一种基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，具体涉及一种基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构，属于3D打印机应用技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高和工业制造的发展，增材制造技术已经成为了一个备受关注的领域，在未来的制造业中发挥越来越重要的作用，增材制造的进一步发展和创新将促进我国制造业的创新和竞争力。

FDM技术是一种典型的增材制造工艺，具有成本低、易于操作、材料选择性高和速度快等优点，在工业制造、生物医疗和教育等领域应用十分广泛，然而，当传统的FDM工艺要打印零件的悬垂部分时，需要通过添加额外的支撑结构来防止融丝在进行打印时发生塌陷，才能够完成对零件的完整打印。添加支撑结构不仅会严重影响零件的表面质量，还会延长零件的打印时间和增加材料的消耗。现在尚没有一种结构合理可靠且可以打印出更多复杂的零件、提高打印速度、提高打印精度和节约材料的基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请设计了一种基于FDM工艺的五轴联动3D打印机，采用自由度和打印精度更高的五轴联动设计，实现无支撑打印，这样的设计能够确保打印机在不同方向上的移动更加灵活和自如，为打印提供更好的支持，使其能够打印出更多复杂的零件，提高打印速度和节约材料，为3D打印技术的发展提供技术支撑。

更为了解决现有技术中的问题：A轴和B轴旋转运动正是五轴联动3D打印机的难点与重点，由机械臂驱动的多轴打印机可完成复杂的打印动作，但是成本过高，对广泛应用市场并不适用，所以本申请主要是研究主要由3D打印机整机组成的旋转装置，以简单结构实现复杂动作和高速度等的高性价比五轴联动3D打印机。

为了解决现有技术中的不足，本申请提供了一种基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构，包括：机架，所述机架上分别设有回转组件、翻转组件、打印平台移动组件、挤出机Y轴移动组件和挤出机Z轴移动组件，所述机架底部固定安装有打印平台移动组件，所述打印平台移动组件顶部固定连接翻转组件，所述翻转组件内部设有回转组件，且所述回转组件与所述翻转组件转动连接；所述机架外侧固定安装有挤出机Z轴移动组件，所述挤出机Z轴移动组件传动连接有挤出机Y轴移动组件，且所述挤出机Y轴移动组件的活动部件上固定安装有挤出机。

进一步地，所述回转组件包括打印平台、第一步进电机、U型连接架、带减速比的同步轮组一、同步带一、旋转轴一和支撑旋转打印圆盘的旋转连接板，其中，所述打印平台固定连接有支撑旋转打印圆盘的旋转连接板，所述第一步进电机固定安装至U型连接架内部，所述第一步进电机的输出端以及支撑旋转打印圆盘的旋转连接板底部都与带减速比的同步轮一固定连接，且两个所述带减速比的同步轮一之间通过同步带一传动连接，所述支撑旋转打印圆盘的旋转连接板与U型连接架中部转动连接。

进一步地，所述翻转组件包括带减速比的同步轮二、同步带二、第二步进电机、同步轮支撑座、旋转连接支架和法兰盘，其中，所述带减速比的同步轮二与旋转连接支架外壁转动连接，所述带减速比的同步轮二的数量为两个，两个所述带减速比的同步轮二之间通过同步带二传动连接，较小直径的所述带减速比的同步轮二与第二步进电机输出端固定连接。

进一步地，所述第二步进电机通过同步轮支撑座与旋转连接支架外壁固定连接，所述法兰盘固定安装至U型连接架两端侧壁上，所述U型连接架两端还设有两个深沟球轴承，每个所述深沟球轴承都与法兰盘对应分布，所述旋转连接支架顶部内侧壁与其中一个旋转轴一固定连接，所述旋转轴一延伸至U型连接架的深沟球轴承内，且所述带减速比的同步轮二通过另一个旋转轴一与法兰盘内部固定连接，且两个所述旋转轴一都与深沟球轴承内部转动连接。

进一步地，所述挤出机Y轴移动组件包括第四步进电机、导轨移动光轴二、双杆结构固定座、丝杆连接架、直线轴承、同步轮二、同步带四、丝杆螺母、挤出机固定座以及直线轴承固定座，所述第四步进电机固定安装至双杆结构固定座侧壁，所述导轨移动光轴二两端都与双杆结构固定座固定连接，所述直线轴承固定套接至双杆结构固定座和丝杆连接架内部，所述同步轮二与第四步进电机输出端固定连接，所述同步轮二的数量为两个，另一个所述同步轮二与双杆结构固定座转动连接，两个所述同步轮二之间通过同步带四传动连接。

