一种用于教学和家庭的小型一体化3d打印机
阅读说明：本技术 一种用于教学和家庭的小型一体化3d打印机 (A small-size integration 3D printer for teaching and family ) 是由 杜学文 杨泽日 潘炳 王子寅 张雨林 刘祥如 徐巧宁 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：一种用于教学和家庭的小型一体化3D打印机,包括：外壳；喷头水平位置调节装置,包括X轴水平移动机构和Y轴水平移动机构,其中X向水平移动机构悬装于外壳的顶部,X轴水平移动机构的X向移动部滑动安装于X向固定部上；Y轴水平移动机构的Y向固定部安装于X向水平移动机构的X向移动部；Y轴水平移动机构的Y向移动部滑动安装于Y向固定部上；物料供给装置,包括熔融输送单元和供料单元；升降式模型承载装置,包括打印平台和Z轴升降装置；以及打印控制装置,包括控制面板和打印控制器。本发明具有如下有益效果：模块清晰,方便自行组装；打印产品安全快捷；喷头运动灵活,打印过程稳定可靠。(A small-size integration 3D printer for teaching and family includes: a housing; the horizontal position adjusting device of the spray head comprises an X-axis horizontal moving mechanism and a Y-axis horizontal moving mechanism, wherein the X-axis horizontal moving mechanism is suspended at the top of the shell, and an X-axis moving part of the X-axis horizontal moving mechanism is slidably arranged on an X-axis fixing part; the Y-direction fixing part of the Y-axis horizontal moving mechanism is arranged on the X-direction moving part of the X-direction horizontal moving mechanism; a Y-direction moving part of the Y-axis horizontal moving mechanism is slidably arranged on the Y-direction fixing part; the material supply device comprises a melting conveying unit and a feeding unit; the lifting model bearing device comprises a printing platform and a Z-axis lifting device; and a print control device including a control panel and a print controller. The invention has the following beneficial effects: the module is clear, and the self-assembly is convenient; the printed product is safe and quick; the spray head moves flexibly, and the printing process is stable and reliable.)
