3D打印设备的制作方法

3d打印设备
技术领域
1.本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种3d打印设备。


背景技术：

2.3d打印为快速成型技术的一种，又称增材制造。3d打印是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3d打印技术的不断成熟，以及3d打印技术所用设备的稳定性不断提升，3d打印技术的应用范围不断扩大。
3.其中，现场融合成形技术是增材制造领域的重要技术分支，现场融合成形技术具有原理简单、适用材料种类多以及装备成本低等诸多优势。根据打印材料的不同，现场融合成形技术可分为高分子热熔成形技术、金属熔丝堆焊成形技术以及混凝土堆积成形技术。具体地，现场融合成形技术的基本原理为：打印材料通过出料头铺设于打印面，并通过出料头与打印面的相对移动使得打印材料在打印面上形成打印层，多个打印层逐层累积，直至打印出完整的3d打印模型。
4.通常，出料头设有出料嘴，打印材料通过出料嘴被挤出出料头并在打印面上形成条状的打印层，但是，在重力的作用下，未固化的条状打印层的两侧端面会向外凸出，使得条状打印层两侧的端面变得不平整，如此，多个打印层层层叠加之后，形成的3d打印模型的侧面会呈现凹凸不平状，从而影响3d打印设备的打印效果。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种3d打印设备，解决现有的打印设备打印出的打印层的两侧端面会向外凸出，导致条状打印层两侧的端面变得不平整，进而影响打印设备的打印效果的问题。
6.本发明提供一种3d打印设备，包括出料头和侧部约束组件。出料头设有出料嘴。侧部约束组件设有两个相对平行设置的侧部约束面，两个侧部约束面分别位于出料嘴的两侧，以用于限制出料嘴流出的打印材料的两侧端面。
7.于本发明的一实施例中，侧部约束组件包括两个相对设置的约束挡板，约束挡板朝向出料嘴的一侧表面构成侧部约束面。如此，可直接在约束挡板上设置侧部约束面，大大降低了3d打印设备的制造难度。
8.于本发明的一实施例中，侧部约束组件还包括转动组件，转动组件连接约束挡板和出料头，转动组件能够调节两个约束挡板围绕出料嘴的轴向同步转动。如此，可使约束挡板的侧部约束面与条状打印层的两侧端面始终保持相切的状态，从而避免约束挡板对条状打印层造成破坏。
9.于本发明的一实施例中，转动组件包括转动盘以及连接转动盘和出料头的轴承，转动盘通过轴承可转动地连接于出料头；约束挡板连接转动盘，以使转动盘带动约束挡板围绕出料嘴的轴向转动。如此，通过转动转动盘，便可实现约束挡板围绕出料嘴的轴向同步转动，大大降低了3d打印设备的加工难度。
10.于本发明的一实施例中，转动组件还包括安装板、第一驱动电机以及主动齿轮，安装板固定连接出料头，第一驱动电机安装于安装板，主动齿轮连接于第一驱动电机的输出轴，主动齿轮与转动盘啮合连接，第一驱动电机通过驱动主动齿轮转动和转动盘转动以带动约束挡板转动。如此设置，有利于提高转动盘的转动精度。
11.于本发明的一实施例中，侧部约束组件还包括伸缩支架，伸缩支架连接转动组件和约束挡板，以同步调节两个约束挡板远离转动组件的一端凸出于出料嘴的长度。
12.于本发明的一实施例中，侧部约束组件还包括滑动支架，滑动支架固定连接约束挡板，且约束挡板通过滑动支架活动连接伸缩支架，以通过滑动支架调节两个约束挡板之间的距离。
13.于本发明的一实施例中，滑动支架设有沿出料嘴的径向延伸的滑槽，伸缩支架远离转动组件的一端插入滑槽，并能够固定在滑槽长度方向的任意位置。
14.于本发明的一实施例中，3d打印设备还包括储料仓，储料仓设于出料头的上方，且储料仓通过管道连接出料头。储料仓的一侧设有振动器，振动器能够带动储料仓发生振动。如此，有利于提高打印材料的密实程度，去除打印材料内混入的气体。
15.于本发明的一实施例中，储料仓的底面连接管道，储料仓靠近管道的一端的侧壁倾斜设置，且储料仓的横截面积从远离管道的方向至靠近管道的方向逐渐减小。如此设置，有利于提高储料仓的出料速率，以使打印材料更快地离开储料仓进入出料头。
16.本发明提供的3d打印设备，由于出料嘴的两侧设有两个侧部约束面，且两个侧部约束面平行设置。因此，在出料头朝向打印面挤出打印材料时，两个侧部约束面能够约束出料嘴流出的打印材料的两侧端面，从而使得打印材料的两侧端面变得平整，也就是打印出横截面为矩形的条状打印层，从而保证了3d打印设备的打印效果。
附图说明
17.图1为本发明一实施例的3d打印设备的结构示意图；
