一种恒温3D打印机的制作方法

本实用新型涉及一种3D打印机，尤其涉及一种基于熔融堆积的快速成型3D打印机。

背景技术：

3D打印机是一种精密的机电一体化设备，一般由设置在机架上的X轴、Y轴和Z轴三个轴组成，X轴和Y轴设在一个垂直于Z轴的XY运动平面内，统称为XY轴；3D打印头设置在X轴上，X轴设于Y轴上，X轴、Y轴和Z轴之间相互独立运动，通过打印平台来调节他们之间的间距，实现3D打印机的立体打印工作。

目前FDM类3D打印机整体结构以开放式居多，即机架以开放的方形框架，打印环境温度取决于室周转环境温度。这种结构相对简单实用，但也存在一些无法克服的结构缺陷，对打印材料的通用性能差，由于环境温度的波动，打印成型不够稳定，特别是一些特殊的打印材料对打印环境有一定的要求，打印环境温度太低，而打印成型的温度高达几百摄氏度，在如些高温差作用下，热胀冷缩产生的应力会出现翘边层裂等质量问题，有的甚至无法正常打印成型，如ABS、尼龙等打印材料。

技术实现要素：

为解决现有开放式3D打印机存在的上述缺陷，本实用新型提供一种的恒温3D打印机，其方案如下：

一种恒温3D打印机，其特征是，包括：

机箱，具有封闭的外壳，外壳内设有5mm~10mm厚的保温隔热材料层；外壳顶部和正面均设有门，分别为顶门和正门，顶门和正门均设有可以开启的门板，门板设有透明观察窗；外壳顶部前侧设有倾斜过渡面；

显示屏，从机箱的倾斜过渡面内露出，用于人机互动，倾斜过渡面内侧设置有显示屏及其相关电子组件的隔热空间；隔热空间延伸到机箱侧面，机箱侧面设有供隔热空间通风散热的进风口和出风口；

XY轴运动机构，设置在机箱内部的上部，用于驱动3D打印头产生水平任意方向的移动，XY轴运动机构包括由硬铬光轴组成的X轴、Y轴，以及十字滑块；对应于X轴和Y轴，十字滑块上设有平行于水平面纵横交错设置的直线轴承，直线轴承分别匹配地套接在X轴和Y轴上；X轴和Y轴的两端设有滑块和驱动滑块作直线运动的驱动装置；驱动装置包括供滑块滑动的导轨和驱动滑块在导轨上滑动的同步带组件；

Z轴运动机构，纵向设置在机箱内背部，用于驱动3D打印载体产生垂直方向的移动，Z轴运动机构包括丝杆、丝杆螺母、Z轴升降步进电机、导轴、上梁、托料梁、下梁和平台托盘；导轴两端分别固定在上梁和下梁上，丝杆螺母设于托料梁上，丝杆两端设有轴承，丝杆两端通过轴承与导轴平行地设置在上梁和下梁上；托料梁设有套在导轴上的Z轴升降直线轴承；平台托盘水平地衔接在托料梁上，平台托盘上设有作为3D打印载体的打印成型托板；Z轴升降步进电机设于下梁下方，Z轴升降步进电机的驱动轴从下梁处向上伸出并通过连轴器与丝杆连接；

挤料机构，设置在十字滑块上方，用于将丝线状打印材料输送到3D打印头内，挤料机构包括挤料座和设于挤料座上的挤料步进电机及挤料头；挤料步进电机的输出轴上设有齿轮，挤料头上设有与该齿轮相对设置的轴承，齿轮和轴承之间设有供丝线状打印材料通过的小缝隙；在缝隙相对应的位置，挤料头上部和下部设有彼此相对的挤料口和出料口；

3D打印头，设置在十字滑块下方，用于将打印材料融熔后进行增材打印在3D打印载体上，打印头包括将打印材料融熔并挤出的打印喷头，可耐高温的隔热管，以及对打印喷头进行加热的金属加热块；金属加热块套在打印喷头上，打印喷头固定在隔热管下端，隔热管上端固定在十字滑块上并与挤料机构的出料口相通；导料管固定在十字滑块上，并向下通过隔热管延伸到打印喷头的内部；

打印环境恒温组件，设置在机箱内部，用于在密封的机箱产生恒定的机箱环境温度，打印环境恒温组件包括横流风扇、恒温电加热器、加热控制装置和环境测温装置；环境测温装置设置在机箱内部，电热器安装座设置在机箱底部右侧，横流风扇设置在电热器安装座上，恒温电加热器设置在电热器安装座侧旁；加热控制装置设置在机箱外底部，恒温电加热器和环境测温装置均与加热控制装置电气连接。