技术领域
本发明涉及一种用于教学和家庭的小型一体化3D打印机。
背景技术
3D打印技术是一门不断发展进步的新型高科技成型技术，它是一种利用计算机的三维图形为原型，利用激光，熔融等方式将金属，有机复合塑料，陶瓷，粉末等耗材按照所制定的路径进行填充并粘结成型的一种成型技术。对比传统制造业，3D打印成型技术能够在一定程度上降低制作的难度，它不需要大型的机床模具等，从而在一定程度上降低了生产成本，且缩短了生产周期。3D打印技术的出现对于制造业来说是一个里程碑式的存在，有些国家将3D打印技术看做是一次新的工业革命，可以看出3D打印技术在现今具有重大的研究意义，成为了国内外的共同关注。
目前3D打印技术主要应用于制造业，但该技术在日常生活中尚未得到充分的普及和推广，还没能真正走进普通家庭成为生活中的助力。且目前市场上存在的打印机普遍存在打印喷头易堵塞、传动不够平稳等问题，在日常使用中会造成不便，影响加工精度。
发明内容
为了克服市场上现有的家用3D打印机喷头不够灵活易堵塞、Z 轴传动不够平稳等问题，提供一种用于教学和家庭的小型一体化3D 打印机，这种3D打印机结构简易，性能稳定可靠，打印产品安全快捷，且3D打印机易于增减模块，方便拆装，便于家庭的日常使用。
本发明所述的一种用于教学和家庭的小型一体化3D打印机，其特征在于，包括：
外壳，包括壳体以及铰接在壳体上的挡板，壳体具有一用于安装并打印的打印腔，且外壳顶部设有用于观察打印腔内打印情况的天窗，外壳侧挡板上设有用于在打印腔取放物品的取放口，并在取放口处铰接挡门；
喷头水平位置调节装置，包括X轴水平移动机构和Y轴水平移动机构，其中X向水平移动机构悬装于外壳的顶部，X轴水平移动机构的X向移动部滑动安装于X向固定部上；Y轴水平移动机构的 Y向固定部安装于X向水平移动机构的X向移动部，使得Y轴水平移动机构在X向移动部带动下可沿X向水平移动机构的X向固定部移动；Y轴水平移动机构的Y向移动部滑动安装于Y向固定部上；
物料供给装置，包括用于熔化线材并将其喷涂至模型承载装置的熔融输送单元和用于向熔融输送单元输送未熔融线材的供料单元，供料单元悬装于外壳的顶部横梁上，并且供料单元的出料部向熔融输送单元输送未熔融线材；熔融输送单元安装于Y向移动部，熔融输送单元的喷头对准移动式打印平台；
升降式模型承载装置，包括打印平台和Z轴升降装置，Z轴升降装置设置于喷头水平位置调节装置与打印平台之间，并且Z轴升降装置的顶部与喷头水平位置调节装置滑动连接；Z轴升降装置的底部与打印平台螺接，使得打印平台在Z轴升降装置的带动下沿Z轴方向垂直升降以调整打印平台与熔融输送单元之间间距；
以及打印控制装置，包括控制面板和打印控制器，其中控制面板设置于外壳的正面，用于调整打印参数；打印控制器的输电端与外部电源电连接，打印控制器的信号传输端口与控制面板信号输出端分别与物料供给装置的控制端、喷头水平位置调节装置的控制端、升降式模型承载装置的控制端信号连接，用于控制物料供给装置、喷头水平位置调节装置以及升降式模型承载装置工作。
所述壳体包括框架以及围挡在壳体外部的挡板，框架为由四根立柱和八根横杆组成的立方体框架，并且框架外部覆盖透明挡板，而框架顶部的透明挡板上设有天窗，框架其中一侧挡板上设有取放口，并在取放口处铰接挡门。
所述X轴水平移动机构包括X轴步进电机、一对作为X向固定部并平行布置的X向轨道组件以及一对作为X向移动部并分别套设于相应X向轨道组件的X向导轨限位块，所述X轴步进电机安装于 Z轴升降装置的顶部，并通过位移限定传送带与其中一套X向轨道组件的第一齿同步轮皮带连接；所述X向轨道组件包括第一连接光杆、第一固定架、第一齿同步轮以及第一齿型皮带，所述第一连接光杆通过第一固定架水平悬装于壳体顶部，所述第一连接光杆端部各套设一第一齿同步轮，第一齿型皮带两端通过两个第一齿同步轮张紧，并且第一齿型皮带与第一齿同步轮啮合，使得第一齿型皮带在两个第一齿同步轮带动下周向转动；所述第一齿型皮带上固设一X向导轨限位块，两块X向导轨限位块之间安装Y轴水平移动机构，定义第一齿型皮带的长度方向为X向。
