CN212603432U - 一种蜡质零件3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种蜡质零件3D打印机，涉及增材制造技术领域。其结构包括机架、耗材挤出系统和空间运动系统，耗材挤出系统包括石蜡容器、蜡液输送管、容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇，石蜡容器可固定在机架上，蜡液输送管连接石蜡容器和容积泵，容积泵的出口和加热块相连接，加热块的出口与挤出头相连；空间运动系统包括第一方向运动机构、第二方向运动机构、第三方向运动机构和打印小车，容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇设置在打印小车上。该3D打印机使用工业石蜡作为耗材，并利用熔融沉积成型工艺打印蜡质零件，不仅大大降低打印机成本，还简化了打印机的结构，降低了耗材价格，在熔模铸造和新品开发等领域应用广泛。

Description

一种蜡质零件3D打印机

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其是一种用于制作蜡质零件的3D打印机。

背景技术

3D打印技术作为一种由三维CAD数据模型经切片软件处理后，直接驱动3D打印机快速完成任意复杂形状三维物理实体零件的技术，又叫增材制造技术(AdditiveManufacturing technology)。3D打印是通过特殊的设备，在打印床(基板)上逐层形成零件的过程，零件的成型过程中，材料是不断增加的，故称增材制造。由于3D打印技术不需要复杂的制模、铸锻和机加工的复杂工序，所以在单件生产性质的产品研发等领域具有独特的优势。

目前，常见的3D打印机型包括SLA、DLP、FDM、SLS、LOM、和3DP等，其中，FDM(熔融沉积成型)机型被广泛使用。据估算，以台数计算，FDM机型的3D打印机占总台数的90％以上，现有的FDM机型使用的耗材主要是PLA、ABS等树脂材料。

蜡质零件，是指零件的构成材料是石蜡。蜡质零件在熔模铸造等领域具有特殊的用途。蜡质零件在以下两个领域被广泛的需求：一是形状复杂、精度要求高、难以脱模的零件；二是在新产品研制阶段，往往是单件或少量生产，传统方法生产其蜡材模芯困难且费时费钱。在这两种情况下利用3D打印技术制造蜡质零件作为阳模芯，能够很好的解决上述问题。

现有的3D打印机中，能够成型蜡质零件的3D打印机有SLS机型和MJM机型。但是SLS打印机在成型蜡质零件时，所使用的耗材是颗粒非常细小的蜡粉，价格很贵；MJM(多喷头三维打印)打印机是类似于喷墨打印机的一种机型，使用的耗材为特制的“蓝蜡”。蓝蜡的纯度要求很高，杂质含量很低。MJM机型的精度很高，但打印效率很低，一台MJM打印机价格在几十万元，蓝蜡的价格也非常昂贵，通常在1元/克以上(普通精制的工业石蜡的价格在10元/kg左右，二者差距100倍左右)。MJM机型适用于打印首饰等尺寸较小、对精度要求很高的熔模铸造蜡芯，并不适合一般工业零件的打印。SLA打印机能够成型树脂蜡，是一种光敏树脂和蜡的复合材料，价格也很高。已有的FDM型3D打印机存在不能使用工业石蜡作为耗材来打印蜡质零件的缺陷，其原因在于，石蜡制成丝材后强度太低且无弹性，远远达不到夹送和挤出需要的强度和弹性。目前3D打印机使用的FDM蜡丝耗材成分绝大部分是树脂，混有少量的蜡质成分，性能与工业石蜡相距甚远，并且价格昂贵。

现有技术中的各种3D打印机，存在无法使用工业石蜡打印蜡质零件、或者需要将石蜡加工成昂贵的蜡粉、或者需要昂贵的特制的高纯度蓝蜡等问题，这导致使用工业石蜡打印蜡质零件难以实现。另外SLS型打印机、MJM型打印机还存在结构较为复杂，价格昂贵的问题。

实用新型内容

为了解决3D打印机制作蜡质零件时存在设备复杂、耗材昂贵的技术问题，本实用新型提供了一种蜡质零件3D打印机，具体的技术方案如下。

一种蜡质零件3D打印机，具有机架、耗材挤出系统和空间运动系统，机架围设在蜡质零件3D打印机外侧形成框架结构，空间运动系统具有第一方向运动机构、第二方向运动机构、第三方向运动机构和打印小车，打印小车在打印空间内移动；所述耗材挤出系统包括石蜡容器、蜡液输送管、容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇，所述石蜡容器固定在机架上，蜡液输送管连接石蜡容器和容积泵，容积泵的出口和加热块相连接，加热块的出口与挤出头相连；所述石蜡容器、蜡液输送管和加热块均设置有加热装置；所述蜡质零件3D打印机的耗材为工业石蜡，通过熔融沉积成型打印蜡质零件。

