(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510954086.6
(22)申请日 2015.12.17
B29C 67/00(2006.01)
B33Y 30/00(2015.01)
B22F 3/00(2006.01)
(71)申请人常州大学
地址213164 江苏省常州市武进区滆湖路1
号
(72)发明人王烨 柳铭 周振中 李政阳
吴伟唯
(54)发明名称
(57)摘要
发明的特点是利用了两个螺杆传动，实现下动平
台的两轴打印，利用并联机构，实现上动平台的三
示系统组成。该3D 打印机以数字模型文件为基
础，将其切片，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料
等可粘合材料，通过并联机构控制的挤出头实现
x、y、z 轴的移动打印，两个螺杆传动控制的下动
平台实现u、v 轴的旋转打印，继而用一层层的粘
合材料来制造三维的物体，达到五轴联动打印三
维实体。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 105599294 A 2016.05.25
C N 105599294
A
1.一种五轴联动3D打印机机构，所述3D打印机包括机座机构、打印机构、控制模块，其特征在于：控制系统(15)上动平台做三个自由度运动，(17)下动平台做两个自由度运动，继而实现五轴联动打印三维
实体。
2.根据权利1所述的一种五轴联动3D打印机机构，其特征在于，机座机构包括：(4)支承杆、(10)滑块、(11)同步带、(12)同步带轮、(13)关节球a、(22)机架组成,(22)机架支承所有部件，为中空的等边三棱柱，(4)支承杆两根一组，三个棱边处各布置一组，用于构成(10)滑块做上下往复运动的直线导轨；同时，在三个棱边上下各布置一(12)同步带轮，由下方电机提供动力，(10)滑块由滑动轴承与(4)支承杆相配，通过内部凹凸结构卡住(11)同步带的一边，实现(11)同步带传动。
3.根据权利1所述的一种五轴联动3D打印机机构，其特征在于，打印机构由(1)合页、
(2)球面副a、(3)外框架、(5)挤出头、(6)风扇、(7)螺纹紧固件a、(8)v形板、(9)并联臂、(14)螺纹紧固件b、(15)上动平台、(16)关节球b、(17)下动平台；(18)螺杆a、(19)软连接联轴器
a、(20)电机a、(21)球面副
b、(23)电机b、(24)软连接联轴器b、
(25)螺杆b组成。4.根据权利1所述的一种五轴联动3D打印机机构，其特征在于，下平台是通过双螺旋结构完成2自由度运动，双螺旋结构组成，(2)球面副a通过外伸杆与(1)合页固连，(2)球面副a 与(3)外框架外伸杆端部相配合，构成球面副，(2)球面副a杆部固定连接一螺母，与(25)螺杆b相配合，(24)软
连接联轴器b联接(23)电机b转子、(25)螺杆b，(21)球面副b联接(17)下动平台的下外伸杆部，构成球面副；通过下外伸杆部固定的一螺母，与(18)螺杆a相配合，
21)球面副b通过外伸杆与(1)合页固连，(19)软连接联轴器a联接(18)螺杆a、(20)电机a转子，使之共同旋转，通过双螺旋结构，进而实现2自由度运动。
5.根据权利1所述的一种五轴联动3D打印机机构，其特征在于，(5)挤出头上部弹簧轴承内设有有压力传感器，(5)挤出头近距离接触至压力达到设定值，压力传感器即刻感知，将信息反馈至控制模块，继而控制(6)风扇转速，保证热熔的吐丝能有效粘连于(17)下动平台。
6.根据权利1所述的一种五轴联动3D打印机机构，其特征在于，控制模块控制电机协调工作，经(11)同步带一级传动，平行四边形机构二级传动，将运动输出到(15)上动平台，(5)挤出头同步运动，即可实现(5)挤出头的x、y、z轴三个方向的运动，控制模块同时控制(20)电机a、(23)电机b协调工作，(18)螺杆a、(25)螺杆b转动，两螺杆螺旋传动，进而(1)合页开合，经球铰实现(3)外框架、(17)下动平台的绕u、v轴回转，达到第四轴、第五轴的打印，完成五轴联动打印三维物体。
权 利 要 求 书1/1页CN 105599294 A
一种五轴联动3D打印机机构
技术领域
[0001]本发明涉及一种五轴联动3D打印机机构。具体的说是一种以数字模型文件为基础，将其切片，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过并联机构控制的挤出头实现x、y、z轴的移动打印，两个螺杆传动控制的下动平台实现u、v轴的旋转打印，继而用一层层的粘合材料来制造三维的物体的3D打印机，属于3D打印机领域。
