CN106180717A - 一种用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法，其设备主要由用于产生液态原料的加热单元、用于控制加热单元内部空间与外界大气或与负压装置相连通的开闭装置一、用于控制固态原料进入加热单元内部空间的开闭装置二、气压传感装置、液位传感电路、温度传感电路组成。其有益效果：规避了现有的FDM三维打印技术中挤出头的液态原料从固态原料入口处渗漏的问题；实现在三维打印过程中的固态原料连续供给，有利于大体积零件的打印；既可以产生液滴，也可以产生连续的液态原料流；可实现对液态原料流体的灵活控制；可实现对加热腔体内液态原料的体积、温度等参数实时监控；具有高可实施性和实用性，适用面广。本发明具有实质性进步。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印技术中的液态原料生成技术，尤其是涉及一种用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
三维打印技术最早起源于19世纪末的美国，直到20世纪七八十年代在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(StereoLithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three DimensionalPrinting and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。通过堆叠熔化原料实现三维打印的技术中，例如常见的FDM塑料打印和其它类似原理的金属打印，其中重要核心组件之一就是产生熔融原料的熔炉/挤出头/发生装置。目前有不少关于产生熔融金属原料的发生装置的专利申请，例如申请号为201410513433.7、名称为“一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头”的中国专利申请，又如申请号为201520533246.5、名称为“一种用于半固态金属挤出沉积成型的装置”的中国专利申请，这些专利申请无法产生液滴，可以产生连续的金属流，这些专利申请存在目前FDM塑料打印技术中常用的挤出头的渗漏问题，即：如果线材原料与挤出头内的腔道无法紧密贴合，或者挤出头所形成的温度场的梯度无法使线材原料产生介于熔化与固态之间的“软化”区段，熔化的原料在挤压力的作用下可能从挤出头的原料入口处渗出；如果喷嘴的内径与挤出头内的腔道内径之比过小，例如喷嘴内径为50微米、挤出头内的腔道内径为2毫米，喷嘴的流体阻力大，特别是液态金属的表面张力较大，更容易导致熔化的原料在挤压力的作用下从挤出头的原料入口处渗出。也有采用气压作为喷射动力的方式，可以产生金属液滴，例如文献Experiments on remelting andsolidification of molten metal droplets deposited in vertical columns(来源：期刊名《Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of theAsme》，2007年第129卷第2期311-318页)中记载的装置及方法，主要原理是采用脉冲气流在微型熔炉/坩埚内产生脉冲式的压强振动就可以在喷嘴出口处形成金属液滴；申请号为201520561484.7、名称为“一种液态金属打印墨盒”的中国专利申请使用的方法与该文献中记载的技术类似，但该专利申请提出的结构并不适用于高熔点材料(例如陶瓷、钛合金等)；又如申请号为201520644682.X、名称为“一种金属3D打印加支撑结构的装置”的中国专利申请,也是采用脉冲气流/气压来实现金属液滴生成。这些产生金属液滴的方法都是通过施加压力和利用流体的特性来产生金属液滴，也可以产生连续液态金属流，但不能在工作过程中连续添加固态原料，这对一些打印情形会带来不便，例如打印大型金属零件；并且对微型熔炉/坩埚内的液态金属的液量的监测也存在困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可连续添加固态原料、液态原料的输出状态可控、液态原料的液位可被监测的用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法。
为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于三维打印的液态原料发生装置，将容器内的固态原料加热熔化以获得液态原料，通过调节容器内的压力以控制液态原料从容器输出的状态，其特征在于：主要由用于产生液态原料的加热单元、用于控制加热单元内部空间与外界大气或与负压装置相连通的开闭装置一、用于控制固态原料进入加热单元内部空间的开闭装置二、气压传感装置、液位传感电路、温度传感电路组成；其中：开闭装置一、开闭装置二、气压传感装置都与加热单元的内部空间连接，连接方式为间接连接或直接连接；加热单元作为熔化固态原料并产生液态原料的容器，加热单元设置有固态原料进入其内部空间所需的接口，加热单元下端设置有出口以输出液态原料；加热单元设置有与外界的压力源连接的接口，或者外界的压力源与固态原料共用进入加热单元内部空间的接口；外界的压力源与加热单元的连接是受控连接；加热单元内的液态原料在外界的压力源传送至加热单元内的压力的推动下输出加热单元外；加热单元内部的压力值受到外界的压力源、开闭装置二和开闭装置一的控制；液位传感电路与加热单元连接；温度传感电路与加热单元连接，或者温度传感电路设置于加热单元外且不相互接触。
