本發(fā)明屬于3d打印制造領(lǐng)域，涉及一種基于熔融沉積原理的四軸聯(lián)動3d打印裝置。

背景技術(shù)：

近年來，3d打印制造技術(shù)作為一種新興的制造成型技術(shù)，具有成型周期短、易于成型復(fù)雜多樣的空間結(jié)構(gòu)、便于個性化制造、節(jié)省材料和操作簡單等諸多優(yōu)點，發(fā)展十分迅速。憑借其“增材制造”的獨特優(yōu)勢，在航空航天、模具制造和生物醫(yī)療工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適用于醫(yī)療器械個性化制造。但是，傳統(tǒng)的3d打印裝置只有xyz三個方向的平動，在打印成型氣管和管支架這類管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時需添加大量輔助支撐材料，不僅降低了成型效率，而且去支撐材料工序繁瑣，會造成表面質(zhì)量和尺寸精度下降。為了克服上述問題，需要對3d打印機運動機構(gòu)進行改進，在已有的笛卡爾式三軸運動基礎(chǔ)上增加a軸運動，實現(xiàn)四整機四軸聯(lián)動；提供一種以整圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)的a軸表面作為成型平臺，打印過程中無需添加任何支撐結(jié)構(gòu)的3d打印裝置，對成型打印各類管網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種是基于熔融沉積技術(shù)的四軸聯(lián)動3d打印裝置，打印裝置以整圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)的a軸表面作為成型平臺，其打印工作區(qū)域采用可拆卸軸套方式。能夠十分方便制備出復(fù)雜管網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)，省去打印時添加大量輔助支撐結(jié)構(gòu)及后期去除處理等復(fù)雜操作過程，節(jié)省了打印材料，從而能有效提高了試件打印的管網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)的成型率和表面質(zhì)量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于熔融沉積原理的四軸聯(lián)動3d打印裝置，其特征是，打印裝置由機架4、打印噴頭組件、控制組件、x軸驅(qū)動組件、y軸驅(qū)動組件、z軸驅(qū)動組件和a軸驅(qū)動組件組成；

所述打印噴頭組件包括擠出步進電機10、擠出頭15、固定架14、散熱風(fēng)扇16和兩根直線導(dǎo)軌22；擠出頭15內(nèi)部裝有加熱棒和溫度傳感器；固定架14外部兩端裝有散熱風(fēng)扇16，內(nèi)部垂直布有兩個滑動軸承，裝在兩根直線導(dǎo)軌上22；導(dǎo)軌兩端分別固定在x、y軸的滑塊13上；為減輕打印噴頭裝置重量，擠出步進電機10裝在了機架4后側(cè)面，為擠出頭15送料；

所述控制組件包括主控板、旋轉(zhuǎn)按鈕1、顯示屏2和sd卡槽3；主控板裝在機架4底部，旋轉(zhuǎn)按鈕1和顯示屏2裝在機架4正面下側(cè)；

所述x軸驅(qū)動組件包括x向步進電機18、a同步帶齒輪25、a同步齒帶24、b同步帶齒輪25、b同步齒帶26、傳動直線導(dǎo)軌11和滑塊13，所述x向步進電機18安裝在機架4上，a同步帶齒輪25安裝在x向步進電機18的電機軸上，傳動直線導(dǎo)軌11的一端裝有b同步帶齒輪25，a同步帶齒輪25和b同步帶齒輪25通過a同步齒帶24連接；兩根傳動直線導(dǎo)軌11在同一平面內(nèi)平行x向放置，傳動直線導(dǎo)軌11兩端均裝有b同步帶齒輪25；兩根直線導(dǎo)軌之間通過位于兩端的兩根b同步帶26連接；兩根b同步帶26上都固定有滑塊13；

所述y軸驅(qū)動組件包括y向步進電機12、a同步帶齒輪25、a同步齒帶24、b同步帶齒輪25、b同步齒帶26、傳動直線導(dǎo)軌11和滑塊13，其各部件間裝配關(guān)系與x軸驅(qū)動組件相同；

所述z軸驅(qū)動組件包括z向步進電機27、兩根z軸19、z向絲桿17、升降平臺20及z向絲母；z向步進電機27通過螺栓固定在機架4底部，與z向絲桿17一端相連接，升降平臺20內(nèi)裝有z向絲母套裝在z向絲桿17上，升降平臺20與z軸19滑動連接，z軸19安裝在機架4上；兩根z軸19與z向絲桿17相平行且均豎直布置；

