CN108819229A - 增材制造设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的增材制造设备及系统，涉及3D打印技术领域。该增材制造设备包括机架、箱体、第一送料装置、第二送料装置、第一材料输送管、第二材料输送管、第一打印头、第二打印头、热干燥系统和运动组件。第一材料输送管的一端连接在第一送料装置上，另一端连接在第一打印头上。第二材料输送管的一端连接在第二送料装置上，另一端连接在第二打印头上。该增材制造设备结构紧凑，操作简单方便，打印效率高，减少打印中材料融化时产生的气泡，质量好。

Description

增材制造设备及系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种增材制造设备及系统。

背景技术

增材制造技术，是将材料丝加热融化后挤出，一层层的打印三维零件和支撑结构。在一层层地建造三维零件过程中，支撑结构通常是打印在悬垂位置或腔洞里。打印零件时，支撑材料附着在零件材料上，打印完成后，可以从三维零件上去除掉支撑材料。

增材制造技术所用的聚合物原材料，如材料丝，会吸收空气中的水分。当聚合物原材料在液化器里被加热到挤出温度时，被吸收到聚合物原材料中的水分会沸腾并产生气泡，影响了材料的挤出，从而降低打印质量。

有鉴于此，设计制造出一种增材制造设备，能够克服打印过程中气泡的产生，提高打印质量，是目前3D打印技术领域中急需改善的技术问题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种增材制造设备，将打印用的材料丝通过封闭的材料输送管送达至打印头，并且在封闭腔体内完成打印，避免材料丝吸收空气中的水分，防止打印过程中产生的气泡，有效改善打印质量。

本发明的目的还包括提供一种增材制造系统，包括控制器和上述的增材制造设备，提高了操作的自动化和智能化程度，提高了增材制造系统的打印效率。

本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种增材制造设备，包括机架、箱体、第一送料装置、第二送料装置、第一材料输送管、第二材料输送管、第一打印头、第二打印头、运动组件和热干燥系统。

所述箱体安装在所述机架上，所述箱体包括一封闭腔体，所述第一打印头、所述第二打印头和所述运动组件安装在所述箱体内，且所述第一打印头、所述第二打印头均安装在所述运动组件上。

所述第一材料输送管的一端连接在所述第一送料装置上，所述第一材料输送管的另一端连接在所述第一打印头上。所述第二材料输送管的一端连接在所述第二送料装置上，所述第二材料输送管的另一端连接在所述第二打印头上。所述第一材料输送管和所述第二材料输送管均采用封闭管道。所述热干燥系统分别与所述第一材料输送管、所述第二材料输送管连接，向所述第一材料输送管、所述第二材料输送管中输送干燥的热空气。

进一步地，所述热干燥系统包括空气干燥器、气压调节阀和加热器；所述空气干燥器与所述气压调节阀连接，所述气压调节阀与所述加热器连接，所述加热器通过第一气管与所述第一材料输送管连接，所述加热器通过第二气管与所述第二材料输送管连接。

进一步地，所述加热器设有温度控制器，用于调节气体的加热温度。

进一步地，所述第一材料输送管上设有第一三通接头，所述第一三通接头分别连接所述第一送料装置、所述第一打印头和所述第一气管；所述第二材料输送管上设有第二三通接头，所述第二三通接头分别连接所述第二送料装置、所述第二打印头和所述第二气管。

进一步地，所述第一送料装置包括第一材料罐和第一驱动器，所述第一材料罐上缠绕多圈零件材料丝，所述第一驱动器与所述第一材料罐连接，为所述第一打印头提供所述零件材料丝。所述第二送料装置包括第二材料罐和第二驱动器，所述第二材料罐上缠绕多圈支撑材料丝，所述第二驱动器与所述第二材料罐连接，为所述第二打印头提供所述支撑材料丝。

进一步地，还包括打印安装架，所述打印安装架设置在所述运动组件上，所述第一打印头和所述第二打印头均安装在所述打印安装架上。

进一步地，所述箱体包括一封闭腔体，所述封闭腔体内设有打印平台，所述打印安装架和所述运动组件均设置在所述封闭腔体内；并且所述封闭腔体内设有加热器。

进一步地，所述运动组件包括平移组件和升降组件。所述平移组件包括导轨，所述导轨设置在所述打印平台的上方，所述导轨的两端分别连接在所述箱体的两个侧壁、并且能沿所述侧壁移动。所述打印安装架连接在所述导轨上、并且能沿所述导轨滑动。所述升降组件连接在所述打印平台远离所述导轨的一侧，带动所述打印平台上下移动。

