与升降螺杆传动连接；

所述的铺粉机构和送粉机构亦有N个，N的取值与打印单元的数值相同，每个铺粉机构通过连接块与打印机构支架连成一体，并能随打印机构支架在升降电机带动下沿升降螺杆上下升降；所述的每个送粉机构位于铺粉机构的上方，并与其上部的储粉室连接并相通；

所述控制机构将打印区域虚拟切割成N个打印任务区域，并将其分配给N个打印单元以分别执行设定的打印任务；

上述N的取值范围理论上没有限制，为成本和制造工艺方面计，通常上述N的取值范围一般是：N为1～20之间的任意一个整数。

本实用新型的进一步技术方案是：所述驱动打印单元沿X轴方向运动的的传动机构为齿条传动机构，所述的齿条传动机构包括两根与打印主轴平行安装的主齿条和齿条齿轮，主齿条两端固定在连接杆上，往复电机轴两端通过和滑动轴承连成一体的齿条齿轮与主齿条啮合连接，打印单元能在往复电机的驱动下沿打印主轴在X轴方向来回运动。

本实用新型的更进一步技术方案是：所述的送粉机构包括其外套有橡胶波纹管的中间粉盒、中间粉盒下粉开关、具有计量功能的计量粉盒、计量粉盒下粉开关和下粉电磁铁，中间粉盒通过橡胶波纹管与位于主机架顶部的储粉室连接并相通，计量粉盒连接在中间粉盒下方，下粉电磁铁安装在计量粉盒外，下粉电磁铁的上连杆与中间粉盒下粉开关相连、下连杆与计量粉盒的计量粉盒下粉开关相连；

所述的铺粉机构包括供粉室和压粉辊，供粉室位于计量粉盒的下方，与往复电机轴平行的压粉辊安装在供粉室底部，支承压粉辊两端的轴承与打印单元连成一体，压粉辊通过同步带和同步轮与往复电机轴传动连接，压粉辊能在往复电机的驱动下自转同时随打印单元往复运动。

本实用新型的又进一步技术方案是：所述的送粉机构的计量粉盒、中间粉盒及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁及与其连接的下粉开关通过上升索悬吊在横架于提升螺杆顶端的打印支架顶杆上，计量粉盒、中间粉盒及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁及与其连接的下粉开关能随升降螺杆的转动而升降。

本实用新型的更进一步技术方案是：所述的控制机构或是计算机或是可编程控制器。

由于采用上述技术方案，本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机的有益效果是：

一.成型机的打印效率——即：成型效率高：

本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机利用控制机构将打印区域虚拟切割成小块图形，并采用了多个打印单元来执行控制机构分配的打印任务，因此相对于传统的打印装置其打印速度大大提高，打印单元的数量越是增多，打印速度则可达到数倍甚至数十倍于传统的打印装置，此外由于工作量分摊于数个打印单元，有利于改善打印装置各部件工作条件，增加打印头的使用寿命，因而本实用新型具备较高的打印效率。

二.加工介质尺寸不受限：

本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机可以较容易的进行纵向和横向扩展，以适合不同尺寸的工件尺寸和打印速度要求：由于主机支架下端安装有滑轮或滑块，增加轨道及相应的连接件的长度，即可纵向扩展，更换打印机构支架的主齿条和打印主轴等一些机械部件，可选择性的增加打印单元的数量，即可横向扩展，必要时也可以纵向和横向同时进行扩展。另外，由于本实用新型之快速成型机包括有由升降电机带动的升降螺杆，打印喷头和工件之间的距离可以随意精密定位，在工作过程中该打印装置不是像传统打印装置逐层下降工件平台，而是打印平台逐层上升，因此有利于制作大型工件或模型，也有利于在一些特殊介质上进行大幅面打印。

