用于三维传动的框架系统、三维传动系统及基于该系统的3D
打印设备
技术领域
背景技术
[0002] 增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了
计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为
基础，通过
软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用
生物材料，按照
挤压、
烧结、熔融、光
固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“
自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速
原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing)”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
[0003] 当代建筑用量最大、范围最广、最经济的
建筑材料-
混凝土的发展虽然只有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求，混凝土需要不断地注入新鲜的血液。3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。
[0004]
现有技术中，用于胶凝材料3D打印的设备普遍在
稳定性和精确性方面存在不足，使胶凝材料3D打印的规模化推广受到制约。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于：提供一种传动结构具有高稳定性的料3D打印设备。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 首先，本实用新型提供一种用于三维传动的框架系统，它包括传动方向两两
正交的第一传动架、第二传动架和第三传动架；其中，每个所述的传动架至少包括矩形刚性框架和
丝杠螺母副；
[0008] 所述第一传动架的矩形刚性框架，沿其两条平行边设有平行的Y向
导轨，每条所述的Y向导轨上分别设有与导轨配合的滑
块Y，每条所述Y向导轨外侧均设有丝杠螺母副Y，其螺母与滑块Y固定连接，用于在丝杠旋转时带动所述滑块Y沿所述Y向导轨滑动；
[0009] 所述第二传动架的矩形刚性框架平行于所述第一传动架的矩形刚性框架；所述第二传动架的矩形刚性框架，沿其两条平行边设有平行的X向导轨，每条所述的X向导轨上分别设有与导轨配合的滑块X，任一所述X向导轨外侧设有丝杠螺母副X，其螺母与滑块X固定连接，用于在丝杠旋转时带动所述滑块X沿所述X向导轨滑动，未设导轨的两边分别固定连接一个所述的滑块Y；
[0010] 所述第三传动架的矩形刚性框架垂直于所述第一和第二传动架的矩形刚性框架；所述第三传动架的矩形刚性框架，沿其垂直于所述第一和第二传动架矩形刚性框架的两条平行边设有平行的Z向导轨，每个所述的Z向导轨上分别设有与导轨配合的滑块Z；两条所述的Z向导轨之间设有平行于Z向导轨的丝杠螺母副Z；所述丝杠螺母副Z的两端分别固定在所述第三传动架矩形刚性框架未设导轨的两个边上，其螺母与两个所述的滑块Z固定连接，用于在丝杠旋转时带动所述滑块Z沿所述Z向导轨滑动；两个所述的滑块Z与两个所述的滑块X之间全部固定连接形成刚体。
[0011] 基于本实用新型所述的用于三维传动的框架系统的结构，与所述第三传动架连接的装置可在以Y向导轨、X向导轨和Z向导轨为长、宽和高的立体空间范围内实现向任意
位置的稳定移动。
[0012] 本实用新型的方案中，所述的Y向导轨、X向导轨和Z向导轨的具体形式没有特别限制，可以是现有技术中可用于固定、引导移动装置并减少其摩擦的各种装置；例如可以是固定安装在所述刚性框架表面的直线槽或脊，也可以是沿所述刚性框架的边独立安装的光轴。本实用新型不同的实施方式中，可以采用不同形式的所述导轨，相应地，所述的滑块Y、滑块X和滑块Z均为与导轨相配合的形状和结构。