进一步地，所述平移组件还包括第三驱动器和第四驱动器，所述第三驱动器与所述导轨连接，带动所述导轨移动。所述第四驱动器与所述打印安装架连接，带动所述打印安装架沿所述导轨移动。所述升降组件采用升降气缸，所述升降气缸与所述打印平台连接，带动所述打印平台上下移动。

本发明提供的一种增材制造系统，包括控制装置和上述的增材制造设备，所述控制装置分别与所述第一送料装置、所述第二送料装置、所述运动组件、所述热干燥系统连接。

本发明提供的增材制造设备及系统具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的增材制造设备，包括机架、箱体、第一送料装置、第二送料装置、第一材料输送管、第二材料输送管、第一打印头、第二打印头、运动组件和热干燥系统。第一材料输送管、第二材料输送管采用封闭管道，箱体设置一封闭腔体，将第一打印头、第二打印头和运动组件均安装在封闭腔体内，通过热干燥系统将干燥的热空气充入材料输送管中，去除材料丝中的水分，使得材料丝一直处于干燥的热空气中，从而克服打印过程中材料融化后气泡的产生，有效提高打印质量。

本发明提供的一种增材制造系统，包括控制器和上述的增材制造设备，提高了操作的自动化和智能化程度，提高了增材制造系统的打印效率，打印质量更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的增材制造设备的整体结构示意图；

图2本发明具体实施例提供的增材制造设备的热干燥系统的结构示意图；

图3本发明具体实施例提供的增材制造设备的热干燥系统的安装结构示意图；

图4为本发明具体实施例提供的增材制造系统的整体结构示意图。

图标：100-增材制造设备；101-零件模型；103-支撑结构；110-机架；111-箱体；113-封闭腔体；115-第一安装位；117-第二安装位；121-第一材料罐；123-第一驱动器；125-第一材料输送管；1251-第一直线段；1252-第二直线段；1253-第三直线段；127-第一打印头；131-第二材料罐；133-第二驱动器；135-第二材料输送管；137-第二打印头；140-打印平台；141-平台支架；150-导轨；151-打印安装架；160-热干燥系统；161-空气干燥器；162-气压调节阀；163-加热器；164-温度控制器；165-第一气管；166-第一三通接头；167-第二气管；168-第二三通接头；170-控制装置；200-增材制造系统。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的增材制造设备100的整体结构示意图，请参照图1。

本实施例提供的一种增材制造设备100，包括机架110、箱体111、第一送料装置、第二送料装置、第一材料输送管125、第二材料输送管135、第一打印头127、第二打印头137、热干燥系统160和运动组件。箱体111安装在机架110上，箱体111包括一封闭腔体113，第一打印头127、第二打印头137、运动组件和打印平台140均安装在封闭腔体113内，且第一打印头127、第二打印头137均安装在运动组件上。

图2为本发明具体实施例提供的增材制造设备100的热干燥系统160的结构示意图，请参照图2。

热干燥系统160可以设置在封闭腔体113内，也可以设置在封闭腔体113外。本实施例中，以设置在封闭腔体113内为例。热干燥系统160包括空气干燥器161、气压调节阀162、加热器163和温度控制器164。空气干燥器161与气压调节阀162连接，空气干燥器161内设有过滤网，空气干燥器161能够用于过滤、干燥空气。气压调节阀162用于调节空气的压力，使得空气经过气压调节阀162后变成具有一定压力的压缩空气。气压调节阀162与加热器163连接，将压缩空气通入加热器163中进行加热。加热器163通过第一气管165与第一材料输送管125连接，加热器163通过第二气管167与第二材料输送管135连接，分别将加热后的压缩空气送入第一材料输送管125和第二材料输送管135。优选地，加热器163设有温度控制器164，用于调节气体的加热温度。根据零件材料和支撑材料的不同，加热温度适应性地调整为40度至100度。气压调节阀162包括节流元件，测量元件等，测量元件可以是压力传感器，用于检测空气的压力值，节流元件根据不同的压力需求调节空气压力。