外界的压力源种类多，可以采用高压气瓶之类的压力源，也可以采用气泵之类的压力源。加热单元的加热方式有多种，例如：电磁感应、电阻发热(电阻加热)、电弧加热、等离子体加热。固态原料的类型有多种，例如：线状、棒状、颗粒状、粉末状。温度传感电路的探测方式有多种，例如：采用非接触式的红外测温(通过探测表面的温度、推算出内部的温度)、采用接触式的热电偶电阻式测温。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：设置有负压装置；负压装置与加热单元内部空间的连接受到开闭装置一的控制；
所述的液位传感电路设置于加热单元上；液位传感电路与加热单元内部的液态原料接触或者不接触。液位传感电路的探测方式有多种，例如：电极式、电容式、反射式(反射光线、超声波等)。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：所述的负压装置主要由真空泵、负压腔、压力传感器组成；
或者，负压装置为体积可变的腔体装置；在需要产生负压的情况下，腔体的体积变大，在腔体内部产生负压。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：所述的负压装置可作为压力源，负压装置为体积可变的腔体装置；当需要产生正压时，负压装置的体积变小；当需要产生负压时，负压装置的体积变大。体积可变的腔体装置有多种类型，例如：活塞式腔体装置，压电式可形变腔体装置，电磁式可形变腔体装置。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：所述的用于产生液态原料的加热单元，主要由加热腔体、电磁感应线圈、盖帽组成，其中：加热腔体内设置有空腔，加热腔体的下方设置有出口，加热腔体的上端与盖帽连接；盖帽设置有冷却结构，冷却结构用于对盖帽进行冷却或散热，盖帽作为加热单元与三维打印系统的其它结构实现连接的中介；盖帽设置有通孔，该通孔作为固态原料进入加热腔体内的接口；在加热腔体外围设置电磁感应线圈，电磁感应线圈用于产生磁场，通过电磁感应线圈耦合作用而在加热腔体和/或加热腔体内的原料产生感应电流并发热，在加热腔体内产生液态原料。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：所述的加热单元的加热腔体采用非导电性材料制造；在加热腔体下端设置电极，用于在液态原料与该电极之间建立电场，利用电场力改变液态原料在加热腔体内部空腔下端出口处的表面张力，或者利用电场力拉动液态原料，使液态原料在该出口处的流阻可调节；
或者，加热腔体及其下端出口的内层材料采用非导电性材料，加热腔体的外层或加热腔体下端的外层采用导电性材料并作为电极，在液态原料与加热腔体下端之间建立电场，利用电场力改变液态原料在加热腔体内部空腔下端出口处的表面张力，或者利用电场力拉动液态原料，使液态原料在该出口处的流阻可调节。通过电场力改变液体的表面张力或驱动液体，已被应用于多个领域，例如：电渗流，电场喷射，高压静电纳米纺丝。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：设置有原料输送单元，主要由固态原料仓、固态原料驱动机构、原料管路组成，其中：固态原料仓内设置有可旋转的线盘，线状的固态原料缠绕在线盘上；固态原料驱动机构以送丝轮为主要结构，送丝轮旋转带动线状的固态原料的移动；原料管路将固态原料仓、固态原料驱动机构、加热单元连接在一起，线状的固态原料在原料管路中穿行；
所述的开闭装置一采用电磁阀。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：所述的开闭装置二主要由弹性形变结构和形变驱动机构组成，其中：弹性形变结构的内部空间与加热单元的固态原料接口串联；在开闭装置二处于开启的状态下，固态原料可以通过弹性形变结构的内部空间；在开闭装置二处于关闭的状态下，弹性形变结构受到形变驱动机构的驱动而变形，弹性形变结构的内部空间闭合或局部闭合，或者弹性形变结构与穿过其内部空间的固态原料发生贴合或嵌合，从而关闭固态原料输送通路与加热单元的内部空间之间的连接。
可选地：
上述的用于三维打印的液态原料发生装置：设置有固态原料位移传感电路，用于监测固态原料在往加热单元内移动的过程中的状态。例如：利用线状固态原料表面对光的反射来检测线状固态原料的移动速度(该原理在常用的光电鼠标中被广泛使用)。
进一步地，本发明提供了上述的用于三维打印的液态原料发生装置的控制方法：一种用于三维打印的液态原料发生装置的控制方法，它采用计算机作为控制系统的核心，其特征在于：
其主要步骤为：
步骤S101，计算机判断加热单元是否为第一次工作(是否是第一次被使用)，如果是第一次工作，就进入步骤S102；如果不是第一次工作，意味着加热单元的加热腔体内存在上一次工作结束后剩余的原料，就进入步骤S103；