进一步地，所述丝杆螺母通过螺栓固定至双杆结构固定座和丝杆连接架内部，所述挤出机固定座和直线轴承固定座均活动套接在导轨移动光轴二表面，且所述挤出机固定座和直线轴承固定座均与同步带四一侧固定连接。

进一步地，所述打印平台移动组件包括第三步进电机、导轨移动光轴一、底部连接支架、同步带连接架、直线滑块、步进电机支撑架、同步轮一、同步带三、旋转轴二以及角接触球轴承，所述第三步进电机固定安装至步进电机支撑架底部，所述步进电机支撑架与底部连接支架侧壁固定安装，所述导轨移动光轴一固定安装至底部连接支架底部侧壁。

进一步地，所述同步带连接架和直线滑块均通过定位板与旋转连接支架固定连接，且所述直线滑块活动套接在导轨移动光轴一表面，所述同步轮一与第三步进电机的输出轴固定连接，所述第三步进电机位于其中一个底部连接支架内侧壁，另一个所述底部连接支架固定连接有旋转轴二，所述旋转轴二上转动连接有角接触球轴承，且所述同步轮一和角接触球轴承之间通过同步带三传动连接。

进一步地，所述挤出机Z轴移动组件包括第五步进电机、步进电机固定座、导轨移动光轴三、菱形轴承、联轴器、滚珠丝杆和光杆定位架，所述第五步进电机固定在步进电机固定座底部，所述步进电机固定座、菱形轴承和光杆定位架都固定安装至机架上，所述导轨移动光轴三两端分别固定安装在步进电机固定座和光杆定位架上，所述第五步进电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杆固定连接，所述滚珠丝杆与丝杆螺母内部螺纹套接。

进一步地，所述挤出机包括第六步进电机、散热器、挤出机壳体、加热模块、喷头模块，所述第六步进电机与挤出机壳体侧壁固定连接，所述挤出机壳体与挤出机固定座固定连接，所述散热器与挤出机壳体底部固定连接，所述挤出机壳体底部分别设有加热模块和喷头模块，且所述散热器位于喷头模块一侧。

本申请的有益之处在于：提供了一种结构合理可靠且可以打印出更多复杂的零件、提高打印速度、提高打印精度和节约材料的基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构，其旋转组件通过增加X轴和Z轴的旋转运动，再通过控制驱动所需的脉冲数，调节步进电机所需要旋转的角度，就可以控制旋转打印平台的旋转角度，从而实现对打印平台的驱动，完成打印平台在不同方向上的运动；采用模块化设计理念，包括X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴五个模块，X轴模块的功能是使工作平台进行前后移动、Y轴模块和Z轴模块的功能是使打印喷头左右移动和上下移动、A轴模块和B轴模块的功能是分别使打印平台在X轴方向进行翻转运动和Z轴方向进行回转；X轴和Y轴采用双导轨结构，通过对双步进电机的同步控制完成对X轴和Y轴的驱动，增加运动稳定性和打印精度；自由度和打印精度更高的五轴联动设计，这样的设计能够确保打印机在不同方向上的移动更加灵活和自如，为打印提供更好的支持，使其能够打印出更多复杂的零件，提高打印速度和节约材料，实现无支撑打印，为我国的3D打印技术的发展提供技术支撑。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请一种实施例的一种基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构的结构示意图；

