CN107943151B

CN107943151B - 一种应用于3d打印机的温度控制方法及系统

Info

Publication number: CN107943151B
Application number: CN201711310221.9A
Authority: CN
Inventors: 杨程喻; 何玉定; 谢致薇; 庄楚楠
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: CN107943151A

Abstract

本发明公开了一种应用于3D打印机的温度控制方法及系统，包括：根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件；将最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；调取一句新数控代码，其中，新数控代码中包括与最优温度函数的文本型文件所对应的新数控代码的最优温度值；判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值，若是，则执行新数控代码的机械操作，若否，则重新调整加热设备的温度，并判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值。本发明缓和了热应力集中所导致的不良反应，达到了节能减排的效果，同时还可以保证打印件底部不会因为过热而再次发生软化甚至融化之类的不良后果。

Description

一种应用于3D打印机的温度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种应用于3D打印机的温度控制方法及系统。

背景技术

基于熔积成型的3D打印机使用的打印材料一般都是一些低软化点的高分子材料，打印材料需要高温融化，接着一层一层的堆积，然后冷却成型。在打印过程中，由于打印件的温度分布不均匀，整个打印件会由于热胀冷缩，产生热应力，从而导致打印件发生翘边，打印材料不着床或者堆积层剥离等不良效应。

基于此，现有技术一是采用电阻丝加热或陶瓷加热片加热的方法对整个打印室进行整体加热，然后利用小风扇让打印室受热均匀，来解决打印件受热不均的问题，但是对整个打印室进行加热，就必须保证电阻丝和陶瓷片之类的加热元件上升到一个较高的温度，使得加热元件的使用寿命降低，且无法保证加热元件的热平衡效果。现有技术二是采用底部加热的方法来缓解热应力的不良效应，但是这样可能会使打印件底部过热导致打印件再次软化从而影响打印效果。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于3D打印的温度控制方法及系统，缓和了热应力集中所导致的不良反应，达到了节能减排的效果，同时还可以保证打印件底部不会因为过热而再次发生软化甚至融化之类的不良后果。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于3D打印机的温度控制方法，包括：

步骤11：根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件；

步骤12：将所述最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；

步骤13：调取一句新数控代码，其中，所述新数控代码中包括与所述最优温度函数的文本型文件所对应的所述新数控代码的最优温度值；

步骤14：判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到所述最优温度值，若是，进入步骤15，若否，进入步骤16；

步骤15：执行所述新数控代码的机械操作；

步骤16：重新调整所述加热设备的温度，进入步骤14。

优选的，所述步骤11的过程具体为：

步骤111：对所述打印件进行三维建模得到所述数字三维模型；

步骤112：根据有限元分析法得到所述打印件的温度场和应力场信息；并根据打印材料的应力容忍范围得到所述打印材料在应力容忍值以下的温度场图；

步骤113：通过所述温度场图得到所述加热设备在不同时间节点的加热温度，并绘制成以时间为自变量的最优温度函数；

步骤114：导出所述最优温度函数并保存为文本型文件。

优选的，所述步骤12的过程具体为：

步骤121：将所述最优温度函数分割成等间距的离散数据，根据所述离散数据得到数组矩阵；

步骤122：将所述数组矩阵中的每个数值单元均翻译成一条温度数控代码操作语句；

步骤123：将每条所述温度数控代码操作语句分别插入到与其各自对应的数控代码的前面，得到所述新数控代码。

优选的，所述步骤15之后，该温度控制方法还包括：

步骤17：判断所述新数控代码是否为最后一句新数控代码，若是，则结束打印，若否，进入步骤13。

优选的，所述温度传感器为热电偶。

优选的，所述温度传感器为半导体热敏传感器。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种应用于3D打印机的温度控制系统，包括：

获取模块，用于根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件；

整合模块，用于将所述最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；

调用模块，用于调取一句新数控代码，其中，所述新数控代码中包括与所述最优温度函数的文本型文件所对应的所述新数控代码的最优温度值；

第一判断模块，用于判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到所述最优温度值，若是，触发执行模块，若否，触发调整模块；

