CN205889473U - 一种气电联动的桌面型3d打印陶瓷成型设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，包括以耐压储料罐为主体的气动供料系统、三维运动机构和安装在运动机构上的打印头装置；该3D打印陶瓷成型设备通过独特的真空、加压双气动控制供料系统给打印头装置输送陶泥原料，陶泥在3D打印头装置的双螺旋螺杆的驱动下到达打印针，同时三维运动机构带动打印头装置上下或左右移动，完成3D打印陶瓷成型，该设备占地面积小，打印速度快，可以实现传统陶瓷的自动成型。

Description

一种气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备

技术领域

本发明属于陶瓷材料的3D打印成型技术领域，涉及到3D打印技术、机电技术、耐压容器以及陶瓷材料、三维模型设计等多项技术的综合应用与创新。

背景技术

3D打印是一种增量制造技术，近年发展十分迅速，其优势表现在：可以实现复杂形状制造、个性化程度高、成本低、周期短等等。目前为止，3D打印机可以实现不同材料的打印，如金属、高分子材料、陶瓷、石膏、淀粉以及各种复合材料都可以应用于3D打印，但在商业应用上比较成熟的仅限于高分子材料。基于打印材料的不同，3D打印设备也诸多不同，未来3D打印设备将向小型化与巨型化趋势发展。小型打印设备即桌面打印机可以满足家庭、办公以及小型化车间需要，而大型打印机可以满足大型制造工厂诸如航空航天、汽车制造等高端领域需求。

目前在市场上常见的以桌面级3D打印机型为主，主要用来打印高分子材料如PLA、ABS等， 机型大致有三种：I3机型，XYZ机型，三角洲（δ）机型。国外大多数打印高分子材料的桌面级3D打印机市场售价2万人民币左右，国内则低至3000多元。对于桌面级3D打印机而言，由于仅能打印塑料产品，因此使用范围受到了限制。

陶瓷行业已有上千年历史，成型是其关键环节，通常陶瓷主要采取拉坯成型、模具注浆成型、泥板成型、印坯成型等，这些成型技术依赖于人的个体技艺，且大多生产周期较长、效率低下。

将3D 打印应用到陶瓷领域，国内外已有人做过不同尝试。3D Systems于2014年推出了专注于陶瓷打印技术的Cerajet 3D打印机，使用彩色喷印（CIP）技术打印。Kai Parthy将陶瓷粉加入到聚合物粘结剂中，发明出一种陶瓷挤出丝材，可以在通用的3D打印机上使用。据对国内已申请3D 陶瓷打印专利的检索结果，在利用陶土原料进行3D成型的方法中，德国WZR陶瓷解决方案公司采用陶瓷粉末与有机粘结剂结合而进行喷墨打印，珠海天威公司采用的是陶瓷粘稠状浆料喷射（含蜡模支撑）成型技术。本发明是采用市场上通用的陶土作为原料，直接制成含水陶泥进行3D打印成型，由于陶瓷原料与形态的的差异，本发明与上述技术在设备结构与打印原理上具有根本性差异。

必须说明的是，西安中科麦特公司发明的“一种用于制造陶制品的3D打印设备”，也是直接应用陶土成型，但与本发明存在两大根本性技术差异：1）中科麦特采用二级电机驱动的供料系统，与本发明的气电联动供料系统技术路线不同；2）中科麦特配套的3D打印机主架采用XYZ机型结构，打印头必须固定在横轴上，而本发明采用的是三角洲机型，打印头通过效应器实现自由三维运动，速度更快。

发明内容

本发明3D打印与传统陶瓷技术相结合，创造了一种新型的陶瓷成型设备，克服了上述传统陶瓷成型技术的不足。本发明采用市场可见的通用陶瓷原料，如中白泥、高白泥等各种瓷泥、陶泥，通过气动、电动联合驱动模式，将含水陶瓷泥料送入3D打印机打印头，通过预先设计模型，实现陶瓷的三维自由成型，整体成型过程快速、清洁、高效，并呈现出与传统工艺不同的独特性。

本发明采用的技术方案是：一种气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：包括以耐压储料罐为主体的气动供料系统、三维运动机构和安装在运动机构上的打印头装置。所述气动供料系统主体是耐压储料罐体，选用圆柱形管材加工而成，上下端分别用不锈钢包封，上侧与不锈钢密封盖用螺栓进行密封连接，下侧出料口通过气动接口与输料管连接。储料罐通过耐压与气密性测试，设计可耐压8bar，整体密封性良好，保证安全适用。密封盖上留有三个通孔，分别安装压力表、真空阀门、调压阀，安装时要求所有管接口密封良好。真空泵通过真空管道连接到真空阀门上，空气压缩机通过耐压管与调压阀相连。

