CN210100702U - 基于fdm的3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种基于FDM的3D打印设备，包括：龙门机床运动平台、挤出机构和多关节机器人；所述龙门机床运动平台为可移动式横梁高架桥结构；所述挤出机构包括：挤出机和挤出头，所述挤出机安装于所述龙门机床运动平台的高架桥式横梁结构上，所述挤出头安装于所述多关节机器人的手臂末端；所述多关节机器人安装于所述龙门机床运动平台的垂直滑枕上。本实用新型实施中的技术方案可以改善复杂空间结构构件的生产模式，加快生产效率，提高产品质量，减少人工干预，以满足多样化的生产需求。

Description

基于FDM的3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，尤其涉及一种基于FDM的3D打印设备。

背景技术

3D打印技术是近年来新崛起的一种快速成型技术，能一次实现产品的成型加工，从而避免传统制造过程中诸如开模、铸造、切割、组装等复杂的过程。

现有技术中，根据打印原理的不同，3D打印技术可大致分为熔融沉淀快速成型(FDM)、光固定成型(SLA)、三维粉末粘接(3DP)和选择性激光烧结(SLS)。其中，FDM技术因其相对低廉的价格而被广泛研究。

FDM的成型原理是利用3D打印机内置的软件自动读取3D模型数据，并将其分层，自动生成每层的模型成型路径和支撑路径，然后通过打印机头挤出熔融丝材填充路径平面，迅速凝结固化，逐层打印，从而完成整个产品。

FDM技术具有成型精度高、制作工艺干净、无化学污染等特点。但是，基于FDM技术的3D打印机，成型空间都比较小、成型效率比较低、无法打印大尺度构件。这也是目前此项技术未能在实际工业生产中得以广泛应用的主要原因之一。而在建筑行业中，不仅需要打印大尺寸、力学特性高、空间结构复杂的构件，有时还需要在复杂的型腔内进行进一步的细加工，比如：在景观桥的底部增加中国传统纹饰的装饰物、在桥面上增加镂空桥墩等。现有技术中，凡是能够满足打印大尺寸、力学特性高、空间结构复杂构件需要的3D打印设备，必然形体庞大，则其能提供的空间自由度有限，不足以满足能进入复杂的型腔内部进行进一步细加工的需求。这种情况下，无法避免地，仍然需要人工劳动进行干预。

实用新型内容

本实用新型实施例解决的技术问题是如何改善复杂空间结构构件的生产模式，加快生产效率，提高产品质量，减少人工干预，以满足多样化的生产需求。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于FDM的3D打印设备，包括：龙门机床运动平台、挤出机构和多关节机器人；所述龙门机床运动平台为可移动式横梁高架桥结构；所述挤出机构包括：挤出机和挤出头，所述挤出机安装于所述龙门机床运动平台的高架桥式横梁结构上，所述挤出头安装于所述多关节机器人的手臂末端；所述多关节机器人安装于所述龙门机床运动平台的垂直滑枕上。

可选的，所述龙门机床运动平台至少为三轴机床，其中，X轴为所述龙门机床运动平台的龙门轴，所述龙门轴上安装有X轴导轨，所述高架桥式横梁结构安装于所述X轴导轨上，沿所述X轴导轨移动；Y轴为所述高架桥式横梁结构，所述高架桥式横梁结构上安装有Y轴导轨，Y轴滑枕安装于所述Y轴导轨上，沿所述Y轴导轨移动；Z轴为所述垂直滑枕；所述Y轴滑枕上安装有Z轴导轨，所述垂直滑枕安装于所述Z轴导轨上，沿所述Z轴导轨移动。

可选的，所述X轴导轨为单侧双导轨，由单侧双电机驱动；所述Y轴导轨和所述Z轴导轨，由双电机驱动。

可选的，所述X轴导轨的长度范围为待打印工件长度的115％-120％；所述Y轴导轨的长度范围为待打印工件宽度的120％-150％；所述Z轴导轨的长度范围为待打印工件高度的130％-150％。

可选的，还包括：所述龙门机床运动平台还包括：床身；所述床身由混凝土浇筑构成；所述龙门轴、所述高架桥式横梁结构和所述垂直滑枕由电镀焊接钢构成。

可选的，所述多关节机器人的基座底板采用螺栓连接的方式，挂装固定于安装孔上，所述安装孔位于所述垂直滑枕平行于所述Y轴与所述Z轴所形成的基准面的一面。

可选的，所述挤出机包括：喂料***、主机、真空***和软水***、挤出机控制柜、高温油温机和稳压熔体泵、真空吸料机和上料料斗；喂料***、主机、真空***和软水***、挤出机控制柜、高温油温机和稳压熔体泵安装于所述高架桥式横梁结构的上方；所述真空吸料机和上料料斗安装于所述高架桥式横梁结构的侧壁。