所述Y轴水平移动机构包括Y轴步进电机、一对作为Y向固定部并平行布置的Y向轨道组件以及一对作为Y向移动部分别套设于相应Y向轨道组件的Y向导轨限位块，所述Y轴步进电机通过端盖悬装于Y向轨道组件上，并与其中一套Y向轨道组件的第二齿同步轮连接；所述Y向轨道组件包括第二连接光杆、第二固定架、第二齿同步轮以及第二齿型皮带，所述第二连接光杆通过第二固定架水平悬装于壳体顶部，所述第二连接光杆端部各套设一第二齿同步轮和第二套筒，所述第二连接光杆与第一连接光杆交错排列连接成一水平悬装于壳体顶部的矩形结构，相连的第一连接光杆、第二连接光杆端部通过一组相互啮合的齿同步轮组相互连接，第二齿型皮带两端通过两个第二齿同步轮张紧，并且第二齿型皮带与第二齿同步轮啮合，使得第二齿型皮带在两个第二齿同步轮带动下周向转动；所述第二齿型皮带上固设一Y向导轨限位块，作为Y向移动部的两块Y向导轨限位块之间安装第一限位光杆，并且所述第一限位光杆上配装一用于安装熔融输送模块的滑移块，滑移块套设在第二限位光杆上，并且第二限位光杆的两端部分别与同侧的Y向导轨限位块固接，第二固定架有两个通孔部分，两个通孔部分设置限位器；定义第二齿型皮带的长度方向为Y向。
供料单元包括第一步进电机和线材输送机构，所述线材输送机构安装于横梁上，第一步进电机通过螺栓与线材输送机构固接，第一步进电机的输出齿轮与线材输送机构的动力输入齿轮啮合，用于带动线材输送机构上的动力输入齿轮转动并定量输送线材，使线材输送至熔融输送模块的加热块处。
所述熔融输送单元包括第一连接环、加热块、铜导管、喷头以及温度检测块，加热块固设于Y轴水平移动机构的Y向移动部，并随Y向移动部同步移动；加热块套设于铜导管的外部，上部嵌装第一连接环，下部固装温度检测块，加热块的加热连接端通过导线与打印控制器的加热电路相应信号连接端口电连接，用于对置于加热块内腔的铜导管进行加热；铜导管的上端套有第一连接环，铜导管的下端与喷头相连通，形成可对线材进行熔融并喷涂的熔融通路，其中喷头对准打印平台，以对打印平台进行喷涂。
所述的Z轴升降装置分别对称安装在壳体两侧立柱外侧，包括光杆固定架、竖直导杆、固定螺栓、套筒、电机固定架、第三步进电机、丝杆、连接环和联轴器，第三步进电机安装在电机固定架上，并由固定螺栓固定连接在壳体框架的底部，所述的第三步进电机的输出轴上与联轴器连接，所述的联轴器上连接有连接环，并且连接环套设在丝杆的下端，并通过固定螺栓紧固在一起，丝杆的上端穿过光杆固定架上的通孔，并与之螺接；所述竖直导杆的下端套有套筒，并通过紧固螺栓与电机固定架固接，竖直导杆的上端从光杆固定架的通孔内穿出；光杆固定架的薄板部分通孔处配有固定螺栓，固定设置于外壳的立柱的上端，用于Z轴方向极限位置的限位。
所述的打印平台包括板体和打印底座，所述打印底座与电机固定架固接，所述的板体与打印底座通过螺栓固定连接，且螺栓表面套有弹簧，并放置于板体与底座之间。
本发明具有如下有益效果：(1)这种3D打印机模块清晰，方便自行组装；(2)打印产品安全快捷；(3)喷头运动灵活，打印过程稳定可靠。
附图说明
图1a是本发明实施例的总体结构示意图之一。
图1b是本发明实施例的总体结构示意图之二。
图2是本发明实施例的***结构示意图。
图3是本发明实施例的物料供给装置***示意图。
图4是本发明实施例的喷头水平位置调节装置***示意图。
图5是本发明实施例的Z轴移动驱动装置***示意图。
图6是本发明实施例的模型承载装置***示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的一种用于教学和家庭的小型一体化3D打印机，包括：
