台式陶瓷三维喷印成形机以及成形方法与流程

本发明属于三维成形技术领域，具体涉及一种台式陶瓷三维喷印成形机以及成形方法。

背景技术：

随着3D打印技术的高速发展，陶瓷这一传统材料出现在3D打印技术中，利用3D打印技术完成陶瓷的成形，首先省去了模具，也就省去了模具制作等工序及费用；其次成形时间短，单件成形时间短；第三，不受模具限制，只需要按给定的程序变换产品品种，即能达到一件一个形状的要求，可实现生产的快捷化和个性化。

材料是3D打印技术的物质基础，也是制约3D打印技术发展的瓶颈。目前3D打印技术所采用的材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印技术领域得到了应用。而陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的医用。陶瓷作为一种传统材料，结合3D打印这一新型科技，在工业可生活中有着广阔的应用前景。

但是目前的陶瓷3D打印成形工艺尚未成熟，设计开发陶瓷3D打印机具有巨大的意义。另外，现有的3D打印成形机，具有体积大、占用空间大以及成形室不易清扫等不足，也不利于3D打印成形机的广泛普及。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种台式陶瓷三维喷印成形机以及成形方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种台式陶瓷三维喷印成形机，包括：支撑框架(1)、XY运动平台(2)、铺粉系统(3)、喷头系统(4)、送粉系统(5)、成型系统(6)、落粉接斗(7)和粉末收集盒(8)；

其中，所述XY运动平台(2)安装在所述支撑框架(1)的顶部，包括Y运动驱动装置(2-1)和X运动驱动装置(2-2)；其中，所述Y运动驱动装置(2-1)与所述铺粉系统(3)固定连接，用于带动所述铺粉系统(3)进行Y方向的运动；所述铺粉系统(3)与所述喷头系统(4)固定连接，当所述铺粉系统(3)进行Y方向的运动时，带动所述喷头系统(4)同步进行Y方向的运动；此外，所述喷头系统(4)还与所述X运动驱动装置(2-2)联动，通过所述X运动驱动装置(2-2)，带动所述喷头系统(4)独立进行X方向的运动；

所述送粉系统(5)设置于所述XY运动平台(2)的下方，所述送粉系统(5)包括送粉缸(5-1)、送粉平台(5-2)以及送粉升降机构(5-3)；其中，所述送粉缸(5-1)固定安装在所述支撑框架(1)上，并且，所述送粉缸(5-1)位于所述喷头系统(4)和所述铺粉系统(3)的下方；所述送粉平台(5-2)置于所述送粉缸(5-1)的腔体内，所述送粉平台(5-2)与所述送粉升降机构(5-3)联动，在所述送粉升降机构(5-3)的作用下，带动所述送粉平台(5-2)在所述送粉缸(5-1)内部进行升降运动；

所述成型系统(6)设置于所述XY运动平台(2)的下方，所述成型系统(6)包括成型缸(6-1)、成型平台(6-2)以及成型升降机构(6-3)；其中，所述成型缸(6-1)固定安装在所述支撑框架(1)上，并且，所述成型缸(6-1)位于所述喷头系统(4)和所述铺粉系统(3)的下方，且与所述送粉缸(5-1)等高度设置；所述成型平台(6-2)置于所述成型缸(6-1)的腔体内，所述成型平台(6-2)与所述成型升降机构(6-3)联动，在所述成型升降机构(6-3)的作用下，带动所述成型平台(6-2)在所述成型缸(6-1)内部进行升降运动；

所述落粉接斗(7)设置于所述成型缸(6-1)的下方，且与所述成型缸(6-1)的底部边缘固定连接，在所述落粉接斗(7)的下方，设置所述粉末收集盒(8)。

优选的，所述铺粉系统(3)包括铺粉支撑板(3-1)、铺粉运动电机(3-2)、铺粉辊(3-3)和第1传输皮带(3-4)；

其中，所述铺粉辊(3-3)设置于所述铺粉支撑板(3-1)的下面，所述铺粉运动电机(3-2)设置于所述铺粉支撑板(3-1)的上面，所述铺粉运动电机(3-2)通过所述第1传输皮带(3-4)与所述铺粉辊(3-3)联动，进而驱动所述铺粉辊 (3-3)转动。

