一种倒置结构的可折叠熔融沉积3D打印机的制作方法

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一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机
技术领域
1.本实用新型涉及一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机。

背景技术：

2.熔融沉积成型工艺(fdm)，这种3d打印技术利用高温将材料熔化成液态，通过打印头挤出再固化，最后排列成三物体。
3.fdm机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、构筑平台5 个部分。
4.将低熔点丝状材料通过加热块熔化成液体，送丝机构推入未融化丝材使喉管和喷头内形成压力，将已融化材料通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上并迅速凝固，每完成一层成型，工作台便远离喷头一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
5.fdm技术多用于快速原型制造，为产品研发阶段提供快速且便捷的样品和原型。目前的fdm 3d打印机都使用喷头在上构筑平台在下，融化的材料在重力、喷头内压力和喷嘴外表面挤压的共同作用下与构筑平台或已打印部分粘合。当层数较高时，高速移动和变向的喷头由于自身惯性极易引起结构振动，从而导致扫描喷丝路径有较大波动。且传统的立式挤出头喉管与喷头共线，喉管所连接的散热器需要在进料方向上有足够的距离为打印头散热，因此传统打印头在竖直方向占据了很大空间，对于小型化带来了很大难度，因此市面上绝大多数3d打印机都使用较大的金属框架。

