CN107661980B - 3d打印装置及3d打印装置内的环境监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D打印装置及3D打印装置内的环境监控方法，所述3D打印装置包括：成型腔、环境监控设备及控制系统；其中，所述环境监控设备用以监测和控制所述成型腔内的环境状态；所述控制系统用以判断所述成型腔内的环境状态是否合适；该3D打印装置中引用了环境监控设备和控制系统，通过对打印装置中成型腔内的环境状态进行检测和控制，维持成型腔内的环境状态稳定性，将打印装置一直处于稳定的环境中进行工作，从而有效提高了制件的致密度，改善其力学性能，减少了后处理工艺过程，提高了效率，提高了零件的加工精度。

Description

3D打印装置及3D打印装置内的环境监控方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种3D打印装置及3D打印装置内的环境监控方法。

背景技术

3D打印是一种快速成型“增材制造技术”，在节省耗材及复杂造型两方面表现突出，具有制造成本低、生产周期短等明显优势。而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。它是一种新兴行业，发展前景乐观，对传统制造工艺带来了革命性的挑战。目前，材料种类及性能、打印精度、金属打印力学性能及零件尺寸是制约3D打印技术快速发展的瓶颈。随着在工业领料的不断拓展，3D金属打印是重要发展方向，并对打印精度提出更高的要求，另外工件尺寸也会越来越大。

快速成型过程是一个极复杂的物理化学冶金过程，金属粉末的熔化和凝固在短时间里完成，温度梯度很大、热应力大，液态金属表面张力很大，制件容易产生翘曲变形、裂纹与球化现象。控制和优化粉末材料的冶金工艺参数及过程中的热交换就显得尤为重要。因二者决定着制件的致密度、性能及尺寸精度。在现有条件下，因材料应用导致的工艺问题，材料必须预先制成专用的金属粉末，打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸件致密度的98％，某些情况下低于锻造件的力学性能。直接制造高性能金属及陶瓷类材料零件具有重大意义，其加工难度也最大，对材料和设备的要求也极其苛刻。目前可用于直接制造金属零件的快速成型技术主要包括：选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、直接金属激光烧结(Direct MetalLaser Sintering，DMLS)技术、激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技术。

进入到21世纪，随着先进高能光纤激光器的使用，及铺粉精度提高，SLM技术得到迅速发展，欧美已出现多家成熟的设备制造厂家，并且可工业化制造中小型金属零件，其材料可实现冶金结合，致密度达到近乎100％，尺寸精度在20μm～80μm，表面粗糙度Ra在15μm～40μm，成型壁厚的最小可达0.3mm～0.4mm。但对于体积较大的金属构件直接制造，现阶段还非常困难，原因在于热应力较大及结晶过程很难定量控制。

由于3D打印技术是采用的“分层切片，逐层叠加”加工方式，金属3D打印在强度上最大的缺陷：1.部件是一层层叠加起来的，所以在堆叠方向上，抗剪切性能很差；2.3D打印零件的致密度不如普通锻件，零件结构存在较大缺陷，影响零件的使用性能；3.打印零件时由金属粉末经激光烧结而成，零件的硬度很高，但是韧性很差，当它长期承受变载荷作用下，零件很容易出现断裂破坏。

随着3D打印技术在各行各业的拓展，各领域打印成型技术日趋完善，产品的生产效率及精度是3D打印技术的重点发展方向，制约产品打印质量的关键因素除了材料的粉体特征，还与打印过程中的温度与压力有关，激光在烧结金属粉末过程中，金属粉末和凝固都是在短时间里完成的，温度梯度大，快速冷却后，制件的热应力大，导致了产品外形结构不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种3D打印装置装置，该装置中引用了温度/压力检测控制系统，能够将打印装置处在一个特定的温度压力环境下工作，以提高生产效率，提高制件的致密度，改善制件的性能。