18.图2为本发明一实施例的3d打印设备的局部结构示意图；
19.图3为本发明一实施例的3d打印设备的局部结构放大图；
20.图4为本发明一实施例的3d打印设备的控制电路图。
21.附图标记：100、打印层；200、出料头；201、出料嘴；300、侧部约束组件；301、约束挡板；302、侧部约束面；303、转动组件；3031、转动盘；3032、安装板；3033、第一驱动电机；3034、主动齿轮；304、伸缩支架；305、滑动支架；400、xy双轴驱动单元；401、x轴驱动单元；402、y轴驱动单元；500、储料仓；501、振动器；502、管道；503、第二驱动电机；504、基板；505、隔振支架；600、固定框架；601、打印空间；602、升降平台；700、送料单元；701、送料软管；702、料量传感器；800、余料收集单元；900、控制器。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
29.在一些大型甚至超大型物体的建造过程中，为了提高建造效率，降低建造所需的人工成本，往往会用到现场融合成形技术。例如，在建筑工程领域，会利用现场融合成形技术进行水泥的浇注。
30.现场融合成形技术为3d打印技术的一种，进一步地，现场融合成形技术的基本原理为：3d打印设备通过出料头200在打印面上挤出流体状的打印材料，从而在打印面上打印出3d模型。具体地，打印材料通过出料头200铺设于打印面，并通过出料头200与打印面的相对移动使得打印材料在打印面上形成打印层100，多个打印层100逐层累积，直至打印出完整的3d打印模型。
31.通常，出料头200设有出料嘴201，打印材料通过出料嘴201被挤出出料头200并在打印面上形成条状的打印层100，但是，在重力的作用下，未固化的条状打印层100的两侧端面会向外凸出，使得条状打印层100两侧的端面变得不平整，如此，多个打印层100层层叠加
之后，形成的3d打印模型的侧面会呈现凹凸不平状，从而影响3d打印设备的打印效果。
32.有鉴于此，本发明提供一种3d打印设备，该3d打印设备用于解决现有的打印设备打印出的打印层100的两侧端面会向外凸出，导致条状打印层100两侧的端面变得不平整，进而影响打印设备的打印效果的问题。
33.具体地，请参阅图1
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图3，本发明提供的3d打印设备包括出料头200和侧部约束组件300。出料头200设有出料嘴201。侧部约束组件300设有两个相对平行设置的侧部约束面302，两个侧部约束面302分别位于出料嘴201的两侧，以用于限制出料嘴201流出的打印材料的两侧端面。
34.需要说明的是，在打印材料通过出料嘴201被挤出出料头200并在打印面上形成条状的打印层100的过程中，两个侧部约束面302贴设于条状打印层100的两侧并对条状打印层100的两侧端面形成约束，之后条状打印层100在两个侧部约束面302的约束下发生固化。并且，两个侧部约束面302随着出料头200一起沿着条状打印层100的长度方向移动，直至打印出整个打印层100。
35.由于出料嘴201的两侧设有两个侧部约束面302，且两个侧部约束面302平行设置。因此，在出料头200朝向打印面挤出打印材料时，两个侧部约束面302能够约束出料嘴201流出的打印材料的两侧端面，从而使得打印材料的两侧端面变得平整，也就是打印出横截面为矩形的条状打印层100，从而保证了3d打印设备的打印效果。
36.为了降低侧部约束面302的设置难度。在一实施例中，如图3所示，侧部约束组件300包括两个相对设置的约束挡板301，约束挡板301朝向出料嘴201的一侧表面构成侧部约束面302。如此，可直接在约束挡板301上设置侧部约束面302，大大降低了3d打印设备的制造难度。具体地，约束挡板301为方形薄板，且侧部约束面302为平面，如此，有利于约束挡板301的加工制造，降低了3d打印设备的加工成本。侧部约束面302还可以是曲面。当侧部约束面302为曲面时，侧部约束面302朝向出料嘴201凸起，如此，有利于避免约束挡板301相对打印层100移动的过程中划伤打印层100。