所述a軸驅(qū)動組件中，a軸步進電機8通過若干均布緊固螺釘連接到a軸電機支架7上，通過聯(lián)軸器9與a軸5一端連接，為整個a軸裝置的旋轉(zhuǎn)提供動力；a軸5一端與帶座軸承6配合，并采用軸肩定位；a軸5外部與軸套28配合，為方便實現(xiàn)不同內(nèi)徑支架的成型制造，軸套28為內(nèi)徑相同，但外徑不同有一系列尺寸供選擇；a軸5內(nèi)部裝有加熱棒31和熱敏電阻傳感器32；滑環(huán)33固定在a軸5另一端內(nèi)部，將軸內(nèi)加熱電路導(dǎo)線引出與控制組件連接；平板21與升降平臺20之間部有三個彈簧29，調(diào)平螺釘30穿過彈簧29連接平板21和升降平臺20，用于調(diào)節(jié)平板21的水平度；a軸電機支架7和帶座軸承6通過內(nèi)六角螺栓固定在平板21上。

本發(fā)明有益效果是克服了傳統(tǒng)的3d打印機制造類似管網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)模型需添加繁瑣輔助支撐結(jié)構(gòu)，從而造成成型困難和結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量差等問題。打印裝置能夠十分方便制備出薄壁管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，打印過程中無需添加任何輔助支撐結(jié)構(gòu)，進而簡化了后處理等復(fù)雜操作過程，節(jié)省了打印材料，并有效提高了試件打印的成型率和表面質(zhì)量，對實現(xiàn)薄壁管網(wǎng)狀支架以及其他特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有重大意義。本發(fā)明中a軸裝置控制靈活、安裝拆卸簡便、通過更換不同外徑軸套能成型一系列內(nèi)徑的試件，簡單實用易于操作和推廣，提高結(jié)構(gòu)打印的工作效率。

附圖說明

附圖1為3d打印裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2為3d打印裝置去掉機架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，附圖3為3d打印裝置的a軸裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、旋轉(zhuǎn)按鈕；2、顯示屏；3、sd卡槽；4、機架；5、a軸；6、帶座軸承；7、a軸電機支架；8、a軸步進電機；9、連軸器；10、擠出步進電機；11、傳動直線導(dǎo)軌；12、y向步進電機；13、滑塊；14、固定架；15、擠出頭；16、散熱風(fēng)扇；17、z向絲桿；18、x向步進電機；19、z軸；20、升降平臺；21、平板；22、直線導(dǎo)軌；23、a同步帶齒輪；24、a同步齒帶；25、b同步帶齒輪；26、b同步齒帶；27、z向步進電機；28、軸套；29、彈簧；30、調(diào)平螺釘；31、加熱棒；32、熱敏電阻傳感器；33、滑環(huán)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案，通過具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

附圖1、附圖2為3d打印裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，附圖3為3d打印裝置的a軸裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，打印裝置由機架、打印噴頭組件、控制組件、x軸驅(qū)動組件、y軸驅(qū)動組件、z軸驅(qū)動組件和a軸驅(qū)動組件組成；控制組件協(xié)調(diào)控制x軸、y軸、z軸驅(qū)動組件的運動，從而實現(xiàn)打印噴頭組件在x和y方向上水平移動和z向的上下運動。a軸表面作為打印工作平臺可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向可變得整圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，整個a軸裝置可在z軸方向上下運動，從而實現(xiàn)了整個裝置的四軸聯(lián)動。

打印噴頭組件由擠出步進電機10、擠出頭15、固定架14、散熱風(fēng)扇16和兩根直線導(dǎo)軌22組成；擠出頭15內(nèi)部裝有加熱棒和溫度傳感器；為減輕打印噴頭裝置重量，擠出步進電機10裝在機架4后側(cè)面，為擠出頭送料。

控制組件包括主控板、旋轉(zhuǎn)按鈕1、顯示屏2和sd卡槽3；主控板裝在機架4底部，旋轉(zhuǎn)按鈕1和顯示屏2裝在機架4正面下側(cè)?？刂平M件通過比例-積分-微分控制a軸驅(qū)動組件中的由加熱棒和熱敏電阻傳感器組成的溫控系統(tǒng)，可保證a軸表面精確保持在恒定溫度，提高零件成型率和質(zhì)量。

x軸驅(qū)動組件由x向步進電機18、a同步帶齒輪25、a同步齒帶24、b同步帶齒輪25、b同步齒帶26、傳動直線導(dǎo)軌11和滑塊13組成，由x向步進電機驅(qū)動3d打印裝置完成x向的運動。

y軸驅(qū)動組件包括y向步進電機12、a同步帶齒輪25、a同步齒帶24、b同步帶齒輪25、b同步齒帶26、傳動直線導(dǎo)軌11和滑塊13，其各部件間裝配關(guān)系與x軸驅(qū)動組件相同。

