一种多喷头3d打印机及其协同打印方法
【技术领域】
[0001]本发明属于3D打印装置技术领域，具体涉及一种基于熔融挤出成型(FDM)原理的具有多个喷头分区协同工作的3D打印机及打印方法。
【背景技术】
[0002]目前的3D打印技术都采用了逐层(逐点)打印加工的方法，导致打印速度和打印精度互相被绑架，出现了被称为“3D打印悖论”的现象，若提高精度必然导致速度的降低；反之，若提高速度必然导致精度的下降，多喷头协同工作是解决这一问题的一个有效途径。现有的多喷头3D打印机都是多喷头分时交替工作，实现3D打印多材料多颜色，因为没有解决多喷头独立运动结构与协同工作机制，多个喷头不能在同一时刻共同打印，无法真正提高工作效率。现在提高3D打印效率主要还停留在两种方法上，一是靠降低打印精度提高打印速度；二是通过减少内部填充提高打印速度，这样导致改变了打印件的内部结构，降低其强度。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:本发明提出一种多喷头分区协同工作3D打印机，多喷头具有独立运动结构，进行分区协同打印，通过软件合理规划路径实现分区间无缝连接，同时避免多喷头间相互干扰，极大提高了 3D打印效率，成倍缩短了大型3D制备件的加工时间。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种多喷头3D打印机，包括运动机构及控制单元；所述运动机构包括机体、固定在机体上的XY运动组件及Z轴运动机构、位于Z轴运动机构上的打印平台；所述XY运动组件上设有N个相互独立运动的X轴运动机构、N个相互独立运动的Y轴运动机构及N个相互独立工作的送丝机构；所述N多1，且N为整数；每个X轴运动机构上设有一个喷头，每个送丝机构对应一个喷头；所述打印平台为所有喷头共用；所述XY运动组件包括回字形中空支架，支架的左右两端固定有Y轴导杆及齿条，多个X轴运动机构和多个Y轴运动结构沿Y轴导杆平行排列；所述控制单元包括分别与控制器连接的主机、喷头驱动装置及检测装置。
[0005]进一步的，所述X轴运动机构包括连接架、X轴驱动电机、X轴运动导杆、传动带；所述连接架位于X轴运动机构的两端，通过轴承连接在Y轴导杆上；两根X轴运动导杆的两端分别固定于两个连接架之间，所述喷头通过轴套套接在X轴运动导杆上；所述X轴驱动电机固定在连接架上，所述X轴驱动电机通过传动带与喷头连接。
[0006]进一步的，所述Y轴运动机构包括Y轴驱动电机、Y轴传动杆、齿轮；所述Y轴传动杆固定于连接架上，两端分别与齿轮连接，所述齿轮与齿条啮合；所述Y轴传动杆位于X轴运动导杆上端，且与X轴运动导杆相互平行；所述Y轴驱动电机固定于连接架上，通过联轴器与Y轴传动杆连接。
[0007]进一步的，所述Z轴运动机构位于XY运动组件下面，且与XY运动组件垂直，包括Z轴驱动电机、传动轮、Z轴传动丝杆、Z轴运动导杆及打印平台支架；所述Z轴驱动电机通过传动带与传动轮连接，所述传动轮与Z轴传动丝杆连接，所述Z轴运动导杆与Z轴传动丝杆平行，分别穿过打印平台支架，所述打印平台支架上固定有滚珠螺母与Z轴传动丝杆链接；所述打印平台位于打印平台支架上。
[0008]进一步的，所述送丝机构位于XY运动组件上，包括送丝电机、导向滑杆、导向轮及导丝管；所述送丝电机集成在喷头中，所述导向滑杆两端固定在XY运动组件支架上，位于齿条上方，且与齿条平行；所述导向轮通过轴套套接在导向滑杆上，所述导丝管置于导向轮的凹槽中。
[0009]进一步的，所述主机通过通信接收装置接收打印命令，形成数据包传输给控制器，控制器接收的数据包暂存在缓存区，等待控制器处理；所述检测装置接收按键信号、温度传感信号、位置传感信号传输给控制器；所述控制器进行命令解析与数据分发，以及产生喷头运动与加热控制信号；所述喷头驱动装置根据控制信号，实现χ-γ-ζ轴电机、送丝电机、喷头加热元件、打印平台加热元件的功率驱动。
[0010]进一步的，所述控制单元还包括显示与报警装置。
[0011]本发明的一种多喷头3D打印机的协同打印方法，步骤为:
[0012](1)将打印平台按照打印头个数N平均分成N个打印分区，每个分区对应一个打印头;
[0013](2)将需要打印的三维模型载入用户软件的虚拟打印平台；