背景技术
[0002]3D打印带来了世界制造业革命，颠覆了传统的生产方式，亟需一种可实现多轴打印的3D打印机。传统的三维打印装置，一般采用螺旋传动，控制挤出头的x、y、z轴三个方向的移动，工作效率低下，并因三轴打印和材料的局限性，物体出现悬空结构极易坍塌，设计存在不足，不能满足多领域的应用需求。
[0003]现有的成熟的3D打印机仅停留3轴打印，五轴打印将极大的扩充3D打印的应用。[0004]因通过累积制造、逐层打印来构造物体，尽管每一层打印的截面很薄，但在X-Y方向分辨率的提高受到很大的限制，会形成有一定厚度的一级级“台阶”，如需打印的物体表面是弯曲的弧形，会导致精度偏差，经过表面打磨才能得到表面光滑的“高分辨率”物品；采用五轴联动3D打印机可极大改善表面加工质量。
[0005]传统3D打印机在打印的过程中还会用到支撑物，如打印一些有倒挂状的物体，则需用些易于除去的材料(如可溶的材料)作为支撑物。3轴3D打印机一直沿A向打印，则无法改善，五轴联动3D打印机换在A向的90°侧转方向打印，即可解决过渡区域的结构性问题。
发明内容
[0006]针对3D打印机现存的上述诸多问题，本发明提供一种五轴联动3D打印机机构。具体的讲，是通过并联机构控制的挤出头实现x、y、z轴的移动打印，两个螺杆传动控制的下动平台实现u、v轴的旋转打印，完成五轴联动在下动平台上打印三维物体的3D打印机[0007]本发明提供的技术方案是：
[0008]一种五轴联动3D打印机机构、，所述装置包括机体系统、控制系统、打印系统、显示系统。机体系统由(4)支承杆、(10)滑块、(11)同步带、(12)同步带轮、(13)关节球a、(22)机架组成；控制系统由控制模块组成；打印系统由(1)合页、(2)球面副a、(3)外框架、(5)挤出头、(6)风扇、(7)螺纹紧固件a、(8)v形板、(9)并联臂、(14)螺纹紧固件b、(15)上动平台、(16)关节球b、(17)下动平台；(18)螺杆a、(19)软连接联轴器a、(20)电机a、(21)球面副b、(23)电机b、(24)软连接联轴器b、(25)螺杆b组成；显示系统由控制系统、显示屏组成。[0009](22)机架支承所有部件，为中空的等边三棱柱，(4)支承杆两根一组，三个棱边处各布置一组，用于构成(10)滑块做上下往复运动的直线导轨；同时，在三个棱边上下各布置一(12)同步带轮，由下方电机提供动力，(11)同步带传动。(10)滑块由滑动轴承与(4)支承杆
相配，通过内部凹凸结构卡住(11)同步带的一边。(15)上动平台、(10)滑块分别通过一组(16)关节球b、(13)关节球a联接于一对并联臂的两端，构成平行四边形机构，提高了机构稳
定性和刚度。(6)风扇通过(7)螺纹紧固件a固定于(8)v形板，(8)v形板通过(14)螺纹紧固件b固定于(15)上动平台，保证(6)风扇与(5)挤出头成一定角度，易于对其进行散热。(5)挤出头固定于(15)上动平台，上端部有弹簧轴承，有螺旋形镂空结构，易于散去材料热熔的热量。
[0010](2)球面副a主体为一杆状，通过一外伸部分与(1)合页固连，端部为一球面，与(3)外框架外伸杆端部相配合，构成球面副；杆部联接一螺母，与(25)螺杆b相配合。(24)软连接联轴器b联接(23)电机b转子、(25)螺杆b。同理，(21)球面副b联接(17)下动平台的下外伸杆部，构成球面副；通过杆部的固定的一螺母，与(18)螺杆a相配合；亦通过一外伸部分与(1)合页固连。(19)软连接联轴器a联接(18)螺杆a、(20)电机a转子，使之共同旋转。
[0011]在(22)机架下布置控制模块与三个驱动(12)同步带轮工作的电机。通过计算机建模，再将数字模型文件切片，从而指导打印系统协调工作，逐层打印三维物体。(5)挤出头出丝口置有压力传感器。该3D打印机工作时，材料热熔后经由(5)挤出头挤出，同时(6)风扇为其散热。(5)挤出头近距离接触至压力达到设定值，压力传感器即刻感知，将信息反馈至控制模块，继而(6)风扇转速降低，保证热熔的吐丝能粘连于(17)下动平台。当工作时间达到设定值时，压力传感器停止工作，(6)风扇转速恢复正常。
控制模块控制电机协调工作，经(11)同步带一级传动，平行四边形机构二级传动，将运动输出到(15)上动平台，(5)挤出头同步运动，即可实现(5)挤出头的x、y、z轴三个方向的运动。控制模块亦控制(20)电机a、(23)电机b协调工作，(18)螺杆a、(25)螺杆b转动，两螺杆螺旋传动，进而(1)合页开合，经球铰实现(3)外框架、(17)下动平台的绕u、v轴回转，达到第四轴、第五轴的打印，完成五轴联动打印三维物体。控制模块将进程(已工作时间、打印厚度、剩余工作时间等)输出到显示屏。
