CN106079444A - 一种桌面级聚醚醚酮高温3d打印装置 - Google Patents

一种桌面级聚醚醚酮高温3d打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置，其特征在于，它包括：箱体、移动机构、打印头、驱动机构和温控机构，所述移动机构包括X轴移动机构、Z轴移动机构和两个Y轴移动机构，两个Y轴移动机构固定在箱体内，X轴移动机构上安装在两个Y轴移动机构上，所述打印头安装在X轴移动机构上，温控机构固定在Z轴移动机构上。本发明解决了高温材料在打印过程中的加热、冷却及快速成型问题；其结构紧凑，小型化，便于拆装，对不同型号的材料适用性强，能将打印及成型控制在最佳的温度范围，适用于高温聚醚醚酮的精确打印成型。

Description

一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种FDM型聚醚醚酮高温3D打印装置。
背景技术
3D打印技术又被成为“快速成型技术”或者“增材制造技术”，是一种以计算机图形文件为基础，对材料逐层累加堆积成型的三维构形加工方式。发展至今，3D打印已经广泛应用于教育、汽车、机械、航空航天、工业设计等领域，被誉为“第三次工业革命的产物”。根据成型方式的不同，3D打印可以分为立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积造型(FDM)、逐层堆积造型(LOM)等。目前使用最广泛的是FDM快速成型，相比于其他3D打印技术，FDM可以将设备和材料成本降到最低，并且满足一般用户的需求。
FDM型3D打印机主要是以标准耗材为加工对象，由3D打印机进料装置挤入进料喉管，并逐渐加热使耗材呈熔融状态，最后到达出料喷嘴挤出固化成型。此外，在3D打印前需先确定打印参数，利用计算机对三位模型进行切片处理，最后生成可供3D打印机识别的模型打印文件。打印过程中，喷头在控制系统的带动下逐层出丝，喷丝粘结在工作层面上，如此反复移动制作，直至到下一层，最后形成用户所需的实体模型。其中喷头是较为复杂的部位，材料在喷头中被加热融化，需要以一定压力从喷嘴挤出，出丝需保持稳定和连续，在空气中也需满足适宜时间的降温固化。
FDM技术一般采用低熔点的丝状标准耗材，比如PLA和ABS丝料，只需在喷头内用少量加热装置即可达到耗材熔融状态。由于材料的单一性和局限性，众多诸如聚醚醚酮(PEEK)在内的高性能特种工程塑料却很少在3D打印上得到应用，而PEEK零部件造价昂贵，采用传统机加工方式，不少零件加工过程切削余量大，会导致极大的浪费和损耗。另外PEEK耗材加工温度高达350℃以上，冷却成型过程受环境温度影响大，而常规3D打印机无法提供适宜的温度区间，往往会因为加热熔化不及时、冷却过程过快造成打印件尺寸的较大偏差，严重影响产品合格率。因此需要考虑打印机的温度调控、加热冷却的问题，以及设计出的打印机应该满足简易、高效等要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的是在于提供一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置，它包括：箱体、移动机构、打印头、驱动机构和温控机构，所述移动机构包括X轴移动机构、Z轴移动机构和两个Y轴移动机构，两个Y轴移动机构固定在箱体内，X轴移动机构上安装在两个Y轴移动机构上，所述打印头安装在X轴移动机构上，温控机构固定在Z轴移动机构上；
所述箱体由左板、盖板、右板、底板、前板、后板组成，所述左板、盖板、右板、底板、前板、后板均由塑料外壳和绝缘内层粘结构成；其中，左板、盖板、右板及后板上均开有矩形孔，并用石英玻璃板覆盖；箱体前板装有开闭门装置，与安装在右板上的卡口配合；