步骤S102，将设定量的固态原料送入加热单元的加热腔体内(目的是在加热腔体内蓄积某个体积的原料，作为起始量，该起始量是经验值)；然后进入步骤S103；
步骤S103，加热单元开始加热，将加热单元的加热腔体加热至设定温度，等待预设的时长(该预设的时长属于经验值)，以使加热腔体内的固态原料熔化(即获得熔化的起始原料，熔化的起始原料可以帮助后续添加的固态原料加速熔化)；然后进入步骤S104；
步骤S104，固态原料以设定的速度进入加热单元内(固态原料进入加热单元内的速度是经验值，也可以根据液态原料的输出速度和加热单元的温度及加热功率计算获得)；然后进入步骤S105；
步骤S105，计算机判断液态原料的高度是否处于预设值范围，即是否处于最低预设值与最高预设值之间(可以通过判断液态原料的液面高度来获得)；如果液态原料的高度处于预设值范围，就进入步骤S106；如果液态原料的高度低于最低预设值(该最低预设值可以是经验值，也可以计算产生，也可以由硬件设定)，将加热腔体内的压强降至预设的低压值(目的是阻止液态原料的输出，该预设的低压值可以是经验值，也可以计算产生)，就返回步骤S104；如果液态原料的高度高于或等于最高预设值(该最高预设值可以是经验值，也可以计算产生，也可以由硬件设定)，就停止将固态原料往加热单元内输送，然后进入步骤S106；
步骤S106，计算机判断是否需要输出液态原料，如果需要输出，就进入步骤S107，否则进入步骤S108；
步骤S107，计算机判断加热腔体内的压强是否处于预设的高压值(该预设的高压值可以是经验值，也可以计算产生)，如果低于预设的高压值，就将加热腔体内的压强升至预设的高压值；如果高于预设的高压值，就将加热腔体内的压强降至预设的高压值；液态原料逐渐被加热腔体内的压力推至加热单元外；返回步骤S105；
步骤S108，计算机判断加热腔体内的压强是否高于预设的低压值(该预设的低压值可以是经验值，也可以计算产生)；如果高于预设的低压值，就将加热腔体内的压强降至预设的低压值；如果等于或低于预设的低压值，就不改变加热腔体内的压强；进入步骤S109；(当加热腔体内的压强低于预设的低压值时，加热腔体内的液态原料无法从加热腔体下端的出口流出；)
步骤S109，计算机判断是否终止加热单元的工作，如果需要加热单元停止工作，就进入步骤S110；如果加热单元不需要停止工作，返回步骤S105；
步骤S110，停止往加热单元内输送固态原料，加热单元停止加热，在控制系统内累加一次加热单元的工作次数；
或者，其主要步骤为：
步骤S201，加热单元如果是刚开始启用(即第一次被使用)，使用者往加热单元的加热腔体内放置特定量的固态原料(目的是在加热腔体内蓄积某个体积的原料，作为起始量，该起始量是经验值)；否则，意味着加热单元的加热腔体内存在上一次工作结束后剩余的原料，不需要使用者往加热腔体内放置特定量的固态原料；进入步骤S202；
步骤S202，加热单元开始加热，将加热单元的加热腔体加热至设定温度，等待预设的时长(该预设的时长属于经验值)，以使加热腔体内的固态原料熔化(即获得熔化的起始原料，熔化的起始原料可以帮助后续添加的固态原料加速熔化)；然后进入步骤S203；
步骤S203，固态原料以设定的速度进入加热单元内(固态原料进入加热单元内的速度是经验值，也可以根据液态原料的输出速度和加热单元的温度及加热功率计算获得)；然后进入步骤S204；
步骤S204，计算机判断液态原料的高度是否处于预设值范围，即是否处于最低预设值与最高预设值之间(可以通过判断液态原料的液面高度来获得)；如果液态原料的高度处于预设值范围，就进入步骤S205；如果液态原料的高度低于最低预设值(该最低预设值可以是经验值，也可以计算产生，也可以由硬件设定)，将加热腔体内的压强降至预设的低压值(目的是阻止液态原料的输出，该预设的低压值可以是经验值，也可以计算产生)，就返回步骤S203；如果液态原料的高度高于或等于最高预设值(该最高预设值可以是经验值，也可以计算产生，也可以由硬件设定)，就停止将固态原料往加热单元内输送，然后进入步骤S205；
步骤S205，计算机判断是否需要输出液态原料，如果需要输出，就进入步骤S206，否则进入步骤S207；
步骤S206，计算机判断加热腔体内的压强是否处于预设的高压值(该预设的高压值可以是经验值，也可以计算产生)，如果低于预设的高压值，就将加热腔体内的压强升至预设的高压值；如果高于预设的高压值，就将加热腔体内的压强降至预设的高压值；液态原料逐渐被加热腔体内的压力推至加热单元外；返回步骤S204；
步骤S207，计算机判断加热腔体内的压强是否高于预设的低压值(该预设的低压值可以是经验值，也可以计算产生)；如果高于预设的低压值，就将加热腔体内的压强降至预设的低压值；如果等于或低于预设的低压值，就不改变加热腔体内的压强；进入步骤S208；
步骤S208，计算机判断是否终止加热单元的工作，如果需要加热单元停止工作，就进入步骤S209；如果加热单元不需要停止工作，返回步骤S204；
步骤S209，停止往加热单元内输送固态原料，加热单元停止加热，在控制系统内累加一次加热单元的工作次数。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过调节加热腔体内的气压实现对液态原料的输出状态的控制，避免了现有常见的FDM三维打印技术中使用的挤出头因为当喷嘴的流体阻力大或者由于挤出头的加热不当而导致液态原料从固态原料入口处渗出的情况。
