CN214927107U - 一种免支撑fdm型3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种免支撑FDM型3D打印设备，包括机架、打印喷头、喷头驱动机构、打印平台和平台驱动机构；喷头驱动机构包括旋转支座、旋转支座驱动件和机械臂模块，旋转支座驱动件与旋转支座连接，旋转支座驱动件驱动旋转支座转动，旋转支座与机械臂模块转动连接，打印喷头设在机械臂模块上；平台驱动机构包括支撑凹台、球形关节和设在球形关节内部的球形关节驱动件，支撑凹台固定在机架上，支撑凹台与球形关节转动连接，球形关节驱动件驱动球形关节三自由度旋转，球形关节与打印平台固定连接。本实用新型无需打印支撑结构，就能够直接打印镂空或者结构复杂的模型，减少人为去除支撑造成的误差，提高打印质量和打印效率。

Description

一种免支撑FDM型3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印设备领域，具体涉及一种免支撑FDM型3D打印设备。

背景技术

FDM型熔融沉积3D打印原理为热熔性材料在喷头内被加热挤压成为熔融状态的细丝，喷头沿设计物品的切片轮廓轨迹进行运动，同时上方未熔融固态材料作为活塞将融化材料挤出，材料迅速固化并与下层材料粘结，每一个层面都是在上一层层面上堆积而成，实现模型的逐层打印。该技术具有低成本，低污染，翘曲变形小，适用材料广泛等诸多优势，在近几年来备受关注，被广泛应用于医疗、航天、能源动力等领域。

FDM型3D打印设备包括用于放置模型的3D打印平台，而现有的3D打印平台只能实现竖直方向的运动，因此，为了克服重力影响，在打印有镂空或者结构复杂的模型时，都需要打印支撑结构，且模型打印完成后需要人工去除支撑，造成了一定资源和经济的浪费，同时也增加了去除支撑对成品效果造成影响的可能性。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型提供了一种免支撑FDM型3D打印设备，无需打印支撑结构，就能够直接打印镂空或者结构复杂的模型，减少人为去除支撑可能造成的误差，提高了打印质量和打印效率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种免支撑FDM型3D打印设备，包括机架、打印喷头、喷头驱动机构、打印平台和平台驱动机构。

机架包括顶架和底座；

喷头驱动机构包括旋转支座、旋转支座驱动件和机械臂模块，旋转支座驱动件与旋转支座连接，旋转支座驱动件驱动旋转支座转动，旋转支座与机械臂模块转动连接，打印喷头设置在机械臂模块上；

平台驱动机构包括支撑凹台、球形关节和设置在球形关节内部的球形关节驱动件，支撑凹台固定在底座上，支撑凹台与球形关节转动连接，球形关节驱动件驱动球形关节在支撑凹台上三自由度旋转，球形关节与打印平台固定连接。

进一步设置，前述的球形关节驱动件包括多自由度球形电机，多自由度球形电机设置在球形关节内部，多自由度球形电机的输出端与打印平台固定连接。

如此设置，启动多自由度球形电机，多自由度球形电机驱动打印平台任意转动。

进一步设置，前述的机械臂模块包括一级机械臂、二级机械臂和铰链连接臂，一级机械臂两端分别与旋转支座以及二级机械臂转动连接，铰链连接臂和二级机械臂转动连接，打印喷头设置在铰链连接臂上。

如此设置，机械臂模块通过一级机械臂、二级机械臂和铰链连接臂带动打印喷头移动，从而实现任意调节打印喷头的空间位置及打印方向，使打印喷头实现六自由度打印。

进一步设置，前述的机械臂模块还包括机械臂驱动件，机械臂驱动件包括设置在一级机械臂和旋转支座连接处的第一驱动件、设置在一级机械臂和二级机械臂连接处的第二驱动件和设置在铰链连接臂和二级机械臂连接处的第三驱动件，第一驱动件驱动一级机械臂竖直方向与水平方向的移动，第二驱动件驱动二级机械臂竖直方向与水平方向的移动，第三驱动件驱动铰链连接臂绕铰链连接臂和二级机械臂连接处的中心轴旋转。

如此设置，第一驱动件和第二驱动件配合，使打印喷头能沿Y、Z轴方向移动且能围绕Y、Z轴转动；第一驱动件、第二驱动件和旋转支座配合，使打印喷头能沿X、Y、Z轴方向移动且能围绕X、Y、Z轴转动。

进一步设置，打印机还包括控制板，控制板分别与旋转支座驱动件、机械臂驱动件和球形关节驱动件电连接。

如此设置，控制板通过旋转支座驱动件、机械臂驱动件和球形关节驱动件能够控制打印喷头和打印平台的空间位置，根据打印工件结构，随时调整打印喷头和打印平台的空间位置和角度，消除打印过程中使用的支撑材料。

