一種桌面型3d印表機系統的製作方法
2023-05-16 03:00:46 5
一種桌面型3d印表機系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種桌面型3D印表機系統，包括中央控制器、溫度傳感器模塊、電機驅動模塊、電源和機械結構，所述機械結構包括底架、頂架、熱床工作檯、X軸裝置、Y軸裝置、Z軸裝置和擠出機裝置；所述底架上端放置有熱床工作檯，熱床工作檯下面前端放置電源，電源旁邊設置連接有中央控制器和電機驅動模塊，底架左右二端放置有Z軸裝置，Z軸裝置上端連接頂架，左端的Z軸裝置其上設有X軸裝置，右端的Z軸裝置其上設有擠出機裝置；所述溫度傳感器模塊內嵌在擠出機裝置內且和中央控制器連接。本發明的優點：該印表機使用方便，在一般場合下通過熱成型技術加工得到任何需要尺寸不超過熱床的塑料模型；精度高，成型快，體積小，自我複製能力強，綠色環保等優點。
【專利說明】一種桌面型3D印表機系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種印表機，具體涉及一種桌面型3D印表機系統。
【背景技術】
[0002]隨著現代科技的迅速發展，3D列印技術越來越成熟，以數字模型文件為基礎，運用可加熱融化塑料，通過逐層列印成型方式來構建物體的技術。過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型，現正逐漸用於一些產品的直接製造，意味著這項技術正在普及。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種桌面型3D印表機，使得在一般場合下通過熱成型技術加工得到任何需要尺寸不超過熱床的塑料模型。
[0004]本發明是這樣來實現的，一種桌面型3D印表機，包括用於加熱擠出頭的加熱棒、控制溫度和各個步進電機之間配合運動的中央控制器；用於加工一定尺寸的塑料模型、獲取擠出頭和熱床溫度的溫度傳感器模塊；用於接收中央控制器輸出的數字控制量並驅動電機運行的電機驅動模塊；用於為中央控制器和電機驅動模塊供電的電源；用於搭載各個物理設備的機械結構；其特徵在於:所述機械結構包括底架、頂架、熱床工作檯、X軸裝置、Y軸裝置、Z軸裝置和擠出機裝置；所述底架上端放置有熱床工作檯，Y軸裝置固定熱床且以Y軸裝置內的Y軸傳動光杆作為加工平臺，熱床工作檯下面前端放置電源，電源旁邊設置連接有中央控制器和電機驅動模塊，底架左右二端放置有Z軸裝置，Z軸裝置上端連接頂架，左端的Z軸裝置其上設有X軸裝置，右端的Z軸裝置其上設有擠出機裝置；所述溫度傳感器模塊內嵌在擠出機裝置內且和中央控制器連接，所述電機驅動模塊連接X軸裝置、Y軸裝置、Z軸裝置和擠出機裝置中的步進電機。
[0005]進一步的，所述底架由鋁合金型材和四個塑料固定件組成，其形狀為長方體結構，用8根2020鋁合金型材搭建，四個角用塑料固定件固定，每一個塑料固定件固定3根鋁合金型材，左下角塑料固定件上安裝有控制整個機械系統的總開關，底架中部用兩根2020鋁合金型材搭建起Z軸裝置運動的支撐。
[0006]進一步的，所述頂架由鋁合金型材和二個塑料固定件組成，所述頂架的二個塑料固定件通過鋁合金型材平行連接，二個塑料固定件下端分別連接Z軸裝置的Z軸傳動絲杆和2020鋁合金型材。塑料固定件豎直方向設計為三角支撐結構。
[0007]進一步的，所述Z軸裝置由二個Z軸固定件、二根Z軸傳動絲杆、二個Z軸步進電機和二個T型螺母組成，所述Z軸裝置中Z軸固定件通過鋁合金型材搭建在底架左右底端，左右二端的Z軸固定件固定Z軸步進電機，其上端分別連接2020鋁合金型材和Z軸傳動絲杆，所述Z軸傳動絲杆中間設置有T型螺母，所述Z軸固定件將Z軸步進電機固定在鋁合金型材上，豎直與平面設計為三角支撐結構，穩定性大大增強。
