CN103448247A - 能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，在堆叠式多彩头三维立体打印机的多彩头将每个送丝泵控制回路和加热控制回路硬件部分从主板上分离出来设置成容易保证对称一致性的模块化插板结构，分别插入设置在主板上的加热系统及多色控制系统接口插槽，每个送丝泵之间技术指标和参数值的对称一致性，保证打印多彩三维立体工件时各色熔丝在喷头咀内完成无温差融合，挤出彩丝，实现打印高精密度。使打印工件的机械强度达到材料的机械强度指标，同时 维修 更换方便， 节约资源，减少能耗，降低成本，结构简单，稳定可靠。

Description

能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统

技术领域

本发明属于一种堆叠式三维打印机，具体是一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统。

背景技术

公知技术中堆叠式三维立体打印机的打印程序是在惠普喷墨打印机打印程序的基础上开发而来，在堆叠式三维立体打印过程中打印程序默认打印材料是液态流动的，只需要给出每个打印头的关闭和给进指令，只有在工件打印结束时才给出全部打印头关闭加热电源的指令。因此，在堆叠式三维立体打印机当中加热器系统是一个分立的系统模块，由三部分组成：加热器，温度传感器，加热控制电路。温度传感器单元，开关单元，见图 1 ，运算器单元又是加热控制电路的组成部分。公知技术的加热系统中各模块之间的控制连接顺序是：当打印指令从主计算系统输出到加热系统的运算器输入端，加热系统控制程序运行，加热分系统运算器单元输出触发电平到开关单元，开关导通使加热器单元工作。加热器单元和温度传感器单元设置在受热单元上。温度传感器单元将受热单元上的温度转换成电信号反馈至加热分系统运算器单元。完成整个加热系统控制回路的程序运行。加热系统控制程序运行的质量由软件和硬件质量指标共同实现。

见图 1 ，在多头堆叠式三维立体打印机中当 X 、 Y 、 Z 轴步进控制速度和精度实现后打印头的温度控制则是打印质量最后的一项关键技术。双头三维立体打印机两个打印头加热控制回路分布设置在主板上的不同位置，器件位置和布线长度不同，因此回路中信号传递路径长度不相等，两套加热控制回路中存在信号传递的时序差。两个加热器开关器件也是封装在主板上的不同位置。在加热控制系统中开关单元，温度传感器单元，加热器单元无故障时，两个加热系统完成加热的时间不同，完成加热的质量不同。反映在打印工件上会看到直边上的分层呈现出一层长，另一层短；一层宽，另一层窄。且层间熔融不牢靠，工件的机械强度不够。如果设置成双头分别打印两个设计相同的工件时就会看到打印出的两个工件之间形状和质量差异。这是现有的堆叠式双头三维立体打印机存在的技术和质量上的缺陷。

在现有技术中控制加热方法是延长或缩短加热器供电时间。控制加热器供电时间的指令电平由运算器模块实现并加载到场效应管 ( 或可控硅、晶闸管 ) 触发极，使场效应管产生导通或截止的开关动作。总电源送来的加热电压电流不变，加热温度低时场效应管的截止关断动作时间长于加热器供电时间，反之加热温度高。保持加热温度灵敏度时需要场效应管被触发时的开关动作响应频率指标，保持加热速度和强度时需要场效应管在导通状态时的电压电流指标。如果场效应管内部 PN 结间内阻增高则导通时通过的电压电流就会变小。

现有的堆叠式三维立体打印机的打印头（见图 2 ），带进丝口 xk 的送丝泵 xe 连接进丝导 xq 管，进丝导管 xq 通过法兰盘 xi 连接喷嘴 xj ，在法兰盘 xi 上设置加热器 xl 和温度传感器 xt 。在现有的堆叠式三维立体打印机打印过程中断丝是常见的故障，有人分析认为是因不锈钢进丝导管受热不散，使塑料丝软化无力进入喷咀 xj 加热腔所致。其实此故障根本原因在于导致加热速度下降产生热能的漫散射，使不锈钢进丝导管 xq 受热的加热器 xl 和开关模块之一或两者内阻增高所致，在 MK8 打印头上使用的内阻式陶瓷加热器内阻超过 20Ω ± 1 时加热效率和加热响应频率明显下降，即加热速度和启动关闭反应变慢。无法满足 PLA 料丝在加速度 3,000( 毫米 / s ² ) 给进时所需 190 ℃熔融的热量消耗，导致 PLA 料丝无法顺畅熔出，送丝动作和打印动作空驶。断丝造成打印断层，使打印失败。以往如果通过排除法找出是开关组件的故障，也因不易更换只好报废整块主板。