所述执行模块，用于执行所述新数控代码的机械操作；

所述调整模块，用于重新调整所述加热设备的温度，然后触发所述第一判断模块。

优选的，所述获取模块具体用于：

对所述打印件进行三维建模得到所述数字三维模型；根据有限元分析法得到所述打印件的温度场和应力场信息；并根据打印材料的应力容忍范围得到所述打印材料在应力容忍值以下的温度场图；通过所述温度场图得到所述加热设备在不同时间节点的加热温度，并绘制成以时间为自变量的最优温度函数；导出所述最优温度函数并保存为文本型文件。

优选的，所述整合模块具体用于：

将所述最优温度函数分割成等间距的离散数据，根据所述离散数据得到数组矩阵；将所述数组矩阵中的每个数值单元均翻译成一条温度数控代码操作语句；将每条所述温度数控代码操作语句分别插入到与其各自对应的数控代码的前面，得到所述新数控代码。

优选的，该温度控制系统还包括第二判断模块，用于判断所述新数控代码是否为最后一句新数控代码，若是，则判定打印结束，若否，则触发所述调用模块。

本发明提供了一种应用于3D打印机的温度控制方法，包括：根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件；将最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；调取一句新数控代码，其中，新数控代码中包括与最优温度函数的文本型文件所对应的新数控代码的最优温度值；判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值，若是，则执行新数控代码的机械操作，若否，则重新调整加热设备的温度，并判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值。

可见，在实际应用中，本发明通过包括最优温度函数的文本型文件的新数控代码对加热设备的温度进行控制，使加热设备在每一个时间节点的温度均与最优温度值相适应，从而缓和热应力集中所导致的不良反应。因此，本方案不需要采用额外的电阻丝或陶瓷加热片来对整个打印室进行整体加热，达到了节能减排的效果，同时还可以保证打印件底部不会因为过热而再次发生软化甚至融化之类的不良后果。

本发明还提供了一种应用于3D打印机的温度控制系统，具有和上述温度控制方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的步骤流程图；

图2为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的一种实施例的步骤流程图；

图3为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的另一种实施例的步骤流程图；

图4为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于3D打印的温度控制方法及系统，缓和了热应力集中所导致的不良反应，达到了节能减排的效果，同时还可以保证打印件底部不会因为过热而再次发生软化甚至融化之类的不良后果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的步骤流程图，包括：

具体的，数字三维模型可以通过SolidWorks等三维建模软件来构建，由于三维数据比二维数据更能全面体现客观实际，所以三维数字模型的空间信息呈现更直接，以便打印人员更清楚的了解打印件的整体情况，根据打印件的数字三维模型得到的最优温度函数的文本型文件，包括了打印过程中各个加热设备所对应的最优温度值，为后续精确控制3D打印机加热设备的温度提供了基础。

其中，最优温度函数中包括每个加热设备在各个时间节点的最低温度范围，最低温度范围也可以理解为使打印件的应力保持在不影响打印效果的范围。由于数控代码是文本型文件，所以将得到的最优温度函数也导出成文本型文件可以方便后续和数控代码的结合。

步骤12：将最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；

具体的，数控代码是一种记录不同时间节点需要进行机械操作的代码，每一句数控代码均可以翻译成各个轴的运动速度、移动方向及移动距离之类的参数。在实际应用中，一般是将打印件的数字三维模型的坐标数据(用三维建模软件导出STL格式)输入到一个专门设计的3D打印机切片软件里进行切片处理，就可以得到数控代码，将数控代码和最优温度函数的文本型文件输入到热力学优化程序中进行有机整合，得到一个包含最优温度函数的数控代码，也即新数控代码，以便后续通过该新数控代码来调节加热设备的温度，以达到缓和热应力集中的目的。

步骤13：调取一句新数控代码，其中，新数控代码中包括与最优温度函数的文本型文件所对应的新数控代码的最优温度值；

具体的，由于数控代码包括了打印机的某一加热设备在某一时间节点要进行的机械操作，因此包含最优温度函数的文本性文件的新数控代码也包括打印机的加热设备在某一时间节点要进行的机械操作，同时还包括了加热设备在该时间节点对应的最优温度值以及相应的温度操作。可以理解的是，3D打印机在进行打印时是按照新数控代码的运动轨迹来进行打印操作的，因此一般是通过3D打印机的微处理器从其内部存储空间或SD卡等外部存储空间里，从第一句新数控代码开始顺序调取新数控代码，然后逐句执行。