图3为本发明具体实施例提供的增材制造设备100的热干燥系统160的安装结构示意图，请参照图3。

具体地，第一材料输送管125的一端连接在第一送料装置上，第一材料输送管125的另一端连接在第一打印头127上。第二材料输送管135的一端连接在第二送料装置上，第二材料输送管135的另一端连接在第二打印头137上。第一材料输送管125和第二材料输送管135均采用封闭管道。第一材料输送管125上设有第一三通接头166，第一三通接头166分别连接第一送料装置、第一打印头127和第一气管165；第二材料输送管135上设有第二三通接头168，第二三通接头168分别连接第二送料装置、第二打印头137和第二气管167。这样设置后，加热后的干燥压缩空气经第一气管165，充满于第一材料输送管125、第一材料罐121和第一打印头127内，能够干燥这些部件中的空气，同时，也能阻止外界的空气再流入这些部件中，从而彻底解决了打印过程中，由于材料丝加热熔化水沸腾产生气泡的问题。同理，加热后的干燥压缩空气经第二气管167，充满于第二材料输送管135、第二材料罐131和第二打印头137内，能够干燥这些部件中的空气，同时，也能阻止外界的空气再流入这些部件中。当材料丝在液化器里被加热到挤出温度时，就不会产生被吸收到材料丝中的水分会沸腾并产生气泡的现象，大大改善了增材制造设备100的打印质量和效果。

可选地，为了实现更好的密封效果，在第一三通接头166、第二三通接头168的地方设置密封圈或者缠绕生胶带，以提高密封性能，阻止外界空气与零件材料丝和支撑材料丝接触。

具体的，第一材料输送管125和第二材料输送管135分别包括相互连接的第一直线段1251、第二直线段1252和第三直线段1253，第一直线段1251和第三直线段1253竖直设置，第二直线段1252水平设置，且第二直线段1252的两端分别与第一直线段1251、第三直线段1253连接。第一三通接头166和第二三通接头168分别设置在两个第二直线段1252上。即第一气管165与第一材料输送管125上的第二直线段1252连通，第二气管167与第二材料输送管135上的第二直线段1252连通。当然，并不仅限于此，第一材料输送管125和第二材料输送管135的形状还可以是其他情形，比如为直线段与圆弧段构成，或者由曲线段构成，或其它倾斜直线构成等；数量也可以是一个或多个，这里不作具体限定。

机架110上设有第一安装位115和第二安装位117，第一安装位115用于安装第一材料罐121，第二安装位117用于安装第二材料罐131。第一安装位115和第二安装位117分别设于箱体111的两侧。第一送料装置包括第一材料罐121和第一驱动器123，第一材料罐121上缠绕多圈零件材料丝，第一驱动器123与第一材料罐121连接，为第一打印头127提供零件材料丝，第一打印头127用于打印3D零件模型101。第二送料装置包括第二材料罐131和第二驱动器133，第二材料罐131上缠绕多圈支撑材料丝，第二驱动器133与第二材料罐131连接，为第二打印头137提供支撑材料丝，第二打印头137用于打印3D模型中的支撑结构103。打印完成后，支撑结构103需要被去除。第一驱动器123和第二驱动器133采用步进电机或变频电机，驱动第一材料罐121、第二材料罐131转动，分别放送零件材料丝和支撑材料丝。

具体的，第一打印头127的端部设有第一液化器，将零件材料丝加热到熔融状态后挤出。第二打印头137的端部设有第二液化器，将支撑材料丝加热到熔融状态后挤出。封闭腔体113内还设有打印安装架151和打印平台140，打印安装架151设置在运动组件上，第一打印头127和第二打印头137均安装在打印安装架151上。可选地，打印安装架151的数量可以是一个或两个，即可以是两个打印头同时安装在同一个打印安装架151上，也可以是一个打印头单独安装在一个打印安装架151上。打印安装架151和运动组件均设置在封闭腔体113内，并且，打印平台140位于第一打印头127和第二打印头137的下方，从第一打印头127和第二打印头137内融化滴落的材料在打印平台140上成型。为了减少成型的三维零件和支撑结构103翘曲和收缩的问题，封闭腔体113内设有加热器163。加热器163可以是加热电阻丝发热，或者通过引入加热的循环空气等，这里不作具体限定。

