立體列印式快速成形機的製作方法

2023-10-29 05:02:52

專利名稱：立體列印式快速成形機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種快速成形機，尤其涉及一種立體列印式快速成形機。
背景技術：
快速成形機能根據工件的三維計算機模型，一層一層地製作工件的每個截面，並且逐步地將這些截面疊加在一起，最後形成三維工件，而無需傳統的機械加工工具機與工模具。
目前，快速成形機有五大類，即雷射固化式(SLA)、雷射切紙式(LOM)、雷射燒結式(SLS)、熔融擠壓式(FDM)和立體列印式(TDP)。
其中，前三種(即SLA、LOM與SLS)存在的共同問題是1.機器成本高，這些快速成形機都必須配置雷射器，以及高性能的數控系統，因此機器成本高；2.運行成本高，這些快速成形機都要求特定性能的成形材料，因此使運行成本高；3.操作維護複雜，環境友好性差，這些快速成形機的結構較複雜、體積較大、對環境有一定的汙染，因此，不便於操作維護，特別不適合於辦公室使用。
後兩種(即FDM與TDP)快速成形機和前三種快速成形機相比，在成形件的大小、精度和強度等方面，可能有所差別，但是，它們不必配置昂貴的雷射器，結構較簡單，外形小巧，對環境無汙染，因此，成本較低，特別適合於辦公室使用，成為快速成形機的一種發展方向。
立體列印式(Three-Dimensional Printing，簡稱TDP，又稱三維列印式)快速成形機採用印表機的噴頭做成形頭，噴頭能噴射粘結劑，還能作X-Y平面運動，工作檯能作Z方向的垂直運動。機器工作時，在計算機的控制下，噴頭按照所需成形工件的截面輪廓信息，在工作檯上鋪好的一層層粉末材料(如特殊配方的澱粉、石膏粉或陶瓷粉等)上，有選擇性地噴射黏接劑，使部分粉末粘結，形成工件的截面輪廓。一層成形完成後，工作檯下降一截面層的高度，再進行下一層的粘結，如此循環，最終形成三維工件。立體列印式快速成形機可廣泛用於產品的設計校核，以及生物醫學工程領域，具有很好的應用前景。
圖1示出了現有技術的立體列印式快速成形機，採用活塞缸式供粉機構4，以及由鋪粉輥和刮刀構成的鋪粉機構6。活塞缸中的活塞由步進電機驅動，每成形完一層工件截面後，活塞上升，提升一層粉材5，輥輪和刮刀自左向右移動，將粉材鋪至成形活塞缸3的上方。然後，輥輪和刮刀自右向左移動，刮刀將已鋪設的粉材刮平。噴頭7再按照所需成形工件的截面輪廓的信息，在水平面上沿X方向和Y方向運動，並在鋪好的一層層粉末材料上，有選擇性地噴射黏接劑，粘結劑滲入部分粉材的微孔中並使其粘結，形成工件的截面輪廓。一層成形完成後，成形活塞缸3中的活塞下降一截面層的高度，再進行下一層的鋪粉與粘結，如此循環，直到完成最後一層的鋪粉與粘結，形成三維工件2。
上述現有立體列印式快速成形機對使用的粉材性能有特殊要求，機器結構不夠緊湊，銷售價格和運行費用仍然偏高，限制了進一步的推廣使用。

發明內容
本實用新型的目的在於解決上述問題，提供一種立體列印式快速成形機，其結構緊湊、成本較低、易於操作與維護、能均勻鋪粉和精確控制粉層的高度、便於推廣。
本實用新型的技術方案為一種立體列印式快速成形機，包括漏鬥式鋪粉裝置、輥式刮粉裝置、提升式加粉裝置、磁性工作檯和Z軸運動機構、X軸運動機構、噴頭與Y軸運動機構、餘粉回收裝置、可移動橫梁、機架及控制系統，其中，所述漏鬥式鋪粉裝置包括多棒形攪拌器、鋪粉刷、漏鬥、閘板、電磁鐵、擺杆、粉盒，以及兩個電動機。當兩個電動機旋轉和電磁鐵吸合時，粉盒中的粉材可以在攪拌器和銅絲刷的帶動下，通過漏鬥與閘板落至工作檯上。
所述輥式刮粉裝置包括刮粉輥及其驅動電動機、高度調節器和清除器，當電動機旋轉，並且，刮粉裝置由X軸運動機構帶動沿X軸反向移動時，由於刮粉輥的平動和轉動，可以使已經鋪設在工作檯板上的粉材均勻地刮平，並保證每次鋪設的粉材為設定的厚度。
所述提升式加粉裝置包括活塞、粉桶、兩套齒形皮帶傳動機構及其驅動電動機、刮板及其驅動電動機，以及水平調節器。當鋪粉裝置中的粉材不足時，活塞在電動機的驅動下，提升一定的高度，再藉助刮板的擺動，可將活塞上部的粉材添加至鋪粉裝置中。
