一种多喷头结构3D打印机及其打印方法与流程

本发明涉及3d打印领域，具体涉及一种多喷头结构3d打印机及其打印方法。

背景技术：

3d打印，又称增材制造、积层制造，可指任何打印三维物体的过程。3d打印主要是一个不断添加的过程，在计算机控制下层叠原材料。3d打印的内容可以来源于三维模型或其他电子数据，其打印出的三维物体可以拥有任何形状和几何特征。3d打印机属于工业机器人的一种。

当前已有的多喷头3d打印机喷头种类较为单一，且普遍仅配备2~3个喷头，该设备配有多个气压挤出喷头或多个压电微喷喷头，同种类型多个喷头可组合完成打印作业，以满足打印作业需要，但该类型打印机打印喷头种类单一，适用材料范围窄。而且多喷头3d打印机喷头多数为“x”型设置，喷头的切换需要在x轴和y轴两个方向上进行移动，误差较大，且难以校准。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种多喷头结构3d打印机及其打印方法，在x轴丝杠移动副上安装有一长条状安装平台，该打印平台上等间距设有多个可上下移动的气动滑块，所有气动滑块呈“一”字状排列，打印过程切换喷头仅需在x轴方向移动安装平台即可，有效的减少了喷头的切换后打印误差较大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种多喷头结构3d打印机，包括基座，所述基座上部设有xy轴移动机构、z轴移动机构以及安装在z轴移动机构上的打印平台；

所述xy轴移动机构包括y轴移动机构和x轴移动机构，其中，y轴移动机构有两组，对称分布在基座两侧，所述y轴移动机构包括y轴伺服电机、y轴联轴器以及y轴丝杠移动副，所述y轴伺服电机通过y轴联轴器与y轴丝杠移动副连接；

所述x轴移动机构安装在y轴丝杠移动副上，所述x轴移动机构包括x轴伺服电机、x轴联轴器以及x轴丝杠移动副，所述x轴伺服电机通过x轴联轴器与x轴丝杠移动副连接；所述x轴丝杠移动副上设有安装平台，所述安装平台通过气动滑块并排设置有多个打印喷头，并沿x轴移动机构长度方向移动；

所述z轴移动机构设于安装平台下方，包括z轴伺服电机、z轴联轴器以及z轴丝杠移动副，所述z轴伺服电机通过z轴联轴器与z轴丝杠移动副连接，所述打印平台安装在z轴丝杠移动副上，并沿z轴丝杠移动副长度方向移动；

所述基座下部设有气源、控制主板、开关电源，其中所述气源分别与气动滑块、打印喷头气路连接，所述控制主板分别与x轴移动机构、y轴移动机构、z轴移动机构、打印喷头以及气动滑块电连接。

优选的是，所述打印喷头通过打印喷头适配器安装在气动滑块上，所述打印喷头适配器上还安装有喷头用固化光源夹具。

优选的是，所述气源上设有基准气压精密调压阀和打印喷头精密调压阀，所述基准气压精密调压阀通过气动滑块电磁阀与气动滑块气路连接，所述打印喷头精密调压阀通过打印喷头电磁阀与打印喷头气路连接；所述气动滑块电磁阀通过气动滑块电磁阀继电器与控制主板连接，所述打印喷头电磁阀通过打印喷头电磁阀继电器与控制主板连接。

优选的是，所述气动滑块电磁阀继电器、打印喷头电磁阀继电器以及控制主板与开关电源电连接。

优选的是，所述x轴丝杠移动副、y轴丝杠移动副、z轴丝杠移动副上均设有限位开关。

优选的是，所述x轴伺服电机通过x轴伺服电机控制器与控制主板电连接，所述y轴伺服电机通过y轴伺服电机控制器与控制主板电连接，z轴伺服电机通过z轴伺服电机控制器与控制主板电连接。

优选的是，所述打印平台设于z轴丝杠移动副上并沿z轴丝杠移动副长度方向移动。

更优选的是，所述打印喷头为fdm喷头、压电微喷、气压挤出喷头中的一种。

一种多喷头结构3d打印机的打印方法，包括以下步骤：

步骤1：归零——设定基准气压精密调压，以确保气动滑块动作正常，控制主板向气动滑块电磁阀继电器发送信号，使与之相连的气动滑块电磁阀工作，与该气动滑块电磁阀相连的气动滑块向上运动至顶部；