为实现上述目的，本发明提供一种3D打印装置，包括成型腔、环境监控设备和控制系统，所述环境监控设备用于检测所述成型腔内的环境状态，并将所述检测到的环境状态输送到控制系统，所述控制系统将所述检测到的环境状态与预定环境状态进行比较并判断是否合适，将所述判断结果反馈给所述环境监控设备，所述环境监控设备根据所述判断结果作出相应动作，调节所述成型腔内的环境状态，维持环境状态的稳定性，使打印工作在特定的环境下进行。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述3D打印装置还包括光学单元，所述环境监控设备还用以监测和控制所述光学单元的环境状态；所述控制系统还用以判断所述光学单元的环境状态是否合适。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述环境监控设备包括气压监控装置和温度监控装置；其中，所述气压监控装置用以监测和控制所述成型腔内的气压；所述温度监控装置用以监测和控制所述成型腔和所述光学单元内的温度。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述气压监控装置包括压力传感器、气体输送装置和排气装置。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述压力传感器安装在所述成型腔的内部。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述气体输送装置安装在所述成型腔的外侧，为所述成型腔内提供保护气体，用于稳定成型腔内部的气压。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述保护气体为氦气和/或氩气。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述排气装置安装在所述成型腔的外侧，用于排放腔内气体。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述温度监控装置包括温度传感器装置、水冷装置和加热冷却装置。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述温度传感器装置包括第一温度传感器和第二温度传感器，其中，所述第一温度传感器安装在成型腔的内部，所述第二温度传感器光学单元的内部。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述水冷装置安装在所述光学单元内部。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述加热冷却装置安装在所述成型腔内部，用于稳定所述成型腔内温度为特定值。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述特定值是金属零件去应力退火温度段中的一个值。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述成型腔经过密封处理，且所述成型腔外表面涂覆有绝缘材料并安装有绝热屏。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述光学单元与所述成型腔的连接处设有密封玻璃板，所述光学单元内部设有扫描振镜。

可选的，在所述的3D打印装置中，所述温度传感器装置还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器测量所述密封玻璃板上下表面的温度。

为实现上述目的，本发明的第二方面提供一种3D打印装置内的环境监控方法，包括如下步骤：环境监控设备监测成型腔内的环境状态，得到环境状态数据，并将所述环境状态数据提供给控制系统；

所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述成型腔内的环境状态是否合适，并将所述判断结果提供给所述环境监控设备；

若所述判断结果为所述成型腔内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述成型腔内的环境状态。

可选的，在所述的3D打印装置内的环境监控方法中，所述3D打印装置内的环境监控方法还包括：环境监控设备监测光学单元内的环境状态，得到环境状态数据并将所述环境状态数据提供给控制系统；所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述光学单元内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；若所述判断结果为所述光学单元内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述光学单元内的环境状态。

可选的，在所述的3D打印装置内的环境监控方法中，所述3D打印装置内的环境监控方法还包括：设备监测密封玻璃板上下表面环境状态，将获取的数据传输到控制系统进行处理，并与预定环境状态对比分析，控制系统根据分析结果向光学单元发出控制信号，驱动光学单元中的运动控制部件调整扫描振镜，实现激光光路的误差补偿。

现有技术中没有考虑到3D打印装置内的环境状态对于3D打印装置的打印效果的影响，而发明人发现，在3D打印装置工作时，装置内部的环境状态往往会出现很大的起伏波动，这会导致最终的产品的结构出现不稳定的现象，极大影响了产品的性能。

所以，本发明提供的一种3D打印装置及3D打印装置内的环境监控方法，该装置中引用了环境监控设备和控制系统，通过对打印装置中成型腔内的环境状态进行检测和控制，维持成型腔内的环境状态稳定性，将打印装置一直处于稳定的环境中进行工作，从而有效提高了制件的致密度，改善其力学性能，减少了后处理工艺过程，提高了效率，提高了零件的加工精度。

附图说明

图1是本发明提供的3D打印装置的结构示意图；

图2是本发明提供的对3D打印装置中成型腔内部的温度监控方法的示意图；

图3是本发明提供的对3D打印装置中成型腔内部的压力监控方法的示意图；

图4是本发明提供的对3D打印装置中光学单元内部的环境监控方法的示意图；

图5是本发明提供的对3D打印装置中玻璃板表面的环境监控方法的示意图；

其中，附图1中的附图标记说明如下：

1-控制系统；2-光纤激光器；3-光学单元；4-扫描振镜；5-压力传感器；6-成型腔；7-加热冷却装置；8-排气净化装置；9-保护气体输送装置；10-激光束；11-加工零件；12-铺粉装置；13-温度传感器；14-成型缸；15-粉料缸；16-水冷装置；17-密封玻璃板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的3D打印装置及3D打印装置内的环境监控方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