37.在打印层100的打印过程中，出料头200会在打印空间601内按照预设的程序进行移动。为了提高出料头200的移动灵活度，在一实施例中，如图1和图4所示，本发明提供的3d打印设备采用xy双轴驱动单元400对出料头200的移动进行控制。具体地，xy双轴驱动单元400包括x轴驱动单元401和y轴驱动单元402，出料头200可移动地设置于y轴驱动单元402，y轴驱动单元402能够直接驱动出料头200沿着y轴方向移动。而y轴驱动单元402可移动地设置于x轴驱动单元401，x轴驱动单元401可驱动设有出料头200的y轴移动单元沿着x轴方向移动。如此，通过预设程序分别控制x轴驱动单元401和y轴驱动单元402移动，便可实现出料头200在二维平面内的移动。并且，xy双轴驱动单元400电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制xy双轴驱动单元400运作。
38.进一步地，为了提高xy双轴驱动单元400的运行稳定性，3d打印设备设有两个平行设置的x轴驱动单元401，且两个x轴驱动单元401分别设于y轴驱动单元402的两端，以同步驱动y轴驱动单元402沿着x轴方向移动。具体地，当y轴驱动单元402移动至x轴驱动单元401的中间位置时，整个xy双轴驱动单元400呈h型。
39.在xy双轴驱动单元400驱动出料头200移动的过程中，出料头200自身不会发生转动。因而，当3d打印设备打印的条状打印层100的两侧端面为曲面时，出料头200无法带动约
束挡板301转动，如此，会使得约束挡板301对条状打印层100造成破坏。
40.为了避免约束挡板301破坏条状打印层100，在一实施例中，如图3所示，侧部约束组件300还包括转动组件303，转动组件303连接约束挡板301和出料头200，转动组件303能够调节两个约束挡板301围绕出料嘴201的轴向同步转动。如此，可使约束挡板301的侧部约束面302与条状打印层100的两侧端面始终保持相切的状态，从而避免约束挡板301对条状打印层100造成破坏。
41.具体地，如图3所示，转动组件303包括转动盘3031以及连接转动盘3031和出料头200的轴承(图未示)，转动盘3031通过轴承可转动地连接于出料头200。需要说明的是，轴承套设于出料头200，而转动盘3031套设于轴承的外侧，通过轴承内滚珠的滚动，实现转动盘3031与出料头200的相对转动。并且，约束挡板301连接转动盘3031，以使转动盘3031带动约束挡板301围绕出料嘴201的轴向转动。如此，通过转动转动盘3031，便可实现约束挡板301围绕出料嘴201的轴向同步转动，大大降低了3d打印设备的加工难度。
42.进一步地，为了提高转动盘3031的转动精度。在一实施例中，如图3所示，转动组件303还包括安装板3032、第一驱动电机3033以及主动齿轮3034，安装板3032固定连接出料头200，第一驱动电机3033安装于安装板3032，主动齿轮3034连接于第一驱动电机3033的输出轴，主动齿轮3034与转动盘3031啮合连接，第一驱动电机3033通过驱动主动齿轮3034转动和转动盘转动以带动约束挡板301转动。如此，第一驱动电机3033通过驱动主动齿轮3034转动带动转动盘3031转动，最终实现约束挡板301围绕出料嘴201的轴向同步转动。更进一步地，如图4所示，第一驱动电机3033电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制第一驱动电机3033的转动。
43.当打印层100的厚度不同时，约束挡板301远离转动组件303的一端凸出于出料嘴201的长度也应该随着打印层100的厚度变化进行相应的调整。在一实施例中，如图3所示，侧部约束组件300还包括伸缩支架304，伸缩支架304连接转动组件303和约束挡板301，以同步调节两个约束挡板301远离转动组件303的一端凸出于出料嘴201的长度。具体地，伸缩支架304一端固定连接转动盘3031，另一端连接约束挡板301，通过伸缩支架304自身的伸缩实现约束挡板301的位移，进而控制约束挡板301远离转动组件303的一端凸出于出料嘴201的长度。
44.同样的，当打印层100的宽度不同时，两个约束挡板301之间的距离也应该随着打印层100的宽度变化进行相应的调整。在一实施例中，如图3所示，侧部约束组件300还包括滑动支架305，滑动支架305固定连接约束挡板301，且约束挡板301通过滑动支架305活动连接伸缩支架304，以通过滑动支架305调节两个约束挡板301之间的距离。具体地，滑动支架305设有沿出料嘴201的径向延伸的滑槽(图未示)，伸缩支架304远离转动组件303的一端插入滑槽，并能够固定在滑槽长度方向的任意位置。需要说明的是，伸缩支架304直接控制活动支架的移动，通过活动支架的移动带动约束挡板301的移动。也就是说，当伸缩支架304调节约束挡板301远离转动组件303的一端凸出于出料嘴201的长度时，滑动支架305与约束挡板301同步移动。
