CN109952190A - 熔融沉积建模方式的三维打印机 - Google Patents

熔融沉积建模方式的三维打印机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔融沉积建模方式的三维打印机。本发明提供一种如下的熔融沉积建模方式的三维打印机以及软件设定值：阻隔在喷嘴产生的热量传导至上部，同时高温加热下端的铝输出板，以三明治形态对正在进行输出的部分进行局部的热传导，从而使用少量能量实现工程塑料打印的小型化，消除输出物的收缩，将层间粘合力最大化，额外配置具有优秀耐热性的SUS材质的喷嘴而能够使用具有高熔点的工程塑料细丝，根据所定义的软件设定值，在数值范围内达到最佳品质，在输出板上配置经过硬质阳极氧化处理的铝板，以便能并用通用塑料以及工程塑料材料而无需额外粘贴特殊垫片。

Description

熔融沉积建模方式的三维打印机
技术领域
本发明涉及三维打印技术，具体涉及一种熔融沉积建模方式的三维打印机，其使用高熔点工程塑料细丝，可在高温打印中确保输出物的稳定性以及三维层间粘合力的耐久性，同时通过局部加热使能量使用最小化，从而可实现小型化。
背景技术
近期，不仅仅是对二维打印机(2D printer)，针对能够打印三维立体物的三维打印机(3D printer)的研究也非常活跃。
三维打印机是一种根据设计数据以加工层叠方式(Layer-by-layer)堆叠液体形态或粉末形态的聚合物(树脂)、金属等材料层叠而制造立体物的设备。
其来源于快速成型(RP：Rapid Prototyping)，所述PR代表一种根据三维图形应用程序并运用激光和粉末材料，快速成型所要生产形状的技术。是一种与将立体形状的材料以机械加工以及利用激光进行切去或者削去方式来生产立体物的切削加工(SubtractiveManufacturing)相反的概念。
通常，印刷制造立体产品的三维打印机通过以下方式进行：基于液体的立体平版印刷(SLA：Stereolithography)方式、基于粉末的选择性激光烧结(SLS：Selective LaserSintering)方式、以及基于固体的熔融沉积建模(FDM：Fused Deposition Modeling，，以下称作FDM)方式。
在所述FDM方式中，在喷嘴内将较细的细丝形态的热塑性物质进行熔融从而以薄膜形态输出并层叠。喷嘴所释放的高热量足以使塑料熔融，并且塑料能够在常温固化。此外，与呈现三维打印机的其他方式相比，此方式的装置的结构及运行方式简单，故具有设备价格及维修费用低的优点。
所述细丝中使用各种不同的塑料材料，既往的此种塑料中将聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙、聚氨酯等用作主材料。然而，当消费者对成品提出高耐久性以及高耐热性要求，以便将其用于机械、汽车、医疗、建筑以及电子领域的产品或其原型时，所述细丝需要使用工程塑料，而非通用塑料。但若要将此种工程塑料输出为能够商用化的品质，则有一个问题就是：需要昂贵的大型三维打印机设备以实现高温输出，而且它在输出之前的待机时间长，且能量消耗很大。
工程塑料与通用塑料相比，具有很高的强度、耐化学性、耐热性、耐蒸汽性等，在各种极限环境中具有很高的稳定性，故运用于工业中的各种不同领域。具体地，通用塑料的熔点在250℃以下，而所述工程塑料具有300℃以上的熔点，且在熔融时对周边的温度极其敏感，故需要防止在打印过程中由于喷嘴部温度大幅下降而导致输出物快速冷却并收缩的现象，并且需要使周围温度保持高温，以便在输出时确保充足的层间粘合力，所述喷嘴以及打印机中的所有部件应当被设计成在高温环境中也能保持稳定性和耐久性。本发明中温度数值使用摄氏度(Celsius)。
因此，使用工程塑料的以往FDM方式三维打印机，其内部是完全封闭的结构，整个内部空气长时间被加热至180℃的温度，从而避免塑料在喷嘴部的熔融-空气冷却过程中收缩，并且提高层间层叠强度。但是，考虑如下几点时，其在工业现场的普及与现实之间尚有一段较远距离：在输出物尺寸较小时，其具备相当大尺寸的整个内部的空气仍需要被加热至180℃的温度，并且为此还需要4小时以上的初期预热时间；还需要4小时以上的冷却时间，以便从底面分离所输出的输出物；输用材料以及更换消耗零件昂贵；内部加热所使用电量非常大，设备价格达到数亿韩元。
