關于一種環形3D打印機的設計制造與應用的研究

謝維昌

（江西省吉安市白鷺洲中學，吉安 343000）

3D打印（3D Printing），即快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。 三維打印 意味著這項技術的普及。三維打印通常是采用數字技術材料打印機來實現。這種打印機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。其不同的結構設計會產生不同的打印精度和打印效率。本文的目的是針對以上問題，提供一種環形3D打印機，設計有多個打印頭，可協同工作提升打印效率；同時打印精度大大提高。

本設計是這樣實現的，一種環形3D打印機，包括底座和安裝在底座上并可上下升降的升降臺；其特征在于：底座通過底座外圍的若干下支柱向上連接外環，外環再通過若干上支柱連接內環；外環的內側面上設置有定位齒，外環上部外側設有環形槽內；若干外環卡接頭裝在外環上，每個外環卡接頭下部分別設置有外環滾輪和軌道輪，每個外環卡接頭上設置有驅動軌道輪轉動的打印臂驅動電機，軌道輪和外環上的定位齒相嚙合，外環滾輪裝在外環上部外側的環形槽內；每個外環卡接頭分別連接一個打印臂，打印臂的另一端依次連接軸向滾輪、徑向牽制輪，軸向滾輪緊貼內環內壁，徑向牽制輪裝設在內環上端面上；每個打印臂上安裝一個打印頭，打印頭上裝有物料擠出電機和打印頭驅動電機，打印頭下部設置打印噴嘴，打印頭在打印頭驅動電機的驅動下能在打印臂上沿著外環的徑向方向上移動。

進一步的，上述的環形3D打印機，所述的升降臺為圓形平面結構，升降臺周緣上均勻設置三個平臺螺母，每個平臺螺母套接在豎直方向的絲桿上，絲桿下部通過聯軸器裝在升降驅動電機上，升降驅動電機固定裝在底座內。

進一步的，上述的環形3D打印機，所述的打印頭下部設有超聲波模塊，超聲波模塊的超聲波發射方向與水平面垂直。打印頭通過超聲波模塊向下檢測與升降臺的距離，從而判斷升降臺是否處于水平位置。

本設計的工作原理是：打印臂驅動電機帶動打印臂在水平的圓周方向上運動，而打印頭驅動電機驅動打印頭在外環的徑向方向運動。升降驅動電機帶動升降臺（載物面）上下移動。工作時，打印臂驅動電機和打印頭驅動電機按照指定路線移動，同時物料擠出電機將打印料擠出。利用 熔積成型（FDM）技術，打印頭內熔化塑料，通過沉積塑料纖維的方式形成薄層。

其特征在于：（1）所述的升降臺為圓形平面結構，升降臺周緣上均勻設置三個平臺螺母，每個平臺螺母套接在豎直方向的絲桿上，絲桿下部通過聯軸器裝在升降驅動電機上，升降驅動電機固定裝在底座內。（2）所述的打印頭下部設有超聲波模塊，超聲波模塊的超聲波發射方向與水平面垂直。

圖1為本設計的結構示意圖。

圖1

圖2為本設計的俯視圖。

圖2

圖3為本設計打印頭的結構示意圖。

圖3

在圖中，1.底座，2.升降臺，3.下支柱，4.外環，5.上支柱，6.內環，7.外環卡接頭，8.打印臂，9.軸向滾輪，10.徑向牽制輪，11.定位齒，12.軌道輪，13.外環滾輪，14.打印臂驅動電機，15.打印頭，16.打印噴嘴，17.物料擠出電機，18.打印頭驅動電機，19.升降驅動電機，20.聯軸器，21.絲桿，22.平臺螺母，23.超聲波模塊。

具體實施方式

如圖1-3所示，一種環形3D打印機，包括底座1和安裝在底座1上并可上下升降的升降臺2；底座1通過底座1外圍的4根下支柱向上連接外環4，外環4再通過4根上支柱連接內環6；外環4的內側面上設置有定位齒11，外環4的上部外側設有環形槽內；3個外環卡接頭7裝在外環4上，每個外環卡接頭7下部分別設置有外環滾輪13和軌道輪12，每個外環卡接頭7上設置有驅動軌道輪轉動的打印臂驅動電機14，軌道輪12和外環4上的定位齒11相嚙合，外環滾輪13裝在外環4上部外側的環形槽內；每個外環卡接頭7分別連接一個打印臂8，打印臂8的另一端依次連接軸向滾輪9、徑向牽制輪10，軸向滾輪9緊貼內環6的內壁上，徑向牽制輪10裝設在內環6的上端面上；每個打印臂8上安裝一個打印頭15打印頭15上裝有物料擠出電機17和打印頭驅動電機18，打印頭15下部設置打印噴嘴16，打印頭15在打印頭驅動電機18的驅動下能在打印臂8上沿著外環4的徑向方向上移動。

所述的升降臺2為圓形平面結構，升降臺2的周緣上均勻設置三個平臺螺母22，每個平臺螺母22套接在豎直方向的絲桿21上，絲桿21下部通過聯軸器20裝在升降驅動電機19上，升降驅動電機19固定裝在底座1內。

所述的打印頭15下部設有超聲波模塊23，超聲波模塊23的超聲波發射方向與水平面垂直。打印頭15通過超聲波模塊23向下檢測與升降臺2的距離，從而判斷升降臺2是否處于水平位置。

這樣設計制造的環形3D打印機新型又實用，可以從以下幾個方面來實現其應用：（1）可以定位坐標系為極坐標系，解決直角坐標系打印機打印曲面難度大的問題；（2）支持多打印頭協同工作，解決傳統3D打印機效率低的問題；（3）打印精度大大提高，解決傳統3D打印機精度低的問題；（4）空間利用率提高，解決傳統3D打印機占地空間大的問題。上所述是本文的優選實施例，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本文原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為設計制造創新的范圍。