所述磁性工作檯和Z軸運動機構包括可方便拆卸的鋁質工作檯板、鋁質固定板、固定磁性體、可移動導磁體及其移動機構、滾珠絲槓及其驅動電動機、滾珠導軌，以及缸體。在初始狀態下，工作檯板與固定板處於最上位置，當電動機旋轉時，通過滾珠絲槓傳動和滾珠導軌導向，工作檯板與固定板可在缸體中向下移動一定的高度，從而為鋪設新一層的粉材做準備。快速成形機工作時，工作檯板中的導磁體對準固定板中的磁性體，從而使工作檯板吸附在固定板上，二者不能相對運動。當工件成形完成後，將工作檯板上升，藉助導磁體的移動機構的移動，可以使工作檯板中的導磁體與固定板中的磁性體相互錯位，因此，能方便地從固定板上卸下工作檯板及其上的工件。從工作檯板取下工件後，可重新將工作檯板置於固定板之上，並使移動機構復位，從而再使工作檯板吸附在固定板上，為下一個工件的成形做準備。
所述X軸運動機構包括電動機、滾珠絲杆和直線導軌。此機構能驅動橫梁和安裝在其上的漏鬥式鋪粉裝置和輥式刮粉裝置，以及噴頭與Y軸運動機構沿X方向掃描運動，為鋪粉、刮粉或噴射粘結劑提供先決條件。
所述噴頭與Y軸運動機構包括噴頭、列印架及其驅動系統，這個機構採用現有噴墨印表機的部件。
所述餘粉回收裝置處於固定板孔隙的下方，用於收集固定板上多餘的粉材，所述機架為為框架形結構，用於支撐整個快速成形機。
所述控制系統是以可編程控制器為核心的數控系統，可以由外部計算機發出的指令控制。
本實用新型對比現有技術有如下的有益效果本實用新型將鋪粉裝置設計成漏鬥式的結構，使得鋪粉變得更均勻。通過輥式刮粉裝置保證每次鋪設的粉材為設定的厚度。提升式加粉裝置使得對鋪粉裝置添加粉材變得更方便。磁性工作檯使取卸工件更方便。本實用新型成形機的整體結構緊湊簡單，從而降低了製造成本，提高了機器的可操作性和可維護性。
上述漏鬥一輥輪式鋪粉與刮平機構的優點是，由於在刮平、壓實粉層時，噴頭處於刮粉輥運動方向的後方(見圖2A)，只要噴頭進入成形件的上方，就可開始噴射粘結劑，而不必等待刮平、壓實完成，即噴射和刮平、壓實的動作可同時進行，因此，能避免空行程，效率較高。


圖1是現有技術的立體列印式快速成形機的示意圖。
圖2A是本實用新型的立體列印式快速成形機較佳實施例的三維示意圖。
圖2B是本實用新型的立體列印式快速成形機較佳實施例的俯視圖。
圖3A～圖3C是圖2A所示實施例的漏鬥式鋪粉裝置的結構圖。
圖4A和圖4B是圖2A所示實施例的輥式刮粉裝置的結構圖。
圖5是圖2A所示實施例的提升式加粉裝置的結構圖。
圖6A和圖6B是圖2A所示實施例的Z軸運動機構和工作檯的結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。
請同時參見圖2A至圖2B，本實用新型的立體列印式快速成形機由漏鬥式鋪粉裝置29、輥式刮粉裝置27、提升式加粉裝置28、磁性工作檯65(圖6A示出)、Z軸運動機構22、X軸運動機構21、Y軸運動機構26、橫梁25、噴頭30、機架23、餘粉回收裝置24以及控制系統(未圖示)組成。
噴頭30設置在Y軸運動機構26上，可沿Y軸方向移動。漏鬥式鋪粉裝置29、輥式刮粉裝置27，以及噴頭30與Y軸運動機構26都固定在橫梁25上。而X軸運動機構21包括電動機20、滾珠絲槓18和直線導軌19。當電動機20轉動時，通過滾珠絲槓18的傳動和直線導軌19的導向，橫梁25和固定在其上的漏鬥式鋪粉裝置29、輥式刮粉裝置27，以及噴頭30與Y軸運動機構26可沿X軸方向掃描運動。
餘粉回收裝置24為一長方形桶狀結構，磁性工作檯65上多餘的粉材可以通過其左部的孔隙(未圖示)落至餘粉回收裝置24中。機架23為框架形結構，用於支撐整個快速成形機。
噴頭30與Y軸運動機構採用的是普通噴墨印表機的噴頭和列印架，用直流電動機通過齒形皮帶驅動和圓柱導軌導向。
本實用新型的立體列印式快速成形機的主要改進在於漏鬥式鋪粉裝置29、輥式刮粉裝置27、提升式加粉裝置28和磁性工作檯65。
請同時參見圖3A至圖3C，示出了漏鬥式鋪粉裝置的一個實施例。如圖3A所示，帶減速器的電動機33驅動多棒形攪拌器32，攪拌添加在粉盒31中的粉材(圖中未示出)，並使粉材落至旋轉的鋪粉刷35上，此刷由帶減速器的電動機34驅動。結合圖3B和圖3C，當粉盒31左右的兩個電磁鐵39吸合其中的銜鐵時，通過與銜鐵相連的兩個擺杆38的擺動，使閘板37向左移動。於是，由鋪粉刷35帶動的粉材，可以經過漏鬥36落至磁性工作檯65上。結合圖2A和圖6A，當漏鬥式鋪粉裝置29由X軸運動機構21帶動沿X軸正向移動時，粉材可以順利地鋪設在磁性工作檯65上。
