机体可倾斜的3D打印机制造技术

一种机体可倾斜的3D打印机，包括：机座部分和3D打印机主体部分，机座部分有机座平台、旋转平台，分别驱动机座平台偏转和驱动旋转平台旋转的蜗轮蜗杆马达装置；3D打印主机部分有安装在机座旋转平台上的3D打印机主体，y轴板上安装的可偏转喷嘴和固定喷嘴，驱动可偏转喷嘴的伺服机构，可升降工作台；依据加工工件的悬臂和空腔曲面倾斜状况，本发明专利技术3D打印机通过机座旋转平台旋转和机座偏转面偏转，以及3D打印机主体上可偏转喷嘴偏转，对工件悬臂和空腔曲面进行无需支撑物的打印，从而可加工中空多面体、球体和多层蜂窝结构工件，以及在本发明专利技术3D打印机上实现3D打印两大类工艺的兼容使用。加工的多层蜂窝结构工件在航天、国防和民用领域具有重要用途。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及3D打印技术。
技术介绍
：目前的3D打印机，为克服重力影响，在打印工件的悬臂和空腔部位时，都需要以粉材或光敏树脂液或特殊材质做支撑，来应付重力影响。故此，一些带有悬臂和空腔结构又不允许内部包含支撑物的设计工件，诸如中空四面体、六面体、多面体、球体和多层蜂窝结构工件，目前的3D打印机是无法打印的。更一般地说，如果设计工件所包含的悬壁或空腔的曲面法线与垂直线的夹角γ，小于某个临界角γc(γc由理论和经验确定)，目前的3D打印机不使用粉材、光敏树脂液做支撑或用特定材料打印支撑结构，就无法打印出来。此外，目前的3D打印工艺分为两大类，一类是铺设粉材或浸入光敏树脂液体或分层实体制造，如选择性激光烧熔(SLS)、立体光固定成型(SLA)、分层实体制造(LOM)等；另一类是不使用铺粉和光敏树脂液体的工艺，如熔融沉积成型(FDM)、微滴注射成型(Micro dropletjetting)等；此两大类3D打印工艺无法相互兼容，即通常不能在同一3D打印机上同时使用这两大类工艺。为克服目前的3D打印机所存在的上述两大缺陷，解决3D打印机所受重为限制不能加工中空多面体、球体和多层蜂窝结构工件的问题，以及在一定程度上，使目前不能相互兼容的两大类工艺，能够兼容整合到同一3D打印机上，促成了本专利技术机体可倾斜的3D打印机的设计构想。本专利技术提出一种机体可倾斜的3D打印机，来解决因设计工件的悬臂或空腔而引发的重力限制问题，以及目前3D打印机两大类工艺通常不兼容的问题，使得3D打印机能够加工中空多面体、球体、和多层蜂窝结构工件，以及在一定程度上，使目前3D打印机通常无法兼容的两大类工艺，能够在同一台3D打印机上得到兼容使用。
技术实现思路
：为克服重力对3D打印施加的不利影响，减少或消除某些设计工件内不利的支撑材料或支撑结构，打印出诸如中空四面体、六面体、多面体、球体或多层蜂窝结构的设计工件，以及在一定程度上使目前3D打印机通常无法兼容的两大类工艺，能够在同一台3D打印机上得到兼容使用，本专利技术提出一种新型的机体可倾斜的3D打印机设计构想。由于将目前3D打印机通常无法兼容两大类工艺兼容到本专利技术机体可倾斜3D打印机上，只是本专利技术3D打印机的技术延伸，因此，我们只需要叙述本发明3D打印机克服重力对3D打印施加的不利影响的基本原理便够了。