[0008]進一步的，所述X軸裝置由一個X軸固定件、二根X軸傳動光杆、一個X軸步進電機組成，所述X軸裝置中的X軸固定件固定在左端的Z軸傳動絲杆的T型螺母中和2020鋁合金型材的凹槽裡，X軸固定件一端平行連接二根X軸傳動光杆，另一端連接X軸步進電機。
[0009]進一步的，所述擠出機裝置由一個擠出機固定件和一個擠出機步進電機、冷卻喉管風扇、冷卻材料風扇、加熱鋁塊、散熱片、出料噴嘴、溫度傳感器模塊放置口、加料棒放置口、運料管和運料齒輪組成；所述擠出機裝置中的擠出機固定件固定在右端的Z軸傳動絲杆的T型螺母中和2020鋁合金型材的凹槽裡，擠出機固定件一端平行連接二根X軸傳動光杆，另一端連接擠出機步進電機，擠出機步進電機上設置有運料齒輪，通過運料管和冷卻喉管風扇、冷卻材料風扇連接，二個風扇上安裝有散熱片，冷卻喉管風扇下端安裝有出料噴嘴，冷卻喉管風扇一端連接加熱鋁塊，加熱鋁塊設置有溫度傳感器模塊放置口和加料棒放置口。
[0010]進一步的，所述擠出機固定件用於固定X軸光杆，Z軸螺母,擠出機電機和豎直方向的鋁合金型材以及一個傳動X軸皮帶的滾珠軸承。
[0011]進一步的，所述Y軸裝置由二個Y軸固定件、二根Y軸傳動光杆、一個Y軸步進電機組成，所述Y軸裝置中二個Y軸固定件用兩個M5螺釘固定在底架上的前端和後端的2020鋁合金型材上，後端的Y軸固定件中間固定連接Y軸步進電機，前端的Y軸固定件連接有帶衝孔的滾珠軸承，滾珠軸承用於皮帶的傳動，二根Y軸傳動光杆通過前端和後端的Y軸固定件連接固定，中間位置放置熱床工作檯。
[0012]進一步的，所述X軸傳動光杆和Y軸傳動光杆不在同一個平面上。
[0013]進一步的,所述X軸傳動光杆用皮帶傳動,運動由X軸步進電機通過拉動同步帶完成，皮帶的另一端通過固定在擠出機固定件上的滾珠軸承傳動，皮帶拉住擠出頭塑料件帶動擠出頭的運動，擠出機採用遠程送絲將材料送到擠出頭模塊。
[0014]進一步的，所述Y軸傳動光杆傳動由直線軸承完成,運動由步進電機通過拉動同步帶完成。
[0015]進一步的，所述Z軸傳動絲杆由兩個並聯的Z軸步進電機作為動力來源，T型螺母通過聯軸器固定在電機上，Z軸絲杆和頂架中的塑料固定件通過帶衝孔的滾珠軸承帶動。
[0016]進一步的，所述X軸固定件和擠出機電機固定件用於固定T型螺母，實現豎直方向的傳動，
進一步的，所述X軸固定件同時固定了豎直方向上的T型螺母和鋁合金型材，X軸步進電機和水平方向的兩根傳動光杆。
進一步的，所述電源用12V，20A開關電源，二個風扇採用12V工作電壓，電流為0.08A。
[0017]進一步的，所述中央控制器採用的是melzi控制器，所述控制器的微控制器為arduinol284p。
[0018]進一步的，所述步進電機採用42BYGH兩相混合式步進電機，步距精度為5%，最大靜力矩為0.55N.M0
[0019]進一步的，所述溫度傳感器規格為NTC 100K，阻值精度:±1%，使用溫度範圍:-40°C?+300°C，最大額定功率:45mW。
[0020]進一步的，所述擠出頭用一塑料件固定在X軸的光杆傳動上，擠出頭喉管嵌入到散熱片中，擠出頭採用採用雙風扇加熱模式，一個加熱喉管，一個加熱成型材料，雙風扇冷卻效果，冷卻喉管的風扇直接與電源相連豎直固定在散熱片上，冷卻材料的風扇與豎直方向上成70°角。[0021]進一步的，所述擠出頭喉管嵌入到4242散熱片中間。
[0022]所述PCB熱床尺寸為140mm*140mm。接12V，電流9.8A，隨著溫度升高，電流下降到
8.8A，為了平整度，熱床上面又加了一塊5_厚的普通玻璃。
[0023]本發明所述3D印表機的空間運動控制方案如下:
(I)將設計出的三圍模型進行從上到下切片，厚度可自由調節，但是厚度最大不能超多噴嘴的直徑。
[0024](2)每一片模型生成一組NC代碼，主要是XYE的坐標，期中XY坐標用於控制平面圖形的形成，E值為擠出機的擠出量。
