一种大型材料挤压式3D打印机的制作方法

本发明涉及一种3d打印机，尤其涉及一种大型材料挤压式3d打印机。

背景技术：

材料挤压式3d打印机又称为熔融挤压式(fdm)3d打印机，这种3d打印机不必采用激光器、扫描振镜、压电式喷头等昂贵器件，结构比较简洁，成形材料比较便宜，广泛用于中小尺寸塑料件的3d打印成形，近年来也开始用于大尺寸塑料件的3d打印成形。

现有材料挤压式3d打印机的通常结构如图1和图2所示，上述结构的材料挤压式3d打印机存在以下问题：

(1)在图1所示结构中，挤压头107相对工作台109的y方向运动是用工作台的运动来实现的，当所需打印塑料件的y方向尺寸较大时，工作台运动的前、后极限位置必然会大大超出机架115范围，造成打印机y方向的外形尺寸非常庞大，需要很大的安装面积。

(2)在图1和图2所示结构中，x、y和z方向都采用仅有两端支承的圆柱导轨105、104、206、204、210导向，当所需打印塑料件的尺寸较大时，两支承间的距离增大，必然导致导轨的刚度不足，严重降低打印件的尺寸精度、表面品质和打印机的使用寿命。

在图2所示结构中，挤压头203相对工作台207的y方向运动是用挤压头的运动来实现的，挤压头运动的前、后极限位置虽然不会超出机架209范围，但是，由于y方向仍然采用仅有两端支承的圆柱导轨204导向，因此这种结构也不适用于打印y方向尺寸较大的塑料件。

(3)在图1和图2所示结构中，挤压头107、203相对工作台109、207的z方向运动是用电动机通过滚珠丝杠102、113、208驱动的，当所需打印塑料件的 x方向尺寸较小时，仅需一套滚珠丝杠208驱动即可(图2)；当所需打印塑料件的x方向和z方向的尺寸较大时，则需两套分别置于活动横梁103左、右两侧的很长的滚珠丝杠102、113驱动(图1)，造成结构庞杂，而且还必须使驱动丝杆的两台电动机101、114严格同步运行，否则活动横梁103会倾斜，甚至卡死。

(4)进行材料挤压打印时，一般工作台上的基板需要加热，否则难于使打印件的底面牢固地粘结在基板上，并且打印件易发生翘曲变形。基板的加热器通常是电热器件，用热电偶测温和温控器控温。当所需打印件的x方向和y方向的尺寸较大时，所需基板的面积很大，电热器件难于覆盖大面积的基板，热电偶的数量和测温点有限，基板中心与边缘的散热条件差别很大，从而造成基板上不同位置的温差很大，温度难于稳定，甚至使较薄的基板发生翘曲，这会严重削弱基板与打印件底面之间的粘结，造成打印层厚波动，降低打印件表面品质。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种大型材料挤压式3d打印机，可成形大尺寸的塑料件，结构紧凑，刚度好，经久耐用，成形件表面品质好。

为解决上述技术问题，本案的技术方案为：本发明揭示了一种大型材料挤压式3d打印机，包括：

挤压头，送进、加热和挤出塑料丝材；

x方向运动机构，使挤压头实现相对工作台的x方向运动；

y方向运动机构，使挤压头实现相对工作台的y方向运动；

z方向运动机构，使挤压头实现相对工作台的z方向运动；

工作台，支承和加热打印件；

机座，支承3d打印机；

控制系统，控制3d打印机的x方向运动、y方向运动、z方向运动、挤压头的加热与挤料动作、工作台的基板的加热。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，所述y方向运动机构包括：第一步进电动机、第一同步轴、第一齿形同步带传动、第一圆柱滚珠导轨、活动门架、支撑架，其中：

所述第一步进电动机，第一步进电动机的外壳固定在机座上，第一步进电动机的输出轴通过第一齿形同步带传动的带轮与第一齿形同步带传动的同步带啮合，用于驱动y方向运动；

所述第一同步轴，第一同步轴的左、右两端分别与第一齿形同步带传动相连，用于保证门架左、右两端同步运动；

所述第一齿形同步带传动，第一齿形同步带传动的输入端带轮与第一步进电动机的输出轴相连，第一齿形同步带传动的输出端通过滑块、支撑架与活动门架相连，用于将步进电动机的转动传递、转换为挤压头的y方向平移运动；