技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题是：传统打印头在竖直方向占据了很大空间，对于小型化带来了很大难度；本实用新型提出一种倒置结构的可折叠熔融沉积 3d打印机，全新的fdm 3d打印机结构来完成小型化和可折叠的功能；所采用的技术方案如下：一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，包括方形底座、侧向进料的卧式打印头、方形构筑平台、运动机构和z向立柱，方形底座水平放置，运动机构设置在方形底座的两条对角线上，卧式打印头设置在运动机构上，方形构筑平台水平设置，方形构筑平台可拆卸式设置在z向立柱上，且悬于卧式打印头的上方，方形构筑平台在z向立柱上的位置可调，方形构筑平台与方形底座在水平面内的投影，对角线之间有45
°
的夹角。
7.本实用新型的3d打印机，是一种全新的fdm 3d打印机结构来完成小型化和可折叠的功能，且提高打印机的成型速度和精度。
8.对本实用新型技术方案的优选，方形底座为箱体结构，运动机构包括x方向滑轨、y方向滑轨以及xy方向滑轨驱动的步进电机，y方向滑轨设置在方形底座的一根对角线上，x方向滑轨设置在y方向滑轨上，卧式打印头设置在x方向滑轨上， xy方向滑轨驱动的步进电机设置于方形底座的内部，xy方向滑轨驱动的步进电机通过第一同步带联动同时带动x方
向滑轨和y方向滑轨运动。
9.对本实用新型技术方案的优选，z向立柱的末端通过滑动铰链件可折叠的设置在方形底座的一个转角处，z向立柱位于y方向滑轨的一端，滑动铰链件夹紧y 方向滑轨。
10.对本实用新型技术方案的优选，方形构筑平台装在v形支架上，v形支架可拆卸式设置在z向立柱上，方形底座的内部设置z向立柱的步进电机总成，并通过第二同步带带动v形支架沿z向立柱移动。
11.对本实用新型技术方案的优选，方形构筑平台通过磁吸接口与v形支架连接，并由v形支架上的螺栓和隔离柱定位。
12.对本实用新型技术方案的优选，方形构筑平台与方形底座均为正方体，且两者面积形状相同，拆卸折叠后可放入较小容器中，以达到节省体积的目的
13.对本实用新型技术方案的优选，倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机还包括显示屏，显示屏通过排针接口安装在方形底座上。
14.本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：
15.1、本实用新型的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，作为快速原型制造的工作母机，fdm 3d打印机的便携性和小型化都对于加速产品开发有重要意义。由于不同的打印机使用不同材料打印不同产品时，需要额外的重新编程和调试时间，且首次打印尝试不一定能获得预期效果，因此便携式3d打印机可以通过随身携带的特性在工作地点发生变更的情况下快速进行生产制造，且对于工作环境的要求相较于不可携带式打印机更为简单，只需电源和桌面，无需考虑平台的承重能力。
16.2、本实用新型的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，fdm 3d打印机在增材制造类机器中拥有最快的打印速度，所需耗材便宜易得拥有稳定大量的货源，价格较低且易于操作，因此有许多的学生和个人diy工作者将其作为制造原型乃至制造产品的首选。便携式3d打印机将为他们提供一台打印机在所有场合使用的选择，而无需在多个工作地点购置多台3d打印机且受制于多台打印机调试带来的时间成本增加。
附图说明
17.图1是本实施例的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机的结构示意图。
18.图2是本实施例中z向立柱和滑动铰链件的装配位置的结构示意图。
19.图3是本实施例中的方形构筑平台总成的结构示意图。
20.图4是本实施例中卧式打印头的挤出头的结构示意图。
21.图5是本实施例中卧式打印头的挤出头的剖视图。
22.图6是本实施例的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机的折叠后的结构示意图。
具体实施方式
23.下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。
24.为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-附图6和具体实施方式做进一步的描述。
25.实施例1：
26.如图1所示，一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，采用侧向进料的卧式打印头7，以降低打印头高度；通过倒置的方形构筑平台10和卧式打印头7的位置将运动机构和卧式打印头7集成在方形底座2上；通过单根z向立柱13连接的方形构筑平台10提升来完成竖直方向沉积。将方形底座2与方形构筑平台10成45度夹角放置，使运动机构的xy方向滑轨处于方形底座2的对角线上，最大程度利用方形底座2尺寸以达到最大构筑面积。
27.如图1所示，折叠时可将方形底座2与方形构筑平台10卸下收纳并将z向立柱 13倾倒折叠，通过磁吸接口分离方形构筑平台10和z向立柱13，使得整台打印机体积小于200mm x 200mm x 70mm。
28.常规的3d打印机是打印头在上，构筑平台在下，而本实施例技术方案是打印头在下，构筑平台在上，所以叫倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机。
29.如图1所示，一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其结构包括方形底座2前端连接显示屏1，显示屏1运行klipperscreen用于打印机状态显示和手动控制，显示屏通过排针接口安装在方形底座2上，与上位机树莓派通信。折叠时，拔下来放在方形底座2顶部。
30.如图1所示，方形底座2顶面固定x方向滑轨3-1和y方向滑轨3。y方向滑轨3 固定在方形底座2上，x方向滑轨3-1固定在y方向滑轨3上并可沿之滑动。卧式打印头7安装在x方向滑轨3-1的滑块上，方形底座2内部前端安装了驱动x方向滑轨 3-1和y方向滑轨3运动的两个步进电机4，两个步进电机4通过联动同步带6同时驱动x方向滑轨3-1和y方向滑轨3运动。方形底座2内部后端安装了z向立柱13的步进电机总成5，通过开口同步带8驱动安装在z向立柱13上的可拆卸的v形支架9上下移动。方形构筑平台10通过磁吸接口11与v形支架9上的线缆连接，并由可拆卸v 形支架9上的螺栓和隔离柱定位。z向立柱13通过滑动铰链件12与y方向滑轨3相连。方形构筑平台10和方形底座2都为正方形，组装完成后，俯视观察二者之间有45 度夹角，该设计可使卧式打印头7运动到滑轨尽头时喷头刚好可覆盖方形构筑平台10边缘；且方形构筑平台10和方形底座2由于面积形状相同，拆卸折叠后可放入较小容器中，以达到节省体积的目的。
31.如图2所示，与z向立柱13相连的滑动铰链件12包括y挡块14、左支撑板16、右支撑板17、立柱定位座15、立柱固定螺栓18、立柱型材19和z向滑轨20。
32.z向立柱13由立柱型材19和z向滑轨20组成，z向滑轨20固定在立柱型材19正面。立柱定位座15固定在方形底座2上，立柱固定螺栓18将z向立柱13固定在立柱定位座15背面，y挡块14固定在立柱定位座15顶部并与之一起夹紧y方向滑轨的一端。左支撑板16和右支撑板17固定在立柱型材19底部两侧，与y挡块14的弧面相接触。