可选的，所述主机为双螺杆式主机。

可选的，所述多关节机器人至少为六轴关节机器人；所述挤出头采用螺栓连接的方式，固定于所述多关节机器人手臂末端的法兰盘安装面上。

可选的，所述多关节机器人的最大回展半径大于等于所述龙门机床运动平台的Y轴行程范围的50％；所述多关节机器人的负载能力大于等于所述挤出头重量的150％。

与现有技术相比，本实用新型实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本实用新型实施例中，将大尺寸的龙门机床与多关节机器人配合使用，在原有直线运动平台的基础上，增加了多关节机器人的自由度，补足了多关节机器人自由度多，但是行程范围少；而龙门机床行程范围大，但是空间自由度少的不足。从而实现了任意复杂结构上各点甚至型腔内各点的定位，进而可以在型腔内进一步进行3D打印任务，减少了后期人工干预，提高了生产效率。

进一步，在本实用新型实施例中，运动控制部件采用龙门式机床机械运动平台，使得工业3D打印的机械精度等级得到有效提升；并且，综合考虑了加工所需的路径长度和灵活程度以及方案设计的难度和经济性等因素，优选三轴龙门机床来实现本方案的设想。

进一步，根据待打印构件的尺度，合理设定各轴的路径范围及多关节机器人的选型，兼顾了工艺需要和占地、电力等资源开销。

进一步，采用双螺杆式挤出装置，提高了打印效率。同时，将双螺杆挤出机安装在龙门机床的横梁结构上，解决了双螺杆挤出机质量大，在打印大尺寸构件时无法在全行程范围内移动的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例中基于FDM的3D打印设备的结构示意图；

图2是如图1所示实施例中多关节机器人和垂直滑枕的局部放大图；

图3是如图1所示实施例中多关节机器人和垂直滑枕的另一局部放大图；

图4是如图1所示实施例中多关节机器人的最大回展半径示意图。

元件标号说明

1龙门机床运动平台；

11龙门轴；

12高架桥式横梁结构；

13垂直滑枕；

14X轴导轨；

15Y轴导轨；

17Y轴滑枕；

18床身；

21挤出机；

22挤出头；

211喂料***；

212主机；

213真空***和软水***；

215真空吸料机和上料料斗；

217挤出机控制柜；

218高温油温机和稳压熔体泵；

3多关节机器人；

31手臂；

32基座底板。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的3D打印设备无法满足在大尺寸景观建筑物的复杂型腔内进行进一步细加工的需求。

为了解决上述技术问题，在本实用新型实施例中，提供了在建筑3D打印行业中使用大型龙门机床与多关节机器人结合应用的解决方案，能够有效增加执行机构的空间自由度，适应各种复杂空间的作业需求。

为使本实用新型的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的实施例做详细的说明。

图1是本实用新型实施例中基于FDM的3D打印设备的结构示意图。如图1所示，本实施例的3D打印设备包括：龙门机床运动平台1、挤出机构和多关节机器人3。

所述龙门机床运动平台1包括：一由混凝土浇筑构成的床身18以及设置于所述床身18上的龙门机床。

本实施例中的龙门机床为可移动式横梁高架桥结构的三轴龙门机床。根据笛卡尔坐标系，所述龙门机床的X轴为平行设置的一对龙门轴11，Y轴为高架桥式横梁结构12，Z轴为垂直滑枕13。所述龙门轴11、高架桥式横梁结构12和垂直滑枕13由电镀焊接钢构成。所述挤出机构设置于所述高架桥式横梁结构12上。

每根龙门轴11上安装有X轴导轨14。所述X轴导轨14为单侧双导轨，由单侧双电机驱动(驱动电机未示出)。本实施例中，根据待加工景观桥梁的跨距，来配置所述X轴导轨14的长度范围(即：机床在X轴方向行程)。若该长度范围设置过小，则机床的工作范围会显局促；若该长度范围设置过大，则将因机床尺寸的扩大而增加硬件成本。优选的，所述X轴导轨14的长度范围为待打印工件长度的115％-120％。

