一种超声塑化熔融沉积成型3D打印装置的制作方法

本发明涉及3d打印技术领域，特别的，涉及一种超声塑化熔融沉积成型3d打印装置。

背景技术：

近年来3d打印技术越来越多的用于制造零部件，其逐层制造的技术特性相比传统的制造技术能更快、更个性化地制造零部件。这种技术在武器装备、汽车、医学、建筑领域均有广泛的应用，但是由于机器尺寸、材料、成本等的限制，3d打印技术仍处于开发的阶段。

目前3d打印的原材料形式主要有丝状、粉末状、颗粒状三种形式，相应的3d打印设备由于材料的形式不同其加工原理略有区别，其中颗粒状物料是新型的物料形式，其价格更为便宜、容易制得且材料性能优异。

使用丝状物料的3d打印机工作原理是熔融沉积技术，这种设备的结构较为简单但成型精度较低，成型速度相对较慢；使用粉末状物料的3d打印机工作原理是粉末固化烧结技术，这种设备可制造复杂构件或模具，但样件表面粗糙，呈现颗粒状；使用颗粒状物料的3d打印机工作原理也是熔融沉积技术，只是使用了螺杆与加热线圈的组合结构，具体为在进料口处设置加热线圈熔融物料，然后使用螺杆旋转对物料进行剪切及挤压至喷嘴处，其结构但对复杂一些，加工精度相对较高，但螺杆结构有两大缺点：一、螺杆直径较大：在一根轴上加工出螺纹便可得到螺杆，因此其直径不能做的太小，否则会在齿根处发生断裂；二、物料易变质：由于加热线圈熔融物料需要一定的时间，因此物料会较长时间的停留在料筒内。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种结构简单、操作方便的3d打印装置，以达到能给快速及定量打印的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种超声塑化熔融沉积成型装置，包括支架、打印单元、打印头单元以及物料熔融单元；

所述支架包括上下设置的第一工作平台和第二工作平台，所述第一工作平台设置有所述打印头单元和物料熔融单元，所述第二工作平台上设置有所述打印单元；

所述物料熔融单元包括超声系统、定量装置以及驱动系统，所述定量装置包括连接杆、左板和右板；

所述连接杆一端设置在第二底座的空腔内，另一端伸出所述空腔并通过第一连接板与所述超声系统连接，使得所述定量装置和所述超声系统能够同步移动；

所述左板设置在所述空腔内，且与所述连接杆设置在空腔内的一端固定；所述右板对应所述左板设置在所述空腔内且所述右板与所述左板之间设置有一定距离；所述右板套设在所述连接杆上且能沿所述连接杆移动，从而调节所述右板与所述左板之间的间距控制物料的量；

所述超声系统用于熔融物料，所述驱动系统用于驱动所述超声系统前后运动，从而使得超声系统熔融所述定量装置量取的物料；所述打印头单元用于将熔融的物料传递到打印单元进行打印。

特别地，所述超声系统包括依次连接的工具头、变幅杆以及换能器，所述工具头的第一端伸入设置在第一底座的水平通道的第二端内，所述工具头的第二端通过变幅杆与所述换能器连接；所述第一底座固定在第一工作平台上，且设置于所述第二底座的下方；所述水平通道的尺寸与所述工具头匹配，使得所述工具头能在所述水平通道内前后移动；所述水平通道的第一端外侧连接有连接通道，所述连接通道连通所述打印头单元，使得通过超声系统熔融的物料能通过所述连接通道进入所述打印头单元。

特别地，所述连接通道采用弹簧针阀式喷嘴，且所述弹簧针阀式喷嘴的开口朝向所述打印头单元。

特别地，所述第二底座的上表面设置有料筒，所述料筒的出口通向所述空腔内；所述空腔的下方设置有一个通道，所述通道的两端分别连接所述空腔和所述水平通道；所述通道靠近所述水平通道的第一端设置。

特别地，所述驱动系统采用滚珠丝杠传动，所述驱动系统包括设置在第一工作平台上的驱动导槽以及沿驱动导槽运动的驱动滑台；所述换能器通过第三l形连接板与所述驱动滑台连接，所述第三l形连接板的竖板套设在所述换能器的驻点处，其横板与所述驱动滑台连接，使得驱动系统的驱动滑台向前滑动的同时就可以带动超声系统前进。

