一种旋转喷头式三维打印机的制作方法

本发明涉及一种三维打印机，具体是一种旋转喷头式三维打印机，属于快速成型制造技术领域。

背景技术：

熔融沉积具有维护成本低，安全可靠、无废料等优点，被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作，代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向。

市面上现有的三维打印机通常基于直角坐标系，通过平台相对于打印喷头X、Y、Z轴三个方向的移动熔融沉积出所需零件。这种打印机有一个明显的缺点：喷头的运动是由两个垂直方向的直线移动组合而成的，当制作曲面零件时，生成曲线路径困难、运动控制难度大、工作效率与精度均较低。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于极坐标系的旋转喷头式三维打印机，在制作曲面零件时，能够快速生成曲线熔覆路径，且运动控制简单，工作效率高、精度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旋转喷头式三维打印机，包括框架组件、框架组件顶部的材料盘、框架组件前面的显示屏以及控制板；它还包括可沿Z轴移动的打印平台、驱动打印平台沿Z轴移动的Z轴移动组件、可在XOY平行面内自如运动的喷头组件以及驱动喷头组件绕Z轴旋转的喷头旋转组件；喷头组件和平台基于极坐标系协调运动，实现高效高精度的曲面零件打印；

所述的框架组件包括前板、后板、顶板以及两个侧板；各板通过螺栓连接，组合成旋转喷头式三维打印机的外部框架；

所述的Z轴移动组件有三组，包括Z轴丝杠轴承、Z轴丝杠支架、直线导轨、直线滑块、平台支撑件、Z轴滚珠丝杠、Z轴联轴器、Z轴丝杠电机以及Z轴电机支架；Z轴丝杠支架、直线导轨和Z轴电机支架均通过螺栓固定在侧板或后板上，Z轴丝杠轴承和Z轴丝杠电机分别通过螺栓固定在Z轴丝杠支架和Z轴电机支架上；Z轴联轴器一端连接Z轴丝杠电机，另一端连接Z轴滚珠丝杠，Z轴滚珠丝杠的另一端与Z轴丝杠轴承的内圈紧配合；平台支撑件一侧与沿直线导轨运动的直线滑块螺栓固定，另一侧通过丝杠螺母与Z轴滚珠丝杠配合，三组Z轴移动组件的平台支撑件均通过螺栓与打印平台紧固连接；Z轴丝杠电机输出轴的转动通过滚珠丝杠传动转换为直线滑块沿直线导轨轴向即Z向的移动，进而带动平台支撑件和打印平台沿Z轴移动；

所述的喷头组件包括喷头旋转架、喷头移动丝杠轴承、两根支承光轴、喷头移动滚珠丝杠、喷头链接件、喷头、喷头移动联轴器以及喷头移动电机；喷头移动丝杠轴承和喷头移动电机分别通过螺栓固定在喷头旋转架的两侧；喷头移动联轴器一端连接喷头移动电机的输出轴，另一端连接喷头移动滚珠丝杠，喷头移动滚珠丝杠的另一端与喷头移动丝杠轴承的内圈紧配合；两根支承光轴贯穿喷头旋转架的两端，喷头链接件的上部中心孔通过丝杠螺母与喷头移动滚珠丝杠配合，两侧孔经直线轴承与支承光轴间隙配合，喷头通过螺栓固定在喷头链接件下部；喷头移动电机输出轴的转动经滚珠丝杠传动转换为喷头链接件沿支承光轴轴线方向的移动，进而为喷头提供一个沿XOY平行面上任意轴的移动自由度；

所述的喷头旋转组件包括旋转电机、减速器、推力轴承、轴向挡片以及旋转电机固定架；旋转电机固定架通过螺栓固定在顶板上，减速器两端分别与旋转电机、旋转电机固定架螺栓固定，其输出轴与喷头旋转架键连接并通过轴向挡片和螺栓定位；推力轴承内外圈分别与减速器输出轴和喷头旋转架的沉头孔紧配合；旋转电机输出轴的转动经减速器带动喷头旋转架绕Z轴旋转，从而为喷头组件提供一个绕Z轴的旋转自由度。

所述的喷头旋转架由铝合金焊接而成，在保证承载能力的基础上做轻量化处理。

所述的框架组件的侧板嵌入透明的有机玻璃板，前板嵌入活动的有机玻璃板，以便于观察和取样。

所述的打印平台的形状为长方形，其形心和三个平台支撑件构成的等边三角形的形心重合，以保证打印过程中平台的稳定运行。

与现有的基于直角坐标系的三维打印机相比，本发明的打印平台相对喷头具有沿Z轴移动、绕Z轴旋转以及沿XOY平行面任意轴移动共三个运动自由度，实现基于极坐标系的三自由度快速成型，在制作曲面零件时，能够快速生成曲线熔覆路径，且运动控制简单，工作效率高、精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的旋转喷头式三维打印机原理示意图；

图中：1、框架组件，2、显示屏，3、控制板，4、打印平台，5、Z轴移动组件，6、喷头组件，7、喷头旋转组件，8、材料盘。

图2为本发明实施例提供的框架组件原理示意图；

图中：1.1、前板，1.2、后板，1.3、侧板，1.4、顶板。

图3为本发明实施例提供的Z轴移动组件原理示意图；

图中：5.1、Z轴丝杠轴承，5.2、Z轴丝杠支架，5.3、直线导轨，5.4、直线滑块，5.5、平台支撑件，5.6、Z轴滚珠丝杠，5.7、Z轴联轴器，5.8、Z轴丝杠电机，5.9、Z轴电机支架。