进一步设置，前述的打印喷头包括安装座、进料管、两个进料齿轮和喷嘴；进料管设置在安装座上，两个进料齿轮对称设置在进料管两侧，两个进料齿轮相互配合挤压进料管管内的材料输出；喷嘴设置在安装座底端，且喷嘴与进料管连接。

如此设置，打印喷头工作时，首先通过进料管将原料送入打印喷头，两个进料齿轮相对转动，挤压进料管管内的材料输出至喷嘴，从而将原料从喷嘴中高速喷出。

进一步设置，前述的打印喷头还包括散热风扇，散热风扇设置在安装座内，用于给安装座内部散热降温。

如此设置，散热风扇用于给安装座内部散热降温，从而降低打印喷头的整体温度，延长打印喷头的使用寿命。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供的一种免支撑FDM型3D打印设备，具备以下有益效果：

1、本实用新型通过喷头驱动机构使打印喷头能沿X、Y、Z轴方向移动且能围绕X、Y、Z轴转动，从而实现任意调节打印喷头的空间位置及打印方向，使打印喷头实现六自由度打印；

2、本实用新型通过球形关节驱动件驱动球形关节三自由度旋转，从而带动打印平台在支撑凹台上三自由度旋转；

3、打印喷头和打印平台配合，使喷嘴与已打印部分的打印平面在打印过程中始终保持垂直，能够满足不同位向的打印面需求，免去了传统打印工艺中需要使用的支撑结构，实现无支撑打印，最大程度上保证了打印工艺的经济效益和节能效益，另一方面也减少人为去除支撑可能造成的误差，提高了打印质量。

如此，本实用新型无需打印支撑结构，就能够直接打印镂空或者结构复杂的模型，减少人为去除支撑可能造成的误差，提高了打印质量和打印效率。

附图说明

图1为本实用新型打印工件第一部分时的结构示意图；

图2为本实用新型打印工件第二部分时的结构示意图；

图3为打印喷头的结构示意图；

图4为控制板与喷头驱动机构和平台驱动机构的连接示意图。

附图标号：1、机架；11、顶架；111、圆形滑轨；12、底座；2、打印喷头；21、安装座；211、喷头连接臂；22、进料管；24、进料齿轮；25、喷嘴；26、散热风扇；27、散热孔；31、旋转支座；32、旋转支座驱动件；331、一级机械臂；332、二级机械臂；333、铰链连接臂；334、机械臂驱动件；3341、第一驱动件；3342、第二驱动件；3343、第三驱动件；4、打印平台；41、平台支撑臂；51、球形关节；52、球形关节驱动件；53、支撑凹台；6、控制板；71、工件第一部分；72、工件第二部分。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1、图2、图3和图4所示，其中，图1为本实用新型打印工件第一部分时的结构示意图，图2为本实用新型打印工件第二部分时的结构示意图，图3为打印喷头的结构示意图，图4为控制板与喷头驱动机构和平台驱动机构的连接示意图。

本实用新型提供的一种免支撑FDM型3D打印设备，包括机架1、打印喷头2、喷头驱动机构、打印平台4和平台驱动机构。

机架1包括顶架11和底座12，喷头驱动机构安装在顶架11上，平台驱动机构安装在底座12上。

打印喷头2为典型的FDM型3D打印喷头2，打印喷头2包括安装座21、进料管22、进料齿轮24和喷嘴25。进料管22贯穿安装座21，并与安装座21紧配相连。喷嘴25螺纹固定在安装座21底端，且喷嘴25与进料管22连接。

打印喷头2还包括加热片，加热片安装在安装座21内，用于加热进料管22内的材料，将进料管22中的材料熔化成胶体。

打印喷头2还包括进料齿轮驱动件，进料齿轮驱动件安装在安装座21上，进料齿轮驱动件与进料齿轮24连接，进料齿轮24有两个，且两个进料齿轮24对称分布在进料管22两侧，则两个进料齿轮驱动件分别驱动两个进料齿轮24相对转动，两个进料齿轮24相互配合挤压进料管22管内的材料输出。

打印喷头2还包括散热风扇26，散热风扇26安装在安装座21内，用于给安装座21内部散热降温，从而降低打印喷头2的整体温度，延长打印喷头2的使用寿命。安装座21上开有散热孔27，位于散热风扇26出风处，散热风扇26将安装座21内热量通过散热孔27抽出安装座21外，提高散热效果。