[0014](3)进行三维模型切片获得模型的待打印截面；
[0015](4)对每层切片整体进行打印路径规划，对落入不同分区的路径进行重新规划，采用就近原则从距离打印头最近的路径开始，依次排序所有分区内的路径；
[0016](5)整理分区的数据形成打印数据包，输送至控制器，由喷头驱动装置接收控制器发出的信号，带动喷头完成打印工作。
[0017]进一步的，步骤(1)中每个分区的宽度W大于等于打印头宽度的2倍；相邻的上下两层分区始终保持距离为d的错位。
[0018]进一步的，步骤(4)中将每个分区等分成左子分区和右子分区，对单个子分区的打印路径重新排序，打印过程中所有打印头先进行某一子分区的打印任务，完成后，所有打印头再一起移动到另一子分区进行打印。
[0019]本发明与现有技术相比的积极效果为:本发明通过设置X、Y轴独立运动结构，多喷头共用一个打印平台，使得喷头数量任意拓展，且便于进行分区协同打印，软件通过合理路径规划实现分区间无缝连接，同时避免多喷头间相互干扰，极大提高了 3D打印效率，尤其成倍缩短大型3D制备件的加工时间。
【附图说明】
[0020]图1为本发明3D打印机整体结构示意图；
[0021 ] 图2为本发明3D打印机的XY运动组件结构图；
[0022]图3为本发明3D打印机的X轴运动机构立体结构图；
[0023]图4为本发明3D打印机的Z轴运动机构立体结构图；
[0024]图5为本发明3D打印机的运动结构示意图；
[0025]图6为本发明3D打印机的控制单元示意图；
[0026]图7为本发明3D打印方法的打印分区示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0028]—种多喷头分区协同工作的3D打印机，包括运动机构及控制单元。参见图1-图5，所述运动机构包括机体7、XY运动组件、Ζ轴运动机构3、打印平台4，所述ΧΥ运动组件上设有Ν个X轴运动机构1、Ν个Υ轴运动机构2、Ν个送丝机构5及Ν个喷头6 ;所述Ν多1，且Ν为整数。所述Ν个X轴运动机构1相互独立运动，每个X轴运动机构1对应有一个喷头6 ;所述Ν个Υ轴运动机构2相互独立运动；所述Ζ轴运动机构3只有一个，统一调整所有喷头6相对于打印平台4的高度；所述Ν个送丝机构5相互独立工作，每个送丝机构5对应一个喷头6 ;所述打印平台4只有一个，为所有喷头6共用；多个X轴运动机构和多个Υ轴运动结构沿Υ轴导杆平行排列；打印空间沿Υ轴方向由位置传感器9均分成Ν个打印分区。
[0029]所述ΧΥ运动组件包括回字形中空支架8，支架的左右两端固定有Υ轴导杆207及齿条206，多个X轴运动机构1和多个Υ轴运动结构2沿Υ轴导杆207平行排列。
[0030]所述X轴运动机构1包括连接架104、X轴驱动电机101、X轴运动导杆102、传动带103 ;所述连接架位于X轴运动机构的两端，通过轴承204连接在Υ轴导杆207上可以前后移动；两根X轴运动导杆102的两端固定于两个连接架104之间，所述喷头6通过轴套套接在运动导杆102上；所述X轴驱动电机101位于连接架104下端，X轴驱动电机101通过传动带103驱动喷头6沿X轴运动导杆102运动，实现X轴向运动；Χ轴运动机构1模块化，便于任意扩展。
[0031]所述Υ轴运动机构2包括Υ轴驱动电机201、Υ轴传动杆202、齿轮203、轴承204、联轴器205、齿条206、Υ轴导杆207 ;所述Υ轴传动杆202固定于连接架104上，两端分别与齿轮203连接，所述齿轮203与齿条206啮合；所述Υ轴传动杆202位于X轴运动导杆102上端，且与X轴运动导杆102相互平行；所述Υ轴驱动电机201位于连接架104上端，通过联轴器205驱动Υ轴传动杆202转动，带动齿轮203转动，从而带动轴承204在Υ轴导杆207上移动，实现Υ轴向运动。
[0032]所述Ζ轴运动机构3位于ΧΥ运动组件下面，且与ΧΥ运动组件垂直，包括Ζ轴驱动电机、传动轮301、Ζ轴传动丝杆302、Ζ轴运动导杆303，打印平台支架304。所述Ζ轴驱动电机通过传动带与传动轮301连接，所述传动轮301与Ζ轴传动丝杆302连接，所述Ζ轴运动导杆303与Ζ轴传动丝杆302平行，分别穿过打印平台支架304，所述打印平台支架上固定有滚珠螺母与Ζ轴传动丝杆链接。Ζ轴驱动电机