优选的，所述Y运动驱动装置(2-1)包括Y轴驱动电机(2-1-1)、第2传输皮带(2-1-2)、左导轨(2-1-3)、右导轨(2-1-4)、左滑块(2-1-5)、右滑块和压块(2-1-6)；

其中，所述左导轨(2-1-3)和所述右导轨(2-1-4)对称设置于平台的左右两侧，并且，所述左导轨(2-1-3)和所述右导轨(2-1-4)的设置方向为Y方向；在所述左导轨(2-1-3)上方安装所述第2传输皮带(2-1-2)，所述第2传输皮带(2-1-2)与所述Y轴驱动电机(2-1-1)联动，在所述Y轴驱动电机(2-1-1)的带动下，所述第2传输皮带(2-1-2)进行Y方向的运动；

另外，所述铺粉支撑板(3-1)的左端与所述压块(2-1-6)固定连接，而所述压块(2-1-6)套设固定在所述第2传输皮带(2-1-2)上，所述压块(2-1-6)的底部固定所述左滑块(2-1-5)，所述左滑块(2-1-5)滑动安装在所述左导轨(2-1-3)上；所述铺粉支撑板(3-1)的右端通过所述右滑块滑动安装在所述右导轨(2-1-4)上；当所述第2传输皮带(2-1-2)进行Y方向的运动时，带动所述铺粉支撑板(3-1)沿所述左导轨(2-1-3)和所述右导轨(2-1-4)，同步进行Y方向的运动。

优选的，所述喷头系统(4)包括喷头安装架(4-1)和喷头(4-2)；所述X运动驱动装置(2-2)包括X轴运动安装架(2-2-1)、X轴传输皮带(2-2-2)、X轴驱动电机(2-2-3)和滑杆(2-2-4)；

所述X轴运动安装架(2-2-1)与所述铺粉系统(3)的铺粉支撑板(3-1)固定连接，从而跟随所述铺粉系统(3)沿导轨实现Y方向上的移动；

在所述X轴运动安装架(2-2-1)上，沿X方向平行安装所述X轴传输皮带(2-2-2)和所述滑杆(2-2-4)；并且，所述X轴传输皮带(2-2-2)在所述X轴驱动电机(2-2-3)的驱动下，进行X方向运动；所述滑杆(2-2-4)与所述X轴运动安装架(2-2-1)固定连接；

所述喷头安装架(4-1)的上端套设固定在所述X轴传输皮带(2-2-2)的外部，所述喷头安装架(4-1)的下端套设滑动安装在所述滑杆(2-2-4)上；当所述X轴传输皮带(2-2-2)进行X方向运动时，带动所述喷头安装架(4-1)沿所 述滑杆(2-2-4)进行X方向运动；在所述喷头安装架(4-1)上面，固定安装所述喷头(4-2)。

优选的，所述送粉升降机构(5-3)包括：送粉运动电机(5-3-1)、送粉装置固定底板(5-3-2)、送粉滚珠丝杠螺母副(5-3-3)和送粉导杆(5-3-4)；

其中，所述送粉滚珠丝杠螺母副(5-3-3)的顶端与所述送粉平台(5-2)固定连接，所述送粉滚珠丝杠螺母副(5-3-3)的底端与所述送粉装置固定底板(5-3-2)固定连接，所述送粉导杆(5-3-4)可伸缩安装在所述送粉平台(5-2)和所述送粉装置固定底板(5-3-2)之间；并且，所述送粉装置固定底板(5-3-2)固定安装在所述支撑框架(1)的底部，送粉运动电机(5-3-1)与所述送粉滚珠丝杠螺母副(5-3-3)联动，用于驱动所述送粉滚珠丝杠螺母副(5-3-3)进行升降运动，进而带动所述送粉平台(5-2)进行升降运动。

