FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法及组件技术

FDM‑3D打印机的挤出机分频寻址方法及组件，属于机械技术领域；采用挤出机总成或挤出头通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成寻址：即分频空间寻址的方法来克服大型机的挤出机总成驱动机构的惯量过大所带的震动巨大及驱动响应速度慢的缺陷：具体的讲：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上且随着其一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；即：组件平台的空间位移+驱动系统2的位移；驱动系统1将承受小位移的高频分量运动，驱动系统2承受运动分解的低频部分的分量运动，将能极大的减少系统的震动及重量。

Extruder frequency division addressing method and components of FDM-3D printer

Extruder frequency division addressing method and components of FDM_3D printer belong to mechanical technology field; addressing is accomplished by displacement superposition of two sets of independently moving 2-D or 3-D addressing mechanisms of extruder assembly or extruder head: namely frequency division spatial addressing method to overcome the shortcomings of large vibration and slow driving response caused by excessive inertia of extruder assembly driving mechanism of mainframe. Sinking: Specifically speaking: drive system 2 drives the component platform carrying the extruder assembly to complete large-scale 2 or 3-dimensional space displacement; while drive system 1 is installed on the component platform and moves with it, drive system 1 directly drives the extruder assembly to complete small-scale 2 or 3-dimensional space movement, so the spatial position of the extruder assembly is superimposed by two sets of motion systems. That is: the space displacement of the component platform + the displacement of the driving system 2; the driving system 1 will bear the high-frequency component motion of small displacement, and the driving system 2 will bear the low-frequency component motion of motion decomposition, which will greatly reduce the vibration and weight of the system.

【技术实现步骤摘要】
FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法及组件[
]本专利技术属于机械
，确切的讲是一种改善大型FDM-3D打印机的高速成型方法，即挤出机总成的3维分频位移模式及相应的组件。[
技术介绍
]目前FDM-3D打印机的驱动挤出机的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。下面对这3种机械形式加以说明：机械臂3维位移系统：该系统类似于人类的手臂，在机器人技术中常见，通过转动3个甚至更多的轴节就可以将挤出机的喷口直接运输到3维空间位置，达到挤出机空间寻址的目的。动力学特性评价：对于大尺度的空间来说，由于机械臂的长度较大，导致回转半径较大，转动惯量就很大，这样机械寻址的加速度、速度将受到很大的限制。皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统：该系统的有(X、Y轴)2维机械传动多种方式：在目前的FDM打印机中被最为普遍的采用了；一种方式是使用1条皮带牵引着挤出机总成沿着X或Y方向运动，构成1个1维运动组件，而再使用另1条皮带来运载着上述1维运动组件沿着Y或X方向整体运动；另一种是使用2条正交的细长圆柱穿过承载挤出机总成的支架构造体且可以自由滑动，2条皮带分别带动这2条细长圆柱沿着X及Y的方向平动，可以将输送到XY平面的任何位置，也达到挤出机空间寻址的目的。动力学特性评价：对于大尺度的运动空间，Y轴运动需要携带整个X轴的运动系统，惯量很大，且X、Y方向负担不一致，挤出机加速度、速度将受到很大的限制；改进型设计往往将供料电机分离出挤出机总成以减轻重量；另一种改进是将X、Y方向的驱动电机均分离出挤出机总成，使得X、Y方向的惯量负担一致，改善挤出机总成的动力学响应能力。垂直三丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统：该系统适合于打印较高的物件，3垂直丝杠驱动与其通过铰轴联接的3组连杆联的末端，沿着Z轴方向独立位移，3个铰轴始终被强制约束且保持在与水平面内平行的平面内，3组连杆联的另外一端(首端)也通过3个水平铰轴联接挤出机总成，挤出机总成上的3个铰轴也始终保持在同一水平面内，每一组连杆的平行是由平行四边形法则约束的；这样通过3垂直丝杠驱动3铰轴的Z轴位置，就可以决定挤出机的任意3维空间位置，挤出机的挤出孔始终保持垂直方向。动力学特性评价：比较而言该情况动力学响应能力最佳，但是精度不易于把握。关于FDM-3D打印机的其它通用技术简述如下：熔融沉积成型(FusedDepositionModeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。基本工作原理如下：挤出机总成上的热熔喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127—0.6mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。打印过程中，打印头在平面上的位移以及打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印。循环往复直至成品的完成。在打印过程中，插入打印头的线材会迅速融化，通过打印头挤出瞬间凝结。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。其结构细节阐述为：挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了；挤出机总成的所有构件：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出机总成最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。热熔喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduinomega2560主控板，Ramps1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。ArduinoMega2560主控板ArduinoMega2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.FDM‑3D打印机的挤出机分频寻址方法；构成该FDM‑3D打印机主要构造包括：送料机构、运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置、载物平台、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；而运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置包括：驱动系统2、驱动系统1及承载着驱动系统1的组件平台；主要工作过程如下：在电子控制系统的控制下，根据预先存储好的产品零件的切层截面信息，在驱动系统2及驱动系统1的共同驱动下，挤出机总成按切层截面信息单纯作X‑Y平面运动或在完成1层切层的铺设后作升高1层高度的Z轴方向的位移；通过供料挤压的作用，热熔喷头喷口在载物平台上逐层铺设熔融物料，快速冷却后形成一层0.1—28mm厚的薄片；一层又一层，循环往复直至成品的完成；挤出机总成是通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成空间寻址的：即分频空间寻址；该2套独立运动的2维或3维的寻址机构指的是：驱动系统1及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机总成；具体细节为：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上，且随着组件平台一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；由机械尺寸及惯量小的驱动系统1使得挤出机总成能作小范围2维平面或3维空间移动，可以做到快速响应，将承受运动分解的高频部分的分量运动，也就是加速度较大的分运动，适用于局部变方向变化较为频繁的弯折路径的运动分量的完成；而由机械尺寸大惯量也大的驱动系统2来完成大尺度的空间移动，将承受运动分解的低频部分的分量运动，仅仅适合于较小加速度分量运动，不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨迹分量；无论是驱动系统1还是驱动系统2，都是已知的常规机械2维或3维的位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的X、Y轴2维机械传动+Z轴升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统；其特征就在于：在FDM‑3D打印机挤出机运行中采用了的分频寻址方法，即：组件平台作为联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动系统2是以整机的整体结构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成大尺度下的2维或3维的空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空间寻址的；而驱动系统1是以运动的组件平台为依托，安装在组件平台这一相对运动结构之上，驱动完成小尺度之下的2维或3维的空间寻址动作；在任意时刻下：挤出机喷口的运动速度及位置的算法为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝组件平台相对于机器固定结构参照系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的空间位置坐标；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台相对于机器固定结构参照系的运动速度+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的相对运动速度；另一种表述为：使用驱动系统1与驱动系统2的科学表述为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件平台的空间位移数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的空间位移数值；即：2个空间位移的矢量和；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件平台的速度矢量数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的速度矢量数值；即：2个速度矢量的矢量和；将挤出机的复杂运动分解为低频分量及高频分量，驱动系统1将承受小位移的运动分解的高频分量运动，驱动系统2承受大位移的运动分解的低频分量运动。...

