3D打印设备论文和设计-张卉伊

全文摘要

本实用新型提供一种3D打印设备，包括传动系统和物料挤出装置；传动系统的Z向传动机构包括两个直线模组Z及其各自的驱动电机，其导轨Z相互平行且滑块Z正向相对；Y向传动机构由两个直线模组Y及其各自的驱动电机构成，两个直线模组Y固定连接在两个滑块Z的相对面上，导轨Y与导轨Z垂直且两个滑块Y正向相对；X向传动机构至少包括一个直线模组X及其驱动电机，每个直线模组X两端固定连接两个滑块Y；滑块X上设有物料挤出装置，物料挤出装置内部设有匹配其内径变化的变径螺旋叶片的螺旋挤出机构；物料挤出装置顶部设有控制变径螺旋叶片转轴运行的电机。本实用新型的3D打印设备可广泛用于各种领域的增材制造，结构稳定、操控方便。

主设计要求

1.一种3D打印设备，它包括传动系统和物料挤出装置；所述的传动系统包括传动方向两两正交的X向传动机构、Y向传动机构和Z向传动机构；其特征在于：所述的Z向传动机构包括两个直线模组Z及其各自的驱动电机，每个直线模组Z设有直线导轨Z和滑块Z，两个所述的导轨Z相互平行且两个所述的滑块Z正向相对；所述的Y向传动机构由两个直线模组Y及其各自的驱动电机构成，每个直线模组Y设有直线导轨Y和滑块Y，所述的两个直线模组Y固定连接在两个所述的滑块Z上，所述的导轨Y与所述的导轨Z垂直且两个所述的滑块Y正向相对；所述的X向传动机构至少包括一个直线模组X及其驱动电机，每个所述的直线模组X设有直线导轨X和滑块X，每个所述的直线模组X两端固定连接两个所述的滑块Y；所述的滑块X上设有所述的物料挤出装置，所述的物料挤出装置包括储料桶，所述的储料桶下端固定连接挤出嘴；所述储料桶和挤出嘴内部连通的空间内设有螺旋挤出机构；所述的螺旋挤出机构包括纵贯所述储料桶和挤出嘴设置的转轴和在储料桶下部及挤出嘴内围绕所述转轴螺旋设置的螺旋叶片；所述的螺旋叶片为匹配所述储料桶和挤出嘴内径变化的变径螺旋叶片；所述的物料挤出装置顶部设有控制所述转轴运行的电机。

设计方案

1.一种3D打印设备，它包括传动系统和物料挤出装置；所述的传动系统包括传动方向两两正交的X向传动机构、Y向传动机构和Z向传动机构；其特征在于：

所述的Z向传动机构包括两个直线模组Z及其各自的驱动电机，每个直线模组Z设有直线导轨Z和滑块Z，两个所述的导轨Z相互平行且两个所述的滑块Z正向相对；所述的Y向传动机构由两个直线模组Y及其各自的驱动电机构成，每个直线模组Y设有直线导轨Y和滑块Y，所述的两个直线模组Y固定连接在两个所述的滑块Z上，所述的导轨Y与所述的导轨Z垂直且两个所述的滑块Y正向相对；所述的X向传动机构至少包括一个直线模组X及其驱动电机，每个所述的直线模组X设有直线导轨X和滑块X，每个所述的直线模组X两端固定连接两个所述的滑块Y；

所述的滑块X上设有所述的物料挤出装置，所述的物料挤出装置包括储料桶，所述的储料桶下端固定连接挤出嘴；所述储料桶和挤出嘴内部连通的空间内设有螺旋挤出机构；所述的螺旋挤出机构包括纵贯所述储料桶和挤出嘴设置的转轴和在储料桶下部及挤出嘴内围绕所述转轴螺旋设置的螺旋叶片；所述的螺旋叶片为匹配所述储料桶和挤出嘴内径变化的变径螺旋叶片；所述的物料挤出装置顶部设有控制所述转轴运行的电机。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：进一步设置底板，两个所述的直线模组Z底端通过轴承固定连接所述的底板；所述底板上，每个所述直线模组Z两侧设有与其等高的立柱，每两个相邻的所述立柱顶端之间均设有横梁，每个所述直线模组Z的顶端与其上方的所述横梁固定连接。