优选的，所述成型升降机构(6-3)包括：成型运动电机(6-3-1)、成型装置固定底板(6-3-2)、成型滚珠丝杠螺母副(6-3-3)和成型导杆(6-3-4)；

其中，所述成型滚珠丝杠螺母副(6-3-3)的顶端与所述成型平台(6-2)固定连接，所述成型滚珠丝杠螺母副(6-3-3)的底端与所述成型装置固定底板(6-3-2)固定连接，所述成型导杆(6-3-4)可伸缩安装在所述成型平台(6-2)和所述成型装置固定底板(6-3-2)之间；并且，所述成型装置固定底板(6-3-2)固定安装在所述支撑框架(1)的底部，成型运动电机(6-3-1)与所述成型滚珠丝杠螺母副(6-3-3)联动，用于驱动所述成型滚珠丝杠螺母副(6-3-3)进行升降运动，进而带动所述成型平台(6-2)进行升降运动。

优选的，所述成型缸(6-1)包括成型缸本体(6-1-1)和成型缸门(6-1-2)；

在所述成型缸本体(6-1-1)的侧壁固定安装有门导轨(6-1-3)，所述成型缸门(6-1-2)可沿所述门导轨(6-1-3)上下移动。

优选的，所述成型缸(6-1)还包括限位块(6-1-4)和销钉(6-1-5)；

在所述成型缸门(6-1-2)的外壁水平开设有销孔(6-1-6)，所述销钉(6-1-5)可水平移动的安装在所述销孔(6-1-6)中；

所述限位块(6-1-4)包括成一定角度连接的第1限位板(6-1-4-1)和第2限位板(6-1-4-2)；所述第1限位板(6-1-4-1)固定在所述成型缸本体(6-1-1)的 壁上；所述第2限位板(6-1-4-2)朝向所述成型缸门(6-1-2)的侧壁，并且，在所述第2限位板(6-1-4-2)开设有通孔(6-1-4-3)，所述销钉(6-1-5)可移动插入到所述通孔(6-1-4-3)中，实现关闭成型缸门的效果；所述销钉(6-1-5)从所述通孔(6-1-4-3)中移出时，实现打开成型缸门的效果。

本发明还提供一种台式陶瓷三维喷印成形方法，包括以下步骤：

步骤1，铺粉运动电机(3-2)、成型运动电机(6-3-1)、送粉运动电机(5-3-1)、Y轴驱动电机(2-1-1)和X轴驱动电机(2-2-3)均连接到处理器；

步骤2，处理器生成待成形件的CAD模型，并采用分层软件，将待成形件分为若干层，并记录每一层曲面的外形轮廓的曲面函数以及该层的高度Z值，由此得到每层的配置文件；

步骤3，然后，向送粉平台(5-2)中加入陶瓷粉末，处理器驱动送粉运动电机(5-3-1)，使送粉平台(5-2)在送粉缸(5-1)中上升到设定值；同时，处理器驱动成型运动电机(6-3-1)，通过成型运动电机(6-3-1)，使成型平台(6-2)在成型缸(6-1)中上升到设定值；

然后，处理器同时驱动Y轴驱动电机(2-1-1)、铺粉运动电机(3-2)和X轴驱动电机(2-2-3)；在铺粉运动电机(3-2)的带动下，使铺粉辊(3-3)转动；同时，在Y轴驱动电机(2-1-1)的带动下，使铺粉辊(3-3)发生Y方向运动，进而将送粉平台(5-2)中的陶瓷粉末铺设在成型平台(6-2)上；

同时，在铺粉辊(3-3)将陶瓷粉末铺设在成型平台(6-2)的过程中，喷头(4-2)进行同步的Y方向运动，并且，每当喷头(4-2)在Y方向运动到某点后，根据本层配置文件，喷头(4-2)进行X方向运动，按一定路径喷出粘贴剂，使陶瓷粉末粘结；

