[發明專利]一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置及方法

有效

• 申請號: 201810495540.X
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN108527848B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 劉亞雄;馮曉靜;崔濱;任輝;賀健康;王玲;連芩
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/205;B29C64/236;B29C64/245;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置及方法，裝置包括動平臺，3D打印頭以及擠絲機，塑料絲經由擠絲機送入3D打印頭中，3D打印頭的下方設有動平臺，動平臺通過平臺伸出軸、萬向節和支撐桿連接，支撐桿和升降裝置連接，動平臺的邊緣通過球軸承和三個推桿上端連接，推桿下端通過皮帶夾緊件以及球面副球心和滑塊連接，滑塊和固定在固定機架上的豎直導軌配合，使滑塊沿導軌直線上下運動，滑塊由電機通過皮帶控制；根據零件三維模型的特征對三維模型曲面切層，并得到每個切層曲面的路徑規劃數據，通過數學推導得到動平臺、3D打印頭和電機的運動學參數，經由計算機程序控制進行零件加工；本發明具有精度高，且打印范圍大的優點。

技術領域

本發明屬于三維增材制造技術領域，具體涉及一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置及方法。

背景技術

3D打印技術利用離散疊加的原理實現產品的快速加工，熔融沉積成型技術因其安裝方便、使用維護簡單、成本低廉、無公害無污染等優點，已成為快速成型中應用最廣泛的技術之一。目前，平面層熔融沉積成型產品的表面光潔性和力學性能較差，以至于產品的應用僅局限于模型制作或設計驗證，難以在更加專業的工程應用領域中使用。近年來開發的各種FDM快速原型機結構主要包括：XYZ型、并聯臂型和CoreXY型3D打印機，這些打印機在加工曲面型零件時，存在著致命的缺點，一是由于平面層FDM在零件層疊方向上是離散化堆疊，因此沿Z向方向的輪廓線是臺階狀的，在曲率小的地方，層厚引起的“臺階”效應明顯，表面光潔度差；二是層與層之間的粘結力太小，導致曲面薄壁零件的力學性能差；三是平面層填充方式為線段填充，填充速度慢，時間長。曲面分層熔融沉積成型工藝是指，利用切層面內z坐標值變化的曲面層進行離散化疊加的3D打印技術，它的切層方式為三維曲面切層方法，填充方式為三維曲線填充策略。基于曲面分層熔融沉積成型的3D打印技術可以解決基于平面分層FDM工藝的很多問題，前者填充線條是連續的曲線，零件表面輪廓是連續的，能夠提高零件表面光潔度，同時自定義設計材料內部的絲材走向，增強力學性能，而且曲面分層方式能減少層數，節省打印時間。

現有的曲面分層FDM3D打印機的工作臺一般效仿5軸數控機床，在XYZ型3D打印機的打印頭或工作臺上串聯旋轉結構，改變為旋轉打印頭和動平臺，或2自由度串聯動平臺，以此搭建5軸3D打印裝置，但是一般串聯型的旋轉打印頭或工作臺剛度差，精度低，且打印范圍小。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置及方法，具有精度高，且打印范圍大的優點。

為了達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置，包括3D打印頭4，塑料絲經由擠絲機5送入3D打印頭4中，3D打印頭4安裝在二維運動平臺21上，二維運動平臺21固定在固定機架6上，3D打印頭4的下方設有動平臺1，動平臺1通過平臺伸出軸12與萬向節2一端連接，萬向節2另一端安裝在支撐桿3上，支撐桿3和升降裝置7連接，升降裝置7安裝在固定機架6上；

所述的動平臺1的邊緣通過球軸承和第一推桿18、第二推桿11、第三推桿15的上端連接，第一推桿18、第二推桿11、第三推桿15的下端通過第一皮帶夾緊件19、第二皮帶夾緊件13、第三皮帶夾緊件16以及球面副球心和第一滑塊20、第二滑塊14、第三滑塊17連接，第一滑塊20、第二滑塊14、第三滑塊17和固定在固定機架6上的3個豎直導軌配合，使滑塊沿導軌直線上下運動，第一滑塊20、第二滑塊14、第三滑塊17由第一電機8、第二電機9、第三電機10通過皮帶控制，第一電機8、第二電機9、第三電機10安裝在固定機架6上。

所述的一種曲面分層熔融沉積成型的5軸3D打印裝置的打印方法，包括以下步驟：

1)獲取零件三維模型的曲面分層和路徑規劃數據，根據零件的特征對三維模型曲面切層，并得到每個切層曲面的路徑規劃數據，路徑規劃數據包含零件在世界坐標系的位置參數(x,y,z)，工具向量參數(i,j,k)以及速度、加速度數據；