打印平台沿z轴向下移动，当接触到z轴限位开关，z轴限位开关向控制主板发送信号使打印平台停止移动；安装平台在x轴丝杠移动副上向x轴限位开关移动，当安装平台接触到x轴限位开关，x轴限位开关向控制主板发送信号使安装平台停止移动；x轴丝杠移动副在y轴丝杠移动副上向y轴限位开关移动，当x轴丝杠移动副接触到y轴限位开关，x轴限位开关向控制主板发送信号使x轴丝杠移动副停止移动；

步骤2：准备——根据需求为每个打印喷头加注打印材料，根据打印材料特性调节基准气压精密调压阀和打印喷头精密调压阀的气压值；如有光固化需求，可将固化光源固定在对应的喷头用固化光源夹具上；

步骤3：导入代码——将3d模型通过切片软件切片生成的gcode代码导入控制主板；

步骤4：初始喷头切换——控制主板根据gcode代码选择打印喷头，通过向对应的气动滑块电磁阀继电器发送信号，驱使对应的气动滑块电磁阀工作，使对应的气动滑块向下运动至底部；

步骤5：打印——根据gcode代码，安装平台及打印平台开始移动，由于所有打印喷头在安装平台上呈“一”字状布局，故每个打印喷头在x轴方向的坐标位置有所区别，根据测量的参数，给出所选打印喷头在x轴方向的补偿参数，在切片过程中装订该参数；打印过程中，控制主板即可对喷头位置进行补偿，当打印喷头运动到gcode代码设定的位置，此时控制主板通过向打印喷头对应的打印喷头电磁阀继电器发送信号以使对应的打印喷头电磁阀开关，由气源提供的高压气体便开始驱动所选打印喷头挤出材料；当需要切换喷头时，执行步骤6，否则将执行步骤5至打印结束；

步骤6：打印过程喷头切换——当需要切换喷头时，控制主板通过向打印喷头对应的打印喷头电磁阀继电器发送信号以使对应的打印喷头电磁阀开关，打印喷头停止挤出材料，控制主板根据gcode代码所选择的打印喷头，通过向该打印喷头对应的气动滑块电磁阀继电器发送信号，驱使对应的气动滑块电磁阀工作，使当前打印喷头对应的气动滑块向上运动至顶部；同时，控制主板根据gcode代码所选择的打印喷头，通过向该打印喷头对应的气动滑块电磁阀继电器发送信号，驱使对应的气动滑块电磁阀工作，使将要使用的打印喷头对应的气动滑块向下运动至底部，此时执行打印步骤5。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明中x轴丝杠移动副上安装有安装平台，该安装平台上等间距设有多个可上下移动的气动滑块，所有气动滑块呈“一”字状排列，每个气动滑块在y轴方向的位置是相同的，气动滑块可通过气动滑块电磁阀继电器开关气动滑块电磁阀，藉由通过气动滑块电磁阀的高压气体进行驱动，每个气动滑块上设有打印喷头适配器，打印所需的打印喷头即安装于该适配器上，打印过程切换打印喷头仅需在x轴方向移动安装平台即可。

2、本发明中配备的由安装平台、气动滑块、打印喷头三者构成的模块化打印体系，对于异质材料打印具有减少打印喷头切换时间，加快打印速度的效果。

3、本发明所配备的打印喷头适配器可安装fdm喷头、压电微喷，气压挤出喷头等常用喷头，考虑到可能采用的光固化工艺，打印喷头适配器上设有用于夹持uv光源等固化用光源的夹具，可确保在打印过程中可持续对打印物进行照射。

4、本发明中所安装的打印喷头可在控制主板的控制下自由切换，足以满足在单次打印过程使用多种不同类型材料的需要。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

1、x轴伺服电机；2、x轴联轴器；3、x轴丝杠移动副；4、安装平台；5、1号气动滑块；6、1号打印喷头适配器；7、1号打印喷头；8、1号喷头用固化光源夹具；9、2号气动滑块；10、2号打印喷头适配器；11、2号打印喷头；12、2号喷头用固化光源夹具；13、3号气动滑块；14、3号打印喷头适配器；15、3号打印喷头；16、3号喷头用固化光源夹具；18、y轴伺服电机；19、y轴联轴器；20、y轴丝杠移动副;21、z轴伺服电机；22、z轴联轴器；23、z轴丝杠移动副；24、打印平台；25、x轴伺服电机控制器；26、y轴伺服电机控制器；27、z轴伺服电机控制器；28、控制主板；29、x轴限位开关；30、y轴限位开关；31、z轴限位开关；32、1号打印喷头电磁阀；33、1号打印喷头电磁阀继电器；34、1号气动滑块电磁阀；35、1号气动滑块电磁阀继电器；36、2号打印喷头电磁阀；37、2号打印喷头电磁阀继电器；38、2号气动滑块电磁阀；39、2号气动滑块电磁阀继电器；40、3号打印喷头电磁阀；41、3号打印喷头电磁阀继电器；42、3号气动滑块电磁阀；43、3号气动滑块电磁阀继电器；44、开关电源；45、基座；46、气源；47、1号打印喷头精密调压阀；48、2号打印喷头精密调压阀；49、3号打印喷头精密调压阀；50、基准气压精密调压阀。