在 A 、 B 双头三维立体打印机中， B 电路中固态继电器内阻升高与另一个发生不匹配现象时， B 电路中通过电压电流会下降，直接导致 B 电路末端的加热器加热功率不足，加热时间延长，熔丝质量变坏，直至塑料丝无法熔出。造成打印 A 、 B 色层之间乱层或断层，使打印失败。

现有的堆叠式双头或多头三维立体打印机中使用的打印头都为单色。一种彩色三维立体打印机技术采用彩色胶水作为打印墨水在石膏粉中喷墨打印粘结成型出彩色工件。其缺点是色彩会被石膏粉的白色基准差异形成色差，而石膏粉的机械强度较远低于工程塑料，因此无法在工程器件及其他应用领域中使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，能实现高精度打印质量及多彩三维立体彩色工件。

本发明提供的技术方案之一：包括打印主控系统、 X 轴伺服模块、 Y 轴伺服模块、 Z 轴伺服模块、设置有加热控制回路模块的分控系统、彩色打印头、接线插座、加热器、温度传感器及塑料丝上料导管，其特征是：加热控制回路模块设置成分立式插板结构，加热控制回路模块封装插板上设置分立的开关模块；在分控系统中设置多色控制系统接口插槽排，多个分立的各单色控制模块插板分别与该插槽排相接驳；

彩色打印头设置多个送丝泵，多个送丝泵设置在行走托架上，行走托架上组装线性轴承；通过固定压板和螺栓压紧固定在行走托架上，三角形法兰盘连接在行走托架中间位置，各送丝泵的出丝孔分别通过导丝软管连接三角形法兰盘上的导丝孔上端；三角形法兰盘中心位置设置加热腔，在加热腔内设置加热器，在加热腔上部设置温度传感器，在加热腔外部设置一个旋涡式喷咀，加热腔下端部呈圆锥台形状，旋涡式喷咀内表面从上至下呈上部大圆台与下部小圆台相接的双圆台收缩状，加热腔外径到旋涡式喷咀内径上端的直线距离等于导丝孔直径。

本发明提供的技术方案之二：包括打印主控系统、 X 轴伺服模块、 Y 轴伺服模块、 Z 轴伺服模块、设置有加热控制回路模块的分控系统、彩色打印头、接线插座、加热器、温度传感器及塑料丝上料导管，其特征是：加热控制回路模块设置成分立式插板结构，加热控制回路模块封装插板上设置分立的开关模块；在分控系统中设置多色控制系统接口插槽排，多个分立的各单色控制模块插板分别与该插槽排相接驳；

彩色打印头设置多个送丝泵，多个送丝泵设置在滑动底座上，设置有行走托架，行走托架组装线性轴承，在行走托架的下方连接梯形框架，滑动底座位于梯形框架内，梯形框架的四框内斜面底端与矩形的滑动底座四侧边贴合；送丝泵与梯形框架之间连接斜拉弹簧；各送丝泵的出丝孔处分别通过导丝软管连接三角形法兰盘上的三个导丝孔上端；三角形法兰盘中心位置设置加热腔，在加热腔内设置加热器，在加热腔上部设置温度传感器，在加热腔外部设置一个旋涡式喷咀，加热腔下端部呈圆锥台形状，旋涡式喷咀内表面从上至下呈上部大圆台与下部小圆台相接的双圆台收缩状，加热腔外径到旋涡式喷咀内径上端的直线距离等于导丝孔直径。

上述的三角形法兰盘内的导丝孔与上端平面呈 43 °夹角，导丝孔出口与旋涡式喷咀内径相切。

上述打印头的加热腔采用高导热系数的金属材料制造。

上述打印头的旋涡式喷咀采用高导热特性的金属材料；三角形法兰盘，导丝软管采用高隔热特性的材料。

上述的打印头的温度传感器材质、阻值、容值和热稳定性，温度响应频率需具有高的稳定性。

本发明的积极效果：

加热控制回路模块设置成分立式插板结构，加热控制回路模块封装插板上设置分立的开关模块。完全消除现有三维立体打印机加热开关器件老化后不易检测和无法更换的缺陷，免除了老化器件检测和更换的麻烦，保证打印质量。