外壳1，包括壳体以及铰接在壳体上的挡板，壳体具有一用于安装并打印的打印腔，且外壳顶部设有用于观察打印腔内打印情况的天窗，外壳侧挡板上设有用于在打印腔取放物品的取放口，并在取放口处铰接挡门；
喷头水平位置调节装置3，包括X轴水平移动机构31和Y轴水平移动机构32，其中X向水平移动机构31悬装于外壳的顶部，X轴水平移动机构31的X向移动部滑动安装于X向固定部上；Y轴水平移动机构32的Y向固定部安装于X向水平移动机构的X向移动部，使得Y轴水平移动机构在X向移动部带动下可沿X向水平移动机构的X向固定部移动；Y轴水平移动机构的Y向移动部滑动安装于Y 向固定部上；
物料供给装置2，包括用于熔化线材并将其喷涂至模型承载装置的熔融输送单元20和用于向熔融输送单元输送未熔融线材的供料单元21，供料单元21悬装于外壳1的顶部横梁上，并且供料单元21 的出料部向熔融输送单元20输送未熔融线材；熔融输送单元20安装于Y向移动部，熔融输送单元的喷头对准移动式打印平台；
升降式模型承载装置5，包括打印平台51和Z轴升降装置4，Z 轴升降装置4设置于喷头水平位置调节装置与打印平台51之间，并且Z轴升降装置4的顶部与喷头水平位置调节装置3滑动连接；Z轴升降装置的底部与打印平台相连，使得打印平台在Z轴升降装置的带动下沿Z轴方向垂直升降以调整打印平台与熔融输送单元之间间距；
以及打印控制装置，包括控制面板和打印控制器，其中控制面板设置于外壳的正面，用于调整打印参数；打印控制器的输电端与外部电源电连接，打印控制器的信号传输端口与控制面板信号输出端分别与物料供给装置的控制端、喷头水平位置调节装置的控制端、升降式模型承载装置的控制端信号连接，用于控制物料供给装置、喷头水平位置调节装置以及升降式模型承载装置工作。
所述壳体包括框架以及围挡在壳体外部的挡板，框架为由四根立柱和八根横杆组成的立方体框架，并且框架外部覆盖透明挡板，而框架顶部的透明挡板上设有天窗，框架其中一侧挡板上设有取放口，并在取放口处铰接挡门11。
所述X轴水平移动机构31包括X轴步进电机313、一对作为X 向固定部并平行布置的X向轨道组件以及一对作为X向移动部并分别套设于相应X向轨道组件的X向导轨限位块304，所述X轴步进电机313通过端盖309悬装于Z轴升降装置4的顶部，并通过位移限定传送带308与其中一套X向轨道组件的第一齿同步轮皮带306连接；所述X向轨道组件包括第一连接光杆316、第一固定架301、第一齿同步轮303以及第一齿型皮带306，所述第一连接光杆316通过第一固定架301水平悬装于壳体顶部，所述第一连接光杆316端部各套设一第一齿同步轮306和第一套筒302，第一齿型皮带306两端通过两个第一齿同步轮张紧，并且第一齿型皮带306与第一齿同步轮 303啮合，使得第一齿型皮带306在两个第一齿同步轮带动下周向转动；所述第一齿型皮带306上固设一X向导轨限位块，两块X向导轨限位块之间安装Y轴水平移动机构，定义第一连接光杆的长度方向为X向。
所述Y轴水平移动机构32包括Y轴步进电机317、一对作为Y 向固定部并平行布置的Y向轨道组件以及一对作为Y向移动部分别套设于相应Y向轨道组件的Y向导轨限位块318，所述Y轴步进电机通过端盖324悬装于Y向轨道组件上，并与其中一套Y向轨道组件的第二齿同步轮连接；所述Y向轨道组件包括第二连接光杆319、第二固定架307、第二齿同步轮320以及第二齿型皮带321，所述第二连接光杆319通过第二固定架307水平悬装于壳体顶部，所述第二连接光杆319端部各套设一第二齿同步轮320和第二套筒305，所述第二连接光杆319与第一连接光杆316交错排列连接成一水平悬装于壳体顶部的矩形结构；第二齿型皮带321两端通过两个第二齿同步轮 