步骤4，喷头(4-2)对当前层选择粘结完毕后，处理器控制送粉平台(5-2)上升一定距离，同时，控制成型平台(6-2)下降一定距离；

步骤5，然后，处理理根据当前层的配置文件，重复步骤3-4，再次进行铺粉、喷头选择性喷射而粘结的过程，如此层层累积，直至打印完成。

优选的，还包括：

步骤6，在打印结束后，打开成型缸门(6-1-2)，取出制品，并清理掉多余 的粉末。

本发明提供的台式陶瓷三维喷印成形机以及成形方法具有以下优点：

可以在桌面上使用，尺寸小，具有整体结构简单小巧紧凑，便于安装使用的优点；另外，成型室设置可开关的门，方便成型结束后取出制品以及清洁打扫成型室。

附图说明

图1为台式陶瓷三维喷印成形机的整体结构示意图；

图2为XY运动平台以及所安装的铺粉系统和喷头系统的结构示意图；

图3为喷头系统和X运动驱动装置的安装结构示意图；

图4为送粉系统的结构示意图；

图5为送粉缸的结构示意图；

图6为成型系统的结构示意图；

图7为成型缸的结构示意图；

图8为图7中A部分的局部放大图；

图9为限位块6-1-4的结构示意图；

图10为落粉接斗的结构示意图；

图11为粉末收集盒的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种台式陶瓷三维喷印成形机，如图1所示，为台式陶瓷三维喷印成形机的整体结构示意图，包括：支撑框架1、XY运动平台2、铺粉系统3、喷头系统4、送粉系统5、成型系统6、落粉接斗7和粉末收集盒8；

其中，XY运动平台2安装在支撑框架1的顶部，如图2所示，为XY运动平台以及所安装的铺粉系统和喷头系统的结构示意图；包括Y运动驱动装置2-1和X运动驱动装置2-2；其中，Y运动驱动装置2-1与铺粉系统3固定连接，用于带动铺粉系统3进行Y方向的运动；铺粉系统3与喷头系统4固定连接，当铺粉系统3进行Y方向的运动时，带动喷头系统4同步进行Y方向的运动；此外，喷头系统4还与X运动驱动装置2-2联动，通过X运动驱动装置2-2，带动喷头系统4独立进行X方向 的运动；

送粉系统5设置于XY运动平台2的下方，送粉系统5包括送粉缸5-1、送粉平台5-2以及送粉升降机构5-3；其中，送粉缸5-1固定安装在支撑框架1上，并且，送粉缸5-1位于喷头系统4和铺粉系统3的下方；送粉平台5-2置于送粉缸5-1的腔体内，送粉平台5-2与送粉升降机构5-3联动，在送粉升降机构5-3的作用下，带动送粉平台5-2在送粉缸5-1内部进行升降运动；

成型系统6设置于XY运动平台2的下方，成型系统6包括成型缸6-1、成型平台6-2以及成型升降机构6-3；其中，成型缸6-1固定安装在支撑框架1上，并且，成型缸6-1位于喷头系统4和铺粉系统3的下方，且与送粉缸5-1等高度设置；成型平台6-2置于成型缸6-1的腔体内，成型平台6-2与成型升降机构6-3联动，在成型升降机构6-3的作用下，带动成型平台6-2在成型缸6-1内部进行升降运动；

落粉接斗7设置于成型缸6-1的下方，且与成型缸6-1的底部边缘固定连接，在落粉接斗7的下方，设置粉末收集盒8。如图10所示，为落粉接斗的结构示意图；如图11所示，为粉末收集盒的结构示意图。

以下对各主要部件的详细结构，分别进行介绍：

(一)铺粉系统

参考图2，铺粉系统3包括铺粉支撑板3-1、铺粉运动电机3-2、铺粉辊3-3和第1传输皮带3-4；

其中，铺粉辊3-3设置于铺粉支撑板3-1的下面，铺粉运动电机3-2设置于铺粉支撑板3-1的上面，铺粉运动电机3-2通过第1传输皮带3-4与铺粉辊3-3联动，进而驱动铺粉辊3-3转动。

(二)Y运动驱动装置

参考图2，Y运动驱动装置2-1包括Y轴驱动电机2-1-1、第2传输皮带2-1-2、左导轨2-1-3、右导轨2-1-4、左滑块2-1-5、右滑块和压块2-1-6；

其中，左导轨2-1-3和右导轨2-1-4对称设置于平台的左右两侧，并且，左导轨2-1-3和右导轨2-1-4的设置方向为Y方向；在左导轨2-1-3上方安装第2传输皮带2-1-2，第2传输皮带2-1-2与Y轴驱动电机2-1-1联动，在Y轴驱动电机2-1-1的带动下，第2传输皮带2-1-2进行Y方向的运动；