而且，使用工程塑料的以往FDM方式三维打印机被设计为，为防止塑料在输出板处收缩，铺有特殊垫片，并向下安装有真空抽吸(suction)系统，使输出物借助压力而粘贴在垫片上。要呈现该设计，则需要额外的真空箱(chamber)，且在输出物完成之后，需要再次更换特殊垫片，这也使作业变得繁琐。从而，制造时间、人工成本、昂贵的特殊垫片等均引发整个制造成本升高的问题。
发明内容
发明要解决的问题
为了解决这些问题，本发明的目的在于提供一种如下的熔融沉积建模方式的三维打印机以及软件设定值：阻隔由喷嘴所产生的热量传导至上部，同时高温加热下端的铝输出板，以三明治形态对正在进行输出的部分进行局部的热传导，从而使用少量能量实现工程塑料打印的小型化，消除输出物的收缩，将层间粘合力最大化，额外配置具有优秀耐热性的SUS材质的喷嘴，从而能够使用具有高熔点的工程塑料细丝，根据所定义的软件设定值在数值范围内达到最佳品质，在输出板上配置经过硬质阳极氧化处理的铝板，从而能并用通用塑料以及工程塑料材料而无需额外粘贴特殊垫片。
用于解决问题的方案
为达到所述目的，本发明提供一种熔融沉积建模方式的三维打印机，该三维打印机包括：喷嘴部，其以充足温度加热细丝并向输出板射出；冷却部，其配置于所述喷嘴部的上端并冷却所述喷嘴部；以及输出板，其所述输出板上层叠从所述喷嘴部射出细丝。所述喷嘴部包括：第一喷嘴，其配置有连接于细丝所流入的喷嘴管的第一流入孔，并配置有射出细丝的第一射出部；以及第一铝核，其结合于所述第一喷嘴，并加热从所述第一流入孔流入的细丝。所述冷却部包括上表面粘贴了陶瓷纸的底板，所述地板形成有用于插入所述第一喷嘴的贯穿孔，并配置有产生高温的热板。所述输出板包括加热层叠于上侧的输出物的硅胶热板。通过所述热板，对层叠于输出板的输出物的上侧进行局部加热，所述硅胶热板对输出物的下侧进行局部加热。
发明效果
根据以上所说明的本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机，其使用了热耐久性高的SUS材质的喷嘴，故能够射出具有高熔点的工程塑料细丝。因此，此种三维打印机具有以下效果：能够在熔融既有通用塑料的温度以上的高温下确保稳定性及耐久性。
此外，在本发明中，可通过以充足温度加热细丝的铝核、配置于输出物的上端的热板以及配置于输出物下端的输出板，对输出物进行局部加热，故可脱离以往的加热整个箱(chamber)内部的方式，显著减少用电量，实现设备的小型化，且在将工程塑料用作细丝时，具有加强输出物的层间粘合力、防止收缩的效果。
最终通过能够实现高效省电的优化性输出参数设置，获得以下效果：呈现一种高强度的输出物，获得具有最优品质的输出物。
附图说明
图1是示出了根据本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机的立体图。
图2是示出了图1的喷嘴部、冷却部以及输出板的立体图。
图3是示出了图2的喷嘴部的立体图。
图4是图3的喷嘴部的分解立体图。
图5是示出了图2的喷嘴部以及冷却部的立体图。
图6是示出了图2的输出板的剖视图。
图7是示出了将图2的输出板处的表面放大而观察到的层叠结构的剖面立体图。
具体实施方式
为使充分理解本发明，以下参考附图对本发明的优选实施例进行说明。本发明的实施例可变换成各种形态，不应将本发明的范围解读为其限定于以下所详细说明的实施例。本实施例的提供，旨在向本领域普通技术人员更完整地说明本发明。因此，图中的元素在形态上可能表现得有所夸张，以便更明确地进行说明。需要注意的是，在所有图中，相同的部件以相同附图标记表示。对于那些被判断为会使本发明主旨变得模糊不清的无必要的公知功能和结构，在此不再赘述。
本发明旨在使用具备高熔点的工程塑料在3D打印机上进行输出，为此，要满足以下技术改善需求：喷嘴要能够在以往通用塑料熔融条件以上的高温下确保稳定性和耐久性，输出板装置要能够防止输出物的收缩造成的底部脱落和变形，冷却装置要能够在此种高温环境下保持内部电源控制装置(PCD)及驱动部的稳定性。
首先，如图1所示，根据本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机1(以下称作三维打印机)配置了四边形的水平底架2，以便支撑基本的结构物并保持稳定状态，在所述水平底架2前后方固定有竖直框架3。参考图1，为了便于看到内部，仅示出了后方的竖直框架3，而所述框架2、3则固定位于未图示的三维打印机壳体的内部。
