CN213035295U - 一种高分子材料3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及高分子材料加工机械领域，具体是一种高分子材料3D打印机，包括挤出装置、振动装置、打印装置，本发明使用螺杆对胶料进行剪切和挤压，将胶料加工至熔融状态，挤出装置头部连接振动装置，振动装置通过连杆机构产生周期性的振动，使胶料呈现出一种喷射的状态，喷射到打印装置的动平台上，分层完成整个零件的打印。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及高分子材料加工机械领域，尤其涉及一种高分子材料3D打印机。
背景技术
3D打印机是一种快速成型的工艺，以一种层层堆积的方法分层制造出三维的模型。 3D打印机基于数字模型，采用不同的方法和工艺将特定的材料(如液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、金属粉末等)通过挤出或者喷射粘结剂等方法实现层层堆积和叠加来实现三维实体的制造。3D打印技术已经在航空航天、教育、食品、军工、艺术品展示等领域得到应用。
对于影响打印精度的因素,宋羧源等人进行了研究。原因主要在于两方面,首先是挤出机头的定位误差,其次是工艺的误差对形状变形的影响。并且建立了数学模型来研究二者产生的误差。对新产品的形状变形进行建模,将他的定位误差视为设计的输入误差,通过实验得到结论,为补偿三维产品的尺寸误差,可以通过预测建模框架的有效性。
针对FDM挤出喷嘴易堵塞、丝材容易断裂的常见的问题,赵仕平教授等人进行了研究。经过在控制系统和打印机的结构两方面进行改进,提出了丝材传导双电机驱动方法。软硬件的核心平台为以32位的微处理器STM32103VB(ARM内核),采用以模块化设计的控制系统。最终,通过改进,使得丝材更加顺利的传入加热块加热,打印机更加简洁,丝材传导也更加容易控制,丝材挤出时容易堵塞挤出喷嘴的问题得到了基本的解决。
近年来，3D打印技术得到快速的发展，研究人员也发现了各种新的可用于打印的高分子材料，但是目前的3D打印机技术仍然面临着各种问题。
首先，是高分子3D打印机的成本问题。于传统减材制造技术相比，需要较高的耗费额外成本；其次，当前的FDM技术仍然处于开发和探索的阶段，尤其是质量测试标准尚未出台相应的规范性的标准；最后，FDM需要应用特定的制造工艺，但是打印材料的力学性能对高分子材料的研究工作起决定作用，材料的热稳定性会影响其可加工性。这些问题都是3D打印技术后续发展中必须考虑的问题。
发明内容
针对使用高分子材料进行3D打印的问题，本发明提供一种通过连杆机构产生周期性振动的高分子材料3D打印机。
本发明的技术方案是：
一种高分子材料3D打印机，包括挤出装置、振动装置、打印装置。挤出装置包括电机4、联轴器Ⅰ5、料斗6、料筒Ⅰ7、支撑8、料筒Ⅱ9、螺杆10、顺序阀11、机头 12和喷嘴13；振动装置由步进电机Ⅰ14、曲柄15、连杆Ⅰ16、滑块、连杆Ⅱ17、连杆Ⅲ 18和连杆Ⅳ19和活塞20组成；打印装置包括步进电机Ⅱ21、联轴器Ⅱ22、框架23、导轨 24、丝杠25、打印底板26、并联臂27、滑车28和动平台29。电机4通过螺栓固定在电机座上，电机4与螺杆10通过联轴器Ⅰ5连接，料筒Ⅰ7与料筒Ⅱ9之间通过螺栓连接，连杆机构中各个杆件通过转动副连接，机头12与喷嘴13是螺纹连接，步进电机Ⅱ21与丝杠25通过联轴器Ⅱ22连接，丝杠25与并联臂27通过滑车28连接，滑车28与并联臂27 是球铰连接，并联臂27与动平台29之间通过虎克铰连接，动平台29与打印底板26固连。
本实用新型采用螺杆先对胶料进行加工，电机4通过联轴器Ⅰ5连接螺杆10，驱动螺杆10转动，剪切挤压胶料，将胶料加工至熔融状态，为下一步的喷射做准备。
所述挤出装置的机头12连接一个顺序阀11，当机头的压力达到10MPA时，顺序阀才能接通，胶料可以从料筒挤出至机头12进行喷射打印。
所述机头12温度较高，为防止发生胶烧现象，使用风扇进行冷却降温，喷嘴13 为胶料顺利喷射打印的最后一道关口，使用耐高温的黄铜材料制成。
