关于一种环形3D打印机的设计制造与应用的研究

谢维昌

（江西省吉安市白鹭洲中学，吉安 343000）

3D打印（3D Printing），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。 三维打印 意味着这项技术的普及。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。其不同的结构设计会产生不同的打印精度和打印效率。本文的目的是针对以上问题，提供一种环形3D打印机，设计有多个打印头，可协同工作提升打印效率；同时打印精度大大提高。

本设计是这样实现的，一种环形3D打印机，包括底座和安装在底座上并可上下升降的升降台；其特征在于：底座通过底座外围的若干下支柱向上连接外环，外环再通过若干上支柱连接内环；外环的内侧面上设置有定位齿，外环上部外侧设有环形槽内；若干外环卡接头装在外环上，每个外环卡接头下部分别设置有外环滚轮和轨道轮，每个外环卡接头上设置有驱动轨道轮转动的打印臂驱动电机，轨道轮和外环上的定位齿相啮合，外环滚轮装在外环上部外侧的环形槽内；每个外环卡接头分别连接一个打印臂，打印臂的另一端依次连接轴向滚轮、径向牵制轮，轴向滚轮紧贴内环内壁，径向牵制轮装设在内环上端面上；每个打印臂上安装一个打印头，打印头上装有物料挤出电机和打印头驱动电机，打印头下部设置打印喷嘴，打印头在打印头驱动电机的驱动下能在打印臂上沿着外环的径向方向上移动。

进一步的，上述的环形3D打印机，所述的升降台为圆形平面结构，升降台周缘上均匀设置三个平台螺母，每个平台螺母套接在竖直方向的丝杆上，丝杆下部通过联轴器装在升降驱动电机上，升降驱动电机固定装在底座内。

进一步的，上述的环形3D打印机，所述的打印头下部设有超声波模块，超声波模块的超声波发射方向与水平面垂直。打印头通过超声波模块向下检测与升降台的距离，从而判断升降台是否处于水平位置。

本设计的工作原理是：打印臂驱动电机带动打印臂在水平的圆周方向上运动，而打印头驱动电机驱动打印头在外环的径向方向运动。升降驱动电机带动升降台（载物面）上下移动。工作时，打印臂驱动电机和打印头驱动电机按照指定路线移动，同时物料挤出电机将打印料挤出。利用 熔积成型（FDM）技术，打印头内熔化塑料，通过沉积塑料纤维的方式形成薄层。

其特征在于：（1）所述的升降台为圆形平面结构，升降台周缘上均匀设置三个平台螺母，每个平台螺母套接在竖直方向的丝杆上，丝杆下部通过联轴器装在升降驱动电机上，升降驱动电机固定装在底座内。（2）所述的打印头下部设有超声波模块，超声波模块的超声波发射方向与水平面垂直。

图1为本设计的结构示意图。

图1

图2为本设计的俯视图。

图2

图3为本设计打印头的结构示意图。

图3

在图中，1.底座，2.升降台，3.下支柱，4.外环，5.上支柱，6.内环，7.外环卡接头，8.打印臂，9.轴向滚轮，10.径向牵制轮，11.定位齿，12.轨道轮，13.外环滚轮，14.打印臂驱动电机，15.打印头，16.打印喷嘴，17.物料挤出电机，18.打印头驱动电机，19.升降驱动电机，20.联轴器，21.丝杆，22.平台螺母，23.超声波模块。

具体实施方式

如图1-3所示，一种环形3D打印机，包括底座1和安装在底座1上并可上下升降的升降台2；底座1通过底座1外围的4根下支柱向上连接外环4，外环4再通过4根上支柱连接内环6；外环4的内侧面上设置有定位齿11，外环4的上部外侧设有环形槽内；3个外环卡接头7装在外环4上，每个外环卡接头7下部分别设置有外环滚轮13和轨道轮12，每个外环卡接头7上设置有驱动轨道轮转动的打印臂驱动电机14，轨道轮12和外环4上的定位齿11相啮合，外环滚轮13装在外环4上部外侧的环形槽内；每个外环卡接头7分别连接一个打印臂8，打印臂8的另一端依次连接轴向滚轮9、径向牵制轮10，轴向滚轮9紧贴内环6的内壁上，径向牵制轮10装设在内环6的上端面上；每个打印臂8上安装一个打印头15打印头15上装有物料挤出电机17和打印头驱动电机18，打印头15下部设置打印喷嘴16，打印头15在打印头驱动电机18的驱动下能在打印臂8上沿着外环4的径向方向上移动。

所述的升降台2为圆形平面结构，升降台2的周缘上均匀设置三个平台螺母22，每个平台螺母22套接在竖直方向的丝杆21上，丝杆21下部通过联轴器20装在升降驱动电机19上，升降驱动电机19固定装在底座1内。

所述的打印头15下部设有超声波模块23，超声波模块23的超声波发射方向与水平面垂直。打印头15通过超声波模块23向下检测与升降台2的距离，从而判断升降台2是否处于水平位置。

这样设计制造的环形3D打印机新型又实用，可以从以下几个方面来实现其应用：（1）可以定位坐标系为极坐标系，解决直角坐标系打印机打印曲面难度大的问题；（2）支持多打印头协同工作，解决传统3D打印机效率低的问题；（3）打印精度大大提高，解决传统3D打印机精度低的问题；（4）空间利用率提高，解决传统3D打印机占地空间大的问题。上所述是本文的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本文原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为设计制造创新的范围。