所述Z轴移动机构包括：两根导向杆、螺杆、Z轴步进电机、滑动套、螺旋传动器及Z轴皮带，两根导向杆竖直对称分布于螺杆的左右两侧，并固定在底板上，螺杆通过螺旋传动器与打印面板联接，Z轴步进电机通过Z轴皮带与螺杆连接，带动螺杆旋转；
两个Y轴移动机构相同，分别固定在左板和右板上，且高度相等，均包括：Y向滑轨、两个Y轴支撑座、Y轴双联动支撑架、Y轴皮带及步进电机；两个Y轴支撑座和Y轴双联动支撑架均固定在左板上或均固定在右板上，且两个Y轴支撑座高度相等，Y向滑轨安装在两个Y轴支撑座上，步进电机固定在Y轴双联动支撑架上；
所述X轴移动机构包括两根X向滑轨和两个X轴支撑座，两个X轴支撑座分别固定在两个Y轴移动机构的Y向滑轨上，两根X向滑轨均安装在两个X轴支撑座上，且位于同一水平面；步进电机通过Y轴皮带与X轴支撑座连接，带动X轴支撑座前后运动，X轴步进电机固定在后板上；
所述打印头包括：打印头步进电机、散热块、支撑座、多级加热圈、加热管、弹簧、弹簧扣、支撑块和喷头，步进电机、散热块、支撑座和喷头依次固定连接，且所述散热块、支撑块和喷头上均开有原料输送孔；驱动齿轮安装在步进电机的输出轴上；喷头包括一体形成的细颈部和端部，双加热管安装在喷头端部的加热孔内，多级加热圈通过加热圈紧固螺栓固定在喷头的细颈部，转动架和步进电机通过联结销连接，转动架内部嵌有从动轮和弹簧扣，弹簧一端连接转动架，另一端连接散热块，从动轮与驱动齿轮相配合；X轴步进电机通过X轴皮带带动打印头左右运动；
所述驱动机构为主控板，所述X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机和打印头步进电机均与主控板相连。
所述温控机构包括：成型室、面板加热器、成型室加热器、打印面板、风扇加热器、红外加热灯及智能温控盒，打印面板通过滑动套固定在导向杆上，成型室固定在打印面板上表面，面板加热器安装在成型室底部，成型室加热器和风扇加热器安装在成型室外表面，红外加热灯安装在盖板下表面，智能温控盒安装在盖板上表面。
进一步地，所述智能温控盒包括控制器、固态继电器、A/D转换器、滤波放大电路和温度传感器；温度传感器、滤波放大电路和A/D转换器依次串联，A/D转换器、面板加热器、成型室加热器、风扇加热器、红外加热灯均与固态继电器相连，控制器与固态继电器串联。
本发明的有益效果是，本发明应用于高温聚醚醚酮材料的3D打印过程，其最大加热温度达到400℃，针对PEEK加热熔化难，冷却不稳定、不均匀等问题设计了新型打印装置，并采用保温箱体结构设计和智能温控系统，力求打印过程中打印件的结构稳定性和完整性，使不合格产品率大为降低。该3D打印机材料适应性好，容易操作，结构紧凑，便于观察，通过自动调温装置可实现整个打印过程的温度调控，满足PEEK零部件多样化打印的要求。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是本发明总体结构的主视图；
图3是本发明打印喷头的分解图；
图4是本发明智能温控盒的控制框图；
图5是本发明打印装置的工作过程框图；
图中，导向杆1、螺杆2、Y轴支撑座3、Y向滑轨4、Y轴皮带5、智能温控盒6、X轴支撑座7、X向滑轨8、红外加热灯9、石英玻璃板10、盖板11、右板12、成型室13、底板14、打印面板加热器15、成型室加热器16、打印面板17、Z轴步进电机18、Z轴皮带19、螺旋传动器20、滑动套21、前板22、X轴皮带23、Y轴双联动支撑架24、Y轴皮带25、卡口26、Y轴Y轴步进电机27、风扇加热器28、开闭门装置29、左板30、后板31、联结销32、转动架33、弹簧扣34、弹簧35、散热块36、支撑块37、喷头38、加热管39、加热圈紧固螺栓40、多级加热圈41、从动轮42、打印头步进电机43、驱动齿轮44、X轴步进电机45。
具体实施方式
