基于POLAR机构的陶瓷快速成型设备

设计背景

  中国的陶瓷历史悠久，早己享誉海内外，中国不仅是拥有最古老陶瓷的地方，而且也是拥有最丰富的陶瓷传统的地方。中国可以称之为陶瓷大国，但不能称之为陶瓷强国，这种局面可以归咎于多种原因，其中的重要原因之一来自于技术方。

陶瓷制品具有耐高温、耐腐蚀、硬度高及强度高等优点，在航空航天、机械、电子等领域得到广泛应用。研究表明，陶瓷材料的成型工艺是降低陶瓷制品生产成本和提高陶瓷零件成型性能的关键因素。传统陶瓷产品的生产过程包括原料工序、成型工序和烧成工序三步工序，其中最为繁琐的工序为成型工序。传统陶瓷材料的成型方法有注浆成型滚压成型等。这两种成型方法工序冗杂，如注浆成型工艺中共包含九道工序，其中最关键的是模具的制造，也就是说如果在生产的过程中发现零件有问题或者生产新的产品还需要制造新的模具，由于陶瓷产品由模具生产，故所得产品表面质量会降低，后续还需进行修坏等操作。由此可以看出，传统陶瓷材料产品的生产具有以下缺点加工效率低、容易造成原料浪费、产品制作成本高、制造时间长以及制品结构简单和尺寸精度差等。传统陶瓷生产工艺无法满足市场需要和科技发展。

３Ｄ打印技术又称“增材制造技术”，该技术对于制造业的影响，被称为“第三次工业革命”。该方法通过计算机三维建模，采用逐层堆积的方式成型三维产品，无需模具，故可以快速生产复杂精密的零件。该成型工艺的诞生，有效的避免了传统陶瓷生产工艺中的缺陷％在陶瓷产品制造方面有着巨大的优势，这是传统陶瓷与现代新型科技的完美融合，也是陶瓷成型工艺发展的一个重要里程碑。相信随着相关研宄的深入，陶瓷材料３Ｄ打印技术会在各个行业占据更重要的位置。

产品设计

陶瓷材料３Ｄ打印技术的核心是陶瓷材料３Ｄ打印机的制作，也是本文的研究的重点。陶瓷材料３Ｄ打印机的设计制作并非完全颠覆之前的３Ｄ打印机，而是在相关的设备和技术中选择合适的直接进行利用，依据陶瓷材料挤出成型工艺的特点对其相关部件进行改进和优化，从而减少开发时间，降低开发成本。陶瓷材料３Ｄ打印技术需要喷嘴的三维运动、陶瓷材料的输送以及陶瓷材料经由喷嘴挤出成型。依据以上三点需要，搭建合理的陶瓷材料３Ｄ打印成型平台，这对于成型质量的保证、成型工艺的稳定以及打印精度的控制起到了至关重要的作用。

本作品并未采用传统的XY轴或并联臂的运动方式来带动挤出喷头运动，上述的运动方式在带动喷头的运动过程中无法完成半径较小的圆弧。作为陶瓷制品，其大多数形状为回转体，其外围有一定的弧度，采用上述的运动方式并不能完美体现陶瓷的特征。本作品基于POLAR运动方式设计了一种三维运动机构，打印机的底盘为回转体，在打印过程中可以很好的保证打印工件的外形精细。

传统的3D打印机的喷头并不适合陶瓷浆料的打印，在结合注塑机的原理后，设计出了一种微型挤出喷头。在电动机的驱动下，微型螺杆转动，进而推动陶瓷浆料从喷射口挤出，同时结合挤出机构的三维运动完成陶瓷工件的打印。

创新点

一.   自主设计基于POLAR运动方式的运动机构，在完成喷头运动的同时可以很好的保证喷嘴运动弧度足够的小，对于陶瓷制品这种回转体来说是很有必要。

二.   将注塑机的运动原理移植到作品中，通过微型挤出螺杆完成陶瓷浆料的挤出，相对于现在市面上柱塞式的挤出喷头，挤出更加的稳定，出料速度均匀。

三.   采用开放式式的整体框架 ，可以更加便于对大尺寸的陶瓷制品进行打印，设计灵感不再受机器尺寸限制