三原色三维打印机的制作方法

本发明涉及三维打印机技术领域，尤其涉及一种三原色三维打印机。

背景技术：

3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术等多方面的前沿技术知识，具有极高的科技含量，目前该技术在工业制造、文化娱乐、航空国防、生物医疗、建筑工程等方面应用广泛。与3D打印技术相伴而生的3D打印机是以数字模型文件为基础的一种快速成形技术的机器，现阶段3D打印机普遍用以制造模具产品，目前市场上应用最广的3D打印机根据熔积成型原理制造，是通过打印层层的粘合材料制作三维产品。

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，良好的导电导热性能、比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。

然而通过我们的调查发现，以这种成型原理制造的3D打印机，打印出的产品通常存在产品色调单一、硬度较低的问题，不能满足现今市场的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种可以打印自然界所有已知的单一色调的产品，又可以打印一物多色产品的三原色三维打印机。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

设计一种三原色三维打印机，包括机体支架、设置于机体支架上的物料挤出单元、三坐标轴传动单元及打印托盘；其特征在于：打印托盘位于三坐标轴传动单元中的第一传动机构上并可在X轴方向上水平移动；物料挤出单元位于三坐标轴传动单元中的第二传动机构上并可在Y、Z轴的两个方向上移动；

所述物料挤出单元包括可对打印丝熔融并挤出的物料挤出头、位于物料挤出头进口端方向上的三个打印丝送丝机构，三个打印丝送丝机构分别将三种颜色的打印丝送入物料挤出头内熔融。

三个所述打印丝送丝机构的结构相同，其所述打印丝送丝机构包括固定板、第一液压缸、动板，固定板固定安装在第二传动机构上并可随第二传动机构运动，第一液压缸固定在固定板上，动板固定在第一液压缸的伸缩杆端部上并可随第一液压缸的伸缩杆前后往复移动；

所述打印丝送丝机构还包括安装于动板上的夹取手，夹取手包括两个呈“X”形铰接的连杆，两个连杆的前端设有呈“八”字形结构的两个受力杆，两个受力杆分别连接在两个连杆的前端，两个受力杆的端部上分别固定有一夹板，当两个连杆绕铰接轴转动并促使两个夹板相向移动后，两个夹板可将位于两者之间的打印丝夹持；

当两个所述夹板将打印丝夹持后所述动板向物料挤出头方向移动并将打印丝送到物料挤出头内；

所述连杆通过驱动单元运动。

所述驱动单元包括一呈“Y”形结构的推杆，推杆前端的两个端部分别与两个连杆的尾端铰接，推杆的尾端与推动液压缸的伸缩杆连接，推动液压缸固定安装在所述动板之上。

两个连杆之间设有一弹簧，所述弹簧将两个连杆连接并对两个连杆的下端施加反向的弹力并促使两个夹板相向夹持。

所述第一传动机构包括第一螺杆、与第一螺杆匹配并螺纹连接在该第一螺杆上的第一套筒，所述第一套筒固定在打印托盘上，第一螺杆的两端分别通过轴承安装在机体支架的底板上并沿X轴方向设置，第一螺杆与第一驱动电机连接并被第一驱动电机带动转动，所述第一驱动电机固定安装在机体支架的底板上；

所述机体支架的底板上开设有两个滑槽，两个滑槽分别位于第一螺杆的左右两侧，所述打印托盘的底部两侧分别设有与两个滑槽匹配的滑体，两个滑体分别位于两个滑槽内，且滑体的下端面与滑槽内的底部面接触。

所述第二传动机构包括Z轴移动单元和Y轴移动单元，Z轴移动单元包括一支撑横板，所述物料挤出单元安装在所述支撑横板上，所述机体支架两侧的两个纵梁上分别安装有一纵向设置的第二螺杆，所述第二螺杆上匹配螺纹连接有第二套筒，支撑横板的两个端部分别与两个第二螺杆上的第二套筒连接；两个第二螺杆的端部分别与两个第二驱动电机的动力输出轴连接并被第二驱动电机带动转动；