图2是图1所示实施例中第一视角结构示意图；

图3是图2所示实施例中回转机构的结构示意图；

图4是图2所示实施例中翻转机构的结构示意图；

图5是图2所示实施例中打印平台移动机构的结构示意图；

图6是图2所示实施例中挤出机Y轴移动机构的结构示意图；

图7是图2所示实施例中挤出机Z轴移动机构的结构示意图；

图8是图2所示实施例中挤出机的结构示意图。

图中附图标记的含义：

1、机架，2、回转组件，201、打印平台，202、第一步进电机，203、U型连接架，204、带减速比的同步轮一，205、同步带一，206、旋转轴一，207、支撑旋转打印圆盘的旋转连接板，3、翻转组件，301、带减速比的同步轮二，302、同步带二，303、第二步进电机，304、同步轮支撑座，305、旋转连接支架，306、法兰盘，4、打印平台移动组件，401、第三步进电机，402、导轨移动光轴一，403、底部连接支架，404、同步带连接架，405、直线滑块，406、步进电机支撑架，407、同步轮一，408、同步带三，409、旋转轴二，410、角接触球轴承，5、挤出机Y轴移动组件，501、第四步进电机，502、导轨移动光轴二，503、双杆结构固定座，504、丝杆连接架，505、直线轴承，506、同步轮二，507、同步带四，508、丝杆螺母，509、挤出机固定座，510、直线轴承固定座，6、挤出机Z轴移动组件，601、第五步进电机，602、步进电机固定座，603、导轨移动光轴三，604、菱形轴承，605、联轴器，606、滚珠丝杆，607、光杆定位架，7、挤出机，701、第六步进电机，702、散热器，703、挤出机壳体，704、加热模块，705、喷头模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1至图2，基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构包括：机架1，所述机架1上分别设有回转组件2、翻转组件3、打印平台移动组件4、挤出机Y轴移动组件5和挤出机Z轴移动组件6，所述机架1底部固定安装有打印平台移动组件4，所述打印平台移动组件4顶部固定连接翻转组件3，所述翻转组件3内部设有回转组件2，且所述回转组件2与所述翻转组件3转动连接；所述机架1外侧固定安装有挤出机Z轴移动组件6，所述挤出机Z轴移动组件6传动连接有挤出机Y轴移动组件5，且所述挤出机Y轴移动组件5的活动部件上固定安装有挤出机7。

参照图1至图3，作为优选方案，所述回转组件2包括打印平台201、第一步进电机202、U型连接架203、带减速比的同步轮组一204、同步带一205、旋转轴一206和支撑旋转打印圆盘的旋转连接板207，其中，所述打印平台201固定连接有支撑旋转打印圆盘的旋转连接板207，所述第一步进电机202固定安装至U型连接架203内部，所述第一步进电机202的输出端以及支撑旋转打印圆盘的旋转连接板207底部都与带减速比的同步轮一204固定连接，且两个所述带减速比的同步轮一204之间通过同步带一205传动连接，所述支撑旋转打印圆盘的旋转连接板207与U型连接架203中部转动连接，通过驱动第一步进电机201，带减速比的同步轮一204和同步带一205的传动配合，较大的带减速比的同步轮一204与旋转轴一206固定在一起，再通过控制驱动所需的脉冲数，调节第一步进电机201所需要旋转的角度，就可以控制旋转打印平台201的旋转角度，从而实现对打印平台201的一定角度回转。

参照图1至图2以及图4，作为具体方案，所述翻转组件3包括带减速比的同步轮二301、同步带二302、第二步进电机303、同步轮支撑座304、旋转连接支架305和法兰盘306，其中，所述带减速比的同步轮二301与旋转连接支架305外壁转动连接，所述带减速比的同步轮二301的数量为两个，两个所述带减速比的同步轮二301之间通过同步带二302传动连接，较小直径的所述带减速比的同步轮二301与第二步进电机303输出端固定连接，通过调节第二步进电机303的回转角度可以控制翻转角度，从而实现对打印平台201的旋转驱动。

参照图1至图2以及图4，作为具体方案，所述第二步进电机303通过同步轮支撑座304与旋转连接支架305外壁固定连接，所述法兰盘306固定安装至U型连接架203两端侧壁上，所述U型连接架203两端还设有两个深沟球轴承，每个所述深沟球轴承都与法兰盘306对应分布，所述旋转连接支架305顶部内侧壁与其中一个旋转轴一206固定连接，所述旋转轴一206延伸至U型连接架203的深沟球轴承内，且所述带减速比的同步轮二301通过另一个旋转轴一206与法兰盘306内部固定连接，且两个所述旋转轴一206都与深沟球轴承内部转动连接。

参照图1至图2以及图6，作为具体方案，所述挤出机Y轴移动组件5包括第四步进电机501、导轨移动光轴二502、双杆结构固定座503、丝杆连接架504、直线轴承505、同步轮二506、同步带四507、丝杆螺母508、挤出机固定座509以及直线轴承固定座510，所述第四步进电机501固定安装至双杆结构固定座503侧壁，所述导轨移动光轴二502两端都与双杆结构固定座503固定连接，所述直线轴承505固定套接至双杆结构固定座503和丝杆连接架504内部，所述同步轮二506与第四步进电机501输出端固定连接，所述同步轮二506的数量为两个，另一个所述同步轮二506与双杆结构固定座503转动连接，两个所述同步轮二506之间通过同步带四507传动连接。

参照图1至图2以及图6，作为具体方案，所述丝杆螺母508通过螺栓固定至双杆结构固定座503和丝杆连接架504内部，所述挤出机固定座509和直线轴承固定座510均活动套接在导轨移动光轴二502表面，且所述挤出机固定座509和直线轴承固定座510均与同步带四507一侧固定连接，通过第四步进电机501的驱动和同步轮二506的传动完成打印平台201的水平移动。

