一种大尺寸增减材一体FDM打印头的制作方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种大尺寸增减材一体fdm打印头。

背景技术：

熔融沉积成形(fdm)工艺为了提高打印效率，需扩大打印头直径尺寸，却加重了产品的台阶效应，使制件表面质量处理难度加大，很难采用研磨或抛光等手段提高表面质量。

大尺寸增材制造制件不仅可用于航空航天、汽车领域，还可用于家装、文创等领域，具有广阔的应用前景。对于工业应用要求较高的场合，先增后减的方法保证了表面质量，但大大增加了设备成本，也降低了生产效率，使其应用受到了限制。

现有增减材复合加工研究领域多集中于复杂金属材料制件，fdm打印工艺应用较少，目前国内外针对于fdm的应用大部分仍集中于小型桌面机，对于大型工业机的开发相对较少，对于工业机的打印制件后处理仍较多的以机械铣削加工为主。如2017年山东理工大学开发了一套针对于peek3d打印的增减材一体机，该一体机采用fdm技术与小型铣削机床相结合，实现了peek的增减材一体加工，取得了一定成果，但采用铣削加工的方法有其自身的局限，该一体加工方法具有以下缺陷：1)即时性较差，在熔融塑料挤出后，需要有一定的冷却时间，使其冷却至一定的硬度之后才适合进行切削加工；2)由于塑料熔融沉积成型时，层间结合力较差，在切削加工过程中收到加工头局部剪切力的作用，会导致层间结合力更差；3)机械切削加工会影响打印件的表面精度及表面光洁度；4)机械切削加工会产生大量的塑料粉尘，造成环境污染。综上分析，现有技术中并没有特别成熟的装置或方法一次性打印出符合目标尺寸要求的工件，且打印出的制件存在层间结合力较差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种大尺寸增减材一体fdm打印头；该打印头采用热加工的方法对对打印过程中的制件进行随动、随行、随形加工，使得间边缘位置由于热的作用发生二次熔融、浸润、固化，从而提高层间结合力；同时能够直接打印出符合目标尺寸要求的工件。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种大尺寸增减材一体fdm打印头，其特征在于，包括电机安装板，电机安装板上固定设置有打印头和支撑装置，支撑装置的下端固定设置有第三固定板，第三固定板在打印头的下方，打印头的一端穿过第三固定板在基板上打印；沿打印方向，第三固定板的下表面上，在打印头的一端后方固定设置有切割装置，切割装置内设置有刀具，用于切割打印出工件的两个侧壁；沿打印方向，切割装置的后方设置有两个热辊，用于挤压被切割后工件的两个侧壁。

本发明的进一步改进在于：

优选的，打印头穿过第三固定板的端部为打印端部，打印方向穿过打印端部的直线为打印中心线，切割装置为对称结构，相对于打印中心线镜像对称。

优选的，每一侧的切割装置包括一个固定桩和固定设置在固定桩上的刀具，刀具上用于切割工件的部分为刀头。

优选的，刀头的水平截面为直角三角形，其中的一个直角边平行于工件的侧边。

优选的，刀具内部开设有空槽，空槽内固定设置有电阻丝。

优选的，两个热辊相对于打印中心镜像对称，每一个热辊内部设置有电阻丝。

优选的，两个热辊外表面之间的最短距离比打印件的厚度小0.3-3mm。

优选的，电机安装板的下表面上固定设置有转动轴，上表面上固定设置有料筒和电机；转动轴的轴线和料筒的轴线为同一直线；转动轴的下表面上固定连接有法兰盘，打印头固定设置在法兰盘上。

优选的，转动轴的外侧围绕有一圈滚珠，滚珠的外围均接触有从动齿轮的内圈，从动齿轮啮合有主动齿轮，主动齿轮的中心和电机的输出端固定连接。

优选的，从动齿轮的侧壁下表面和支撑装置固定连接，支撑装置包括第一固定板和第二固定板，第一固定板的上表面和从动齿轮的侧壁下表面固定连接，第一固定板的外侧边和第二固定板的上侧边固定连接，第二固定板的下侧边和第三固定板的外侧边固定连接；第二固定板垂直于第一固定板，第一固定板和第三固定板平行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种大尺寸增减材一体fdm打印头，该打印头通过在打印头后方设置切割装置和热辊装置，使得被打印出的工件的两侧若有由于停顿、跳转、拉丝造成的超出模型尺寸的缺陷，由跟随在其后的切割装置切除，切割装置后方设置有热辊，采用热辊的方法弥合台阶，使台阶突出的部分弥补向台阶凹陷部分，提高了表面质量，由于层间结合力由凹陷部分的结合面积决定，因此此种方法还增大了层间的结合面积，从而提高了层间结合力，提高整个打印制件的力学性能；整个切割过程不会产生有机粉尘，加工环境好，与现有的机械减材相比，热加工后的表面光泽度与3d打印成型后的表面一致性好，无明显加工痕迹；本发明的减材装置体积小，不需额外增加其他加工设备，占地及成本较低。

进一步的，切割装置和热辊装置均相对于打印中心线对称，保证被切割后的工件形状的对称。

进一步的，刀具通过固定桩固定在固定板上，使得刀具在切割过程中具有足够的支撑力。

进一步的，刀头的水平截面为三角形，使得被切割下的工件碎屑能够直接被逐渐变宽的刀头形状剥离工件。

进一步的，在刀头内部设置电阻丝，对于难弥合的部位采用通过热电阻丝加热刀具的方法进行切削，该方法不仅能处理表面比较大的缺陷，而且在处理过程中能够对处理面进行二次热处理，提高了处理面层间结合强度；且刀具仅在刀头内部设置电阻丝，刀身部分不加装加热组件，使切除的碎料逐渐冷却并掉落，不会影响后续打印。