优选的是，容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇配置在所述打印小车上。

优选的是，加热块、挤出头和冷却风扇配置在所述打印小车上。

还优选的是，容积泵具体是齿轮泵，齿轮泵的入口和所述蜡液输送管相接，齿轮泵的出口和加热块的入口相连接。

还优选的是，石蜡容器和容积泵之间具有高度差，所述石蜡容器置于上方，石蜡容器内的液态石蜡在重力作用下自流进入容积泵。

进一步优选的是，石蜡容器包括容器壳体、加热电阻和测温传感器，容器壳体使用金属材料制作，加热电阻加热所述容器壳体，测温传感器探测容器壳体内部空间的温度变化。

进一步优选的是，蜡液输送管包括PET管、加热电阻丝和保温层，加热电阻丝包覆在PET管外，所述蜡液输送管的外层还包覆有保温层。

还进一步优选的是，机架下方设置有打印床，打印小车在打印床上方的打印空间内任意移动。

还进一步优选的是，空间运动系统为FDM三维打印机空间运动系统，或圆柱坐标空间运动系统。

本实用新型提供的一种蜡质零件3D打印机有益效果包括：

(1)该3D打印机能够使用普通的工业石蜡作为打印耗材，并利用熔融沉积成型工艺制作蜡质零件，从而大大降低了耗材价格成本，可以广泛应用于熔模铸造和新品开发等领域。

(2)蜡质零件3D打印机相对于SLS、MJM型打印机结构更加简单，并且大大降低了设备的成本价格；通过打印小车搭载加热块、挤出头和冷却风扇在打印空间内移动，从而逐层完成打印；耗材挤出系统能够实现工业石蜡材料的熔融、输送和挤出，解决了使用石蜡作为耗材的问题，蜡液输送管完成熔融蜡液保温输送。

另外该蜡质零件3D打印机还具有组成结构简单、制作成本低、应用范围广等优点。

附图说明

图1是实施例1中的蜡质零件3D打印机结构示意图；

图2是图1中的石蜡容器结构示意图；

图3是图1中的打印小车安装结构示意图；

图4是实施例1中挤出头的配合结构示意图；

图5是图4的A-A截面示意图；

图6是空间运动系统的结构示意图；

图7是实施例2中的蜡质零件3D打印机结构示意图；

图8是图7中的耗材挤出系统的部分结构示意图；

图9是图7的空间运动系统的部分结构示意图；

图10是实施例2中挤出头的配合结构示意图；

图11是图10的A-A截面示意图；

图12是接头的剖面结构示意图。

图中：1-机架；2-耗材挤出系统；21-石蜡容器；211-容器壳体，212-加热电阻，213-测温传感器，214-保温层，22-蜡液输送管，23-容积泵，24-加热块，25-挤出头，26-冷却风扇，27-接头；28-步进电机，29-测温传感器；3-第一方向运动机构，31-X轴驱动步进电机，32-X轴皮带轮33-X轴齿形皮带；4-第二方向运动机构，41-Y轴驱动步进电机，42-Y轴皮带轮，43-Y轴齿形皮带；5-第三方向运动机构，51-Z轴驱动步进电机，52-丝杠；6-打印小车；7-横梁；8-打印床。

具体实施方式

结合图1至图12所示，对本实用新型提供的一种蜡质零件3D打印机的具体实施方式进行说明。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例中的蜡质零件3D打印机，具有机架、耗材挤出系统和空间运动系统。机架1围设在蜡质零件3D打印机外侧形成框架结构，机架1下方设置有打印床8，打印床8上部的空间为打印空间，打印小车6可以在打印床上方的打印空间内任意移动，从而方便的完成打印。该3D打印机的空间运动系统与FDM三维打印机空间运动系统相同，空间运动系统具有第一方向运动机构3、第二方向运动机构4、第三方向运动机构5和打印小车6，打印小车6在横梁上设置，打印小车6可以打印空间内自由移动；其中第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。第一方向运动机构包括X轴驱动步进电机31、X轴皮带轮32和X轴齿形皮带33，控制打印小车在X轴方向运动；第二方向运动机构包括Y轴驱动步进电机41、Y轴皮带轮42和Y轴齿形皮带43，控制打印小车6在Y轴方向运动；第三方向运动机构5包括Z轴驱动步进电机51和丝杠52，丝杠52与横梁7相连，控制打印小车6在Z轴方向运动。