可选地，为了更好地控制模型的成型温度，可以在第一打印头127、第二打印头137上安装温度传感器，控制材料丝的熔融温度。也可以在封闭腔体113内设置温度传感器，检测封闭腔体113内的环境温度，以提高产品的成型质量。需要说明的是，箱体111除了设置封闭腔体113外，外部还设有壳体，壳体上可以用于安装驱动电机、控制面板、电气开关、电控箱等，这里不作具体限定。

运动组件包括平移组件和升降组件。平移组件包括导轨150，导轨150设置在打印平台140的上方，导轨150的两端分别连接在封闭腔体113的两个侧壁、并且能沿侧壁移动。打印安装架151连接在导轨150上、并且能沿导轨150滑动。升降组件连接在打印平台140远离导轨150的一侧，带动打印平台140上下移动。具体的，在本实施例中，平移组件还包括第三驱动器和第四驱动器，第三驱动器与导轨150连接，带动导轨150移动。第四驱动器与打印安装架151连接，带动打印安装架151沿导轨150移动。可选地，第三驱动器和第四驱动器采用伺服电机，第三驱动器与导轨150之间可以设置链轮传动、带轮传动、齿轮齿条组件、齿轮组件等作为动力传动，以带动导轨150在X轴向的移动。第四驱动器与打印安装架151之间也可以设置链轮传动组件、带轮传动组件、齿轮齿条组件、齿轮组件等作为动力传动，以带动打印安装架151在Y轴向的移动。这样，第一打印头127和第二打印头137就可以实现XY平面内的任意位置移动。升降组件采用升降气缸，打印平台140下方还设有平台支架141，升降气缸与平台支架141连接，带动打印平台140上下移动，即实现打印平台140在Z轴向的移动。当然，并不仅限于此，升降组件也可以采用滚轮沿滑轨移动、齿轮齿条组件、链轮传动组件、齿轮组件、带轮传动组件等方式来实现，这里不作具体限定。

图4为本发明具体实施例提供的增材制造系统200的整体结构示意图，请参照图4。

本实施例提供的一种增材制造系统200，包括控制装置170和上述的增材制造设备100，控制装置170分别与第一送料装置、第二送料装置、运动组件、热干燥系统160连接。具体地，控制装置170包含一个或多个控制回路和主计算机，用于监测和控制增材制造设备100中的各元件。控制装置170可执行多个控制功能，如通过软件、固件和硬件来执行移动命令功能等，以提高增材制造系统200的自动化程度和智能化程度。比如，控制装置170分别与第一驱动器123、第二驱动器133、第三驱动器、第四驱动器、升降气缸、空气干燥器161、气压调节阀162、压力传感器、加热器163、温度控制器164等连接，或者，控制装置170通过数据信号线分别与第一打印头127的电机、第二打印头137的电机、打印安装架151的电机、导轨150的电机等电连接或无线连接，以控制第一打印头127、第二打印头137、打印安装架151、导轨150和打印平台140的移动。控制装置170通过数据信号线分别与空气干燥器161、气压调节阀162、压力传感器、加热器163、温度控制器164连接，以控制热干燥系统160的运行。控制装置170与不同的传感器、感应器或显示器等连接，以进行数据信号的交换和沟通。操作过程中，控制装置170直接控制平台支架141移动，使打印平台140到达预定的高度。然后，控制装置170直接控制导轨150移动，即控制打印安装架151在XY平面上移动。控制装置170同时控制第一打印头127或第二打印头137选择性的挤出材料丝，并在打印平台140上成型。

本发明提供的增材制造设备100及系统，其工作原理如下：

空气进入热干燥系统160，通过空气干燥器161去除水蒸气，经过空气干燥器161的空气再通过气压调节阀162，产生具有一定压力的压缩空气，气压调节阀162包括节流元件，测量元件等。从气压调节阀162出来的压缩空气被送往加热器163，加热器163有温度控制器164，用于加热压缩空气到预设温度。根据所使用的材料丝不同，温度设置范围在40度至100度。压缩空气被加热器163加热之后，压缩空气经过第一三通接头166被送往第一材料输送管125、第一材料罐121和第一打印头127内，压缩空气经过第二三通接头168被送往第二材料输送管135、第二材料罐131和第二打印头137内。材料丝是封闭在材料输送管里面的，使得增材制造设备100中的材料丝一直处于热干燥压缩空气当中，从而避免了打印过程中，由于材料丝加热熔化水沸腾产生气泡的现象，大大改善了增材制造设备100的打印质量和效果。