Y轴移动单元包括与支撑横板平行并通过轴承安装在支撑横板上的第三螺杆、与第三螺杆匹配并螺纹连接在该第三螺杆上的第三套筒，所述第三套筒固定在固定板背侧上，第三螺杆与第三驱动电机连接并被第三驱动电机带动转动，所述第三驱动电机固定安装在支撑横板的一端；

所述支撑横板的侧壁上开设有两个导向槽，两个导向槽分别位于第三螺杆的上下两侧，所述固定板的背侧设有与两个导向槽匹配的导向体，两个导向体分别位于两个导向槽内。

所述导向体的端部设有一球体，球体的直径大于导向体的宽度，且导向槽内的底部设有与所述球体匹配的球形槽，球形槽与导向槽贯通且球体位于球形槽内。

所述物料挤出头包括腔体，腔体内设有混合腔，所述混合腔下方设有混溶候喷腔，混合腔与混溶候喷腔连通，并在混合腔下方的腔体上连接有喷头，喷头进口与混溶候喷腔下端出口连通，所述混合腔内壁环绕设有加热线圈；三个打印丝送丝机构推送来的打印丝由混合腔顶部的入口进入。

所述腔体的侧部设有散热风扇，散热风扇对喷头下方吹风。

本发明的有益效果在于：

本设计以三原色原理为理论基础，设计出一种既可以打印自然界所有已知的单一色调的产品，又可以打印一物多色的产品，即实现彩色打印。同时使用碳纤维材质打印丝，可以进一步提高混溶侯喷腔中的温度，促进三原色丝的熔融混合效率，而且碳纤维作为一种打印丝，与三原色丝在混溶侯喷腔中混溶时，会改变侯喷腔中混溶丝的理化性质，会使打印产品的硬度进一步提高。

附图说明

图1为本设计的主要结构主视结构示意图；

图2为本设计中的第一传动机构剖面结构示意图；

图3为本设计中的第二传动机构中的Y轴移动方向上的各部件剖面结构示意图；

图4为本设计中的第二传动机构中的Z轴移动方向上的各部件剖面结构示意图；

图5为本设计中的物料挤出单元2主视状态各主要结构示意图；

图6为本设计中的物料挤出头剖面结构示意图；

图7为本设计中的打印丝送丝机构主要结构示意图；

图8为本设计中打印丝送丝机构中的夹取手抓取时的结构示意图；

图9为本设计中打印丝送丝机构中的夹取手张开时的结构示意图；

图10为本设计中的夹板及其上的压力传感器各剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例1：一种三原色三维打印机，参见图1至图10。

本三原色三维打印机它包括机体支架1、设置于机体支架1上的物料挤出单元2、三坐标轴传动单元及打印托盘5；其所述打印托盘5位于三坐标轴传动单元中的第一传动机构上并可在X轴方向上水平移动；物料挤出单元2位于三坐标轴传动单元中的第二传动机构上并可在Y、Z轴的两个方向上移动。

本设计中，其所述物料挤出单元2包括可对打印丝01、02、03(图中01、02、03表示三种不同颜色的打印丝)熔融并挤出的物料挤出头、位于物料挤出头进口端方向上的三个打印丝送丝机构9，三个打印丝送丝机构9分别将三种颜色的打印丝01、02、03送入物料挤出头内熔融，而后物料挤出头将其挤出实现打印的目的。

具体来说，其所述三个所述打印丝送丝机构9的结构相同，具体的，其所述打印丝送丝机构包括固定板23、第一液压缸902、动板901，固定板23固定安装在第二传动机构上并可随第二传动机构在Y、Z轴的两个方向上运动，第一液压缸902固定在固定板23上，动板901固定在第一液压缸902的伸缩杆903端部上并可随第一液压缸的伸缩杆903前后往复移动。