所述打印头装置，核心部件螺杆采用耐磨不锈钢材料加工而成，螺杆上端通过弹性联轴器与驱动步进电机连接，螺杆外套为Y型结构，通过四个小铜柱固定在步进电机上，为保证泥料走向，在螺杆外套与联轴器之间用密封环进行动密封。螺杆套一侧进料口通过黄铜接口螺母、气动接头与输料管相连。出料口处是与螺杆、螺杆套尺寸相吻合的打印针，为保证陶泥出料通畅，打印针内表面光滑，不能有棱角，本发明打印针出口内径为Ф1mm-Ф3mm。总体打印头装置重量在600克左右，小巧轻便，以便于在打印机xyz轴的步进电机驱动下能悬空自由移动。

所述三维运动机构采取的是桌面δ型打印机框架，由3个步进电机驱动，由底盘、6个立柱、上盘组成打印机三角框架主体，关键部位是与打印头装置配合的效应器，采用轻质铝合金材料，尺寸规格与三角框架尺寸、打印头装置相契合，效应器通过6个碳纤维杆与打印机立柱相连，通过3D打印机控制系统实现打印运行控制。打印头装置通过三个轴向顶丝固定安装在三维运动机构的效应器上，从而与三维运动机构实现一体化，并在三维运动机构的驱动下实现自由移动。

上述的气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：所述耐压储料罐，采用透明的特种耐高压玻璃制作而成。

上述的气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：所述螺杆为双螺旋结构。

本发明可以实现传统陶瓷拉坯工艺难以实现的异型，与石膏灌浆成型相比，可以直接成型，避免了石膏模具制作，工艺更加简单；同时由于设备小，周期短，可以根据客户需求进行个性化定制。本发明将3D打印技术、陶瓷成型、机电一体化以及3维模型设计技术相融合，成功实现传统陶瓷的自动成型，脱离手工依赖，并超越同类技术，实现了一些新的成型上的突破。

与其他同类设备相比，本发明具有以下优点：

主体设备占用空间不到1平方米，占有空间很小；

通过独特的真空、加压双气动控制，充分保证原料均匀性，并将泥料气泡、气孔率降至最低，继而保证3D打印的顺利完成，降低成品缺陷，提高成品率与外观完整性；

采用三角洲主机结构，通过碳杆连接效应器控制打印头，使其运动更为灵活、快捷，因此可以实现120mm/s以上的高速打印；

本发明的打印头装置小巧、轻便，加上电机重量600克左右，降低打印机三轴电机负荷，延长其工作寿命，并便于拆卸、清洗、安装；

本发明总体投入可控，成本易被接受，操作简单，可以在文化创意领域进行推广。

下面通过附图、实施方式，对本发明的技术、工艺做进一步说明。

附图说明

图1是本发明的气电联动3D打印陶瓷成型设备示意图。

图2为本发明的3D打印头装置示意图。

附图标记说明如下 ：

1-1 耐压储料罐体 1-2 密封盖 1-3 真空泵

1-4 真空管 1-5 真空阀门 1-6 压力表

1-7 调压阀 1-8 耐压管 1-9 空气压缩机

1-10 出料口 1-11 输料管

2-1底盘 2-2 步进电机（3个） 2-3 3D打印机框架

2-4 立柱（6个） 2-5 碳纤维杆（6个） 2-6 上盘

2-7 打印头装置 2-8 效应器 2-9 3D打印机控制系统

3-1 螺杆外套 3-2 接口螺母 3-3 气动接头

3-4 步进电机 3-5 联轴器 3-6 密封环

3-7 螺杆 3-8 打印针 3-9 陶泥

具体实施方式

如图1与图2所示的气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型成套设备，包括以耐压储料罐为主体的供料系统1、三维运动机构2和安装在运动机构2上的打印头装置3组成。本发明的气动供料系统1主体是耐压储料罐体1-1，选用圆柱形管材加工而成，上下端分别用不锈钢包封，上侧与不锈钢密封盖1-2用螺栓进行密封连接，下侧出料口1-10通过气动接口与输料管1-11连接。储料罐1-1通过耐压与气密性测试，设计可耐压8bar，整体密封性良好，保证安全适用。密封盖1-2上留有三个通孔，分别安装压力表1-6、真空阀门1-5、调压阀1-7，安装时要求所有管接口密封良好。真空泵1-3通过真空管道1-4连接到真空阀门上，空气压缩机1-9通过耐压管1-8与调压阀相连。

如图2所示的打印头装置，核心部件螺杆采用耐磨不锈钢材料加工而成，螺杆3-7上端通过弹性联轴器3-5与驱动步进电机3-4连接，螺杆外套3-1为Y型结构，通过四个小铜柱固定在步进电机3-4上，为保证泥料走向，在螺杆外套3-1与联轴器3-5之间用密封环3-6进行动密封。螺杆套一侧进料口通过黄铜接口螺母3-2、气动接头3-3与输料管1-11相连。出料口处是与螺杆、螺杆套尺寸相吻合的打印针3-8，为保证陶泥3-9出料通畅，打印针内表面光滑，不能有棱角，本发明打印针出口内径为Ф1mm-Ф3mm。总体打印头装置重量在600克左右，小巧轻便，以便于在打印机xyz轴的步进电机驱动下能悬空自由移动。