该情况下，所述壳体的上部边角处固定有引导托架4，在所述引导托架4沿着前后方向上固定有一对左右引导杆10以及前后引导杆20。
所述前后引导杆20上连接着能够滑动移动的前后移送块31，该情况下，所述前后移送块31上固定有与左右引导杆10呈平衡的移送引导杆30。
在所述前后移送块31的内部配置了用于精密控制的步进马达(未示出)，通过所述步进马达的控制，固定于所述前后移送块31的移送引导杆30滑动移动而抵达前后方上的准确位置。
同样地，所述移送引导杆30上连接着能够滑动移动的左右移送块32，所述左右移送块32的内部配置了步进马达(未示出)，通过所述步进马达的控制，左右移送块32滑动移动而抵达前后方上的准确位置。
此外，左右移送块32上设置有供应细丝的印刷用头50，所述印刷用头50如上述，可通过前后移送块31和左右移送块32的滑动移动实现在平面上的准确的位置控制。
此外，所述印刷用头50具有喷嘴部100(图2示出)，所述喷嘴部100配置了两个具有预定直径的喷嘴以射出已在移送而来的位点被加热至熔点的细丝。所述印刷用头50的下端配置了输出板300，所述喷嘴所射出的细丝固化于此。
该情况下，在初期，所述输出板300与所述喷嘴相离预定距离，由喷嘴射出的细丝在输出板300的上端固定并固化，接着，所述输出板300下降所设定间隔程度。之后，细丝会再次反复地从喷嘴向所述固化的细丝的上端射出并固化，故依次固化的细丝形成特定模样而完成想要的产品。
以下说明根据本发明的一种技术，其有别于以往技术，可借助额外结构实现工程塑料的使用而无需加热整个壳体内部的空气。
图2是示出了根据本发明的喷嘴部、冷却部以及输出板的立体图。如图2所示，根据本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机包括：喷嘴部100，其以充足温度加热细丝，并向输出板将其射出；冷却部200，其配置于所述喷嘴部100的上端；以及输出板300，其使从所述喷嘴部100所射出细丝固化并防止其收缩。
图3是示出了本发明的喷嘴部的立体图。图4是图3的喷嘴部的分解立体图。如图3至图4所示出，所述喷嘴部100包括：第一喷嘴110，其上端具备连接于细丝所流入的喷嘴管160的第一流入孔111，并具备射出细丝的圆锥形状的第一射出部112；第二喷嘴120，其上端具备连接于细丝所流入的喷嘴管160的第二流入孔121，并具备射出细丝的圆锥形状的第二射出部122；第一铝核130，其结合于所述第一喷嘴110，并加热从所述第一流入孔111所流入的细丝；第二铝核140，其结合于所述第二喷嘴120，并加热从所述第二流入孔121所流入的细丝；以及长方形的安装杆150，其结合于所述喷嘴110、120。
该情况下，第一流入孔111中流入通常使用的PLA、ABS、尼龙、聚氨酯材质的通用细丝，第二流入孔112中流入工程塑料材质的细丝。即，本发明中，配置了一对喷嘴110、120，故能够提高作业速度，同时能够用通用细丝形成成品的表面部分，并且用工程细丝形成需要耐久性的骨架部分，从而同时提高成品的作业速度并增强耐久性。
显而易见的是，流入到第一流入孔111的通用塑料材质的细丝可流入到第二流入孔121，即，两个左/右喷嘴可以单用或并用，从而提高作业速度。
针对所述第一喷嘴110的第一射出部112而言，鉴于通用塑料材质的细丝是在所述第一铝核130所传导的高温下软化而被射出的，优选地由热传导率高的黄铜材质构成。
如背景技术中所说明，所述工程塑料材质的细丝的熔点在350度以上，因此可在黄铜材质的喷嘴会产生变形。因此，针对所述第二喷嘴120的第二射出部122而言，其中的工程塑料材质的细丝在所述第二铝核140所传导的350度以上高温下软化而射出，故为了稳定输出，其优选是以不锈钢(SUS)材质构成。
所述铝核130、140上贯穿形成有加热丝流入孔132、142，以便提供高温的加热丝(未示出)流入于此；此外，还凹陷形成了传感器孔132、142，用于查看铝核130、140温度的温度传感器(未示出)插入此处。
此外，所述铝核130、140在外表面粘贴了具有高隔热效果的陶瓷纸，以便供应自加热丝的热量不会向外部释放，并能够集中传导至所述喷嘴110、120，故可将热损失最小化。