(2)本发明通过在固态原料输送通路上设置能开启和关闭固态原料输送通路的开闭装置，实现加热腔体内气压的调节与固态原料的供给之间的协调，实现在三维打印过程中的固态原料连续供给，有利于大体积零件的打印。
(3)本发明可实现对加热腔体内液态原料的体积、温度等参数实时监控。
(4)本发明可通过电场力改变液态原料在加热腔体内部空腔下端出口处的表面张力，或者利用电场力拉动液态原料，使液态原料在该出口处的流阻可调节，从而可实现对液态原料流体的灵活控制。
(5)本发明可通过在加热腔体内产生脉冲压力，进而产生原料液滴；也可以通过平缓的压力驱动产生连续的液态原料流；适用面广。
(6)当本发明的加热腔体采用耐高温材料制造时，可以产生高温金属液滴或金属流(例如钛合金液滴)，由于加热腔体与固态原料、惰性气体源等组件之间的连接可以通过柔性管路连接，驱动装置(例如送丝轮及驱动电机)与加热腔体分离，因此容易实现加热腔体的高温隔离；本发明在金属/陶瓷三维打印领域的应用具有高可实施性和实用性，适用面广。
综上所述，本发明的有益效果：避免了现有常见的FDM三维打印技术中挤出头的液态原料从固态原料入口处渗漏的问题；实现在三维打印过程中的固态原料连续供给，有利于大体积零件的打印；既可以产生液滴，也可以产生连续的液态原料流；可实现对液态原料流体的灵活控制；可实现对加热腔体内液态原料的体积、温度等参数实时监控；具有高可实施性和实用性，适用面广。本发明具有实质性进步。
附图说明
图1是示意图，用于说明本发明的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个较佳具体实施例的组成；
图2是示意图，用于说明图1所示的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个较佳具体实施例的组件“加热单元”的组成；
图3是示意图，用于说明图1所示的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个较佳具体实施例的部分组件的内部结构；
图4和图5是示意图，用于说明图1所示的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个较佳具体实施例的一个组件“弹性形变结构”的两种工作状态，其中图5中的箭头F1表示力作用的方向；
图6是示意图，用于说明本发明的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第二个较佳具体实施例的组成；
其中的标号：1-加热单元，2-固态原料仓，3-固态原料驱动机构，4-负压腔，5-开闭装置一，6-开闭装置二，7-真空泵,8-压力源，9-电磁阀一，10-气压传感器一，11-气压传感器二，12-气压传感器三，13-原料管路，14-加热腔体，15-盖帽，16-电磁感应线圈，17-隔热层，18-喷嘴，19–液位传感电路，20-陶瓷座一，21-电磁感应线圈的接口，22-盖帽的冷却接口，23-弹性形变结构，24-形变驱动机构，25-送丝轮，26-冷却腔道，27-熔化的金属原料，28-金属丝，35-温度传感电路,36-陶瓷座二，40-活塞式腔体装置，41-往复式驱动装置，42-电磁阀二，43-电磁阀三。
具体实施方式
下面列举本发明的较佳具体实施例并结合附图对本发明进行详细描述。
如图1至图5所示的本发明的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个具体实施例：一种用于三维打印的液态原料发生装置，将容器内的固态原料加热熔化以获得液态原料，通过调节容器内的压力以控制液态原料从容器输出的状态；主要由用于产生液态原料的加热单元1、用于控制加热单元1内部空间与外界大气或与负压装置相连通的开闭装置一5、用于控制固态原料进入加热单元1内部空间的开闭装置二6、气压传感装置(包括气压传感器一10、气压传感器二11、气压传感器三12)、液位传感电路19、温度传感电路35组成；其中：开闭装置一5、开闭装置二6、气压传感装置的内部空间都与加热单元1的内部空间连接(在本具体实施例中属于间接连接)，液位传感电路19、温度传感电路35都与加热单元1连接(属于直接连接)；加热单元1作为熔化固态原料并产生液态原料的容器，加热单元1设置有固态原料进入其内部空间所需的接口，加热单元1下端设置有出口(即喷嘴18的孔)以输出液态原料；外界的压力源8与固态原料共用进入加热单元1内部空间的接口；外界的压力源8与加热单元1的连接是受控连接(受到电磁阀一9的控制)；加热单元1内的液态原料在外界的压力源8传送至加热单元1内的压力的推动下输出加热单元1外；加热单元1内部的压力值受外界压力源8、电磁阀一9、开闭装置二6和开闭装置一5共同控制，开闭装置一5采用电磁阀；温度传感电路35通过热传导的方式感知加热单元1的温度。