請同時參見圖4A和圖4B，示出了輥式刮粉裝置的一個實施例。如圖4A所示，刮粉輥41由帶減速器的電動機42驅動。藉助高度調節器43可以調整刮粉輥41的高度及其水平狀況，因此能使刮粉輥41與磁性工作檯的工作檯板的上表面之間有精確、均勻的微小間隙。當輥式刮粉裝置27由X軸運動機構21帶動並沿X軸反向移動時，由於刮粉輥41的平動和轉動，可以使已經鋪設在工作檯板上的粉材均勻地刮平，並保證每次鋪設的粉材為設定的厚度(最小可達0.06mm)。如圖4B所示，在用泡沫材料做成的清除器44下端面的擦試作用下，附著在刮粉輥41上的餘粉可及時清除乾淨。
請參見圖5，示出了提升式加粉裝置的一個實施例。如圖5所示，帶減速器的電動機61通過齒形帶輪60、57和55，以及齒形皮帶59和52，可驅動活塞53上下運動。在初始狀態時，活塞53處於粉桶51的下端，其上加滿粉材(未圖示)。當漏鬥式鋪粉裝置中的粉材不足時，電動機61驅動活塞53向上移動一定的高度，使活塞53上部的粉材處於刮板54可作用的範圍。並且，由於帶減速器的電動機56的驅動，使刮板54沿逆時針方向擺動，從而將活塞53上部的一些粉材刮至漏鬥式鋪粉裝置中，以便彌補該裝置中粉材的不足。水平調節器58用於調整活塞的水平狀態。
請同時參見圖6A和圖6B，示出了磁性工作檯的一個實施例。如圖6A所示，當電動機62轉動時，通過滾珠絲槓64的傳動，在滾珠導軌63的導向下，工作檯65可在缸體66中上下運動。在初始狀態下，工作檯65處於最上位置，當電動機62旋轉時，通過滾珠絲槓64傳動和滾珠導軌63導向，工作檯65在缸體66中向下移動一定的高度，從而為鋪設新一層的粉材做準備。工作檯65的結構如圖6B所示，它由可方便拆卸的鋁質工作檯板68和鋁質固定板74組成。快速成形機工作時，由於嵌入固定板74中磁性體73對嵌入工作檯板68中導磁體70的吸引力，以及定位銷69的作用，工作檯板68與固定板74相對固定，可以在工作檯板68上鋪設粉材並成形工件(未圖示)。當工件成形完成後，驅動電動機62使工作檯板68上升至缸體66之上，用手向外拉分布在工作檯板68左右兩側的4個小手柄72，與小手柄72相連的導磁體70即隨之向外移動，脫離磁性體73的吸引力作用範圍，於是，能方便地從固定板74上取下工作檯板68及其上的工件。從工作檯板68上取下工件後，根據定位銷69的位置，將工作檯板68重新套在固定板74上，並向內按壓小手柄72，使導磁體70返回原位，從而處於磁性體73的吸引下，工作檯板68相對固定板74既不能移動也不能轉動，為下一個工件的成形做準備。
控制系統是以可編程控制器為核心的數控系統，可以由外部計算機發出的指令控制。
當控制系統開始運行時，鋪粉裝置首先沿X軸正方向移動，鋪粉刷轉動，閘板開啟，開始均勻漏粉。鋪粉完成後，鋪粉刷停止工作，閘板關閉，鋪粉裝置開始沿X軸反方向移動，刮粉輥轉動並隨鋪粉裝置移動而壓實粉末。刮粉步驟完成後關閉輥子驅動電動機，噴頭按先Y軸再X軸的掃描順序，噴射黏接劑，成形當前層面輪廓，當一層模型成形結束後，成形噴頭移至起始位置，工作平臺下降一層，再重複進行新一層的鋪粉、刮粉和噴灑黏接劑，如此循環，直到工件成形完畢。
上述實施例是提供給熟悉本領域內的人員來實現或使用本實用新型的，熟悉本領域的普通技術人員可在不脫離本實用新型的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本實用新型的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。
權利要求1一種立體列印式快速成形機，包括Z軸運動機構(22)、Y軸運動機構(26)、安裝所述Y軸運動機構(26)且可沿X軸方向水平移動的橫梁(25)、驅動所述橫梁(25)的X軸運動機構(21)、由所述Y軸運動機構(26)驅動且可沿Y軸水平移動的噴頭(30)、機架(23)和控制系統，其特徵在於，所述成形機還包括漏鬥式鋪粉裝置(29)，安裝在所述橫梁(25)上，包括粉盒(31)、所述粉盒(31)中的攪拌器(32)、與所述攪拌器軸連接的第一電動機(33)、設置在所述攪拌器(32)下方且可旋轉的鋪粉刷(35)、與所述鋪粉刷軸連接的第二電動機(34)、設置在所