下面参考附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明提供的一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置包括：箱体、移动机构、打印头、驱动机构和温控机构，所述移动机构包括X轴移动机构、Z轴移动机构和两个Y轴移动机构，两个Y轴移动机构固定在箱体内，X轴移动机构上安装在两个Y轴移动机构上，所述打印头安装在X轴移动机构上，温控机构固定在Z轴移动机构上。
所述箱体由左板30、盖板11、右板12、底板14、前板22、后板31组成，所述左板30、盖板11、右板12、底板14、前板22、后板31均由塑料外壳和绝缘内层粘结构成；其中，左板30、盖板11、右板12及后板31上均开有矩形孔，并用石英玻璃板10覆盖；箱体前板22装有开闭门装置29，与安装在右板12上的卡口26配合。
开孔后的整体框架是便于打印时的外部观察，配以石英玻璃板10则是防止内部温度耗散，同时，塑料外壳和绝缘内层主要防止箱体外部温度过高。
如图2所示，所述Z轴移动机构包括：两根导向杆1、螺杆2、Z轴步进电机18、滑动套21、螺旋传动器20及Z轴皮带19，两根导向杆1竖直对称分布于螺杆2的左右两侧，并固定在底板14上，螺杆2通过螺旋传动器20与打印面板17联接，Z轴步进电机18通过Z轴皮带19与螺杆1连接，带动螺杆1旋转。
两个Y轴移动机构相同，分别固定在左板30和右板12上，且高度相等，均包括：Y向滑轨4、两个Y轴支撑座3、Y轴双联动支撑架24、Y轴皮带25及Y轴Y轴步进电机27；两个Y轴支撑座3和Y轴双联动支撑架24均固定在左板30上或均固定在右板12上，且两个Y轴支撑座3高度相等，Y向滑轨4安装在两个Y轴支撑座3上，Y轴步进电机27固定在Y轴双联动支撑架24上。
所述X轴移动机构包括两根X向滑轨8、两个X轴支撑座7、X轴皮带23及X轴步进电机45，两个X轴支撑座7分别固定在两个Y轴移动机构的Y向滑轨4上，两根X向滑轨8均安装在两个X轴支撑座7上，且位于同一水平面；Y轴步进电机27通过Y轴皮带25与X轴支撑座7连接，带动X轴支撑座7前后运动，X轴步进电机固定在后板31上。
如图3所示，所述打印头包括：联结销32、转动架33、弹簧扣34、弹簧35、散热块36、支撑块37、喷头38、加热管39、加热圈紧固螺栓40、多级加热圈41、从动轮42、打印头步进电机43、驱动齿轮44，步进电机43、散热块37、支撑座37和喷头38依次固定连接，且所述转动架33、散热块36、支撑块37和喷头38上均开有原料输送孔；驱动齿轮44安装在步进电机43的输出轴上；喷头38包括一体形成的细颈部和端部，双加热管39安装在喷头38端部的加热孔内，多级加热圈41通过加热圈紧固螺栓40固定在喷头38的细颈部，转动架33和步进电机43通过联结销32连接，转动架33内部嵌有从动轮42和弹簧扣34，弹簧35一端连接转动架33，另一端连接散热块36，从动轮42与驱动齿轮44相配合；打印头固定在X向滑轨8上，X轴步进电机45通过X轴皮带23带动打印头左右运动。
转动架33、散热块36、支撑块37和喷头38上所开设的原料输送孔直径为3mm，使原料稳定进入喷头38中，实现熔融状态下的打印。弹簧35通过弹簧架33的转动将力转移到从动轮42对原料的压紧力上，通过旋转弹簧扣34可以及时调节打印所需的原料压紧力，弹簧35对不同型号的PEEK材料有着一定的适应性，从而保证出料的稳定性。
所述驱动机构为3D打印机主控板(图中未示出)，所述X轴步进电机45、Y轴步进电机27、Z轴步进电机18和打印头步进电机43均与主控板相连。
主控板主要控制X轴步进电机45、Y轴步进电机27、Z轴步进电机18和打印头步进电机43的启动、转向和转速，从而驱动打印头实现预设打印路径，同时主控板控制加热管39和多级加热圈41的温度和加热启动，主控板可以采用型号为Ramps1.4Plus一体板来实现，但不限于此。
