一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置的制作方法

本实用新型涉及3D打印技术领域，具体的说，是一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置。

背景技术：

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷头等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。

3D打印技术特别适合与敏捷制造，例如美国陆军装备用专用的3D打印机，在战场上可以快速制造损坏的武器装备。在人力航空航天工业中，尤其对于在太空中运行的飞船、空间站等大型设备，由数以万计的零部件组成，一般需要携带大量的备用零件，占用宝贵的飞船空间。而如果为飞船、空间站配备3D打印机，并且在计算机中存储设备的三维模型，当设备损坏需要更换时，则可利用3D打印机进行快速制造，这样可避免携带大量的备用零件而占用飞船空间。

现有3D打印机都是设计在地球环境中使用的，而太空中的微重力环境，使得需要产生类似地球重力的装置才能进行打印。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置，将3D打印机安装在专用的3D打印机固定箱内，并依靠电机的旋转带动转动横梁水平转动，达到产生类似地球重力，满足微重力环境下，尤其是太空环境下的3D打印作业，结构简单、实用性强。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置，包括设置有轴承架的底座、自由端安装有3D打印机固定箱的转动横梁以及安装在底座上用于驱动转动横梁转动的驱动机构。

本实用新型中驱动机构将驱动转动横梁进行转动，使得与转动横梁自由端连接的3D打印机固定箱将做离心运动，3D打印机固定箱将由垂直状态逐渐变为水平状态，随着驱动机构转速的提高，离心力作用在3D打印机固定箱5中的3D打印机上，利用离心力模拟地球重力使得3D打印机可以在微重力环境中进行打印。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述驱动机构包括安装在底座上的驱动电机以及与转动横梁连接的动力轴，所述驱动电机通过皮带传动系统与动力轴传动连接。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述动力轴通过花键与转动横梁连接。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述驱动机构还包括与动力轴远离转动横梁的一端套装的第一轴承以及与动力轴靠近转动横梁的一端套装的第二轴承；所述第一轴承和第二轴承分别安装在轴承架上。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述第一轴承采用推力轴承，所述第二轴承采用圆锥滚子轴承。采用推理轴承作为第一轴承能够有效的承受轴向力，采用圆锥滚子轴承能够有效的承受径向力。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述底座上设置有U型滑槽，所述驱动电机底部滑动安装在U型滑槽上。可有效的调整驱动电机位置，进而有效的对传动带的松紧度进行调节。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述转动横梁的自由端设置有转轴，所述3D打印机固定箱通过转轴与转动横梁连接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本实用新型利用传动带将由电机输出的转动输出到动力轴，并带动转动横梁转动，结构简单；

（2）本实用新型底座上设置有U形槽，可有效的调整驱动电机位置，进而有效的对传动带的松紧度进行调节；

（3）本实用新型采用推理轴承作为第一轴承能够有效的承受轴向力，采用圆锥滚子轴承能够有效的承受径向力；

（4）本实用新型结构简单、实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为布置4个3D打印机固定箱时本实用新型的俯视图；

其中1-底座，2-轴承架，3-第一轴承，4-第二轴承，5-3D打印机固定箱，6-转轴，10-驱动机构，101-驱动电机，12-转动横梁，13-动力轴。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1、图2、图3所示，一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置，包括设置有轴承架2的底座1、自由端安装有3D打印机固定箱5的转动横梁12以及安装在底座1上用于驱动转动横梁12转动的驱动机构10。

需要说明的是，通过上述改进，驱动机构10将驱动转动横梁12进行转动，使得与转动横梁12自由端连接的3D打印机固定箱5将做离心运动，3D打印机固定箱5将由垂直状态逐渐变为水平状态，随着驱动机构10转速的提高，离心力作用在3D打印机固定箱55中的3D打印机上，利用离心力模拟地球重力使得3D打印机可以在微重力环境中进行打印。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述驱动机构10包括安装在底座1上的驱动电机101以及与转动横梁12连接的动力轴13，所述驱动电机101通过皮带传动系统与动力轴13传动连接。

需要说明的是，通过上述改进，驱动电机101的输出轴与皮带进行连接皮带的另外一段与动力轴13进行连接，在驱动电机101输出轴转动的情况下，通过皮带带动动力轴13进行转动，从而实现与动力轴13连接的转动横梁12沿动力轴13与转动横梁12的连接点进行圆周旋转运动。

动力轴13与转动横梁12的连接方式可采用滑动连接或键连接中的一种。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述动力轴13通过花键与转动横梁12连接。

需要说明的是，通过上述改进，在转动横梁12与动力轴13的连接处设置有圆孔，动力轴13靠近转动横梁12的一端穿过圆孔与转动横梁12进行连接，所述圆孔上安装有内花键，在动力轴13靠近转动横梁12的自由端安装有与内花键配合使用的外花键，通过内花键与外花键的配合使用实现动力轴13与转动横梁12花键连接。

采用花键连接方式，接触面街大，可承受较大的载荷；对中性好，导向性好，受力均匀。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述驱动机构10还包括与动力轴13远离转动横梁12的一端套装的第一轴承3以及与动力轴13靠近转动横梁12的一端套装的第二轴承4；所述第一轴承3和第二轴承4分别安装在轴承架2上。所述第一轴承3采用推力轴承，所述第二轴承4采用圆锥滚子轴承。