三维运动机构2采取的是桌面型δ型打印机框架，由3个步进电机2-2驱动，底盘2-1、6个立柱2-4、上盘2-6组成打印机三角框架主体2-3，关键部位是与打印头装置2-7配合的效应器2-8，采用轻质铝合金材料，尺寸规格与三角框架尺寸、打印头装置相契合，效应器2-8通过6个碳纤维杆2-5与打印机立柱2-4相连，通过3D打印机控制系统2-9实现打印运行控制。打印头装置3通过三个轴向顶丝固定安装在三维运动机构2的效应器2-8上，从而与三维运动机构实现一体化，并在三维运动机构的驱动下实现自由移动。

这三部分装置通过有序连接成为一体，占用空间150*60平方厘米。其他配套装置有陶泥搅拌机，为供料系统提供湿度均匀的陶泥原料。

具体3D打印陶瓷成型过程：首先根据需要设计出合适的3D模型，并转换成打印机可识别的STL文件，并根据打印针头粗细、打印精度要求等合理调整切片参数，并对打印机进行调平，在软硬件准备好后，才开始准备打印。在陶泥原料中加入适量水，充分搅拌均匀。之后装料进入储料罐1-1中，密封。抽真空1-3次，除去陶泥中所含气泡，之后加压至2-5bar，至泥料通过输料管1-11进入打印头3-3处。此时启动3D打印运行程序，进入打印头的泥料在螺杆驱动下顺利从针头溢出，按照模型设计轨迹层层叠加，最终形成所需形状。我们采用Ф3mm打印针头，打印一个直径110mm、高110mm的六角笔筒，只需10分钟即可完成。3D成型后的陶坯后续加工工艺与传统工艺一致，干燥后，可以上釉、烧结。

本发明依据实用、简单原则，实现传统陶瓷的三维打印成型，整体设备占地小、投入低，生产过程清洁、可控，适用于小型陶艺车间、工坊的生产与教学，以及文化创意行业的个性化定制。本发明所用原料与日用陶瓷行业采用原料基本一致，因此本发明可以实现传统行业与新技术的无缝对接。

Claims (3)

1.一种气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：包括以耐压储料罐为主体的气动供料系统、三维运动机构和安装在运动机构上的打印头装置；所述气动供料系统（1）主体是耐压储料罐体（1-1），选用圆柱形管材加工而成，上下端分别用不锈钢包封，上侧与不锈钢密封盖（1-2）用螺栓进行密封连接，下侧出料口（1-10）通过气动接口与输料管（1-11）连接；储料罐体（1-1）通过耐压与气密性测试，设计可耐压8bar，整体密封性良好，保证安全适用；密封盖（1-2）上留有三个通孔，分别安装压力表（1-6）、真空阀门（1-5）、调压阀（1-7），安装时要求所有管接口密封良好；真空泵（1-3）通过真空管道（1-4）连接到真空阀门上，空气压缩机（1-9）通过耐压管（1-8）与调压阀相连；

所述打印头装置（3），核心部件螺杆采用耐磨不锈钢材料加工而成，螺杆（3-7）上端通过弹性联轴器（3-5）与驱动步进电机（3-4）连接，螺杆外套（3-1）为Y型结构，通过四个小铜柱固定在步进电机（3-4）上，为保证泥料走向，在螺杆外套（3-1）与联轴器（3-5）之间用密封环（3-6）进行动密封；螺杆套一侧进料口通过黄铜接口螺母（3-2）、气动接头（3-3）与输料管（1-11）相连；出料口处是与螺杆、螺杆套尺寸相吻合的打印针（3-8），为保证陶泥（3-9）出料通畅，打印针内表面光滑，不能有棱角，本发明打印针出口内径为Ф1mm-Ф3mm；总体打印头装置重量在600克左右，小巧轻便，以便于在打印机xyz轴的步进电机驱动下能悬空自由移动；

所述三维运动机构（2）采取的是桌面型δ型打印机框架，由3个步进电机（2-2）驱动，底盘（2-1）、6个立柱（2-4）、上盘（2-6）组成打印机三角框架主体（2-3），关键部位是与打印头装置（2-7）配合的效应器（2-8），采用轻质铝合金材料，尺寸规格与三角框架尺寸、打印头装置相契合，效应器（2-8）通过6个碳纤维杆（2-5）与打印机立柱（2-4）相连，通过3D打印机控制系统（2-9）实现打印运行控制；打印头装置（3）通过三个轴向顶丝固定安装在三维运动机构（2）的效应器（2-8）上，从而与三维运动机构实现一体化，并在三维运动机构的驱动下实现自由移动。

2.按照权利要求1所述的气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：所述耐压储料罐，采用透明的特种耐高压玻璃制作而成。

3.按照权利要求1所述的气电联动的桌面型3D打印陶瓷成型设备，其特征在于：所述螺杆为双螺旋结构。