CN107984751A - 一种3d打印机内部腔室红外恒温系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印机技术领域，具体是一种3D打印机内部腔室红外恒温系统。所述的红外恒温系统，利用了红外电磁波辐射传递能量，无需介质传导，热效率高，热惯性小，能对物件内外部分同时进行高效率、高均匀性加热的基本特性，将加热的范围限制在物件及其周边的局部环境中，避免了现有加热方法通过空气对流传导带来的加热效率低、不均匀、浪费能源等诸多不利缺点，提高了3D打印机的内部腔室的恒温温度，避免了物件翘曲、脱粘和分层断裂等缺陷，提高了打印机的打印精度和打印成功率，尤其适用于高温特种工程塑料产品的打印和制造的需求。

Description

一种3D打印机内部腔室红外恒温系统

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体是一种3D打印机内部腔室红外恒温系统。

背景技术

3D打印技术最早出现于20世纪80年代，是一种使用计算机控制的，依赖于数字模型的，以液态树脂、丝状塑料或金属粉末等为原料的，通过逐层堆积成型来制造物件的技术。基于不同的成型原理，目前主流的3D打印制造技术主要有：热熔堆积成型（FDM）或热熔丝制造（FFF）、光固化成型（SLA）、激光粉末烧结型（SLS）以及三维胶合成型（3DP）等。随着3D打印技术的发展，其已经从早期的产品原型和模型模具的制造中，过渡到了产品的直接生产与加工上，在工程、工业、航空、航天、汽车、电子以及医疗等不同的领域中得到了广泛的运用。

以热熔堆积型打印机为例，其基本原理是将丝状的塑性物料，经喷头加热熔化，在一定的压力下，通过喷嘴挤出，一层一层的堆叠熔接在一起，最终形成完整的物件。故此，3D打印中使用的物料必须被持续加热，直至达到其熔点，其整体是一个物料加热、熔化、堆叠和冷却的过程。常见的打印物料的打印温度约为200℃，如ABS、PLA、PETG等，而某些特殊的工程塑料，如聚芳醚酮类材料等，其打印温度甚至达到了约400℃。

这种与室温之间存在巨大偏差的打印温度，使得成功的3D打印必须要对物件和内部腔室的温度进行有效的控制和管理，否则会导致诸多方面的不良影响。例如，物料冷却过快，因其收缩率的变化，会导致物件部分脱离底板，形成翘曲，破坏物件的外观，甚至可能整体脱离，进而破坏整个打印过程。物料过快的冷却，也会导致物件的层间结合力降低，形成分层、脱粘甚至断裂。此外，如果物件和内部腔室的温度过高，则会降低物料的冷却速度，导致物件失去外观细节。

常规的FDM类3D打印机主要通过以下几种方法来解决这一问题。首先，打印机使用封闭或半封闭式结构，形成一个温度相对稳定的内部腔室来降低其受外界温度变化的影响。其次，打印机的底板或基板使用热床的形式来对物件进行加温控制，避免其收缩过快，而形成翘曲或脱离底板。再次，采用电辅助热风装置或电辅助半导体制冷等方法对打印机内部腔室的温度进行控制。

然而，使用热床的方法来加热物件，物件的温度将随其高度变化呈现出阶梯状递减再到增加的现象，即距离热床越远的部分温度越低，而喷嘴附近则剧增。不同的温度变化带来的收缩率不同和冷却速度的变化，会对物件外观和成品率造成巨大的负面影响。

尽管，使用电辅助加热或制冷装置对打印机内部腔室的温度进行整体控制和管理，可以在一定程度上降低温度变化对打印过程带来的影响。但是，这种技术仍然有其在实施上的缺陷。首先，不管采用上述何种方法加热或制冷，其温度的传导是以空气为介质的对流传导，是一个逐渐变化的过程。这意味着打印机内部腔室的温度必然是不均匀的，越接近辅助装置的区域温度越高或越低。即便采用了温度探头进行闭环控制，但是由于探头摆放的位置的区别，内部腔室的不同区域仍然有温度波动的问题存在。而且，空气传导加热作用的都是物件的表面部分，对于大型物件其内外温度波动依然明显。另外，由于这些方法是针对内部腔室整体的温度进行加热或降低，处于打印机内部腔室的其他零部件，如电机、皮带和结构件等，也会受到温度变化的影响。比如，一般的3D打印机中使用步进电机的最高工作温度约为50℃至55℃，而打印物料为聚芳醚酮类高温材料时，内部腔室的温度则需保持在60℃以上，这意味着步进电机将无法正常工作，将降低打印精度甚至损坏设备。即便采取一定的隔热措施，如加装隔热帘等，也无法完全将电机和皮带等完全进行绝热隔离。长时间的高温工作将无法保证物件的质量。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种新型的3D打印机内部腔室红外恒温系统，利用红外加热源来实现在稳定提高物件整体温度及周边环境温度的同时，尽可能的不对打印机内部腔室中的其他零部件产生负面影响，进而提高物件的打印精度和打印成功率。

为解决上述问题，本发明所述的一种3D打印机内部腔室红外恒温系统（以下简称红外恒温系统）是通过以下技术方案实现的，其包括：红外加热器部分和内部恒温腔室的支撑支架部分。