所述温控机构包括：成型室13、面板加热器15、成型室加热器16、打印面板17、风扇加热器28、红外加热灯9及智能温控盒6，打印面板17通过滑动套21固定在导向杆1上，成型室13固定在打印面板17上表面，面板加热器15安装在成型室13底部，成型室加热器16和风扇加热器28安装在成型室13外表面，红外加热灯9安装在盖板11下表面，智能温控盒6安装在盖板11上表面。
成型室加热器16、风扇加热器28和面板加热器15的最高加热温度都可达300℃，主要维持成型室在平面方向的温度水平；红外加热灯9灯光斜对成型室内，最高温度可达150℃，主要维持成型室17在竖直方向的温度水平。
如图4所示，所述智能温控盒6包括控制器、固态继电器、A/D转换器、滤波放大电路和温度传感器；温度传感器、滤波放大电路和A/D转换器依次串联，A/D转换器、面板加热器15、成型室加热器16、风扇加热器28、红外加热灯9均与固态继电器相连，控制器与固态继电器串联。
智能温控盒6的控制系统采用PLC进行温度控制，通过温度传感器检测到的环境温度信号经过滤波放大电路进行处理，随后通过A/D转换器转变为数字信号传送到控制器内。控制器对反馈回来的数字信号与设定的温度值进行比较，得到偏差量，若偏差量在控制精度范围外，控制器通过PID算法来控制固态继电器的通断时间，进而调节面板加热器15、成型室加热器16、风扇加热器28、红外加热灯9的温度，从而实现PEEK打印过程中对环境温度的精准控制，保证成型过程中的温度调节。
如图5所示，本发明的工作过程如下：在计算机上建立好STL格式的三维模型，随后导入到3D打印机主控板上，并在主控板上设置好打印参数，主要包括打印速度、熔融温度和打印层厚及填充率，将丝料送进打印头，查看PEEK熔融出丝的状态。开启智能温控盒，调节打印面板、加热扇和成型室的温度，随后开动红外加热灯，利用温度自动调节功能将环境温度控制在合适的区间，最后开始进行打印成型。
在所述控制装置的控制下，所述桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置的工作过程可为：首先在计算机上建立好STL格式的三维模型，随后导入到3D打印机主控板上，在主控板上设置好打印参数，主要包括打印速度、熔融温度和打印层厚及填充率，打印头步进电机43信号经主控板识别后，打印头步进电机43启动，原料对准支撑块37上的进料孔并在驱动齿轮44和从动轮42的挤压下进入打印头，通过旋转弹簧扣34及时调节打印所需的耗材压紧力。接着加热信号经主控板识别后，打印头上加热管39和多级加热圈41的加热开始，PEEK从喷头38端部熔融出丝，若出丝稳定，在智能温控盒上输入所需的打印环境温度数值，通过温度传感器检测到的环境温度信号经过滤波放大电路进行处理，随后通过A/D转换器转变为数字信号传送到控制器内。控制器对反馈回来的数字信号与设定的温度值进行比较，得到一定的偏差量，若偏差量在控制精度范围外，控制器通过PID算法来控制固态继电器的通断时间，进而将面板加热器15、成型室加热器16、风扇加热器28、红外加热灯9的温度调节在适宜温度范围内。此后合上前板22并卡入右板12边缘处的卡口26，主控板输出电机驱动信号，控制X轴步进电机45、Z轴步进电机18和Y轴步进电机27的开启、转速和转向。Z轴步进电机18通过皮带19带动螺杆2旋转，螺杆2通过螺旋传动器20带动打印面板17竖直方向的运动。固定在Y轴双联动支撑架24上的Y轴步进电机27带动Y轴皮带25运动，实现固定在Y向滑轨4上的X轴支撑座7前后运动。固定在后板31上的X轴步进电机45带动X轴皮带23运动，实现打印头沿X向滑轨运动。三轴移动机构协同配合，从而完成设定的打印路径。

Claims (2)

1.一种桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置，其特征在于，它包括：箱体、移动机构、打印头、驱动机构和温控机构，所述移动机构包括X轴移动机构、Z轴移动机构和两个Y轴移动机构，两个Y轴移动机构固定在箱体内，X轴移动机构上安装在两个Y轴移动机构上，所述打印头安装在X轴移动机构上，温控机构固定在Z轴移动机构上；
