基于熔融沉积型的五轴3D打印机的机械系统的制作方法

本实用新型属于3d打印技术领域，尤其涉及一种基于熔融沉积成型的五轴3d打印装置和机械结构。

背景技术：

基于熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling，fdm)的3d打印技术是3d打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用的打印各种复杂实物模型与工艺品。但是目前市场上的fdm打印机采用的是两轴半的成型工艺，即x轴和y轴联动，竖直轴z做阶段性进给。这种成型装置和工艺在打印复杂工件时需要添加大量的工件以外的支撑，去除支撑不仅耗费大量工时而且影响工件质量。然而，目前已经有装置把喷头连接在多自由度机械臂上，这种装置的缺陷是当喷头与竖直轴z不平行时，打印材料在熔融状态下容易流动进而影响工件质量。另外，国内有高校将打印工作台安装在机械臂上，这种装置从液态材料流动的角度来说比前一种装置的打印效果好，但是机械臂的定位精度通常没有丝杠-滑台装置的定位精度高。因此，基于传统的五轴铣削设备而设计的五轴fdm打印机具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

针对现有fdm型三维打印机所存在的不能实现多轴打印的问题，本实用新型提供一种基于熔融沉积型的五轴3d打印机的机械系统，主体方案如下：该系统主要包括实现x、y、z三轴移动的导轨机构和用于完成转动工件的a、c轴的旋转机构。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于熔融沉积型的五轴3d打印机的机械系统，包括用于实现喷丝机构x、y轴移动的导轨机构，还包括用于放置加热热床的方框架，以及用于实现所述方框架z轴移动的导轨机构和用于实现所述方框架a、c轴转动的旋转机构。

进一步的，所述用于实现方框架z轴移动的导轨机构包括四个z轴导轨、两个z轴滚珠丝杆，均设有z轴导轨滑块；所述方框架的两侧通过法兰与支撑座连接，支撑座的底部连接水平板，四个z轴导轨上分别设有导轨连接板，水平板放置在导轨连接板上，支撑座的侧面连接z轴导轨滑块，z轴滚珠丝杠一端与打印机底部机架通过轴承底座连接，另一端与固定在打印机顶部机架上的z轴步进电机输出轴通过联轴器连接，z轴步进电机驱动水平板在z轴方向运动，进而带动方框架在z轴方向运动。

进一步的，所述加热热床的下方设有三维转台，所述三维转台安装在方框架上，底部安装着a轴步进电机可驱动三维转台实现a轴方向的转动。

进一步的，所述三维转台上放置有调平板，调平板固定后可用水准仪使三维转台处于水平位置以确保方框架处于绝对零点的位置，调平板的四个角有四个调平螺钉连接于加热热床，调平螺钉调节加热热床使得其在最佳位置，此位置可用于打印前对z轴的对刀。

进一步的，所述方框架的一侧与减速箱连接，减速箱通过z轴导轨滑块固定在z轴滚珠丝杠上，减速箱还连接着c轴步进电机，c轴步进电机驱动方框架在a轴方向的转动，减速箱的作用在于控制方框架的转动速率，防止工件出现偏置。

有益效果：本实用新型有效解决了传统3d打印机所存在的支撑过多、打印精度低、支撑材料难以处理和传动性能差等特点，而且具有结构轻便、安装简单、定位精度高和连续工作时间长等优点。该五轴3d打印机在不采用支撑的情况下打印复杂工件，不仅提高了制造精度，还极大地扩大了3d打印机的应用范围，提高了经济效益。

附图说明

图1——打印机主视图；

图2——打印机侧视图；

图3——打印机俯视图；

图4——打印机轴测图1；

图5——打印机轴测图2；

图6——a、c轴及打印平台视图；

图7——x、y轴视图；

图8——z轴驱动视图；

图9——平台机架轴测图。

其中，图1～3展示的各部件如下：1—y轴步进电机，2—4040铝型材，3—同步带，4—z轴步进电机，5—x轴步进电机，6—打印机机架，7—水平测试块，8—同步带轮，9—轴承底座，10—直角角铁，11—地脚，12—电器柜，13—导轨连接板，14—水平金属板，15—铝合金支撑座，16—方框架，17—方形法兰，18—调节螺钉，19—调平铝板，20—加热热床，21—三维转台，22—x轴光轴导轨，23—水平横梁，24—电机支撑座，25—矩形支架，26—联轴器，27—x轴限位开关，28—l型铝合金板，29—方形连接件，30—减速箱，31—c轴步进电机，32—导轨滑块，33—a轴步进电机，34—z轴光轴导轨，35—y轴光轴导轨，36—y轴限位开关，37—挤丝步进电机，38—散热风扇，39—喉管，40—喷头，41—滚珠丝杠，42—水平基座，43—z轴限位开关。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1～9所示，本发明公开了一种基于fdm熔融沉积型的五轴3d打印机的机械系统。在打印机顶部的前后方向(y方向)的4040铝型材2上固定四个方形轴承底座9，方形轴承底座9上固定同步带轮8，正前方的两个y轴步进电机1通过矩形支架25支撑在4040铝型材2上，电机的输出轴贯穿于连接在轴承座上9的同步带轮8中，y轴步进电机1的输出轴可以驱动同步带轮8的转动进而控制同步带3的移动，两侧的同步带通过直角角铁10与x轴方向的横梁23固定，同步带3的移动可以带动整个导轨机构在y方向的移动。

