CN207464197U - 一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置和打印方法。包括打印喷头、可升降主轴(Z轴)，X方向导轨/滑台、Y方向导轨/滑台，卡盘，水平轴支架和打印基台。主要创新结构如下：水平轴支架一端与一电机主轴固连，另一端连接打印基台或\卡盘，二者根据需要装/卸。电机轴与X轴平行。于是该水平轴的作为A轴带动工件旋转。在X方向的一端，安装有线圈感应加热器。工件安装在卡盘上以后，可以运动到加热器的位置，对工件进行打印前的预热。根据熔融沉积成型分层堆积的特点，采用本实用新型装置打印时使Z轴和A轴进行阶段性进给。工件被预分割成数个不同的部分，每次的A轴进给完成一个部分的打印。

Description

一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及一种金属丝熔融沉积成型的3D打印装置和打印方法，属3D打印技术领域。

背景技术

目前的3D打印技术可以分为三大类：熔融沉积成型技术(Fused DepositionModeling，FDM)，数字光处理技术(Digital Light Processing，DLP)和金属粉末烧结结束技术(selecting laser melting，SLM)。其中FDM技术因其原材料制作简单，生产效率高而受到广大用户欢迎。特别是在金属3D打印领域，基于金属丝熔焊方法的3D打印因其原材料成本低、生产效率高，被认为是一种具有很好发展前景的金属FDM技术。不过，目前市场上的FDM打印机主要是三轴打印机，通常是喷头在X方向和Y方向联动，在Z方向阶段性进给。三轴打印装置在打印复杂工件时通常需要添加不属于工件部分的支撑。对于金属工件来说，去除支撑不但费时，而且影响工件质量。因此，对于金属熔融沉积成型技术来说，设计出一种尽可能减少打印支撑的装置是必须的。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种基于熔融沉积成型的四轴3D打印装置，以及一种利用该装置的打印方法。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置，包括打印喷头，Z向立柱，升降台，打印基台、卡盘，圆柱形水平支架，X方向的导轨和滑台，Y方向的导轨和滑台，伺服电机(4个)，电机数字控制器(4个)。在Z向立柱上安装有金属丝杠，丝杠上套有Z向丝母，Z向丝母与升降台固定连接，升降台与Z向立柱滑动接触配合。Z向立柱顶端带有Z向伺服电机，电机轴与丝杠固连，电机运动带动丝杠旋转，从而使得升降台运动。打印喷头安装在升降台上。在Y方向的导轨上安装有金属丝杠，丝杠上套有丝母，丝母与滑台固定连接，滑台与Y向导轨滑动接触配合。Y向导轨的一端带有卧式伺服电机，电机轴与丝杠固连，电机运动带动丝杠旋转，从而使得滑台运动。X方向的导轨/滑台于Y方向的导轨/滑台结构相同。X方向的导轨安装在Y向滑台上在X方向的滑台上安装有一个卧式伺服电机和水平支架，电机轴与X轴平行。圆柱型水平支架的一端与电机轴固连。水平支架在与电机轴固连端约三分之二的位置，安装有一个垂直支撑，垂直支撑与水平支架通过轴承连接，以便水平支架旋转。水平支架另一端连接打印基台或者卡盘。水平支架与二者通过螺栓连接，根据需要可以将打印基台或者卡盘卸下。打印基台的初始位置水平。为了保证打印顺利进行和打印精度，水平梁的材料为圆柱型碳素钢，其直径确保放置本打印装置能打印的任何工件时，变形误差小于1微米；每个伺服电机由一个数字控制器控制，四个数字控制器在整个装置的中央计算机协调下向各自控制的伺服电机发出运动指令，完成加工零件的统一动作。

为保证加工质量，在打印基台底部安装有线圈预热器以预热基台。在X方向的一侧，也安装有感应预热器，当已经在打印基台上完成的工件主部安装在卡盘上以后，可以根据需要将工件主部送至加热器的位置进行加热。为了使得设备和数控程序简单，两个加热器的开关设置在控制面板上单独操作。工件主部安装在卡盘上后，送至加热器位置进行加热的操作也通过控制面板进行。

按照本实用新型同时提供了一种使用本设备进行复杂零件3D打印的方法，包括以下步骤：

(1)获取待加工零件的CAD模型，根据其结构将其分为一个主块和若干子块。主模块的打印在基台上进行，一般按照XY轴联动，Z轴阶段性进给的方式进行打印。各子块以主块为基座进行打印；

(2)通过逐次旋转主块将各子块置于适当位置，用平行于XOY面的平面对即将被打印的子块的三维数字模型进行切片，得到一系列的打印层切面；

(3)在各打印层切面上生成环形轨迹，把这些轨迹预设为喷头运动轨迹；

(4)如果需要，预热基台至需要的温度；

(5)按照预设喷头运动轨迹先在打印基台上打印主块，被打印的平面始终与水平面平行；

(6)从打印基台上取下工件，从水平支架上取下基台，将卡盘固定在水平支架上，工件主块由卡盘固定；

(7)如果需要，通过控制面板控制X方向和Y方向滑块运动，将工件主块送至加热器的位置进行预热。

(8)按照预设轨迹打印工件的各个子块。通过A轴的旋转似的被打印的平面始终与水平面平行，确保熔融沉积打印过程的顺利进行。

附图说明

为方便进行说明，本实用新型将使用以下附图作简要介绍。

图1是本装置装有打印基台正等侧视图；

图2是本装置装有打印基台主视图；

图3是本装置装有卡盘正等侧视图；

图4是本装置装有卡盘主视图；

其中，1为X轴与滑台，2为Y轴与滑台，3为Z轴与滑台，4为旋转轴A轴，5为打印喷头，6为水平轴支架，7为打印基台，8为三角卡盘，9为线圈加热感应器，10为底板，11为连接板，12为电机基座，13为电机，14为法兰盘，15为轴承，16为底板。