三基色彩色打印头堆叠式多彩三维立体打印机能够实现工件的真彩标准的彩色打印效果，相当于计算机中 24 位色彩分辨率。单个加热器置于中心加热方式使热效利用率提高 95 ％以上，节能效率提高 4 倍，省去主板上重复设置的温度控制电路和器件，简化软件包，消除各加热电路回路中每个硬件单件技术参数未保证一致性造成熔丝温差引起的打印质量问题的缺陷，消除现有技术的打印头多头方案中多个喷咀带来的组装和调平麻烦和多头刮碰破坏打印层面的弊端。本彩色打印头具有简化主板加热控制电路，大大节省器件，减少运行能耗，可靠和稳定，加工成本降低的优势。

增加送丝泵多色控制系统 (PCI) 接口插槽和模块设置实现匹配一致性，增强控制精度和可靠性，保证旋涡式喷咀实现色彩混合与分离及打印的高精密度。减少故障率，保证打印工件的打印成功率。

旋涡式喷咀内三个连续空间形成的间隙能够实现色彩分离度和混合度要求，保证三基色彩色打印头的打印材料调色和换色在旋涡式喷咀内熔融状态下完成，只要打印指令没有停止，吐丝就不会中断。在色彩分离度选择合适时可在被打印出的工件上看到色彩分明的几何图案，且表面平整和层间熔融合牢固。公知的现有多头堆叠式三维立体打印机中的断丝换色的缺陷及缺陷造成的打印质量问题完全消除。

三基色彩色打印头采用悬挂式行走柔性连接技术的堆叠式三维立体彩色打印机能够在打印大尺寸工件时轻松越过打印工件平面上出现丝卷障碍，而不改变平台板原有的基准平面，保证打印精度不变。

便于制造流程中的质量控制和打印机的升级扩容，以及故障分析，维修更换，节约资源，减少能耗，降低成本，结构简单，稳定可靠。降低制造和维修成本，方便用户维护。

附图说明

图 1 是现有的立体打印机控制主板结构示意图。

图 2 是现有的打印头结构示意图。

图 3 是本发明的立体打印机控制主板结构示意图。

图 4 是本发明的加热控制回路结构原理框图。

图 5 是本发明的实施例一三基色彩色三维立体打印头结构示意图。

图 6 是图 5 的俯视图。

图 7 是三角形法兰盘、喷咀和加热管的结构示意图。

图 8 是图 7 的俯视图。

图 9 是本发明实施例二的三基色彩色三维立体打印头结构示意图。

图 10 是本发明实施例二滑动底座位于梯形框架内的俯视图。

具体实施方式

实施例一结构如下：

见图 3 、 4 ，控制主板结构包括现有技术中的打印主控系统、 X 轴伺服模块、 Y 轴伺服模块、 Z 轴伺服模块和分控系统。在分控系统中设置加热控制回路模块，加热系统控制回路的运行程序与现有技术相同，改进要点只是将打印头加热控制回路和开关器件从主板分离，改变成了分立式模块化封装插板结构；在主板分控系统接口控制电路末端连接多色控制系统 (PCI) 接口插槽排，并设置三个以上分立式模块化封装的单色控制模块插板。各单色控制模块插板分别安装在插槽排上，保证信号传递路径长度相等。使用插板与插槽的连接方式能够实现各控制回路匹配对称的技术指标要求和开关器件老化更换维护方便的要求，以及高精度打印的技术指标要求。

见图 5-8 ，彩色打印头设置三个送丝泵 e ，三个送丝泵 e 设置在行走托架 h 上，通过固定压板 c 和螺栓 b 固定在行走托架 h 上，三角形法兰盘 i 通过螺钉 v 连接在行走托架 h 中间位置，三个送丝泵 e 的出丝孔处 k 分别通过导丝软管 f 连接三角形法兰盘 i 上的三个导丝孔 m 上端，三个导丝孔 m 上端成三角形分布（见图 8 ）；三角形法兰盘内的导丝孔与上端平面呈 43 °夹角，导丝孔出口 n 与旋涡式喷咀 j 内壁 O 相切。三角形法兰盘 i 中心位置设置加热腔 w ，在加热腔 w 内设置加热器 l ，在加热腔 w 上部设置温度传感器 w-1 ，在加热腔 w 外部设置一个旋涡式喷咀 j ，加热腔 w 下端部呈圆锥台形状，旋涡式喷咀 j 内表面从上至下呈上部大圆台与下部小圆台相接的双圆台收缩状，加热腔外径上端到旋涡式喷咀内径上端的直线距离等于导丝孔 m 的直径。

线匝支架 a 设置在固定压板 c 上端，用于固定接线插座 d 引出导线和塑料丝上料导管（图中未示出，即公知的一根塑料管外端连接到机外塑料丝盘），保证打印时行走安全。