如此，打印喷头2工作时，首先通过进料管22将原料送入打印喷头2，通过加热片通电加热，从而将进料管22中的材料熔化成胶体，启动两个进料齿轮驱动件，两个进料齿轮驱动件分别驱动两个进料齿轮24相对转动，两个进料齿轮24相互配合挤压进料管22管内的胶体材料输出至喷嘴25，从而将胶体材料从喷嘴25中高速喷出。

喷头驱动机构包括旋转支座31、旋转支座驱动件32和机械臂模块；旋转支座驱动件32安装在顶架11上，且旋转支座驱动件32与旋转支座31顶端连接，旋转支座31底端与机械臂模块转动连接，顶架11上焊有与旋转支座31滑动连接的圆形滑轨111，旋转支座31顶端开有与圆形滑轨111间隙配合的凹部，则旋转支座驱动件32驱动旋转支座31在圆形滑轨111上转动，从而带动机械臂模块随之转动。打印喷头2安装在机械臂模块上，则机械臂模块和旋转支座31配合，使打印喷头2实现六自由度打印。

机械臂模块包括一级机械臂331、二级机械臂332、铰链连接臂333和机械臂驱动件334，一级机械臂331两端分别与旋转支座31以及二级机械臂332铰接，铰链连接臂333和二级机械臂332铰接，安装座21一侧焊有喷头连接臂211，铰链连接臂333和喷头连接臂211螺栓固定连接，则打印喷头2通过喷头连接臂211安装在铰链连接臂333上。机械臂驱动件334包括位于一级机械臂331和旋转支座31连接处的第一驱动件3341、位于一级机械臂331和二级机械臂332连接处的第二驱动件3342和位于铰链连接臂333和二级机械臂332连接处的第三驱动件3343，第一驱动件3341驱动一级机械臂331完成打印喷头2竖直方向与水平方向的移动，第二驱动件3342驱动二级机械臂332竖直方向与水平方向的移动，第三驱动件3343驱动铰链连接臂333绕铰链连接臂333和二级机械臂332连接处的中心轴旋转，从而带动喷嘴25绕铰链连接臂333和二级机械臂332连接处的中心轴旋转。

如此，第一驱动件3341和第二驱动件3342配合，使打印喷头2能沿Y、Z轴方向移动且能围绕Y、Z轴转动，则第一驱动件3341、第二驱动件3342和旋转支座31配合，使打印喷头2能沿X、Y、Z轴方向移动且能围绕X、Y、Z轴转动，从而实现任意调节打印喷头2的空间位置及打印方向，使打印喷头2实现六自由度打印。

第一驱动件3341包括第一伺服电机，第一伺服电机安装在旋转支座31上，第一伺服电机的输出端与一级机械臂331顶端螺栓连接；第二驱动件3342包括第二伺服电机，第二伺服电机安装在一级机械臂331底端上，第二伺服电机的输出端与二级机械臂332顶端螺栓固定连接；第三驱动件3343包括第三伺服电机，第三伺服电机安装在二级机械臂332底端上，第三伺服电机的输出端与铰链连接臂333远离喷头连接臂211的一端螺栓固定连接。如此，通过启动第一伺服电机、第二伺服电机或第三伺服电机能够任意调节打印喷头2的空间位置及打印方向。

旋转支座驱动件32包括旋转支座伺服电机，旋转支座伺服电机安装在顶架11上，旋转支座伺服电机的输出端与旋转支座31顶端螺栓固定连接。如此，启动旋转支座伺服电机，旋转支座伺服电机驱动旋转支座31在圆形滑轨111上转动，从而带动打印喷头2随之转动。

平台驱动机构包括球形关节51、球形关节驱动件52和支撑凹台53，支撑凹台53螺栓固定在底座12上，支撑凹台53与球形关节51铰接，球形关节驱动件52安装在球形关节51内部，打印平台4底部中间焊有平台支撑臂41，球形关节51与平台支撑臂固定连接。如此，球形关节驱动件52驱动球形关节51三自由度旋转，从而带动打印平台4绕支撑凹台53三自由度旋转。

球形关节驱动件52包括多自由度球形电机，多自由度球形电机安装在球形关节51内部，多自由度球形电机的输出端与平台支撑臂41固定连接。如此，启动多自由度球形电机，多自由度球形电机驱动打印平台4任意转动。

该打印机还包括控制板6，控制板6分别与旋转支座驱动件32、机械臂驱动件334和球形关节驱动件52电连接，则控制板6通过旋转支座驱动件32、机械臂驱动件334和球形关节驱动件52能够控制打印喷头2和打印平台4的空间位置，根据打印工件结构，随时调整打印喷头2和打印平台4的空间位置和角度，使喷嘴25与已打印部分的打印平面在打印过程中始终保持垂直，满足不同位向的打印面需求，免去了传统打印工艺中需要使用的支撑结构，实现无支撑打印。

