[发明专利]一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置及成型方法

说明书

本发明公开了一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置。包括打印喷头、可升降的主轴，X和Y方向的导轨/滑台，水平轴支架，垂直支架、打印基台和卡盘。其的主要创新在于：(1)垂直支架安装在水平支架的中部，支架上安装有立式伺服电机，伺服电机轴(C轴)上安装打印基台或者卡盘。(2)水平支架的两侧由立式支柱支撑。水平支架与立式支架通过轴承连接，一端与卧式伺服电机轴固连(A轴)。电机轴与X轴平行。卧式伺服电机及水平支架安装在X向滑台上。(3)采用本装置打印工件时需要将零件划分为主体部和支件部，首先打印主体部，冷却后将其取下。然后将打印基台换成卡盘，将主体部在卡盘上装夹，从而以主体部为基台打印工件的各支件部。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置和成型方法。

技术背景

基于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，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.可以适用的打印原材料从成本低廉的塑料管到贵重的金属丝分布广泛。特别是在金属3D打印领域，与金属粉末烧结结束技术(selectinglaser melting，SLM)相比，基于融焊法的3D打印使用的金属丝原材料容易制作，原材料耗费少，是一种非常具有发展前景的3D打印技术。不过，传统的基于熔融沉积成型的打印工艺是两轴半的打印工艺，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.采用金属原材料进行3D打印时，去除支撑不仅耗费大量工时而且影响工件质量。意识到这一缺陷，目前已经有装置把喷头连接在多自由度机械臂上，让被打印工件作二自由度转动。这种装置和成型方法的缺陷是：当喷头与竖直轴Z不平行时，液态打印材料容易流动进而影响工件质量.当打印工件较大时，打印基台的运动容易导致工件在基台上的滑移和脱落.

发明内容

针对现有装置和打印方法存在的问题，本发明提供一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置和成型工艺，解决了现有基于熔融沉积成型的打印设备存在的问题，打印具有设备成本低，打印精度高和打印效率高的特点.

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于金属丝熔融沉积成型的五轴3D打印装置，包括打印喷头、可升降的主轴(Z轴)，X方向的导轨和滑台、Y方向的导轨和滑台，水平轴支架，垂直支架，打印基台，伺服电机(5个)，电机数字控制器(5个)，线圈预热感应器(2个)。

在本装置中，打印喷头安装在可以垂直升降的主轴(Z轴)上，也就是说，打印喷头具有唯一垂直方向的自由度，从而确保喷头喷出的熔融状态的打印材料不会因为重力作用发生流动或滑移。喷头与Z方向的运动机构的连接方式是：在Z向立柱上安装有金属丝杠，丝杠上套有Z向丝母，Z向丝母与升降台固定连接，升降台与Z向立柱滑动接触配合。Z向立柱顶端带有Z向伺服电机，电机轴与丝杠固连，电机运动带动丝杠旋转，从而使得升降台运动。打印喷头安装在升降台上。

对于熔融物的支撑，本发明通过绕Z轴和X轴旋转工件确保当前的喷头的运动轨迹与已经成型的下层部分在同一个垂直面上。本装置相关部件的具体连接方案如下：垂直支架分为上下两个部分，分别与水平支架中部固连。上下部分与水平支架对称的位置具有轴承座，在水平支架以下的部分安装立式伺服电机。立式伺服电机采用加长轴，加长轴在轴承座的位置与垂直支架通过轴承连接。

电机轴远离电机的一端通过螺栓连接设置金属安装板，安装板可以通过螺栓连接打印基台，也可以安装卡盘。卡盘和基台根据需要进行装卸。于是立式电机的旋转就可以带动工件绕Z轴选转。

水平支架的两侧由立式支柱支撑。水平支架与立式支架通过轴承连接，确保水平支架转动。其一端与卧式伺服电机轴固连(A轴)。电机轴与X轴平行。电机转动就可以带动水平支架绕X轴转动。