吊索式3D打印系统的制作方法

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种3D(三维)打印机，具体来说就是一种吊索式3D打印系统。

背景技术：

3D(三维)打印机是一种增材制造技术，即用于快速成型的一种机器，3D打印机是以数字模型文件为基础，运用蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维物体。3D打印机的基本原理就是将数据和原料放入3D打印机中，3D打印机会按照程序把产品一层层造出来。

目前常见的3D打印机主要通过皮带轮和光轴搭建的复杂架体结构控制打印头在三维空间自由移动，从而实现三维物体的打印。但是现有3D打印机需要大量的皮带轮和光轴搭建架体结构，需要消耗大量移动设备及材料，这对于大尺寸3D打印机尤其明显，为了让打印头在X轴、Y轴及Z轴上能够自由移动，需要庞大的升降机构、左右平移机构及前后平移机构，实现起来相对比较复杂；并且现有3D打印机很难打印出巨型、高耸物体；而且，现有3D打印机对地形要求比较高，要求地势平坦。另外，现有3D打印机复杂的空间立体结构还容易受到输电线路及输料线路的影响，打印头的移动灵活性差，无法满足特定物品的三维打印需求。

因此，本领域技术人员亟需一种结构相对简单、能够打印大型物体、打印机头移动灵活性好、打印环境要求低的3D打印机。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种吊索式大尺寸3D打印系统，解决了现有技术中大尺寸3D打印机结构复杂、打印机头灵活性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种吊索式3D打印系统，包括：打印机头，用于打印三维物体；多条吊索，与所述打印机头连接，用于吊挂所述打印机头；与所述吊索对应的多个驱动设备，呈发散状设置，用于收放所述吊索从而调整所述打印机头的空间位置；控制器，与所述驱动设备连接，用于根据数据模型文件控制所述驱动设备转动从而调整所述打印机头的空间位置。

根据本发明的上述具体实施方式可知，吊索式3D打印系统至少具有以下有益效果：利用四条钢索连接3D打印机头，钢索另一端缠绕在驱动设备绕线盘上，驱动设备固定在固定物(例如墙壁、房顶、树、峭壁)上，驱动设备分布在平面矩形的四个顶点上，从而保证四条钢索呈矩形对角线状分布；利用驱动设备收放相关钢索，可以改变3D打印机头的位置，即调整3D打印机头在不同位置区域喷吐打印材料，进行3D打印；3D打印机头不与周围除钢索外任何部件连接，排除了输电线路及输料管路的影响，3D打印机头灵活度高。本发明可以实现大型、巨型物体的打印，系统架构简单，3D打印机头灵活度高，实现成本低廉，只要满足驱动设备分布在平面矩形的四个顶点上，即可进行3D打印，打印环境要求低。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种吊索式3D打印系统的实施例一的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的一种吊索式3D打印系统的实施例二的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例一的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例二的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例三的结构示意图；

图6为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例四的结构示意图；

图7为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明具体实施方式提供的一种吊索式3D打印系统的实施例一的结构示意图，如图1所示，利用多条吊索连接3D打印机头，吊索的另一端缠绕在驱动设备绕线盘上，驱动设备可以固定在墙壁、屋顶、树或者柱子等固定物上；控制器控制驱动设备收放相应吊索，可以改变3D打印机头的空间位置，即调整3D打印机头在不同位置区域喷吐打印材料，进行3D打印。

该附图所示的具体实施方式中，该3D打印系统包括打印机头1、多条吊索2、与所述吊索2对应的多个驱动设备3、控制器4，其中，打印机头1用于打印三维物体，打印机头1上的一条线表明打印机头1整体上分为上下两部分，并且可以从此处打开，以便部件的安装及维护；吊索2与所述打印机头1连接，吊索2用于吊挂所述打印机头1；多个驱动设备3呈发散状设置，驱动设备3用于收放所述吊索2从而调整所述打印机头1的空间位置；控制器4与所述驱动设备3连接，控制器4用于根据数据模型文件控制所述驱动设备3转动从而调整所述打印机头1的空间位置。本发明的具体实施例中，吊索2的数量为4条，可以实现打印机头1自由移动，驱动设备3的数量为4个；吊索2可以为钢索、绳索或链条，只要使得打印机头1可以携带足够多的打印材料即可，打印过程中，不需要打印材料传送管道与打印机头1连接；驱动设备3可以为伺服电机、或者为步进电机、或者为液压马达，进一步地，例如驱动设备3可以为57BYGH002AA 1.8 1.5A四线制步进电机；控制器4可以为Microdriver步进电机驱动器(M542H 12～32VDC)；多个所述驱动设备3固定于建筑物的壁上或顶上，或者固定于自然固定物体(例如树、峭壁、岩石)上，本发明不以此为限。

