本发明涉及3d打印设备领域，具体涉及一种基于熔融沉积成型的3d打印机。
背景技术：
3d打印技术又称增材制造技术，成型过程是采用nx、pro/e、soliworks、3dmax等制图软件对需要打印的产品，进行三维建模，然后导出成stl等格式文件，再使用分层软件进行分层，生成gcode文件，最后将gcode文件导入到3d打印机中，机器自动读取文件，将材料进行层层叠加到工作平台上，最终打印出整个产品；成型技术主要包括：熔融沉积成型（fdm）、光固化快速成型（sla）、选择性激光烧结成型（sls）、分层实体制造（lom）、三维打印制造（3dp）等工艺。3d打印技术能够完成复杂零部件的制造，缩短研发时间，生产出传统加工方式难以加工的产品，在医疗器械、汽车工业、科研教学、航空航天等领域有着巨大的发展前景，被誉为第三次工业革命的标志。
目前可供熔融沉积型3d打印的材料品种较少，并且对材料的要求较高，使用最广泛的打印材料为聚乳酸和abs，而软质材料却较难在fdm打印中应用；国内外的fdm打印机所采用的材料均是直径均匀的线材，导致原材料在打印之前已经经历了一次热成型，导致高分子材料的力学强度有所下降，因此设计一种新型3d打印机非常有必要，既降低了打印耗材的生产成本，又解决了fdm打印机对线材的限制。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种可采用粉末或颗粒做原材料的基于熔融沉积成型的3d打印机。
本发明的基于熔融沉积成型的3d打印机，包括挤出装置、打印机机架、台面移动机构和台面；所述的挤出装置设置在打印机机架上，台面移动机构和台面固定在打印机机架内，台面移动机构和台面连接，用于控制台面在x、y和z轴方向的移动，挤出装置位于台面上方；
所述的挤出装置包括进料装置、料筒、螺杆、喷头、加热装置和第四步进电机；进料装置上端口为入料口，进料装置下端口为出料口，进料装置的出料口与料筒的入料口连接；螺杆位于料筒内，喷头与料筒的出料口连接，加热装置位于料筒的外表面，第四步进电机置于进料装置的顶部，第四步进电机的电机轴与螺杆连接；
螺杆从上到下分为加料段、熔融段和均化段，螺杆的表面上从上到下设置有螺棱、分流梭和螺杆头，分流梭和螺杆头位于均化段；螺棱位于加料段、熔融段和部分均化段；所述的螺杆头呈圆锥形，喷头包括呈圆锥形的头部和呈圆柱形的尾部，在圆柱形尾部的上表面内凹设置截面呈“v”字形的凹槽，所述的“v”字形凹槽与圆锥形螺杆头相配合，“v”字形凹槽与圆锥形螺杆头之间设有间隙并形成流道，在“v”字形凹槽的底端沿喷头的轴向开设有通孔。
所述的打印机机架是由金属杆连接成的长方体金属框架，打印机机架上表面中的两根金属杆之间平行设置有两根金属横梁，两根金属横梁之间有间隔，挤出装置从两根横梁之间的间隔竖直穿过，通过紧固件固定在两根金属横梁之间，喷头朝下。
颗粒或粉末状物料从料斗加入，经过在料筒中加热后，同时在螺杆的推动下，熔融态物料由挤出装置的喷头挤出，台面控制机构连接台面，使台面在x、y和z轴方向移动，挤出的熔融态物料在台面上由点构线，再由线构面，成为一个二维图案，且有一定厚度，台面在z轴方向下降一层，使挤出的物料逐层在z轴方向上堆积，最终完成物品的制作。
优选的，所述的台面移动机构包括由四根金属杆围成的长方形金属框、带动长方形金属框在z方向滑动的丝杆机构、设置在长方形金属框上表面的驱动平台在x方向运动的第一运动机构和设置在长方形金属框下表面的驱动平台在y方向运动的第二运动机构；
