一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构制造技术

本发明专利技术属于3D打印领域，并具体公开了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；所述挤出系统包括多喷嘴组件，该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗，所述打印喷嘴的直径各不相同。本发明专利技术将建模软件与机械臂相结合，同时对多喷嘴组件进行设计，实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整，同时提高了打印精度和打印速度。

A single time multi material 3D printing mechanism based on Manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构
本专利技术属于3D打印领域，更具体地，涉及一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构。
技术介绍
3D打印是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术，3D打印技术在工业机械、航空航天等行业已经得到广泛应用。3D混凝土打印技术还不成熟，远没有达到可以全面推广阶段。建筑领域内，由于材料和尺寸等方面的因素，常见的挤出式3D打印机仅包括单个喷嘴，单次打印一种材料，存在打印速度慢、打印材料单一等问题。张自强等在深入研究3D打印机工作机理的基础上，充分考虑现有挤出机构在成型精度及成型速度等方面的问题，对3D打印机挤出机构进行了设计改进，建立了新型三喷嘴挤出机构模型，通过三维造型软件进行虚拟设计从而得到最优设计模型。覃亚伟等针对建筑3D打印工艺中的挤出固化打印技术，集成数控技术、机械技术、计算机技术等设计研制出新型混凝土3D打印装置，该装置由控制机构、XYZ运动机构、挤出机构、数据处理机构等模块组成，具备良好的集成控制功能，可完成建筑信息模型的实体化建造。吴少泓等提出了一种控制非同步多喷嘴协同打印的方法，该方法包括步骤：主机打印引擎程序产生打印数据和控制信息，并分开传输给打印主板控制器。打印数据通过打印主板控制器的数据通道进入打印主板控制器中的命令解析和数据分发模块，命令解析和数据分发模块将各喷嘴的打印数据分发至各自的第一级缓冲FIFO中，然后经内存控制器的读写仲裁后保存于内存SDRAM的独立数据区内，随着各喷嘴触发信号的到达，向内存控制器请求读出的打印数据暂存于各喷嘴的第二级缓冲FIFO中，最后由各喷嘴驱动模块发送至喷嘴。沈洪垚等提出了一种多机器人协同三维打印方法，包括：(1)使用四台三轴机械臂作为协同三维打印设备，确定机械臂放置位置；(2)根据机械臂参数从开源打印软件中导出三维模型的G代码文件，按照打印时间一致准则用分割线将其分割为四个独立的G代码文件；(3)以机械臂末端执行器为参考设定机械臂的干涉尺寸，将每个独立的G代码文件分为安全区与干涉区；(4)设定机械臂执行打印任务时的调度准则，保证同一时刻最多只能有一台机械臂在干涉区内进行打印工作；(5)按照调度准则逐层打印三维模型。通过该专利技术可提高多机器人协同打印的效率。但是上述方法都无法同时进行多种建筑材料的3D打印，存在打印速度慢、效率低、效果差的问题，故亟需一种可单次打印多材料的多喷嘴3D打印机构及方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其目的在于，将建模软件与机械臂相结合，赋予数据处理系统、控制系统、动力系统和挤出系统整体新功能，同时对多喷嘴组件进行设计，实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整，从而保证同一移动速率下同时打印不同材料的效果最优。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；所述挤出系统包括多喷嘴组件，该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗，所述打印喷嘴的直径各不相同。作为进一步优选的，所述数据处理系统包括“移动速率-材料种类-喷嘴直径区间”匹配数据库，通过向该匹配数据库输入移动速率和材料种类获取喷嘴直径区间，进而确定各个打印喷嘴的直径。作为进一步优选的，所述动力系统包括多个直接动力单元，该直接动力单元与所述单喷嘴单元一一对应；所述直接动力单元包括相连接的电机与蜗杆，所述电机带动蜗杆实现材料从所述储料斗到打印喷嘴的输送。作为进一步优选的，所述打印喷嘴出口处设有打印喷嘴开关，该打印喷嘴开关由所述控制系统控制，用于自动开关打印喷嘴，以防止材料溢出。作为进一步优选的，所述储料斗与所述打印喷嘴外壁倾斜角度为45°。作为进一步优选的，所有所述打印喷嘴固定在同一直管上，该直管固定在所述机械臂上。作为进一步优选的，所述储料斗通过输料管与所述打印喷嘴连接，且所述储料斗与输料管之间，以及所述输料管与打印喷嘴之间均设有连接套管。