外界的压力源8种类多，除了可以采用高压惰性气体瓶之类的压力源之外，也可以采用气泵之类的压力源，本具体实施例采用高压氩气瓶。加热单元的加热方式有多种(例如电磁感应、电阻发热(电阻加热)、电弧加热、等离子体加热)，本具体实施例采用电磁感应加热。固态原料的类型有多种(例如：线状、棒状、颗粒状、粉末状)，本具体实施例采用金属线材(即金属丝28)，例如316L不锈钢丝。温度传感电路，探测方式有多种(例如：采用非接触式的红外测温、采用接触式的热电偶电阻式测温)，本具体实施例采用接触式的热电偶电阻式测温，热电偶采用钨铼热电偶。
在本具体实施例中，设置有负压装置。负压装置与加热单元1内部空间的连接受到开闭装置一5(采用电磁阀)的控制；负压装置主要由真空泵7、负压腔4、压力传感器(气压传感器三12)组成。真空泵7在负压腔4内产生负压，当开闭装置一5(采用电磁阀)开启后，负压腔4的负压传导至加热单元1内部空间。
在本具体实施例中，加热单元1主要由加热腔体14、电磁感应线圈16、盖帽15组成，其中：加热腔体14内设置有空腔，加热腔体14的下方设置有出口(即喷嘴18的孔)，加热腔体14的上端与盖帽15连接；盖帽15设置有冷却结构(即冷却腔道26)，冷却结构用于对盖帽15进行冷却(通过盖帽的冷却接口22连接外界的水冷管路)，盖帽15作为加热单元1与三维打印系统的其它结构实现连接的中介；盖帽15设置有通孔，该通孔作为固态原料进入加热腔体14内的接口，该通孔与原料管路13连接；在加热腔体14外围设置有电磁感应线圈16，电磁感应线圈16用于产生高频磁场，通过电磁感应线圈16耦合作用而在加热腔体14产生感应电流并发热，在加热腔体14内产生熔化的金属原料27(液态原料)。电磁感应线圈的接口21与驱动电源和冷却装置连接。加热腔体14采用特种耐超高温钨合金制造。隔热层17包裹在加热腔体14外，以减少热量损耗。高频电磁感应加热存在趋肤效应，高频磁场在加热腔体14的外层(大约2mm厚)感生涡流，热量通过传导的方式往内部的金属原料扩散。温度传感电路35的位置避开加热腔体14的涡流层。温度传感电路35采用钨铼合金热电偶，能在2400℃条件下稳定工作。温度传感电路35通过陶瓷座二36与加热单元1实现隔离。
在本具体实施例中，液位传感电路19设置于加热单元1上，嵌入加热单元1的内部空间；液位传感电路19与加热单元1内部的液态原料接触，通过判断液位传感电路19与加热单元1内部的液态原料的接触与否，来实现监测。液位传感电路19采用固态耐高温导电材料，液位传感电路19与加热单元1的盖帽15之间设置陶瓷座一20。陶瓷座一20用于电气绝缘，将液位传感电路19与其它部件隔离开来。液位传感电路19采用两根电极，一根电极探测液位的下限，另一根电极探测液位的上限。
在本具体实施例中，设置有原料输送单元，主要由固态原料仓2、固态原料驱动机构3、原料管路13组成，其中：固态原料仓2内设置有可旋转的线盘，线状的固态原料(金属丝28，即316L不锈钢丝)缠绕在线盘上；固态原料驱动机构3以送丝轮25为主要结构，送丝轮25与电动机连接，送丝轮25旋转带动线状的固态原料的移动；原料管路13将固态原料仓2、固态原料驱动机构3、加热单元1连接在一起，线状的固态原料在原料管路13中穿行。
在本具体实施例中，开闭装置二6主要由外壳、弹性形变结构23和形变驱动机构24组成，其中：弹性形变结构23的内部空间通过原料管路13与加热单元1的固态原料接口串联；弹性形变结构23为管状结构，在管状结构的狭窄处(咽喉部)设置有裂口，裂口的开口开放于该狭窄处的通孔侧壁，弹性形变结构23采用超高弹性、耐磨损的高分子聚合物制造；在开闭装置二6处于开启的状态下，固态原料可以通过弹性形变结构23的内部空间；在开闭装置二6处于关闭的状态下，弹性形变结构23受到形变驱动机构24的驱动而变形，弹性形变结构23与穿过其内部空间的固态原料(即金属丝28)发生紧密贴合，从而关闭固态原料输送通路与加热单元1的内部空间之间的连接。
如图5所示，在形变驱动机构24施加作用力F1之后，弹性形变结构23的裂口被挤压闭合，弹性形变结构23的狭窄处(咽喉部)与金属丝28紧密贴合，导致固态原料仓2的内部空间与加热单元1的内部空腔之间的空间连接被阻断，加热单元1的内部空腔的压强变化不受固态原料仓2的内部空间的影响。如图4所示，在弹性形变结构23不受到形变驱动机构24施加作用力的情况下，弹性形变结构23的裂口不闭合，弹性形变结构23的狭窄处(咽喉部)与金属丝28的外表面之间存在缝隙，固态原料仓2的内部空间与加热单元1的内部空腔相互连通，金属丝28的传输不受影响，外界的压力源8可以往加热单元1输送氩气。
在本具体实施例中，设置有固态原料位移传感电路(未在附图中示出)，用于监测固态原料在往加热单元1内移动的过程中的状态。固态原料位移传感电路设置于开闭装置二6的壳体内；在原料管路13上设置有一个窗口，固态原料位移传感电路通过该窗口与原料管路13连接在一起。利用线状固态原料表面对光的反射来检测线状固态原料的移动速度，以此作为控制系统的计算机控制固态原料驱动机构3的工作状态的依据之一。
外界的压力源8与固态原料仓2连接，压力源8的高压氩气经过原料管路13被输送到加热单元1的加热腔体14内。压力源8与固态原料仓2的连接状态受到电磁阀一9的控制。固态原料仓2、固态原料驱动机构3、原料管路13、开闭装置二6、固态原料位移传感电路的内部空间与外界大气隔离(受控隔离)。
负压装置通过原料管路13与加热单元1的加热腔体14内部空间连接，并且该连接受到开闭装置一5的控制。