参见图1，图中操作平台为3D打印系统打印3D物体的区域，可以为室内区域或者室外区域，本发明提供的3D打印系统可以实现大型、巨型物体的3D打印，3D打印系统架构简单，打印过程中，打印机头1不需要与输电线或者打印材料传输管道连接，因此3D打印机头灵活度高；不需要搭建复杂的传动架构即可实现3D打印机头的自由移动，实现简单；对打印环境要求低，可以直接在需要进行3D打印的场合搭建打印系统。

再次参见图1，控制器4根据数据模型文件控制驱动设备3正转或者反转，从而调整打印机头的空间位置(例如三维坐标)，例如，打印机头1需要由一个位置移动到另一个位置时，根据这两点三维坐标计算出驱动设备3各自需要的运动方式。假设驱动设备3为四个步进电机，控制器4读取数据模型文件得知打印机头需从(75.9，53.0，10.0)移动至(75.9，55.0，10.0)，控制器4经过计算给出指令，A步进电机收缩、B步进电机伸长、C步进电机伸长、D步进电机收缩，A、B、C、D四个步进电机分别根据各自的指令进行伸缩。

具体来说，每次打印机头要从一点移动到另一点时，控制器4读取数据模型文件，获得打印机头始点的三维坐标(x1,y1,z1)和终点的三维坐标(x2,y2,z2)。控制器4计算打印机头在始点时，A电机对应的A吊索的长度，以及打印机头在终点时，A电机对应的A吊索的长度。由于四个电机位于某一长方形的四个顶点上，每个电机的三维坐标已知，可根据A电机的三维坐标与打印机头的初始三维坐标(x1,y1,z1)，得到打印机头在始点时，A电机与打印机头之间的距离，根据A电机的三维坐标与打印机头的终点三维坐标(x2,y2,z2)，得到打印机头在终点时，A电机与打印机头之间的距离，从而得到打印机头从始点移动到终点时，A吊索伸长或缩短的长度，再让A电机反转或正转来实现；同理，分别得到打印机头在始点以及打印机头在终点时，B电机、C电机、D电机与打印机头之间的距离，从而给出相应指令让B、C、D三个电机正转或反转，使B、C、D三条吊索收缩或伸长相应长度。例如，打印机头在始点时，A吊索长度为10m；打印机头在终点时，长度为15m；控制器4比较二者的大小关系(即15m-10m＝5m)，然后给出相应指令让A电机反转5秒(假定，A电机每反转1秒，释放1m吊索；A电机每正转1秒，收缩1m吊索)，从而使A吊索伸长5m。同理，B、C、D三个电机根据相应指令进行正转或者反转。

图2为本发明具体实施方式提供的一种吊索式3D打印系统的实施例二的结构示意图，如图2所示，利用伸缩立柱调整驱动设备的高度，从而保持驱动设备位于同一水平面上，可以减少数据处理量，降低计算复杂度，实现打印机头的精准移动。

该附图所示的具体实施方式中，该3D打印系统还包括多个伸缩立柱5，其中，伸缩立柱5固定在操作平台上，伸缩立柱5用于调整所述驱动设备3的高度使所述驱动设备3位于同一水平面上。

参见图2，伸缩立柱5固定在操作平台上，可以不用借助墙壁、屋顶、树、峭壁等固定物，在空旷平坦区域也可以进行3D打印，扩大了3D打印系统的使用场所。另外，由于伸缩立柱5的高度可以调节，因此，对于操作平台不平的场所，也可以保证驱动设备3位于同一水平面上，从而减少数据的处理量，降低计算的复杂度，实现打印机头的精准移动。