特别地，所述打印头单元包括增速机构和曲柄连杆机构，所述增速机构用于提供曲柄连杆机构运动的动力；

所述增速机构包括的电机、联轴器、大齿轮和小齿轮，所述电机安装在电机座上；所述联轴器的两端分别与所述电机和所述大齿轮连接，所述大齿轮和所述小齿轮啮合，所述电机带动所述联轴器转动，进一步带动所述大齿轮转动，从而带动小齿轮转动；

所述曲柄连杆机构包括两个偏心曲柄、连杆和活塞，两个所述偏心曲柄互相通过连接件连接并分别固定在打印头底座的内侧壁上，其中一个所述偏心曲柄与所述小齿轮连接，所述小齿轮的转动带动两个偏心曲柄转动；所述连杆设置在两个所述偏心曲柄之间的连接件上，所述连杆能随所述偏心曲柄的旋转而上下运动；所述活塞的顶端与所述连杆的下端连接，所述活塞的下端为锥尖状，所述活塞能随所述连杆在打印头底座的孔道内上下移动，使得所述活塞能将活塞内部的熔融的物料挤出；所述活塞的侧壁上还设置有一个短管，所述短管连通所述连接通道与所述活塞。

特别地，所述打印头底座的下方还设置有一个打印喷嘴，所述打印喷嘴与所述打印头底座可拆卸式连接，便于更换所述打印喷嘴；所述活塞的下端通向所述打印喷嘴。

特别地，所述打印头底座的下部外侧还设置有加热线圈，所述加热线圈用于保持物料的温度，防止物料变质。

特别地，所述打印单元包括打印平台、x向模组、y向模组以及z向模组，所述x向模组、y向模组以及z向模组均采用滚珠丝杠传动，所述打印单元至少包括一组x向模组；

所述x向模组包括x向导槽以及沿x向导槽运动的x向滑台，所述x向导槽设置在所述第二工作平台上；所述第二工作平台上与所述x向导槽平行设置有一个滑槽，所述滑槽内设置有一个沿所述滑槽运动的第一滚轮，所述第一滚轮的上表面与所述x向滑台的上表面位于同一水平面；

所述y向模组包括y向导槽以及沿y向导槽运动的y向滑台；所述x向滑组和所述y向模组之间采用竖直设置的第一l形连接板连接，所述第一l形连接板的横板一端设置在x向滑台的上表面，另一端设置在所述第一滚轮的上表面，所述y向导槽设置在所述第一l形连接板的竖板上；

所述z向模组均包括z向导槽以及沿z向导槽运动的z向滑台，所述z向导槽的背面直接或间接与所述y向滑台连接；

所述打印平台通过第二l形连接板与所述z向滑台连接，所述第二l形连接板设置在所述打印平台的下方。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1、通过对超声振动系统进行应力应变分析，在满足强度的条件下(工具头的最大应变小于0.1mm，最大应力小于2mpa)工具头前端的最小直径可以缩小到5mm，对比现有技术螺杆的最小直径为12mm，缩小了将近一半，因此本发明的3d打印装置的尺寸更小，结构更为紧凑。

2、相比于线圈加热的形式来说，采用超声系统的方式进行熔融可使物料在超声振动及压力的共同作用下快速熔融，物料熔融的速度更快，且这种方式更加节能，更便于控制，熔融的质量更高。

3、本发明的装置可以通过调整打印喷嘴出料口的直径和调节定量装置的容积(螺纹结构)来改变出料量的大小，从而适应不同的加工场合和不同的精度要求。

4、本发明的装置通过超声系统熔融，再使用加热线圈进行保温处理，使物料在运行过程中不会变质，打印的质量更高。

5、本发明整个装置结构紧凑，质量轻，易于制作。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是实施例1中3d打印装置的内部整体结构示意图；