所述振动装置为使用曲柄滑块机构(由曲柄15，连杆Ⅰ16和滑块组成)将电机的转动转化成直线移动，曲柄15通过连杆Ⅰ16带动滑块实现基本的周期性振动。连杆Ⅱ 17与连杆Ⅳ19组成杠杆机构，起增力的作用，将滑块驱动活塞20的力进行扩大，连杆Ⅳ 19做浮动支撑，连杆Ⅱ17上下摆动将运动和力向下传递至连杆Ⅳ19，连杆Ⅳ19驱动活塞往复运动，实现最终的周期性的振动。
所述打印装置由步进电机Ⅱ21、联轴器Ⅱ22、框架23、丝杠24、导轨25、打印底板26、并联臂27、滑车28、动平台29和电机座30组成，其特征是：步进电机Ⅱ21通过螺钉固定到电机座30上，电机座30与框架23通过螺栓连接，步进电机Ⅱ21通过联轴器Ⅱ22连接丝杠25，丝杠25通过螺纹连接驱动滑车28移动，滑车28与并联臂27是球铰连接，并联臂27与动平台29之间通过虎克铰连接，动平台29与打印底板26固连。
所述框架23水平方向为三角形，框架23的每一端装一根丝杠25，丝杠25上端穿过框23的通孔连接步进电机Ⅱ21，丝杠25的下端通过轴承连接到框架23上，每根丝杠25的两边各安装一根导轨24，导轨24的上下两端固连到框架23上，同时，在导轨24 的上下两端也设有安全挡块。
滑车28与并联臂27组成升降机构，丝杠25转动驱动滑车28上下移动，每个滑车 28上通过球铰连接两根并联臂27，并联臂27的另一端连接动平台29，将滑车28的上下移动转化成动平台29的移动，动平台29具有三个自由度，打印底板26固连在动平台29 上。
附图说明
图1为本实用新型的整机装配示意图；
图2为本实用新型的挤出装置结构示意图；
图3为本实用新型的振动装置结构示意图；
图4为本实用新型的挤出装置结构示意图；
图中：1-挤出装置、2-振动装置、3-打印装置、4-电机、5-联轴器Ⅰ、6-料斗、7-料筒Ⅰ、8-支撑、9-料筒Ⅱ、10-螺杆、11-顺序阀、12-机头、13-喷嘴、14-步进电机Ⅰ、 15-曲柄、16-连杆Ⅰ、17-连杆Ⅱ、18-连杆Ⅲ、19-连杆Ⅳ、20-活塞、21-步进电机Ⅱ、22-联轴器Ⅱ、23-框架、24-导轨、25-丝杠、26-打印底板、27-并联臂、28-滑车、29-动平台、30-电机座。
具体实施方式
一种高分子材料3D打印机，包括挤出装置、振动装置、打印装置。挤出装置包括电机4、联轴器Ⅰ5、料斗6、料筒Ⅰ7、支撑8、料筒Ⅱ9、螺杆10、顺序阀11、机头 12和喷嘴13；振动装置由步进电机Ⅰ14、曲柄15、连杆Ⅰ16、滑块、连杆Ⅱ17、连杆Ⅲ 18和连杆Ⅳ19和活塞20组成；打印装置包括步进电机Ⅱ21、联轴器Ⅱ22、框架23、导轨 24、丝杠25、打印底板26、并联臂27、滑车28和动平台29。电机4通过螺栓固定在电机座上，电机4与螺杆10通过联轴器Ⅰ5连接，料筒Ⅰ7与料筒Ⅱ9之间通过螺栓连接，连杆机构中各个杆件通过转动副连接，机头12与喷嘴13是螺纹连接，步进电机Ⅱ21与丝杠25通过联轴器Ⅱ22连接，丝杠25与并联臂27通过滑车28连接，滑车28与并联臂27 是球铰连接，并联臂27与动平台29之间通过虎克铰连接，动平台29与打印底板26固连。
本实用新型采用螺杆先对胶料进行加工，电机4通过联轴器Ⅰ5连接螺杆10，驱动螺杆10转动，剪切挤压胶料，将胶料加工至熔融状态，为下一步的喷射做准备。
所述振动装置为使用曲柄滑块机构(由曲柄15，连杆Ⅰ16和滑块组成)将电机的转动转化成直线移动，曲柄15通过连杆Ⅰ16带动滑块实现基本的周期性振动。连杆Ⅱ 17与连杆Ⅳ19组成杠杆机构，起增力的作用，将滑块驱动活塞20的力进行扩大，连杆Ⅳ 19做浮动支撑，连杆Ⅱ17上下摆动将运动和力向下传递至连杆Ⅳ19，连杆Ⅳ19驱动活塞往复运动，实现最终的周期性的振动。
所述活塞20做周期性运动，将熔融状态的胶料呈周期性的挤出，当活塞20的压力达到10MPA时，顺序阀才能接通，胶料可以从料筒挤出至机头12进行喷射打印。
所述打印装置的步进电机Ⅱ21转动，通过联轴器Ⅱ22驱动丝杠25转动，升降装置将丝杠25的转动转化成滑车28的上下移动，滑车28与动平台29通过并联臂27连接，将滑车28的上下移动转化成动平台29沿着XYZ三个轴方向的移动，动平台与打印底板26 固连，胶料从喷嘴13喷射到打印底板26上，完成整个零件的打印。
以上的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。
Claims (9)