如此，打印喷头2和打印平台4配合，能够消除打印支撑结构，最大程度上保证了打印工艺的经济效益和节能效益，另一方面也减少人为去除支撑可能造成的误差，提高了打印质量。

本实用新型工作时：

首先启动打印程序，控制板6控制旋转支座31、一级机械臂331、二级机械臂332和铰链连接臂333，将打印喷头2的空间位置调节至零点坐标；同时将打印平台4调节至水平位置；

然后控制板6控制一级机械臂331、二级机械臂332和旋转支座31带动打印喷头2运动至工件第一层打印层的起始位置，并根据所需打印工件的打印角度，控制铰链连接臂333使打印喷头2旋转至该角度，进行第一层打印层的打印；打印过程中，每层打印完成时，控制板6控制一级机械臂331、二级机械臂332和旋转支座31带动打印喷头2运动至下一个打印层的起始位置，并根据打印方向控制铰链连接臂333调整打印喷头2的打印角度，同时，根据所需打印工件每层的打印角度，在上一层打印结束后，控制板6控制打印平台4完成确定角度的倾斜，使喷嘴25与打印平面始终保持垂直，从而使已打印部分作为下一层的支撑结构，可实现精度更高的多维度打印。

如此，控制板6根据计算得到打印每一层时打印平台4的空间坐标，计算得到打印每一层时打印喷头2的起始坐标、终止坐标及运动轨迹，控制打印喷头2和打印平台4协同完成各层打印。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，包括机架(1)、打印喷头(2)、喷头驱动机构、打印平台(4)和平台驱动机构；

机架(1)包括顶架(11)和底座(12)；

喷头驱动机构包括旋转支座(31)、旋转支座驱动件(32)和机械臂模块，且旋转支座驱动件(32)与旋转支座(31)连接，旋转支座驱动件(32)驱动旋转支座(31)转动，旋转支座(31)与机械臂模块转动连接，打印喷头(2)设置在机械臂模块上；

平台驱动机构包括支撑凹台(53)、球形关节(51)和设置在球形关节(51)内部的球形关节驱动件(52)，支撑凹台(53)固定在底座(12)上，支撑凹台(53)与球形关节(51)转动连接，球形关节驱动件(52)驱动球形关节(51)在支撑凹台(53)上三自由度旋转，球形关节(51)与打印平台(4)固定连接。

2.根据权利要求1所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，所述球形关节驱动件(52)包括多自由度球形电机，多自由度球形电机设置在球形关节(51)内部，多自由度球形电机的输出端与打印平台(4)固定连接。

3.根据权利要求1所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，所述机械臂模块包括一级机械臂(331)、二级机械臂(332)和铰链连接臂(333)，一级机械臂(331)两端分别与旋转支座(31)以及二级机械臂(332)转动连接，铰链连接臂(333)和二级机械臂(332)转动连接，打印喷头(2)设置在铰链连接臂(333)上。

4.根据权利要求3所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，所述机械臂模块还包括机械臂驱动件(334)，机械臂驱动件(334)包括设置在一级机械臂(331)和旋转支座(31)连接处的第一驱动件(3341)、设置在一级机械臂(331)和二级机械臂(332)连接处的第二驱动件(3342)和设置在铰链连接臂(333)和二级机械臂(332)连接处的第三驱动件(3343)，第一驱动件(3341)驱动一级机械臂(331)竖直方向与水平方向的移动，第二驱动件(3342)驱动二级机械臂(332)竖直方向与水平方向的移动，第三驱动件(3343)驱动铰链连接臂(333)绕铰链连接臂(333)和二级机械臂(332)连接处的中心轴旋转。

5.根据权利要求4所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，还包括控制板(6)，控制板(6)分别与旋转支座驱动件(32)、机械臂驱动件(334)和球形关节驱动件(52)电连接。

6.根据权利要求1所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，所述打印喷头(2)包括安装座(21)、进料管(22)、两个进料齿轮(24)和喷嘴(25)；进料管(22)设置在安装座(21)上，两个进料齿轮(24)对称设置在进料管(22)两侧，两个进料齿轮(24)相互配合挤压进料管(22)管内的材料输出；喷嘴(25)设置在安装座(21)底端，且喷嘴(25)与进料管(22)连接。

7.根据权利要求6所述的免支撑FDM型3D打印设备，其特征在于，所述打印喷头(2)还包括散热风扇(26)，散热风扇(26)设置在安装座(21)内，用于给安装座(21)内部散热降温。

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