[0025](3)每完成一層，Z軸自動加切片設置的高度，Z軸電機旋轉，通過絲杆將旋轉運動轉化為豎直方向上的運動，直線運動即為兩個左邊相減得到的值作為脈衝數據給步進，通過一個比例係數使得步進運動的距離為生成模型的距離，曲線運動是將曲線微分化為一段一段的直線坐標。這樣就完成了整個空間的控制。
[0026]本發明的優點:該印表機使用方便，在一般場合下通過熱成型技術加工得到任何需要尺寸不超過熱床的塑料模型；精度高，成型快，可以以最低的成本最短的周期幫助小型企業或者開發人員完成需要的設計。傳統製造技術及工匠技術使用限制有限，而對於3D印表機來可以加工生成任何想要的模型。就單位生產空間而言，3D印表機具有更高的優勢，體積小，自我複製能力強。對於傳統金屬加工或者數控而言，加工材料浪費量驚人，而對於3D印表機，由於自身成型原理就決定了它具有綠色環保的巨大優勢，不會像傳統加工業那樣加工零件需要浪費非常多的材料，3D印表機在模型加工的過程中是零浪費。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的結構示意圖。
[0028]圖2為本發明的X軸裝置結構圖。
[0029]圖3為本發明的Y軸裝置結構圖。
[0030]圖4為本發明的Z軸裝置結構圖。
[0031]圖5為本發明的擠出機結構圖。
[0032]圖6為本發明的擠出機固定件結構圖。
[0033]圖7為本發明的中央控制器和電機驅動模塊結構圖。
[0034]圖8為本發明的電源結構圖。
[0035]圖9為本發明的加熱鋁塊結構圖。
[0036]圖10為Z軸和X軸組合結構示意圖。
[0037]在圖中，1、底架，2、頂架，3、熱床工作檯，4、X軸裝置，5、Y軸裝置，6、Ζ軸裝置，7、擠出機裝置，8、鋁合金型材，9、塑料固定件，IO、總開關，11、X軸固定件，12、X軸傳動光杆，
13、X軸步進電機，14、Y軸固定件，15、Y軸傳動光杆，16、Y軸步進電機，17、Z軸固定件，18、Z軸傳動絲杆，19、Z軸步進電機，20、T型螺母，21、擠出機固定件，22、擠出機步進電機，23、冷卻喉管風扇，24、冷卻材料風扇，25、加熱鋁塊，26、散熱片，27、出料噴嘴，28、溫度傳感器模塊放置口，29、加料棒放置口，30、運料管，31運料齒輪，32、中央控制器，33、電機驅動模塊，34、電源。【具體實施方式】
[0038]以下結合【專利附圖】
【附圖說明】對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於限制本發明，凡是採用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護範圍。
[0039]如圖1-圖10所示，本發明是這樣來實現的，一種桌面型3D印表機，包括用於加熱擠出頭的加熱棒、控制溫度和各個步進電機之間配合運動的中央控制器32 ;用於加工一定尺寸的塑料模型、獲取擠出頭和熱床溫度的溫度傳感器模塊；用於接收中央控制器輸出的數字控制量並驅動電機運行的電機驅動模塊33 ;用於為中央控制器和電機驅動模塊供電的電源34 ;用於搭載各個物理設備的機械結構；其特徵在於:所述機械結構包括底架1、頂架2、熱床工作檯3、X軸裝置4、Y軸裝置5、Ζ軸裝置6和擠出機裝置7 ;所述底架I上端放置有熱床工作檯3，Y軸裝置5固定熱床且以Y軸裝置5內的Y軸傳動光杆15作為加工平臺，熱床工作檯3下面前端放置電源34，電源34旁邊設置連接有中央控制器32和電機驅動模塊33，底架I左右二端放置有Z軸裝置6，Z軸裝置6上端連接頂架2，左端的Z軸裝置6其上設有X軸裝置4，右端的Z軸裝置6其上設有擠出機裝置7 ;所述溫度傳感器模塊內嵌在擠出機裝置7內且和中央控制器32連接，所述電機驅動模塊33連接X軸裝置4、Y軸裝置5、Z軸裝置6和擠出機裝置7中的步進電機。