所述的丝杆机构包括四根丝杆、四根丝杆竖直位于打印机机架内，在每个丝杆都安装有一个螺母法兰，所述的螺母法兰在四个丝杆上的位置高度相同，长方形金属框的四个角分别固定在四个螺母法兰的法兰面上，每根丝杆的上端都套接有同步带轮，在打印机机架上固定有第一步进电机，第一步进电机的电机轴上套接有主动轮，所述的主动轮通过电机同步带与最临近的丝杆上端的同步带轮连接，与第一步进电机电机轴相连的丝杆为第一丝杆，其它的丝杆依次为第二丝杆，第三丝杆和第四丝杆，第一丝杆与第二丝杆之间通过同步带轮和第一丝杆同步带连接，第二丝杆与第三丝杆之间通过同步带轮和第二丝杆同步带连接；第三丝杆与第四丝杆之间通过同步带轮和第二丝杆同步带连接；所述第一运动机构包括两根平行设置的第一光轴、一根第二光轴、两根第一光轴同步带和两个第一滑块，两根第一光轴固定在长方形金属框的上表面，且与长方形金属框的一条边平行，第二光轴垂直固定在两根的第一光轴之间，第二光轴的两端与两根第一光轴之间均通过第一滑块连接，两个第一滑块分别与两个第一光轴之间滑动连接，两根第一光轴同步带与第二光轴平行设置，通过同步带轮连接两根第一光轴的两端；第二步进电机固定在长方形金属框的下表面，第二步进电机的电机轴与第一光轴平行，第二步进电机的电机轴通过套接在电机轴上的主动轮、电机同步带、同步带轮与临近的第一光轴的一端连接；所述第二运动机构包括两根平行设置的第三光轴、一根第四光轴、两根第二光轴同步带和两个第二滑块，两根第三光轴固定在长方形金属框的下表面，且与长方形金属框的一条边平行，第四光轴垂直固定在两根的第三光轴之间，且与第二光轴垂直，第四光轴与两根第三光轴之间通过两个第二滑块连接，两个第二滑块分别与两个第三光轴之间滑动连接，两根第二光轴同步带与第四光轴平行设置，通过同步带轮连接两根第一光轴的两端；第三步进电机固定在长方形金属框的下表面，第三步进电机的电机轴与第三光轴平行，第三步进电机的电机轴通过套接在电机轴上的主动轮、电机同步带、同步带轮与临近的第三光轴的一端连接；所述两个第一滑块的下表面分别与其相对应的第二光轴同步带的上表面固定连接；所述两个第二滑块的上表面分别与其相对应的第一光轴同步带的下表面固定连接；所述的第一滑块与第二滑块的结构相同；第二光轴和第四光轴在垂直交叉位置通过第三滑块连接，第三滑块与第二光轴和第四光轴之间均滑动连接，台面固定在第三滑块的上表面。
第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机调节平台在x、y和z轴方向的位置，第一步进电机通过电机同步带带动四个丝杆转动，四根丝杆带动各丝杆上套接的法兰螺母沿丝杆移动，从而带动长方形金属框移动，实现长方形金属框在z轴方向上的移动，进而带动平台在z轴方向移动；第二步进电机的电机轴转动时带动两根第一光轴转动和带动两根第一光轴同步带运动，带动与两根第一光轴同步带分别连接的两个第二滑块沿第三光轴运动，带动第四光轴沿第二光轴方向滑动，实现平台沿第二光轴方向运动，设第二光轴方向为x方向，第四光轴方向为y方向；第三步进电机的电机轴转动时带动两根第三光轴转动和带动两根第二光轴同步带运动，带动与两根第二光轴同步带分别连接的两个第一滑块运动，两个第一滑块带动第二光轴在第一光轴间滑动，实现平台沿第四光轴方向运动。
优选的，所述的第三滑块上开有两个互相垂直的通孔，所述的两个通孔分别为第三滑块上通孔和第三滑块下通孔，所述的两个通孔不在同一平面内，两个通孔的垂直距离等于第二光轴与第四光轴之间的垂直距离。设置在第三滑块上的平台既可以沿第二光轴方向移动也可以沿第四光轴方向移动。
优选的，第一滑块上开有第一滑块通孔、第一滑块的表面还垂直固定有开有盲孔的第一固定块，所述通孔的轴线与盲孔的轴线垂直，第一滑块通孔中内置有直线轴承，设置直线轴承可以使第一滑块沿第三光轴滑动时摩擦力较小。
优选的，在第一滑块的表面还平行设置有两个相同的开设有长方形通孔的第二固定块，两个长方形通孔共轴线，且两个长方形通孔的轴线与第一滑块通孔的轴线平行。