33.如图6所示，折叠时旋下立柱固定螺栓18，z向立柱13、左支撑板16和右支撑板17成一个整体，将这个整体后拉，离开原来的安装位置，z向立柱13、左支撑板16和右支撑板17与立柱定位座15和y挡块14分离后，z向立柱13沿着14的弧面往前旋转倾倒，直至水平。
34.如图3所示，v形支架9末端连接有隔离柱24，螺栓25并通过隔离柱24定位方形构筑平台10。v形支架9通过快拆螺栓23固定在角连接件22上。角连接件22外部固定有定位块21，定位块21侧面连接开口同步带8的开口端。定位块21的外侧安装磁吸接口11，磁吸接口11连接方形构筑平台10。角连接件22与z向滑轨20上的滑块相连并通过开口同步带8驱动定位块21。
35.如图6所示，折叠时，向前抽出方形构筑平台10，磁吸接口11断开，旋下快拆螺栓23
并取下v形支架9，将v形支架9和构筑平台10放置在方形底座2上完成折叠。
36.如图1和3所示，本实施例的方形构筑平台10为带有加热功能的构筑平台，带有加热功能的构筑平台是本领域内的常规技术，构筑平台表面用于粘连打印件的起始层，构筑平台的加热功能可以使打印件的首层保持熔融或软化的状态以便材料与平台粘连，且构筑平台的材料应具有加热时易粘住材料而冷却时不粘连的特性，本领域技术人员已知。本实施例中采用的带有加热功能的构筑平台，贴有pi 电热膜的硼硅酸盐玻璃，硼硅酸盐玻璃作为构筑平台的结构和表面材料，在加热时与打印件粘连，pi电热膜贴于硼硅酸盐玻璃背面，同时构筑平台背面粘有温度传感器用于加热温度稳定和调节。
37.如图4和5所示，卧式挤出头为卧式打印头7的重要部件，包括喷头26、加热块27、管路块28、加热棒29、温度传感器30、温度传感器固定螺钉31、散热器32、喉管33、管接头34和软管35。
38.如图4和5所示，管接头34通过螺纹连接固定在散热器32尾部，软管35插入管接头34并锁定。喉管33安装在散热器32中孔内，软管35头部接入喉管33尾部的台阶孔内。喉管33头部的螺纹旋入加热块27侧面的螺纹孔内并顶紧管路块28。管路块28安装在加热块的台阶孔内，管路块28径向通孔与加热块27正面通孔对齐，在孔中装入加热棒29。喷头26通过螺纹连接固定在加热块27顶部螺纹孔内，喷头26 底部顶紧管路块28顶部的平面，且喷头26的中孔对齐管路块28的弯管出口。温度传感器30的探头安装在加热块27正面的盲孔中，并通过旁边的温度传感器固定螺钉31压紧。
39.如图4和5所示，本实施例的卧式挤出头，中管路块28为创新设计，一般打印机的挤出头中，喉管直接连接喷头，喷头与喉管同轴，送入和挤出耗材都是沿着 z方向。管路块28中的两个孔构成弯管，使喷头方向与喉管方向存在90度夹角，使耗材从x方向送入喉管33并从z方向经喷头26喷出，且管路块的通孔直接接触加热棒29，保证了耗材在管路块中也可以被加热，以避免耗材由于降温流动性下降在弯管处堵塞。该创新通过将软管35，管接头34，散热器32，喉管33水平放置，减小了打印头在z方向的尺寸。
40.丝状耗材由通过管接头34连接至散热器32的软管35送入打印头，经由嵌在散热器32中的喉管33送入管路块28，在管路块28中熔融的丝材通过弯管变向送入喷头26，由喷头26挤出成型。通过温度传感器固定螺钉31固定在加热块27上的温度传感器30与加热棒29实现了挤出头的自动调温，加热棒29产生的热量一部分直接传导至喷头26，管路块28和喉管33前半部分用来加热丝材使其融化，同时加热棒 29会使加热块27升温以保持挤出头温度足以融化大流量丝材。散热器32将与其连接的喉管33的后半部分降温，使喉管33后部温度小于丝材融化温度，使得丝材能在喉管33中通过挤压建立压力，同时丝材回抽时已融化部分能在喉管33后部重新凝固以降低喷头压力。
41.本实施例的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，电气部分跟现有打印机上的相同，本实施例中对电气部分不作详细说明。
42.本实施例的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，工作过程如下：
43.1.三维建模：在三维建模软件(solidworks，autocad，fusion360)中创建零件或装配体的三维模型，并保存为stl格式。
44.2.创建打印文件：在切片软件(ultimaker cura，simplified3d)中，打开模型文件(stl格式)，然后选择材，速度，加速度，温度，冷却，切片厚度，支撑，填充等切片参数。可在
切片参数设定完后进行对构建文件的程序代码直接编辑的后处理，对程序的特定部分进行替换或增加。然后选择一个模型的构建方向(z方向)，然后让软件完成其余的工作。软件会将模型划分为多个层，并为零件及其支撑结构创建构建路径。然后它会输出一个构建文件，该文件定义了精确的运动控制路径。最后将构建文件发送到3d打印机。
45.3.打印准备：架起零件材料盒，将材料丝送入挤出机。根据不同材料设定构筑平台和打印头的预热温度，等待其上升到工作温度。开启打印机并接收文件，从队列中选择文件，然后按机器的启动按钮。
46.4.打印过程：构筑平台下降到其起始位置，距从打印头突出的喷头0.1-0.2 毫米。打印头沿着xy滑轨移动，扫描出一条材料带。每层完成后，构筑平台改略微上升，为下一层让路。
47.过程特写：在熔融沉积成型过程中，每一层熔融塑料都沉积在前一层之上，并被挤出头稍微压平。这些层立即相互融合。
48.挤压细节：fdm精确度的秘诀在于进料速度和打印头运动的耦合。两者都在不断变化，不同宽度和高度的扁平材料带。挤出机将塑料细丝推入打印头的喉管和加热块部分。压力迫使塑料通过喷头的小孔，喷出的丝状材料被喷头和构筑平台挤压变成扁平带状。同时，打印头在打印时会加速和减速。随着打印头速度的变化，挤出机调整材料流量，以打印出精确的线宽，可根据生产零件的需要进行调整。
49.连桥细节：由于本打印机倒置结构的特性，在打印一些不接触构筑平台或已打印部分的特征层时可以无需在零件靠近构筑平台段添加支撑。挤出的丝材由于受重力影响会落向打印头一侧而不是像传统fdm打印机一样落向构筑平台。因此架空的丝材会更靠近打印头上的冷却风扇，获得比传统打印机打出的丝材更多的冷却时间，因此可以大幅减少丝材在熔融状态下垂的问题，且即使丝材下垂也是落向未打印的z+方向，会被在接下来几层的打印中被喷头抹平。因此本打印机具有非常优秀的悬垂特征打印能力和在悬空特征之间“连桥”的能力。
50.5.后处理：
51.(1)取下零件：当3d打印机显示打印完成时，等待构筑平台降温，当构筑平台温度降为室温时打印成品可自行脱落，若未脱落则取下构筑平台手动取下成品。
52.(2)去除支撑：去除取决于使用的支持材料类型：可溶性支撑材料需要将成品浸泡在溶剂(水或有机溶剂)中，带支撑软化或溶解后去除成品清理干净表面。可拆除支撑一般由成品同种材料打印而成，需要手动去除。在该过程中，可以徒手或使用工具扭曲，折断和刮除支撑。
53.6.收纳：
54.在打印机控制屏上选择退出耗材，待丝材全部从挤出机退出后将料卷重新卷好，丝材头固定。将打印机电源关闭，电源接头取下，将打印机各部分折叠收纳。
55.本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
56.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

