懸臂式極坐標(biāo)3d打印裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述打印裝置包括：水平放置的底板、水平放置的頂板和豎直放置的立柱，所述立柱支撐固定于所述底板和所述頂板的四個(gè)角構(gòu)成主體框架；所述頂板下端設(shè)置有可按極坐標(biāo)方式360°旋轉(zhuǎn)的噴頭和設(shè)置于所述頂板上端面的控制盒，所述噴頭上還設(shè)有線材擠出裝置；所述頂板和所述底板之間設(shè)有上下移動(dòng)的工作平臺(tái)。本實(shí)用新型按照極坐標(biāo)系的方式，對(duì)于曲面結(jié)構(gòu)的打印軌跡是真實(shí)的圓弧，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)只有所得截面位置的徑向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)角度，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單；在同等結(jié)構(gòu)的大小下，打印空間得到大大的提升。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外觀易于接受，具有很好的穩(wěn)定性和可復(fù)制性。
【專利說(shuō)明】
懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)(Rapid Manufacturing，簡(jiǎn)稱RM)，是指通過(guò)連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)(增材制造)。目前市面上打印所使用的材料多為工程塑料，具體打印過(guò)程是將固態(tài)的打印材料通過(guò)噴嘴處加熱變成熔融狀態(tài)，在電腦的控制下將這些熔融的打印材料一層層疊加起來(lái)，最終將構(gòu)建的模型變成實(shí)物。現(xiàn)在市面上普遍出現(xiàn)的是基于直角坐標(biāo)式的快速成型機(jī)，其運(yùn)動(dòng)由X-Y-Z 3個(gè)方向3個(gè)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)。Z方向?qū)崿F(xiàn)零件的層面轉(zhuǎn)換，依次加工零件各層。而在平面直角坐標(biāo)下噴頭的X向和Y向的移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)截面加工。
[0003]生產(chǎn)實(shí)踐中很多產(chǎn)品是曲面結(jié)構(gòu)例如矯形器，薄壁回轉(zhuǎn)件等。直角坐標(biāo)式的快速成型機(jī)在打印這些曲面結(jié)構(gòu)時(shí)，需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行不斷的差補(bǔ)運(yùn)算，當(dāng)所打印的曲面或曲線較復(fù)雜時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行的計(jì)算量非常大，而且用該方法加工的圓弧，非圓二次曲線的表面只是近似值，而非理論值。例如在打印一個(gè)圓柱形產(chǎn)品時(shí)，利用直角坐標(biāo)式的快速成型機(jī)在每層截面上的打印軌跡并不是真實(shí)的圓，而是用極小的直線段取代圓弧的多邊形。由于加工曲面結(jié)構(gòu)的輪廓是近似出來(lái)的，而當(dāng)加工截面內(nèi)外圓直徑相差很小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致曲面結(jié)構(gòu)失真非常嚴(yán)重。現(xiàn)有的普通的直角坐標(biāo)式快速成型機(jī)不能滿足曲面結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量。
[0004]極坐標(biāo)系是指在平面內(nèi)由極點(diǎn)、極軸和極徑組成的坐標(biāo)系。在平面上取定一點(diǎn)0，稱為極點(diǎn)。從O出發(fā)引一條射線0X，稱為極軸。再取定一個(gè)長(zhǎng)度單位，通常規(guī)定角度取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。這樣，平面上任一點(diǎn)P的位置就可以用線段OP的長(zhǎng)度P以及從OX到OP的角度Θ來(lái)確定，有序數(shù)對(duì)(P，Θ)就稱為P點(diǎn)的極坐標(biāo)，記為Ρ(ρ，Θ) ； P稱為P點(diǎn)的極徑，Θ稱為P點(diǎn)的極角。
[0005]理論上平面內(nèi)任一點(diǎn)直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系都可以進(jìn)行表示，但極坐標(biāo)系在表示圓和一些曲線時(shí)有其特有的優(yōu)勢(shì)。比如半徑為10的圓在直角坐標(biāo)系下的表示方法為X2+Y2 =100，而在極坐標(biāo)系下的表示則為P = 10。用極坐標(biāo)表示減少了對(duì)變量的控制，也大大減小了計(jì)算機(jī)的工作量，并且所得截面圓的軌跡為真實(shí)的圓。