述鋪粉刷(35)下方的漏鬥(36)，所述粉盒(31)的左右兩側設有電磁鐵(39)，所述漏鬥(36)的漏嘴處緊貼一塊閘板(37)，所述閘板(37)的兩側上各連有一擺杆(38)，所述兩擺杆(38)的另一端各設置一塊銜鐵，所述電磁鐵(39)吸合所述銜鐵並帶動所述擺杆(38)的擺動，從而使所述閘板(37)能水平移動；輥式刮粉裝置(27)，安裝在所述橫梁(25)上，包括刮粉輥(41)、驅動所述刮粉輥(41)的電動機(42)、調整所述刮粉輥(41)高度和水平位置的高度調節器(43)；提升式加粉裝置(28)，安裝在所述機架(23)上，包括粉桶(51)、傳動機構、連接所述傳動機構的驅動電動機(61)、提升粉材的活塞(53)、水平調節器(58)、設置在裝置(28)頂部的刮板(54)及其驅動電動機(56)，所述刮板(54)在電動機(56)的驅動下擺動，傳動機構在電動機(61)的驅動下帶動活塞(53)提升至刮板(54)的擺動範圍內，活塞(53)上的粉材被擺動的刮板(54)移動至所述鋪粉裝置(29)中；磁性工作檯(65)，安裝在所述Z軸運動機構(22)上，包括工作檯板(68)、固定板(74)、嵌入在所述工作檯板(68)內部的導磁體(70)、嵌入在所述固定板(74)內部的磁性體(73)，所述導磁體(70)和磁性體(73)對準後所述工作檯板(68)吸附在所述固定板(74)上，所述導磁體(70)和磁性體(73)錯位後所述工作檯板(68)與固定板(74)分離，所述磁性工作檯(65)在Z軸運動機構(22)上沿Z軸上下移動。
2根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述漏鬥式鋪粉裝置(29)中，所述攪拌器(32)為多棒形攪拌器，所述鋪粉刷(35)為銅絲刷。
3根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述輥式刮粉裝置(26)還包括一清除器(44)，所述清除器(44)的下端面與所述刮粉輥(41)的側面相接觸，擦去附著在所述刮粉輥(41)上的餘粉。
4根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述提升式加粉裝置(28)中，所述傳動機構由齒形帶輪(55、57、60)和設置在齒形帶輪上的齒形皮帶(52、59)組成。
5根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述磁性工作檯(65)中，所述工作檯板(68)外側連有手柄(72)。
6根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述磁性工作檯(65)中，所述工作檯板(68)和固定板(74)上均設有定位銷(69)
7根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述X軸運動機構(21)由電動機(20)、滾珠絲槓(18)和直線導軌(19)組成。
8根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述噴頭(30)與Y軸運動機構(26)採用噴墨印表機的噴頭與列印架。
9根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述成形機還包括餘粉回收裝置(24)，所述固定板(74)上的多餘粉材通過開孔落至所述餘粉回收裝置(24)中。
10根據權利要求1所述的立體列印式快速成形機，其特徵在於，所述控制系統為可編程控制器為核心的數控系統。
專利摘要本實用新型公開了一種立體列印式快速成形機，包括漏鬥式鋪粉裝置、輥式刮粉裝置、提升式加粉裝置、磁性工作檯和Z軸運動機構、X軸運動機構、噴頭與Y軸運動機構、餘粉回收裝置、可移動橫梁、機架及控制系統。本實用新型的列印式快速成形機結構緊湊、簡單、成本低、易於操作與維護，能均勻鋪粉和精確控制粉層的高度。
文檔編號B41J2/01GK2936746SQ200620043618
公開日2007年8月22日 申請日期2006年7月4日 優先權日2006年7月4日
發明者王運贛, 李寶, 李曉燕, 王宣, 駱際煥, 郭書安, 唐明星, 羅春山 申請人:上海富奇凡機電科技有限公司