[发明专利]一种基于球坐标系的4D打印系统

说明书

一种基于球坐标系的4D打印系统，包括基座、竖杆、横板、肋板、被打印件、工作台，喷嘴，还包括喷头转向机构、水平驱动机构、横杆转向机构和竖直驱动机构；喷嘴转向机构用来改变喷嘴的朝向，水平驱动机构用来控制喷嘴在沿工作台直径方向上与被打印件的横向尺寸大小，横杆转向机构用来调节水平驱动机构和竖直驱动机构之间的夹角，调节喷嘴与工作台间的高度，竖直驱动机构用来使水平驱动机构沿竖直方向上下移动运动以及绕竖直方向的转动运动。该发明可让喷嘴始终与被打印件表面保持垂直，使打印机在逐层打印中喷嘴喷出材料所成形线条之间的距离保持不变，使被打印件的内部的打印材料间的凝固度保持均匀一致，提高了打印强度和精度。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于球坐标系的4D打印系统。

背景技术

目前，传统3D打印机的工作结构大多为三维空间中的正交型结构，多采用平面分层打印成型的方式实现整个被打印件的加工成型，但是由于传统3D打印机的喷嘴在沿X轴、Y轴和Z轴三个方向上的运动为串联结构连接的移动运动副，因此传统3D打印机的被打印件在打印成型的打印过程中，喷嘴相对于三个坐标轴的移动误差是直接累加的，即喷嘴相对于坐标系原点的总位置误差将会比单个方向上的误差更大，直接影响了被打印件的打印精度以及表面粗糙度。

同时，在材料打印成型的过程中，传统3D打印机的喷嘴与底座平面的夹角始终为90度，该打印结构虽然简单实用，但并没有考虑到曲面材料成形时喷嘴打印方向的变化问题，即打印材料在逐层打印形成曲面的过程中，由于喷头与底座平面间始终保持垂直，喷嘴在逐层打印中喷出材料所成形线条之间的距离会发生变化，会使被打印件内部材料间的黏合出现不均匀化，使被打印件内部材料间的融合度降低，降低了打印机的打印精度以及被打印件的质量，尤其是在成型具有悬吊、悬臂等结构的零件时，通常需要添加支撑结构，特别是在成型纤维增强型复合材料时，不能完全按照纤维取向来打印成型，这无疑会导致被打印件的局部精度不一致，以至于会极大的影响工件在预想方向上的强度。

此外，传统3D打印机的打印形式是由三个独立控制的伺服电机驱动三维空间中正交的滚珠丝杠使滚珠丝杠座沿滚珠丝杠的轴线方向上平移运动而实现喷嘴的三维打印运动的，其主要的机械结构为三个相互正交垂直的滚珠丝杠副结构，故传统3D打印机只具有三个沿坐标轴的移动自由度，缺少绕三个坐标轴方向上的旋转自由度，以至于限制了传统3D打印机的打印精度以及应用范围。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于球坐标系的4D打印系统，该4D打印系统并不是基于打印材料类型来区分的(4D打印：打印智能材料；5D打印：生物材料与活性器官再造)，而是按照三维空间中的机械自由度来定义的4D打印系统，具有空间2个独立的移动自由度与2个独立的转动自由度。

一种基于球坐标系的4D打印系统，采用龙门式立体结构，包括基座、竖杆、横板、肋板、被打印件、工作台，喷嘴，所述基座用于支撑以及固定该4D打印系统的各个部件，还包括喷头转向机构、水平驱动机构、横杆转向机构和竖直驱动机构；

所述喷头转向机构的一端与所述水平驱动机构的一端连接，所述水平驱动机构与所述竖直驱动机构间由所述横杆转向机构相连接，所述竖直驱动机构安装在所述横板上；

所述喷头转向机构包括转动部，所述转动部与喷嘴相连，所述喷头转向机构用来改变喷嘴的朝向，使喷嘴始终与被打印件的表面夹角为90度；

所述水平驱动机构包括伸出杆a和摇杆，所述伸出杆a沿所述摇杆轴线方向上做直线运动，所述水平驱动机构用来控制所述喷嘴在沿所述工作台直径方向上与被打印件的横向尺寸大小；

所述横杆转向机构包括伸出杆b，所述伸出杆b一端与所述摇杆相连，另一端与所述竖直驱动机构相连；所述横杆转向机构用来调节所述水平驱动机构和所述竖直驱动机构之间的夹角，调节所述喷嘴与所述工作台间的高度；