所述第一圆柱滚珠导轨，第一圆柱滚珠导轨全长支承在机座的铝型材上，第一圆柱滚珠导轨的导轨面与固定在支撑架下的滑块配合，用于y方向运动的精密导向；

所述活动门架，活动门架用于支承活动横梁和z方向运动机构，并在y方向带动活动横梁与挤压头运动；

所述支撑架，支撑架的前面与活动门架相连，支撑架的下面通过滑块与y方向导轨配合，用于传递y方向的运动，增加活动门架的刚度和运动稳定性。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，所述活动门架由左活动门架、右活动门架和连接板组成，活动门架的后面与支撑架相连，活动门架的上端安装z方向运动步进电动机，活动门架的前面安装z方向运动导轨，带动挤压头相对工作台沿y方向运动。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，所述z方向运动机构包括：第二步进电动机、第二同步轴、第二齿形同步带传动、第二圆柱滚珠导轨、活动横梁、钢丝绳、滑轮、平衡砝码、套管，其中：

所述第二步进电动机，第二步进电动机的外壳固定在活动门架上部，第二步进电动机的输出轴通过第二齿形同步带传动的带轮与第二齿形同步带传动的同步带啮合，用于驱动z方向运动；

所述第二同步轴，第二同步轴的左、右两端分别与第二齿形同步带传动相连，用于保证活动横梁左、右两端同步运动；

所述第二齿形同步带传动，第二齿形同步带传动的输入端带轮与第二步进电动机的输出轴相连，第二齿形同步带传动的输出端通过滑块与横梁相连，用于将第二步进电动机的转动传递、转换为挤压头的z方向平移运动；

所述第二圆柱滚珠导轨，第二圆柱滚珠导轨全长支承在活动门架的铝型材上，第二圆柱滚珠导轨的导轨面与固定在活动横梁上的滑块配合，用于z方向运动的精密导向；

所述活动横梁，活动横梁的左、右两端分别通过滑块与z方向运动导轨配合，还通过钢丝绳与平衡砝码相连，用于安装挤压头和x方向带传动；

所述钢丝绳，钢丝绳在活动横梁的左、右各有一根，钢丝绳的一端与活动横梁相连，另一端绕过滑轮与平衡砝码相连，用于活动横梁与平衡砝码之间的连接；

所述滑轮的轮座固定在活动门架的连接板上，用于钢丝绳的导向；

所述平衡砝码，平衡砝码的上端与钢丝绳相连，平衡砝码的下端自然下垂，用于平衡活动横梁、挤压头与x方向运动机构的质量；

所述套管，套管的外壳固定在支撑架上，套管的内孔用于平衡砝码的上、下运动导向。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，所述工作台包括：基板、热床、台座。其中：

所述基板，固定于热床之上，基板的上表面与打印件底面接触，用于支承、粘结打印件；

所述热床，位于台座之上、基板之下，用于加热基板、打印件和打印机成形空间；

所述台座，位于机座之上、热床之下，用于支承热床。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，在打印pla塑料件时，所述基板为中密度板；在打印abs塑料件时所述基板为玻璃板。

根据本发明的大型材料挤压式3d打印机的一实施例，热床包括：蛇形紫铜管、散热片、框架、恒温水箱和温控器。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的大型材料挤压式3d打印机，采用活动门架实现y方向运动，用全长支承的工业级圆柱滚珠导轨导向，用具有质量平衡系统的齿形带驱动活动横梁的z方向运动，基板采用中密度板或流通恒温水(油)的热床加热的玻璃板。采取上述措施后，这种打印机可成形大尺寸的塑料件，结构紧凑，刚度好，经久耐用，成形件表面品质好。

附图说明

图1示出了现有一种材料挤压式3d打印机的示意图。

图2示出了现有另一种材料挤压式3d打印机的示意图。

图3示出了本发明的大型材料挤压式3d打印机的较佳实施例的示意图。

图4示出了本发明的大型材料挤压式3d打印机的较佳实施例的热床示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