三.减少台阶效应：

本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机的打印机构包括有N个打印单元，N个打印单元均安装在打印机构支架上，每一个打印单元均包括带打印喷头的打印小车，打印小车上安装有控制电路板和驱动打印喷头的传动机构，因而每一个打印单元都可执行控制机构虚拟切割后分配的打印任务，与普通的打印装置相比，打印速度和产层率(单位时间内的打印层数)大大增加，因此可以有效减少台阶效应。并且该打印装置可非常方便的进行横向和纵向扩展。

四、使用方便、应用范围广：

本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机不仅可作为快速成型机，还可以用于电路板、标牌或者丝网的制版制造，用该装置制造的电路板和标牌铭牌精度可以达到喷墨打印机的精度，接近于光刻法精度；该打印装置还可用于快速制造浮雕、塑像、异形预制件，沙盘、各种模型模具，并且速度和效率较高、使用方便，尤其适合于大型或超大型模型一体化快速完成。

五、特殊应用——即应急件的制作：

由于可以使用多种介质做为粉料，例如树酯、塑料、水泥或金属粉末，本实用新型可以快速制作一些零件作为应急使用，在特定情况下，例如车队、坦克化或摩托化部队、舰队等远离工厂或备件仓库而又必须维持最基本之工作或使用需求，本实用新型可根据现场需要或因零件损毁(如坦克履带或武器零部件)，快速生成原型并经适当的后述处理后生成可直接使用的零件，虽然性能上逊于原装配件，但可以维持机械或武器系统继续工作或使用的最低限度。

下面，结合附图和实施例对本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机的技术特征作进一步的说明。

附图说明：

图1～图4：本实用新型之实施例所述基于矩阵打印方式的快速成型机的结构示意图：

图1：主视图，去掉正面围粉墙和储粉室挡板，

图2：图1的局部放大图，

图3：俯视图，去掉储粉室和部分中间粉盒，

图4：图3的局部放大图；

图5～图7：本实用新型之基于矩阵打印方式的快速成型机的扩展方式示意图：

图5：包括4个打印单元的横向扩展示意图，

图6：包括1个打印单元的纵向扩展，

图7：包括4个打印单元的横向、纵向同时扩展示意图。

图1～图4中：

1—滑轮；2—导轨；3—储粉支架；4—主机支架；5—成型空间；6—围粉墙；7—压粉辊；8—升降电机；9—供粉室；10—升降螺杆；11—打印喷头；12—打印小车；13—计量粉盒；14—下粉电磁铁；14₁—上连杆，14₂—下连杆，15—中间粉盒下粉开关；16—橡胶波纹管；17—储粉室；18—上升索；19—工件；20—连接杆；21—齿条齿轮；22—打印主轴；23—主齿条；24—滑动轴承；25—往复电机轴；26—往复电机；27—中间粉盒；28—打印小车轴；29—中间粉盒下粉开关，30—打印支架顶杆。

图5～图7中：

黑单箭头表示走纸方向，黑双箭头表示打印头移动方向和走纸方式，白箭头表示打印小车移动方向，细实线表示打印头移动的次数和距离。

具体实施方式：

一种基于矩阵打印方式的快速成型机，包括主机支架、围粉墙、储粉室、送粉机构、铺粉机构、打印机构、提升机构和控制机构，储粉室支承在储粉支架上并位于主机支架的顶部，围粉墙安装在打印机构下方四周从而在打印机构下方形成一工件成型空间，送粉机构、铺粉机构、打印机构和提升机构接收控制机构发出的指令信息依次执行送粉、铺粉、打印、提升的任务；

所述的打印机构包括2个打印单元，该2个打印单元安装在相互平行的二根打印主轴22和驱动打印单元沿X轴方向运动的传动机构上，打印主轴22、传动机构和两端的连接杆20组成一个刚性的矩形打印机构支架；

所述的每个打印单元包括打印小车轴28、安装在打印小车轴上的打印小车12、与打印小车轴平行的往复电机轴25和安装在往复电机轴上的往复电机26，打印小车轴28通过两端的滑动轴承24与打印主轴22滑动连接，往复电机轴25两端与和滑动轴承24连接的传动机构连接，打印小车上安装有打印喷头11，打印单元还安装有控制电路板和驱动打印喷头沿Y轴方向运动的的驱动装置；