[0013] 本实用新型优选的方案中，所述的Y向导轨和X向导轨均为固定安装在所述刚性框架上表面的直线槽或脊；所述的Z向导轨为沿所述刚性框架的边独立安装的光轴。
[0014] 在此基础上，本实用新型进一步提供一种三维传动系统，由本实用新型所述的用于三维传动的框架系统和驱动系统构成；所述的驱动系统包括至少3组驱动
电机和传动连接部件；所述的至少3组
驱动电机通过所述的传动连接部件分别与所述的丝杠螺母副Y、丝杠螺母副X和丝杠螺母副Z连接，用于分别驱动三个所述的丝杠螺母副的转动。
[0015] 本实用新型的三维传动系统中，所述的传动连接部件包括但不限于
联轴器和/或
同步带轮。
[0016] 本实用新型一种具体实施方式中，所述的驱动系统包括4组驱动电机和4组传动连接部件；所述的传动连接部件为联轴器；其中2组所述的驱动电机分别通过2个所述的联轴器连接在2个所述的丝杠螺母副Y上，1组所述的驱动电机通过1个所述的联轴器连接在所述的丝杠螺母副X上，1组所述的驱动电机通过1个所述的联轴器连接在所述的丝杠螺母副Z上。
[0017] 本实用新型另一种具体实施方式中，所述的驱动系统包括3组驱动电机和传动连接部件；所述的传动连接部件为3个联轴器和2副同步带轮；其中1组所述的驱动电机通过1个所述的联轴器连接2副所述的同步带轮，所述的2副同步带轮分别连接2个所述的丝杠螺母副Y；1组所述的驱动电机通过1个所述的联轴器连接在所述的丝杠螺母副X上，1组所述的驱动电机通过1个所述的联轴器连接在所述的丝杠螺母副Z上。
[0018] 基于所述的三维传动系统，本实用新型进一步提供一种3D打印设备，它由固定安装机构、本实用新型所述的三维传动系统和打印材料输出装置构成；所述的固定安装机构用于固定所述的三维传动系统整体的空间位置；所述的打印材料输出装置固定安装在所述三维传动系统的第三传动架底端，用于在打印传动过程中输出打印材料。
[0019] 本实用新型的方案中，所述的固定安装机构的具体形式没有特别限制，只要能够将所述的三维传动系统空间位置固定且不妨碍打印材料的输出，现有技术中的各种固定安装机构均可用于本实用新型的3D打印设备。
[0020] 本实用新型的一种具体实施方式中，所述的固定安装机构是设置在所述三维传动系统下方的刚性
支撑架；所述的刚性支撑架顶部与所述的三维传动系统第一传动架底表面固定连接，且高度大于所述打印材料输出装置在所述三维传动系统上纵向移动的最大距离；所述的打印材料输出装置依靠所述三维传动系统的传动在所述的刚性支撑架范围内实现3D打印。
[0021] 本实用新型的另一种具体实施方式中，所述的固定安装机构是设置在所述三维传动系统上方的刚性悬吊架；所述的刚性悬吊架与所述的三维传动系统第一传动架底表面固定连接，悬吊高度大于所述打印材料输出装置在所述三维传动系统上纵向移动的最大距离；所述的打印材料输出装置依靠所述三维传动系统的传动在所述的刚性悬吊架下方实现3D打印。
[0022] 本实用新型的方案中，所述的打印材料输出装置可以是现有的多种可用于增材制造的打印头、料斗等装置。本实用新型优选的打印材料输出装置设有螺旋输送式挤出头和挤出电机；所述的挤出电机通过驱动挤出头中的螺旋送料装置完成打印材料的挤出。
[0023] 本实用新型更优选的方案中，所述的打印材料输出装置进一步设有料位
控制器，用于自动控制内部料位的高度；所述的料位控制器设有料位
传感器和控制
电路，所述的料位传感器用于感受所述的挤出头中的材料位置高度，所述的控制电路内接所述的料位传感器，外接外部供料系统的电机启动装置，所述外部供料系统通过输料管与所述挤出头的进料口连接；当所述的料位传感器感受到所述挤出头内料位低于设定值时，通过所述控制电路向所述外部供料系统的电机输出电
信号；控制所述外部供料系统的电机启动，驱动外部供料系统经输料管向所述挤出头内输送打印材料，直至料位传感器信号消失。由此实现打印材料输出装置内部始终载有合适量的打印材料，避免了停机加料造成的时间浪费。所述的料位传感器可以是现有的多种传感器，包括光敏式