所述高架桥式横梁结构12的两端分别横跨安装在这一对龙门轴11的所述X轴导轨14上，可以沿X轴方向自由移动。在所述高架桥式横梁结构12上安装有一对Y轴导轨15。所述Y轴导轨15由双电机驱动(驱动电机未示出)。本实施例中，根据待加工景观桥梁的桥面宽度，来配置所述Y轴导轨15的长度范围(即：机床在Y轴方向行程)。若该长度范围设置过小，则机床的工作范围会显局促；若该长度范围设置过大，则将因机床尺寸的扩大而增加硬件成本；另一方面距离越长，越难保证挤出材料在长距离的输送过程中质量不受影响。优选的，所述Y轴导轨15的长度范围为待打印工件宽度的120％-150％。Y轴滑枕17安装于所述Y轴导轨15上，可以沿X轴方向自由移动。

在所述Y轴滑枕17上安装有Z轴导轨(图未示)。所述Z轴导轨由双电机驱动(驱动电机未示出)。本实施例中，根据待加工景观桥梁的基础垫层底到桥铺装顶面高度，来配置所述Z轴导轨的长度范围(即：机床在Z轴方向行程)。若该长度范围设置过小，则机床的工作范围会显局促；若该长度范围设置过大，则距离越长，越难保证挤出材料在长距离的输送过程中质量不受影响。优选的，所述Z轴导轨的长度范围为待打印工件宽度的130％-150％。所述垂直滑枕13安装于所述Z轴导轨上，可以沿Z轴方向自由移动。

需要说明的是，本领域技术人员可以理解，为满足大尺寸景观建筑物打印的需要，三个运动轴为最低配置要求。在其他实施例中，可以进一步根据加工的需要，配置更多的运动轴。

图2是如图1所示实施例中多关节机器人和垂直滑枕的局部放大图。图3是如图1所示实施例中多关节机器人和垂直滑枕的另一局部放大图。结合图2和如图3所示，本实施例中的挤出机构包括：挤出机21和挤出头22。

由于适用于打印景观桥梁的三轴龙门机床X轴行程长度很长，可达十几二十米，甚至更长。而挤出机21的输料管长度越长，打印材料变质的的程度越高。若按常规方式，将挤出机安装在机床床身中部位置，则输料管的长度至少需要几十米，输出的打印材料会发生很大程度的变质而无法使用。所以，本实施例中将所述挤出机21安装在所述龙门机床的高架桥式横梁结构12上，可以跟随龙门机床一起运动。这样既可缩短挤出机输料管的长度，同时能有效保证打印材料的质量不受影响。

本实施例中的挤出机21包括：喂料***211、主机212、真空***和软水***213、挤出机控制柜217、高温油温机和稳压熔体泵218和真空吸料机和上料料斗215。

所述喂料***211、主机212、真空***和软水***213、挤出机控制柜217、高温油温机和稳压熔体泵218和真空吸料机，安装于所述高架桥式横梁结构12的上方。所述真空吸料机和上料料斗215安装于所述高架桥式横梁结构12的侧壁立柱上。

所述真空与软水***213提供真空环境，打印原料通过所述真空吸料机与上料料斗215传送至所述喂料***211中。所述喂料***211将打印原材料输入至所述主机212内，所述高温油温机和稳压溶体泵218提供热量，使得打印原料在所述主机212内加热至熔融状态。所述主机212将打印材料原料挤出，经打印软管220输送至所述挤出头22。由所述挤出头22挤出，进行3D打印任务。

为了提高挤出效率，本实施例中的主机212采用的是双螺杆式主机。

所述挤出头22安装于所述多关节机器人3的手臂末端。所述多关节机器人3挂装于所述龙门机床运动平台的Z轴垂直滑枕13上。

所述挤出机构还包括：连接所述挤出机21的送料口(图未示)和所述挤出头22的打印软管(图未示)。所述挤出机21将打印材料从其送料口(图未示)挤出，经打印软管220输送至所述挤出头22挤出，进行3D打印任务。

如图3所示，所述多关节机器人3包括：手臂31和基座底板32。在所述Z轴垂直滑枕13在平行于Y轴与所述Z轴所形成的基准面的这一表面上，预留有安装孔(图未示)。所述基座底板32通过螺栓连接，倒挂固定于所述安装孔上。

需要说明的是，本领域技术人员可以理解，所述Z轴垂直滑枕13有2个平面是平行于Y轴与所述Z轴所形成的基准面的。所述基座底板32可以安装于其中任意一个面，本实用新型对此不做具体限定。

所述手臂31的末端设置有法兰盘安装面(图未示)，所述挤出头22通过螺栓连接固定于所述法兰盘安装面上。所述多关节机器人3的负载能力应大于等于所述挤出头22重量的150％，以保证负载安全。