图2是实施例1中3d打印装置的外部整体结构示意图；

图3是实施例1中3d打印装置的打印单元的结构示意图；

图4是实施例1中3d打印装置的打印头单元的结构示意图；

图5是实施例1中3d打印装置的物料熔融单元的结构示意图；

图6是实施例1中3d打印装置的打印头单元与物料熔融单元之间连接的结构示意图；

附图标记：

1、支架，11、第一工作平台，12、第二工作平台，13、入料口，14、取料门，15、闭门器，16、第二滚轮，2、打印单元，21、打印平台，22、x向模组，221、x向导槽，222、x向滑台，23、y向模组，231、y向导槽，24、z向模组，241、z向导槽，25、第一l形连接板，26、滑槽，27、第一滚轮，3、打印头单元，30、加热线圈，31、打印头底座，311、打印喷嘴，32、电机，33、联轴器，34、大齿轮，35、小齿轮，36、电机座，37、偏心曲柄，38、连杆，39、活塞，391、短管，4、物料熔融单元，41、超声系统，411、工具头，412、变幅杆，413、换能器，414，第一连接板，42、料筒，43、第一底座，431、水平通道，432、通道，44、第二底座，441、空腔，45、定量装置，451、连接杆，452、左板，453、右板，46、驱动系统，461、驱动导槽，462、驱动滑台，463、第三l形连接板，47、弹簧针阀式喷嘴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

详见图1，一种超声塑化熔融沉积成型3d打印装置，包括支架1、打印单元2、打印头单元3以及物料熔融单元4。

在本实施例中，所述支架的框架整体是由4040铝型材搭建而成，型材之间用直角件连接，型材端部用端头用尼龙盖板进行封堵；所述支架的底部安装第二滚轮16，便于搬运整个装置。

所述支架的框架通过直角件安装有两块平板，两块平板将框架分为上下设置的第一工作平台11和第二工作平台12，所述第一工作平台设置有所述打印头单元和物料熔融单元，所述第二工作平台上设置所述打印单元。

详见图2，所述支架的框架外部用挡板包裹，防止外部环境(比如空气中粉尘等)影响打印质量。所述支架一共设置有上中下三层挡板，三层挡板均固定在框架上，上层挡板中的最顶部处挡板设置有一个入料口13便于倾倒物料；中层的侧挡板及顶部挡板用亚克力材料(pmma)，其透明性较好，便于观察加工的过程；底层(下层)挡板起一个包裹的作用。中层挡板的其中一块侧板上设置有一个取料门14，取料门为上下翻转的开启方式，取料门上安装有一个闭门器15使门能自动复位。

详见图3，所述打印单元包括打印平台21、x向模组22、y向模组23以及z向模组24，所述x向模组、y向模组以及z向模组均采用滚珠丝杠传动，所述打印平台能随所述x向模组、y向模组以及z向模组在xyz方向上运动。

所述x向模组包括x向导槽221以及沿x向导槽运动的x向滑台222，所述x向导槽设置在所述第二工作平台上；所述第二工作平台上与所述x向导槽平行设置有一个滑槽26，所述滑槽内设置有一个沿所述滑槽运动的第一滚轮27，所述第一滚轮的上表面与所述x向滑台的上表面位于同一水平面。

所述滑槽与所述第一滚轮的组合还可以用同样的x向模组替换，两个所述x向导槽平行设置在所述第二工作平台上，所述第一l形连接板的横板的两端分别设置在两块x向滑台的上表面。

所述滑槽与所述第一滚轮的组合还可以用同样的x向模组替换，两个所述x向导槽平行设置在所述第二工作平台上，所述第一l形连接板的横板的两端分别设置在两块x向滑台的上表面。

所述y向模组包括y向导槽231以及沿y向导槽运动的y向滑台；所述x向滑组和所述y向模组之间采用竖直设置的第一l形连接板25连接，所述第一l形连接板的横板一端设置在x向滑台的上表面，另一端设置在所述第一滚轮的上表面，所述y向导槽沿所述第一l形连接板的竖板的长度方向设置。

所述z向模组均包括z向导槽241以及沿z向导槽运动的z向滑台，所述z向导槽的背面固定在所述y向滑台上。

所述打印平台通过第二l形连接板与所述z向滑台连接，所述第二l形连接板设置在所述打印平台的下方。

打印单元采用丝杠螺母传动，可以使打印平台在三个方向高精度的移动，这种高精度的定位使得打印的制品质量更高，尺寸更为精确。

详见图4，所述打印头单元包括增速机构和曲柄连杆机构。

所述增速机构包括电机32、联轴器33、大齿轮34和小齿轮35，所述电机安装在电机座36上；所述联轴器的两端分别与所述电机和所述大齿轮连接，所述大齿轮和所述小齿轮啮合，所述电机带动所述联轴器转动，进一步带动所述大齿轮转动，从而带动小齿轮转动。所述增速机构通过大齿轮和小齿轮，将电机的转速增大，从而为曲柄连杆机构提供更大的动力。

