一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，用于3D打印(增材制造)领域。

背景技术：

熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，简称FDM)是一种典型的直观、安全、环保、可操作性强的3D打印技术。FDM3D打印采用可加热的喷头，使半流动状态的材料流体按五轴打印安排和控制指令控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个原型(打印件)。FDM3D打印技术在教育培训、艺术创意、工业产品概念设计等领域得到了很好的应用。然而，FDM3D打印技术目前仍然存在以下不足：(1)打印速度慢，每小时成型低于100克，难以适应工业化生产；(2)打印尺寸小，很难打印1.5米以上的大型物体；(3)打印材料以直径为1.75mm和3mm的线材为主，打印材料的价格较高；(4)需要设计支撑结构，支撑去除困难，去除支撑常常损坏表面质量；(5)成型效率低，难以完成大批量定制生产。

目前也有研究人员考虑采用颗粒原料进行熔融沉积3D打印成型，但颗粒原料的输运、加热、熔融、计量、挤出等需要诸多部件和结构，笨重的喷头来回运动容易导致机器的振动和冲击，导致打印过程的不稳定和打印件的尺寸偏差，很难适应对产品有高标准高要求的现代工业化生产。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置(Five-axis Linkage and Screw Fused Deposition Modeling，简称FALAS FDM)。

本实用新型的技术方案如下：

一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，包括五轴联动打印平台、螺杆式熔融挤出装置和上位机(10)，五轴联动打印平台包括Z轴滑块(2)、X轴滑块(9)、Y轴滑块(12)、A轴旋转台(11)、B轴旋转台(13)、打印基板(14)；螺杆式熔融挤出装置包括螺杆式熔融挤出喷头(6)、料斗(7)；所述打印基板(14)与B轴旋转台(13)相连，B轴旋转台(13)与Y轴滑块(12)相连，Y轴滑块(12)与A轴旋转台(11)相连，A轴旋转台(11)与X轴滑块(9)相连，X轴滑块(9)与Z轴滑块(2)相连，Z轴滑块(2)安装在导柱(4)上，导柱(4)的一端与打印机底座(1)相连，另一端与横梁(5)相连。

所述的具有五轴打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，所述螺杆式熔融挤出喷头(6)固定在横梁(5)的中间位置，所述五轴联动打印平台和螺杆式熔融挤出喷头(6)均与上位机(10)相连，所述上位机(10)对打印目标进行数据处理形成打印安排和控制指令，五轴联动打印平台根据上位机(10)的指令运动，螺杆式熔融挤出喷头(6)根据上位机(10)的指令对物料的温度和挤出速度进行调控，半流动状态的材料流体按五轴打印安排和控制指令控制的流量从所述喷头(6)挤压出来，通过打印平台的运动形成打印路径并在相应的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个打印目标，打印层厚变化、打印精度控制、进度信息、故障情况实时反馈到上位机(10)中，上位机(10)处理信息并将处理后的指令发送到打印平台和挤出喷头(6)，形成连续协调、快速稳定的打印。

所述的具有五轴打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，所述Z轴滑块(2)安装在导柱(4)上，Z轴滑块(2)的上下运动带动打印基板(14)沿Z轴的直线运动；Y轴滑块(12)带动打印基板(14)沿Y轴的直线运动；X轴滑块(9)带动打印基板(14)沿X轴的直线运动；B轴旋转台(13)带动打印基板(14)绕B轴的旋转运动；A轴旋转台(11)带动打印基板(14)绕A轴的旋转运动。

所述的具有五轴打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，所述螺杆式熔融挤出喷头(6)固定在横梁(5)的中间位置，横梁(5)到打印机底座(1)的距离为0.5米～10米，螺杆式熔融挤出喷头(6)到导柱(4)中心线的距离为0.5米～5米，螺杆式熔融挤出喷头(6)到四个导柱(4)中心线的距离相等。