所述打印丝送丝机构还包括安装于动板901上的夹取手，夹取手包括两个呈“X”形铰接的连杆909，两个连杆的前端910设有呈“八”字形结构的两个受力杆911，两个受力杆911分别连接在两个连杆的前端910，两个受力杆911的端部上分别固定有一夹板912，当两个连杆909绕铰接轴I转动并促使两个夹板912相向移动后，两个夹板912可将位于两者之间的打印丝01夹持；而后，当两个所述夹板912将打印丝01夹持后所述动板901向物料挤出头方向移动并将打印丝送到物料挤出头内，通过此方式实现将打印丝送入物料挤出头内。

为实现上述连杆绕铰接轴I即a点转动，本设计中其所述连杆909通过驱动单元运动，具体来说，

所述驱动单元包括一呈“Y”形结构的推杆906，推杆前端的两个端部907分别与两个连杆的尾端908铰接，推杆906的尾端与推动液压缸的伸缩杆905连接，推动液压缸固定安装在所述动板之上，当推动液压缸的伸缩杆905向前推动时，其两个连杆的尾端反方向移动，两者之间的夹角变大，此时，连杆前端的两个夹板相向移动实现夹持的目的，反之，当推动液压缸的伸缩杆905向后推动时，两个所述夹板张开。

进一步的，本设计中其所述两个连杆909之间设有一弹簧T，所述弹簧T将两个连杆连接并对两个连杆的下端施加反向的弹力并促使两个夹板相向夹持。

进一步的，本设计还可在各个送丝机构的前方设有一导向管或导丝环8，导向管或导丝环8固定在动板上，其打印丝分别贯穿各自对应的导向管或导丝环8进入两个夹板之间，其导向管或导丝环8在应用中起到对打印丝的导向作用。

进一步来说，以上所述第一传动机构包括第一螺杆17、与第一螺杆17匹配并螺纹连接在该第一螺杆17上的第一套筒18，所述第一套筒18固定在打印托盘5上，第一螺杆17的两端分别通过轴承安装在机体支架的底板上并沿X轴方向设置，第一螺杆17与第一驱动电机连接并被第一驱动电机带动转动，所述第一驱动电机固定安装在机体支架1的底板16上；进一步的，所述机体支架的底板16上开设有两个滑槽，两个滑槽分别位于第一螺杆17的左右两侧，所述打印托盘5的底部两侧分别设有与两个滑槽匹配的滑体15，两个滑体15分别位于两个滑槽内，且滑体的下端面与滑槽内的底部面接触，通过滑体15与滑槽的配合实现打印托盘5在X轴方向上运动时的稳定，避免其打印托盘5出现左右晃动现象的发生，当第一螺杆被第一驱动电机带动转动时，与第一螺杆匹配的第一套筒在第一螺杆上轴向移动，此时，第一套筒可带动打印托盘5沿第一螺杆轴向移动，实现打印托盘5在X轴方向上的移动。

进一步的，所述第二传动机构包括Z轴移动单元和Y轴移动单元；具体来说，Z轴移动单元包括一支撑横板3，所述物料挤出单元安装在所述支撑横板3上，所述机体支架1两侧的两个纵梁54上分别安装有一纵向设置的第二螺杆51，所述第二螺杆51上匹配螺纹连接有第二套筒52，支撑横板3的两个端部分别与两个第二螺杆51上的第二套筒52连接；两个第二螺杆51的端部分别与两个第二驱动电机的动力输出轴连接并被第二驱动电机带动转动；当第二螺杆被第二驱动电机带动转动时，与第二螺杆匹配的第二套筒在第二螺杆上轴向移动，此时，第二套筒可带动支撑横板3沿第二螺杆在Z轴方向移动，在支撑横板的移动时，左右设置的两个第二螺杆的转动是同步的，而与两个第二螺杆连接的两个第二驱动电机均采用伺服电机予以实现两者的同步。