作为上述方案的改进和说明，前述X轴和Y轴数量均为两根，相应地，直线轴承的数量为四套；同步带组件包括同步步进电机、同步带、同步轮和传动杆，传动杆平行地设于X轴或Y轴的两侧，同步轮设于传动杆的两端，同步带设于相对应的两个同步轮上，滑块固定在同步带，传动杆由同步步进电机驱动。

作为上述方案的改进和说明，前述打印喷头下端设有圆锥结构的喷嘴，喷嘴内部设有一个倒圆台形结构的熔腔，熔腔下方设有延伸到喷嘴外的喷孔；十字滑块外侧面设有可对着打印喷头的喷嘴吹风的冷却风扇。冷却风扇将打印喷头挤出的融熔的打印材料快速冷却成型，有利于提高打印精度，避免因材料的在融熔状态下产生小变形，影响打印效果。

作为上述方案的改进和说明，前述十字滑块设有约束线材的拖链；机箱的底部外侧设有对电子部件进行供电的24V备用电源；机箱在靠近电加热器处设有若干散热条孔；机箱底部四角安装有脚轮。拖链更好的保护线材。24V备用电源可以防止突然掉电时，丢失正在进行的打印信息。

作为上述方案的总说明，打印环境恒温组件为机箱内部提供环境温度进行加热到远高于环境温度后保持恒温，缩小打印成型温度和打印环境温度之间的温差，热胀冷缩产生的应力相应也减小了，提高了打印成型的产品质量，有效地克服翘边、层裂等质量问题，即恒定的较高的环境温度减少了打印后的3D产品的变形。

另外，XY轴运动机构结构紧凑、科学，磨损小，寿命长。Z轴运动机构整体结构紧凑、科学，Z轴运动步长精度高。横流风扇让恒温电加热器产生的热量更快地均匀分布到机箱各个角落。温度较高的打印喷头与温度较低的十字滑块之间隔热效果好，有效地降低了打印喷头的热量损耗，有利于节能环保。

由上可知，本实用新型具有如下的优点：结构简单、紧凑、科学，设计合理，容易制造；全封闭的机箱设计和打印环境恒温组件的组合创新，缩小了打印环境温度和打印成型温度的温差，成功解决了打印高温材料的打印成型后的翘边、层裂等技术问题；打印时机箱内部空间环境温度可加热至100摄氏度，并保持稳定的恒温环境，在外壳内部进行保温隔热处理，既安全又节能，可以提供稳定的打印环境，使打印工作不受外部环境温度的影响，实现了高温打印材料的稳定成型。

附图说明

图1为本实用新型实施的立体图。

图2为图1的顶门和正门打开的状态示意图。

图3为图1的透视图。

图4为图1的内部结构图。

图5为XY轴运动机构和Z轴运动机构的结构图。

图6为3D打印头、十字滑块和挤料机构安装状态的立体图。

图7为3D打印头和十字滑块的剖视图。

图8为挤料机构的立体图。

附图标号说明：1-机箱， 2-显示屏， 3- XY轴运动机构， 4- Z轴运动机构， 5-挤料机构， 6-3D打印头， 7-打印环境恒温组件；10-外壳，11-顶门， 12-正门， 13-透明观察窗， 14-散热条孔，15-脚轮，16-保温隔热材料层，17-隔热空间， 18-进风口， 19-出风口；30-X轴，31-Y轴， 32-导轨， 33-十字滑块， 34-滑块，35-同步带组件，36-同步带，37-同步步进电机，38-同步轮， 39-传动杆；40-Z轴升降步进电机，41-丝杆， 42-丝杆螺母， 43-导轴， 44-Z轴升降直线轴承，45-上梁， 46-托料梁，47-下梁，48-平台托盘， 49-打印成型托板；51-挤料座，52-挤料步进电机， 53-挤料头， 54-输出轴54， 55-齿轮， 56-轴承， 57-挤料口， 58-出料口；61-打印喷头， 62-金属加热块， 63-隔热管，64-喷嘴，65-熔腔，66-喷孔，67-冷却风扇，69-拖链；71-电热器安装座， 72-恒温电加热器， 73-环境测温装置，74-横流风扇。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行进一步详细说明。

参见图1 ~图8，一种恒温3D打印机，其特征是，包括：

机箱1，具有封闭的外壳10，外壳10内设有5mm~10mm厚的保温隔热材料层16；外壳10顶部和正面均设有门，分别为顶门11和正门12，顶门11和正门12均设有可以开启的门板，门板设有透明观察窗13；外壳10顶部前侧设有倾斜过渡面；

