CN215396917U - 基于fdm三维打印工艺的增减材一体化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，主要包括FDM挤丝机和微型铣刀挂架、FDM三维打印与铣削切换装置、加工设备定位装置与技术。本实用新型制造成本低，操作简单，适用于面向增减材制造的CAM软件研发刀路验证、数控加工设备的教学、塑料材质工件的3D打印与铣削等领域，能够实现增减材制造方式快速切换、制造的工件表面精度高、机械性能高、工艺误差低、生产成本低、材料利用率高，材料适用范围广且工艺简单，为该领域做出了极大的贡献。

Description

基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备

技术领域

本实用新型涉及一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，属于3D打印领域设备组件技术领域。

背景技术

基于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的3D打印技术是3D打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用于打印各种复杂实物模型与工艺品。虽然3D打印具有材料利用率高，适用范围广、个性化定制等优点，但也存在着精度低和表面质量差等缺点，需要花费大量时间进行后处理。目前市场上已经推出无支撑3D打印技术，可以一次性完成零件的制造而无需进行去除支撑等后处理工作，但是工件的成型误差仍然无法避免，因此亟需一种可以对成型后的工件进行快速后处理的方式。

实用新型内容

针对现有3D打印技术的成型工件的工艺误差过大以及复杂工件难以一次成型等不足，本实用新型提供一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，主要包括FDM挤丝机和微型铣刀挂架、FDM三维打印与铣削切换装置、加工设备定位装置与技术。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，包括机架、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、三维转台；所述Z轴导轨上安装有固定架套，所述固定架套上固定有FDM挤丝机、微型电主轴和电机；所述微型电主轴的底部连接自动换刀装置，自动换到装置底部安装有铣刀；所述微型电主轴可驱动铣刀在水平面旋转；所述电机可驱动铣刀在垂直面变换空间位置。

进一步的，所述自动换刀装置包括齿轮传动机构、传动轴、从动齿轮、铣刀；齿轮传动机构的两端分别连接微型电主轴和传动轴，从动齿轮安装在传动轴上，铣刀安装在从动齿轮上；所述电机的电机轴上设有主动齿轮，与所述从动齿轮啮合。

进一步的，所述自动换刀装置上设置有刻度盘，所述从动齿轮上设置有指针，指针的轴线与铣刀的轴线平行。

进一步的，所述铣刀包括立铣刀和球头铣刀，两者轴线成90度。

进一步的，还包括用于控制所述电机的带有控制面板的电路板卡，所述控制面板上的按钮可使得铣刀的刀尖指向正上方或正下方的位置。

进一步的，所述铣刀的刀尖或FDM挤丝机的喷嘴的下方和侧面，分别安装有垂直向上的定位针和水平的定位针；机架内部安装有两个轴线成90度的工业CCD相机，工业CCD相机与显示面板连接，两个工业CCD相机分别用于拍摄两个定位针，显示面板用于将工业CCD相机所拍摄图像放大显示。通过相机和显示面板，可以在扩大数倍的状态观察针尖和喷嘴(或铣刀刀尖)在接近时的形状，以用来准确观察喷嘴(或铣刀刀尖)是否对准。

进一步的，所述三维转台上设置工作平台，所述工作平台上设置热床垫板，热床垫板上设置脱模热床，脱模热床与热床垫板之间通过调节弹簧连接。脱模热床充当工件夹具的作用，当增材制造过程中，打印底板时材料会渗透到热床内部，从而达到增大接触力的作用，同时可以储存减材去除掉的切削，防止切屑进入转台内部。

进一步的，所述脱模热床是一块尺寸为120*120*3mm的6系列铝板，上面冲了一系列直径为2mm的通孔，在轴线的两侧有两个螺纹孔用于固定在热床垫板上。

进一步的，所述的增材制造工位、减材加工工位由用户自主选择，并且处于自己的运行轨道中，可以有效防止干涉。

有益效果：本实用新型能够实现增减材制造方式快速切换、制造的工件表面精度高、机械性能高、工艺误差低、生产成本低、材料利用率高，材料适用范围广且工艺简单，其中最为重要的是弥补了现有市场的空缺，为增减材复合制造这一领域做出了极大的贡献。

附图说明

图1为设备轴测图；图2为设备主视图；图3为设备侧视图，图4为设备俯视图，图5为负载端轴测图，图6为负载端侧视图，图7为CCD相机下的显示面板，图8为自动换刀装置的结构示意图，图9为脱模热床的结构示意图。

图中标记：

1-A轴调节器，2-C轴调节器，3-AC轴旋转台，4-热床垫板，5-脱模热床，6-待加工工件，7-立铣刀，8-挤丝机构，9-微型电主轴，10-X轴导轨，11-Z轴导轨，12-Y轴导轨，13-自动换刀装置，14-球头铣刀，15-C轴调节步进电机，16-固定架套，17-CCD相机，18-第一定位针，19-A轴调节步进电机，20-第二定位针，21-机架，22-地脚，23-加长喉管，24-显示面板，25-换刀步进电机，26-第二锥齿轮，27-第二传动轴，28-刻度盘，29-第一传动杆，30-第一锥齿轮，31-换刀步进电机齿轮，32-第三锥齿轮。

具体实施方式

现将结合图1-7，对本实用新型的技术方案进行完整的描述。以下描述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，本领域技术人员在没有作出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1-7所示，本实用新型公布了一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，包括面向复杂工件加工的五轴联动3D打印机的机械结构、FDM三维打印与铣削切换装置、加工设备定位装置。