下面结合附图3和图4所示实施例对本发明作进一步的描述。

图3示出了本发明的一种大型材料挤压式3d打印机的实施例的结构示意图。请参见图3，本实施例的打印机由挤压头319、x方向运动机构、y方向运动机构、z方向运动机构、工作台、机座和控制系统等组成。

其中，挤压头319包括：一对辊轮321、电热器322、热电偶317和喷嘴320。辊轮321位于挤压头319上部，借助弹簧(图中未示出)使两辊轮321夹紧塑料 丝332，用步进电动机(图中未示出)驱动辊轮321，将塑料丝332送入挤压头319并使其从挤压头挤出。电热器322位于挤压头319中，用于加热塑料丝332，使其成为熔融态。热电偶317嵌入挤压头319中，用于测量挤压头319的温度。喷嘴320位于挤压头319下端出口，借助上部的螺纹与挤压头319相连，熔融的塑料通过喷嘴320的内孔流出，用于控制挤出塑料丝的外径。

x方向运动机构包括：步进电动机313、齿形同步带传动312和318、圆柱滚珠导轨328。步进电动机313的外壳固定在活动横梁329上，步进电动机313的输出轴通过齿形同步带传动312的带轮与同步带啮合，带传动312的输出轴即带传动318的输入轴，此轴上的带轮与同步带啮合。带传动318的输出端与固定在挤压头319上的滑块(图中未示出)相连，用于将步进电动机313的转动传递、转换为挤压头319的x方向平移运动。圆柱滚珠导轨328全长支承在活动横梁329的铝型材上，导轨面与固定在挤压头319上的滑块配合，用于x方向运动的精密导向。

y方向运动机构包括：步进电动机308、齿形同步带传动309和310、同步轴307、圆柱滚珠导轨315、活动门架336、支撑架306。步进电动机308的外壳固定在机座314上，步进电动机308的输出轴通过齿形同步带传动309的带轮与同步带啮合，齿形同步带传动309的输出轴即齿形同步带传动310(右)的输入轴，齿形同步带传动310(右)通过滑块311、支撑架306(右)与活动门架336(右)相连。而且，齿形同步带传动310(右)的输入轴与同步轴307相连，通过同步轴307驱动齿形同步带传动310(左)，再通过滑块339、支撑架306(左)与活动门架336(左)相连，从而在左、右两端同步驱动活动门架336和挤压头319作y方向运动。圆柱滚珠导轨315的全长支承在机座314的铝型材上，导轨面与固定在支撑架下的滑块311配合，用于y方向运动的精密导向。活动门架336的后面与支撑架306相连，上端安装z方向运动步进电动机301，前面安装z方向运动导轨305，用于支承活动横梁329和z方向运动机构，并在y方向带动活动横梁329与挤压头319运动。支撑架306的前面与活动门架336相连，下面通过滑块311、339与y方向导轨315配合，用于传递y方向的运动，增加活动门架336的刚度和运动稳定性。

