CN109866422B

CN109866422B - 具有容积可变高温成型室3d打印装置

Info

Publication number: CN109866422B
Application number: CN201910156837.8A
Authority: CN
Inventors: 傅建中; 廖广鑫; 栾丛丛; 褚建农
Original assignee: Honghe Innovation And Technology Research Institute Co ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Honghe Innovation And Technology Research Institute Co ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: CN109866422A

Abstract

本发明公开了具有容积可变高温成型室3D打印装置。三块加热保温板和可视化窗口板底部的转轴分别连接在各自直线导轨组件的滑块上，相邻加热保温板和可视化窗口板通过侧面的上、下滑轮依次与相邻加热保温板或可视化窗口板侧面相应的滑槽连接，每根转轴在各自直线导轨组件的滑块上滑动和滑轮在滑槽中的滑动，构成容积可变高温成型室，送料机构和喷头组件安装在成型室的顶面，打印平台组件安装在成型室内，三块加热保温板和打印平台组件分别与各自加热控制系统连接，成型室底面和直线导轨组件均放在保温材料上。本发明具有恒温成型室容积可变，加热效率高，节约能源，加热温度高，能适应不同材料打印温度的要求，结构简单，易于维护等优点。

Description

具有容积可变高温成型室3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印装置，具体涉及具有容积可变高温成型室3D打印装置。

背景技术

增材制造俗称3D打印技术，是集机械，电子，计算机，材料，控制等于一体的现代先进加工技术，它摆脱了传统的机械加工的诸多障碍，无需刀具夹具或者模具等设备，其原理的核心是“分层制造，逐层叠加”。首先利用计算机辅助设计软件设计出一个完整的三维实体，再利用切片软件将三维模型切割成一定厚度的截面薄片，生成3D打印机可以识别的数据文件，之后打印机利用液态或者固态材料将截面逐层填充，最终制造出三维实体。

目前主流的3D打印技术包括光固化成型法，选择性激光烧结，分层实体制造，熔融沉积成型，电子束熔化成型等，其中熔融沉积成型技术可成型大多数热塑性塑料，共晶系金属等，操作简单成本低，不使用激光，可在办公环境下使用操作，是目前发展较为迅速的一种成型方法。

由于受到其成型原理限制，熔融沉积成型的产品零部件的性能较差，强度，刚度，机械加工性等均不如传统加工方式，市场上可供熔融沉积成型的材料包括丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),聚乳酸（PLA），聚碳酸酯(PC)，聚苯砜(PPSF)，聚对苯二甲酸乙二酯-1,4环己烷二甲醇酯(PETG),聚酰胺（PA）等，目前可加工的材料十分有限，可加工温度也都在300度以下，对于那些高温特种工程塑料，比如聚醚醚酮，聚酰亚胺目前根本无法用熔融沉积成型来加工，而这些特种工程塑料无论是在国防还是民用上均有大量需求，因此开发高温熔融沉积成型打印机，拓展熔融沉积成型可加工材料的范围特别是特种工程塑料及其复合材料，研究其加工工艺显得尤为重要。在熔融沉积成型过程中，为有效减小打印过程中的翘曲，成型室和打印平台往往需要进行加热，而对于聚醚醚酮(PEEK)这类高分子材料，成型室和打印平台所需的温度较高，为提高加热效率，减少能源消耗，根据所打印样件的大小来调整成型室的大小将是一种有效的解决方案。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供具有容积可变高温成型室3D打印装置，特别是针对PEEK这类耐高温特种工程塑料。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括：三块结构相同的加热保温板，可视化窗口板，四个结构相同的直线导轨组件，送料机构和喷头组件，打印平台组件，四个结构相同的加热控制系统；三块加热保温板底部的转轴和可视化窗口板底部的转轴分别连接在各自直线导轨组件的滑块上，相邻加热保温板通过侧面的上、下滑轮或可视化窗口板通过侧面的上、下滑轮依次与相邻加热保温板侧面相应的滑槽或可视化窗口板侧面相应的滑槽连接，每根转轴在各自直线导轨组件的滑块上滑动和滑轮在滑槽中的滑动，构成三面有加热保温板一面有可视化窗口板的容积可变高温成型室，送料机构和喷头组件安装在容积可变高温成型室的顶面，打印平台组件安装在容积可变高温成型室内，三块加热保温板和打印平台组件分别与各自加热控制系统连接，容积可变高温成型室底面和四个直线导轨组件均放在保温材料上。