3.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于：所述的直线模组Z是设有丝杠和螺母的丝杠驱动直线模组，所述的滑块Z固定连接所述的螺母。

4.根据权利要求3所述的3D打印设备，其特征在于：所述的Z向传动机构进一步在所述丝杠至少一侧设有与之平行的光轴导轨，所述的滑块Z同时滑动连接所述的光轴导轨；所述的光轴导轨底端固定连接所述底板，顶端固定连接所述横梁。

5.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于：每个所述的丝杠两侧同时设有所述的光轴导轨；所述的滑块Z同时滑动连接两个所述的光轴导轨；每个所述的光轴导轨底端固定连接所述底板且顶端固定连接所述横梁。

6.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的直线模组Y和直线模组X是同步带驱动的直线模组。

7.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述物料挤出装置的储料桶顶部设有顶盖，所述的顶盖开有中心通孔和至少一个周围通孔；在所述的顶盖上方，所述的中心通孔处设有所述控制所述转轴的电机，所述的转轴顶端穿过所述中心通孔后连接所述的电机，所述的电机通过电源线获得外部供电。

8.根据权利要求7所述的3D打印设备，其特征在于：所述物料挤出装置的所述顶盖任意一个周围通孔上安装有半圆形漏斗；所述的半圆形漏斗下方端口通过所述的周围通孔伸入所述的储料桶内部。

9.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的物料挤出装置进一步设有温度可调的电加热装置；所述的电加热装置包括温度控制器和与所述温度控制器电连接的电阻丝，所述的温度控制器安装在所述的储料桶外部，所述的电阻丝设置在所述挤出装置内部。

10.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的物料挤出装置通过抱箍组件和螺接组件可拆卸地安装在所述滑块X上；所述的螺接组件固定连接在所述的滑块X上，并设有螺接面和螺孔；所述的抱箍组件由一安装板枢接一对可开闭抱环构成，所述的安装板设有若干螺孔且与所述螺接组件的螺接面螺接固定，所述物料挤出装置的储料桶置于所述可开闭抱环内，所述的可开闭抱环活动端成对地设有相配合的搭扣组件，用于将所述可开闭抱环与其内部的储料桶锁紧固定。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种增材制造设备，具体涉及一种3D打印设备。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing)”、“实体自由制造(Solid Free-formFabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

现有技术中，用于3D打印的设备普遍在稳定性、精确性和操作便利性方面存在不足，使3D打印的规模化推广受到制约。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种综合性能更佳的3D打印设备。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

提供一种3D打印设备，它包括传动系统和物料挤出装置；

所述的传动系统包括传动方向两两正交的X向传动机构、Y向传动机构和Z向传动机构；其中，所述的Z向传动机构包括两个直线模组Z及其各自的驱动电机，每个直线模组Z设有直线导轨Z和滑块Z，两个所述的导轨Z相互平行且两个所述的滑块Z正向相对；所述的Y向传动机构由两个直线模组Y及其各自的驱动电机构成，每个直线模组Y设有直线导轨Y和滑块Y，所述的两个直线模组Y固定连接在两个所述的滑块Z上，所述的导轨Y与所述的导轨Z垂直且两个所述的滑块Y正向相对；所述的X向传动机构至少包括一个直线模组X及其驱动电机，每个所述的直线模组X设有直线导轨X和滑块X，每个所述的直线模组X两端固定连接两个所述的滑块Y；

为了提高本实用新型3D打印设备整体运行的稳定性，本实用新型优选的方案中，所述的3D打印设备进一步设置底板，所述的两个直线模组Z底端通过轴承固定连接所述的底板；所述底板上，每个所述直线模组Z两侧设有与其等高的立柱，每两个相邻的所述立柱顶端之间均设有横梁，每个所述直线模组Z的顶端与其上方的所述横梁固定连接。

为了进一步提高Z向传动的稳定性，本实用新型更优选的方案中，所述的直线模组Z是设有丝杠和螺母的丝杠驱动直线模组，所述的滑块Z固定连接所述的螺母；所述的Z向传动机构进一步在所述丝杠至少一侧设有与之平行的光轴导轨，所述的滑块Z同时滑动连接所述的光轴导轨；所述的光轴导轨底端固定连接所述底板，顶端固定连接所述横梁。

