一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置及成型方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，尤其涉及基于金属丝熔融沉积成型的五轴3d打印装置和成型方法。

技术背景

基于熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling，fdm)的3d打印技术是3d打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎.可以适用的打印原材料从成本低廉的塑料管到贵重的金属丝分布广泛。特别是在金属3d打印领域，与金属粉末烧结结束技术(selectinglasermelting，slm)相比，基于融焊法的3d打印使用的金属丝原材料容易制作，原材料耗费少，是一种非常具有发展前景的3d打印技术。不过，传统的基于熔融沉积成型的打印工艺是两轴半的打印工艺，即x轴和y轴联动，竖直轴z做阶段性进给。这种成型装置和工艺在打印复杂工件时需要添加大量的工件以外的支撑.采用金属原材料进行3d打印时，去除支撑不仅耗费大量工时而且影响工件质量。意识到这一缺陷，目前已经有装置把喷头连接在多自由度机械臂上，让被打印工件作二自由度转动。这种装置和成型方法的缺陷是：当喷头与竖直轴z不平行时，液态打印材料容易流动进而影响工件质量.当打印工件较大时，打印基台的运动容易导致工件在基台上的滑移和脱落.

技术实现要素：

针对现有装置和打印方法存在的问题，本发明提供一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3d打印装置和成型工艺，解决了现有基于熔融沉积成型的打印设备存在的问题，打印具有设备成本低，打印精度高和打印效率高的特点.

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3d打印装置，包括打印喷头、可升降的主轴(z轴)，x方向的导轨和滑台、y方向的导轨和滑台，水平轴支架，垂直支架，打印基台，伺服电机(5个)，电机数字控制器(5个)，线圈预热感应器(2个)。

在本装置中，打印喷头安装在可以垂直升降的主轴(z轴)上，也就是说，打印喷头具有唯一垂直方向的自由度，从而确保喷头喷出的熔融状态的打印材料不会因为重力作用发生流动或滑移。喷头与z方向的运动机构的连接方式是：在z向立柱上安装有金属丝杠，丝杠上套有z向丝母，z向丝母与升降台固定连接，升降台与z向立柱滑动接触配合。z向立柱顶端带有z向伺服电机，电机轴与丝杠固连，电机运动带动丝杠旋转，从而使得升降台运动。打印喷头安装在升降台上。

对于熔融物的支撑，本发明通过绕z轴和x轴旋转工件确保当前的喷头的运动轨迹与已经成型的下层部分在同一个垂直面上。本装置相关部件的具体连接方案如下：垂直支架分为上下两个部分，分别与水平支架中部固连。上下部分与水平支架对称的位置具有轴承座，在水平支架以下的部分安装立式伺服电机。立式伺服电机采用加长轴，加长轴在轴承座的位置与垂直支架通过轴承连接。

电机轴远离电机的一端通过螺栓连接设置金属安装板，安装板可以通过螺栓连接打印基台，也可以安装卡盘。卡盘和基台根据需要进行装卸。于是立式电机的旋转就可以带动工件绕z轴选转。

水平支架的两侧由立式支柱支撑。水平支架与立式支架通过轴承连接，确保水平支架转动。其一端与卧式伺服电机轴固连(a轴)。电机轴与x轴平行。电机转动就可以带动水平支架绕x轴转动。

水平面上的运动机构及连接方式如下。在y方向的导轨上安装有金属丝杠，丝杠上套有丝母，丝母与滑台固定连接，滑台与y向导轨滑动接触配合。y向导轨的一端带有卧式伺服电机，电机轴与丝杠固连，电机运动带动丝杠旋转，从而使得滑台运动。

x方向的导轨/滑台于y方向的导轨/滑台结构相同。水平支架及其驱动电机安装在x方向的滑台上，x方向的导轨安装在y方向的滑台上。

每个伺服电机由一个数字控制器控制，五个数字控制器在整个装置的中央计算机协调下向各自控制的伺服电机发出运动指令，完成加工零件的统一动作。

为了使用本装置打印出符合要求的工件，需要采用如下过程：

(1)获取工件cad模型；

(2)通过工艺规划将工件的cad模型分为一个主体部和若干支件部，主体部首先打印，支件部的打印次序根据喷头与工件不干涉的原则进行预先规划；

(3)对主体部和支件部进行切片，主体部以打印基台为切片基准面，支件部以支件与主体连接部分的切平面为切片基准面；

(4)在每个截面上计算喷头的运动轨迹，轨迹描述形式为逐点连接的折线。计算轨迹时，通过五轴联动确保轨迹中的每个子线段与下层已打印的部分在同一个垂直面上，以满足熔融成型的特点；