所述喷嘴的流入孔111、121与细丝所流入的喷嘴管160连接，所述喷嘴管160的一侧配置有细丝步进马达(未示出)，所述细丝步进马达能够以精密压力向喷嘴管推入细丝。所述细丝步进马达的运行情形，对本领域技术人员是显而易见的，故在此不再赘述。
图5是示出了本发明的喷嘴部以及冷却部的立体图。如图5所示，所述冷却部200包括：散热板210、冷却所述散热板210的风扇220以及铝材质的移送部件230。
所述散热板210与安装杆150、细丝步进马达或喷嘴管160结合，从而降低所述铝核130、140所传导的温度。这可解决如下问题：细丝在到达所述喷嘴110、120之前，在细丝步进马达中软化而无法以恒定压力供应到所述喷嘴管。
此外，所述移送部件230插入固定于以预定深度贯穿形成于安装杆150的多个固定孔151(参考图4)，且外表面粘贴有陶瓷纸，从而可从安装杆150阻隔自所述铝核130、140所传导的高温。
此外，根据本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机的一个实施例，所述移送部件230的下侧配置了铝材质的底板232，所述底板232可覆盖除所述喷嘴110、120以外的底面，故可防止高温损失。
具体地，所述底板232在内部形成有贯穿孔233，并以使所述喷嘴110、120插入的方式结合于所述移送部件230的下侧。因此，通过所述底板232可防止所述喷嘴110、120所产生的高温热量向上侧传导。同时，在所述底板232的下端，铝材质的下部壳体234通过螺栓结合于底板232，封闭所述冷却部200的下部。该情况下，所述下部壳体234上亦形成有使所述喷嘴110、120插入的贯穿孔235。
所述底板232为铝材质，可发挥隔热效果而避免在喷嘴110、120所产生热量上升至上部，为进一步加强此隔热效果，其外表面可粘贴陶瓷纸。
另一方面，所述移送部件230具有贯穿而成的引导孔231，以插入移送引导杆30(参考图1)，实现所述安装杆150的移送。因此，可实现对于与安装杆150结合的喷嘴110、120的精密的位置控制。所述喷嘴110、120的位置控制，在背景技术中有所叙述，且不是本发明的特征，故在此不再赘述。
图6是示出了本发明的输出板300的剖视图。如图6所示，所述输出板300用于盛放喷嘴110、120所射出的细丝经固化而成的成品，在初期，在高温软化的细丝位于此时，为了防止热量向输出板300的下部传导而出现损失，并为了使其均匀分布于平面，在平板310的上端粘贴陶瓷纸320，并在其上端放上硅胶热板330，再用螺栓固定硬质阳极氧化板340。作为参考，硬质阳极氧化板340可具有图7示出的形状，可在高温的细丝被射出时，防止其因为收缩而发生底部脱落以及变形。
此外，在所述输出板300的一侧可插入双金属，该情况下所述输出板300的温度不局限于特定部分，而是均匀分布于平面，故可在输出板300过热时，通过运行所述双金属而中止打印作业，或者阻隔电源而防止过热。进一步，输出板300的一侧粘贴有温度传感器，故能够连贯地查看输出板300的温度。
尤其在使用具有高熔点的工程塑料时，为了防止喷嘴所射出的高温细丝收缩并保持层间粘合力，需要使输出物保持在一定的高温状态。但是，就以预定高度层叠在所述输出板300上的输出物而言，输出板300，即底部所产生的热量，无法充分地传导到上侧，故频频可见输出物上部发生收缩导致的龟裂，这会降低细丝的输出物上端的粘合力而出现不良品。
因此，根据本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机的另一个实施例，再次参考图5，所述底板232内部可插入能够接受电源供应而产生高温的热板236。该情况下，位于所述底板232内部的热板236，在控制下，其温度可最高上升至200度，并可仅仅在使用工程塑料时运行。
该情况下，在所述底板232的上侧表面(附图方向)粘贴了陶瓷纸，由此可防止所述热板236所产生的高温传导至上侧，同时使高温的热量传导至下侧的输出物上部局部。
此外，在使用工程塑料时，由于可以对以预定高度层叠于输出板300的输出物的上侧进行局部加热，因此能够将出自所述喷嘴的工程塑料细丝稳定地粘合到输出物的上侧。故无需如以往方式加热整个壳体内部空气，可缩短预热时间以及冷却时间，故在打印输出物的过程中，三维打印机的内部可保持最佳温度。由此，可获得能够并用通用塑料和工程塑料材料的效果。