所述的具有五轴打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，所述的螺杆式熔融挤出喷头(6)包括料筒(18)、螺杆(17)、电热圈(19)、真空泵(20)、喷嘴(15)、压力控制器(21)、栅板(16)、温度调节器(22)，通过螺杆(17)和电热圈(19)将固体颗粒原料在料筒(18)内加压加热成熔融状态，通过真空泵(20)将熔体内部的气体抽出，按上位机(10)的指令将熔体连续稳定地经过栅板(16)输送至喷嘴(15)，经喷嘴(15)挤出沉积在打印基板(14)上。

所述的具有五轴打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，喷头内的螺杆为锥形双螺杆；喷嘴(15)孔径0.05～20毫米。

本实用新型一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置(简称FALAS FDM)具有以下优点：

一是五轴联动打印平台在打印过程中能够形成沿X轴运动、Y轴运动、Z轴运动、以及绕A轴转动、绕B轴转动的高精度五轴联动，上位机(10)对打印目标进行数据处理形成五轴打印安排和控制指令，使五轴联动打印平台按指令运动完成打印工作，这样不仅可以实现无支撑的连续、快速、稳定的五轴3D打印，而且避免了带有料筒和料筒高温加热装置、螺杆和螺杆驱动装置的螺杆式挤出喷头来回运动导致的物料挤出不稳定、振动冲击和尺寸偏差，可以高精度打印大型复杂物体，解决了FDM3D打印的难题；

二是喷嘴(15)孔径0.05～20毫米，不受传统FDM打印机和线材的限制，打印速度快，一套本装置每小时成型大于500克；

三是采用螺杆式挤出喷头使得单位时间的物料熔融和输送速度大幅提升，突破了FDM打印机物料熔融和输送慢的瓶颈，大大提高了打印成型效率；

四是上位机(10)对打印目标进行统一的数据处理和打印工艺控制，方便快捷，大大节省了操作时间，提高了效率；

五是打印尺寸大，可以很容易地打印2米以上的大型物体；

六是以塑料颗粒为打印材料，材料价格比现有FDM线材减少70％，同时保证了打印的精度和稳定性，大大降低了FDM3D打印的材料成本，而且可以用于难以拉成线材的合金和复合材料，拓宽了FDM3D打印的应用范围；

七是五轴联动打印，无需支撑，成型效率高，表面质量好，非常适用于大批量定制化工业生产，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置示意图

图2是五轴联动打印平台的示意图

图3是螺杆式熔融挤出喷头示意图

图中：1.打印机底座，2.Z轴滑块，3.丝杠，4.导柱，5.横梁，6.螺杆式熔融挤出喷头，7.料斗，8.下料管，9.X轴滑块，10.上位机，11.A轴旋转台，12.Y轴滑块，13.B轴旋转台，14.打印基板，15.喷嘴，16.栅板，17.螺杆，18.料筒，19.电热圈，20.真空泵，21.压力控制器，22.温度调节器；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印装置，包括五轴联动打印平台、螺杆式熔融挤出装置和上位机(10)，五轴联动打印平台包括Z轴滑块(2)、X轴滑块(9)、Y轴滑块(12)、A轴旋转台(11)、B轴旋转台(13)、打印基板(14)；螺杆式熔融挤出装置包括螺杆式熔融挤出喷头(6)、料斗(7)；

所述打印基板(14)与B轴旋转台(13)相连，B轴旋转台(13)与Y轴滑块(12)相连，Y轴滑块(12)与A轴旋转台(11)相连，A轴旋转台(11)与X轴滑块(9)相连，X轴滑块(9)与Z轴滑块(2)相连，Z轴滑块(2)安装在导柱(4)上，导柱(4)的一端与打印机底座(1)相连，另一端与横梁(5)相连；

所述螺杆式熔融挤出喷头(6)固定在横梁(5)的中间位置，所述五轴联动打印平台和螺杆式熔融挤出喷头(6)均与上位机(10)相连，所述上位机(10)对打印目标进行数据处理形成打印安排和控制指令，五轴联动打印平台根据上位机(10)的指令运动，螺杆式熔融挤出喷头(6)根据上位机(10)的指令对物料的温度和挤出速度进行调控，半流动状态的材料流体按五轴打印安排和控制指令控制的流量从所述喷头(6)挤压出来，通过打印平台的运动形成打印路径并在相应的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个打印目标，打印层厚变化、打印精度控制、进度信息、故障情况实时反馈到上位机(10)中，上位机(10)处理信息并将处理后的指令发送到打印平台和挤出喷头(6)，形成连续协调、快速稳定的打印。