(5)安装打印基台，喷头与基台对刀，确定起始的相对位置；

(6)如果需要，启动感应线圈预热基台；

(7)按照预设喷头路径打印工件的主体部；

(8)待主体部冷却，将其从基台取下；

(9)将打印基台卸下用卡盘替换；

(10)工件主部在卡盘上装夹，如果需要，进行预热；

(11)按照预设的支件部打印次序和路径打印各个支件部。

附图说明

为方便进行说明，本发明将使用图1～5作简要介绍。

图1是本装置装有打印基台正等侧视图；

图2是本装置装有打印基台主视图；

图3是本装置装有卡盘正等侧视图；

图4是本装置装有卡盘主视图；

其中，1为x轴与滑台，2为y轴与滑台，3为z轴与滑台，4为旋转轴a轴，5为打印喷头，6为水平轴支架，7为打印基台，8为三角卡盘，9为线圈加热感应器，10为底板，11为连接板，12为垂直支架，13为旋转轴c轴，14为底座，15为a轴电机基座，16为a轴电机，17为带有键槽的联接孔，18为c轴电机，19为c轴电机基座。

图5给出了采用本装置打印复杂工件的基本过程。

具体实施方式

现将结合图1～5，对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。

如图1～5所示，本发明公开了一种基于金属丝熔融沉积成型的3d打印装置和打印方法。包括打印喷头4、可升降的主轴(z轴)3，x方向的导轨/滑台装置1，y方向的导轨/滑台装置2，绕x轴方向旋转的a轴装置4，绕z轴方向旋转的c轴装置13，三角卡盘8，水平轴支架6，垂直支架12，打印基台7和线圈加热感应器9；所述的直角坐标控制系统包括x轴1，y轴2，z轴3，绕x轴方向旋转的旋转轴a轴4，绕z轴方向旋转的旋转轴c轴13，具有5个自由度，所述y轴方向的导轨/滑台装置2固定在底板10上，同时，所述x轴方向的导轨/滑台装置1固定在y轴滑台上，所述a轴装置4固定在x轴滑台上，实现绕x轴方向1旋转，所述的c轴装置13固定在垂直支架上，实现绕z轴方向3旋转，所述z轴升降台3固定在连接板11上；所述打印喷头5安装在z轴3上，打印喷头5可以实现沿z轴上下移动，所述打印基台7和三角卡盘8可以实现在旋转轴c轴13上交互拆换，以满足各种打印需求，所述感应线圈加热器9在z轴3方向的一端安装，工件安装在卡盘上后，可以运动到加热器9的位置对工件进行预热；旋转轴a轴装置包括底板14、a轴电机基座15、a轴电机13、a轴电机加长轴4、立式电机轴支撑6和安装在里面的轴承；旋转轴c轴装置包括三爪卡盘8和水平工作台7，c轴电机基座19和c轴电机18，c轴加长轴13，垂直支架12，带有键槽的联接孔17。a轴电机基座15通过螺栓与底板14联接，a轴电机16通过螺栓与a轴基座15联接，a轴加长轴4通过轴承与两个联接在底座14上的立式支架相连，以保证加长轴与x轴保持水平，a轴加长轴上加工有键，与垂直支架上带有键槽的联接孔17实现键连接，带动垂直支架的旋转。c轴电机18通过螺栓与c轴基座19固定在垂直支架12上，在垂直支架的中间与上部装有轴承，c轴加长轴13通过轴承，以保证垂直方向的刚度，在电机轴远离电机的一端通过螺栓连接设置金属安装板，安装板可以通过螺栓连接打印基台7，也可以安装卡盘8。卡盘和基台根据需要进行装卸。于是立式电机的旋转就可以带动工件绕z轴选转。

所述的打印方法为：

(1)获取工件cad模型；

(2)通过工艺规划将工件的cad模型分为一个主体部和若干支件部，主体部首先打印，支件部的打印次序根据喷头与工件不干涉的原则进行预先规划；

(3)对主体部和支件部进行切片，主体部以打印基台为切片基准面，支件部以支件与主体连接部分的切平面为切片基准面；

(4)在每个截面上计算喷头的运动轨迹，轨迹描述形式为逐点连接的折线。计算轨迹时，通过五轴联动确保轨迹中的每个子线段与下层已打印的部分在同一个垂直面上，以满足熔融成型的特点；

(5)安装打印基台，喷头与基台对刀，确定起始的相对位置；

(6)如果需要，启动感应线圈预热基台；

(7)按照预设喷头路径打印工件的主体部；

(8)待主体部冷却，将其从基台取下；

(9)将打印基台卸下用卡盘替换；

(10)工件主部在卡盘上装夹，如果需要，进行预热；

(11)按照预设的支件部打印次序和路径打印各个支件部。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。