[0006]因此，對(duì)于極坐標(biāo)式快速打印機(jī)而言，因其在極坐標(biāo)系下，對(duì)于曲線和圓弧的輪廓打印都是一次完成的，大大提高了表面質(zhì)量，并且加快了打印速度，所以設(shè)計(jì)懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置對(duì)于曲面結(jié)構(gòu)零件至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)上述提出的現(xiàn)有快速打印機(jī)在打印圓弧、曲線等方面遇到的工作平臺(tái)無(wú)法全覆蓋打印等技術(shù)問(wèn)題，而提供一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置。本實(shí)用新型主要利用極坐標(biāo)系的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)可按360°旋轉(zhuǎn)的噴頭以及可以上下移動(dòng)的工作平臺(tái)，從而構(gòu)成“R-θ-Ζ”成型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中R為移動(dòng)軸的極徑，Θ為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，可使噴頭運(yùn)動(dòng)到加工平臺(tái)上的任意位置。Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)加工平臺(tái)做上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)對(duì)一層打印完成后，控制Z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使工作平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，控制擠出機(jī)在其上進(jìn)行打印。
[0008]本實(shí)用新型采用的技術(shù)手段如下:
[0009]一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述打印裝置包括:
[0010]水平放置的底板、水平放置的頂板和豎直放置的立柱，所述立柱支撐固定于所述底板和所述頂板的四個(gè)角構(gòu)成主體框架;所述頂板下端設(shè)置有可按極坐標(biāo)方式360°旋轉(zhuǎn)的噴頭和設(shè)置于所述頂板上端面的控制盒，所述噴頭上還設(shè)有線材擠出裝置;所述頂板和所述底板之間設(shè)有上下移動(dòng)的工作平臺(tái)。
[0011]進(jìn)一步地，所述打印裝置還包括豎直設(shè)置的Z軸光桿、設(shè)置在所述底板上的Z軸電機(jī)以及豎直設(shè)置的Z軸絲杠，所述Z軸光桿設(shè)置于所述頂板和所述底板之間，所述Z軸絲杠的一端與所述Z軸電機(jī)的輸出端相連，所述工作平臺(tái)與所述Z軸絲杠的絲杠螺母相連且與Z軸光桿通過(guò)直線軸承相連。
[0012]進(jìn)一步地，所述打印裝置還包括水平設(shè)置的懸臂、Y軸電機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸，所述Y軸電機(jī)設(shè)置于所述頂板上端面，所述懸臂通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置于所述頂板下端，所述Y軸電機(jī)的輸出端通過(guò)齒輪與所述旋轉(zhuǎn)軸的輸入端相連。
[0013]進(jìn)一步地，所述懸臂上設(shè)置有X軸電機(jī)、水平設(shè)置的同步帶、水平設(shè)置的X軸光桿和懸臂支撐件，所述X軸電機(jī)設(shè)置于懸臂支撐件上，所述懸臂支撐件通過(guò)螺桿與所述旋轉(zhuǎn)軸相連，所述噴頭設(shè)置于所述懸臂的前端，所述X軸電機(jī)的輸出端與所述同步帶相連，所述同步帶的前后端分別與所述懸臂的前后端相連，所述X軸光桿通過(guò)直線軸承與所述懸臂支撐件相連。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:按照極坐標(biāo)系的方式，對(duì)于曲面結(jié)構(gòu)的打印軌跡是真實(shí)的圓弧，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)只有所得截面位置的徑向長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)角度，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單。在相同結(jié)構(gòu)大小的情況下，打印空間得到大大的提升。預(yù)計(jì)打印空間為外徑400mm、內(nèi)徑10mm的圓環(huán)截面，高度為400mm的立體空間，在條件允許的情況下，可以通過(guò)增大立柱的高度和懸臂的長(zhǎng)度來(lái)加大打印面積，有升級(jí)的空間。
