一种基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法与流程

本发明涉及3D打印机技术领域，特别是涉及一种基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法。

背景技术：

熔融沉积成型技术(Fused Deposition Molding，FDM)是由斯科特·克伦普于1989年发明的快速成型技术。在1992年其本人创立了Stratasys公司，卖出了第一台FDM型3D打印机，打开了FDM型3D打印机商业化的大门。

FDM技术是用塑料丝材，如ABS或者PLA，作为打印原料，用一个加热模块将塑料丝材融化成粘性体，通过打印喷头将打印耗材涂铺在模型截面的轮廓轨迹和填充轨迹上，继而形成所打印的产品模型。

FDM技术由于其体积小巧，操作简单，价格低廉，基本无污染等特性，在3D打印领域有着广泛的应用，也是目前为止最适合做家庭桌面级别应用的技术，有望未来将基于FDM的3D打印机带入千家万户。传统的3D打印机的运动机构都是基于笛卡尔坐标系设计的，其非常适用于打印直线或平面较多的模型。然而基于FDM技术和笛卡尔坐标系的3D打印机存在一定的缺陷，如打印速度较慢、打印精度较低等问题。特别是在打印旋转体模型时，旋转体模型的截面形状大部分都为圆形或由弧形构成，这时传统的基于笛卡尔坐标系的3D打印机打印出的模型棱角感十分严重，往往需要进行后期修饰，难以满足旋转体模型对表面粗糙度的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适合打印旋转体模型的基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高打印出的旋转体模型的表面粗糙度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种基于FDM的3D打印机构，包括立柱、悬臂、打印喷头滑块、打印基板和转台，所述打印基板设置在所述转台上；所述立柱设置在所述转台一侧，所述悬臂一端设置在所述立柱上，且所述悬臂能够在所述立柱上沿竖直方向移动；所述打印喷头滑块设置在所述悬臂上，且所述打印喷头能够在所述悬臂上沿水平方向移动；所述打印喷头滑块用于安装打印喷头，所述打印喷头挤出口的移动轨迹在所述打印基板上的投影线贯穿所述打印基板的旋转中心点。

优选地，所述立柱上设有导轨，所述悬臂通过一滑块与所述导轨连接，所述立柱上设有第一丝杠传动机构，所述滑块与所述第一丝杠传动机构的滑座连接。

优选地，所述悬臂上设有第二丝杠传动机构，所述打印喷头滑块与所述第二丝杠传动机构的滑座连接。

优选地，所述打印基板与所述转台可拆卸连接。

优选地，还包括底座，所述立柱和所述转台均设置在所述底座上。

优选地，所述转台的转轴与一伺服电机传动连接。

本发明还提供了一种基于FDM的3D打印机，包括送丝机构、加热机构、打印喷头和控制机构，还包括上述技术方案中任一项所述的基于FDM的3D打印机构。

本发明还提供了一种基于FDM的3D打印方法，使用了上述技术方案中任一项所述的基于FDM的3D打印机构进行打印，打印基板的旋转中心线为θ轴，打印喷头滑块的运动轨迹为ρ轴，悬臂的运动轨迹为Z轴，所述打印基板的旋转中心点为ρ轴和Z轴的零点，θ轴、ρ轴和Z轴构建出了一个柱坐标系；打印时模型绕θ轴旋转，打印喷头沿ρ轴和/或Z轴运动。

优选地，打印喷头的挤丝速度恒定，模型的旋转速度与打印喷头所处的ρ轴的位置坐标值成反比；打印喷头沿ρ轴和Z轴的运动速度为恒定值。

优选地，切片软件产生的G代码基于θ轴、ρ轴和Z轴构建出的柱坐标系，填充方式为使用圆弧曲线填充。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法是基于柱坐标系而设计出的。在打印的过程中，模型随打印基板绕θ轴旋转，打印喷头沿ρ轴和Z轴运动，实现了以圆弧曲线填充的方式将模型逐渐打印出来。由于在打印旋转体模型的单层截面时，切片软件产生的G代码，都是使用ρ轴和θ轴进行插补，并且填充路径都是以圆弧曲线的形式进行填充，而圆弧曲线主要是借由模型的旋转而产生的，并不像传统的基于笛卡尔坐标系的3D打印机一样模型固定不定，而需要使打印喷头同时沿X轴和Y轴移动以模拟圆弧曲线。因此，本发明能够提高模型表面的打印粗糙度和打印速度，特别适合打印空心造型或者是经过抽壳处理的旋转体模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于FDM的3D打印机构的结构示意图；