气压传感器一10用于监测固态原料仓2内部的气压。气压传感器二11用于监测加热腔体14内部的气压。气压传感器三12用于监测负压腔4内部的气压。
进一步地，本发明提供了一种用于三维打印的液态原料发生装置的控制方法的一个具体实施例，该具体实施例为上述的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个具体实施例的控制方法，它采用计算机作为控制系统的核心，其主要步骤为：
步骤S101，计算机判断加热单元1是否为第一次工作，即是否是第一次被使用，如果是第一次工作，就进入步骤S102；如果不是第一次工作，意味着加热单元1的加热腔体14内存在上一次工作结束后剩余的原料，就进入步骤S103；
步骤S102，控制系统开启开闭装置二6，然后启动固态原料驱动机构3，将设定量的固态原料送入加热单元1的加热腔体14内(目的是在加热腔体14内蓄积某个体积的原料，作为起始量，该起始量是经验值)，之后关闭固态原料驱动机构3；然后进入步骤S103；
步骤S103，控制系统关闭开闭装置一5、开启开闭装置二6、开启电磁阀一9，利用氩气将管道和加热单元1内的空气排除，然后维持氩气的低流速流动，管道内的压强比外界大气高0.01个标准大气压；加热单元1开始加热，将加热单元1的加热腔体14加热至设定温度，等待预设的时长(该预设的时长属于经验值)，以使加热腔体14内的固态原料熔化(即获得熔化的起始原料，熔化的起始原料可以帮助后续添加的固态原料加速熔化)；开启真空泵7，在负压腔4内获得压强为0.1个标准大气压的负压，以备用，并且将负压腔4内的压强维持在这数值；然后进入步骤S104；
步骤S104，控制系统启动固态原料驱动机构3，固态原料以设定的速度进入加热单元1内(固态原料进入加热单元内的速度是经验值)，并且与液态原料接触的固态原料与液态原料融为一体，熔化速度大于或等于固态原料的移动速度；然后进入步骤S105；
步骤S105，计算机判断液态原料的液面高度是否处于预设值范围，即是否处于最低预设值与最高预设值之间，即液位传感电路19的低位电极与液态原料接触、而高位电极与液态原料不接触；如果液态原料的高度处于预设值范围，就进入步骤S106；如果液态原料的高度低于最低预设值(该最低预设值可以是经验值，可以通过调节液位传感电路19的电极位置来设定)，将加热腔体14内的压强降至预设的低压值(目的是阻止液态原料的输出，该预设的低压值可以是经验值，在本具体实施例，该经验值比外界大气低0.1个标准大气压)，通过关闭电磁阀一9、开启开闭装置二6和开启开闭装置一5来实现降压，当气压降至预设值时开闭装置一5被关闭，控制过程受到气压传感器的监视，返回步骤S104；如果液态原料的高度高于或等于最高预设值(该最高预设值可以是经验值，可以通过调节液位传感电路19的电极位置来设定)，就关闭固态原料驱动机构3，停止将固态原料往加热单元1内输送，然后进入步骤S106；
步骤S106，计算机判断是否需要输出液态原料，如果需要输出，就进入步骤S107，否则进入步骤S108；
步骤S107，计算机判断加热腔体14内的压强是否处于预设的高压值(该预设的高压值可以是经验值，在本具体实施例中设定为比外界大气高2个标准大气压)，如果低于预设的高压值，就将加热腔体14内的压强升至预设的高压值，通过关闭开闭装置一5、开启开闭装置二6、开启电磁阀一9来实现升压；如果高于预设的高压值，就将加热腔体14内的压强降至预设的高压值；液态原料被逐步加热腔体14内的压力推至加热单元1外；返回步骤S105；
步骤S108，计算机判断加热腔体14内的压强是否高于预设的低压值(该预设的低压值可以是经验值，在本具体实施例，该经验值比外界大气低0.1个标准大气压)；如果高于预设的低压值，就将加热腔体14内的压强降至预设的低压值，通过关闭电磁阀一9、关闭开闭装置二6和开启开闭装置一5来实现降压；如果等于或低于预设的低压值，就不改变加热腔体14内的压强；进入步骤S109；(当加热腔体14内的压强低于预设的低压值时，受到负压和液态原料的表面张力的共同作用，加热腔体14内的液态原料无法从加热腔体14下端的出口流出。)
步骤S109，计算机判断是否终止加热单元1的工作，如果需要加热单元1停止工作，就进入步骤S110；如果加热单元1不需要停止工作，返回步骤S105；
步骤S110，停止往加热单元1内输送固态原料，加热单元1停止加热，在控制系统内累加一次加热单元1的工作次数。
如图6所示的本发明的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第二个具体实施例，是在图1至图5所示的本发明的一种用于三维打印的液态原料发生装置的第一个具体实施例的基础上，去除真空泵，负压装置采用活塞式负压装置；外界的压力源8也是采用高压氩气，但氩气仅作为保护气体，不作为推动液态原料流动的动力。活塞式腔体装置40通过开闭装置一5、原料管路13与加热单元1连接。