45.为了提高打印材料的密实程度，去除打印材料内混入的气体。在一实施例中，如图3所示，3d打印设备还包括储料仓500，储料仓500设于出料头200的上方，储料仓500通过管道502连接出料头200。且储料仓500的一侧设有振动器501，振动器501能够带动储料仓500
发生振动。如此，可先将打印材料输送至储料仓500内，由于气体的密度远小于打印材料的密度，因此，打印材料内混入的气体会在储料仓500内与打印材料发生分离。而振动器501加快了气体与打印材料分离的速率。并且，如图4所示，振动器501电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制振动器501的工作。
46.进一步地，为了提高储料仓500的出料速率，以使打印材料更快地离开储料仓500进入出料头200。在一实施例中，如图3所示，储料仓500的底面连接管道502，储料仓500靠近管道502的一端的侧壁倾斜设置，且储料仓500的横截面积从远离管道502的方向至靠近管道502的方向逐渐减小。具体地，储料仓500远离管道502的一端的侧壁垂直于水平面，储料仓500靠近管道502的一端的侧壁与水平面呈一锐角，且振动器501设置于储料仓500倾斜设置的侧壁上。
47.在本实施例中，如图3所示，出料头200内部设有挤料单元(图未示)，挤料单元挤出打印材料的驱动力来源于第二驱动电机503，而第二驱动电机503通过基板504安装于出料头200远离出料嘴201的一端。并且，储料仓500通过隔振支架505安装于基板504上，为了保护第二驱动电机503不受到振动器501产生的振动的影响，隔振支架505采用镂空设计，如此，可以阻止振动器501产生的振动传递至第二驱动电机503，进而提高第二驱动电机503的使用寿命。进一步地，如图4所示，第二驱动电机503电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制第二驱动电机503的转动。
48.为了提供足够大的打印空间601，在一实施例中，如图1所示，3d打印设备还包括固定框架600，固定框架600为镂空结构，固定框架600内设有打印空间601。xy双轴驱动单元400安装于固定框架600的顶端，其中，两个相对设置的x轴驱动单元401分别安装于固定框架600相对的两侧，y轴驱动单元402在打印空间601的上方移动。
49.当3d打印设备打印完一层打印层100时，需要调整出料嘴201与打印面之间的间距，便于3d打印设备对下一个打印层100进行打印。因此，为了实现出料嘴201与打印面之间的间距的快速调整，3d打印设备的打印空间601内设有沿着z轴移动的升降平台602。需要说明的是，z轴同时垂直于x轴和y轴。当3d打印设备准备对下一个打印层100进行打印前，升降平台602朝向远离出料嘴201的方向移动预设距离，该预设距离即为打印层100的厚度。进一步地，如图4所示，升降平台602电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制升降平台602的移动。
50.在一实施例中，如图1所示，3d打印设备还设有送料单元700，送料单元700设于固定框架600的一侧，且送料单元700通过送料软管701连接储料仓500，以使打印材料从送料单元700被输送至储料仓500。进一步地，如图4所示，送料单元700电连接控制器900，3d打印设备通过控制器900控制送料单元700的运作。更进一步地，如图3和图4所示，隔振支架505的底端设有料量传感器702，料量传感器702能够检测储料仓500内打印材料的量，且料量传感器702连接控制器900，以将检测数据传输至控制器900。当储料仓500内的打印材料的量少于最低预设值时，控制器900控制送料单元700向储料仓500内输送打印材料，当储料仓500内的打印材料的量达到最高预设值时，控制器900控制送料单元700停止向储料仓500内输送打印材料。具体地，料量传感器702可以是压力传感器，通过检测受到隔振支架505的压力变化分析得出储料仓500内的打印材料的量。
51.如图1所示，3d打印设备还设有余料收集单元800，余料收集单元800安装于固定框
架600，且余料收集单元800位于出料头200的下方，以便于出料头200将多余的打印材料挤入余料收集单元800。
52.以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
53.本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。