本实用新型进一步优选的方案中，每个所述的丝杠两侧同时设有光轴导轨；所述的滑块Z同时滑动连接两个所述的光轴导轨；每个所述的光轴导轨底端固定连接所述底板且顶端固定连接所述横梁。

本实用新型优选的方案中，所述的直线模组Y和直线模组X是同步带驱动的直线模组。

本实用新型优选的方案中，所述物料挤出装置的储料桶顶部设有顶盖，所述的顶盖开有中心通孔和至少一个周围通孔；在所述的顶盖上方，所述的中心通孔处设有所述控制所述转轴的电机，所述的转轴顶端穿过所述中心通孔后连接所述的电机，所述的电机通过电源线获得外部供电。

为了更方便地向所述的储料桶内输送胶凝材料，本实用新型的优选方案中，所述物料挤出装置的所述顶盖任意一个周围通孔上安装有半圆形漏斗；所述的半圆形漏斗下方端口通过所述的周围通孔伸入所述的柱状储料桶内部。所述的半圆形漏斗一方面可以用于引导打印材料进入储料桶，另一方面可以为清洗储料桶内的剩料提供方便，可以引导带有一定压力的水管伸入储料桶内完成清洗，这样能够避免清洗用水四处飞溅，也很容易将储料桶内的螺旋叶片和桶壁上粘的剩料清洗干净。

为了使挤出的物料更快地水化，本实用新型优选的方案中，所述的物料挤出装置进一步设有温度可调的电加热装置；所述的电加热装置包括温度控制器和与所述温度控制器电连接的电阻丝，所述的温度控制器安装在所述的柱状储料桶外部，所述的电阻丝设置在所述挤出装置内部。在所述的挤出装置内部，所述的电阻丝可以在所述柱状储料桶内壁上沿周向设置，或在所述挤出嘴下端口内沿周向设置，或在所述螺旋杆上沿周向设置。所述的温度控制器用于设置打印温度，在打印挤出前控制电阻丝加热至预设温度，然后开始打印挤出物料。本实用新型通过设置所述电加热装置，可使打印材料在预设的温度下打印，打印后的材料可以快速凝结。

本实用新型优选的方案中，所述的物料挤出装置通过抱箍组件和螺接组件可拆卸地安装在所述滑块X上；所述的螺接组件固定连接在所述的滑块X上，并设有螺接面和螺孔；所述的抱箍组件由一安装板枢接一对可开闭抱环构成，所述的安装板设有若干螺孔且与所述螺接组件的螺接面螺接固定，所述物料挤出装置的储料桶置于所述可开闭抱环内，所述的可开闭抱环活动端成对地设有相配合的搭扣组件，用于将所述可开闭抱环与其内部的储料桶锁紧固定。

本实用新型所述的3D打印设备，可以广泛用于各种材料的3D打印作业。使用前，将所述的驱动电机连接外部的控制系统，并向控制系统输入预先设计好的工程图样，控制系统根据工程图样实时调控各方向的驱动电机，同时物料机出装置受到自身电机驱动，能够按照工程图样逐层提供物料，最终完成3D打印。

与现有技术相比，本实用新型的3D打印设备由于安装有结构更加合理的物料挤出装置而显著改善了目前3D打印中存在的物料挤出不彻底的问题。其中，所述物料挤出机构的变径螺旋叶片会最大限度地将储料桶内的物料搅动下推，因此储料桶内几乎不会剩余凝胶材料，挤出嘴部分也不会发生堵塞。此外，本实用新型优选的方案中，通过设置与Z向传动机构固定连接的底板和框架，使得三维传动更加稳定和精准；同时相比现有的龙门架式3D打印机，本实用新型的3D打印设备不仅具有更开放的顶部空间，使物料挤出装置的纵向传动范围得到了进一步扩大，也使挤出装置的输料和装卸操作更加方便，而且打印设备整体重心更低，稳定性更高。