具体实施方式

下面结合附图与实施例来进一步说明本发明的具体内容。

一种多喷头结构3d打印机，如图1所示，包括基座45，基座45上部设有xy轴移动机构、z轴移动机构以及安装在z轴移动机构上的打印平台24，下部设有气源46、控制主板28、开关电源；xy轴移动机构包括y轴移动机构和x轴移动机构，其中y轴移动机构有两组，对称分布在基座两侧，y轴移动机构包括y轴伺服电机18、y轴联轴器19以及y轴丝杠移动副20，y轴伺服电机18通过y轴联轴器19与y轴丝杠移动副20连接；

x轴移动机构安装在y轴丝杠移动副20上，x轴移动机构包括x轴伺服电机1、x轴联轴器2以及x轴丝杠移动副3，x轴伺服电机1通过x轴联轴器2与x轴丝杠移动副3连接；x轴丝杠移动副3上设有安装平台4，安装平台4上由左至右依次并排设置有1号打印喷头7、2号打印喷头11、3号打印喷头15，1号打印喷头7通过1号打印喷头适配器6安装在1号气动滑块上5，1号打印喷头适配器6上还安装有1号喷头用固化光源夹具8；2号打印喷头11通过2号打印喷头适配器10安装在2号气动滑块9上，2号打印喷头适配器10上还安装有2号喷头用固化光源夹具12；3号打印喷头15通过3号打印喷头适配器14安装在3号气动滑块13上，3号打印喷头适配器14上还安装有3号喷头用固化光源夹具16。

z轴移动机构设于安装平台4下方，z轴移动机构包括z轴伺服电机21、z轴联轴器22以及z轴丝杠移动副23，z轴伺服电机21通过z轴联轴器22与z轴丝杠移动副23连接；打印平台24设于z轴丝杠移动副23上并沿z轴丝杠移动副23长度方向移动且与基座45平行。

x轴丝杠移动副3上设有x轴限位开关29、y轴丝杠移动副20上设有y轴限位开关30、z轴丝杠移动副23上设有z轴限位开关31。

气源46上设有基准气压精密调压阀50和1号打印喷头精密调压阀47、2号打印喷头精密调压阀48以及3号打印喷头精密调压阀49；基准气压精密调压阀50通过1号气动滑块电磁阀34与1号气动滑块5气路连接，1号打印喷头精密调压阀47通过1号打印喷头电磁阀32与1号打印喷头7气路连接，1号气动滑块电磁阀34通过1号气动滑块电磁阀继电器35与控制主板28连接，1号打印喷头电磁阀32通过1号打印喷头电磁阀继电器33与控制主板28连接；基准气压精密调压阀50通过2号气动滑块电磁阀38与2号气动滑块9气路连接，2号打印喷头精密调压阀48通过2号打印喷头电磁阀37与2号打印喷头11气路连接，2号气动滑块电磁阀38通过2号气动滑块电磁阀继电器39与控制主板28连接，2号打印喷头电磁阀36通过2号打印喷头电磁阀继电器37与控制主板28连接；基准气压精密调压阀50通过3号气动滑块电磁阀42与3号气动滑块13气路连接，3号打印喷头精密调压阀49通过3号打印喷头电磁阀40与3号打印喷头15气路连接；3号气动滑块电磁阀42通过3号气动滑块电磁阀继电器43与控制主板28连接，3号打印喷头电磁阀40通过3号打印喷头电磁阀继电器41与控制主板28连接。

1号气动滑块电磁阀继电器25、2号气动滑块电磁阀继电器29、3号气动滑块电磁阀继电43、1号打印喷头电磁阀继电器33、2号打印喷头电磁阀继电器37、3号打印喷头电磁阀继电器41以及控制主板28与开关电源44电连接。

x轴伺服电机1通过x轴伺服电机控制器25与控制主板28电连接，y轴伺服电机18通过y轴伺服电机控制器26与控制主板28电连接，z轴伺服电机21通过z轴伺服电机控制器27与控制主板28电连接。