[0040]進一步的，所述底架I由鋁合金型材8和四個塑料固定件9組成，其形狀為長方體結構，用8根2020鋁合金型材搭建，四個角用塑料固定件9固定，每一個塑料固定件9固定3根鋁合金型材8，左下角塑料固定件9上安裝有控制整個機械系統的總開關11，底架I中部用兩根2020鋁合金型材8搭建起Z軸裝置6運動的支撐。
[0041]進一步的，所述頂架2由鋁合金型材8和二個塑料固定件9組成，所述頂架2的二個塑料固定件9通過鋁合金型材8平行連接，二個塑料固定件9下端分別連接Z軸裝置6的Z軸傳動絲杆18和2020鋁合金型材9。塑料固定件9豎直方向設計為三角支撐結構。
[0042]進一步的，所述Z軸裝置6由二個Z軸固定件17、二根Z軸傳動絲杆18、二個Z軸步進電機19和二個T型螺母20組成，所述Z軸裝置6中Z軸固定件17通過鋁合金型材8搭建在底架I左右底端，左右二端的Z軸固定件17固定Z軸步進電機19，其上端分別連接2020鋁合金型材8和Z軸傳動絲杆18，所述Z軸傳動絲杆18中間設置有T型螺母20，所述Z軸固定件17將Z軸步進電機19固定在鋁合金型材8上，豎直與平面設計為三角支撐結構，穩定性大大增強。
[0043]進一步的，所述X軸裝置4由一個X軸固定件12、二根X軸傳動光杆13、一個X軸步進電機14組成，所述X軸裝置4中的X軸固定件12固定在左端的Z軸傳動絲杆18的T型螺母20中和2020鋁合金型材8的凹槽裡，X軸固定件12 —端平行連接二根X軸傳動光杆13,另一端連接X軸步進電機14。
[0044]進一步的，所述擠出機裝置7由一個擠出機固定件21和一個擠出機步進電機22、冷卻喉管風扇23、冷卻材料風扇24、加熱鋁塊25、散熱片26、出料噴嘴27、溫度傳感器模塊放置口 28、加料棒放置口 29、運料管30和運料齒輪31組成；所述擠出機裝置7中的擠出機固定件21固定在右端的Z軸傳動絲杆18的T型螺母20中和2020鋁合金型材8的凹槽裡，擠出機固定件21 —端平行連接二根X軸傳動光杆13，另一端連接擠出機步進電機22，擠出機步進電機22上設置有運料齒輪31，通過運料管30和冷卻喉管風扇23、冷卻材料風扇24連接，二個風扇上安裝有散熱片26，冷卻喉管風扇23下端安裝有出料噴嘴27，冷卻喉管風扇37 —端連接加熱鋁塊25，加熱鋁塊25設置有溫度傳感器模塊放置口 28和加料棒放置口 29。
[0045]進一步的，所述Y軸裝置5由二個Y軸固定件14、二根Y軸傳動光杆15、一個Y軸步進電機16組成，所述Y軸裝置5中二個Y軸固定件14用兩個M5螺釘固定在底架I上的ill端和後端的2020招合金型材8上,後端的Y軸固定件14中間固定連接Y軸步進電機16，前端的Y軸固定件14連接有帶衝孔的滾珠軸承，滾珠軸承用於皮帶的傳動，二根Y軸傳動光杆15通過前端和後端的Y軸固定件14連接固定，中間位置放置熱床工作檯3。
[0046]本發明原理如下:先通過計算機建模軟體建模，如果你有現成的模型也可以，比如動物模型、人物、或者微縮建築等等。然後通過sI ic 3r切片，將所得數據通過數據線傳輸到控制器上，3D印表機的工作原理和傳統印表機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、列印頭、耗材和介質等架構組成的，列印原理是一樣的。3D印表機主要是在列印前在電腦上設計了一個完整的三維立體模型，然後再進行列印輸出。
[0047]三維設計:
三維列印的設計過程是先通過計算機建模軟體建模，再將建成的三維模型「分區」成逐層的截面，即切片，從而指導印表機逐層列印。設計軟體和印表機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。
[0048]列印過程:
印表機通過讀取文件中的橫截面信息，用線狀直徑1.75mm的材料將這些截面逐層地列印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。