为了配合龙门机床运动平台的运动，调整多关节机器人的关节角度姿态，使之能到达型腔内任意点位，所述多关节机器人3至少为六轴关节机器人。本实施例中，采用的是六轴关节机器人，所述手臂的末端为所述多关节机器人3第六轴的末端。

图4是如图1所示实施例中多关节机器人的最大回展半径示意图。为保证足够的工作空间，所述多关节机器人的最大回展半径R大于等于所述龙门机床运动平台的Y轴行程范围的50％。所述Y轴行程范围由所述Y轴导轨15的长度范围决定。所述Y轴导轨15的长度范围由所述待打印工件宽度(即：桥面宽度)决定。

本领域技术人员可以理解，本实用新型中的3D打印设备，除了以上提及的与改进点相关的部件之外，还包括：现有技术中，控制龙门机床运动以及控制挤出机构运动所需的控制***及相应的组配件，如：电机、控制柜、线缆拖链、操作控制屏等等。本实用新型对此不做具体限定。

下面以建筑装饰样件生产为例，详细说明3D打印设备的加工过程：

在一个一体浇筑的小型人行桥梁中，需要在桥梁的型腔内添加一些装饰物，采用传统的生产工艺，无法将大于型腔开口尺寸的装饰物装入型腔内。而采用本实用新型的3D打印设备可以实现。

1、首先，在龙门机床运动平台上固定桥梁，设定好工件坐标系。

2、根据装饰物的设计模型，生成相应的3D打印控制程序，将所述机床控制程序拷贝到机床控制器。

3、调整多关节机器人的姿态角度，使机器人按照安全、不干涉的姿态进入到型腔内部。

4、执行相应的3D打印控制程序，3D打印出装饰物。

5、打印完成后，按照安全、不干涉的姿态退出型腔，从而解决了复杂空间内的3D打印问题。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于FDM的3D打印设备，其特征在于，包括：

龙门机床运动平台、挤出机构和多关节机器人；

所述龙门机床运动平台为可移动式横梁高架桥结构；

所述挤出机构包括：挤出机和挤出头，所述挤出机安装于所述龙门机床运动平台的高架桥式横梁结构上，所述挤出头固定安装于所述多关节机器人的手臂末端的法兰盘安装面上；

所述多关节机器人安装于所述龙门机床运动平台的垂直滑枕上。

2.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，

所述龙门机床运动平台至少为三轴机床，其中，

X轴为所述龙门机床运动平台的龙门轴，所述龙门轴上安装有X轴导轨，所述高架桥式横梁结构安装于所述X轴导轨上，沿所述X轴导轨移动；

Y轴为所述高架桥式横梁结构，所述高架桥式横梁结构上安装有Y轴导轨，Y轴滑枕安装于所述Y轴导轨上，沿所述Y轴导轨移动；

Z轴为所述垂直滑枕；所述Y轴滑枕上安装有Z轴导轨，所述垂直滑枕安装于所述Z轴导轨上，沿所述Z轴导轨移动。

3.如权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，

所述X轴导轨为单侧双导轨，由单侧双电机驱动；

所述Y轴导轨和所述Z轴导轨，由双电机驱动。

4.如权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，

所述X轴导轨的长度范围为待打印工件长度的115％-120％；

所述Y轴导轨的长度范围为待打印工件宽度的120％-150％；

所述Z轴导轨的长度范围为待打印工件高度的130％-150％。

5.如权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，还包括：

所述龙门机床运动平台还包括：床身；所述床身由混凝土浇筑构成；

所述龙门轴、所述高架桥式横梁结构和所述垂直滑枕由电镀焊接钢构成。

6.如权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，

所述多关节机器人的基座底板采用螺栓连接的方式，挂装固定于安装孔上，所述安装孔位于所述垂直滑枕平行于所述Y轴与所述Z轴所形成的基准面的一面。

7.如权利要求1或2所述的3D打印设备，其特征在于，

所述挤出机包括：喂料***、主机、真空***和软水***、挤出机控制柜、高温油温机和稳压熔体泵、真空吸料机和上料料斗；

喂料***、主机、真空***和软水***、挤出机控制柜、高温油温机和稳压熔体泵安装于所述高架桥式横梁结构的上方；

所述真空吸料机和上料料斗安装于所述高架桥式横梁结构的侧壁。

8.如权利要求7所述的3D打印设备，其特征在于，

所述主机为双螺杆式主机。

9.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，

所述多关节机器人至少为六轴关节机器人；

所述挤出头采用螺栓连接的方式。

10.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，

所述多关节机器人的最大回展半径大于等于所述龙门机床运动平台的Y轴行程范围的50％；

所述多关节机器人的负载能力大于等于所述挤出头重量的150％。

Images