每根第二光轴同步带的两个自由端分别从第二通孔中穿过，绕接在第二固定块上；第二光轴同步带两个自由端通过第一滑块接在一起形成环形；第二滑块与第一滑块结构相同，每根第一光轴同步带的两个自由端分别从第二滑块的两个第二通孔穿过，绕接在第二滑块的第二固定块上，第一光轴同步带两个自由端通过第二滑块接在一起形成环形。直接将光轴同步带与滑块缠绕连接，采用了更常用的缠绕的方式，使得光轴同步带与滑的连接更简便，更容易实现。
优选的，所述的紧固件包括对称设置的两个卡箍单元，所述的卡箍单元包括卡箍安装板、上卡板和下卡板，上卡板和下卡板均平行设置在卡箍安装板上，上卡板和下卡板均与水平面平行，在上卡板和下卡板上均设置用于卡合料筒的弧形凹口，卡箍安装板通过螺栓连接在两根金属横梁上。通过紧固件在金属横梁上固定料筒，使得料筒拆卸安装更方便，且紧固件采了上卡板和下卡板的双卡板结构，使得对料筒的卡接固定更牢固。
有益效果：
能够解决国内外fdm打印机对打印线材的限制，fdm打印材料必须是直径均匀的线材；而采用颗粒或粉末状高分子原材料作为打印耗材，减少线材制备的工序和原材料的一次热成型过程，降低打印耗材的生产成本；同时本打印机结构简洁，使用方便，生产成本低，拓宽打印技术的应用领域，能够满足人们对打印产品的要求。
附图说明
图1是挤出装置的结构示意图；
图2是3d打印机的立体结构示意图；
图3是第一滑块结构图；
图4是第三滑块结构图；
图5是紧固件结构图；
图6是3d打印机另一角度的立体结构示意图
1、第四步进电机；2、料斗盖；3、搅拌棒；4、料斗；51、第一温度传感器；52、第二温度传感器；53、第三温度传感器；6、散热装置；7、保温层；8、螺杆头；9、料筒；10、喷头；11、分流梭；121、第一加热圈；122、第二加热圈；13、螺杆；14、卸料阀；15、连接轴；16、第一联轴器；17、长条形横梁；18、第二联轴器；19、金属横梁；20、第一步进电机；21、丝杆；211、第一丝杆；212、第二丝杆；213、第三丝杆；214、第四丝杆；22、第一运动机构；221、第一光轴；222、第二光轴；223、第一光轴同步带；23、第一滑块；231、第一滑块通孔；232、盲孔；233、长方形通孔；234、第一固定块；235、第二固定块；24、第二步进电机；25、第二运动机构；251、第三光轴；252、第四光轴；253、第二光轴同步带；26、第二滑块；27、紧固件；271、上卡板；272、卡箍安装板；273、下卡板；274、弧形凹口；281、第一丝杆同步带；282、第二丝杆同步带；283、第三丝杆同步带；29、第三步进电机；30、第三滑块；301、第三滑块上通孔；302、第三滑块下通孔；31、平台；32、螺母法兰；33、长方形金属框；34、打印机机架。
具体实施例
一种基于熔融沉积成型的3d打印机包括：3d打印机挤出装置、打印机机架34、台面移动机构和台面31。挤出装置设置在打印机机架34上，台面移动机构和台面31固定在打印机机架34内，台面移动机构和台面31连接，用于控制台面在x、y和z轴方向的移动，挤出装置位于台面31上方。
如图1所示，3d打印机挤出装置包括进料装置、料筒9、螺杆13、喷头10、加热装置、第四步进电机1和散热装置6，进料装置上端口为入料口，进料装置下端口为出料口，进料装置的出料口与料筒9的入料口连接；螺杆13位于料筒9内，喷头10与料筒的出料口连接，加热装置位于料筒9的外表面，第四步进电机1置于进料装置的顶部，第四步进电机1的电机轴与螺杆13连接；
螺杆的表面上从上到下设置有螺棱13、分流梭11和螺杆头8，所述的分流梭11为销钉式分流梭11，所述的螺杆头8呈圆锥形，喷头10包括呈圆锥形的头部和呈圆柱形的尾部，在圆柱形尾部的上表面内凹设置截面呈“v”字形的凹槽，所述的“v”字形凹槽与圆锥形螺杆头8相配合，“v”字形凹槽与圆锥形螺杆头8之间设有间隙并形成流道，在“v”字形凹槽的底端沿喷头的轴向开设有通孔。