液位传感器、压敏式液位传感器或超声液位
探头等。本实用新型优选的方案中，所述的料位控制器设置在所述的挤出头上方，由超声液位探头和控制电路构成。
[0024] 本实用新型的三维传动系统和3D打印设备可广泛应用于各种领域的增材制造，尤其是以胶凝材料为原料的实验室和建筑工地，能够实现迅速、高效、稳定的三维打印。使用前，将所述的驱动电机连接外部控制系统，并向控制系统输入预先设计好的工程图样，控制系统根据工程图样实时调控各方向的驱动电机，同时打印材料输出装置受到自身挤出电机驱动，能够按照工程图样逐层提供物料，以无机材料的增材制造方式完成工程的建造。
附图说明
[0025] 图1是
实施例1所述的用于三维传动的框架系统结构示意图。
[0026] 图2是图1中A部分的结构放大图。
[0027] 图3是实施例3所述的胶凝材料3D
打印机的整体结构示意图。
[0028] 图4是实施例4所述的胶凝材料
3D打印机的整体结构示意图。
[0029] 图5是实施例3或4所述的胶凝材料3D打印机的挤出料桶的结构示意图。
具体实施方式
[0030] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
[0031] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
[0032] 其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0033] 实施例1
[0034] 一种可用于三维传动的框架系统，如图1所示，它包括传动方向两两正交的第一传动架10、第二传动架20和第三传动架30；其中，每个所述的传动架至少包括矩形刚性框架和滚珠丝杠螺母副；
[0035] 如图1所示，第一传动架10的矩形刚性框架，在其中两条平行边上表面固定安装有直线脊作为Y向导轨11，每条所述的Y向导轨11上分别设有与导轨配合的滑块Y 12，每条所述Y向导轨外侧均设有滚珠丝杠螺母副Y 13，其螺母与滑块Y 12固定连接，用于在丝杠旋转时带动所述滑块Y 12沿所述Y向导轨11滑动；
[0036] 如图1所示，第二传动架20的矩形刚性框架平行于第一传动架10的矩形刚性框架，且长宽比例远大于1；较长的平行边上表面固定安装有直线脊作为X向导轨21，每条所述的X向导轨21上分别设有与导轨配合的滑块X 22，其中一条X向导轨21上方设有滚珠丝杠螺母副X 23，其螺母与滑块X 22固定连接，用于在丝杠旋转时带动所述滑块X 22沿所述X向导轨21滑动，未设导轨的较短两边分别固定连接滑块Y 12；
[0037] 如图1所示，第三传动架30的矩形刚性框架长宽比远大于1，其中较长的两边垂直地位于第二传动架20的矩形刚性框架内；在较长的两条平行边内侧设有两条平行的光轴作为Z向导轨31，两条所述的Z向导轨31之间设有平行于Z向导轨31的滚珠丝杠螺母副Z 33，滚珠丝杠螺母副Z 33的两端分别固定在第三传动架30矩形刚性框架未设导轨的两个较短的边上；如图2所示，所述较长的两条平行边之间
水平设置一个滑块Z 32，滑块Z 32侧面与滑块X 22固定连接，滑块Z 32并排开有三个纵向通孔，滑块Z 32通过两边的通孔与两条Z向导轨31套接，滑块Z 32通过中间的通孔与滚珠丝杠螺母副Z 32的螺母套接并固定，用于在丝杠旋转时带动所述滑块Z沿所述Z向导轨滑动。
[0038] 由本实施例的框架系统、4组驱动电机和4个联轴器可进一步组成一种三维传动系统；其中2组驱动电机分别通过2个联轴器连接在2个滚珠丝杠螺母副Y 13上，1组驱动电机通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副X 23上，1组驱动电机通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副Z 33上。电机供电后可以驱动各滚珠丝杠螺母副的丝杠转动，通过螺母的传动带动各滑块沿三个方向滑动，从而实现在以Y向导轨、X向导轨和Z向导轨为长、宽和高的立体空间范围内实现向任意位置的稳定移动。