[0049]印表機打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的解析度是以dpi(像素每英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為200微米，即0.2毫米，也有部分印表機如Objet Connex系列還有三維Systems』 ProJet系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟雷射印表機相近的解析度。列印出來的「墨水滴」的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用三維列印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由印表機的性能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品，而三維列印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維印表機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。
【權利要求】
1.一種桌面型3D印表機系統，包括中央控制器、溫度傳感器模塊、電機驅動模塊、電源和機械結構；其特徵在於:所述機械結構包括底架、頂架、熱床工作檯、X軸裝置、Y軸裝置、Z軸裝置和擠出機裝置；所述底架上端放置有熱床工作檯，Y軸裝置固定熱床且以Y軸裝置內的Y軸傳動光杆作為加工平臺，熱床工作檯下面前端放置電源，電源旁邊設置連接有中央控制器和電機驅動模塊，底架左右二端放置有Z軸裝置，Z軸裝置上端連接頂架，左端的Z軸裝置其上設有X軸裝置，右端的Z軸裝置其上設有擠出機裝置；所述溫度傳感器模塊內嵌在擠出機裝置內且和中央控制器連接，所述電機驅動模塊連接X軸裝置、Y軸裝置、Z軸裝置和擠出機裝置中的步進電機。
2.根據權利要求1所述的一種桌面型3D印表機系統，其特徵在於:所述底架由鋁合金型材和四個塑料固定件組成，其形狀為長方體結構，用8根2020鋁合金型材搭建，四個角用塑料固定件固定，左下角塑料固定件上安裝有控制整個機械系統的總開關，底架中部用兩根2020鋁合金型材搭建起Z軸裝置運動的支撐。
3.根據權利要求1所述的一種桌面型3D印表機系統，其特徵在於:所述頂架由鋁合金型材和二個塑料固定件組成，所述頂架的二個塑料固定件通過鋁合金型材平行連接，二個塑料固定件下端分別連接Z軸裝置的Z軸傳動絲杆和2020鋁合金型材。
4.根據權利要求1所述的一種桌面型3D印表機系統，其特徵在於:所述Z軸裝置由Z軸固定件、Z軸傳動絲杆、Z軸步進電機和T型螺母組成，所述Z軸裝置中Z軸固定件通過鋁合金型材搭建在底架左右底端，左右二端的Z軸固定件固定Z軸步進電機，其上端分別連接2020鋁合金型材和Z軸傳動絲杆，所述Z軸傳動絲杆中間設置有T型螺母。
5.根據權利要求1所述的一種桌面型3D印表機系統，其特徵在於:所述X軸裝置由X軸固定件、X軸傳動 光杆、X軸步進電機組成，所述X軸裝置中的X軸固定件固定在左端的Z軸傳動絲杆的T型螺母中和2020鋁合金型材的凹槽裡，X軸固定件一端平行連接二根X軸傳動光杆，另一端連接X軸步進電機。
6.根據權利要求1所述的一種桌面型3D印表機系統，其特徵在於:所述Y軸裝置由Y軸固定件、Y軸傳動光杆、Y軸步進電機組成，所述Y軸裝置中二個Y軸固定件用螺釘固定在底架上的前端和後端的2020鋁合金型材上，後端的Y軸固定件中間固定連接Y軸步進電機，前端的Y軸固定件連接有帶衝孔的滾珠軸承，二根Y軸傳動光杆通過前端和後端的Y軸固定件連接固定，中間位置放置熱床工作檯。
【文檔編號】B29C67/00GK104015359SQ201410245138
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】張超, 帥晨, 唐翌晨, 李其申 申請人:南昌航空大學