具体来说，所述Y轴移动单元包括与支撑横板平行并通过轴承安装在支撑横板上的第三螺杆21、与第三螺杆21匹配并螺纹连接在该第三螺杆21上的第三套筒22，所述第三套筒22固定在固定板23背侧上，第三螺杆21与第三驱动电机连接并被第三驱动电机带动转动，所述第三驱动电机固定安装在支撑横板3的一端，当第三螺杆被第三驱动电机带动转动时，与第三螺杆匹配的第三套筒在第三螺杆上轴向移动，此时，第三套筒可带动固定板23及其上的物料挤出单元2沿第三螺杆轴向移动，实现物料挤出单元2在Y轴方向上的移动。

进一步的，本实现对固定板的相对固定，避免其在运动时出现晃动现象的发生，本设计在所述支撑横板3的侧壁上开设有两个导向槽，两个导向槽分别位于第三螺杆的上下两侧，所述固定板的背侧设有与两个导向槽匹配的导向体19，两个导向体19分别位于两个导向槽内，同时，所述导向体的端部设有一球体20，球体20的直径大于导向体的宽度，且导向槽内的底部设有与所述球体匹配的球形槽，球形槽沿导向槽长度方向延伸，球形槽与导向槽贯通且球体位于球形槽内，由于固定板属于竖向设置，其球体20直径大于导向体宽度的设计可以将球体紧密的可在球形槽内，避免固定板在移动时出现晃动现象的发生。

进一步来说，所述物料挤出头包括腔体13，腔体13内设有混合腔31，所述混合腔31下方设有混溶候喷腔32，混合腔31与混溶候喷腔32连通，并在混合腔31下方的腔体13上连接有喷头14(喷头14为现有技术)，喷头14进口与混溶候喷腔下端出口连通，所述混合腔13内壁环绕设有加热线圈11并对进入混合腔13内的打印丝加热，三个打印丝送丝机构推送来的打印丝由混合腔顶部的入口进入。

进一步的，本设计还在所述腔体13的侧部设有散热风扇12，散热风扇12对喷头下方打印完成的模型产品吹风促使其冷却。

本设计的三原色三维打印机其工作过程如下：

1、三个打印丝送丝机构推送来的三种颜色的打印丝由混合腔13顶部的入口进入，工作时，推动液压缸的伸缩杆905向前推动时，其两个连杆的尾端反方向移动，两者之间的夹角变大，此时，连杆前端的两个夹板相向移动实现对打印丝夹持的目的，当打印丝被夹持后，其动板901向物料挤出头方向移动并将打印丝送到物料挤出头内，即，第一液压缸的伸缩杆903向前将动板向物料挤出头方向推动，此时，打印丝被夹持着随之进入腔体13内的混合腔31中，随后，推动液压缸的伸缩杆905向后推动时，两个所述夹板张开，第一液压缸的伸缩杆903收回将整个物料挤出单元2恢复至初始位置，而后，三个打印丝送丝机构不断的重复上述动作即可实现将打印丝不断的送入物料挤出头内。

本设计中的打印丝使用碳纤维打印丝，碳纤维材料既是导电加热材料又是打印材料，利用碳纤维良好的导电性能和导热性能，在碳纤维丝通电时，会产生一个放热的过程，将三原色丝熔融，并且附着在碳纤维丝表面，形成一种以碳纤维丝为骨架。

2、当打印丝进入物料挤出头内后，其混合腔31内的加热线圈11对进入混合腔13内的打印丝加热熔融，而后熔融后的打印丝混合后向下进入混溶候喷腔32内之后并由喷头14挤出；在喷头14挤出物料时，其物料挤出单元2由三坐标轴传动单元中的第二传动机构上并在Y、Z轴的两个方向上移动，打印形成的模型在打印托盘上并被第一传动机构上在X轴方向上水平移动；通过三坐标轴传动单元中的第一传动机构及第二传动机构的联动可实现三维打印之目的，打印完成的模型产品在打印托盘上并被风扇降温冷却。