另外，铺粉支撑板3-1的左端与压块2-1-6固定连接，而压块2-1-6套设固定在第2传输皮带2-1-2上，压块2-1-6的底部固定左滑块2-1-5，左滑块2-1-5滑动安装在左导轨2-1-3上；铺粉支撑板3-1的右端通过右滑块滑动安装在右导轨2-1-4上；当第2传输皮带2-1-2进行Y方向的运动时，带动铺粉支撑板3-1沿左导轨2-1-3和右导轨2-1-4，同步进行Y方向的运动。

(三)喷头系统

参考图3，为喷头系统和X运动驱动装置的安装结构示意图；喷头系统4包括喷头安装架4-1和喷头4-2；X运动驱动装置2-2包括X轴运动安装架2-2-1、X轴传输皮带2-2-2、X轴驱动电机2-2-3和滑杆2-2-4；

X轴运动安装架2-2-1与铺粉系统3的铺粉支撑板3-1固定连接，从而跟随铺粉系统3沿导轨实现Y方向上的移动；

在X轴运动安装架2-2-1上，沿X方向平行安装X轴传输皮带2-2-2和滑杆2-2-4；并且，X轴传输皮带2-2-2在X轴驱动电机2-2-3的驱动下，进行X方向运动；滑杆2-2-4与X轴运动安装架2-2-1固定连接；

喷头安装架4-1的上端套设固定在X轴传输皮带2-2-2的外部，喷头安装架4-1的下端套设滑动安装在滑杆2-2-4上；当X轴传输皮带2-2-2进行X方向运动时，带动喷头安装架4-1沿滑杆2-2-4进行X方向运动；在喷头安装架4-1上面，固定安装喷头4-2。

(四)送粉系统

参考图4，为送粉系统的结构示意图；送粉系统5包括送粉缸5-1、送粉平台5-2以及送粉升降机构5-3；送粉缸5-1在图4中未示出；如图5所示，为送粉缸的结构示意图；其中，送粉缸5-1固定安装在支撑框架1上，并且，送粉缸5-1位于喷头系统4和铺粉系统3的下方；送粉平台5-2置于送粉缸5-1的腔体内，送粉平台5-2与送粉升降机构5-3联动，在送粉升降机构5-3的作用下，带动送粉平台5-2在送粉缸5-1内部进行升降运动；

其中，送粉升降机构5-3包括：送粉运动电机5-3-1、送粉装置固定底板5-3-2、送粉滚珠丝杠螺母副5-3-3和送粉导杆5-3-4；

其中，送粉滚珠丝杠螺母副5-3-3的顶端与送粉平台5-2固定连接，送粉滚珠 丝杠螺母副5-3-3的底端与送粉装置固定底板5-3-2固定连接，送粉导杆5-3-4可伸缩安装在送粉平台5-2和送粉装置固定底板5-3-2之间；并且，送粉装置固定底板5-3-2固定安装在支撑框架1的底部，送粉运动电机5-3-1与送粉滚珠丝杠螺母副5-3-3联动，用于驱动送粉滚珠丝杠螺母副5-3-3进行升降运动，进而带动送粉平台5-2进行升降运动。

(五)成型系统

如图6所示，为成型系统的结构示意图；成型系统6包括成型缸6-1、成型平台6-2以及成型升降机构6-3；成型缸6-1在图5中未示出；其中，成型缸6-1固定安装在支撑框架1上，并且，成型缸6-1位于喷头系统4和铺粉系统3的下方，且与送粉缸5-1等高度设置；成型平台6-2置于成型缸6-1的腔体内，成型平台6-2与成型升降机构6-3联动，在成型升降机构6-3的作用下，带动成型平台6-2在成型缸6-1内部进行升降运动；