[0012]本发明的有益效果是：
[0013]本发明是提供一种五轴联动3D打印机机构、，该3D打印机具有以下特点：[0014] 1.本发明控制(15)上动平台做三个自由度运动，(17)下动平台做两个自由度运动，继而实现五轴联动打印三维实体，提高打印质量；
[0015] 2.本发明的五轴联动机构，可实现沿x、y、z轴的移动和绕x、y、z轴方向的u、v轴回转，即待打印的物体可做回转运动，大大地改善打印工艺；
[0016] 3.本发明的(20)电机a、(23)电机b协调工作，(18)螺杆a、(25)螺杆b转动，两螺杆传动，进而(1)合页开合，经球铰实现(3)外框架、(17)下动平台旋转；
[0017] 4.本发明改变传统的沿A向做X-Y面分层加工、叠加成型打印物体的方式，可换在B 相打印，很好的解决结构强度、精度问题。
附图说明
[0018]图1一种五轴联动3D打印机机构的主视图
[0019]图2一种五轴联动3D打印机机构的轴测图
[0020]图3一种五轴联动3D打印机机构的三自由度并联机构局部放大示意图
[0021]图4一种五轴联动3D打印机机构的两螺杆传动局部放大示意图
[0022]图中，1、合页；2、球面副a；3、外框架；4、支承杆；5.挤出头；6、风扇；7、螺纹紧固件a；8、v形板；9、并联臂；10、滑块；11、同步带；12、同步带轮；13、关节球a；14、螺纹紧固件b；
15、上动平台；16、关节球b；17、下动平台；18、螺杆a；19、软连接联轴器a；20、电机a；21球面副b；22、机架；23、电机b；24、软连接联轴器b；25、螺杆b。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]发明主要由机体系统、控制系统、打印系统、显示系统组成。
[0025]如图2所示，(22)机架支承所有部件，为中空的等边三棱柱，(4)支承杆两根一组，三个棱边处各布置一组，用于构成(10)滑块做上下往复运动的直线导轨；同时，在三个棱边上下各布置一(12)同步带轮，由下方电机提供动力。(10)滑块由滑动轴承与(4)支承杆相配，通过内部凹凸结构卡住(11)同步带的一边，实现(11)同步带传动，。
[0026]如图3所示，(15)上动平台、(10)滑块分别通过一组(16)关节球b、(13)关节球a联接于一对并联臂的两端，构成平行四边形机构，提高了机构稳定性和刚度。(6)风扇通过(7)螺纹紧固件a固定于(8)v形板，(8)v形板通过(14)螺纹紧固件b固定于(15)上动平台，保证(6)风扇与(5)挤出头成一定角度，易于对其进行散热。(5)挤出头固定于(15)上动平台，上端部有弹簧轴承，有螺旋形镂空结构，易于散去材料热熔的热量。
[0027]如图4所示，(2)球面副a主体为一杆状，通过一外伸部分与(1)合页固连，端部为一球面，与(3)外框架外伸杆端部相配合，构成球面副；杆部联接一螺母，与(25)螺杆b相配合。
(24)软连接联轴器b联接(23)电机b转子、(25)螺杆b。同理，(21)球面副b联接(17)下动平台的下外伸杆部，构成球面副；通过杆部的固定的一螺母，与(18)螺杆a相配合；亦通过一外伸部分与(1)合页固连。(19)软连接联轴器a联接(18)螺杆a、(20)电机a转子。
[0028]如图2所示，在(22)机架下布置控制模块与三个驱动(12)同步带轮工作的电机。通过计算机建模，再将数字模型文件切片，从而指导打印系统协调工作，逐层打印三维物体。
(5)挤出头出丝口置有压力传感器。该3D打印机工作时，材料热熔后经由(5)挤出头挤出，同时(6)风扇为其散热。(5)挤出头近距离接触至压力达到设定值，压力传感器即刻感知，将信息反馈至控制模块，继而(6)风扇转速降低，保证热熔的吐丝能粘连于(17)下动平台。当工作时间达到设定值时，压力传感器停止工作，(6)风扇转速恢复正常。控制模块控制电机协调工作，经(11)同步带一级传动，平行四边形机构二级传动，将运动输出到(15)上动平台，(5)挤出头同步运动，即可实现(5)挤出头的x、y、z轴三个方向的运动。控制模块亦控制(20)电机a、(23)电机b协调工作，(18)螺杆a、(25)螺杆b转动，两螺杆螺旋传动，进而(1)合页开合，经球铰实现(3)外框架、(17)下动平台的绕u、v轴回转，达到第四轴、第五轴的打印，完成五轴联动打印三维物体。控制模块将进程(已工作时间、打印厚度、剩余工作时间等)输出到显示屏。
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