见图 3 — 5 ，为了保证各单色控制模块之间的一致性的质量技术要求，将三个单色塑料丝送丝泵控制电路设置成多色系统接口插槽排和多色控制模块插板结构，并列设置在主板上分控系统部位，由接口电路连接到分控系统，分控系统将主控系统送来的色彩给进指令分配给各单色控制模块，控制相应单色塑料丝送丝泵 e 送丝，当三个单色塑料丝送丝泵 e 进料孔中分别装填红、黄、蓝三基色 ABS 塑料丝后，打开打印机电源开关，打印机主板上的主控系统程序启动自检程序，完好后进入等待状态。然后，手动将等待状态切换到加热初始化状态，把三基色彩色打印头加热温度设置成 220 ℃，启动加热命令。加热器 l 的电阻式陶瓷加热管加热，铜合金材质的加热腔 w 被迅速加热温度达到 220 ℃时分控系统进入恒温控制状态时间≤ 6 秒钟，能够保证铜合金材质的旋涡式喷咀 j 在快速打印时工作温度在 220 ± 1 ℃精度。铜合金材质的加热腔 w 和旋涡式喷咀 j 设置固定在不锈钢三角形法兰盘 i 中心位置，温度传感器 w-1 被封口固定用的螺丝垫片压紧在加热腔开口处；加热器对圆柱形加热腔进行内热式加热，由于铜合金加热腔导热率高并封口隔绝空气，消除了结构造成的读数误差，提高加热控制回路模块的控制精度。

见图 5 — 7 ，送丝泵 e 送出的单色塑料丝由不锈钢丝编制的导丝软管 f 引导到三角形法兰盘 i 中相应的导丝孔中，到达导丝孔 m 下端 n 时，受到来自加热器 l 的熔丝高温，给进到达的单色塑料丝被熔化在加热腔 w 与旋涡式喷咀内壁 o 构成的旋涡初始化空间 p ，在连续送丝状态时，由不断进入导丝孔的单色塑料丝沿 43 °角给进时，其携带的力传递给液态塑料浆促使其沿旋涡式喷咀内壁做螺旋向下的运动，在喷咀内生成运动的旋涡。旋涡式喷咀 j 内从上至下为旋涡初始化空间 p 、旋涡增压空间 q 、旋涡力释放空间 r 三个连续的由大到小的变形空间，其内始终为一体化恒温加热，液态塑料浆一直保持良好的流动性。良好的流动性使混色能力和效果达到彩色喷墨打印机的要求。成丝混色更均匀，达到彩色打印的标准。旋涡式喷咀内壁 o 设置成大圆台上底与小圆台下底连接的双圆台结构，冷却后也不会出现因塑料凝固发生抱闸现象而取不下来。

由于本发明是采用调整旋涡式喷咀内壁 o 与加热腔 w 之间三个连续空间形成的间隙来实现色彩分离度和混合度要求。间隙小则提高打印的色彩分离度，间隙大则相反，甚至会使喷出细丝呈不规则双色的色彩拖尾现象。间隙与色彩分离度成反比。选择色彩分离度时需要根据打印所使用的塑料料丝直径尺寸来更换相应内径的旋涡式喷咀来实现。比如，使用直径φ 1.75mm 的塑料丝时，旋涡增压空间的间隙应控制在 0.12mm ，则不会产生色彩拖尾现象。由于三基色彩色打印头的打印材料调色和换色是在旋涡式喷咀内熔融状态下完成，只要打印指令没有停止，吐丝就不会中断。在色彩分离度选择合适时可以在被打印出的工件上看到色彩分明的几何图案，且平整的表面和层间熔融合牢固。