[0039] 实施例2
[0040] 一种三维传动系统，基于实施例1所述的用于三维传动的框架系统，进一步安装3个联轴器和2副同步带轮；其中1组驱动电机通过1个联轴器连接2副同步带轮，2副同步带轮分别连接2个滚珠丝杠螺母副Y；1组驱动电机通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副X上，1组驱动电机通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副Z的底端。
[0041] 实施例3
[0042] 一种用于胶凝材料的3D打印机，它由固定
支架、实施例1所述的三维传动系统和胶凝材料挤出装置构成；如图3所示，所述的固定支架是设置在所述三维传动系统下方的刚性支撑架40，用于固定所述的三维传动系统整体的空间位置；在三维传动系统中2组驱动电机0分别通过2个联轴器连接在2个滚珠丝杠螺母副Y 13上，1组驱动电机0通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副X 23上，1组驱动电机通过1个联轴器连接在滚珠丝杠螺母副Z上(图3未示出)；所述的胶凝材料挤出装置是一螺旋输送式挤出料桶50，固定安装在所述三维传动系统的第三传动架30底端，用于在打印传动过程中输出胶凝材料。
[0043] 如图3所示，所述的刚性支撑架40顶部与所述的三维传动系统第一传动架10底表面固定连接，且高度大于所述挤出料桶50在所述三维传动系统上纵向移动的最大距离；所述的挤出料桶50依靠所述三维传动系统的传动在所述的刚性支撑架范围内实现3D打印。如图5所示，挤出料桶50设有螺旋输送式挤出头51和挤出电机52；所述的挤出电机52通过驱动挤出头51中的螺旋送料装置完成打印材料的挤出。在挤出料桶50的挤出头51上方进一步设有料位控制器53，用于自动控制内部料位的高度；料位控制器设置由超声料位探头531、内部控制电路及对外
接口532构成，超声料位探头531向下正对挤出头51，用于通过
超声波探测挤出头51中的材料位置高度，控制电路内接超声料位探头531并通过对外接口532外接供料系统的电机启动装置，外部供料系统通过输料管与挤出料桶50的进料口54连接；当超声料位探头531探测到挤出头51内料位低于设定值时，通过控制电路向供料系统的电机输出
电信号；控制供料系统的电机启动，驱动供料系统经输料管和进料口54向挤出头51内输送打印材料，直至超声料位探头531信号消失。由此实现打印材料输出装置内部始终载有合适量的打印材料，避免了停机加料造成的时间浪费。
[0044] 实施例4
[0045] 一种用于胶凝材料的3D打印机，它由固定支架、实施例2所述的三维传动系统和胶凝材料挤出装置构成；参见图4，所述的固定支架是设置在所述三维传动系统下方的刚性支撑架40，用于固定所述的三维传动系统整体的空间位置；所述的胶凝材料挤出装置是一螺旋输送式挤出料桶50(如图5所示)，固定安装在所述三维传动系统的第三传动架30底端，用于在打印传动过程中输出胶凝材料。
[0046] 如图4所示，所述的刚性支撑架40由立柱401、横梁402和
斜梁403固定连接构成；立柱401顶部与所述的三维传动系统第一传动架10底表面固定连接，立柱401底部设置辅助固定脚404，立柱401的高度大于所述挤出料桶在所述三维传动系统上纵向移动的最大距离；
[0047] 如图4所示，两条滚珠丝杠螺母副Y 13的同一侧端头分别连接一副同步带轮111，同步带轮111在临近的导轨11外侧中点位置共同通过联轴器112连接驱动电机0；由此可以实现驱动电机0对两条滚珠丝杠螺母副Y 13的“一拖二”式驱动。
[0048] 本实施例打印机的其他结构均与实施例3的打印机相同。