在横梁23上的左右方向(x方向)上以固定y轴步进电机1同样的方式固定两个x轴步进电机5，同步带轮8在电机的驱动下带动同步带3移动，同步带3与l型铝合金板28固定，l型铝合金板28上与喷丝系统的方形连接件29通过螺纹连接。

所述方框架的一侧通过方形法兰17与铝合金支撑座15连接，铝合金支撑座15的底部连接水平金属板14，水平金属板14支撑着整个打印平台，水平金属板14由导轨连接板13支撑，铝合金支撑座15的侧面连接z轴导轨滑块32，z轴滚珠丝杠41一侧与打印机底部机架通过方形轴承底座9连接，一侧与固定在打印机顶部机架上的z轴步进电机4输出轴通过联轴器26连接，z轴步进电机4从而驱动水平金属板14在z方向运动。

所述三维转台21安装在方框架16上，底部安装着a轴步进电机33可以驱动三维转台21实现a轴方向(与z方向平行的轴)的转动。在转台上放置了一块调平铝板19，调平铝板19固定后可用水准仪使三维转台21处于水平位置以确保方框架处于绝对零点的位置，铝板的四个角有四个调平螺钉18连接于加热热床20，调平螺钉18调节加热热床20使得其在最佳位置，此位置可用于打印前对z轴的对刀。

方框架16的另一侧与减速箱30连接，减速箱30通过z轴导轨滑块32固定在滚珠丝杠41上，此外减速箱30还连接着c轴步进电机31，电机31驱动方框架16在a轴方向的转动，减速箱30的作用在于控制方框架16的转动速率，防止工件出现偏置。

在打印机顶部的4040铝型材2上的对角线位置分别放置两个水平测试块7，水平测试块7经过测量与校准，安装时确保在水平位置，对于以后的定位有极其重要的作用。当位于对角位置的水平测试块7上分别放置水准仪时，可以观测打印机的机架是否水平。整个打印装置通过地脚11放置于地面，地脚11的长度可以通过相应的螺母调节，因此可以通过观察水准仪和调整各地脚的螺母来确保机架水平。

当上位机读取g指令后传达给控制系统，控制系统驱动机械系统的运动。当挤丝步进电机37处于一般位置后，收到指令后会先回到x轴和y轴的零点。x轴步进电机5得到指令后会率先工作，通过同步带3的作用驱动挤丝步进电机37在x轴固定导轨22上滑动，在x轴固定导轨22的右侧装有x轴限位开关27，当固定挤丝步进电机37的l型铝合金板28触碰到x轴限位开关27后即表明x轴返回到原点；此时喷丝系统在y轴方向开始归零，y轴步进电机1开始工作，y轴步进电机1的输出轴转动使得联轴器26带动同步带轮8的转动，从而驱动同步带3的移动，y轴同步带3与水平横梁23固结一起，随后带动横梁23及其导轨22整体前进，直至水平横梁23触碰到y轴限位开关36。

旋转机构有a、c三个自由度，归零时的顺序是先c轴后a轴。三维转台21固定在方框架16上，方框架16的两端的输出轴固定在方形法兰上实现转动。c轴步进电机31在y轴回到原点后开始工作，驱动方框架的转动，直到转到水平位置后停止。而后三维转台要回归原点，转台21在a轴步进电机33的驱动下返回原点，加热热床20通过调节螺钉18与调平铝板19相连，从而实现在a和c轴归零后再对打印平台水平的调节。

当其他轴都归零后，z轴步进电机4完成最后的归零工作。z轴归零以其中一个导轨连接板13触碰到z轴限位开关43为准。工作台通过导轨连接板13固连在导轨34上，而固定在水平金属板14上的铝合金支撑座15有固连在滚珠丝杠41上，z轴双步进电机4驱动滚珠丝杠41使工作台实现上下运动。当z轴归零后，整个机器回归到机床零点，此时可取下工件关闭电源。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。