[0015]基于上述理由本實(shí)用新型根據(jù)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)器械的制造上，例如打印高度較高的脊椎矯形器和腿部矯形器。還可以應(yīng)用于裝飾品制造上，例如打印特殊不規(guī)則薄壁回轉(zhuǎn)體裝飾品。
【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本實(shí)用新型懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為圖1的局部示意圖。
[0019]圖中:1.Z軸電機(jī);2.底板;3.立柱;4.Z軸絲杠；5.工作平臺(tái)；6.Z軸光桿;7.頂板；
8.Y軸電機(jī);9.旋轉(zhuǎn)軸；10.控制臺(tái)；11.噴頭；12.同步帶；13.X軸光桿；14.懸臂支撐件；15.X軸電機(jī);16.懸臂。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0021]如圖1所示，一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，屬于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的四軸聯(lián)動(dòng)裝置，所述打印裝置包括:水平放置的底板2、水平放置的頂板7和豎直放置的立柱3，所述立柱3支撐固定于所述底板2和所述頂板7的四個(gè)角構(gòu)成主體框架;所述頂板7下端設(shè)置有可按極坐標(biāo)方式360°旋轉(zhuǎn)的噴頭11和設(shè)置于所述頂板7上端面的控制盒10;所述頂板7和所述底板2之間設(shè)有上下移動(dòng)的工作平臺(tái)5。
[0022]還包括豎直設(shè)置的Z軸光桿6、設(shè)置在所述底板2上的Z軸電機(jī)1(圖示中為提高工作平臺(tái)5的穩(wěn)定性，使用兩組電機(jī))以及豎直設(shè)置的Z軸絲杠4，所述Z軸光桿6設(shè)置于所述頂板7和所述底板2之間，所述Z軸絲杠4的一端與所述Z軸電機(jī)I的輸出端相連，所述工作平臺(tái)5與所述Z軸絲杠4的絲杠螺母相連且與Z軸光桿6通過(guò)直線軸承相連。
[0023]如圖2所示，所述打印裝置還包括水平設(shè)置的懸臂16、Y軸電機(jī)8和旋轉(zhuǎn)軸9，所述Y軸電機(jī)8設(shè)置于所述頂板7上端面，所述懸臂16通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸9設(shè)置于所述頂板7下端，所述Y軸電機(jī)8的輸出端通過(guò)齒輪與所述旋轉(zhuǎn)軸9的輸入端相連，所述旋轉(zhuǎn)軸9設(shè)計(jì)成中空的結(jié)構(gòu)，里面設(shè)置有滑環(huán)，從而可以很好的解決所述噴頭11在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)不會(huì)受到纏線的干擾;所述噴頭11上可以設(shè)置線材擠出裝置，包括小風(fēng)扇和擠出機(jī)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)軸9的長(zhǎng)度適合，可以在所述懸臂16與所述頂板7之間設(shè)置料盤(pán)，以上結(jié)構(gòu)可以根據(jù)后期需要進(jìn)行升級(jí)改造。
[0024]所述懸臂16上設(shè)置有X軸電機(jī)15、水平設(shè)置的同步帶12、水平設(shè)置的X軸光桿13和懸臂支撐件14，所述X軸電機(jī)15設(shè)置于懸臂支撐件14上，所述懸臂支撐件14通過(guò)螺桿與所述旋轉(zhuǎn)軸9相連，所述噴頭11設(shè)置于所述懸臂16的前端，所述X軸電機(jī)15的輸出端與所述同步帶12相連，所述同步帶12的前后端分別與所述懸臂16的前后端相連，所述X軸光桿13通過(guò)直線軸承與所述懸臂支撐件14相連。
[0025]噴頭11具體運(yùn)動(dòng)方式:根據(jù)極坐標(biāo)系的方式，所述噴頭11設(shè)置于懸臂16的前端，同步帶12的兩端分別與懸臂16的前端和后端相連，在所述Z軸電機(jī)I帶動(dòng)下，所述工作平臺(tái)5隨所述Z軸電機(jī)I的絲杠螺母在所述Z軸光桿6上上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所述工作平臺(tái)5在不同層高的打??；在所述X軸電機(jī)15的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)所述同步帶12在水平方向徑向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)構(gòu)成所述懸臂16的所述X軸光桿13可以在所述懸臂支撐件14內(nèi)自由徑向運(yùn)動(dòng)，使所述懸臂16在徑向上的打印長(zhǎng)度發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的直線打印;在所述Y軸電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)軸9和所述懸臂16在平面內(nèi)發(fā)生0°-360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴頭11在水平面內(nèi)360°自由旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)極角的改變。