图1是本发明提供的3D打印装置示意图，参阅图1，所述3D打印装置包括：成型腔6、环境监控设备及控制系统1；其中，所述环境监控设备用以监测和控制所述成型腔6内的环境状态；所述控制系统1用以判断所述成型腔6内的环境状态是否合适。通过对打印装置中成型腔6内的环境状态进行检测和控制，维持成型腔6内的环境状态稳定性，将打印装置一直处于稳定的环境中进行工作，从而有效提高了制件的致密度，改善其力学性能，减少了后处理工艺过程，提高了效率，提高了零件的加工精度。

在本申请实施例中，所述3D打印装置还包括光学单元3，所述环境监控设备还用以监测和控制所述光学单元3的环境状态；所述控制系统1还用以判断所述光学单元3的环境状态是否合适。

具体的，所述环境监控设备包括气压监控装置和温度监控装置；其中，所述气压监控装置用以监测和控制所述成型腔6内的气压；所述温度监控装置用以监测和控制所述成型腔6和光学单元3内的温度。

其中，所述气压监控装置包括压力传感器5、气体输送装置9和排气装置8。所述温度监控装置包括温度传感器装置、水冷装置16和加热冷却装置7。

具体请参考图1，其为本发明提供的3D打印装置的结构示意图。如图1所示，压力传感器5安装在成型腔6的内部，对成型腔6内多点处的压力信号进行采集，有效评估整个成型腔6内的气压波动，保证检测效果真实可靠。

气体输送装置9安装在所述成型腔6外侧，通过气体通道与所述成型腔6连通，为其内部提供保护气体，使成型腔6内气压达到P Mpa，维持打印过程中成型腔6内的气压处于稳定状态。

可选的，所述气体输送装置9向所述成型腔6内输送的保护气体为氦气和/或氩气，防止在打印过程中零件发生氧化作用。

较佳的，所述气体输送装置9还有气体净化功能，能够过滤除去气体中因烧结金属粉末产生的残渣，以防止气相物质沾污激光光学元件。

排气装置安装8在所述成型腔6外侧，通过排气通道与所述成型腔6内部连通，用于排放成型腔内6的保护气体。

请继续参考图1，在本申请实施例中，所述温度传感器装置包括第一温度传感器13和第二温度传感器(图1中未示出)，其中，所述第一温度传感器13安装在成型腔6的内部，所述第二温度传感器光学单元3的内部。

所述第一温度传感器13安装在所述成型腔6内部，主要用于成型腔6内多点位置信号采集，有效评估整个成型腔6内的温度波动，防止监测效果失真。

所述第二温度传感器和水冷装置16安装在所述光学单元3中，所述第二温度传感器用于监控所述光学单元3内部的温度，当所述温度发生变化时，所述水冷装置16维持所述光学单元3内部的温度稳定。

加热冷却装置7安装在所述成型腔6内部，它用于成型腔6内温度调节，将温度控制在特定值(T℃左右)，用于金属粉末激光烧结前的预热，降低制件烧结前后温差及热应力，减少吸附在粉末表面的气膜。在激光烧结过程中会产生大量的热量，导致成型腔6内温度上升，所述3D打印装置通过所述加热冷却装置7对温度进行调节。当成型腔6内保护气体进行循环更换时，所述加热冷却装置7对通入的气体快速加热到设定值。

较佳的，所述特定值是金属零件去应力退火温度段中的一个值。由此可以使得零件在更适合成型的环境下进行加工打印。

在本申请实施例中，具体的，在成型腔6内部设有多个压力传感器5和温度传感器13，用于对所述成型腔6内多点位置进行信号采集。

较佳的，所述成型腔6和所述光学单位3采用分体式结构，以降低成型腔内6高温高压对光学单元3的影响。

在本申请实施例中，所述成型腔6经过密封处理，且所述成型腔6外表面涂覆有绝缘材料并安装有绝热屏，从而减少加工过程中因热传递导致热量散失，避免引起装置内部温度大幅度波动。