耗材挤出系统2可以由石蜡容器21、蜡液输送管22、容积泵23、加热块24、挤出头25和冷却风扇26组成，石蜡容器21固定在机架上，蜡液输送管22连接石蜡容器21和容积泵23，容积泵23的出口和加热块24相连接，加热块24的出口与挤出头相连。其中石蜡容器21包括容器壳体211、加热电阻212和测温传感器213，容器壳体211使用金属材料制作，加热电阻可以设置在容器壳体的底部和侧壁，用于加热容器壳体，加热使容器内的石蜡熔融，测温传感器探测容器壳体内部空间的温度变化，石蜡容器表面还可以包裹一层保温层214，用于保温。容积泵23、加热块24、挤出头25和冷却风扇26配置在打印小车上，容积泵23具体是齿轮泵，齿轮泵通过步进电机驱动，齿轮泵的入口和蜡液输送管相接，齿轮泵的出口和加热块的入口相连接。其石蜡容器、蜡液输送管和加热块均设置有加热装置，从而保证蜡液的输送顺畅。齿轮泵和加热块、冷却风扇、挤出头共同构成石蜡液的挤出装置，冷却风扇26控制挤出温度，其出风口朝向挤出头的出口，冷却风扇还能协助打印床上的蜡液冷凝。石蜡容器21和容积泵23之间具有高度差，石蜡容器21置于上方，石蜡容器21内的液态石蜡在重力作用下自流进入容积泵。其中蜡液输送管包括PET管、加热电阻丝和保温层，加热电阻丝包覆在PET管外，蜡液输送管22的外层还包覆有保温层，在蜡液输送管22内保证蜡液的温度，从而实现蜡质零件的3D打印。

蜡质零件3D打印机的耗材为工业石蜡，普通精制的工业石蜡的价格在10元/kg左右，而蓝蜡的价格通常在1元/克以上，打印机通过熔融沉积成型打印蜡质零件。

蜡质零件3D打印机在工作时，耗材挤出系统和空间运动系统协调配合工作。其中耗材挤出系统将工业石蜡加入到石蜡容器中，设定石蜡容器的工作温度，使石蜡融化，融化后的蜡液沿蜡液输送管流动，到达齿轮泵，齿轮泵在步进电机的驱动下将蜡液升压打入加热块中，加热块设置有测温传感器和加热电阻，结合冷却风扇控制蜡液的温度，蜡液通过挤出头出口挤出至打印床上，蜡液冷却后凝固。

在耗材挤出系统工作的同时，空间运动系统配合耗材挤出系统工作，Z轴驱动步进电机驱动丝杠运动，丝杠带动横梁下降至合适的位置，调整横梁上的挤出头与打印床之间的距离，通过Y轴驱动步进电机驱动Y轴皮带轮，Y轴皮带轮带动Y轴齿形皮带运动，Y轴齿形皮带带动打印床在Y轴方向上移动。X轴驱动步进电机驱动X轴皮带轮，X轴皮带轮带动X轴齿形皮带运动，X轴齿形皮带带动D打印小车在X轴方向上移动，打印小车的挤出头移动至合适的位置后，蜡液从挤出头的出口被挤出，由于挤出头的出口与打印床之间有适当的小间隙，从挤出头挤出的蜡液被挤压涂在打印床上。X轴驱动步进电机、Y轴驱动步进电机和齿轮泵步进电机协同工作，完成第一层的打印后，Z轴驱动步进电机工作，横梁被调整升高，开始打印第二层，逐步重复完成全部打印工作。

该3D打印机能够使用普通的工业石蜡作为打印耗材，并利用熔融沉积成型工艺制作蜡质零件，从而大大降低了耗材价格成本，可以广泛应用于熔模铸造和新品开发等领域。

实施例2

如图7至图12所示，本实施例提供了一种蜡质零件3D打印机，具有机架、耗材挤出系统和空间运动系统。机架1围设在蜡质零件3D打印机外侧形成框架结构，该框架结构整体呈柱状，机架1下方设置有打印床8，打印床8可以为圆形平板结构，打印小车6在打印床8上方的打印空间内任意移动。机架1具体还可以设置3根平行的立柱，立柱与打印床垂直布置，各个立柱之间通过连柱连接固定。该空间运动系统为圆柱坐标空间运动系统，空间运动系统具有第一方向运动机构3、第二方向运动机构4、第三方向运动机构5和打印小车6，打印小车6在打印空间内移动。其中第一方向运动机构包括第一滑车和第一连杆，第二方向运动机构包括第二滑车和第二连杆，第三方向运动机构包括第三滑车和第三连杆，第一连杆、第二连杆和第三连杆共同连接在打印小车上，第一连杆、第二连杆和第三连杆使用碳纤维拉杆，调整打印小车在打印空间内的位置。