技术特征：

1.一种倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，包括方形底座（2）、侧向进料的卧式打印头（7）、方形构筑平台（10）、运动机构和z向立柱（13），方形底座（2）水平放置，运动机构设置在方形底座（2）的两条对角线上，卧式打印头（7）设置在运动机构上，方形构筑平台（10）水平设置，方形构筑平台（10）可拆卸式设置在z向立柱（13）上，且悬于卧式打印头（7）的上方，方形构筑平台（10）在z向立柱（13）上的位置可调，方形构筑平台（10）与方形底座（2）在水平面内的投影，对角线之间有45
°
的夹角。2.根据权利要求1所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，方形底座（2）为箱体结构，运动机构包括x方向滑轨、y方向滑轨以及xy方向滑轨驱动的步进电机，y方向滑轨设置在方形底座（2）的一根对角线上， x方向滑轨设置在y方向滑轨上，卧式打印头（7）设置在x方向滑轨上，xy方向滑轨驱动的步进电机设置于方形底座（2）的内部，xy方向滑轨驱动的步进电机通过第一同步带（6）联动同时带动x方向滑轨和y方向滑轨运动。3.根据权利要求2所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，z向立柱（13）的末端通过滑动铰链件（12）可折叠的设置在方形底座（2）的一个转角处，z向立柱（13）位于y方向滑轨的一端，滑动铰链件（12）夹紧y方向滑轨。4.根据权利要求2所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，方形构筑平台（10）装在v形支架（9）上，v形支架（9）可拆卸式设置在z向立柱（13）上，方形底座（2）的内部设置z向立柱（13）的步进电机总成（5），并通过第二同步带（8）带动v形支架（9）沿z向立柱（13）移动。5.根据权利要求4所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，方形构筑平台（10）通过磁吸接口（11）与v形支架（9）连接，并由v形支架（9）上的螺栓和隔离柱定位。6.根据权利要求5所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，方形构筑平台（10）与方形底座（2）均为正方体，且两者面积形状相同。7.根据权利要求5所述的倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机，其特征在于，倒置结构的可折叠熔融沉积3d打印机还包括显示屏（1），显示屏（1）通过排针接口安装在方形底座（2）上。

技术总结

本实用新型公开一种倒置结构的可折叠熔融沉积3D打印机，包括方形底座、侧向进料的卧式打印头、方形构筑平台、运动机构和Z向立柱，方形底座水平放置，运动机构设置在方形底座的两条对角线上，卧式打印头设置在运动机构上，方形构筑平台水平设置，方形构筑平台可拆卸式设置在Z向立柱上，且悬于卧式打印头的上方，方形构筑平台在Z向立柱上的位置可调，方形构筑平台与方形底座在水平面内的投影，对角线之间有45