CN108908932B - 一种基于多区间连续控温的3d打印机辅热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印领域，涉及一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，该多区间连续控温辅热系统由连续控温区间构成，可完成连续控温功能，该连续控温区间中间形成贯穿的物料通道，多区间连续控温的3D打印机辅热装置随着打印头同步运动，完成连续控温，该装置可以有效解决制备成型件打印过程中的翘曲问题，并显著提高成型件的力学强度，控温范围广，适用于不同打印方式、物料和形状的3D打印，也可适用于其他需要连续控温辅热的技术领域。

Description

一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置
技术领域
本发明属于3D打印领域，涉及一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置。
背景技术
3D打印技术是一种增材制造的快速成型技术，包括熔融沉积技术、选区激光烧结技术、选择性激光熔化技术、立体光固化成型法和分层实体制造法等。以熔融沉积技术(FDM-fused Deposition Modeling)为例，FDM技术的打印过程是利用加热的打印喷头融化固相材料，打印喷头根据成型模型的打印路径运动，将熔体喷涂在工作台上，实现层状堆积，最终形成产品。FDM打印喷头的作用是将固体材料加热成为熔融态，为了使熔融材料具有良好的粘性，需要保证挤出喷嘴的温度提高到材料的玻璃化温度以上，然而，对于刚打印成型部件的过快的冷却速度，导致了其与新的打印层面的粘性下降、层间大的温度差，造成了打印制品的翘曲和开裂。因此，打印喷头及其打印区域的温度控制，对于打印制品的质量、力学强度至关重要。据我们目前查阅的资料与文献报道，目前还没有一种简便、经济的多区间连续控温技术，来实现FDM打印区域温度的有效控制，避免打印制品的翘曲和开裂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，利用连续控温技术避免打印制品的翘曲和开裂，实现对温度的精确控制。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，随3D打印机的打印头同步运动，包括两端贯通的物料通道以及环绕设置在物料通道外侧用于加热物料的连续控温区间；所述连续控温区间的外侧边线与轴线呈一定倾角。
可选地，所述连续温控区间为粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区中一种或几种组合所形成的组。
可选地，所述粘流态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为α、所述高弹态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为β、所述玻璃态加热区的外侧边线与轴线之间的夹角为γ。
可选地，所述连续控温区间沿远离物料通道的方向依次为粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区，粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区依次嵌套并紧密贴合。
可选地，所述连续控温区间的加热方式为热电偶、热风、热辐射、激光、红外中的一种或几种组合所形成的组。
可选地，所述物料通道的最大截面直径为d0、所述粘流态加热区的最大底面直径为d1、所述高弹态加热区的最大底面直径为d2、所述玻璃态加热区的最大底面直径为d3，d0≤d1≤d2≤d3。
可选地，0°＜α＜180°、0°＜β＜180°、0°＜γ＜180°。
可选地，所述物料通道用于高分子材料或其复合材料等物料的输送与流通，所述物料种类包括丝材、粉体、粒料、熔融物中的一种或几种组合所形成的组。
可选地，所述物料通道的加热方式为热电偶、热风、热辐射、激光、红外中的一种或几种组合所形成的组。
本发明的有益效果在于：
熔融沉积技术制备的3D打印品包含两个过程，一个是打印喷头在机床的轴平面内运动，另一个是打印头沿纵向逐层完成打印，在打印过程中无论是横向平面，还是纵向层堆积都产生大的温度差，导致了产品出现翘曲和开裂。
本发明所采用的连续控温方法，通过对聚合物流变性能的控制，从聚合物本身的粘流态、高弹态和玻璃态出发，具有两大作用：
(1)本发明实现成型过程中聚合物温度的精确控制，既可以提前对待打印区域进行横向打印和层间的预热，又可以延迟横向打印和层间已打印区域的温度下降，从而有效减少横向打印和层间的温度差，解决打印产品的翘曲和开裂。
(2)本发明中各加热区的偏角的设计有以下方面的作用：一方面是可以增加加热面积，有利于热量的传递；另一方面是可设计为热风加热方式，有利于同轴送粉式打印机的残余粉末的清除。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中所涉及的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置的剖面视图；
图2为本发明中所涉及的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置的仰视图；
图3为本发明中所涉及的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置在加热过程中的温度分布图；
图4为使用本发明与不使用本发明加工后力学测试样条的拉伸应力应变对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图4，附图中的元件标号分别表示：物料通道1、粘流态加热区2、高弹态加热区3、玻璃态加热区4。
本发明涉及一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，随3D打印机的打印头同步运动，包括两端贯通的物料通道以及环绕设置在物料通道外侧用于加热物料的连续控温区间；所述连续控温区间的外侧边线与轴线呈一定倾角。