【技术特征摘要】
2017.10.11 CN 20171094320421.FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法；构成该FDM-3D打印机主要构造包括：送料机构、运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置、载物平台、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；而运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置包括：驱动系统2、驱动系统1及承载着驱动系统1的组件平台；主要工作过程如下：在电子控制系统的控制下，根据预先存储好的产品零件的切层截面信息，在驱动系统2及驱动系统1的共同驱动下，挤出机总成按切层截面信息单纯作X-Y平面运动或在完成1层切层的铺设后作升高1层高度的Z轴方向的位移；通过供料挤压的作用，热熔喷头喷口在载物平台上逐层铺设熔融物料，快速冷却后形成一层0.1—28mm厚的薄片；一层又一层，循环往复直至成品的完成；挤出机总成是通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成空间寻址的：即分频空间寻址；该2套独立运动的2维或3维的寻址机构指的是：驱动系统1及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机总成；具体细节为：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上，且随着组件平台一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；由机械尺寸及惯量小的驱动系统1使得挤出机总成能作小范围2维平面或3维空间移动，可以做到快速响应，将承受运动分解的高频部分的分量运动，也就是加速度较大的分运动，适用于局部变方向变化较为频繁的弯折路径的运动分量的完成；而由机械尺寸大惯量也大的驱动系统2来完成大尺度的空间移动，将承受运动分解的低频部分的分量运动，仅仅适合于较小加速度分量运动，不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨迹分量；无论是驱动系统1还是驱动系统2，都是已知的常规机械2维或3维的位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的X、Y轴2维机械传动+Z轴升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统；其特征就在于：在FDM-3D打印机挤出机运行中采用了的分频寻址方法，即：组件平台作为联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动系统2是以整机的整体结构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成大尺度下的2维或3维的空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空间寻址的；而驱动系统1是以运动的组件平台为依托，安装在组件平台这一相对运动结构之上，驱动完成小尺度之下的2维或3维的空间寻址动作；在任意时刻下：挤出机喷口的运动速度及位置的算法为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝组件平台相对于机器固定结构参照系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的空间位置坐标；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台相对于机器固定结构参照系的运动速度+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的相对运动速度；另一种表述为：使用驱动系统1与驱动系统2的科学表述为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件平台的空间位移数值+...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小平，罗天珍，
申请(专利权)人：罗天珍，
类型：发明
国别省市：广东,44