图5给出了采用本装置打印复杂工件的基本过程。

具体实施方式

接下来，将结合本实用新型实施案例中的附图，对本实用新型实施案例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，以下所描述的案例部分仅仅是本实用新型的一部分实施案例而已，并非全部。基于本实用新型中的实施案例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本实用新型的权利保护范围之内。

如图1～5所示，本实用新型公开了一种基于熔融沉积成型的3D打印装置和打印方法。包括打印喷头5、可升降的主轴(Z轴)3，X方向的导轨和滑台1，Y方向的导轨和滑台2，绕X轴旋转的旋转轴A轴4，三角卡盘8，水平轴支架6，打印基台7和线圈加热感应器9；所述的直角坐标控制系统包括X轴1，Y轴2，Z轴3，绕X轴旋转的旋转轴A轴4，具有4个自由度。所述Y向导轨/滑台结构2固定在底板10上，同时，所述X轴导轨/滑台结构1固定在Y向滑台2上，而所述的旋转轴A轴装置4固定在X轴1上，实现绕X轴方向的旋转，所述Z向升降台3固定在连接板11上；所述打印喷头5安装在Z向升降台3上，打印喷头5可以实现沿Z轴上下移动，所述打印基台7和三角卡盘8可以实现在旋转轴A轴4上交互拆换，以满足各种打印需求。所述感应线圈加热器9在X轴1方向的一端安装，工件安装在卡盘上后，可以运动到加热器9的位置对工件进行预热。旋转轴A轴装置包括底板16、电机基座12、电机13、电机加长轴4、立式电机轴支撑6和安装在里面的轴承15，三爪卡盘8和水平工作台7。电机基座12与立式电机轴支撑6通过螺栓联接固定在底板16上，电机13通过螺栓联接固定在基座12上，立式支撑6与电机加长轴4通过轴承15连接以保证整个装置在水平上与X轴平行。三爪卡盘8和水平工作台7通过法兰与水平加长轴4联接在一起，工作时根据加工需要进行三爪卡盘8与水平工作台7的切换使用。

结合图1至图5，采用本装置对复杂工件的具体打印过程如下：

(1)获取待加工零件的CAD模型，进行打印过程规划和模型编辑。即根据其结构将其分为一个主块和若干子块。主模块的打印在基台上进行。各子块以主块为基座进行打印；

(2)确定主块的切片方向。对整个工件的CAD模型进行坐标变换，使得模型主块的初始切片平面与XOY面重合；

(3)对工件主块进行切片，并在各切片上生成喷头运动轨迹；

(4)对各子块确定切片方向，对整个工件的CAD模型进行坐标变换，使得当前子块的切片平面与XOY面平行；

(5)依次对各工件子块进行切片，并在各切片上生成喷头运动轨迹；

(6)确定编程坐标系与机床坐标系的相对位置。如果需要，对打印基台进行预热；

(7)根据预设的喷头运动轨迹，在打印基台上打印工件主部；

(8)从打印基台上取下工件，从水平支架上取下基台，将卡盘固定在水平支架上，工件主块由卡盘固定；

(9)确定编程坐标系与机床坐标系的相对位置。如果需要，对工件主部进行预热；

(10)逐次旋转A轴，确保即将打印的子块的切片平面与XOY面平行。根据预设的喷头运动轨迹，打印当前的工件子块。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的 多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (3)

1.一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置，其特征在于：包括设于Z方向且相互固定连接的升降台和打印喷头、具有三自由度的滑台和打印基台以及设于X方向的感应线圈加热器，打印基台安装于滑台上，滑台的三个运动自由度分别设置为X方向运动、Y方向运动以及绕Z轴转动，所述的X方向运动设置为左右运动，Y方向运动设置为前后运动，感应线圈加热器的中心设于X方向的轴线上且固定安装在机器底座左右方向的一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置，其特征是：所述的X方向运动和Y方向运动设置为丝杠滑台结构，Y方向的丝杠滑台安装在X方向的滑台上或者X方向的丝杠滑台安装在Y方向的滑台上，顶端滑台上安装有与X轴或者Y轴平行的水平轴，水平轴的一端以及1/2～3/4的位置出设置有立式支撑，水平轴的两端分别连接有卧式电机和打印基台。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属丝熔融沉积成型的四轴3D打印装置，其特征是：还包括分别用于驱动三个运动自由度及Z向的自由度的伺服电机，每个伺服电机均分别连接有用于在在机床中央处理器的协调下向自身发出运动指令的数字控制器，四个数字控制器在机床中央处理器的协调下向各自控制的电机发出运动指令，所述的伺服电机均连接有通过自身协调完成加工工件所需动作的加工轴。