CN105034376B - 微重力环境下的3d打印系统及喷丝流量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于微重力环境下的3D打印系统及喷丝流量控制方法。本发明是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水,然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。本发明解决了微重力的太空环境下的3D打印问题；可以用于太空环境下的3D打印。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于微重力环境下的3D打印系统及喷丝流量控制方法。
背景技术
3D打印是添加剂制造技术的一种形式，3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。3D打印优势在于：实现了首件产品的净型成形，这样后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、航空航天等领域。制造复杂物品不增加成本，可以打印太空飞船中所需的复杂零部件；再次由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。同时由于3D打印技术的产品是自然无缝连接的，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。3D打印技术可选用的材料众多，常用材料有PLA、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等，也可将材料进行组合。3D打印的这些优势运用在太空中非常合适。例如：3D打印的首件产品的净型成形可减少航空航天任务数据泄密，其经济性使得航空飞船上不需自带备用零部件，降低宇宙空间探索预算，同时允许把更多成本用在其他需求上。航空航天飞船自身拥有制造能力，也对太空长期任务(如探寻其它星球)有开创性作用，使宇航员在太空中有更大程度的自主权和灵活性。
传统FDM3D打印机的工作原理是将低熔点丝状材料通过送丝机构送到加热器，加热熔化成液体，通过喷头挤出，层层叠加，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。然而，传统的3D打印机工作在地球上，地球重力可以保证熔融材料从喷头中挤出且不需要密封条件，而在太空上原有的重力条件变成了微重力状态，因而我们需要在喷头产生一定的压力让材料能够从喷头中挤出并配合喷洒胶水成型。因此本发明的FDM 3D打印机进行了改进，其机械结构主要包括增压喷头、胶水喷头、送丝机构、运动机构、加热机构、升降工作台等部分。为了保证宇航员的健康和仪器的正常使用，太空3D打印技术需要在密封条件下工作，达到为太空探索的航空器件提供备用零件的目的。
发明内容
本发明解决的技术问题之一在于提供一种微重力环境下的3D打印系统，实现太空微重力环境下的3D打印。
本发明解决的技术问题之二在于提供一种微重力环境下的3D打印系统的喷丝流量控制方法，以实现3D打印机在太空中的打印能力，最终有效解决飞船制造能力的问题。
本发明解决上述技术问题之一的技术方案是：
所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性丝材、热熔性胶棒202、料盘、送丝机构、胶水喷头、增压喷头、升降工作台等部分；3D打印机外接中央控制系统控制分层等处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由电机驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性较棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓。
所述的改进型增压喷头包含有输料管路缩口、输料管路内通道、输料管路、活塞、加热机构、挤料出口、机械驱动；输料管路缩口、输料管路和挤料出口依序设置；加热机构设置在下部的输料管路外；输料管路内设输料管路内通道；机械驱动连接活塞；活塞的连接杆为空心状；输料管路内通道贯穿在空心的连接杆内；机械驱动对大径驱动活塞施加一个很低的压力，当此压力作用于一个小面积被动活塞上时，产生一个高压；丝状材料由外部电机驱动顺着输料管路内通道进入，顺着输料管路进入到加热机构加热，丝状材料变为熔融状态，并由小面积活塞产生的高压通过挤料出口挤压成型。
所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。
所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。
打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。
本发明解决上述技术问题之二的技术方案是：
所述的方法是利用改进型增压喷头结构，机械驱动对大径驱动活塞施加一个很低的压力，当此压力作用于一个小面积被动活塞上时，产生一个高压；丝状材料由外部电机驱动顺着输料管路内通道进入到加热机构加热，丝状材料变为熔融状态，并由单向阀控制的高压活塞不断的将液体排出；增压泵的出口压力大小、出口流量大小与活塞有效面积、缸的行程、缸的运动周期有关；在结构确定的情况下，通过控制机械驱动转速实现对出口流量控制。
在计算出口流量时，设活塞驱动压力为P1，单位Pa，出口压力大小P2，单Pa，大径驱动活塞面积为S1，单位m2，小面积活塞为S2，单位m2，液体输出体积流量qv，单位m3/s，液压缸活塞有效面积A，单位m2，缸的行程L，单位m，缸的运动周期T，单位s；
产生的推力为F：
F＝P1×S1 (1)
P2＝F÷S2 (2)
由(1)、(2)可得：出口压力大小P2 pa。
根据理论可得：液体输出体积流量
有益效果：
本发明的实用性在于该系统可以将3D打印运用在航空航天领域，特点在于克服了微重力情况下3D打印材料难以挤出，即使挤出也难以成行的弊端，优势在于只需携带相应材料即可在太空中完成制造，一大批设备不用从地球上直接携带，这样将增强太空任务的可靠性和安全性，大大降低太空任务的预算。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明：
图1是本发明3D打印喷头的主视图；
图2是本发明3D打印机的原理图；
图3是本发明3D打印机的成型处理流程图；
图4是本发明3D打印成型系统调控图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明3D打印活塞增压喷头的主视图；包含有输料管路缩口101、输料管路内通道102、输料管路103、活塞104、加热机构105、输料管路106、挤料出口107、机械驱动108。其中，活塞增压泵工作原理类似于压力增压器，对大径驱动活塞104施加一个很低的压力，当此压力作用于一个小面积被动活塞104上时，产生一个高压。材料通过输料管路内通道102进入，如图中虚线所示；活塞104的连接杆是空心的，中间贯穿输料管路内通道102(即输料管路内通道贯穿在空心的连接杆内)，丝状材料由外部电机驱动沿着箭头方向顺着通道102进入，顺着输料管路106进入到加热机构105加热，丝状材料变为熔融状态，并由小面积活塞104产生的高压通过挤料出口107挤压成型，这样由单向阀控制的高压柱塞不断的将熔融液体排出，增压泵的出口压力大小与机械驱动压力有关。