所述的提升机构包括升降电机8、减速装置和升降螺杆10，竖向安装在打印机构支架四角的升降螺杆10与主机支架4顶端的平台螺纹连接并穿出顶端平台，升降电机8和减速装置与升降螺杆10传动连接；

与打印单元对应、所述的铺粉机构和送粉机构亦有2个，每个铺粉机构通过连接杆20与打印机构支架连成一体，并能随打印机构支架在升降电机8带动下沿升降螺杆10上下升降；所述的每个送粉机构位于铺粉机构的上方，并与其上部的储粉室17连通；

所述控制机构将打印区域虚拟切割成2个打印任务区域，并将其分配给2个打印单元以分别执行设定的打印任务；

所述的传动机构采用齿条传动机构，所述的齿条传动机构包括两根与打印主轴22平行安装的主齿条23和齿条齿轮21，主齿条两端固定在连接杆20上，往复电机轴25两端通过和滑动轴承24连成一体的齿条齿轮21与主齿条23啮合连接，打印单元能在往复电机26的驱动下沿打印主轴22在X轴方向来回运动。

所述的送粉机构包括其外套有橡胶波纹管16的中间粉盒27、中间粉盒下粉开关15、具有计量功能的计量粉盒13、计量粉盒下粉开关29和下粉电磁铁14，中间粉盒27通过橡胶波纹管16与位于主机架顶部的储粉室17连接并相通，计量粉盒13连接在中间粉盒27下方，下粉电磁铁14安装在计量粉盒13外，下粉电磁铁的上连杆14₁与中间粉盒下粉开关15相连、下连杆14₂与计量粉盒13的计量粉盒下粉开关29相连；

所述的铺粉机构包括供粉室9和压粉辊，供粉室9位于计量粉盒13的下方，与往复电机轴25平行的压粉辊7安装在供粉室9底部，支承压粉辊7两端的轴承与打印单元连成一体，压粉辊7通过同步带和同步轮与齿条齿轮21传动连接，压粉辊7能在往复电机26的驱动下自转同时随打印单元沿X轴方向往复运动。

所述的送粉机构的计量粉盒13、中间粉盒27及其外部的橡胶波纹管16、下粉电磁铁14及与其连接的下粉开关通过上升索18悬吊在横架于提升螺杆10顶端的打印支架顶杆30上，计量粉盒、中间粉盒及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁及与其连接的下粉开关能随升降螺杆10的转动而升降。

所述的控制机构采用计算机控制。

所述的主机支架4的框架脚下安装有导轨2，所述支承储粉室的储粉室支架3脚下安装有滑轮1。

作为本实用新型实施例的一种变换，驱动打印单元沿X轴方向往复运动的传动机构除了齿条传动机构外，还可以是丝杆传动机构、同步带传动机构或其它类似的机械传动机构。

作为本实用新型实施例的一种变换，所述打印机构的打印单元以及与之相对应的铺粉机构和送粉机构的数目N可以增加或减少，理论上N的取值没有限制，但为成本和制造工艺方面计，通常上述N的取值范围是：N为1～20之间的任意一个整数。

作为本实用新型实施例的又一种变换，所述的控制机构也可以是可编程控制器或其他可编程设备。

上述实施例中，所述的送粉机构的计量粉盒13、中间粉盒27及其外部的橡胶波纹管16、下粉电磁铁14及与其连接的下粉开关也可不与横架于提升螺杆10顶端的打印支架顶杆30吊接，而固定于某个高端的位置，但下粉时粉料容易飘散。

作为本实用新型实施例的又一种变换，该快速成型机可横向(沿X轴方向)扩展(参见图5：包括4个打印单元的横向扩展示意图)，其方法是：通过延长打印主轴22和主齿条23的长度；更换主齿条和打印主轴等一些机械部件并相应的加长主机支架4的框架即可实现。