如图1所示，所述的进料装置包括料斗4、料斗盖2、搅拌棒3和连接轴15；料斗4为上大下小的漏斗形状，所述的料斗4上设置有料斗盖2，料斗盖2包括固定部分和活动部分，料斗盖2的两个部分通过合页片铰连接，料斗盖2的固定部分与料斗4搭扣连接，需要投料的时候，可以翻开料斗盖2的活动部分向料斗4中投入3d打印材料，3d打印材料可选用颗粒或粉末状高分子材料；料斗盖2的固定部分上设置有长条形横梁17，横梁上固定有第四步进电机1，料斗盖2的固定部分和长条形横梁17上开设有通孔，第四步进电机1的转轴从通孔中穿过，第四步进电机1的转轴从上到下依次穿过长条形横梁17和料斗盖2的固定部分并伸入到料斗4内，第四步进电机1电机轴通过第一联轴器16与连接轴15一端相连，连接轴15的另一端和螺杆通过第二联轴器18相连；搅拌棒3设置在第二联轴器18表面，所述的搅拌棒3为弧形搅拌棒，弧形搅拌棒两端点的连线与第二联轴器18的轴线垂直。在料斗上靠近出料口的位置设置有卸料阀14，当3d打印机停止工作后，进料装置中还有剩余物料时，可以将卸料阀14打开，将余料回收，减少浪费。
颗粒或粉末状的高分子物料从料斗4加入，通过第四步进电机1间接带动搅拌棒3转动，进而完成原料的混料，同时塑料颗粒不会堵在料斗4底端，出现架桥现象，进而实现均匀的向料筒9进料。
螺杆13是塑化、输送物料的最重要部件，根据物料在料筒中的三种物理状态的变化过程以及对螺杆13各部位的工作要求，通常将螺杆13从上到下分为加料段，又称固体输送段；熔融段，又称压缩段；均化段，又称计量段。分流梭11和螺杆头8位于均化段；螺棱13位于加料段、熔融段和部分均化段；分流梭11能够将未塑化的物料颗粒进行充分的塑化，保证塑料全部处于熔融态。
散热装置6为金属套筒，套接在料筒9的表面，料筒9套接散热装置6的区域为料筒9的散热区，在金属套筒外表面垂直设置有多个金属片，金属片之间相互平行，金属片之间有一定的空间，便于散热，散热装置6的位置与螺杆13的加料段区域对应，对加料段区域内的物料进行散热，可有效地防止料筒9中的热量进一步传递到料斗4内，而产生架桥现象。
加热装置包括温度传感器、温度控制器、加热圈和保温层7；料筒9的外表面开设有螺孔，温度传感器被压入螺孔，与料筒9紧密接触，温度传感器与温度控制器电连接，温度传感器包括第一温度传感器51、第二温度传感器52和第三温度传感器53，第一温度传感器51所在的区域与散热装置6所在区域对应，用于检测和反映散热区料筒9的温度状态，料筒9的外表面套接有第一加热圈121和第二加热圈122，分别是料筒9的第一加热区和第二加热区，料筒9的第一加热区与螺杆13的熔融段区域对应，料筒9的第二加热区与螺杆13的均化段区域对应，第二温度传感器52所在的区域与第一加热圈121所在区域对应，用于检测和反映料筒9第一加热区的温度状态，第三温度传感器53所在的区域与第二加热圈122所在区域对应，用于检测和反映料筒9第二加热区的温度状态。加热一般有电阻加热和电感加热，电感加热效果好，但成本高，本实施方式中选择电阻加热，采用的加热圈为电阻加热圈。在加热圈外设置有保温层7，保温层7与均匀覆盖在加热圈与料筒9上，保温层7覆盖的区域对应螺杆13的熔融段和均化段区域，在加热圈外面设置保温层7，能够极大地减少能量的耗损，对操作人员也更安全。
加入挤出装置的物料可以是颗粒或粉末状的高分子原材料，从料斗4进入到料筒9中，螺杆13在料筒9内旋转，旋转时产生扭矩，将物料竖直往下输送，使物料受到压力和获得热量，在螺杆13的加料段，料筒9外套接有散热装置6，可以加快散热，和有效防止料筒9中的热量进一步传递到料斗4内，而产生架桥现象，物料在熔融段和均化段，由于加热圈以及螺棱剪切热的存在，玻璃态的塑料逐步被塑化，并成为熔融态，之后，在分流梭11的高度剪切下，未塑化的高分子材料被充分的塑化，最终在螺杆头8的引导下，从喷头10挤出。