图3为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例一的结构示意图，如图3所示，储料罐存储打印材料，打印材料通过储料罐下端的出料口输出，从而进行3D打印。

该附图所示的具体实施方式中，所述打印机头1进一步包括：储料罐11、由球阀密封的进料/进气口10和出料口12，其中，储料罐11用于存储打印材料，储料罐11分为上下两个部分，由法兰密封，方便相关部分的安装或维护；进料/进气口10用于加热前将所述打印材料和压缩气体输入所述储料罐11；出料口12，位于所述储料罐11的下端，用于输出所述打印材料。本发明的具体实施例中，储料罐11为铝合金材料，壁厚3mm，可以承受4MPa的气压强度；打印材料可以为PLA(聚乳酸)颗粒等；出料口12的直径可以为5mm，在4MPa的压强下，大约一个小时能够打印3千克PLA，通常情况下，要求储料罐11至少能够容纳3千克PLA颗粒，从而使得一个打印周期至少为一个小时，从而使打印机头1打印过程中不用连接打印材料传输管道，防止打印材料传输管道影响打印机头1的自由移动。

进一步地，所述打印机头1还可以包括针阀13和步进电机14，其中，针阀13用于控制所述打印材料的流出速度；步进电机14与所述控制器4无线连接，步进电机14用于控制所述针阀13的上下位置从而控制所述打印材料的流出速度。本发明的具体实施例中，步进电机14采用电池供电；所述针阀13的顶端可以为圆台状，圆台状的针阀13在出料口12的竖直位置可改变出料口12的直径，从而改变打印材料的流出速度，当针阀13完全落下时，出料口12被封死，停止输出打印材料。

参见图3，打印机头1具有储料罐11，可以让打印机头1摆脱打印材料传输管道的限定，打印机头1活动更加自由，可以打印出各种复杂三维造型，满足用户的个性化需求；利用针阀13控制打印材料的流出速度，可以实现三维造型的精准打印，满足用户的精准打印需求，而且防止打印材料浪费。

图4为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例二的结构示意图，如图4所示，控制器根据温度传感器感测的温度控制加热器将打印材料加热成流体状材料，既能防止打印材料过热，打印材料输出速度不可控，又能防止打印材料不热，无法通过出料口输出打印材料。

该附图所示的具体实施方式中，所述打印机头1还包括加热器15、温度传感器16，其中，加热器15设置于所述储料罐11内，加热器15与控制器4无线连接，加热器15用于根据所述控制器4的加热指令将所述打印材料加热成流体状材料；温度传感器16与所述控制器4无线连接，温度传感器16用于感测所述储料罐11内的温度，以便所述控制器4根据所述温度向所述加热器15发出加热指令；本发明的具体实施例中，加热器15可以为加热棒或者加热线圈，例如，加热器15由3组9个加热棒组成；储料罐11内的温度通常维持在210℃-220℃。

参见图4，在3D打印机头被吊起之前，利用加热器15将打印材料加热成流体状材料，在三维打印过程中，打印机头1不需要与外部电路连接，可以让打印机头1摆脱电线的限制，打印机头1活动更加自由，可以打印出各种复杂三维造型，满足用户的个性化需求；利用温度传感器16感测储料罐11内的温度，可以让打印材料加热到需求的温度区间，既能防止打印材料过热，打印材料输出速度不可控，又能防止打印材料不热，无法通过出料口输出打印材料。

图5为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例三的结构示意图，如图5所示，储料罐内的气体及流体状材料维持相应的压力，使得打印材料输出速度可控，利于三维模型的精准打印；同时利用压力传感器感测储料罐内的气压和流体状材料的内部压力，安全阀根据储料罐内的气压或流体状材料的内部压力进行开关操作，具体来说，当储料罐内的气压或流体状材料的内部压力过大时，安全阀打开放气，防止储料罐内气压过大，发生爆炸。