其它的技术要求如下：

加热腔 w 采用导热系数高的金属材料制造。

打印头的旋涡式喷咀 j 采用高导热特性的金属材料；三角形法兰盘 i ，导丝软管 f 采用高隔热特性的材料。

打印头的温度传感器材质、阻值、容值和热稳定性，温度响应频率需具有高的稳定性。

实施例二结构如下（悬挂式行走柔性连接打印头）：

见图 9 、 10 ，实施例二与实施例一的不同处详述如下：

三基色彩色打印头设置三个送丝泵 e ，三个送丝泵 e 设置在滑动底座 x 上，设置有行走托架 h ，行走托架 h 安装线性轴承 g ，在行走托架 h 的下方悬挂式连接梯形框架 z ，滑动底座 x 置于梯形框架 z 内，梯形框架 z 的四框内斜面 z-1 底端与矩形的滑动底座四侧边滑配合，滑配合精度限制水平位移精度在± 0.01mm ，保证滑动底座可以在垂直方向位移；三个送丝泵 e 与梯形框架 z 的 4 个底边之间分别连接斜拉弹簧 y ，限制垂直位移力度，并能实现自动复位；当采用悬挂式行走柔性连接技术并安装了三基色彩色打印头的堆叠式三维立体彩色打印机在打印大尺寸工件时，一旦遇到叠层丝断裂造成打印平面上出现丝卷障碍 ( 一般为塑料中的 <0.3mm 连续杂质形成 ) ，且又无法被旋涡式喷咀外壳温度二次熔化时，三基色彩色打印头可以凭借具有的柔性连接结构做向上跳动动作越过丝卷障碍，仅在平面的一个点上留下这个丝卷障碍疵点，而不改变平台板原有的基准平面，保证打印精度不变。对于在平面上留下的某个疵点可以在后续的行走间歇中用小型电烙铁人工手动熔掉，避免前功尽弃造成浪费。解决了现有的多头堆叠式三维立体打印机因为需要靠切换打印头来实现换色，在打印大尺寸工件时常常会因这种形成的丝卷障碍而前功尽弃打印失败。

在梯形框架 z 的四框斜面外可以增加防尘罩结构。

Claims (6)

1.一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，包括打印主控系统、 X 轴伺服模块、 Y 轴伺服模块、 Z 轴伺服模块、设置有加热控制回路模块的分控系统、彩色打印头、接线插座、加热器、温度传感器及塑料丝导丝软管，其特征是：加热控制回路模块设置成分立式插板结构，加热控制回路模块封装插板上设置分立的开关模块；在分控系统中设置多色控制系统接口插槽排，多个分立的各单色控制模块插板分别与该插槽排相接驳；

彩色打印头设置多个送丝泵，多个送丝泵设置在行走托架上，行走托架上组装线性轴承；通过固定压板和螺栓固定在行走托架上，三角形法兰盘连接在行走托架中间位置，各送丝泵的出丝孔分别通过导丝软管连接三角形法兰盘上的导丝孔上端；三角形法兰盘中心位置设置加热腔，在加热腔内设置加热器，在加热腔上部设置温度传感器，在加热腔外部设置一个旋涡式喷咀，加热腔下端部呈圆锥台形状，旋涡式喷咀内表面从上至下呈上部大圆台与下部小圆台相接的双圆台收缩状，加热腔外径到旋涡式喷咀内径上端的直线距离等于导丝孔直径。

2.一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，包括打印主控系统、 X 轴伺服模块、 Y 轴伺服模块、 Z 轴伺服模块、设置有加热控制回路模块的分控系统、彩色打印头、接线插座、加热器、温度传感器及塑料丝导丝软管，其特征是：加热控制回路模块设置成分立式插板结构，加热控制回路模块封装插板上设置分立的开关模块；在分控系统中设置多色控制系统接口插槽排，多个分立的各单色控制模块插板分别与该插槽排相接驳；

彩色打印头设置多个送丝泵，多个送丝泵设置在滑动底座上，设置有行走托架，行走托架安装线性轴承，在行走托架的下方连接梯形框架，滑动底座位于梯形框架内，梯形框架的四框内斜面底端与矩形的滑动底座四侧边贴合；送丝泵与梯形框架之间连接斜拉弹簧；各送丝泵的出丝孔处分别通过导丝软管连接三角形法兰盘上的三个导丝孔上端；三角形法兰盘中心位置设置加热腔，在加热腔内设置加热器，在加热腔上部设置温度传感器，在加热腔外部设置一个旋涡式喷咀，加热腔下端部呈圆锥台形状，旋涡式喷咀内表面从上至下呈上部大圆台与下部小圆台相接的双圆台收缩状，加热腔外径到旋涡式喷咀内径上端的直线距离等于导丝孔直径。

3.根据权利要求 1 或 2 所述的一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，其特征是：三角形法兰盘内的导丝孔与上端平面呈 43 °夹角，导丝孔出口与旋涡式喷咀内径相切。

4.根据权利要求 1 或 2 所述的一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，其特征是：打印头的加热腔采用高导热系数的金属材料制造。

5.根据权利要求 1 或 2 所述的一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，其特征是：打印头的旋涡式喷咀采用高导热特性的金属材料；三角形法兰盘，导丝软管采用高隔热特性的材料。

6.根据权利要求 1 或 2 所述的一种能实现精密打印的堆叠式多彩三维立体打印机的控制系统，其特征是：打印头的温度传感器材质、阻值、容值和热稳定性，温度响应频率需具有高的稳定性。

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