步骤14：判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值，若是，进入步骤15，若否，进入步骤16；

步骤15：执行新数控代码的机械操作；

步骤16：重新调整加热设备的温度，进入步骤14。

具体的，加热设备包括挤出机和热床，其中，挤出机和热床上各集成了一个温度传感器，用以采集挤出机和热床的实时温度，在3D打印机进行打印的过程中，通过新数控代码将挤出机和热床的温度调整为与最优温度值相适应的温度值，如果加热设备的实际温度大于最优温度值，那么就通过冷却的方式将加热设备的温度调整到最优温度值，如果加热设备的温度小于最优温度值，那么就通过加热的方式将加热设备的温度调整到最优温度值。可以理解的是，3D打印机在进行打印时温度变化比较缓慢，且最优温度函数对于温度的控制间隔一般设定是1s左右，所以打印过程会持续数小时，一般不会出现温度骤增或骤减的情况，从而可以保证本发明对加热设备的温度控制更加精确，本发明通过把加热设备的温度控制在一个合理的范围里，来达到控制打印件应力的目的。

当然，加热设备除了可以包括挤出机和热床还可以包括其他元件，本发明在此不做限定。

请参照图2，图2为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的一种实施例的步骤流程图，该温度控制方法在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，步骤11的过程具体为：

步骤111：对打印件进行三维建模得到数字三维模型；

步骤112：根据有限元分析法得到打印件的温度场和应力场信息；并根据打印材料的应力容忍范围得到打印材料在应力容忍值以下的温度场图；

步骤113：通过温度场图得到加热设备在不同时间节点的加热温度，并绘制成以时间为自变量的最优温度函数；

步骤114：导出最优温度函数并保存为文本型文件。

具体的，有限元分析法是一种利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的方法，是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法，可以理解的是，有限元分析技术已经非常纯熟，从而保证了本发明对数字三维模型的分析结果更加准确。

具体的，本发明从有限元分析法得到的温度场和应力场的数据之中，分析出应该让打印件的应力处于一个可以接受的范围里，然后得到一个综合的温度场图，从该温度场图中可以得出打印机的加热设备在整个打印过程中各个时间节点的最低温度范围，然后把这些时间节点对应的温度数据整合成一个最优温度函数，并保存为便于与数控代码结合的文本型文件。

请参照图3，图3为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制方法的另一种实施例的步骤流程图，该温度控制方法在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，步骤12的过程具体为：

步骤121：将最优温度函数分割成等间距的离散数据，根据离散数据得到数组矩阵；

步骤122：将数组矩阵中的每个数值单元均翻译成一条温度数控代码操作语句；

步骤123：将每条温度数控代码操作语句分别插入到与其各自对应的数控代码的前面，得到新数控代码。

具体的，离散数据为某一个时间节点对应的温度值，等间距的离散数据可以为每隔1s的温度值，把这些离散数据组成一个数组矩阵，数组矩阵的行对应的是不同的加热设备，数组矩阵的列为该加热设备在这一时间节点的温度值。可以理解的是，由于数组矩阵便于保存多个加热设备的加热数据，若需要增加或减少加热设备只需要相应的增加或减少数组矩阵的行数即可，比如，对于双挤出头的3D打印机，就需要多增加一行，因为双挤出头的3D打印机一个挤出机是喷打印材料，另一个挤出机是喷支撑材料，所以两个挤出机的温度数据要分别用不同的最佳温度函数来表示。

具体的，数值单元是指最优温度函数中各个加热设备的某一时间节点的最优温度值。可以理解的是，温度数控代码操作语句代表对某一时间节点的温度信息进行解释和执行的语句，比如比较温度，升高/降低挤出机温度，升高/降低热床温度等操作语句。由于标准的数控代码并没有和温度相关的操作语句，因此需要在3D打印机的编程里加入这些语句的解释和相应的操作。又因为标准数控代码是按时间顺序执行的，所以就可以把相同时间节点的温度数控代码操作语句插入到相应的数控代码的前面，这样既不会破坏打印件的原数控代码的运动轨迹，还包含了各个加热设备随时间变化的最优温度值。