该附图所示的具体实施方式中，所述打印机头1还包括压力传感器18和安全阀19，其中，压力传感器18设置于所述储料罐11内，压力传感器18与所述控制器4无线连接，压力传感器18用于感测所述储料罐11内的气压或流体状材料的内部压力，并将储料罐11内的气压或流体状材料的内部压力值传入控制器4；若压力传感器18传入控制器4的气压或内部压力值超过预定的安全值，则控制器4发出控制指令使安全阀19打开，排出压缩气体(即高压气体)，以免储料罐11爆炸。本发明的具体实施例中，储料罐11内的初始气体压力为4MPa。

图6为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的实施例四的结构示意图，如图6所示，利用保温层防止打印材料的热量散失，可以进行长时间(例如一个小时以上)的三维打印。

该附图所示的具体实施方式中，所述打印机头1还包括保温层20，其中，保温层20设置于所述储料罐11的外部，保温层20用于防止所述储料罐11内所述打印材料的热量散失。本发明的具体实施例中，保温层20的厚度为30mm，保温层20为气凝胶毡；另外，在储料罐11内，以及在储料罐11和步进电机14之间利用陶瓷组件隔离高温工作组件及常温工作组件，既保持了刚性，又防止常温工作组件在高温环境失去工效，延长3D打印机头的使用寿命。

参见图6，保温层20的使用，可以延长三维打印的时长，让打印机头1彻底摆脱电源线的限制，打印机头1的活动更加自由，使得3D打印系统能够打印精准三维模型；利用陶瓷组件保护常温工作组件(例如电开关17)，可以延长3D打印机头的使用寿命。

图7为本发明具体实施方式提供的一种3D打印机头的剖面图，如图7所示，储料罐11整体呈油罐形，出料口12位于储料罐11的下端；针阀13位于储料罐11的中央，针阀13在步进电机14的带动下，上下移动，从而控制出料口12的大小；加热器15由于竖直分布的多个加热棒组成；温度传感器16感测储料罐11内的温度，当温度达到预定温度时，控制器4关闭加热器15，防止温度过高，打印材料碳化；压力传感器18感测储料罐11内的气压或流体状材料的内部压力，当气压或者内部压力超过预定安全值时，安全阀19打开，从而防止发生意外；保温层20防止储料罐11内打印材料的热量散失，防止液态打印材料凝固，从而让3D打印系统的一个打印周期更长，让打印机头1打印过程中不用连接打印材料传输管道以及输电线，从而让打印机头1活动更加自由，可以实现各种三维造型的打印。

本发明的其它实施例中，控制器4与步进电机14、加热器15、温度传感器16、压力传感器18、安全阀19之间通过短距离无线技术(例如蓝牙、Wi-Fi、红外、射频等)进行通信；控制器4与驱动设备3之间可以通过有线(例如双绞线、电缆等)或者无线通信方式(例如，短距离无线通信、移动通信等)连接；此外，控制器4也可以有多个，即控制器4与驱动设备3一一对应，即每个控制器4根据数据模型文件分别控制对应的驱动设备3；另外，吊索式3D打印系统还可以具有无线收发器，操作者能够利用移动终端或服务器向控制器4发送数据模型文件，从而使吊索式3D打印系统的操作更加灵活，本发明不以此为限。

本发明具体实施例提供一种吊索式3D打印系统，利用多条吊索连接3D打印机头，吊索另一端缠绕在驱动设备绕线盘上，驱动设备固定在固定物(例如墙壁、屋顶、树、峭壁等)上，驱动设备分布在同一水平面上，从而减少数据处理量及操作复杂度；利用驱动设备收放相关吊索，可以改变3D打印机头的三维空间位置，即调整打印机头在不同位置区域喷吐打印材料，进行3D打印，可以打印出巨型或者大型物体；在打印过程中，打印机头不与周围除吊索外任何部件连接，排除了输电线路及输料管路的影响，打印机头灵活度高，可以打印各种造型的三维物体；不但可以进行一般物体的3D打印，而且还可以实现大型、巨型物体的3D打印，系统架构简单，实现成本低廉，打印机头灵活度高，可以打印各种造型的三维物体，打印环境要求低。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。