在本申请实施例中，所述控制系统1的一连接处与光纤激光器2连接，所述光纤激光器2与光学单元3连接，所述光纤激光器2发射出激光束10进入所述光学单元3中并在其内部的扫描振镜4的作用下穿过密封玻璃板17入射到成型缸14中，所述成型缸14用于零件的打印成型；所述成型缸14与粉料缸15通过铺粉装置12相连接，并且所述粉料缸15通过铺粉装置12向成型缸14中输送金属粉末。所述温度传感器装置还包括第三传感器(图1中未示出)，所述第三传感器测量所述密封玻璃板17上下表面的温度。所述控制系统1的另一连接处与所述光学单元3直接连接，所述控制系统1对所述第三温度传感器测量出的温度数据进行分析，并根据分析结果控制驱动光学单元3中的运动控制部件调整扫描振镜4，实现激光光路的误差补偿。

3D打印的基本成型过程如下：激光束10开始扫描前，铺粉装置12先把金属粉末平推到成型缸14的基板上，激光束10再按当前层的填充轮廓线选择性烧结基板上的粉末，加工出当前层，然后成型缸14下降一个层厚的距离，粉料缸15上升一定厚度的距离，铺粉装置12再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。打印装置调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完成。

实施例二

本实施例二提供一种3D打印装置内的环境监控方法，所述3D打印装置内的环境监控方法包括：

环境监控设备监测成型腔内的环境状态，得到环境状态数据，并将所述环境状态数据提供给控制系统；

所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述成型腔内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；

若所述判断结果为所述成型腔内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述成型腔内的环境状态。

具体的，请参考图2，其是本发明提供的对3D打印装置中成型腔内的环境监控方法的示意图。在本实施例二中，对所述成型腔的温度进行了监控，具体如图2所示，所述3D打印装置内的环境监控方法具体包括如下步骤：

(1)温度传感器对成型腔内多点位置进行信号采集，将采集数据传输到控制系统；

(2)控制系统对数据进行处理，并与控制系统中工艺软件设置的预定温度对比分析；

(3)控制系统将根据分析结果向加热冷却装置发出控制信号，加热冷却装置的执行机构根据控制信号执行相应的动作，调节成型腔内的温度。

实施例三

本实施例三提供一种3D打印装置内的环境监控方法，所述3D打印装置内的环境监控方法包括：

环境监控设备监测成型腔内的环境状态，得到环境状态数据，并将所述环境状态数据提供给控制系统；

所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述成型腔内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；

若所述判断结果为所述成型腔内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述成型腔内的环境状态。

具体的，请参考图3，其是本发明提供的对3D打印装置中成型腔内的环境监控方法的示意图。与实施例二相对应的，本实施例三中对所述成型腔的气压进行了监控，具体如图3所示，包括所述3D打印装置内的环境监控方法具体如下步骤：

(1)压力传感器对成型腔内多点位置进行信号采集，将采集数据传输到控制系统；

(2)控制系统对数据进行处理，并与控制系统中工艺软件设置的预定压力值对比分析；

(3)控制系统将根据分析结果向保护气体输送装置发出控制信号，保护气体输送装置的执行机构根据控制信号执行相应的动作，调节成型腔内的压力。

实施例四

本实施例四提供一种3D打印装置内的环境监控方法，在实施例三的基础上，所述3D打印装置内的环境监控方法还包括：

环境监控设备监测光学单元内的环境状态，得到环境状态数据并将所述环境状态数据提供给控制系统；所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述光学单元内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；若所述判断结果为所述光学单元内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述光学单元内的环境状态。

具体的，请参考图4，其是本发明提供的对3D打印装置中光学单元内的环境监控方法的示意图。在本实施例四中，对所述光学单元的温度进行了监控，具体如图4所示，包括所述3D打印装置内的环境监控方法具体如下步骤：

(1)温度传感器对光学单元内进行信号采集，将采集数据传输到控制系统；

(2)控制系统对数据进行处理，并与控制系统中工艺软件设置的预定温度值对比分析；

(3)控制系统将根据分析结果向水冷装置发出控制信号，水冷装置的执行机构根据控制信号执行相应的动作，调节光学单元内的温度。

实施例五

本实施例五提供一种3D打印装置内的环境监控方法，在实施例三和/或实施例四的基础上，所述3D打印装置内的环境监控方法还包括：

环境监控设备监测密封玻璃板上下表面的环境状态，将获取的数据传输到控制系统进行处理，并与预定环境状态对比分析，控制系统根据分析结果向光学单元发出控制信号，驱动光学单元中的运动控制部件调整扫描振镜，实现激光光路的误差补偿。