所述三块结构相同的加热保温板，均具有三层结构，内层为给成型室加热的阵列式发热体，外层为固定整个成型室和内部发热体的外壳，中间为保温材料层；可拆卸的加热保温板上部开有两条滑槽，下部开有一条滑槽，加热保温板一侧的上部下面的滑槽边装有滑轮，下部的滑槽边装有另一滑轮；加热保温板底部装有转轴，相对的两块加热保温板一侧的上部上面的滑槽通过各自的滑轮连接折叠式波纹状玻璃纤维布。

所述可视化窗口板，为双层石英玻璃，可视化窗口板上部开有两条滑槽，下部开有一条滑槽，可视化窗口板一侧的上部下面的滑槽边装有滑轮，下部的滑槽边装有另一滑轮，可视化窗口板底部装有转轴。

所述结构相同的四个直线导轨组件，均包括：电机，导轨，丝杠，滑块；四块滑块分别与三块加热保温板底部的转轴和可视化窗口板底部的转轴相连，每一个加热保温板与相邻的加热保温板和可视化窗口板分别通过滑槽和滑轮相连，从而形成具有方形的高温成型室，滑轮13在滑槽内滑动，从而改变高温成型室的容积，直线导轨组件两侧包覆折叠式波纹状玻璃纤维布。

所述送料机构和喷头组件，包括：连接板，U型板，加热块，热电偶，喷嘴，加热棒，喉管，打印丝材，进丝滚轮副，散热片，风扇，直线导轨；散热片，连接板，U型板，加热块均通过螺纹固定于喉管上，打印丝材通过进丝滚轮副经喉管从喷嘴挤出；风扇固定于连接板上，连接板固定于直线导轨上；加热块内有热电偶和加热棒。

所述打印平台组件，包括：打印平台，平板，调平螺母，连接杆件；平板安装在打印平台下面，用多个均布的调平螺母连接，平板通过竖直放置的连接杆件连接Z轴电机丝杠，控制平台的升降。加热控温系统外置于打印机主板。

所述四个结构相同的加热控制系统，其中三个为加热保温板的加热控制系统，一个为打印平台的加热控制系统，均主要由加热电源电极，另一热电偶，控温仪，继电器依次串联在控制电路中，阵列式发热体或打印平台分别与继电器的输出端相连于220V电路中形成闭合回路。

所述高温成型室底部还设有通风管道，内部的空气通过可封闭的通风口经过风扇排出，所述高温成型室顶部还设有能封闭的通风口。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1）可根据实际需求改变恒温成型室容积的大小，能有效提高加热效率，节约能源；

2）可通过控温元器件单独控制加热保温板上的每一个阵列式发热体的工作状态和加热温度，有效减小不必要的能源消耗；

3）可根据实际需求安装若干个可加热保温板模块，能组成不同形式的容积可变恒温成型室；

4）将大功率的加热元件从打印机主板中独立出来，大大降低了主板的负荷和发热量，能有效增加打印机的寿命；

5）设备结构简单，安装拆卸方便，易于维护。

附图说明

图1是本发明的容积可变恒温成型室整体结构示意图。

图2是本发明的可加热保温板结构示意图。

图3是图2的侧视图。

图4是本发明的具有可视化窗口板结构示意图。

图5是图4的侧视图。

图6是本发明的打印平台，送料机构和喷头组件结构示意图。

图7是本发明的加热平台和阵列式发热体温控系统示意图。

图中：1、电机，2、导轨，3、丝杠，4、滑块，5、可加热保温板，6、滑槽，7、阵列式发热体，8、保温材料，9、外壳，10、360°旋转轴，11、控温箱，12、多组电源线和控温线，13、滑轮，14、打印平台，15、平板，16、调平螺母，17、连接杆件，18、折叠式波纹状玻璃纤维布，19、连接板，20、U型板，21、加热块，22、热电偶，23、喷嘴，24、加热棒，25、喉管，26、打印丝材，27、进丝滚轮副，28、散热片，29、风扇，30、直线导轨，31、折叠式波纹状玻璃纤维布，32、加热电源电极，33、热电偶，34、控温仪，35、双层石英玻璃， 36、保温材料，37、继电器，38、滑槽，39、滑轮，40、连接片，41、风扇，42、风道，43、能封闭的通风口，44、可视化窗口板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明包括：三块结构相同的加热保温板5，可视化窗口板44，四个结构相同的直线导轨组件，送料机构和喷头组件，打印平台组件，四个结构相同的加热控制系统。