z軸驅(qū)動組件由z向步進電機27、兩根z軸19、z向絲桿17、升降平臺20及z向絲母組成，由z向步進電機27驅(qū)動打印裝置完成z向上下運動。

所述a軸驅(qū)動組件由平板21、彈簧29、電機支架7、a軸步進電機8、連軸器9、a軸5、軸套28、帶座軸承6、加熱棒31、熱敏電阻傳感器32和滑環(huán)33、調(diào)平螺釘30構(gòu)成。電機支架7和帶座軸承6通過內(nèi)六角螺栓固定在平板21上；a軸步進電機8通過若干均布緊固螺釘連接到電機支架7上，a軸步進電機8通過聯(lián)軸器9與a軸5一端連接，為整個a軸裝置的旋轉(zhuǎn)提供動力；a軸5一端與帶座軸承6配合，并采用軸肩定位；a軸打印工作區(qū)域外部可與軸套緊密配合；a軸內(nèi)部裝有加熱棒和熱敏電阻傳感器；滑環(huán)33固定在a軸5的另一端內(nèi)部，將軸內(nèi)加熱電路導(dǎo)線引出與控制組件連接。

a軸驅(qū)動組件中軸套可拆換，具有內(nèi)徑相同但外徑不同一系列軸套可供選擇，方便實現(xiàn)不同內(nèi)徑的管狀結(jié)構(gòu)模型的成型制造。

本實例中采用直徑為10mm的a軸外配合外徑12mm的軸套28，在其表面打印成型了內(nèi)徑為12mm、厚度為0.8mm，長度為35mm的類似生物可降解血管支架bvs1.1的結(jié)構(gòu)。

首先在計算機中完成內(nèi)徑為12mm、厚度為0.8mm，長度為35mm的血管支架三維建模，將生成的三維模型導(dǎo)入到相應(yīng)的切片軟件中進行切片處理和加工軌跡規(guī)劃；選取默認線材類型，此處選用聚乳酸(pla)材料，設(shè)定擠出頭15工作溫度為227℃，a軸5工作溫度設(shè)定為60℃，設(shè)定散熱風(fēng)扇16轉(zhuǎn)速，生成gcode格式文件；

其次，將直徑為12mm、長度為40mm的軸套28與a軸5裝配，開啟3d打印裝置電源，打印裝置進入預(yù)設(shè)程序，完成手動打印線材安裝，并通過旋轉(zhuǎn)升降平臺20上的調(diào)平螺釘30，調(diào)整a軸裝置水平；將生成的gcode文件導(dǎo)入到sd存儲卡中，后插入到控制板的sd卡槽3中進行三維模型數(shù)據(jù)讀??；通過控制組件的旋轉(zhuǎn)按鈕1，依照顯示屏2內(nèi)容選取待打印文件；

然后，對打印裝置進行x、y、z和a軸進行歸零，設(shè)定打印坐標(biāo)原點；擠出頭15和a軸5進入預(yù)加熱階段；待擠出頭15和a5軸達到指定工作溫度后，主控板讀取下行g(shù)代碼，在x向驅(qū)動步進電機18、y向驅(qū)動步進電機12和z向驅(qū)動步進電機27聯(lián)合運動下，擠出頭15和a軸5到達第一打印層的起始位置；

該打印機裝置工作時，將打印材料熱熔后通過擠出頭15擠出，同時散熱風(fēng)扇16轉(zhuǎn)動，為擠出頭散熱；擠出頭15與a軸5表面初始距離設(shè)定為0.2～0.3mm，保證熔融后的打印材料能夠粘結(jié)于a軸表面上。

主控板控制送料擠出步進電機10以預(yù)定速度向擠出頭15進料，經(jīng)打印噴頭裝置加熱到后擠出。首先在a軸打印區(qū)域外進行材料熔融后的實際擠出速度調(diào)整，待熔融材料以穩(wěn)定速度從擠出頭擠出后，開始進入核心打印階段；

在該階段，主板通過不斷讀取sd卡中文件的加工代碼，在對e向驅(qū)動步進電機10、x向驅(qū)動步進電機18、z向驅(qū)動步進電機27和a向驅(qū)動步進電機8的聯(lián)合驅(qū)動下，逐層完成打印。

打印完成后，擠出步進電機10停止送料，整體a軸裝置在z向驅(qū)動步進電機27的驅(qū)動下下降到z軸零點，x軸和y軸也相繼歸為至零點，擠出頭15停止加熱，通過散熱風(fēng)扇16降溫。a軸裝置也停止加熱，在室溫下冷卻。

打印裝置以整圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)的a軸表面作為成型平臺，其打印工作區(qū)域采用可拆卸軸套方式，能夠十分方便制備出薄壁管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并有效提高了試件打印的成型率和表面質(zhì)量。