其中：1-立柱，2-导轨，3-滑块，4-打印喷头滑块，5-悬臂，6-打印基板，7-转台，8-底座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适合打印旋转体模型的基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高打印出的旋转体模型的表面粗糙度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1所示，本实施例提供了一种基于FDM的3D打印机构，包括立柱1、悬臂5、打印喷头滑块4、打印基板6、转台7和底座8，所述立柱1和所述转台7均设置在所述底座8上，所述转台7的转轴与一伺服电机传动连接，所述打印基板6设置在所述转台7上，且所述打印基板6与所述转台7可拆卸连接。所述立柱1设置在所述转台7一侧，所述立柱1上设有导轨2，所述悬臂5通过一滑块3与所述导轨2连接，所述立柱1上设有第一丝杠传动机构，所述滑块3与所述第一丝杠传动机构的滑座连接。所述打印喷头滑块4设置在所述悬臂5上，所述悬臂5上设有第二丝杠传动机构，所述打印喷头滑块4与所述第二丝杠传动机构的滑座连接。所述打印喷头滑块4用于安装打印喷头，所述打印喷头挤出口的移动轨迹在所述打印基板6上的投影线贯穿所述打印基板6的旋转中心点，所述旋转中心点指所述打印基板6上平面的旋转中心点，当所述打印基板6的形心与旋转中心线重合时，打印基板6的上平面的中心点即所述打印基板6的旋转中心点。

需要说明的是：所述悬臂5和所述立柱1之间除丝杠传动之外，也可以采用同步带传动、链传动或齿条传动，凡是使所述悬臂5能够可控地在所述立柱1上沿竖直方向移动的传动形式均可。所述打印喷头滑块4与所述悬臂5之间除丝杠传动之外，也可以采用同步带传动、链传动或齿条传动，凡是使所述打印喷头滑块4能够可控地在所述悬臂5上沿水平方向移动的传动形式均可。

本实施例还提供了一种基于FDM的3D打印机，包括送丝机构、加热机构、打印喷头和控制机构，还包括本实施例中所述的基于FDM的3D打印机构。所述送丝机构将打印耗材输送至加热机构中融化，然后输送至打印喷头被挤出，被挤出的打印耗材快速冷却并逐渐堆积，随着所述打印基板6的旋转和打印喷头的移动构筑出打印模型。

本发明还提供了一种基于FDM的3D打印方法，使用了本实施例中所述的基于FDM的3D打印机构进行打印，打印基板6的旋转中心线为θ轴，打印喷头滑块4的运动轨迹为ρ轴，悬臂5的运动轨迹为Z轴，所述打印基板6的旋转中心点为ρ轴和Z轴的零点，θ轴、ρ轴和Z轴构建出了一个柱坐标系；打印时模型绕θ轴旋转，打印喷头沿ρ轴和/或Z轴运动。

为使保证打印质量，需配合打印耗材的冷却速度使打印喷头的挤丝速度恒定，使模型的旋转速度与打印喷头所处的ρ轴的位置坐标值成反比，打印喷头沿ρ轴和Z轴的运动速度为恒定值。切片软件产生的G代码应基于本实施的θ轴、ρ轴和Z轴构建出的柱坐标系，并使用圆弧曲线填充的方式进行填充。

可以理解的是：以上打印方法并不是3D打印过程的全部步骤，在执行上述打印方法之前，还需要进行模型扫描或将立体模型输入切片软件以生成G代码，切片软件将生成的G代码传送至控制机构，控制机构通过控制挤丝速度、转台7的转速、打印喷头滑块4的位移等参数来进行3D打印。而模型扫描、立体模型输入、切片软件及控制机构均为本领域技术人员的熟知的常规技术手段。

本实施例的基于FDM的3D打印机构及其打印机和打印方法是基于柱坐标系而设计出的。在打印的过程中，模型随打印基板6绕θ轴旋转，打印喷头沿ρ轴和Z轴运动，实现了以圆弧曲线填充的方式将模型逐渐打印出来。由于在打印旋转体模型的单层截面时，切片软件产生的G代码，都是使用ρ轴和θ轴进行插补的，并且填充路径都是以圆弧曲线的形式进行填充，而圆弧曲线主要是借由模型的旋转而产生的，并不像传统的基于笛卡尔坐标系的3D打印机一样模型固定不定，而需要使打印喷头同时沿X轴和Y轴移动以模拟圆弧曲线。因此，本实施例能够提高模型表面的打印粗糙度和打印速度，特别适合打印空心造型或者是经过抽壳处理的旋转体模型。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。