具体的，请参考图5，其是本发明提供的对3D打印装置中密封玻璃板上下表面的环境监控方法的示意图。在本实施例五中，对所述密封玻璃板上下表面的温度进行了监控，具体如图5所示，包括所述3D打印装置内的环境监控方法具体如下步骤：

(1)温度传感器对密封玻璃板表面进行信号采集，将采集数据传输到控制系统；

(2)控制系统对数据进行处理，并与控制系统中工艺软件设置的预定温度值对比分析；

(3)控制系统将根据分析结果向光学单元发出控制信号，所述光学单元根据控制信号执行相应的动作，驱动光学单元中的运动控制部件调整扫描振镜，实现激光光路的误差补偿。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置包括：成型腔、环境监控设备及控制系统；其中，

所述环境监控设备用以监测和控制所述成型腔内的环境状态；

所述控制系统用以判断所述成型腔内的环境状态是否合适；

所述3D打印装置还包括光学单元，所述光学单元与所述成型腔采用分体式结构，且所述光学单元设置于所述成型腔的外部，所述光学单元与所述成型腔的连接处设有密封玻璃板，所述光学单元内部设有扫描振镜；

所述环境监控设备还用于监测密封玻璃板上下表面环境状态，将获取的数据传输到控制系统进行处理，并与预定环境状态对比分析，所述控制系统根据分析结果向光学单元发出控制信号，驱动光学单元中的运动控制部件调整扫描振镜，实现激光光路的误差补偿。

2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述环境监控设备包括气压监控装置和温度监控装置；其中，所述气压监控装置用以监测和控制所述成型腔内的气压；所述温度监控装置用以监测和控制所述成型腔和光学单元内的温度。

3.如权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，所述气压监控装置包括压力传感器、气体输送装置和排气装置。

4.如权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述压力传感器安装在成型腔的内部。

5.如权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述气体输送装置安装在所述成型腔的外侧，为成型腔内提供保护气体。

6.如权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，所述保护气体为氦气和/或氩气。

7.如权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，所述排气装置安装在所述成型腔的外侧，用于排放成型腔内气体。

8.如权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，所述温度监控装置包括温度传感器装置、水冷装置和加热冷却装置。

9.如权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述温度传感器装置包括第一温度传感器和第二温度传感器，其中，所述第一温度传感器安装在成型腔的内部，所述第二温度传感器安装在光学单元的内部。

10.如权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述水冷装置安装在光学单元内部。

11.如权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述加热冷却装置安装在所述成型腔内部，用于稳定所述成型腔内温度为特定值。

12.如权利要求11所述的3D打印装置，其特征在于，所述特定值是金属零件去应力退火温度段中的一个值。

13.如权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述成型腔经过密封处理，且所述成型腔外表面涂覆有绝缘材料并安装有绝热屏。

14.根据权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述温度传感器装置还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器测量所述密封玻璃板上下表面的温度。

15.一种3D打印装置内的环境监控方法，基于权利要求1-14中任一项所述的3D打印装置，其特征在于，包括如下步骤：

环境监控设备监测成型腔内的环境状态，得到环境状态数据，并将所述环境状态数据提供给控制系统；

所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述成型腔内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；

若所述判断结果为所述成型腔内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述成型腔内的环境状态；

所述环境监控设备监测光学单元内的环境状态，得到环境状态数据并将所述环境状态数据提供给控制系统；所述控制系统根据所述环境状态数据判断所述光学单元内的环境状态是否合适，并将判断结果提供给所述环境监控设备；若所述判断结果为所述光学单元内的环境状态不合适，则所述环境监控设备调整所述光学单元内的环境状态；

所述环境监控设备还用于监测密封玻璃板上下表面环境状态，将获取的数据传输到控制系统进行处理，并与预定环境状态对比分析，所述控制系统根据分析结果向光学单元发出控制信号，驱动光学单元中的运动控制部件调整扫描振镜，实现激光光路的误差补偿。

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