耗材挤出系统2具体由石蜡容器21、蜡液输送管22、容积泵23、加热块24、挤出头25和冷却风扇26组成，石蜡容器21固定在机架上，蜡液输送管连接石蜡容器21和容积泵23，容积泵23的出口再通过蜡液输送管和加热块相连接，加热块24的出口与挤出头相连。其中加热块24、挤出头25和冷却风扇26配置在打印小车上，作为挤出蜡液的装置，加热块24设置有测温传感器和加热电阻，结合冷却风扇26调整挤出蜡液的温度。容积泵23具体是齿轮泵，齿轮泵通过步进电机驱动，齿轮泵的入口和蜡液输送管相接，齿轮泵的出口和加热块的入口相连接。石蜡容器21和容积泵23之间具有高度差，石蜡容器21置于上方，石蜡容器内21的液态石蜡在重力作用下自流进入容积泵。石蜡容器21包括容器壳体211、加热电阻212和测温传感器213，容器壳体211使用金属材料制作，加热电阻212加热容器壳体，使容器壳体内的工业石蜡耗材变为蜡液，测温传感器213探测容器壳体内部空间的温度变化。蜡液输送管22包括PET管、加热电阻丝和保温层，加热电阻丝包覆在PET管外，蜡液输送管的外层还包覆有保温层，从而保证了蜡液沿输送管流动过程中的温度。

蜡质零件3D打印机在工作时，耗材挤出系统和空间运动系统协调配合工作。其中耗材挤出系统将工业石蜡加入到石蜡容器中，设定石蜡容器的工作温度，使石蜡融化，融化后的蜡液沿蜡液输送管流动，到达齿轮泵，齿轮泵在步进电机的驱动下将蜡液升压并通过蜡液输送管打入加热块中，加热块设置有测温传感器和加热电阻，结合冷却风扇控制蜡液的温度，蜡液通过挤出头出口挤出至打印床上，蜡液冷却后凝固在打印床上。

在耗材挤出系统工作的同时，空间运动系统配合耗材挤出系统工作，设置在立柱上的第一滑车、第二滑车和第三滑车沿立柱上的导轨上下移动，3台滑车不同位置的组合控制打印小车的位置，当打印小车移动至预定的空间坐标后，调整打印小车上挤出头与打印床的距离，然后开始打印，耗材从挤出头被挤出，由于挤出头和打印床之间留设有适当的间隙，从挤出头挤出的耗材涂在打印床上，在控制系统的指令下，3台滑车协调动作，使第一层逐渐打印完成，然后，3台滑车协调动作驱动挤出头组件上升一个层高，开始打印第2层，依次类推，完成全部打印。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种蜡质零件3D打印机，具有机架、耗材挤出系统和空间运动系统，机架围设在蜡质零件3D打印机外侧形成框架结构，空间运动系统具有第一方向运动机构、第二方向运动机构、第三方向运动机构和打印小车，打印小车在打印空间内移动；其特征在于，所述耗材挤出系统包括石蜡容器、蜡液输送管、容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇，所述石蜡容器固定在机架上，蜡液输送管连接石蜡容器和容积泵，容积泵的出口和加热块相连接，加热块的出口与挤出头相连。

2.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述石蜡容器内放置有工业石蜡，打印床上方通过熔融沉积成型打印蜡质零件。

3.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述容积泵、加热块、挤出头和冷却风扇配置在所述打印小车上，冷却风扇的出风口与挤出头的出口侧面相对布置。

4.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述容积泵固定在机架上，所述加热块、挤出头和冷却风扇配置在所述打印小车上，所述冷却风扇的出风口与挤出头的出口侧面相对布置。

5.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述容积泵具体是齿轮泵，齿轮泵的入口和所述蜡液输送管相接，齿轮泵的出口和加热块的入口相连接。

6.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述石蜡容器和容积泵之间具有高度差，所述石蜡容器置于上方，石蜡容器内的液态石蜡在重力作用下自流进入容积泵。

7.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述石蜡容器包括容器壳体、加热电阻和测温传感器，容器壳体使用金属材料制作，加热电阻加热所述容器壳体，测温传感器探测容器壳体内部空间的温度变化。

8.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述蜡液输送管包括PET管、加热电阻丝和保温层，加热电阻丝包覆在PET管外，所述蜡液输送管的外层还包覆有保温层。

9.根据权利要求1所述的一种蜡质零件3D打印机，其特征在于，所述机架下方设置有打印床，打印小车在打印床上方的打印空间内任意移动。

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