[0026]控制方面:在平面內(nèi)任意一點(diǎn)極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系都有自己的表示方式，極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系之間也存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。直角坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)用有序數(shù)對(duì)(Χ，γ)表示，極坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)用有序數(shù)對(duì)(ρ，θ)表示，以上兩種表示方法存在以下關(guān)系:X = pCOS0，Y = psin0。所以在已有的直角坐標(biāo)系控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做一些有關(guān)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)方面的修改，便可得到極坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)。該套控制系統(tǒng)作為固件通過(guò)電腦寫(xiě)入快速成型機(jī)的控制器中，將構(gòu)建好的實(shí)體模型通過(guò)切片軟件轉(zhuǎn)換成能被控制器識(shí)別的語(yǔ)言G-code，在控制器的控制下指示快速成型機(jī)進(jìn)行打印。
[0027]本實(shí)用新型的整個(gè)打印裝置的設(shè)計(jì)明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外觀易于接受，具有很好的穩(wěn)定性和可復(fù)制性。
[0028]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制;盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述打印裝置包括: 水平放置的底板(2)、水平放置的頂板(7)和豎直放置的立柱(3)，所述立柱(3)支撐固定于所述底板(2)和所述頂板(7)的四個(gè)角構(gòu)成主體框架;所述頂板(7)下端設(shè)置有可按極坐標(biāo)方式360°旋轉(zhuǎn)的噴頭(11)和設(shè)置于所述頂板(7)上端面的控制盒(10)，所述噴頭(11)上還設(shè)有線材擠出裝置;所述頂板(7)和所述底板(2)之間設(shè)有上下移動(dòng)的工作平臺(tái)(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述打印裝置還包括豎直設(shè)置的Z軸光桿(6)、設(shè)置在所述底板(2)上的Z軸電機(jī)(I)以及豎直設(shè)置的Z軸絲杠(4)，所述Z軸光桿(6)設(shè)置于所述頂板(7)和所述底板(2)之間，所述Z軸絲杠(4)的一端與所述Z軸電機(jī)(I)的輸出端相連，所述工作平臺(tái)(5)與所述Z軸絲杠(4)的絲杠螺母相連且與Z軸光桿(6)通過(guò)直線軸承相連。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述打印裝置還包括水平設(shè)置的懸臂(16)、Y軸電機(jī)(8)和旋轉(zhuǎn)軸(9)，所述Y軸電機(jī)(8)設(shè)置于所述頂板(7)上端面，所述懸臂(16)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸(9)設(shè)置于所述頂板(7)下端，所述Y軸電機(jī)(8)的輸出端通過(guò)齒輪與所述旋轉(zhuǎn)軸(9)的輸入端相連。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的懸臂式極坐標(biāo)3D打印裝置，其特征在于，所述懸臂(16)上設(shè)置有X軸電機(jī)(15)、水平設(shè)置的同步帶(12)、水平設(shè)置的X軸光桿(13)和懸臂支撐件(14)，所述X軸電機(jī)(15)設(shè)置于懸臂支撐件(14)上，所述懸臂支撐件(14)通過(guò)螺桿與所述旋轉(zhuǎn)軸(9)相連，所述噴頭(11)設(shè)置于所述懸臂(16)的前端，所述X軸電機(jī)(15)的輸出端與所述同步帶(12)相連，所述同步帶(12)的前后端分別與所述懸臂(16)的前后端相連，所述X軸光桿(13)通過(guò)直線軸承與所述懸臂支撐件(14)相連。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK205661051SQ201620540746
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】關(guān)天民, 軒亮, 雷蕾, 張釗
【申請(qǐng)人】大連交通大學(xué)