本专利技术设计构思的基本原理，是在对待设计工件的悬壁或空腔部位时，尽量不采用粉材、光敏树脂液体或其它特定材料做支撑来克服重力，而是利用已打印成型的材质来支撑新打印的材质，即利用喷嘴将新的打印材料直接熔融喷射、注射或烧熔在已打印好的悬壁或空腔的相关部位材质上，让其承受新的打印材料的重力，这就意味着已打印的该相关部位，需处垂直地面位置；同时，3D打印喷嘴也应垂直朝向地面位置，从而使得喷嘴喷射、注射或烧熔的新的打印材料，基本落在已打印好的悬臂或空腔相关部位的材质上，结成一体。一般情形下，为实现这两个要求，需要将3D打印机安放在一个X-Y平面可转动360°，Z轴可偏转±90°的机座上，使得3D打印机在机座X-Y平面转动一定角度，就能使安放在机座上的3D打印机工作平台上的欲打印工件的任意需支撑物打印的悬臂或空腔悬空部位，就位到与机座Z轴偏转面相垂直的位置，然后偏转一定角度，使得这个悬臂或空腔悬空部位，垂直于地面，能够接受与支撑3D打印机喷嘴喷射、注射或烧熔的新的打印材料；另一方面，安放在机座上的3D打印机，仍以传统方式进行设计工件的打印，唯一的区别，是安放在可转动可偏转机座上的3D打印机的喷嘴，在机座将设计工件的需无支撑物打印的悬臂或空腔部位置于垂直地面位置时，喷嘴在此打印部位处的方向，也应接近垂直于地面，才能够将新的打印材料，在许可范围内熔融喷射、注射、烧熔在已成型的设计工件的悬臂或空腔部位的材质上。故此，在3D打印机打印时，遇到设计工件需无支撑物打印的悬臂或空腔部位，其喷嘴的打印运作，不仅有x-y平面和z轴方向的一般打印机的常规运动，还需要喷嘴方向刻意要求接近垂直地面方向的改变运作，也即相应机座X-Y平面转动和Z轴偏转，喷嘴也应有等量的x-y平面的转动和z轴偏转。为进一步说明本专利技术机体可倾斜3D打印机的基本原理，需要稍微叙述一下3D打印机上欲打印工件的数字设计模型。众所周知，这个数字设计模型或者由三维CAD软件根据设计要求获得，或者依据逆向工程对物理实体做光学扫描或CT／MRI／PET扫描，得到数据，再经数据重构软件和三维CAD软件或图象转换软件生成。然后将这个3D数字模型转换为STL格式文件，用三角形面片来近似表示3D数字设计模型的曲面，每个三角形的三个顶点的三维坐标为x1y1z1，x2y2z2，x3y3z3；其法向量为N，依据这个数字设计模型的复杂程度和工件的加工精度，选择STL格式化的三角形的数目。(参见金烨等著：《自由成型技术》，机械工业出版社，2012年，P8，P10，P23。)STL格式文件中三角形的平面方程可以表示为：x-x1y-y1z-z1x2-x1y2-y1z2-z1x3-x1y3-y1z3-z1=0]]>可以简化为Ax+By+Cz-D=0其单位法向量N为(cosα，cosβ，cosγ)cosα=±AA2+B2+C2]]>cosβ=±BA2+B2+C2]]>cosγ=±CA2+B2+C2]]>由此可推得单位法向量N的方向角α、β、γ(图7)单位法向量N在x-y平面投影为N′，其与x、y、z轴夹角分别为α′、β′、γ′，显然α′=π2-β′,γ′=π2]]>(图7)这样，如果将3D打印机安放在机座的旋转平台上，初始时3D打印机的坐标系x-y-z的原点o与机座坐标系X-Y-Z的原点O重合，两坐标系一致，那么，机座的旋转平台在X-Y平台上只需相对X轴转动即β′角，就能将3D打印机上的欲打印工件数字设计模型STL格式化下的上述某个三角形所表示的曲面，旋转到与机座Z轴偏转面相垂直的位置，机座坐标系X-Y-Z的Z轴偏转面可任意设定，此处为便于说明，不妨设定Z轴在Y-Z平面偏转，即绕X轴偏转，于是，Z轴只要绕X轴偏转(γ′-γ)即角(图7)，便可以使安放在机座上的3D打印机上数字设计模型STL格式化下的该三角形代表的曲面，处于垂直地面位置，从而为无需支撑物的3D打印创造条件。