所述Z轴滑块(2)安装在导柱(4)上，Z轴滑块(2)的上下运动带动打印基板(14)沿Z轴的直线运动；Y轴滑块(12)带动打印基板(14)沿Y轴的直线运动；X轴滑块(9)带动打印基板(14)沿X轴的直线运动；B轴旋转台(13)带动打印基板(14)绕B轴(即竖直轴)的旋转运动；A轴旋转台(11)带动打印基板(14)绕A轴(即水平轴)的旋转运动；Z轴滑块(2)、X轴滑块(9)、Y轴滑块(12)的定位精度为0.0025mm，其运动均由传动丝杠通过伺服电机驱动；A轴旋转台(11)由伺服电机带动蜗轮和蜗杆的分度运动进行-180度至+180度的转动；B轴旋转台(13)由伺服电机带动蜗轮和蜗杆的分度运动进行0度至360度的转动；A轴和B轴的旋转分度定位精度为0.001度；由此形成X轴运动、Y轴运动、Z轴运动、以及A轴旋转、B轴旋转的高精度五轴联动打印平台。

所述螺杆式熔融挤出喷头(6)固定在横梁(5)的中间位置，横梁(5)到打印机底座(1)的距离为0.5米～10米，螺杆式熔融挤出喷头(6)到导柱(4)中心线的距离为0.5米～5米，螺杆式熔融挤出喷头(6)到四个导柱(4)中心线的距离相等。

所述的螺杆式熔融挤出喷头(6)包括料筒(18)、螺杆(17)、电热圈(19)、真空泵(20)、喷嘴(15)、压力控制器(21)、栅板(16)、温度调节器(22)组成，通过螺杆(17)和电热圈(19)将固体颗粒原料在料筒(18)内加压加热成熔融状态，通过真空泵(20)将熔体内部的气体抽出，按上位机(10)的指令将熔体连续稳定地经过栅板(16)输送至喷嘴(15)，经喷嘴(15)挤出沉积在打印基板(14)上。

喷头内的螺杆可选锥形双螺杆、平行双螺杆、单螺杆，优选锥形双螺杆。喷嘴(15)可更换，喷嘴孔径0.05～20毫米。

采用上述装置实现的一种具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印方法，具体过程为：第一步，上位机(10)对打印目标进行数据处理，形成五轴3D打印指令：上位机(10)对打印目标及其打印过程进行数据处理、打印分析、模拟和优化，形成五轴打印工艺安排和控制指令，并将打印基板(14)运动指令和物料挤出控制指令分别发送给五轴联动打印平台和螺杆式熔融挤出喷头(6)；第二步，执行打印任务：按上位机(10)的控制指令，螺杆式熔融挤出喷头(6)通过螺杆(17)和电热圈(19)将固体颗粒原料在料筒(18)内加压加热成熔融状态，通过真空泵(20)将熔体内部的气体抽出，将熔体连续稳定地经过栅板(16)输送至喷嘴(15)，经喷嘴(15)挤出在打印基板(14)，而与此同时，打印基板(14)根据打印基板(14)运动指令沿预设路径运动，熔体层层沉积在打印基板(14)上形成打印物体；第三步，后处理：对打印完成的工件进行表面光滑处理和上色处理，获得完整的打印物体(打印目标)。

所述第二步中，优先打印模型的非悬空部位，而将模型的悬空部位安排在与其相连接的非悬空部位完成后，将打印基板(14)绕A轴或B轴旋转一定角度继续在非悬空部位上成形悬空部位，而在常规3d打印中对于悬空部位必须进行大量的支撑工作，耗费大量的耗材和后处理工作，本实用新型的装置和方法通过将打印基板(14)绕A轴或B轴旋转一定角度进行模型打印，省略大量的支撑工作。