作为进一步优选的，所述储料斗内设置有搅拌器和除尘软管，所述搅拌器用于对储料斗内材料进行搅拌，所述除尘软管用于排出储料斗内的灰尘。作为进一步优选的，所述打印喷嘴采用不锈钢材料制成。作为进一步优选的，所述单喷嘴单元的个数为3～5个。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术将建模软件与机械臂相结合，赋予数据处理系统、控制系统、动力系统和挤出系统整体新功能，同时对多喷嘴组件进行设计，实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整，从而保证同一移动速率下同时打印不同材料的效果最优，即使打印精度和打印速度同时得到提高，通过使用本专利技术机构，可单次完成多种建筑材料构件的3D打印活动，并节省约1/3的人工劳动成本。2.本专利技术的多喷嘴组件提高了打印空间的使用效率，缩小打印工作区域的基础上大幅度增大打印范围；且多喷嘴同时打印可大幅度提升打印速度，在保证打印可靠性及精度的基础上简化建模难度，降低构建表面粗糙度；同时由于不同喷嘴出料时间差较短，不同材料凝固时间较为接近，材料之间结合效果更好，有利于提高打印构件的强度和精度。3.本专利技术的多个打印喷嘴直接固定在同一直管上，打印时不存在独立空间移动，可减小由于喷嘴间相对位置变化所产生的打印精度损失。4.本专利技术的储料斗、输料管、打印喷嘴之间均设有连接套管，保证连通的基础上安装拆卸简单，方便不同直径输料管与打印喷嘴的替换。5.本专利技术的储料斗可实现建筑材料的搅拌-挤出一体化，可保证其在较长时间内保持较好的材料性能；同时独立储料斗之间通过输料管将材料分别输送至相应喷嘴，可避免材料之间出现混合污染。附图说明图1为本专利技术实施例基于机械臂的单次多材料3D打印机构结构示意图；图2为本专利技术实施例控制系统结构示意图；图3为本专利技术实施例动力系统结构示意图；图4为本专利技术实施例挤出系统结构示意图；图5为本专利技术实施例基于机械臂的单次多材料3D打印工作流程图；图6为本专利技术实施例多喷嘴组件结构示意图；图7为本专利技术实施例储料斗结构示意图；图8为本专利技术实施例单喷嘴结构剖视图；图9为本专利技术实施例打印喷嘴开关放大图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电机，2-进料口，3-蜗杆，4-除尘软管，5-储料斗，6-输料管，7-直管，8-出料口，9-连接螺丝，10-打印喷嘴，11-打印喷嘴开关，12-旋转平台，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其特征在于，包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：/n所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；/n所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；/n所述挤出系统包括多喷嘴组件，该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗，所述打印喷嘴的直径各不相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其特征在于，包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：
所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；
所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；
所述挤出系统包括多喷嘴组件，该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗，所述打印喷嘴的直径各不相同。


2.如权利要求1所述的基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其特征在于，所述数据处理系统包括“移动速率-材料种类-喷嘴直径区间”匹配数据库，通过向该匹配数据库输入移动速率和材料种类获取喷嘴直径区间，进而确定各个打印喷嘴的直径。


3.如权利要求1所述的基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其特征在于，所述动力系统包括多个直接动力单元，该直接动力单元与所述单喷嘴单元一一对应；所述直接动力单元包括相连接的电机与蜗杆，所述电机带动蜗杆实现材料从所述储料斗到打印喷嘴的输送。


4.如权利要求1所述的基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其特征在于，所述打印喷嘴出...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆汉宾，张佳乐，龚翔宇，尹紫微，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42