所述的内部恒温腔室为封闭或半封闭结构，其范围由支撑支架的外围尺寸决定。

所述的红外恒温系统使用红外加热器对物件进行恒温加热。

所述的红外加热器安装在内部恒温腔室的支撑支架上，所述的支撑支架上开设有滑动槽，所述的红外加热器可安装在所述的支撑支架的滑动槽上。

所述的红外加热器的安装的数量、位置和照射角度由物件的外形和尺寸决定，以便实现物件及其周边环境的恒温控制。

所述的红外加热器具有反射器和万向节，可以调整和优化所述红外加热器的照射方向和照射角度。

所诉的红外加热器的安装数量不少于四个。

所述的红外加热器的安装位置不能低于打印物件的第一层时的热床的打印平面的高度，避免热床移动时造成阻挡。

所述的红外加热器还可以安装在内部腔室的可移动式的横梁的滑动槽上，用于实现其他特定角度的红外恒温控制。

与现有的技术相比，本发明利用了红外电磁波辐射传递能量，无需介质传导，热效率高，热惯性小，能对物件内外部分同时进行高效率、高均匀性加热的基本特性，将加热的范围限制在物件及其周边的局部环境中，避免了现有加热方法通过空气对流传导带来的加热效率低、不均匀、浪费能源等诸多不利缺点。从而将3D打印机的内部腔室的温度，特别是其中物件的温度，控制在特定恒温条件下，其恒温控制的温度可达100℃至120℃左右，远高于现有技术的50℃至60℃左右，避免了物件翘曲、脱粘和分层断裂等缺陷，足以满足如聚芳醚酮类高温特种工程塑料产品的打印和制造。。

附图说明

图1是本发明的红外加热器的结构示意图。

图2是本发明的3D打印机内部腔室红外恒温系统的实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式加以详细说明。

本发明所述的一种3D打印机内部腔室红外恒温系统由红外加热器部分和支架支撑部分组成。

图1为本发明所述的红外加热器部分的结构示意图。所述的红外加热器100包括：红外发射灯丝101、红外反射器102、万向节103、固定底座104和固定通孔105。

图2为本发明的3D打印机内部腔室红外恒温系统200的实施例示意图，其显示了本发明所述的红外加热器部分和内部腔室的支撑支架部分的具体结构及其位置关系。

所述的内部腔室的支撑支架部分包括：支撑支架201、热床202、支撑光轴203、滑动槽206和滑动槽207、可移动式横梁209、滑动槽210和物件208。

所述的支撑支架201上分别设置了滑动槽206和滑动槽207，滑动槽206位于支撑支架201的X方向，滑动槽207位于支撑支架201的Y方向。

所述的物件208位于热床202上，图2显示了物件208与红外加热器100之间的相对位置关系。

所述的X方向的滑动槽206上前后最少安装四个红外加热器100，红外加热器100利用其底座104上的固定通孔105，固定在滑动槽206上。红外加热器100也可以分别安装在滑动槽207上。

所述的红外加热器100的数量、位置和照射角度由物件208的外形和尺寸决定，照射方向和照射角度可由万向节103进行调节，实现最优化的加热照射，以便实现物件及其周边环境的恒温控制。

所述红外加热器100的安装位置不能低于打印物件208第一层时热床202的打印平面的高度。当热床202由Z轴电机205和丝杠204驱动向下或向上移动时，红外加热器不会被热床202所阻挡。

作为另一实施例，红外加热器100还可以安装固定在可移动式横梁209上的滑动槽210上，实现其他特定角度的红外恒温控制。

为表述更加清楚，本发明的图2中略去了3D打印机内部腔室的封闭式或半封闭式外部壳罩、3D打印机XY轴的动力学系统以及挤出头等组件。这不应成为限制本发明保护范围的理由。

本发明并不局限于上述具体实施方式，不论3D打印机的内部腔室是否采用其他的结构和尺寸，不论其是否采用其他红外电磁波辐射加热方式，或不论采用何种方式、何种位置、何种数量安装和固定红外加热器来实现3D打印机内部腔室的恒温控制，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3D打印机内部腔室红外恒温系统，包括红外加热器部分和支架支撑部分，其特征在于：所述的红外加热器（100）包括：红外发射灯丝（101）、红外反射器（102）、万向节（103）、固定底座（104）和固定通孔（105）；所述的支架支撑部分包括：支架（201）、热床（202）、支撑光轴（203）、滑动槽（206）、滑动槽（207）、可移动式横梁（209）、滑动槽（210）、打印物件（208）；所述的支架（201）上分别设置了滑动槽（206）和滑动槽（207），滑动槽（206）位于支架（201）的X方向，滑动槽（207）位于支架（201）的Y方向；所述的红外加热器（100）利用其底座（104）上的固定通孔（105），安装固定在3D打印机内部腔室的支撑支架（201）的X方向的滑动槽（206）或Y方向的滑动槽（207）上。

2.根据权利要求1所述的3D打印机内部腔室红外恒温系统，其特征在于：所述的红外恒温系统采用红外加热器（100）对物件（208）进行恒温加热。

3.根据权利要求1所述的3D打印机内部腔室红外恒温系统，其特征在于：安装固定的红外加热器（100）的数量由物件（208）的外形尺寸决定，不少于四个。

4.根据权利要求1所述3D打印机内部腔室红外恒温系统，其特征在于：所述的红外加热器（100）的底座（104）上设置有万向节（103），可根据物件（208）的外形尺寸调整和优化照射方向和照射角度。

5.根据权利要求1所述的3D打印机内部腔室红外恒温系统，其特征在于：所述的红外加热器（100）也可以安装于支架（201）上的可移动式横梁（209）的滑动槽（210）上，实现其他特定角度的红外恒温控制。

6.根据权利要求1所述的3D打印机内部腔室红外恒温系统，其特征在于：所述的红外加热器（100）的安装位置不能低于打印物件（208）第一层时热床（202）的打印平面的高度。