1.一种高分子材料3D打印机，其特征在于：包括挤出装置(1)、振动装置(2)、打印装置(3)；挤出装置包括电机(4)、联轴器Ⅰ(5)、料斗(6)、料筒Ⅰ(7)、支撑(8)、料筒Ⅱ(9)、螺杆(10)、顺序阀(11)、机头(12)和喷嘴(13)；振动装置由步进电机Ⅰ(14)、曲柄(15)、连杆Ⅰ(16)、滑块、连杆Ⅱ(17)、连杆Ⅲ(18)、连杆Ⅳ(19)和活塞(20)组成；打印装置包括步进电机Ⅱ(21)、联轴器Ⅱ(22)、框架(23)、导轨(24)、丝杠(25)、打印底板(26)、并联臂(27)、滑车(28)和动平台(29)；电机(4)通过螺栓固定在电机座上，电机(4)与螺杆(10)通过联轴器Ⅰ(5)连接，料筒Ⅰ(7)与料筒Ⅱ(9)通过螺栓连接，连杆机构中各个杆件通过转动副连接，机头(12)与喷嘴(13)是螺纹连接，步进电机Ⅱ(21)与丝杠(25)通过联轴器Ⅱ(22)连接，丝杠(25)与并联臂(27)通过滑车(28)连接，滑车(28)与并联臂(27)是球铰连接，并联臂(27)与动平台(29)之间通过虎克铰连接，动平台(29)与打印底板(26)固连。
2.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述电机(4)通过联轴器Ⅰ(5)连接螺杆(10)，驱动螺杆(10)转动，剪切挤压胶料，将胶料加工至熔融状态。
3.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述挤出装置(1)的机头(12)连接一个顺序阀(11)，当机头(12)的压力达到10MPA时，顺序阀(11)才能接通，胶料可以从料筒挤出至机头(12)进行喷射打印。
4.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述机头(12)温度较高，为防止发生胶烧现象，使用风扇进行冷却降温，喷嘴(13)为胶料顺利喷射打印的最后一道关口，使用耐高温的黄铜材料制成。
5.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述振动装置(2)使用由曲柄(15)、连杆Ⅰ(16)和滑块组成的曲柄滑块机构将电机的转动转化成直线移动，曲柄(15)通过连杆Ⅰ(16)带动滑块实现基本的周期性振动。
6.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述连杆Ⅱ(17)与连杆Ⅳ(19)组成杠杆机构，起增力的作用，将滑块驱动活塞(20)的力进行扩大，连杆Ⅳ(19)做浮动支撑，连杆Ⅱ(17)上下摆动将运动和力向下传递至连杆Ⅳ(19)，连杆Ⅳ(19)驱动活塞(20)往复运动，实现最终的周期性的振动。
7.如权利要求1所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述打印装置(3)由步进电机Ⅱ(21)、联轴器Ⅱ(22)、框架(23)、导轨(24)、丝杠(25)、打印底板(26)、并联臂(27)、滑车(28)、动平台(29)和电机座(30)组成；所述步进电机Ⅱ(21)通过螺钉固定到电机座(30)上，电机座(30)与框架(23)通过螺栓连接，步进电机Ⅱ(21)通过联轴器Ⅱ(22)连接丝杠(25)，丝杠(25)通过螺纹连接驱动滑车(28)移动。
8.如权利要求7所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述框架(23)水平方向为三角形，框架(23)的每一端装一根丝杠(25)，丝杠(25)上端穿过框架(23)的通孔连接步进电机Ⅱ(21)，丝杠(25)的下端通过轴承连接到框架(23)上，每根丝杠(25)的两边各安装一根导轨(24)，导轨(24)下两端固连到框架(23)上，同时，在导轨(24)的上下两端也设有安全挡块。
9.如权利要求7所述的一种高分子材料3D打印机，其特征在于：所述滑车(28)与并联臂(27)组成升降机构，丝杠(25)转动驱动滑车(28)上下移动，每个滑车(28)上通过球铰连接两根并联臂(27)，并联臂(27)的另一端连接动平台(29)，将滑车(28)的上下移动转化成动平台(29)的移动，动平台(29)具有三个自由度，打印底板(26)固连在动平台(29)上。
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