不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机体可倾斜的3D打印机，包括机座部分和3D打印机主体部分，其特征是：机座部分有：安装在地面(18)的机座支架(3)，机座平台(2)，偏转机座平台(2)的蜗轮蜗杆马达装置(5、7)，机座平台(2)上的旋转平台(4)也即蜗轮(4)，安装在机座平台(2)上、驱动旋转平台(4)转动的蜗转蜗杆马达装置(4、6)，与机座平台(2)刚性连接的支撑板(8)，将支撑板(8)、机座平台(2)与机座支架(3)转动连接的枢轴(9)，蜗轮(5)与一侧支撑板(8)刚性连接；3D打印机主体部分有：3D打印机主体(1)固定安装在机座旋转平台(4)上，3D打印机主体(1)的可升降工作台(12)，3D打印机主体(1)上y轴板(13)上安装的可偏转(绕X轴)喷嘴(14)，驱动可偏转喷嘴(14)的伺服机构(17)，固定喷嘴或激光打印头(16)，打印支撑结构的固定喷嘴(15)，3D打印机主体(1)升降工作台(12)上放置的打印工件(10)，防止工件(10)倾倒的支撑结构(11)。

【技术特征摘要】
1.一种机体可倾斜的3D打印机，包括机座部分和3D打印机主体部分，其特
征是：机座部分有：安装在地面(18)的机座支架(3)，机座平台(2)，偏转
机座平台(2)的蜗轮蜗杆马达装置(5、7)，机座平台(2)上的旋转平台(4)
也即蜗轮(4)，安装在机座平台(2)上、驱动旋转平台(4)转动的蜗转蜗杆
马达装置(4、6)，与机座平台(2)刚性连接的支撑板(8)，将支撑板(8)、
机座平台(2)与机座支架(3)转动连接的枢轴(9)，蜗轮(5)与一侧支撑板
(8)刚性连接；3D打印机主体部分有：3D打印机主体(1)固定安装在机座
旋转平台(4)上，3D打印机主体(1)的可升降工作台(12)，3D打印机主体
(1)上y轴板(13)上安装的可偏转(绕X轴)喷嘴(14)，驱动可偏转喷嘴
(14)的伺服机构(17)，固定喷嘴或激光打印头(16)，打印支撑结构的固定
喷嘴(15)，3D打印机主体(1)升降工作台(12)上放置的打印工件(10)，
防止工件(10)倾倒的支撑结构(11)。
2.根据权利要求1所述的机体可倾斜的3D打印机，其特征是：依据3D打印
机主体(1)工作台(12)上欲打印工件(10)的数字设计模型(10)，其STL
格式化下某个三角形所代表的法向量N与Z轴夹角γ小于临界角γc，那么，机
座旋转平台(4)在计算机控制下，由蜗轮蜗杆马达装置(4、6)，旋转一角度
使该三角形面片所代表工件(10)的那个曲面，就位到与机
座Z轴(绕X轴)偏转面垂直的位置，其后，机座平台(2)由蜗轮蜗杆马达装
置(5、7)驱动，偏转角度使该三角形面片所代表工件(10)的那个
曲面，处于垂直地面(18)位置；此时，固定在机座旋转平台(4)的3D打印
机主体(1)，其y轴板(13)上安装的可偏转喷嘴(14)，由计算机控制，伺服
机构(步进马达、伺服马达、蜗轮蜗杆等)，(17)驱动可偏转喷嘴(14)反向
偏转角度，使喷嘴(14)垂直或接近垂直地面(18)，喷嘴(14)反向

\t偏转后，其喷射、注射、烧熔的落点坐标产生的偏差，由计算机进行