参照图1至图2以及图5，作为具体方案，所述打印平台移动组件4包括第三步进电机401、导轨移动光轴一402、底部连接支架403、同步带连接架404、直线滑块405、步进电机支撑架406、同步轮一407、同步带三408、旋转轴二409以及角接触球轴承410，所述第三步进电机401固定安装至步进电机支撑架406底部，所述步进电机支撑架406与底部连接支架403侧壁固定安装，所述导轨移动光轴一402固定安装至底部连接支架403底部侧壁，通过第三步进电机401的驱动和同步轮一407的传动完成打印平台201的水平移动。

参照图1至图2以及图5，作为具体方案，所述同步带连接架404和直线滑块405均通过定位板与旋转连接支架305固定连接，且所述直线滑块405活动套接在导轨移动光轴一402表面，所述同步轮一407与第三步进电机401的输出轴固定连接，所述第三步进电机401位于其中一个底部连接支架403内侧壁，另一个所述底部连接支架403固定连接有旋转轴二409，所述旋转轴二409上转动连接有角接触球轴承410，且所述同步轮一407和角接触球轴承410之间通过同步带三408传动连接。

参照图1至图2以及图7，作为具体方案，所述挤出机Z轴移动组件6包括第五步进电机601、步进电机固定座602、导轨移动光轴三603、菱形轴承604、联轴器606、联轴器606和光杆定位架607，所述第五步进电机601固定在步进电机固定座602底部，所述步进电机固定座602、菱形轴承604和光杆定位架607都固定安装至机架1上，所述导轨移动光轴三603两端分别固定安装在步进电机固定座602和光杆定位架607上，所述第五步进电机601输出轴通过联轴器606与联轴器606固定连接，所述联轴器606与丝杆螺母508内部螺纹套接，通过第五步进电机601的驱动和联轴器606的传动完成打印平台201的垂直移动。

参照图1至图2以及图8，作为具体方案，所述挤出机7包括第六步进电机701、散热器702、挤出机壳体703、加热模块704、喷头模块705，所述第六步进电机701与挤出机壳体703侧壁固定连接，所述挤出机壳体703与挤出机固定座509固定连接，所述散热器702与挤出机壳体703底部固定连接，所述挤出机壳体703底部分别设有加热模块704和喷头模块705，且所述散热器702位于喷头模块705一侧。

本申请的技术方案，整个基于FDM技术的五轴联动3D打印机结构以简单结构实现复杂动作和高速度等的高性价比五轴联动3D打印机，在使用时，将装置外接电源，外接控制器，装置复位准备启动；将准备好的PLA打印材料放置在打印料支撑座上、再将耗材的端部装入挤出机壳体703当中；通过控制器给加热模块704输入加热指令，等待打印机和喷头模块705加热到设定温度，控制器发出运动指令后，首先是打印平台移动组件4和挤出机Y轴移动组件5和挤出机Z轴移动组件6进行运动，第三步进电机401、第四步进电机501和第五步进电机601启动，移动整个滑台和挤出机壳体703移动至复位位置，并将喷头模块705移动至打印平台201上方，开始打印工作；在准备工作进行完成后，通过控制器发出打印工作指令后，第六步进电机701开始运动，将加热融化的熔丝均匀挤出，同时第三步进电机401通过同步带连接架404与旋转连接支架305相连接，第四步进电机501通过同步轮二506与挤出机固定座509和直线轴承固定座510相连接，第五步进电机601通过联轴器606与联轴器606相连接，通过对第三步进电机401、第四步进电机501和第五步进电机601的移动联动驱动，实现对打印的X轴、Y轴和Z轴移动，完成在X-Y平面进行零件的打印，打印完成一层后，第五步进电机601将会通过联轴器606控制挤出机壳体703上升到设定好的距离，然后再在该层接着打印，如此重复打印；在打印过程中，如果需要打印到悬空部分时，通过控制器发出旋转工作指令后，第一步进电机202通过带减速比的同步轮一204与支撑旋转打印圆盘的旋转连接板207相连接，第二步进电机303通过带减速比的同步轮二301与U型连接架203相连接，通过对第一步进电机202、第二步进电机303、第三步进电机401、第四步进电机501和第五步进电机601的联动驱动，实现对打印的X轴移动运动、Y轴移动运动、Z轴移动运动、A轴翻转运动和B轴旋转运动联动来实现对悬空部分的打印，如此反复进行，直至打印件被打印完成；在打印过程中，程序控制系统将保证打印工作过程的正常运行，当喷头模块705运动到最高点和打印平台201运动到最前端时，即喷头模块705和打印平台201恢复初始化的时候，完成整体的打印工作。

以上仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。