關(guān)于一種環(huán)形3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用的研究

謝維昌

（江西省吉安市白鷺洲中學(xué)，吉安 343000）

3D打?。?D Printing），即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。 三維打印 意味著這項(xiàng)技術(shù)的普及。三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來就已經(jīng)得到了極大的增長，其價(jià)格也正逐年下降。其不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同的打印精度和打印效率。本文的目的是針對(duì)以上問題，提供一種環(huán)形3D打印機(jī)，設(shè)計(jì)有多個(gè)打印頭，可協(xié)同工作提升打印效率；同時(shí)打印精度大大提高。

本設(shè)計(jì)是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種環(huán)形3D打印機(jī)，包括底座和安裝在底座上并可上下升降的升降臺(tái)；其特征在于：底座通過底座外圍的若干下支柱向上連接外環(huán)，外環(huán)再通過若干上支柱連接內(nèi)環(huán)；外環(huán)的內(nèi)側(cè)面上設(shè)置有定位齒，外環(huán)上部外側(cè)設(shè)有環(huán)形槽內(nèi)；若干外環(huán)卡接頭裝在外環(huán)上，每個(gè)外環(huán)卡接頭下部分別設(shè)置有外環(huán)滾輪和軌道輪，每個(gè)外環(huán)卡接頭上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)軌道輪轉(zhuǎn)動(dòng)的打印臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，軌道輪和外環(huán)上的定位齒相嚙合，外環(huán)滾輪裝在外環(huán)上部外側(cè)的環(huán)形槽內(nèi)；每個(gè)外環(huán)卡接頭分別連接一個(gè)打印臂，打印臂的另一端依次連接軸向滾輪、徑向牽制輪，軸向滾輪緊貼內(nèi)環(huán)內(nèi)壁，徑向牽制輪裝設(shè)在內(nèi)環(huán)上端面上；每個(gè)打印臂上安裝一個(gè)打印頭，打印頭上裝有物料擠出電機(jī)和打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)，打印頭下部設(shè)置打印噴嘴，打印頭在打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能在打印臂上沿著外環(huán)的徑向方向上移動(dòng)。

進(jìn)一步的，上述的環(huán)形3D打印機(jī)，所述的升降臺(tái)為圓形平面結(jié)構(gòu)，升降臺(tái)周緣上均勻設(shè)置三個(gè)平臺(tái)螺母，每個(gè)平臺(tái)螺母套接在豎直方向的絲桿上，絲桿下部通過聯(lián)軸器裝在升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定裝在底座內(nèi)。

進(jìn)一步的，上述的環(huán)形3D打印機(jī)，所述的打印頭下部設(shè)有超聲波模塊，超聲波模塊的超聲波發(fā)射方向與水平面垂直。打印頭通過超聲波模塊向下檢測與升降臺(tái)的距離，從而判斷升降臺(tái)是否處于水平位置。

本設(shè)計(jì)的工作原理是：打印臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)打印臂在水平的圓周方向上運(yùn)動(dòng)，而打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)打印頭在外環(huán)的徑向方向運(yùn)動(dòng)。升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)（載物面）上下移動(dòng)。工作時(shí)，打印臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照指定路線移動(dòng)，同時(shí)物料擠出電機(jī)將打印料擠出。利用 熔積成型（FDM）技術(shù)，打印頭內(nèi)熔化塑料，通過沉積塑料纖維的方式形成薄層。

其特征在于：（1）所述的升降臺(tái)為圓形平面結(jié)構(gòu)，升降臺(tái)周緣上均勻設(shè)置三個(gè)平臺(tái)螺母，每個(gè)平臺(tái)螺母套接在豎直方向的絲桿上，絲桿下部通過聯(lián)軸器裝在升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定裝在底座內(nèi)。（2）所述的打印頭下部設(shè)有超聲波模塊，超聲波模塊的超聲波發(fā)射方向與水平面垂直。

圖1為本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1

圖2為本設(shè)計(jì)的俯視圖。

圖2

圖3為本設(shè)計(jì)打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3

在圖中，1.底座，2.升降臺(tái)，3.下支柱，4.外環(huán)，5.上支柱，6.內(nèi)環(huán)，7.外環(huán)卡接頭，8.打印臂，9.軸向滾輪，10.徑向牽制輪，11.定位齒，12.軌道輪，13.外環(huán)滾輪，14.打印臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，15.打印頭，16.打印噴嘴，17.物料擠出電機(jī)，18.打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)，19.升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)，20.聯(lián)軸器，21.絲桿，22.平臺(tái)螺母，23.超聲波模塊。

具體實(shí)施方式

如圖1-3所示，一種環(huán)形3D打印機(jī)，包括底座1和安裝在底座1上并可上下升降的升降臺(tái)2；底座1通過底座1外圍的4根下支柱向上連接外環(huán)4，外環(huán)4再通過4根上支柱連接內(nèi)環(huán)6；外環(huán)4的內(nèi)側(cè)面上設(shè)置有定位齒11，外環(huán)4的上部外側(cè)設(shè)有環(huán)形槽內(nèi)；3個(gè)外環(huán)卡接頭7裝在外環(huán)4上，每個(gè)外環(huán)卡接頭7下部分別設(shè)置有外環(huán)滾輪13和軌道輪12，每個(gè)外環(huán)卡接頭7上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)軌道輪轉(zhuǎn)動(dòng)的打印臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)14，軌道輪12和外環(huán)4上的定位齒11相嚙合，外環(huán)滾輪13裝在外環(huán)4上部外側(cè)的環(huán)形槽內(nèi)；每個(gè)外環(huán)卡接頭7分別連接一個(gè)打印臂8，打印臂8的另一端依次連接軸向滾輪9、徑向牽制輪10，軸向滾輪9緊貼內(nèi)環(huán)6的內(nèi)壁上，徑向牽制輪10裝設(shè)在內(nèi)環(huán)6的上端面上；每個(gè)打印臂8上安裝一個(gè)打印頭15打印頭15上裝有物料擠出電機(jī)17和打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)18，打印頭15下部設(shè)置打印噴嘴16，打印頭15在打印頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)18的驅(qū)動(dòng)下能在打印臂8上沿著外環(huán)4的徑向方向上移動(dòng)。

所述的升降臺(tái)2為圓形平面結(jié)構(gòu)，升降臺(tái)2的周緣上均勻設(shè)置三個(gè)平臺(tái)螺母22，每個(gè)平臺(tái)螺母22套接在豎直方向的絲桿21上，絲桿21下部通過聯(lián)軸器20裝在升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)19上，升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)19固定裝在底座1內(nèi)。

所述的打印頭15下部設(shè)有超聲波模塊23，超聲波模塊23的超聲波發(fā)射方向與水平面垂直。打印頭15通過超聲波模塊23向下檢測與升降臺(tái)2的距離，從而判斷升降臺(tái)2是否處于水平位置。

這樣設(shè)計(jì)制造的環(huán)形3D打印機(jī)新型又實(shí)用，可以從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用：（1）可以定位坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系，解決直角坐標(biāo)系打印機(jī)打印曲面難度大的問題；（2）支持多打印頭協(xié)同工作，解決傳統(tǒng)3D打印機(jī)效率低的問題；（3）打印精度大大提高，解決傳統(tǒng)3D打印機(jī)精度低的問題；（4）空間利用率提高，解決傳統(tǒng)3D打印機(jī)占地空間大的問題。上所述是本文的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本文原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新的范圍。