修正，从而使偏转后的喷嘴(14)，能够准确地把新材料，垂直或接近垂直喷射、
注射或烧熔在该三角形所代表曲面已成型的材质上，紧密结为一体；同时，工
件数字设计模型具有相交两面而有一面需依本发明3D打印机倾斜至垂直地面
位置打印时，在计算机控制下，固定喷嘴或激光打印头(16)配合可偏转喷嘴
(14)，对工件(10)相交面轨迹线(面)，从不同方向进行同时打印或烧熔，
以保证相交面的轨迹线(面)紧密结为一体；在每个包含有STL格式化该三角
形面片所代表曲面的打印薄片的轨迹线(面)，以3D打印机主体(1)倾斜方式
打印完后，在计算机控制下，蜗轮蜗杆马达装置(5、7)，驱动机座偏转面(绕
Z轴)反向偏转角度，使3D打印机主体(1)回归直立位置；相应地，
3D打印机主体(1)y轴(13)上的可偏转喷嘴(14)，也由伺服机构(17)驱
动，偏转角度，回归直立位置，垂直工作台(12)，3D打印机主体(1)
然后对该打印薄片的工件数字设计模型(10)的其它成型轨迹线(面)进行正
常状态打印，直到该薄片的全部成型轨迹线(面)打印完毕；再依此类推以同
样方式，打印包含该三角形面片的其它薄层；3D打印机主体(1)，以正常的、
不倾斜的方式，打印包含有工件数字设计模型(10)STL格式化文件中所有三
角形面片法线N与Z轴夹角γ大于临界角γc的曲面的打印薄片的成型轨迹线
(面)；直到本发明机体可倾斜的3D打印机，将3D打印机主体(1)上的欲打
印工件(10)，以倾斜和不倾斜的方式，全部打印完毕；此外，在计算机控制下，
打印支撑结构的固定喷嘴(15)，给工件(10)打印适当支撑结构(11)；也可
在3D打印机主体(1)上，设置固定工件(10)的专用卡具。
3.根据权利要求1所述的机体可倾斜的3D打印机，其特征是，所述驱动机座
平台(2)偏转的蜗轮蜗杆马达装置(5、7)，驱动旋转平台(4)转动的蜗轮蜗

\t杆马达装置(4、6)，以及3D打印机主体(1)的y轴板(13)上驱动可偏转喷
嘴(14)的伺服机构(步进马达，伺服马达，蜗轮蜗杆等)(17)，都在计算机
控制下，做相互协调有序的精密动作，并且可偏转喷嘴(14)偏转后，其喷射、
注射、烧熔落点坐标产生的偏差，由计算机进行精确修正，以确保3D打印机主
体(1)的工作台(12)上安放的欲打印工件(10)，能够在本发明3D打印机的
倾斜和直立打印时，都能准确无误地实施和完成打印。
4.根据权利要求1所述的机体可倾斜的3D打印机，其特征是：所述打印多层
蜂窝结构工件(610)的本发明3D打印机，能以比较简单的方式完成整个多层
蜂窝结构工件(610)的打印；首先，第①步，本发明3D打印机主体(1)以不
倾斜的直立形式，打印工作台(12、612)上的多层蜂窝结构工件(610)的第
一层蜂窝结构(610a)；然后，第②步，继续以这种方式，打印蜂窝结构第二层
底部(即第一层蜂窝结构的顶部)的所选边线薄层(610b)；再后，第③步，本
发明3D打印机在计算机控制下，机座旋转平台(4)由蜗轮蜗杆马达装置(4、
6)驱动，转动一个角度，使3D打印机主体(1)工作台(12、612)上已打印
好的多层蜂窝结构工件(610)的第二层底部所选边线薄层(610b)，与机座Z
轴(绕X轴)偏转面垂直；再后，在计算机控制下，由蜗轮蜗杆马达装置(5、
7)驱动，Z轴偏转面绕X轴偏转9...

【专利技术属性】
技术研发人员：康子纯，
申请(专利权)人：康子纯，
类型：发明
国别省市：