所述箱体由左板(30)、盖板(11)、右板(12)、底板(14)、前板(22)、后板(31)组成，所述左板(30)、盖板(11)、右板(12)、底板(14)、前板(22)、后板(31)均由塑料外壳和绝缘内层粘结构成；其中，左板(30)、盖板(11)、右板(12)及后板(31)上均开有矩形孔，并用石英玻璃板(10)覆盖；箱体前板(22)装有开闭门装置(29)，与安装在右板(12)上的卡口(26)配合；
所述Z轴移动机构包括：两根导向杆(1)、螺杆(2)、Z轴步进电机(18)、滑动套(21)、螺旋传动器(20)及Z轴皮带(19)，两根导向杆(1)竖直对称分布于螺杆(2)的左右两侧，并固定在底板(14)上，螺杆(2)通过螺旋传动器(20)与打印面板(17)联接，Z轴步进电机(18)通过Z轴皮带(19)与螺杆(1)连接，带动螺杆(1)旋转；
两个Y轴移动机构相同，分别固定在左板(30)和右板(12)上，且高度相等，均包括：Y向滑轨(4)、两个Y轴支撑座(3)、Y轴双联动支撑架(24)、Y轴皮带(25)及步进电机(27)；两个Y轴支撑座(3)和Y轴双联动支撑架(24)均固定在左板(30)上或均固定在右板(12)上，且两个Y轴支撑座(3)高度相等，Y向滑轨(4)安装在两个Y轴支撑座(3)上，步进电机(27)固定在Y轴双联动支撑架(24)上；
所述X轴移动机构包括两根X向滑轨(8)和两个X轴支撑座(7)，两个X轴支撑座(7)分别固定在两个Y轴移动机构的Y向滑轨(4)上，两根X向滑轨(8)均安装在两个X轴支撑座(7)上，且位于同一水平面；步进电机(27)通过Y轴皮带(25)与X轴支撑座(7)连接，带动X轴支撑座(7)前后运动，X轴步进电机固定在后板31上；
所述打印头包括：打印头步进电机(43)、散热块(36)、支撑座(37)、多级加热圈(41)、加热管(39)、弹簧(35)、弹簧扣(36)、支撑块(37)和喷头(38)，步进电机(43)、散热块(37)、支撑座(37)和喷头(38)依次固定连接，且所述散热块(36)、支撑块(37)和喷头(38)上均开有原料输送孔；驱动齿轮(44)安装在步进电机(43)的输出轴上；喷头(38)包括一体形成的细颈部和端部，双加热管(39)安装在喷头(38)端部的加热孔内，多级加热圈(41)通过加热圈紧固螺栓(40)固定在喷头(38)的细颈部，转动架(33)和步进电机(43)通过联结销(32)连接，转动架(33)内部嵌有从动轮(42)和弹簧扣(34)，弹簧(35)一端连接转动架(33)，另一端连接散热块(36)，从动轮(42)与驱动齿轮(44)相配合；X轴步进电机(45)通过X轴皮带(23)带动打印头左右运动；
所述驱动机构为主控板，所述X轴步进电机(45)、Y轴步进电机(27)、Z轴步进电机(18)和打印头步进电机(43)均与主控板相连。
所述温控机构包括：成型室(13)、面板加热器(15)、成型室加热器(16)、打印面板(17)、风扇加热器(28)、红外加热灯(9)及智能温控盒(6)，打印面板(17)通过滑动套(21)固定在导向杆(1)上，成型室(13)固定在打印面板(17)上表面，面板加热器(15)安装在成型室(13)底部，成型室加热器(16)和风扇加热器(28)安装在成型室(13)外表面，红外加热灯(9)安装在盖板(11)下表面，智能温控盒(6)安装在盖板(11)上表面。
2.根据权利要求1所述桌面级聚醚醚酮高温3D打印装置，其特征在于，所述智能温控盒(6)包括控制器、固态继电器、A/D转换器、滤波放大电路和温度传感器；温度传感器、滤波放大电路和A/D转换器依次串联，A/D转换器、面板加热器(15)、成型室加热器(16)、风扇加热器(28)、红外加热灯(9)均与固态继电器，控制器与固态继电器相连。
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