进一步的，热辊之间的距离小于打印件之间的厚度，保证工件的两侧能够被挤压。

进一步的，整个切割装置与打印装置一体，使得被打印出的工件能够迅速的被切割。

进一步的，通过电机带动主动齿轮和从动齿轮转动，进而带动第一固定板、第二固定板和第三固定板转动，保证当打印装置变向时，切割装置变向。

【附图说明】

图1为本发明打印头的主视图；

图2为本发明打印头的侧视图；

图3为本发明打印头的正向放置的立体图；

图4为本发明打印头的倒向放置的立体图；

图5为图4中a部分的细节图。

其中：1-料筒；2-电机；3-电机安装板；4-第一固定板；5-第二固定板；6-主动齿轮；7-从动齿轮；8-打印头；9-刀具；10-热辊；11-转动轴；12-滚珠；13-法兰盘；14-打印端部；15-第三固定板；16-切割装置；17-打印中心线；18-固定桩；19-刀头。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1、图2和图3，本发明公开了一种大尺寸增减材一体fdm打印头，该打印头包括料筒1、电机2、电机安装板3、第一固定板4、第二固定板5、主动齿轮6、从动齿轮7、打印头8、楔形热道9、热辊10、转动轴11、滚珠12、法兰盘13、打印端部14、第三固定板15、切割装置16、打印中心线17、固定桩18、刀头19。

参见图3和图4，电机安装板3的上表面上固定设置有料筒1和电机2，料筒1和电机2不接触；电机安装板3的下表面上固定设置有转动轴11，转动轴11的轴线和料筒1的轴线为同一直线，转动轴11的外围围绕有一圈滚珠12，从动齿轮7的内圈圆表面和滚珠12接触，通过滚珠12，从动齿轮7能够围绕转动轴11转动；电机2的输出端穿过电机安装板3，在电机安装板3的下表面上和主动齿轮6的中心轴孔配合连接，主动齿轮6和从动齿轮7配合，使得电机2带动主动齿轮6转动，主动齿轮6带动从动齿轮7围绕转动轴11转动。

主动齿轮6的上表面朝向电机安装板3，下表面的一部分规定连接有第一固定板4，第一固定板4的外侧固定设置有第二固定板5，第二固定板5的上侧边和第一固定板4的外侧边固定连接，第一固定板4和第二固定板5相互垂直，第二固定板5的下侧边和第三固定板15的外侧边固定连接，第二固定板5和第三固定板15相互垂直；

转动轴11的下表面固定连接有法兰盘13，法兰盘13上固定设置有打印头8，打印头8的端部，即打印端部14穿过第三固定板15进行打印；沿着打印方向，第三固定板15上在打印端部14后方设置有切割装置16，切割装置16的后方设置有一对热辊10，设定打印方向穿过打印端部14的直线为打印中心线17，两个热辊10相对于打印中心线17对称，热辊10内部设置有电阻丝，使得热辊10为热状态。切割装置16为同为对称的结构，相对于打印中心线17对称，每一侧的切割装置16包括一个固定桩18和一个刀具9，刀具9固定设置在固定桩18的前端，两个固定桩18的前端即刀具9相对于打印中心线17对称，刀具9的前端，即用于切割工件的部分为刀头19，刀头19沿着打印方向切割打印出工件的两个侧边，刀头19优选为楔形，即刀头19的横截面为直角三角形，其中的一个直角边平行于工件的侧边，使得被切割下的工件碎屑能够直接被逐渐变宽的刀头形状剥离工件，而不会因为刀头19为刀片状，在热状态下，被切割下的碎屑有可能再次和工件结合，影响切割效率。刀头19内部设置有开设有空槽，空槽内部固定设置有电阻丝，用于加热刀头19的表面，刀具9的其他部分未加装加热组件，使得切除的碎料能够逐渐冷却并掉落，不会影响后续打印。

两个热辊10外表面之间的最短距离比打印件的厚度小0.3-3mm，保经热切之后的工件表面能被热辊10挤压处理。

本发明中的刀具9和热辊10表面均做惰性材料处理，避免粘料。

工作过程：

该装置在打印工件时，料筒1内装有打印用粉末，打印端部14开始在基板上打印工件，打印出工件的前10mm以内的打印基板部分不进行减材处理，10mm以上模型实体部分开始进行减材处理；随着打印的进行，工件两侧由于停顿、跳转、拉丝造成的超出模型尺寸的缺陷，由跟随在其后的楔形的刀头19切除，切装置间距与打印壁厚一致，楔形热刀刀刃部分加热用于切除多余积料，刀身部分不加装加热组件，使切除的碎料逐渐冷却并掉落，不会影响后续打印。

热辊10在楔形热刀之后，被切割后的工件的两侧表面被热辊10挤压处理。

打印过程中，当需要转向时，电机2带动主动齿轮6转动，主动齿轮6带动从动齿轮7转动，进而从动齿轮7带动第一、第二和第三固定板转动，进而带动切割装置和热辊转动，保证切割装置和热辊始终在打印头的后方，实现与打印方向的一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。