一种基于fdm技术的数控成型设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业制造技术领域，涉及一种基于熔融堆积(FDM)技术的数控成型设备，用于模具制造、非标准件生产、复杂构造体加工等相关工业制造领域。
【背景技术】
[0002]FDM技术，即恪融层积技术，Fused Deposit1n Modeling的简称，又可以称为恪融堆积技术，是快速成型技术的一种。这种技术的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，使用线材供料。
[0003]FDM技术现主要用于3D打印机等制造设备上，基于FDM的3D打印机的工艺原理主要利用细丝状原材料以及可熔的支撑材料从位于材料舱室的自动加载器向上传送到挤压头。在挤压头部，材料加热到半液态，经过两个挤压喷头嘴的挤压，挤出半流动的材料，在成形基底上沉积成非常精确的薄层。打印头在坐标轴X、Y方向移动，沉积基底沿着Z轴下降，成形好的原型及其支撑材料从下向上层层沉积。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构一“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。
[0004]这种技术不用激光，使用、维护简单，成本低。用ABS制造的原型因具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该技术有可能直接制造功能性零件。由于这种技术具有一些显著优点，该技术发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。
[0005]FDM增材制造技术优势主要在于:(I)、没有易损件，维护简单，运行成本和维护成本低。(2)、塑料丝材，容易清洁，更换，保存:与其他使用粉末和液态材料的技术相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。(3)、后处理简单:仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑，原型即可使用。而现在应用较多的SLA，SLS，3DP等技术均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间。(4)、成型速度较快:FDM技术可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。(5)、材料性能好，一直是Π)Μ技术的主要优点:其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一，近年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合(试用，维修，暂时替换等)下直接使用。在塑料零件领域，FDM技术是一种非常适宜的快速制造方式。
[0006]现有Π)Μ技术3D打印机在成型过程中仍存在以下缺点:底板相对挤出喷口均具有三个自由度，即可沿Χ/Υ/Ζ三个方向移动，每层均为二维图形，延Z轴向上逐层堆叠形成三维构件。成型底面的选择对切片方式和成型过程存在很大影响，构件的探出部分、中空壳体、孔洞等结构往往需添加支撑才可进行打印过程，且在加工过程中容易发生变形。制造出的构件在力学性能上呈现各向异性，构件的层间抗剪切、拉伸的能力很弱，这也制约了现有FDM技术3D打印机对复杂受力构件的加工成型。
[0007]在使用现有FDM成型设备进行构件加工时，为避免或优化这些问题，往往需要在构件设计时避免某些复杂形状的出现，成型工艺的单一也因此限制制约了利用增材制造进行零件加工的设计方法的发展。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种基于FDM技术的数控成型设备，本发明从机械结构设计到FDM成型加工的过程进行优化，减少FDM技术工艺要求，提供一种工艺性好、适合工业原型制造、以熔融堆积为核心技术的数控成型设备。
[0009]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0010]—种基于FDM技术的数控成型设备，包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件;所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座、框架、材料挤出机、X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴升降台和Z轴螺杆步进电机;所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座、A轴步进电机、B轴电机转座、B轴步进电机、C轴电机支架、C轴步进电机和工作底盘；
[0011]上述的A轴电机座固定在Y向线性导轨的滑块上，A轴步进电机安装在A轴电机座上，驱动B轴电机转座绕A轴转动;B轴步进电机安装在B轴电机转座上，驱动C轴电机支架绕B轴转动;C轴步进电机安装在C轴电机支架上，驱动工作底盘绕C轴转动。
[0012]本发明的优选实施方式和进一步的改进点如下:
[0013](I)上述的底座和框架固定在一起，底座上安装有Z轴螺杆步进电机和Y向线性导轨，Z轴螺杆步进电机驱动Z轴升降台上下运动，X向线性导轨安装在Z轴升降台上，材料挤出机固定在X向线性导轨的滑块上。
[0014](2)所述电控组件包括电源、主板、X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
[0015]上述电控组件中的电源、主板、IXD显示屏均固定在底座上，挤出机加热器、散热风扇安装在材料挤出机上，X向限位开关安装在X向线性导轨右端，Y向限位开关安装在Y向线性导轨后端，Z向限位开关安装在Z轴螺杆步进电机驱动的Z轴螺杆的下端，A轴限位开关安装在A轴电机座上，B轴限位开关安装在B轴电机转座上；
[0016]上述电源为主板供电，主板连接X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
[0017]上述主板向X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴螺杆步进电机、A轴步进电机、B轴步进电机、C轴步进电机供电并发送控制信号，通过向挤出机加热器、散热风扇发送控制信号对材料挤出机温度进行调节。
[0018](3)所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆步进电机使材料挤出机相对工作底盘延X、Y、Z三方向平移;所述A轴步进电机驱动B轴、C轴整体在水平面内绕A轴转动，所述B轴步进电机驱动C轴在垂直于B轴的竖直平面内转动，C轴步进电机驱动工作底盘绕C轴转动；
[0019]所述A轴和Z轴平行;所述B轴和Y轴平行。
[0020]进一步的是:所述Z轴螺杆步进电机驱动沿Z轴方向设置的Z轴螺杆转动;所述Z轴螺杆上通过螺母啮合组装所述Z轴升降台；所述Z轴升降台为两个，对称的设置在X向线性导轨的两侧，其中一个Z轴升降台与所述Z轴螺杆啮合，另一个Z轴升降台滑动组装在与Z轴螺杆平行的导轨上。
[0021]进一步的是:所述材料挤出机向X轴正向移动、Y轴线性导轨的滑块向Y轴正向移动至最大处时触发X轴限位开关和Y轴限位开关并停止移动；
[0022]所述Z轴升降台向下移动至材料挤出机喷口与B轴位于同一水平面时触发Z轴限位开关并停止移动；
[0023]所述C轴绕B轴旋转至水平位置时触发B轴限位开关，此时B轴位置设置为0°;所述A轴限位开关对应的触发器安装在C轴电机支架上，B轴位于0°位置时，触发器随B轴电机转座绕A轴逆时针旋转，触发A限位开关后停止，此时A轴设置为0°。
[0024]进一步的是:所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆上均设置有光栅尺;所述A轴、B轴和C轴上设置有角度编码器;所述光栅尺和所述角度编码器与所述主板连接。
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