320张紧，并且第二齿型皮带321与第二齿同步轮320啮合，使得第二齿型皮带321在两个第二齿同步轮320带动下周向转动；所述第二齿型皮带321上固设一Y向导轨限位块318，作为Y向移动部的两块Y向导轨限位块之间安装第一限位光杆315，并且所述第一限位光杆315上配装一用于安装熔融输送模块的滑移块311，滑移块上设有两个水平设置的通孔，两个通孔的水平中心轴相互垂直，第一个可以作为X向通孔，***第一限位光杆315；第二个通孔可以作为Y向通孔，***第二限位光杆，且两个通孔内均配有通孔套筒201，滑移块311套设在第二限位光杆322上，并且第二限位光杆322的两端部分别与同侧的Y向导轨限位块固接，第二固定架307有两个通孔部分，两个通孔部分设置限位器312；定义第二连接光杆的长度方向为 Y向。
供料单元21包括第一步进电机211和线材输送机构212，所述线材输送机构212安装于横梁上，第一步进电机211通过螺栓与线材输送机构固接，第一步进电机211的输出齿轮与线材输送机构的动力输入齿轮啮合，用于带动线材输送机构上的动力输入齿轮转动并定量输送线材，使线材输送至熔融输送模块的加热块处。
所述熔融输送单元20包括第一连接环202、加热块203、铜导管、喷头206以及温度检测块205，加热块203固设于Y轴水平移动机构的Y向移动部，并随Y向移动部同步移动；加热块203套设于铜导管的外部，上部嵌装第一连接环202，下部固装温度检测块205，加热块203的加热连接端通过导线与打印控制器的加热电路相应信号连接端口电连接，用于对置于加热块内腔的铜导管进行加热；铜导管的上端套有第一连接环，铜导管的下端与喷头相连通，形成可对线材进行熔融并喷涂的熔融通路，其中喷头对准打印平台，以对打印平台进行喷涂。
所述的Z轴升降装置4分别对称安装在壳体两侧立柱外侧，包括光杆固定架401、竖直导杆402、固定螺栓403、套筒404、电机固定架405、第三步进电机406、丝杆407、连接环408和联轴器409，第三步进电机安装在电机固定架405上，并由固定螺栓固定连接在壳体框架的底部，所述的第三步进电机的输出轴通过联轴器与所述丝杆的下端固接；丝杆的上端穿过光杆固定架上的通孔；所述连接环套设在丝杆外部，二者螺接组成丝杆螺母副，并连接环通过固定螺栓与打印平台紧固在一起；所述竖直导杆的下端套有套筒404，并通过紧固螺栓与电机固定架固接，竖直导杆的上端从光杆固定架的通孔内穿出；光杆固定架的薄板部分通孔处配有固定螺栓，固定设置于外壳的立柱的上端，用于Z轴方向极限位置的限位。
所述的打印平台51包括板体501和打印底座502，所述打印底座与电机固定架固接，所述的板体与打印底座通过螺栓固定连接，且螺栓表面套有弹簧，并放置于板体与底座之间。
实施例2如图1、2所示，一种用于教学和家庭的小型一体化3D 打印机，包括外壳1、物料供给装置2、喷头水平位置调节装置3、升降式模型承载装置5以及打印控制装置，该打印机呈立方体状便于放置，其中喷头水平位置调节装置3安装在立方体打印机的顶部，物料供给装置的供料模块固定在打印机外表面，熔融输送模块安装在喷头水平位置调节装置3上，由该装置控制物料供给端的X、Y方向的位置。升降式模型承载装置的Z轴升降装置4安装在打印机的内部侧面，打印平台5安装在Z轴升降装置4上，由其控制Z方向的位置。升降式模型承载装置包括打印平台5和Z轴升降装置4，喷头水平位置调节装置3安装在外壳1的横梁上，Z轴升降装置4对称安装在外壳1的两侧面上，打印平台5安装在Z轴升降装置的底部。