其中，成型升降机构6-3包括：成型运动电机6-3-1、成型装置固定底板6-3-2、成型滚珠丝杠螺母副6-3-3和成型导杆6-3-4；

其中，成型滚珠丝杠螺母副6-3-3的顶端与成型平台6-2固定连接，成型滚珠丝杠螺母副6-3-3的底端与成型装置固定底板6-3-2固定连接，成型导杆6-3-4可伸缩安装在成型平台6-2和成型装置固定底板6-3-2之间；并且，成型装置固定底板6-3-2固定安装在支撑框架1的底部，成型运动电机6-3-1与成型滚珠丝杠螺母副6-3-3联动，用于驱动成型滚珠丝杠螺母副6-3-3进行升降运动，进而带动成型平台6-2进行升降运动。

另个，对于成型缸，本发明还提供一种特殊结构的成型缸，具有易开缸门的优点，具体的，如图7所示，为成型缸的结构示意图，成型缸6-1包括成型缸本体6-1-1和成型缸门6-1-2；

如图8所示，为图7中A部分的局部放大图，在成型缸本体6-1-1的侧壁固定安装有门导轨6-1-3，成型缸门6-1-2可沿门导轨6-1-3上下移动。

成型缸6-1还包括限位块6-1-4和销钉6-1-5；在成型缸门6-1-2的外壁水平开设有销孔6-1-6，销钉6-1-5可水平移动的安装在销孔6-1-6中；

如图9所示，为限位块6-1-4的结构示意图，限位块6-1-4包括成一定角度连接 的第1限位板6-1-4-1和第2限位板6-1-4-2；第1限位板6-1-4-1固定在成型缸本体6-1-1的壁上；第2限位板6-1-4-2朝向成型缸门6-1-2的侧壁，并且，在第2限位板6-1-4-2开设有通孔6-1-4-3，销钉6-1-5可移动插入到通孔6-1-4-3中，实现关闭成型缸门的效果；销钉6-1-5从通孔6-1-4-3中移出时，实现打开成型缸门的效果。

本发明还提供一种台式陶瓷三维喷印成形方法，包括以下步骤：

步骤1，铺粉运动电机3-2、成型运动电机6-3-1、送粉运动电机5-3-1、Y轴驱动电机2-1-1和X轴驱动电机2-2-3均连接到处理器；

步骤2，处理器生成待成形件的CAD模型，并采用分层软件，将待成形件分为若干层，并记录每一层曲面的外形轮廓的曲面函数以及该层的高度Z值，由此得到每层的配置文件；

步骤3，然后，向送粉平台5-2中加入陶瓷粉末，处理器驱动送粉运动电机5-3-1，使送粉平台5-2在送粉缸5-1中上升到设定值；同时，处理器驱动成型运动电机6-3-1，通过成型运动电机6-3-1，使成型平台6-2在成型缸6-1中上升到设定值；

然后，处理器同时驱动Y轴驱动电机2-1-1、铺粉运动电机3-2和X轴驱动电机2-2-3；在铺粉运动电机3-2的带动下，使铺粉辊3-3转动；同时，在Y轴驱动电机2-1-1的带动下，使铺粉辊3-3发生Y方向运动，进而将送粉平台5-2中的陶瓷粉末铺设在成型平台6-2上；

同时，在铺粉辊3-3将陶瓷粉末铺设在成型平台6-2的过程中，喷头4-2进行同步的Y方向运动，并且，每当喷头4-2在Y方向运动到某点后，根据本层配置文件，喷头4-2进行X方向运动，按一定路径喷出粘贴剂，使陶瓷粉末粘结；

步骤4，喷头4-2对当前层选择粘结完毕后，处理器控制送粉平台5-2上升一定距离，同时，控制成型平台6-2下降一定距离；

步骤5，然后，处理理根据当前层的配置文件，重复步骤3-4，再次进行铺粉、喷头选择性喷射而粘结的过程，如此层层累积，直至打印完成。

还包括：

步骤6，在打印结束后，打开成型缸门6-1-2，取出制品，并清理掉多余的粉末。

综上所术，本发明提供的台式陶瓷三维喷印成形机以及成形方法具有以下优点：可以在桌面上使用，尺寸小，具有整体结构简单小巧紧凑，便于安装使用的优点；另外，成型室设置可开关的门，方便成型结束后取出制品以及清洁打扫成型室。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。