三块加热保温板5底部的转轴10和可视化窗口板44底部的转轴10分别连接在各自直线导轨组件的滑块4上，相邻加热保温板5通过侧面的上、下滑轮13或可视化窗口板44通过侧面的上、下滑轮13依次与相邻加热保温板5侧面相应的滑槽6或可视化窗口板44侧面相应的滑槽6连接，每根转轴10在各自直线导轨组件的滑块4上滑动和滑轮13在滑槽6中的滑动，构成三面有加热保温板5一面有可视化窗口板44的容积可变高温成型室，送料机构和喷头组件安装在容积可变高温成型室的顶面，打印平台组件安装在容积可变高温成型室内，三块加热保温板5和打印平台组件分别与各自加热控制系统连接，容积可变高温成型室底面和四个直线导轨组件均放在保温材料37上。

根据打印样件的尺寸大小改变高温成型室的大小，有效提高了加热效率，减少能源的浪费，容积可变高温成型室能在打印过程中提供最高可达到300℃的稳定的环境温度，具有持续稳定的加热和保温功能本发明所涉及的加热平台温度可达400℃，打印头温度最高可达到500℃。能满足绝大部分高强度高性能耐高温的特种工程塑料的打印。

如图1、图2、图3、图6所示，所述三块结构相同的加热保温板5，均具有三层结构，内层为给成型室加热的阵列式发热体7，外层为固定整个成型室和内部发热体的外壳9，中间为保温材料层8；可拆卸的加热保温板上部开有两条滑槽，下部开有一条滑槽6，加热保温板一侧的上部下面的滑槽6边装有滑轮13，下部的滑槽6边装有另一滑轮13；加热保温板5底部装有转轴10，相对的两块加热保温板5一侧的上部上面的滑槽38通过各自的滑轮39连接折叠式波纹状玻璃纤维布18。成型室加热控制系统由阵列式加热体7，多组电源线和控温线12，控温箱11组成，根据所需成型室的大小来调整所需加热体的个数以及每一个加热体的温度。

如图4、图5所示，所述可视化窗口板44，为双层石英玻璃35，可视化窗口板44上部开有两条滑槽，下部开有一条滑槽，可视化窗口板44一侧的上部下面的滑槽边装有滑轮13，下部的滑槽边装有另一滑轮13，可视化窗口板44底部装有转轴10。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述结构相同的四个直线导轨组件，均包括：电机1，导轨2，丝杠3，滑块4；四块滑块4分别与三块加热保温板5底部的转轴10和可视化窗口板44底部的转轴10相连，每一个加热保温板5与相邻的加热保温板5和可视化窗口板44分别通过滑槽6和滑轮13相连，从而形成具有方形的高温成型室，滑轮13在滑槽内滑动，从而改变高温成型室的容积，直线导轨组件两侧包覆折叠式波纹状玻璃纤维布31。

如图6所示，所述送料机构和喷头组件，包括：连接板19，U型板20，加热块21，热电偶22，喷嘴23，加热棒24，喉管25，打印丝材26，进丝滚轮副27，散热片28，风扇29，直线导轨30；散热片28，连接板19，U型板20，加热块21均通过螺纹固定于喉管25上，打印丝材26通过进丝滚轮副27经喉管25从喷嘴23挤出；风扇29固定于连接板19上，连接板19固定于直线导轨30上；加热块21内有热电偶22和加热棒24。

加热块21为黄铜加热块，在高温下能保持较高的强度，同时具有高的导热系数。加热棒24采用大功率的加热棒，能保证喷嘴能达到500℃的加热温度，能融化绝大多数热塑性材料。风扇26为高转速大功率强制冷却风扇，能使得打印丝材26由喉管25进入喷嘴23具有较明显的冷热分界线，进而不容易产生堵塞。

如图6所示，所述打印平台组件，包括：打印平台14，平板15，调平螺母16，连接杆件17；平板15安装在打印平台14下面，用多个均布的调平螺母16连接，平板15通过竖直放置的连接杆件17连接Z轴电机丝杠，控制平台的升降。加热控温系统外置于打印机主板。

如图7所示，所述四个结构相同的加热控制系统，其中三个为加热保温板5的加热控制系统，一个为打印平台的加热控制系统，均主要由加热电源电极32，另一热电偶33，控温仪34，继电器37依次串联在控制电路中，阵列式发热体7或打印平台14分别与继电器37的输出端相连于220V电路中形成闭合回路。

加热的发热体(阵列式发热体7或打印平台14)为铸铝加热板或者铸铜加热板，控温仪为PID控温仪，热电偶为K型或者S型的，继电器为直流控交流继电器。热电偶，控温仪，继电器依次串联在控制电路中，发热体与继电器的输出端相连接于220V电路中形成闭合回路。