两根金属杆之间平行设置有两根金属横梁19，两根金属横梁19之间有间隔，挤出装置从两根横梁19之间的间隔竖直穿过，通过紧固件27固定在两根金属横梁19之间，喷头10朝下；如图5所示，紧固件27包括对称设置的两个卡箍单元，所述的卡箍单元包括卡箍安装板272、上卡板271和下卡板273，上卡板271和下卡板273均平行设置在卡箍安装板272上，上卡板271和下卡板273均与水平面平行，在上卡板271和下卡板273上均设置用于卡合料筒9的弧形凹口274，卡箍安装板272通过螺栓连接在两根金属横梁19上。
如图2和图6所示，所述的丝杆机构包括四根丝杆21、四根丝杆21竖直位于打印机机架34内，在每个丝杆21都安装有一个螺母法兰32，所述的螺母法兰32在四个丝杆21上的位置高度相同，长方形金属框33的四个角分别固定在四个螺母法兰32的法兰面上，每根丝杆21的上端都套接有同步带轮，在打印机机架34上固定有第一步进电机20，第一步进电机20的电机轴上套接有主动轮，所述的主动轮通过电机同步带与最临近的丝杆21上端的同步带轮连接，与第一步进电机20电机轴相连的丝杆为第一丝杆211，其它的丝杆依次为第二丝杆212，第三丝杆213和第四丝杆214，第二丝杆212的上端套接有两个同步带轮，第三丝杆213的上端套接有两个同步带轮，第四丝杆214上套接有一个同步带轮，第一丝杆211与第二丝杆212之间通过同步带轮和第一丝杆同步带281连接，第二丝杆丝杆212与第三丝杆213之间通过同步带轮和第二丝杆同步带282连接；第三丝杆213与第四丝杆214之间通过同步带轮和第二丝杆同步带282连接；第一步进电机20转动时，通过电机轴上的主动轮、电机同步带、设置在丝杆上的多个同步带轮和同步带，带动四根丝杆21转动，四根丝杆21带动各丝杆上套接的法兰螺母32沿丝杆移动，从而带动长方形金属框33移动，实现长方形金属框33在z轴方向上的移动。
驱动平台31在x方向运动的第一运动机构22包括第一步进电机20、两根平行设置的第一光轴221、一根第二光轴222、两根第一光轴同步带223和两个第一滑块23，两根第一光轴221固定在长方形金属框33的上表面，且与长方形金属框的一条边平行，第二光轴222垂直固定在两根的第一光轴221之间，第二光轴222的两端与两根第一光轴221之间均通过第一滑块23连接，第一滑块23上开有第一滑块通孔231、第一滑块23的表面还垂直固定有开有盲孔232的第一固定块234，所述第一滑块通孔231的轴线与盲孔232的轴线垂直，第一滑块通孔231中内置有直线轴承，第一滑块23沿第一光轴221滑动时摩擦力更小，第二步进电机24固定在长方形金属框33的下表面，第二步进电机24的电机轴与第一光轴221平行，第二步进电机24的电机轴上套接有主动轮，与其相临近的第一光轴221的临近端套接有两个同步带轮，另一端套接有一个同步带轮，另一根第一光轴221的两端分别套接有一个同步带轮，第二步进电机24通过主动轮、电机同步带、同步带轮与最临近的第一光轴221连接，两根第一光轴同步带223与第二光轴222平行设置，两根第一光轴同步带223通过同步带轮连接两根第一光轴221的两端；