综上所述，本发明提供的增材制造设备100及系统具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的增材制造设备100及系统，结构紧凑，打印效率高。由于设置热干燥系统160，并且箱体111内设置封闭腔体113，并且第一材料输送管125和第二材料输送管135均采用封闭管道，能够避免材料丝与空气的接触，使得增材制造设备100中的材料丝一直处于热干燥压缩空气当中，从而减少打印过程中气泡的产生，有效提高打印质量。其次，采用控制装置170控制整个增材制造设备100的打印动作，效率高，控制精准，自动化程度高、智能化程度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造设备，其特征在于，包括机架、箱体、第一送料装置、第二送料装置、第一材料输送管、第二材料输送管、第一打印头、第二打印头、运动组件和热干燥系统；

所述箱体安装在所述机架上，所述箱体包括一封闭腔体，所述第一打印头、所述第二打印头和所述运动组件安装在所述箱体内，且所述第一打印头、所述第二打印头均安装在所述运动组件上；

所述第一材料输送管的一端连接在所述第一送料装置上，所述第一材料输送管的另一端连接在所述第一打印头上；所述第二材料输送管的一端连接在所述第二送料装置上，所述第二材料输送管的另一端连接在所述第二打印头上；所述第一材料输送管和所述第二材料输送管均采用封闭管道；所述热干燥系统分别与所述第一材料输送管、所述第二材料输送管连接，向所述第一材料输送管、所述第二材料输送管中输送干燥的热空气。

2.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，所述热干燥系统包括空气干燥器、气压调节阀和加热器；所述空气干燥器与所述气压调节阀连接，所述气压调节阀与所述加热器连接，所述加热器通过第一气管与所述第一材料输送管连接，所述加热器通过第二气管与所述第二材料输送管连接。

3.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，所述加热器设有温度控制器，用于调节气体的加热温度。

4.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，所述第一材料输送管上设有第一三通接头，所述第一三通接头分别连接所述第一送料装置、所述第一打印头和所述第一气管；所述第二材料输送管上设有第二三通接头，所述第二三通接头分别连接所述第二送料装置、所述第二打印头和所述第二气管。

5.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，所述第一送料装置包括第一材料罐和第一驱动器，所述第一材料罐上缠绕多圈零件材料丝，所述第一驱动器与所述第一材料罐连接，为所述第一打印头提供所述零件材料丝；所述第二送料装置包括第二材料罐和第二驱动器，所述第二材料罐上缠绕多圈支撑材料丝，所述第二驱动器与所述第二材料罐连接，为所述第二打印头提供所述支撑材料丝。

6.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，还包括打印安装架，所述打印安装架设置在所述运动组件上，所述第一打印头和所述第二打印头均安装在所述打印安装架上。

7.根据权利要求6所述的增材制造设备，其特征在于，所述箱体包括一封闭腔体，所述封闭腔体内设有打印平台，所述打印安装架和所述运动组件均设置在所述封闭腔体内；并且所述封闭腔体内设有加热器。

8.根据权利要求7所述的增材制造设备，其特征在于，所述运动组件包括平移组件和升降组件；所述平移组件包括导轨，所述导轨设置在所述打印平台的上方，所述导轨的两端分别连接在所述箱体的两个侧壁、并且能沿所述侧壁移动；所述打印安装架连接在所述导轨上、并且能沿所述导轨滑动；

所述升降组件连接在所述打印平台远离所述导轨的一侧，带动所述打印平台上下移动。

9.根据权利要求8所述的增材制造设备，其特征在于，所述平移组件还包括第三驱动器和第四驱动器，所述第三驱动器与所述导轨连接，带动所述导轨移动；所述第四驱动器与所述打印安装架连接，带动所述打印安装架沿所述导轨移动；所述升降组件采用升降气缸，所述升降气缸与所述打印平台连接，带动所述打印平台上下移动。

10.一种增材制造系统，其特征在于，包括控制装置和权利要求1至9中任一项所述的增材制造设备，所述控制装置分别与所述第一送料装置、所述第二送料装置、所述运动组件、所述热干燥系统连接。