所述曲柄连杆机构包括两个偏心曲柄37、连杆38和活塞39，所述两个偏心曲柄互相通过连接件连接并分别固定在打印头底座31的内侧壁上，其中一个所述偏心曲柄与所述小齿轮连接，所述小齿轮的转动带动两个偏心曲柄转动；所述连杆设置在两个所述偏心曲柄之间的连接件上，所述连杆能随所述偏心曲柄的旋转而上下运动；所述活塞的顶端与所述连杆的下端通过销钉连接，所述活塞的下端为锥尖状，所述活塞能随所述连杆在打印头底座的孔道内上下移动，使得所述活塞能将活塞内部的熔融的物料挤出；所述活塞的侧壁上还设置有一个短管391；所述打印头底座的下方还设置有一个打印喷嘴311，所述活塞的下端通向所述打印喷嘴，所述打印喷嘴与所述打印头底座之间通过螺纹连接，便于更换所述打印喷嘴。

曲柄连杆结构中的连杆和活塞是设置在打印头底座内部，但是为了清楚展示连杆和活塞的连接结构，在图4中对右侧的打印头底座进行了竖剖，即去掉打印头底座外侧的结构，露出连杆和活塞。

通过大小齿轮、偏心曲柄和连杆带动打印活塞上下往复运动，这种方式可以使得3d打印装置的出料更加均匀，打印质量更高。

所述打印头底座的下部外侧还设置有加热线圈30，所述加热线圈的温度为恒定，所述加热线圈用于保持物料的温度，防止物料变质，使打印质量得到保证。

所述打印头底座的下方还设置有两个耳片，通过所述耳片用螺栓与螺母将打印头底座固定在第一工作平台上。

详见图5-图6，所述物料熔融单元包括用于将颗粒状的物料熔融的超声系统41、定量装置45以及驱动系统46。

所述超声系统包括依次通过螺纹连接的工具头411、变幅杆412以及换能器413(工具头与变幅杆之间、变幅杆与换能器之间采用反向螺纹进行旋合，使得超声振动系统在工作时不出现松动的情况)；所述工具头的第一端伸入设置在第一底座43的水平通道431的第二端内，所述工具头的第二端通过变幅杆与所述换能器连接；所述第一底座固定在第一工作平台上，且设置于所述第二底座的下方；所述水平通道的尺寸与所述工具头匹配，使得所述工具头能在所述水平通道内前后移动；所述水平通道的第一端外侧连接有弹簧针阀式喷嘴47，所述弹簧针阀式喷嘴连通所述打印头单元的短管，使得通过超声系统熔融的物料能通过所述弹簧针阀式喷嘴进入所述打印头单元。在打印过程中可以通过调节弹簧针阀式喷嘴的弹簧弹力来调节物料的注射压力，从而调节打印速率。

为了减少换能器的振动对3d打印的影响，换能器的外部可以套设换能器罩；同时，为了对换能器进行降温，还可以在换能器的尾部加设一个风扇。

所述定量装置包括连接杆451、左板452和右板453；所述连接杆一端设置在第二底座44的空腔441内，另一端伸出所述空腔并通过第一连接板与所述超声系统连接，使得所述定量装置和所述超声系统能够同步移动；所述连接杆设置在空腔内一端部分设置有第一螺纹；所述第二底座设置在所述第一底座的上方；所述左板设置在所述空腔内，且与所述连接杆设置在空腔内一端的端部固定；所述右板对应所述左板设置在所述空腔内且所述右板与所述左板之间设置有一定距离，形成定量室；所述右板为一个倒置的凹形结构，所述右板套设在所述连接杆上，且所述右板背离所述左板的一侧设置有与所述连接杆的第一螺纹匹配的第二螺纹，通过旋转所述连接杆能使所述右板沿所述连接杆移动，从而调节所述定量室的体积控制物料的量。