z方向运动机构包括：步进电动机301、齿形同步带传动302和304、同步轴338、圆柱滚珠导轨305、活动横梁329、钢丝绳335、滑轮337、平衡砝码334、套管333。步进电动机301的外壳固定在活动门架336的右上部，步进电动机301的输出轴通过齿形同步带传动302的带轮与同步带啮合，齿形同步带传动302的输出轴即齿形同步带传动304(右)的输入轴，齿形同步带传动304(右)通过滑块316与活动横梁329的右端相连。而且，齿形同步带传动304(右)的输入轴与同步轴338相连，通过同步轴338驱动齿形同步带传动304(左)，再通过滑块340与活动横梁329的左端相连，从而在左、右两端同步驱动活横梁329和挤压头319作z方向运动。圆柱滚珠导轨305的全长支承在活动门架336的铝型材上，导轨面与固定在活动横梁329上的滑块316、340配合，用于z方向运动的精密导向。活动横梁329还通过左、右各一根钢丝绳335与平衡砝码334相连。钢丝绳335在活动横梁329的左、右各有一根(图中未仅示出右端的钢丝绳、滑轮、平衡砝码和套管)，钢丝绳335的一端与活动横梁329相连，另一端绕过滑轮337与平衡砝码334相连，用于活动横梁329与平衡砝码334之间的连接。滑轮337的轮座固定在活动门架336的连接板331上，用于钢丝绳335的导向。平衡砝码334的上端与钢丝绳335相连，下端自然下垂，用于平衡活动横梁329、挤压头319与x方向运动机构等的质量。套管333的外壳固定在支撑架306上，内孔用于平衡砝码334的上、下运动导向。左、右平衡砝334码的总质量约为活动横梁329、挤压头319与x向运动机构等的总质量的90％，采用平衡砝码334后，可大大减少z方向运动的惯性和所需驱动力，克服反向运动间隙，提高z方向运动的平稳性、打印件尺寸精度和表面品质，保证断电情况下活动横梁与挤压头不下滑。

工作台326包括：基板323、热床325、台座324。基板323固定于热床325之上，基板323的上表面与打印件底面接触，用于支承、粘结打印件，当采用的打印材料为pla(聚乳酸)丝时，基板323用中密度板制作；当采用的打印材料为abs工程塑料丝时，基板323用硼硅玻璃制作，并用热床325加热，以便避免打印件翘曲变形。热床325(图4)位于基板323之下，固定在台座324上，用于加热基板323、打印件和成形空间，热床325由蛇形紫铜管403、散热片404、框 架413、恒温水箱407和温控器408等组成，水箱中的水(或油)410用电热器409加热和热电偶411测温，用温控器408控温，加热至所需温度的水(油)410由水泵406、进水管405、进水口412流入框架413内的蛇形紫铜管403，热水(油)410中的热量经紫铜管403、散热片404散发，加热玻璃基板323、打印件与打印机成形空间。台座324位于机座314之上、热床325之下，用于支承热床325。

机座314用于支承3d打印机。

控制系统(图中未示出)用于控制3d打印机的x方向运动、y方向运动、z方向运动、挤压头的加热与挤料动作、基板的加热。

本发明的3d打印机工作时，按照所需打印的塑料件3d图形要求，在控制系统的控制下，加热挤压头319中的塑料丝至熔融态，z方向运动机构使挤压头319的喷嘴320趋近基板323的上表面，由挤压头319的喷嘴320挤出熔融的丝材涂覆在基板323上，与此同时，x方向运动机构和y方向运动机构使挤压头319沿打印件的x-y截面图形轨迹运动，在基板323上打印出所需塑料件的一层截面，然后，z方向运动机构使挤压头319的喷嘴320上升一层厚度，打印下一层塑料件的截面，如此重复，直至三维塑料件打印完成。

上述本发明提供的3d打印机与图1和图2所示常用的3d打印机比较，有以下新颖性和创造性：(1)用活动门架带动挤压头运动，实现挤压头相对工作台的y方向运动，工作台静止不动，当所需打印塑料件的y方向尺寸较大时，不会因工作台的运动而增大打印机y方向的外形尺寸。(2)x、y和z方向都采用全长支承的工业级圆柱导轨导向，而不是仅有两端支承的导轨导向，当所需打印塑料件的尺寸较大时，导轨仍有足够的刚度，有利于提高打印件的尺寸精度、表面品质和打印机的使用寿命。(3)z方向的运动由齿形同步带驱动，用平衡砝码减少活动横梁和挤压头的运动惯性和所需驱动力，当所需打印塑料件的尺寸较大时，不必用2套很长的滚珠丝杠驱动，结构简单、紧凑。(4)打印abs塑料件时，用流通热水(油)的热床加热大面积的玻璃基板，由于热容量大、温度稳定，当所需打印塑料件的尺寸较大时，基板各部位的温度均匀，波动小，还能使成形空间受热升温，打印的大型abs塑料件不易发生翘曲变形，表面品质好。

因此，本发明提供的3d打印机特别适合于大型塑料件的材料挤压式打印成形。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。