作为本实用新型实施例的又一种变换，该快速成型机也可以纵向(沿Y轴方向)扩展(参见图6：包括1个打印单元的纵向扩展)，其方法是：通过加长导轨和主机支架4脚下的导轨，扩大围粉墙的尺寸即可实现，此类扩展主要针对打印图案的宽度超过打印小车工作范围的情况。

作为本实用新型实施例的另一种变换，，该快速成型机也可以纵向和横向同时进行扩展(参见图7：包括4个打印单元的横向、纵向同时扩展示意图)。在进行横向扩展或纵向扩展或横向和纵向同时扩展时，均可以增加打印单元的数量或打印单元数量不变，后者速度相对前者增加打印单元数量的打印机要慢一些；如果增加打印单元，则需同时增加相应的送粉机构和铺粉机构。

工作过程：工作前，将围粉墙内的成型空间5清空，打印机构支架降到底部，此时打印单元处于打印机构支架的左端，供粉室9位于计量粉盒13的正下方；控制机构发出打印信息，下粉电磁铁14得电，带动下连杆14₂把计量粉盒下粉开关29打开，(同时带动上连杆14₁关闭中间粉盒下粉开关15)，将计量粉盒13中的粉料全部落入供粉室9中，然后失电，关闭计量粉盒下粉开关29，(同时打开中间粉盒下粉开关15，重新往计量粉盒13内注入粉料)，往复电机26开始转动并通过往复电机轴25带动齿条齿轮21和同步轮转动，同步驱动压粉辊7自转同时沿打印主轴22在X轴方向向右移动，将供粉室9的粉料均匀的铺压在围粉墙内的成型空间5内，其他单元同样如此工作最终铺满整层。然后打印单元开始打印，打印小车12连同打印喷头11在控制机构控制的驱动装置的带动下在Y轴方向来回移动，同时在往复电机26的带动下整个打印单元在X轴方向向左移动，二者配合在XY平面上按照控制机构控制的信息有选择性地喷撒粘结剂，形成一层工作层。打印小车运动到X轴方向的最左端(即回到原位)，整层打印结束，四个升降电机8在控制机构的控制下同步带动升降螺杆10转动某个角度，将整个工作平台水平地抬起某个设定高度(即层厚)，并确保打印平台的水平位置，上升索18同步提升中间粉盒27、计量粉盒13，下粉电磁铁14及与其连接的下粉开关15和29，使其与各个打印单元和铺粉机构保持相对静止，以利于将粉料注入供粉室中。下一打印信号发出，上述动作再重新开始，每个打印小区的工作原理相同，只是喷头执行的打印任务不同。打印完成后，拆开围粉墙，即可取出成型工件。

Claims (9)

1.一种基于矩阵打印方式的快速成型机，包括主机支架、围粉墙、储粉室、送粉机构、铺粉机构、打印机构、提升机构和控制机构，储粉室支承在储粉支架上并位于主机支架的顶部，围粉墙安装在打印机构下方四周从而在打印机构下方形成一工件成型空间，送粉机构、铺粉机构、打印机构和提升机构接收控制机构发出的指令信息依次执行送粉、铺粉、打印、提升的任务，其特征在于：

所述的打印机构包括N个打印单元，该N个打印单元安装在相互平行的二根打印主轴(22)和驱动打印单元沿X轴方向运动的传动机构上，打印主轴(22)、传动机构和两端的连接杆(20)组成一个刚性的矩形打印机构支架；

所述的每个打印单元包括打印小车轴(28)、安装在打印小车轴上的打印小车(12)、与打印小车轴平行的往复电机轴(25)和安装在往复电机轴上的往复电机(26)，打印小车轴(28)通过两端的滑动轴承(24)与打印主轴(22)滑动连接，往复电机轴(25)两端与和滑动轴承(24)连接的传动机构连接，打印小车上安装有打印喷头(11)，打印单元上还安装有控制电路板和驱动打印喷头沿Y轴方向运动的的驱动装置；