驱动平台31在y方向运动的第二运动机构25包括两根平行设置的第三光轴251、一根第四光轴252、两根第二光轴同步带253和两个第二滑块26，两根第三光轴251固定在长方形金属框33的下表面，且与长方形金属框的一条边平行，第四光轴252垂直固定在两根的第三光轴251之间，且与第二光轴222垂直，第四光轴252与两根第三光轴251之间通过两个第二滑块26连接，两个第二滑块26分别与两个第三光轴251之间滑动连接，第二滑块26上开有第二滑块通孔和与所述通孔垂直的第二滑块盲孔，第二滑块通孔中内置有直线轴承，第二步进电机24固定在长方形金属框33的下表面，第三步进电机29的电机轴与第三光轴251平行，第三步进电机29的电机轴上套接有主动轮，与其相临近的第三光轴251的临近端套接有两个同步带轮，另一端套接有一个同步带轮，另一根第三光轴251的两端分别套接有一个同步带轮，第三步进电机29通过主动轮、电机同步带、同步带轮与最临近的第三光轴251连接的一端连接，两根第二光轴同步带253与第四光轴252平行设置，两根第二光轴同步带253通过同步带轮连接两根第三光轴251的两端。
第一滑块23与第二滑块26的结构相同；第一滑块23为长方形结构，在第一滑块23的表面还平行设置有两个相同的开设有长方形通孔233的第二固定块235，两个长方形通孔233共轴线，且两个长方形通孔233的轴线与第一滑块通孔231的轴线平行。每根第二光轴同步带的两个自由端分别从长方形通孔233中穿过，绕接在第二固定块235上；第二光轴同步带253两个自由端通过第一滑块23接在一起形成环形。
第二滑块26与第一滑块23结构相同，第二滑块26上开有第二滑块通孔、第二滑块26的表面还垂直固定有开有盲孔的第一固定块，所述第一滑块通孔的轴线与盲孔的轴线垂直，第二滑块26为长方形结构，在第一滑块26的表面还平行设置有两个相同的开设有长方形通孔的第二固定块，两个长方形通孔共轴线，且两个长方形通孔的轴线与第二滑块26通孔的轴线平行。每根第一光轴同步带的两个自由端分别从第二滑块的两个长方形通孔穿过，绕接在第二滑块的第二固定块上，第一光轴同步带223两个自由端通过第二滑块接在一起形成环形。
第一滑块23与第二光轴同步带253的连接方式也可采用：两个第一滑块23的下表面分别与与其相对应的第二光轴同步带253的上表面固定连接，第二光轴同步带253为环形同步带；第二滑块26与第一光轴同步带223的连接方式也可采用：两个第二滑块26的上表面分别与与其相对应的第一光轴同步带223的下表面固定连接；
第二光轴222和第四光轴252在垂直交叉位置通过第三滑块30连接，第三滑块30与第二光轴222和第四光轴252之间均滑动连接，台面31固定在第三滑块30的上表面。第三滑块30上开有两个互相垂直的通孔，所述的两个通孔分别为第三滑块上通孔301和第三滑块下通孔302，所述的两个通孔不在同一平面内，两个通孔的垂直距离等于第二光轴222与第四光轴252之间的垂直距离。
第二步进电机24的电机轴转动时带动两根第一光轴221转动和带动两根第一光轴同步带223运动，带动与两根第一光轴同步带223分别连接的两个第二滑块26沿第三光轴运动，带动第四光轴252沿第二光轴方向滑动，实现平台31沿第二光轴222方向运动；第三步进电机29的电机轴转动时带动两根第三光轴251转动和带动两根第二光轴同步带253运动，带动与两根第二光轴同步带253分别连接的两个第一滑块23运动，两个第一滑块23带动第二光轴222在第一光轴221间滑动，实现平台31沿第四光轴252方向运动；
第一步进电机20、第二步进电机24和第三步进电机29调节平台31在x、y和z轴方向的位置，第四步进电机1控制挤出装置中螺杆13的转速，以控制出料的速度，加热圈使料筒保持在设定温度，台面31通过第一步进电机20和第二步进电机24带动在x和y轴方向移动，使喷头10挤出的熔融态物料由点构线，再由线构面，成为一个二维图案，且有一定厚度，随着丝杆21的旋转，台面31在z轴方向下降一层，挤出的塑料逐层堆积，最终完成3d物品的打印。