需要说明的是，通过上述改进，在动力轴13的轴肩分别套装第一轴承3和第二轴承4，第一轴承3安装在远离转动横梁12的一侧，第二轴承4安装在靠近转动横梁12的一侧，同时第一轴承3和第二轴承4还分别与轴承架2进行连接。采用推理轴承作为第一轴承3能够有效的承受轴向力，采用圆锥滚子轴承能够有效的承受径向力。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述底座1上设置有U型滑槽，所述驱动电机101底部滑动安装在U型滑槽上。

需要说明的是，通过上述改进，驱动电机101底部通过U型滑槽与底座1实现连接，在需要调整驱动电机101的位置时，移动驱动电机101在U型滑槽向的相对位置，当达到适合位置时，在进行固定连接将驱动电机101与底座1进行固定。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述转动横梁12的自由端设置有转轴6，所述3D打印机固定箱5通过转轴6与转动横梁12连接。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例7：

如图1、图2、图3所示，本实用新型所设计的微重力环境下使用的3D打印机辅助装置，底座1与地板固连，底座1上有设置有轴承架2，且底座1与轴承架2为一体结构。轴承架2中穿入动力轴13，并在动力轴13两端轴肩处安装轴承，其中第一轴承3在动力轴13远离转动横梁12的一侧，第一轴承3采用推力轴承，第二轴承4动力轴13靠近转动横梁12的一侧，第二轴承4采用圆锥棍子轴承。在转动横梁12的中部设置有圆孔，动力轴13顶部（靠近转动横梁12的一侧自由端）穿入转动横梁12对应的圆孔中，并采用键连接将动力轴13与转动横梁12固连，具体连接方式优先选择为花键连接。动力轴13顶部安装密封盖将动力轴13一端密封，防止灰尘进入。动力轴13的中部（在第一轴承3和第二轴承4之间）加工有带轮，通过皮带与驱动电机101输出轴连接。驱动电机101的电机底座1安装在底座1上，电机底座1安装孔在底座1上的对应位置为U形槽，可以使得电机底座1的安装螺栓可以沿U形槽滑动，从而可以调节驱动电机101的位置，以调节传动带的松紧度。

3D打印机安装在D打印机固定箱中，3D打印机固定箱5上部加工有圆孔，圆孔穿入转轴6与转动横梁12连接，3D打印机固定箱5可沿转轴6转动。

当需要在微重力环境中进行3D打印作业时，首先将3D打印机装入3D打印机固定箱5中，并将3D打印机固定。随后启动驱动电机101带动动力轴13开始转动，在离心力作用下3D打印机固定箱5由图示垂直状态逐渐变为水平状态，随着驱动电机101转速的提高，离心力作用在3D打印机固定箱5中的3D打印机上，利用离心力模拟地球重力使得3D打印机可以在微重力环境中进行打印。

根据离心力公式：重力=质量*转动角速度*转动角速度*转动半径，其中重力=质量*地球重力加速度，因此，可以简化得到：地球重力=转动角速度*转动角速度*转动半径，即已知微重力环境下的转动半径或转动角速度，就可以求得此时所产生的角速度值。而要模拟地球重力，即地球重力加速度=9.8m/s²，已知转动半径，即可求得必要的转动角速度。

实施例8：

在微重力环境下使用的3D打印机辅助装置的3D打印装置固定箱对3D打印装置进行固定，当驱动电机带动动力轴进行转动时，与动力轴花键连接的转动横梁将随着动力轴的转动而进行转动，与转动横梁连接的3D打印机固定箱将在离心力的作用下由垂直转动横梁的状态慢慢转换为与转动横梁平行的状态，对此，3D打印机所有部件包括成型材料都一起旋转，都有离心力作用。在离心力作用下3D打印材料下落形成打印的产品。

本设计主要针对FDM式3D打印机为研究对象。该3D打印装置在地球环境下进行打印产品的原理为：3D打印机以一定直径的圆柱丝为材料，通过送丝机将线材加紧，同时送丝机转动将线材送入3D打印机喷嘴，3D打印机喷嘴出有加热装置，将送至喷嘴的线材融化，融化的线材在后续未融化线材挤压下被挤出喷嘴，融化的线材粘附在打印底座上冷却凝固，后续融化的线材又在凝固的材料逐层堆积并逐渐成型。

由于在太空环境下，没有类似地球的重力，FDM式3D打印机线材可以在送丝机挤压推动下被送入喷嘴，当进入喷嘴的线材融化后，此时无重力或微重力作用，则融化线材可能会向四周扩散而无法被挤出喷嘴，此时本装置通过旋转所产生的的离心力来模拟同样重力物体所承受的地球重力，则此时融化线材在离心力作用下被推向喷嘴入口，进入在后续未融化线材的挤压下被挤出喷嘴，同样挤出后的融化线材在离心力的作用下被挤向成型底板表面，凝固后与底板粘结，后续融化线材重复上述过程，直至模型完成成型。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。