本发明的工作过程：

1.归零——设定基准气压精密调压阀49以确保气动滑块动作正常，控制主板28向1号气动滑块电磁阀继电器35、2号气动滑块电磁阀继电器39及3号气动滑块电磁阀继电器43发送信号，使与之相连的1号气动滑块电磁阀34、2号气动滑块电磁阀38以及3号气动滑块电磁阀42工作，使与1号气动滑块电磁阀34、2号气动滑块电磁阀38、3号气动滑块电磁阀42相连的1号气动滑块5、2号气动滑块9以及3号气动滑块13向上运动至顶部；

打印平台24沿z轴向下移动，当接触到z轴限位开关31时，z轴限位开关31向控制主板28发送信号使打印平台24停止移动；安装平台4在x轴丝杠移动副3上向x轴限位开关29移动，当安装平台4接触到x轴限位开关29时，x轴限位开关29向控制主板28发送信号使安装平台4停止移动；x轴丝杠移动副3在y轴丝杠移动副20上向y轴限位开关30移动，当x轴丝杠移动副3接触到y轴限位开关30时，x轴限位开关29向控制主板28发送信号使x轴丝杠移动副3停止移动。

2.准备——根据需求为1号打印喷头7、2号打印喷头11以及3号打印喷头15分别加注打印材料；根据打印材料特性调节基准气压精密调压阀50和1号打印喷头精密调压阀47或2号打印喷头精密调压阀48或3号打印喷头精密调压阀49的气压值；如有光固化需求，可将固化光源固定在对应的1号喷头用固化光源夹具8、2号喷头用固化光源夹具12以及3号喷头用固化光源夹具16上。

3.导入代码——将3d模型通过切片软件切片生成的gcode代码导入控制主板28。

4.初始喷头切换——控制主板28根据gcode代码所选择的1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15，通过向对应的1号气动滑块电磁阀继电器35或2号气动滑块电磁阀继电器39或3号气动滑块电磁阀继电器43发送信号，驱使对应的1号气动滑块电磁阀34或2号气动滑块电磁阀38或3号气动滑块电磁阀42工作，使对应的1号气动滑块5或2号气动滑块9或3号气动滑块13向下运动至底部。

5.打印——根据gcode代码，安装平台4及打印平台24开始移动，由于1号打印喷头7、2号打印喷头11以及3号打印喷头15在安装平台4上呈“一”字状布局，故1号打印喷头7、2号打印喷头11以及3号打印喷头15在x轴方向的坐标位置有所区别，根据测量的参数，已给出1号打印喷头7、2号打印喷头11以及3号打印喷头15在x轴方向的补偿参数，在切片过程中装订该参数后，打印过程中，打印机即可对打印喷头位置进行补偿，当1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15运动到gcode代码设定的位置，此时控制主板28通过向1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15对应的1号打印喷头电磁阀继电器33或2号打印喷头电磁阀继电器37或3号打印喷头电磁阀继电器41发送信号以使对应的1号打印喷头电磁阀32或2号打印喷头电磁阀36或3号打印喷头电磁阀40开关，由气源46提供的高压气体便开始驱动1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15挤出材料。当需要切换打印喷头时，执行步骤6，否则将执行步骤5至打印结束。

6.打印过程喷头切换——当需要切换喷头时，控制主板28通过向1号打印喷头电磁阀继电器33或2号打印喷头电磁阀继电器37或3号打印喷头电磁阀继电器41发送信号以使对应的1号打印喷头电磁阀32或2号打印喷头电磁阀36或3号打印喷头电磁阀40开关，1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15停止挤出材料；控制主板28根据gcode代码所选择的1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15，通过向1号气动滑块电磁阀继电器35或2号气动滑块电磁阀继电器39或3号气动滑块电磁阀继电器43发送信号，驱使对应的1号气动滑块电磁阀34或2号气动滑块电磁阀38或3号气动滑块电磁阀42工作，使当前1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15对应的1号气动滑块5或2号气动滑块9或3号气动滑块13向上运动至顶部；同时，控制主板28根据gcode代码所选择的1号打印喷头7或2号打印喷头11或3号打印喷头15，通过向对应的1号气动滑块电磁阀继电器35或2号气动滑块电磁阀继电器39或3号气动滑块电磁阀继电器43发送信号，驱使对应的1号气动滑块电磁阀34或2号气动滑块电磁阀38或3号气动滑块电磁阀42工作，使将要使用的1号打印喷头7或2号打印喷头11以或3号打印喷头15对应的1号气动滑块5或2号气动滑块9或3号气动滑块13向下运动至底部，此时执行打印步骤5。