外界的压力源8与活塞式腔体装置40之间设置有电磁阀二42，电磁阀二42控制氩气往活塞式腔体装置40的流动。往复式驱动装置41驱动活塞式腔体装置40的活塞运动，活塞式腔体装置40的活塞的运动方向受控制系统的控制。通过控制活塞的运动方向来控制活塞式腔体装置40内的空腔的体积增大或减小，体积增大压强下降，体积减小压强升高；通过控制活塞的移动幅度来控制压强的变化幅度；通过控制活塞的移动速率来控制压强的变化速率。电磁阀三43用于排泄活塞式腔体装置40内的气体。电磁阀二42、电磁阀三43、开闭装置一5(也采用电磁阀)与负压装置协调工作，可实现对加热单元1内部空腔气压的调节，进而实现液态原料的喷射或停止喷射。
以上所述，仅作为本发明的较佳具体实施例，不能以此限定本发明的实施范围，即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰，皆仍属于本发明涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种用于三维打印的液态原料发生装置，将容器内的固态原料加热熔化以获得液态原料，通过调节容器内的压力以控制液态原料从容器输出的状态，其特征在于：主要由用于产生液态原料的加热单元(1)、用于控制加热单元(1)内部空间与外界大气或与负压装置相连通的开闭装置一(5)、用于控制固态原料进入加热单元(1)内部空间的开闭装置二(6)、气压传感装置、液位传感电路(19)、温度传感电路(35)组成；其中：开闭装置一(5)、开闭装置二(6)、气压传感装置都与加热单元(1)的内部空间连接；加热单元(1)作为熔化固态原料并产生液态原料的容器，加热单元(1)设置有固态原料进入其内部空间所需的接口，加热单元(1)下端设置有出口以输出液态原料；加热单元(1)设置有与外界的压力源连接的接口，或者外界的压力源与固态原料共用进入加热单元(1)内部空间的接口；外界的压力源与加热单元(1)的连接是受控连接；加热单元(1)内的液态原料在外界的压力源传送至加热单元(1)内的压力的推动下输出加热单元(1)外；加热单元(1)内部的压力值受到外界的压力源、开闭装置二(6)和开闭装置一(5)的控制；液位传感电路(19)与加热单元(1)连接；温度传感电路(35)与加热单元(1)连接，或者温度传感电路(35)设置于加热单元(1)外且不相互接触。
2.根据权利要求1所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
设置有负压装置；负压装置与加热单元(1)内部空间的连接受到开闭装置一(5)的控制；
所述的液位传感电路(19)设置于加热单元(1)上；液位传感电路(19)与加热单元(1)内部的液态原料接触或者不接触。
3.根据权利要求2所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
所述的负压装置主要由真空泵(7)、负压腔(4)、压力传感器组成；
或者，负压装置为体积可变的腔体装置；在需要产生负压的情况下，腔体的体积变大，在腔体内部产生负压。
4.根据权利要求2所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
所述的负压装置可作为压力源，负压装置为体积可变的腔体装置；当需要产生正压时，负压装置的体积变小；当需要产生负压时，负压装置的体积变大。
5.根据权利要求1所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：所述的用于产生液态原料的加热单元(1)，主要由加热腔体(14)、电磁感应线圈(16)、盖帽(15)组成，其中：加热腔体(14)内设置有空腔，加热腔体(14)的下方设置有出口，加热腔体(14)的上端与盖帽(15)连接；盖帽(15)设置有冷却结构，冷却结构用于对盖帽(15)进行冷却或散热；盖帽(15)设置有通孔，该通孔作为固态原料进入加热腔体(14)内的接口；在加热腔体(14)外围设置电磁感应线圈(16)，电磁感应线圈(16)用于产生磁场，通过电磁感应线圈(16)耦合作用而在加热腔体(14)和/或加热腔体(14)内的原料产生感应电流并发热，在加热腔体(14)内产生液态原料。
6.根据权利要求5所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
所述的加热单元(1)的加热腔体(14)采用非导电性材料制造；在加热腔体(14)下端设置电极，用于在液态原料与该电极之间建立电场，利用电场力改变液态原料在加热腔体(14)内部空腔下端出口处的表面张力，或者利用电场力拉动液态原料，使液态原料在该出口处的流阻可调节；
或者，加热腔体(14)及其出口的内层材料采用非导电性材料，加热腔体(14)的外层或加热腔体(14)下端的外层采用导电性材料并作为电极，在液态原料与加热腔体(14)下端之间建立电场，利用电场力改变液态原料在加热腔体(14)内部空腔下端出口处的表面张力，或者利用电场力拉动液态原料，使液态原料在该出口处的流阻可调节。
7.根据权利要求1所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
设置有原料输送单元，主要由固态原料仓(2)、固态原料驱动机构(3)、原料管路(13)组成，其中：固态原料仓(2)内设置有可旋转的线盘，线状的固态原料缠绕在线盘上；固态原料驱动机构(3)以送丝轮(25)为主要结构，送丝轮(25)旋转带动线状的固态原料的移动；原料管路(13)将固态原料仓(2)、固态原料驱动机构(3)、加热单元(1)连接在一起，线状的固态原料在原料管路(13)中穿行；