优选地，所述连续温控区间为粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区中一种或几种组合所形成的组；所述连续控温区间沿远离物料通道的方向依次为粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区，粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区依次嵌套并紧密贴合；所述粘流态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为α、所述高弹态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为β、所述玻璃态加热区的外侧边线与轴线之间的夹角为γ；0°＜α＜180°、0°＜β＜180°、0°＜γ＜180°
可选地，所述连续控温区间的加热方式为热电偶、热风、热辐射、激光、红外中的一种或几种组合所形成的组；所述物料通道的最大截面直径为d0、所述粘流态加热区的最大底面直径为d1、所述高弹态加热区的最大底面直径为d2、所述玻璃态加热区的最大底面直径为d3，d0≤d1≤d2≤d3；所述物料通道用于高分子材料或其复合材料等物料的输送与流通，所述物料种类包括丝材、粉体、粒料、熔融物中的一种或几种组合所形成的组；所述物料通道的加热方式为热电偶、热风、热辐射、激光、红外中的一种或几种组合所形成的组。
本实施例中采用的3D打印类型为熔融沉积技术(FDM)，但本发明可应用的3D打印类型包括但不仅限于：熔融沉积技术(FMD)、选区激光烧结技术(SLS)、立体光固化成型法(SLA)和分层实体制造法(LOM)。
在本实施例中，所述物料通道1的加热方式为热风，打印材料为聚乳酸丝材，送料方式为同轴送丝。连续控温区间包括粘流态加热区2、高弹态加热区3、玻璃态加热区4，连续控温区间的加热方式为热风，连续控温区间的温度范围如下：粘流态加热区2为200℃，高弹态加热区3为180℃、玻璃态加热区4为160℃；各加热区偏角角度为：α＝60°，β＝45°，γ＝45°。图3为利用软件模拟的温度分布图，模拟结果显示中心区域温度较高，向周边区域温度递减。
本发明中的一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置在设计、生产并投入使用后，发现多区间连续温控装置可以解决FDM打印件的以下问题：首先为翘曲问题，经过实施例中的温度场辅热系统处理后，具有温度场辅热系统的FDM打印工艺成品中材料的翘曲程度明显小于传统的FDM打印工艺，温度场辅热系统FDM工艺显著解决了制备的成型件的翘曲问题；然后为强度问题，采用温度场辅助加热工艺，制备碳纤维复合材料的标准力学测试样条，对比未采用温度场辅助加热工艺制备的测试样条，研究发现：采用温度场辅助加热工艺的样条，拉伸应力提高了10％，拉伸应变提高了38％，具体的实验结果详见图4。
本发明实现成型过程中聚合物温度的精确控制，既可以提前对待打印区域进行横向打印和层间的预热，又可以延迟横向打印和层间已打印区域的温度下降，从而有效减少横向打印和层间的温度差，解决打印产品的翘曲和开裂。本发明中各加热区的偏角的设计有以下方面的作用：一方面是可以增加加热面积，有利于热量的传递；另一方面是可设计为热风加热方式，有利于同轴送粉式打印机的残余粉末的清除。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，随3D打印机的打印头同步运动，其特征在于：包括两端贯通的物料通道以及环绕设置在物料通道外侧用于加热物料的连续控温区间；所述连续控温区间的外侧边线与轴线呈一定倾角；所述连续控温区间沿远离物料通道的方向依次为粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区，粘流态加热区、高弹态加热区、以及玻璃态加热区依次嵌套并紧密贴合。
2.如权利要求1中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述粘流态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为α、所述高弹态加热区的外侧边线与轴线之间夹角为β、所述玻璃态加热区的外侧边线与轴线之间的夹角为γ。
3.如权利要求1中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述连续控温区间的加热方式为热电偶、热风、热辐射中的一种或几种组合所形成的组。
4.如权利要求3中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述热辐射的加热方式为激光或红外。
5.如权利要求1中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述物料通道的最大截面直径为d0、所述粘流态加热区的最大底面直径为d1、所述高弹态加热区的最大底面直径为d2、所述玻璃态加热区的最大底面直径为d3，d0 ≤ d1 ≤ d2 ≤ d3。
6.如权利要求2中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：0°＜α＜180°、0°＜β＜180°、0°＜γ＜180°。
7.如权利要求1中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述物料通道用于高分子材料或其复合材料物料的输送与流通，所述物料种类包括丝材、粉体、粒料、熔融物中的一种或几种组合所形成的组。
8.如权利要求1中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述物料通道的加热方式为热电偶、热风、热辐射中的一种或几种组合所形成的组。
9.如权利要求8中所述的基于多区间连续控温的3D打印机辅热装置，其特征在于：所述热辐射的加热方式为激光或红外。
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