附图说明

图1和图2分别从不同角度体现了实施例1所述3D打印机的整体结构。

图3是实施例1所述3D打印机上安装物料挤出装置的结构示意图。

图4是实施例1所述3D打印机的物料挤出装置的剖面结构示意图。

图5是实施例2所述3D打印机的物料挤出装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

一种3D打印设备，它包括传动系统和物料挤出装置；

所述的传动系统由长方形的底板、框架和三维传动机构构成。如图1、2所示，底板0上表面四个角位置垂直设有同规格的立柱11，每个立柱11的底端与底板0固定连接，相邻的立柱11顶端设有横梁12，由立柱11和横梁12共同构成长方体框架，并在底板0、立柱11和横梁12之间的每个连接位置设置直角连接件。一组平行的横梁12与底板0之间固定安装Z向传动机构，Z向传动机构由分立在底板0两对边位置的两组纵向传动机构构成，每组中包括1个丝杠螺母副21和丝杠螺母副21两侧与其平行设置的2个光轴导轨22。每个丝杠螺母副21上部与横梁12通过带孔安装板14形成固定连接，并且丝杠螺母副21的丝杠穿过带孔安装板14的孔在横梁12上方通过联轴器与伺服电机1连接；每个丝杠螺母副21底端通过轴承23与底板0连接。每个光轴导轨22的两端分别与带孔安装板14和底板0形成固定连接。每组丝杠螺母副21及其两侧的光轴导轨22上设有一个Z向滑动组件24，可以在伺服电机1的驱动下沿丝杠和光轴做纵向(Z向)的上下运动。每个Z向滑动组件24上通过条形连接板25固定连接一个传动方向与丝杠垂直的Y向同步带模组26，每个Y向同步带模组26端部都通过联轴器连接一个伺服电机1。两个Y向同步带模组26平行且正相对形成Y向传动机构。两个Y向同步带模组26的滑块固定连接同一个X向同步带模组27，X向同步带模组27端部通过联轴器连接一个伺服电机1，形成X向传动机构。

物料挤出装置通过抱箍组件和螺接组件可拆卸地安装在X向同步带模组27的滑块上；如图3所示，X向同步带模组27的滑块上表面固定连接一个带孔安装架28作为螺接组件，螺接组件一面设有螺接面和螺孔；抱箍组件由一安装板291枢接一对可开闭抱环292构成。安装板291设有若干螺孔且与带孔安装架28的螺接面螺接固定，物料挤出装置的储料桶置于可开闭抱环292内，可开闭抱环292活动端成对地设有相配合的搭扣组件293，用于将可开闭抱环与其内部的储料桶锁紧固定。带孔安装架28的另一侧设有与物料挤出装置重量匹配的配重块3。

如图3、4所示，物料挤出装置包括圆柱状储料桶31，圆柱状储料桶31下端固定连接圆形漏斗状挤出嘴32；储料桶31和挤出嘴32内部中空并贯穿地设有螺旋挤出机构；螺旋挤出机构纵贯储料桶31和挤出嘴32设置转轴33，自储料桶31下部起，围绕转轴33自上而下设置变径螺旋叶片34；变径螺旋叶片34的叶片主体位于挤出嘴32的漏斗内，小部分位于储料桶31下段，螺旋叶片34变径部分的半径自下而上依挤出嘴32的漏斗部分内径逐渐变大。储料桶31顶部设有顶盖36，顶盖36开有中心通孔37，中心通孔37两侧对称地开有2个周围通孔38；在顶盖36上方，中心通孔37处设有控制转轴33的伺服电机1，转轴33顶端从储料桶31内部穿过中心通孔37后，在顶盖36上方通过联轴器连接伺服电机1。任意一个周围通孔38上安装有半圆形漏斗39；半圆形漏斗39下方端口通过周围通孔38伸入储料桶31内部。半圆形漏斗39一方面可以用于引导打印材料进入储料桶31，另一方面可以为清洗储料桶31内的剩料提供方便，可以引导带有一定压力的水管伸入储料桶31内完成清洗，这样能够避免清洗用水四处飞溅，也很容易将储料桶31内的螺旋叶片34和桶壁上粘的剩料清洗干净。

实施例2

一种3D打印设备，其主体结构与实施例1的相同，区别在于，在物料挤出装置的储料桶31内壁上周向设置电加热层，如图5所示，所述的电加热层由电阻丝312及温度传感器(未示出)构成，所述的电阻丝312通过线缆319穿过顶盖36上的周围通孔38与固定安装在储料桶31外壁上的温度控制器320电连接。所述的温度控制器320和温度传感器用于设定和控制打印温度，在打印挤出前控制电阻丝312加热至预设温度，然后开始打印挤出物料。通过设置该电加热层，可使打印材料在预设的温度下打印，打印后的材料可以快速凝结。

设计图

3D打印设备论文和设计

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