设活塞驱动压力为P1，单位pa，出口压力大小P2，单位pa，大径驱动活塞面积为S1，单位m2，小面积活塞为S2，单位m2，液体输出体积流量qv，单位m3/s，液压缸活塞有效面积A，单位m2,缸的行程L，单位m，缸的运动周期T，单位s。
产生的推力为FN
F＝P1×S1 (1)
P2＝F÷S2 (2)
由(1)、(2)可得：出口压力大小P2 pa。
根据理论可得：液体输出体积流量
如图2所示，是本发明FDM工艺熔融沉积制造3D打印机原理图；包含有中央控制系统201、热熔性丝材(通常为ABS或PLA材料)207、热熔性胶棒202、料盘208、送丝机构203、胶水喷头204、增压喷头205、升降工作台206等部分。3D打印机外接中央控制系统201控制分层等处理软件，把CAD模型分层切片处理生成STL数控代码，热熔性丝材207缠绕在料盘208上，由电机驱动料盘208旋转。热熔性丝材207、热熔性胶棒202在主动辊与从动辊(即送丝机构203)的摩擦力作用下向增压喷头205、胶水喷头204送出，在送丝机构203和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由送丝机构203送到喷头。
其中，胶水喷头204用于每层打印前喷洒胶水；控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。随后增压喷头205根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，克服了常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端，材料冷却后便形形成了工件的轮廓。成型过程必须全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。
如图2、1所示，是本发明胶水喷头204与增压喷头205的结构同步(实施例中的改进型增压喷头205结构均用于胶水喷头204)，不同之处在于胶水喷头204使用的原材料是热熔性胶棒202(图2中有标出)，热熔性胶棒202从输料管路进入，工作温度为160℃—180℃。在微重力状态下，胶水喷头204在基于PC机先控制胶水喷头204在程序制定区域先喷洒一层胶水，随后增压喷头205根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。
如图3所示，是本发明3D打印机的成型处理流程图；常规3D打印无法在微重力条件下成型，主要受到两方面影响：1、物料挤出受限；2、实物堆积成型困难。本发明分别采用胶水喷头粘黏和改进型太空打印喷头来解决这两个问题，并在共同作用下解决常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端。即控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，再控制喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程。
如图4所示，本发明3D打印成型系统调控图。太空成型细节通过PC机控制图形切片软件生成STL模型，中央控制系统控制胶水喷头和增压喷头成型实物。增压喷头可控制喷丝流量与压力大小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微重力环境下的3D打印系统；其特征在于：所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性丝材、热熔性胶棒、料盘、送丝机构、胶水喷头、增压喷头和升降工作台；3D打印机外接中央控制系统控制分层处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由电机驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性胶棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓；所述的改进型增压喷头包含有输料管路缩口、输料管路内通道、输料管路、活塞、加热机构、挤料出口、机械驱动；输料管路缩口、输料管路和挤料出口依序设置；加热机构设置在下部的输料管路外；输料管路内设输料管路内通道；机械驱动连接活塞；活塞的连接杆为空心状；输料管路内通道贯穿在空心的连接杆内；机械驱动对大径驱动活塞施加一个很低的压力，当此压力作用于一个小面积被动活塞上时，产生一个高压；丝状材料由外部电机驱动顺着输料管路内通道进入，顺着输料管路进入到加热机构加热，丝状材料变为熔融状态，并由小面积活塞产生的高压通过挤料出口挤压成型。
2.根据权利要求1所述的打印系统；其特征在于：所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。
3.根据权利要求1所述的打印系统；其特征在于：所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。
4.根据权利要求2所述的打印系统；其特征在于：所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。
5.根据权利要求1至4任一项所述的打印系统；其特征在于：打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。
6.一种1至5任一项权利要求所述的打印系统的喷丝流量控制方法；其特征在于：所述的方法是利用改进型增压喷头结构，机械驱动对大径驱动活塞施加一个很低的压力，当此压力作用于一个小面积被动活塞上时，产生一个高压；丝状材料由外部电机驱动顺着输料管路内通道进入到加热机构加热，丝状材料变为熔融状态，并由单向阀控制的高压活塞不断的将液体排出；增压泵的出口压力大小、出口流量大小与活塞有效面积、缸的行程、缸的运动周期有关；在结构确定的情况下，通过控制机械驱动转速实现对出口流量控制。
7.根据权利要求6所述的喷丝流量控制方法；其特征在于：在计算出口流量时，设活塞驱动压力为P1，单位Pa，出口压力大小P2，单位Pa，大径驱动活塞面积为S1，单位m2，小面积活塞为S2，单位m2，液体输出体积流量qv，单位m3/s，液压缸活塞有效面积A，单位m2,缸的行程L，单位m，缸的运动周期T，单位s；
产生的推力为F
F＝P1×S1 (1)
P2＝F÷S2 (2)
由(1)、(2)可得：出口压力大小P2Pa；
根据理论可得：液体输出体积流量
。
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