显示屏2，从机箱1的倾斜过渡面内露出，用于人机互动，倾斜过渡面内侧设置有显示屏2及其相关电子组件的隔热空间17；隔热空间17延伸到机箱1侧面，机箱1侧面设有供隔热空间17通风散热的进风口18和出风口19；

参见图5，XY轴31运动机构3，设置在机箱1内部的上部，用于驱动3D打印头6产生水平任意方向的移动，XY轴31运动机构3包括由硬铬光轴组成的X轴30、Y轴31，以及十字滑块33；对应于X轴30和Y轴31，十字滑块33上设有平行于水平面纵横交错设置的直线轴承，直线轴承分别匹配地套接在X轴30和Y轴31上；X轴30和Y轴31的两端设有滑块34和驱动滑块34作直线运动的驱动装置；驱动装置包括供滑块34滑动的导轨32和驱动滑块34在导轨32上滑动的同步带组件35；

参见图3 ~图5，Z轴运动机构44，纵向设置在机箱1内背部，用于驱动3D打印载体产生垂直方向的移动，Z轴运动机构44包括丝杆41、丝杆螺母42、Z轴升降步进电机40、导轴43、上梁45、托料梁46、下梁47和平台托盘48；导轴43两端分别固定在上梁45和下梁47上，丝杆螺母42设于托料梁46上，丝杆41两端设有轴承，丝杆41两端通过轴承与导轴43平行地设置在上梁45和下梁47上；托料梁46设有套在导轴43上的Z轴升降直线轴承44；平台托盘48水平地衔接在托料梁46上，平台托盘48上设有作为3D打印载体的打印成型托板49；Z轴升降步进电机40设于下梁47下方，Z轴升降步进电机40的驱动轴从下梁47处向上伸出并通过连轴器与丝杆41连接；

参见图8，挤料机构5，设置在十字滑块33上方，用于将丝线状打印材料输送到3D打印头6内，挤料机构5包括挤料座50和设于挤料座50上的挤料步进电机52及挤料头53；挤料步进电机52的输出轴54上设有齿轮55，挤料头53上设有与该齿轮55相对设置的轴承56，齿轮55和轴承56之间设有供丝线状打印材料通过的小缝隙；在缝隙相对应的位置，挤料头53上部和下部设有彼此相对的挤料口57和出料口58；

参见图6 ~图7，3D打印头6，设置在十字滑块33下方，用于将打印材料融熔后进行增材打印在3D打印载体上，打印头包括将打印材料融熔并挤出的打印喷头61，可耐高温的隔热管63，以及对打印喷头61进行加热的金属加热块62；金属加热块62套在打印喷头61上，打印喷头61固定在隔热管63下端，隔热管63上端固定在十字滑块33上并与挤料机构5的出料口58相通；导料管固定在十字滑块33上，并向下通过隔热管63延伸到打印喷头61的内部；

参见图3 ~图4，打印环境恒温组件7，设置在机箱1内部，用于在密封的机箱1产生恒定的机箱1环境温度，打印环境恒温组件7包括横流风扇74、恒温电加热器72、加热控制装置和环境测温装置73；环境测温装置73设置在机箱1内部，电热器安装座71设置在机箱1底部右侧，横流风扇74设置在电热器安装座71上，恒温电加热器72设置在电热器安装座71侧旁；加热控制装置设置在机箱1外底部，恒温电加热器72和环境测温装置73均与加热控制装置电气连接。

参见图3 ~图5，前述X轴30和Y轴31数量均为两根，相应地，直线轴承的数量为四套；同步带组件35包括同步步进电机37、同步带36、同步轮38和传动杆39，传动杆39平行地设于X轴30或Y轴31的两侧，同步轮38设于传动杆39的两端，同步带36设于相对应的两个同步轮38上，滑块34固定在同步带36，传动杆39由同步步进电机37驱动。

参见图6，前述打印喷头61下端设有圆锥结构的喷嘴64，喷嘴64内部设有一个倒圆台形结构的熔腔65，熔腔65下方设有延伸到喷嘴64外的喷孔66；十字滑块33外侧面设有可对着打印喷头61的喷嘴64吹风的冷却风扇67。

参见图1、图5，前述十字滑块33设有约束线材的拖链69；机箱1的底部外侧设有对电子部件进行供电的24V备用电源（图中未示出）；机箱1在靠近电加热器处设有若干散热条孔14；机箱1底部四角安装有脚轮15。

根据上述说明书及具体实施例并不对本实用新型构成任何限制，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变形，也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。