所述的提升机构包括升降电机(8)、减速装置和升降螺杆(10)，竖向安装在打印机构支架四角的升降螺杆(10)与主机支架(4)顶端的平台螺纹连接并穿出顶端平台，升降电机(8)和减速装置与升降螺杆(10)传动连接；

所述的铺粉机构和送粉机构与打印单元对应亦有N个，每个铺粉机构通过连接杆(20)与打印机构支架连成一体，并能随打印机构支架在升降电机(8)带动下沿升降螺杆(10)上下升降；所述的每个送粉机构位于铺粉机构的上方，并与其上部的储粉室(17)连通；

所述控制机构将打印区域虚拟切割成N个打印任务区域，并将其分配给N个打印单元以分别执行设定的打印任务；

上述N的取值范围是：1≤N≤20。

2.根据权利要求1所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的传动机构为齿条传动机构，所述的齿条传动机构包括两根与打印主轴平行安装的主齿条(23)和齿条齿轮(21)，主齿条两端固定在连接杆(20)上，往复电机轴(25)两端通过和滑动轴承(24)连成一体的齿条齿轮(21)与主齿条(23)啮合连接，打印单元能在往复电机(26)的驱动下沿打印主轴(22)在X轴方向来回运动。

3.根据权利要求1或2所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的送粉机构包括其外套有橡胶波纹管(16)的中间粉盒(27)、中间粉盒下粉开关(15)、具有计量功能的计量粉盒(13)、计量粉盒下粉开关(29)和下粉电磁铁(14)，中间粉盒(27)通过橡胶波纹管(16)与位于主机架顶部的储粉室(17)连通，计量粉盒(13)连接在中间粉盒(27)下方，下粉电磁铁(14)安装在计量粉盒(13)外，下粉电磁铁的上连杆(14₁)与中间粉盒下粉开关(15)相连、下连杆(14₂)与计量粉盒(13)的计量粉盒下粉开关(29)相连；

所述的铺粉机构包括供粉室(9)和压粉辊(7)，供粉室(9)位于计量粉盒(13)的下方，与往复电机轴平行的压粉辊(7)安装在供粉室(9)底部，支承压粉辊(7)两端的轴承与打印单元连成一体，压粉辊(7)通过同步带和同步轮与往复电机轴(25)传动连接，压粉辊(7)能在往复电机(26)的驱动下自转同时随打印单元沿X轴方向往复运动。

4.根据权利要求1或2所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的送粉机构的计量粉盒(13)、中间粉盒(27)及其外部的橡胶波纹管(16)、下粉电磁铁(14)及与其连接的下粉开关通过上升索(18)悬吊在横架于提升螺杆(10)顶端的打印支架顶杆(30)上，计量粉盒、中间粉盒及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁及与其连接的下粉开关能随升降螺杆(10)的转动而升降。

5.根据权利要求3所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的送粉机构的计量粉盒(13)、中间粉盒(27)及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁(14)及与其连接的下粉开关通过上升索(18)悬吊在横架于提升螺杆(10)顶端的打印支架顶杆(30)上，计量粉盒、中间粉盒及其外部的橡胶波纹管、下粉电磁铁及与其连接的下粉开关能随升降螺杆(10)的转动而升降。

6.根据权利要求1或2所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的控制机构或是计算机或是可编程控制器。

7.根据权利要求5所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的控制机构或是计算机或是可编程控制器。

8.根据权利要求1或2所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的主机支架(4)的框架脚下安装有滑轮或导轨(2)，所述支承储粉室的储粉室支架(3)脚下安装有滑轮(1)。

9.根据权利要求7所述的基于矩阵打印方式的快速成型机，其特征在于：所述的主机支架(4)的框架脚下安装有滑轮或导轨(2)，所述支承储粉室的储粉室支架(3)脚下安装有滑轮(1)。

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