作为一种优选的实施例，步骤15之后，该温度控制方法还包括：

步骤17：判断新数控代码是否为最后一句新数控代码，若是，则结束打印，若否，进入步骤13。

具体的，一般的切片软件输出的数控代码，最后一句就是结束代码。

作为一种优选的实施例，温度传感器为热电偶。

具体的，热电偶是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出，使用十分方便，且它的测温范围很广，可以测量-270℃～2500℃范围内的温度。热电偶具有结构简单、制造方便、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点，在一定程度上提高了本发明测量加热设备的实际温度的准确性。

当然，温度传感器除了可以为热电偶还可以为其他温度传感器，本发明在此不做限定。

作为一种优选的实施例，温度传感器为半导体热敏传感器。

具体的，半导体热敏传感器具有精度高、成本低、易于安装等优点，提高了本发明对加热设备的实际温度进行测量的准确性的同时，保证了本发明成本较低。

当然，温度传感器除了可以为半导体热敏传感器还可以为其他温度传感器，本发明在此不做限定。

请参照图4，图4为本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制系统，包括：

获取模块1，用于根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件；

整合模块2，用于将最优温度函数的文本型文件和数控代码进行整合得到新数控代码；

调用模块3，用于调取一句新数控代码，其中，新数控代码中包括与最优温度函数的文本型文件所对应的新数控代码的最优温度值；

第一判断模块4，用于判断温度传感器采集到的加热设备的实际温度是否达到最优温度值，若是，触发执行模块5，若否，触发调整模块6；

执行模块5，用于执行新数控代码的机械操作；

调整模块6，用于重新调整加热设备的温度，然后触发第一判断模块4。

作为一种优选的实施例，获取模块1具体用于：

对打印件进行三维建模得到数字三维模型；根据有限元分析法得到打印件的温度场和应力场信息；并根据打印材料的应力容忍范围得到打印材料在应力容忍值以下的温度场图；通过温度场图得到加热设备在不同时间节点的加热温度，并绘制成以时间为自变量的最优温度函数；导出最优温度函数并保存为文本型文件。

作为一种优选的实施例，整合模块2具体用于：

将最优温度函数分割成等间距的离散数据，根据离散数据得到数组矩阵；将数组矩阵中的每个数值单元均翻译成一条温度数控代码操作语句；将每条温度数控代码操作语句分别插入到与其各自对应的数控代码的前面，得到新数控代码。

作为一种优选的实施例，该温度控制系统还包括第二判断模块，用于判断新数控代码是否为最后一句新数控代码，若是，则判定打印结束，若否，则触发调用模块3。

对于本发明所提供的一种应用于3D打印机的温度控制系统的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种应用于3D打印机的温度控制方法，其特征在于，包括：

步骤11：根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件，其中，所述文本型文件包括所述打印件在打印过程中各个加热设备在各个时间节点对应的最优温度值；

步骤14：判断温度传感器采集到的所述加热设备的实际温度是否达到所述最优温度值，若是，进入步骤15，若否，进入步骤16；

步骤15：执行所述新数控代码的机械操作；

步骤16：重新调整所述加热设备的温度，进入步骤14。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述步骤11的过程具体为：

步骤114：导出所述最优温度函数并保存为文本型文件。

3.根据权利要求2所述的温度控制方法，其特征在于，所述步骤12的过程具体为：

4.根据权利要求1-3任意一项所述的温度控制方法，其特征在于，所述步骤15之后，该温度控制方法还包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述温度传感器为半导体热敏传感器。

7.一种应用于3D打印机的温度控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于根据打印件的数字三维模型得到最优温度函数的文本型文件，其中，所述文本型文件包括所述打印件在打印过程中各个加热设备在各个时间节点对应的最优温度值；

第一判断模块，用于判断温度传感器采集到的所述加热设备的实际温度是否达到所述最优温度值，若是，触发执行模块，若否，触发调整模块；

所述执行模块，用于执行所述新数控代码的机械操作；

8.根据权利要求7所述的温度控制系统，其特征在于，所述获取模块具体用于：

9.根据权利要求8所述的温度控制系统，其特征在于，所述整合模块具体用于：

10.根据权利要求7-9任意一项所述的温度控制系统，其特征在于，该温度控制系统还包括第二判断模块，用于判断所述新数控代码是否为最后一句新数控代码，若是，则判定打印结束，若否，则触发所述调用模块。