具体实施例：

本实施例的打印目标是服装模特。打印材料采用聚乳酸(PLA)固体颗粒，上位机(10)采用i7工控机，五轴联动打印平台包括Z轴滑块(2)、X轴滑块(9)、Y轴滑块(12)、A轴旋转台(11)、B轴旋转台(13)、打印基板(14)，五轴联动打印平台根据上位机(10)的指令运动，挤出喷头内部的螺杆采用锥形双螺杆，通过上位机(10)控制物料挤出的温度为200摄氏度，控制物料的挤出速度为每小时550克，设置模特内部中空结构的类型和网格结构为十字交叉型的栅格结构，填充密度5％，横梁(5)到打印机底座(1)的距离为2.5米，螺杆式熔融挤出喷头(6)到导柱(4)中心线的距离为1.5米，喷嘴(15)孔径2毫米，从所述喷头挤出的200摄氏度的半流动状态的材料流体按五轴打印安排和控制指令控制的流量挤压出来，通过打印平台的运动形成三维打印路径并在相应的位置沉积、凝固成型，打印层厚根据物体特征的变化而变化，具有细节特征的头部五官部位最小层厚达到0.1mm，躯体和腿部的平缓部位最大层厚达到1.8mm，这样逐层沉积、凝固后形成整个打印目标，对打印完成的模特进行表面光滑处理和上色处理，获得完整的模特。

实施效果对比：

传统的熔融沉积(FDM)3D打印技术：喷头来回运动，为避免冲击振动和由此导致的尺寸偏差，喷头运动速度慢；喷头孔径小，打印速度慢，每小时成型低于100克，一般只能达到每小时30克，难以适应工业化生产；打印尺寸小，很难一体打印服装模特；成型效率低，难以完成大批量定制生产。

以及绕A轴转动、绕B轴转动的高精度五轴联动，上位机(10)对打印目标进行数据处理形成五轴打印安排和控制指令，使五轴联动打印平台按指令运动完成打印工作，这样不仅可以实现无支撑的连续、快速、稳定的五轴3D打印，而且避免了带有料筒和料筒高温加热装置、螺杆和螺杆驱动装置的螺杆式挤出喷头来回运动导致的物料挤出不稳定、振动冲击和尺寸偏差，可以高精度打印大型复杂物体，解决了FDM3D打印的难题；

本实用新型提供的具有五轴联动打印平台的螺杆式熔融沉积3D打印方法及装置(简称FALAS FDM)3D打印方法及装置：一是物料挤出喷头无需运动，打印基板(14)在打印过程中能够形成沿X轴运动、Y轴运动、Z轴运动、以及绕A轴转动、绕B轴转动的高精度五轴联动，这样不仅可以实现模特的无支撑的连续、快速、稳定的五轴3D打印，而且避免了带有料筒和料筒高温加热装置、螺杆和螺杆驱动装置的螺杆式挤出喷头来回运动导致的物料挤出不稳定、振动冲击和尺寸偏差，头部和手掌的打印精度高，打印层厚根据物体特征的变化而变化，具有细节特征的头部五官部位最小层厚达到0.1mm，细节突出，栩栩如生，躯体和腿部的平缓部位最大层厚达到1.8mm，依然光洁平整，这样高效率、高精度、变层厚、可以实现五轴联动和三维打印路径的新型3D打印方法，解决了传统FDM3D打印的难题；二是喷嘴(15)孔径2毫米，不受传统FDM打印机和线材(直径1.75毫米)的限制，采用螺杆挤出，大大提高物料熔融和输送速度，打印速度每小时550克；三是打印尺寸大，可以很容易地一体打印服装模特；四是以塑料颗粒为打印材料，材料价格比现有FDM线材减少70％，还省去了支撑材料，同时保证了打印的精度和稳定性，大大降低了模特打印的材料成本；五是五轴联动，无需支撑，成型效率高，非常适用于大批量定制化工业生产，可以取代服装模特的传统模塑成型，具有广泛的应用前景。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。