所述第二底座的是上表面设置有料筒42，所述料筒的出口通向所述空腔内，所述料筒的入口上方对应所述入料口，通过入料口倒物料至所述料筒中；所述空腔的下方设置有一个通道432(此处的通道可以选用斜坡或垂直形式都可以，但考虑到实际生产制造过程中斜坡的加工难度较大且精度不易保证，优选垂直通道)，所述通道的两端分别连接所述空腔和所述水平通道；所述通道靠近所述水平通道第一端设置。

所述驱动系统采用滚珠丝杠传动，所述驱动系统包括固定在所述第一工作平台上的驱动导槽461以及沿驱动导槽运动的驱动滑台462；所述换能器通过第三l形连接板463与所述驱动滑台连接，所述第三l形连接板的上部套设在所述换能器的驻点处(即振幅为零处)，下部与所述驱动滑台连接，使得驱动系统的驱动滑台向前滑动的同时就可以带动超声系统前进。定量装置与驱动系统安装在超声振动系统驻点(超声振动振幅为0)的位置，使得定量装置与驱动系统能不受超声振动的影响平稳工作。

图5中定量装置是设置在第二底座内，通道和工具头是设置在第一底座的水平通道内，因此为了清楚展示定量装置、工具头及通道的连接和结构，对第一底座和第二底座进行了竖剖，即去掉第一底座和第二底座的外侧结构，露出定量装置、工具头和通道。

图6中对打印头底座、第一底座和第二底座均进行了竖剖，以显示内部的结构。

运用本实施例中的3d打印装置的打印过程如下：

前期准备：根据三维模型的大小、复杂程度等确定打印参数，然后根据打印参数选择合适的打印喷嘴的直径，根据打印喷嘴口的流量确定所需物料的体积，转动定量装置的连接杆使定量装置右板左右移动以达到确定的体积量。

复位：使打印平台复位，打印平台在z向位于最高点处，打印平台的中心正对打印头单元的打印喷嘴。

入料：从3d打印装置的顶部向料筒入料口内倒入颗粒状的塑料粒(材料为pla)。

定量：定量装置取一定体积量的物料a进入定量室，驱动系统工作，驱动系统的驱动滑台缓慢向前滑动，同时定量装置同幅度向前滑动，滑动一段距离后，定量室到达通道上方，物料a落入通道内(因为通道底端被同时移动到位的工具头挡住，因此一定量的物料a堆积在通道的底部)。

熔融：超声系统与定量装置继续向前运动，工具头在接近弹簧针阀式喷嘴的入口处停下，然后驱动系统电机快速反向转动，使超声系统与定量装置反向直线移动，当超声系统工具头移动到通道后方时，原本堆积在通道的物料a全部进入工具头所在的水平通道内；然后超声系统与定量装置继续反向直线移动，直至定量室运动到料筒出口的下方。

然后定量装置量取相同量的物料b。然后超声系统与定量装置开始缓慢地重复向前移动，滑动一段距离后，定量室到达通道上方，物料b堆积在通道的底部。工具头推动物料a继续向前移动，使物料a压实。物料a在超声振动与工具头压力的共同作用下快速熔融。在熔融的期间工具头继续前进，工具头所在的水平通道内的压力不断上升，当压力达到弹簧针阀式喷嘴的开启压力时，物料经过弹簧针阀式喷嘴内的通道进入打印头单元的底部。打印头单元外部有加热线圈传热，使物料保持温度。

打印：异步电动机经过一级齿轮增速机构(大小齿轮)带动偏心曲柄做旋转运动。偏心曲柄的旋转运动使连杆带动活塞在打印头底座的孔内做上下运动。在活塞向下运动时，活塞尖端对打印头单元的熔融物料a施以加力的作用使物料最终以一颗一颗的熔融物料球的形式注射到打印平台上。

3d打印平台移动：根据打印的顺序xy向模组同时运动使当前打印点正好位于打印喷头的正下方，当三维模型的层a打印完成后，z向线性模组工作带动打印平台向下移动，准备打印下一层b。

在本实施例中，打印头单元的工作周期为1s，即打印头单元每秒打印出一个熔融物料球到打印平台上；物料熔融单元的工作周期为1min(包含进程与回程)，即物料熔融单元每分钟向打印头单元内输送一次物料，这些物料的体积刚好等于打印喷嘴在一分钟内的出料体积，即定量装置定量的物料体积为打印喷嘴每分钟的出料体积。

因此，整个装置可以连续工作，打印头单元的打印喷嘴可以不间断地出料。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。