所述的开闭装置一(5)采用电磁阀。
8.根据权利要求1所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：所述的开闭装置二(6)主要由弹性形变结构(23)和形变驱动机构(24)组成，其中：弹性形变结构(23)的内部空间与加热单元(1)的固态原料接口串联；在开闭装置二(6)开启的状态下，固态原料可以通过弹性形变结构(23)的内部空间；在开闭装置二(6)关闭的状态下，弹性形变结构(23)受到形变驱动机构(24)的驱动而变形，弹性形变结构(23)的内部空间闭合或局部闭合，或者弹性形变结构(23)与穿过其内部空间的固态原料发生贴合或嵌合，从而关闭固态原料输送通路与加热单元(1)的内部空间之间的连接。
9.根据权利要求1所述的用于三维打印的液态原料发生装置，其特征在于：
设置有固态原料位移传感电路，用于监测固态原料在往加热单元(1)内移动的过程中的状态。
10.一种用于三维打印的液态原料发生装置的控制方法，它采用计算机作为控制系统的核心，其特征在于：
其主要步骤为：
步骤S101，计算机判断加热单元(1)是否是第一次工作，如果是第一次工作，就进入步骤S102；如果不是第一次工作，就进入步骤S103；
步骤S102，将设定量的固态原料送入加热单元(1)的加热腔体(14)内；然后进入步骤S103；
步骤S103，加热单元(1)开始加热，将加热单元(1)的加热腔体(14)加热至设定温度，等待预设的时长，以使加热腔体(14)内的固态原料熔化；然后进入步骤S104；
步骤S104，固态原料以设定的速度进入加热单元(1)内；然后进入步骤S105；
步骤S105，计算机判断液态原料的高度是否处于预设值范围，即是否处于最低预设值与最高预设值之间；如果液态原料的高度处于预设值范围，就进入步骤S106；如果液态原料的高度低于最低预设值，将加热腔体(14)内的压强降至预设的低压值，就返回步骤S104；如果液态原料的高度高于或等于最高预设值，就停止将固态原料往加热单元(1)内输送，然后进入步骤S106；
步骤S106，计算机判断是否需要输出液态原料，如果需要输出，就进入步骤S107，否则进入步骤S108；
步骤S107，计算机判断加热腔体(14)内的压强是否处于预设的高压值，如果低于预设的高压值，就将加热腔体(14)内的压强升至预设的高压值；如果高于预设的高压值，就将加热腔体(14)内的压强降至预设的高压值；液态原料逐步被加热腔体(14)内的压力推至加热单元(1)外；返回步骤S105；
步骤S108，计算机判断加热腔体(14)内的压强是否高于预设的低压值；如果高于预设的低压值，就将加热腔体(14)内的压强降至预设的低压值；如果等于或低于预设的低压值，就不改变加热腔体(14)内的压强；进入步骤S109；
步骤S109，计算机判断是否终止加热单元(1)的工作，如果需要加热单元(1)停止工作，进入步骤S110；如果加热单元(1)不需要停止工作，返回步骤S105；
步骤S110，停止往加热单元(1)内输送固态原料，加热单元(1)停止加热，在控制系统内累加一次加热单元(1)的工作次数；
或者，其主要步骤为：
步骤S201，加热单元(1)如果是刚开始启用，即第一次被使用，使用者往加热单元(1)的加热腔体(14)内放置特定量的固态原料；否则，不需要使用者往加热腔体(14)内放置特定量的固态原料；进入步骤S202；
步骤S202，加热单元(1)开始加热，将加热腔体(14)加热至设定温度，等待预设的时长，以使加热腔体(14)内的固态原料熔化；然后进入步骤S203；
步骤S203，固态原料以设定的速度进入加热单元(1)内；然后进入步骤S204；
步骤S204，计算机判断液态原料的高度是否处于预设值范围，即是否处于最低预设值和最高预设值之间；如果液态原料的高度处于预设值范围，就进入步骤S205；如果液态原料的高度低于最低预设值，将加热腔体(14)内的压强降至预设的低压值，就返回步骤S203；如果液态原料的高度高于或等于最高预设值，就停止将固态原料往加热单元(1)内输送，然后进入步骤S205；
步骤S205，计算机判断是否需要输出液态原料，如果需要输出，就进入步骤S206，否则进入步骤S207；
步骤S206，计算机判断加热腔体(14)内的压强是否处于预设的高压值，如果低于预设的高压值，就将加热腔体(14)内的压强升至预设的高压值；如果高于预设的高压值，就将加热腔体(14)内的压强降至预设的高压值；液态原料被加热腔体(14)内的压力推至加热单元(1)外；返回步骤S204；
步骤S207，计算机判断加热腔体(14)内的压强是否高于预设的低压值；如果高于预设的低压值，就将加热腔体(14)内的压强降至预设的低压值；如果等于或低于预设的低压值，就不改变加热腔体(14)内的压强；进入步骤S208；
步骤S208，计算机判断是否终止加热单元(1)的工作，如果需要加热单元(1)停止工作，进入步骤S209；如果加热单元(1)不需要停止工作，返回步骤S204；
步骤S209，停止往加热单元(1)内输送固态原料，加热单元(1)停止加热，在控制系统内累加一次加热单元(1)的工作次数。
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