所述的外壳呈立方体状，包括壳体以及铰接在壳体上的挡板，壳体具有一用于安装并打印的打印腔，且外壳顶部设有用于观察打印腔内打印情况的天窗，外壳侧挡板上设有用于在打印腔取放物品的取放口，并在取放口处铰接挡门；壳体包括框架以及围挡在壳体外部的挡板，框架包括四个立柱及八根横杆，左右两面各有一根横梁，用于安装光杆固定架401。立方体的八个面均有透明塑料挡板隔开，保证加工安全。于外壳的正面设有打印控制器，使用时，该装置与外部电源连接并分别控制本装置上的喷头205的加热、风扇206的转动，以及各个步进电机的运转和停止等动作，本装置中的电机均采用步进电机能够在在一定程度上控制转动角度从而保持一定的精度，实现定量转动，将经3D模型软件导出的程度导入打印控制器上，并在打印控制器上的控制面板上选择各种操作功能即可打印物品，具体打印控制器以及3D模型设计软件目前有公开的技术方案，并且其原理和算法也不是本发明的技术特征所在故对其不做赘述。
如图1、3所示，所述的物料供给装置包括供料模块21和熔融输送模块20两个模块，所述的供料模块21包括第一步进电机211，所述的第一步进电机211通过螺栓与线材输送机构212固定连接，并固定于外壳1的横梁上，第一步进电机211定量转动带动线材输送机构212上的齿轮转动并定量输送线材，使线材输送至熔融输送模块20 的加热块203处。为保证喷头线性运动的灵活性，所述的熔融输送模块20固定在喷头水平位置调节装置3的光杆交点处，并通过喷头固定架307的轴承套在两根光杆上滑动来实现X、Y方向的打印工作，所述的加热块203上端嵌入铜导管，铜导管上端套有连接环202，加热块203下端设有温度检测块205、喷头206，温度检测块205检测加热温度，待加热温度至所设定的温度时，由喷头206将熔融的线材挤出至打印平台501上，所述的第二固定架307上还设有风扇，用于喷头206的散热。
如图4所示，所述的喷头水平位置调节装置3由一个X轴步进电机和一个Y轴步进电机作为动力原件，X轴步进电机313、Y轴步进电机分别带动相应的第一齿型皮带306、第二齿型皮带传动，第一齿型皮带306、第二齿型皮带经过第一齿同步轮303、第二齿同步轮，这样第一连接光杆、第二连接光杆就会进行回转运动通过第一齿型皮带306、第二齿型皮带带动X向导轨限位块、Y向导轨限位块，使其在第一连接光杆、第二连接光杆上做直线往复运动。这时被固定在X 向导轨限位块、Y向导轨限位块的第一连接光杆、第二连接光杆就分别在X、Y方向上做线性往复运动，从而带动了熔融输送模块20在 X、Y方向的快速运动。此传动机构让喷头在X、Y方向的运动速度相同。打印过程中模型相对于是静止的，只通过喷头的运动实现打印，整体运动稳定，定位精确。可让打印机实现快速、精确地打印。所述喷头固定架307有两个通孔部分，两个通孔部分里面有滑移块311，以减少喷头固定架307光杆的摩擦，限位器312位于第一固定架504 右侧，用于检测X轴负方向的极限位置。
如图5所示，所述的Z轴升降装置4，包括两个第三步进电机406，分别安装在底盘的两侧，由电机固定架405与打印底座502相连。第三步进电机通过联轴器409与丝杆407相连，通过连接环408来实现承载装置与丝杆的联动，使得丝杆在第三步进电机驱动下绕自身中心轴旋转时，连接环可沿丝杆轴向升降，以带动打印平台纵向升降。两根竖直导杆402通过导杆套筒404与打印平台配合，并通过光杆固定架401限位固定，起到的提高稳定性和导向的作用。光杆固定架401 固定在外壳1的横梁上。该产品采用双丝杆对称布置的设计方案，使传动平稳可靠。
如图6所示，升降式模型承载装置5包括打印平台501和Z轴升降装置，所述的打印平台501通过螺栓与打印底座502连接，且螺栓表面套有弹簧，并放置于打印平台501与打印底座502之间，所述的打印底座502上设有6对孔，分别用于导杆套筒402和连接环408的固定。打印平台501主要是提供打印时的热量并支撑着打印模型。该产品采用铝基板热床来代替传统的PCB板热床，相比传统的PCB板热床，铝基板热床的强度、导热性都比PCB板好，而且熔融的耗材对铝基板热床的粘结度也更高。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。