图4为本发明实施例提供的喷头组件原理示意图；

图中：6.1、喷头旋转架，6.2、喷头移动丝杠轴承，6.3、支承光轴，6.4、喷头移动滚珠丝杠，6.5、喷头链接件，6.6、喷头，6.7、喷头移动联轴器，6.8、喷头移动电机。

图5为本发明实施例提供的喷头旋转组件原理示意图；

图中：7.1、轴向挡片，7.2、推力轴承，7.3、减速器，7.4、旋转电机，7.5、旋转电机固定架。

图6为本发明实施例提供的旋转喷头式三维打印机运动自由度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机原理示意图，包括框架组件1、框架组件1顶部的材料盘8、框架组件1前面的显示屏2以及控制板3；其特征在于，它还包括可沿Z轴移动的打印平台4、驱动打印平台4沿Z轴移动的Z轴移动组件5、可在XOY平行面内自如运动的喷头组件6以及驱动喷头组件6绕Z轴旋转的喷头旋转组件7；喷头组件6和打印平台4基于极坐标系协调运动，实现高效高精度的曲面零件打印；

所述的打印平台4的形状为长方形，其形心和三个平台支撑件5.5构成的等边三角形的形心重合，以保证打印过程中平台的稳定运行。

请参阅图2，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机框架组件原理示意图，它包括前板1.1、后板1.2、顶板1.4以及两个侧板1.3；各板通过螺栓连接，组合成旋转喷头式三维打印机的外部框架；

所述的框架组件1的侧板1.3嵌入透明的有机玻璃，前板1.1嵌入活动的有机玻璃板，以便于观察和取样。

请参阅图3，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机的Z轴移动组件原理示意图，它包括Z轴丝杠轴承5.1、Z轴丝杠支架5.2、直线导轨5.3、直线滑块5.4、平台支撑件5.5、Z轴滚珠丝杠5.6、Z轴联轴器5.7、Z轴丝杠电机5.8以及Z轴电机支架5.9；Z轴丝杠支架5.2、直线导轨5.3和Z轴电机支架5.9均通过螺栓固定在侧板1.3或后板1.2上，Z轴丝杠轴承5.1和Z轴丝杠电机5.8分别通过螺栓固定在Z轴丝杠支架5.2和Z轴电机支架5.9上；Z轴联轴器5.7一端连接Z轴丝杠电机5.8，另一端连接Z轴滚珠丝杠5.6，Z轴滚珠丝杠5.6的另一端与Z轴丝杠轴承5.1的内圈紧配合；平台支撑件5.5一侧与沿直线导轨5.3运动的直线滑块5.4螺栓固定，另一侧通过丝杠螺母与Z轴滚珠丝杠5.6配合，三组Z轴移动组件5的平台支撑件5.5均通过螺栓与打印平台4紧固连接；Z轴丝杠电机5.8输出轴的转动通过滚珠丝杠传动转换为直线滑块5.4沿直线导轨5.3轴向即Z向的移动，进而带动平台支撑件5.5和打印平台4沿Z轴移动。

请参阅图4，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机的喷头组件原理示意图，它包括喷头旋转架6.1、喷头移动丝杠轴承6.2、支承光轴6.3、喷头移动滚珠丝杠6.4、喷头链接件6.5、喷头6.6、喷头移动联轴器6.7以及喷头移动电机6.8；喷头移动丝杠轴承6.2和喷头移动电机6.8通过螺栓分别固定在喷头旋转架6.1的两侧；喷头移动联轴器6.7一端连接喷头移动电机6.8的输出轴，另一端连接喷头移动滚珠丝杠6.4，喷头移动滚珠丝杠6.4的另一端与喷头移动丝杠轴承6.2的内圈紧配合；两根支承光轴6.3贯穿喷头旋转架6.1的两端，喷头链接件6.5的上部中心孔通过丝杠螺母与喷头移动滚珠丝杠6.4配合，两侧孔经直线轴承与支承光轴6.3间隙配合，喷头6.6通过螺栓固定在喷头链接件6.5的下部；喷头移动电机6.8输出轴的转动经滚珠丝杠传动转换为喷头链接件6.5沿支承光轴6.3轴线方向的移动，进而为喷头6.6提供一个沿XOY平行面上任意轴的移动自由度；

所述的喷头旋转架6.1由铝合金焊接而成，在保证承载能力的基础上做轻量化处理。

请参阅图5，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机的喷头旋转组件原理示意图，它包括旋转电机7.4、减速器7.3、推力轴承7.2、轴向挡片7.1以及旋转电机固定架7.5；旋转电机固定架7.5通过螺栓固定在顶板1.4上，减速器7.3两端分别与旋转电机7.4、旋转电机固定架7.5螺栓固定，其输出轴与喷头旋转架6.1键连接并通过轴向挡片7.1和螺栓定位；推力轴承7.2的内外圈分别与减速器7.3的输出轴和喷头旋转架6.1的沉头孔紧配合；旋转电机7.4输出轴的转动经减速器7.3带动喷头旋转架6.1绕Z轴旋转，从而为喷头组件6提供一个绕Z轴的旋转自由度。

请参阅图6，是本发明实施例提供的一种旋转喷头式三维打印机的运动自由度示意图，其坐标原点位于打印平台4的形心。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。