如图6所示，所述高温成型室底部还设有通风管道42，内部的空气通过可封闭的通风口经过风扇41排出，所述高温成型室顶部还设有能封闭的通风口43。

成型室顶部为折叠式波纹状玻璃纤维布18，折叠式波纹状玻璃纤维布18通过连接片40与滑轮39相连，滑轮39能在滑槽38内滑动，使得折叠式波纹状玻璃纤维布18能沿着可加热保温板5方向滑动，防止成型室的热量向上扩散而使得上部的结构的温度过高。容积可变高温成型室底部主要由保温材料36构成，优选的耐高温材料36包括但不限于莫来石绝热材料，耐高温材料36的铺设方式为除四个导轨所在的位置不铺设外其余部分都应铺设，铺设高度为刚好与可加热保温板底部相平齐以防止热量扩散。

加热保温板的阵列式发热体7为铸铜加热体，加热均匀，功率密度大，可使环境温度达到300℃。发热体7外层为保温绝热层8，优选的绝热层材料为莫来石绝热材料，具有低的导热系数和一定的强度，能使箱体得到有效的保温。绝热层外为壳体9。

打印平台14为铸铝加热板或者铸铜加热板，加热均匀，导热系数高，功率密度高，铸铝加热板最高表面温度可达400℃，能有效解决打印过程中的翘曲问题。打印平台14通过平衡调节螺母16与水平放置的平台15相连，平板通过竖直放置的杆件17连接Z轴电机丝杠来控制平台升降。打印平台的加热控温系统外置于打印机主板。

Claims

1.具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，包括：三块结构相同的加热保温板，可视化窗口板，四个结构相同的直线导轨组件，送料机构和喷头组件，打印平台组件，四个结构相同的加热控制系统；

三块加热保温板底部的转轴和可视化窗口板底部的转轴分别连接在各自直线导轨组件的滑块上，相邻加热保温板通过侧面的上、下滑轮或可视化窗口板通过侧面的上、下滑轮依次与相邻加热保温板侧面相应的滑槽或可视化窗口板侧面相应的滑槽连接，每根转轴在各自直线导轨组件的滑块上滑动和滑轮在滑槽中的滑动，构成三面有加热保温板一面有可视化窗口板的容积可变高温成型室，送料机构和喷头组件安装在容积可变高温成型室的顶面，打印平台组件安装在容积可变高温成型室内，三块加热保温板和打印平台组件分别与各自加热控制系统连接，容积可变高温成型室底面和四个直线导轨组件均放在保温材料上；

所述三块结构相同的加热保温板，均具有三层结构，内层为给成型室加热的阵列式发热体，外层为固定整个成型室和内部发热体的外壳，中间为保温材料层；可拆卸的加热保温板上部开有两条滑槽，下部开有一条滑槽，加热保温板一侧的上部下面的滑槽边装有滑轮，下部的滑槽边装有另一滑轮；加热保温板底部装有转轴，相对的两块加热保温板一侧的上部上面的滑槽（38）通过各自的滑轮连接折叠式波纹状玻璃纤维布；

2.根据权利要求1所述的具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，所述结构相同的四个直线导轨组件，均包括：电机，导轨，丝杠，滑块；四块滑块分别与三块加热保温板底部的转轴和可视化窗口板底部的转轴相连，每一个加热保温板与相邻的加热保温板和可视化窗口板分别通过滑槽和滑轮相连，从而形成具有方形的高温成型室，滑轮在滑槽内滑动，从而改变高温成型室的容积，直线导轨组件两侧包覆折叠式波纹状玻璃纤维布（31）。

3.根据权利要求1所述的具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，所述送料机构和喷头组件，包括：连接板，U型板，加热块，热电偶，喷嘴，加热棒，喉管，打印丝材，进丝滚轮副，散热片，风扇，直线导轨；散热片，连接板，U型板，加热块均通过螺纹固定于喉管上，打印丝材通过进丝滚轮副经喉管从喷嘴挤出；风扇固定于连接板上，连接板固定于直线导轨上；加热块内有热电偶和加热棒。

4.根据权利要求1所述的具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，所述打印平台组件，包括：打印平台，平板，调平螺母，连接杆件；平板安装在打印平台下面，用多个均布的调平螺母连接，平板通过竖直放置的连接杆件连接Z轴电机丝杠，控制平台的升降，加热控温系统外置于打印机主板。

5.根据权利要求1所述的具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，所述四个结构相同的加热控制系统，其中三个为加热保温板的加热控制系统，一个为打印平台的加热控制系统，均主要由加热电源电极，另一热电偶，控温仪，继电器依次串联在控制电路中，阵列式发热体或打印平台分别与继电器的输出端相连于220V电路中形成闭合回路。

6.根据权利要求2所述的具有容积可变高温成型室3D打印装置，其特征在于，所述高温成型室底部还设有通风管道，内部的空气通过可封闭的通风口经过风扇排出，所述高温成型室顶部还设有能封闭的通风口。