而第一传动机构及第二传动机构的联动过程则有内部植入程序并由控制器控制各个驱动电机予以实现，需在此说明的是，上述第一传动机构及第二传动机构的联动，及各个驱动电机与控制器6的连接方式、控制器6对各个驱动电机的控制方式、各液压缸与控制器的连接方式、及控制器对各个液压缸的控制方式均为现有常规技术，并非本设计之要点，本说明书在此不再对其进行过多的赘述。

需具体说明的是，第一传动机构及第二传动机构动作时，其第一螺杆被第一驱动电机带动转动，与第一螺杆匹配的第一套筒在第一螺杆上轴向移动，此时，第一套筒可带动打印托盘5沿第一螺杆轴向移动，实现打印托盘5在X轴方向上移动之目的。

其第二螺杆被第二驱动电机带动转动，与第二螺杆匹配的第二套筒在第二螺杆上轴向移动，此时，第二套筒可带动支撑横板3沿第二螺杆在Z轴方向移动，实现Z轴方向移动之目的。

其第三螺杆被第三驱动电机带动转动，与第三螺杆匹配的第三套筒在第三螺杆上轴向移动，此时，第三套筒可带动固定板23及其上的物料挤出单元2沿第三螺杆轴向移动，实现物料挤出单元2在Y轴方向上之移动。

通过上述方式可实现本设计之三原色打印之目的。

上述方案描述仅为本本三原色三维打印机基本之设计结构，在具体的实施中还可在其中一个所述夹板912的侧壁上增加一个压力传感器913，此压力传感器913嵌入式安装在其中一个夹板上，而另一个夹板上则对应安装一个突出并与压力传感器913的受力面对应的硬质凸板914，当两个夹板对打印丝夹持时，其打印丝被压力传感器913和凸板夹持，此时压力传感器913监测到压力值并传输到控制器内部，控制器通过此压力值与阈值比较判断该打印丝送丝机构有丝，而当打印丝缺丝时，其两个夹板夹持后，压力传感器913和凸板存有间隙，压力传感器913此时无压力值数据或具有较小的数据并小于设定阈值，控制器通过此压力传感器913反馈之数据与阈值进行比较实现判断打印丝送丝机构是否缺丝。

进一步的，还可以各个打印丝的侧部安装一动速表或速率传感器10对打印丝的进丝速率进行监测并反馈至控制器内部。再由控制器控制各个打印丝送丝机构的进丝速率，从而控制三原色的配比，改变打印物料的颜色，也可以控制碳纤维材料的进丝速度，改变打印成品的硬度。

而在具体的实现中，控制器及与之连接的颜色模拟器可读取模型中的色彩数据，并对这些数据进行计算(现有技术)，向下一级部件下达命令，即可知三个打印丝送丝机构的送丝速率，并可控制任意一个或多个打印丝送丝机构停止送丝。

综上所述，本发明之基本原理是三原色理论，其三原色指色彩中不能再分解的三种基本颜色，即品红、黄、青，三原色可以混合出所有的颜色，同时相加为黑色(黑白灰属于无色系)，通过此三色打印成混合的比例即可实现混合出所有的颜色实现任一颜色打印之目的，也即，将三原色打印丝熔融混合，通过改变三种不同颜色打印丝在混溶物中的配比，得到不同颜色的打印物料。

在具体实现中，控制三种不同颜色打印丝在混溶物中配比的方法是：通过三个打印丝送丝机构的送丝速率，实现改变打印丝的进丝的速度，同一时刻，使三种不同颜色打印丝的进丝速度不同，从而使得单位时间内三种不同颜色打印丝进丝的多少不同，最终使得混溶物料中三种颜色打印丝所占的配比不同。

具体实现中，由控制系统中的颜色模拟器读取模型中的色彩数据，并对这些数据进行分析计算，求得目的物料颜色的数据结果，再将相应的命令传输三个打印丝送丝机构中的执行部件实现控制各颜色打印丝的进丝速率。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。