如图1-4所示，五轴联动3D打印机的机械结构的整机框架由机架21搭建而成，机架底部由四个地脚22支撑，地脚可以起到减震的作用。在机架的顶部有一组X轴导轨10、两组Y轴导轨12和一组Z轴导轨11，四组导轨驱动刀具进行三方向的运动。在整机的左正中位置为AC轴单元，放置着AC轴旋转台3，它负责驱动待加工工件6随着A轴(与Y轴平行)和C轴(与Z轴平行)两方向转动。

在AC轴旋转台3上为工作平台，上面放置有热床垫板4，脱模热床5。脱模热床5与热床垫板4之间通过调节弹簧连接，脱模热床在工件加工完成后可取下，待工件移除后再放置在热床垫板4上。

在机架上安装有两个CCD相机17，第一定位针18和第二定位针20。CCD相机对挤丝机构8，立铣刀7和球头铣刀14进行实时监控，一旦出现撞刀事件或者即将撞刀则会立即停止机器。

如图5-6所示，在Z轴导轨11，即主轴底端为负载，分别是挤丝机构8，微型电主轴9，自动换刀装置13，粗加工立铣刀7，换刀步进电机25和精加工球头铣刀14，负载安装在固定架套16上。挤丝机的加长喉管23可拆卸，两个铣刀也可以拆卸。粗加工立铣刀7进行增材制造完成后的粗加工，加工时自动换刀装置会将其位置旋转至竖直方向进行铣削，粗加工完成后，自动换刀装置将会根据指示将精加工球头铣刀14旋转至一定位置从而进行精加工。

如图7所示,机床内部安装有两个定位针以通过刀尖或喷嘴对准的方式测量喷嘴或铣刀的相对位置，并且安装有两个轴线成90度的工业CCD相机17，相机与挂在机床外壁的一个显示面板24连接，通过CCD相机17和显示面板24，可以在扩大数倍的状态观察针尖和喷嘴(或铣刀刀尖)在接近时的形状，以用来准确观察喷嘴(或铣刀刀尖)是否对准。

如图8所示，微型电主轴9的下方连接着第一传动杆29，第一传动杆29连接在第一锥齿轮30上，第一锥齿轮30驱动第二锥齿轮26运动，第二锥齿轮26驱动第三锥齿轮32运动，第三锥齿轮32连接着第二传动轴27，当主轴电机开启时会驱动第二传动轴27运动。换刀步进电机齿轮31固定在换刀步进电机25的电机轴上，铣刀夹具的顶部有传动轴，传动轴上有从动齿轮，从动齿轮和换刀步进电机齿轮31啮合，换刀步进电机25可驱动球头铣刀14和立铣刀7调整工位，当刀具变换工位的时候，刻度盘28会指在一定位置上时即为变换成功。当工位调整完成后，电机轴收缩脱开铣刀装置，此时将铣刀再次固紧到第二传动轴上，即可实现机械切削。

基于本发明所述增减材一体化设备的FDM三维打印工艺，包括如下步骤：

步骤1：前处理工作；首先返回机床原点，将设备切换至减材工位，然后标定工件坐标系，测量转台旋转中心的位置；

步骤2：增材制造过程；根据CAD模型生成工件主部件轨迹，设置好相应的工艺参数后将G代码导入到控制软件中去，机器启动开始进行三轴打印，打印完成后继续生成支部件的G代码；在打印前首先对点位，随机抽取G代码中的位置点，当挤丝机的喷嘴移动至指定点后观察是否发生干涉或者离该点位置过远的情况，如若有则重新对点位，如若没有则开启五轴联动打印；

步骤3：减材制造过程；当工件打印完成之后，将设备负载调整至减材工位，调整完成后观察刻度盘的示数并且校对点位，依据工业CCD相机所提取到的表面轮廓形状再生成减材加工轨迹，随即开启机器进行减材加工；当粗加工完成后，换刀步进电机启动将立铣刀调整为球头铣刀，再按照先前的轨迹行走一遍进行精加工；

步骤4：后处理；将机器返回至机床原点，将脱模热床板的两侧螺栓松开后取下，进而取出已加工完成的工件，再将热床板上的切屑清理干净后归位。

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 (6)

1.一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，包括机架、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、三维转台，其特征在于，所述Z轴导轨上安装有固定架套，所述固定架套上固定有FDM挤丝机、微型电主轴和电机；所述微型电主轴的底部连接自动换刀装置，自动换到装置底部安装有铣刀；所述微型电主轴可驱动铣刀在水平面旋转；所述电机可驱动铣刀在垂直面变换空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，其特征在于，所述自动换刀装置包括齿轮传动机构、传动轴、从动齿轮、铣刀；齿轮传动机构的两端分别连接微型电主轴和传动轴，从动齿轮安装在传动轴上，铣刀安装在从动齿轮上；所述电机的电机轴上设有主动齿轮，与所述从动齿轮啮合。

3.根据权利要求2所述的一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，其特征在于，所述自动换刀装置上设置有刻度盘，所述从动齿轮上设置有指针，指针的轴线与铣刀的轴线平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，其特征在于，所述铣刀包括立铣刀和球头铣刀，两者轴线成90度。

5.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，其特征在于，所述铣刀的刀尖或FDM挤丝机的喷嘴的下方和侧面，分别安装有垂直向上的定位针和水平的定位针；机架内部安装有两个轴线成90度的工业CCD相机，工业CCD相机与显示面板连接，两个工业CCD相机分别用于拍摄两个定位针，显示面板用于将工业CCD相机所拍摄图像放大显示。

6.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印工艺的增减材一体化设备，所述三维转台上设置工作平台，其特征在于，所述工作平台上设置热床垫板，热床垫板上设置脱模热床，脱模热床与热床垫板之间通过调节弹簧连接。

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