总之，可将喷嘴110、120所产生的热量集中到底部，并在输出板300的硅胶热板330产生热量，从而借助输出物的上部及下部所产生的热量达到三明治加热效果，从而使输出物的温度长时间保持高温。
<实验例>
为了利用上述的本发明结构获得使用工程塑料的优质输出物而进行了实验，由此以简单结构获得了能够媲美昂贵设备的品质。
尤其在使用上述结构，并将工程塑料细丝用作射出材料时，根据所要定义的参数，在数值范围内获得了具有最佳品质的输出物。对所述参数进行如下定义。
1、喷嘴温度：熔融并排出工程细丝的所述第二射出部122的温度。
2、输出板温度：输出物所输出到的输出板300的温度，。
3、底板温度：在上端对细丝进行加热的底板232的温度，可通过位于所述底板232内部的热板236进行调节，所述细丝以粘贴在喷嘴周围的状态进行输出。
4、层高：所述第二射出部122将输出物以一定高度单位划分为多个层，并一层一层将其层叠时其一层的高度。
5、表面厚度(Edge width over height)：排出形成输出物的外壳，即表面时，该表面的厚度，该情况下，表面为线的形态，故此处为线的厚度。
6、内部厚度(Infill width over thickness)：是排出形成输出物的内部(填充)时，该内部的厚度，该情况下，以多个线的形态排出细丝到内部，从而增强耐久性，避免输出物塌下。
7、输出速度：所述第二射出部122排出和移动细丝的速度。
实验所导出的上述参数的数值范围整理如以下表1。
表1
参数 数值范围 最佳数值
喷嘴温度 350-380度 360度
输出板温度 170-220度 190度
底板温度 180-220度 200度
层高 0.2-0.3mm 0.25mm
表面厚度 1.1-3mm 2.5mm
内部厚度 1.1-3mm 2.5mm
输出速度 30-80mm/sec 60mm/sec
1、喷嘴温度：当所述第二射出部122的温度低于设定数值时，输出物的层间粘合力下降而强度降低。此外，当温度高于设定数值时，排出量会过度增加而降低输出物的表面品质。
2、输出板温度：当细丝所安置的所述输出板300的温度小于设定数值时，可见输出物在安置的同时收缩而弯曲、或是从输出板300脱落的现象。此外，若大于设定数值，则输出物下端的形态会无法固化而塌下，或者底部可见碳化现象。
3、底板温度：当所述底板232的温度低于设定数值时，会因为以某种程度安置于输出板的输出物下端与其上端之间的温差而引发龟裂。此外，当在大于设定数值时，输出物的形态无法固化而会塌下。
该情况下，所述输出板温度以及底板温度在所设定数值范围内被调节，且优选地，是调节成相近状态。
4、层高：当一层的高度小于设定数值时，输出物强度减弱，当大于时，输出物表面精密度下降。
5、表面厚度以及内部厚度：当小于所设定数值时，输出物中出现空洞空间的可能性大，当大于所设定数值时，输出物表面品质下降。
6、输出速度：输出速度与产品的生产性直接相关，与上述的参数一起导出了其最佳实验值。
因此，在本参数的数值范围以内，输出物的表面品质以及强度变优，输出物的收缩减少，且能够稳定输出。此外，可解决以往的昂贵设备可见的、有别于本发明的以下问题：欠缺能够在输出物的上端和下端进行加热的底板和输出板结构，被强制设定为对整个封闭空间进行预热而升温至180度，从而能量浪费大，预热时间长。
即，运用本参数的设定数值可获得优秀的表面品质，且无需预热整个装置内部空气。
以上所说明的本发明的熔融沉积建模方式的三维打印机的实施例，仅仅是示例性的，本领域普通技术人员会很清楚，其各种变形以及等效物均可构成其他实施例。故可以理解的是，本发明不仅仅限于上述详细说明中所提及的形态，本发明的真正的技术保护范围取决于所附权利要求书的技术思想。此外，应当理解，本发明包括：所附权利要求书所定义的本发明主旨、以及包含在其范畴以内的任何变换物、等效物及替代物。
附图标记说明：
100：喷嘴部 110：第一喷嘴
111：第一流入孔 112：第一射出部
120：第二喷嘴 121：第二流入孔
122：第二射出部 130：第一铝核
140：第二铝核 150：安装杆
151：固定孔 200：冷却部
210：散热板 220：风扇
230：移送部件 231：引导孔
232：底板 233：贯穿孔
234：下部壳体 300：输出板
310：平板 320：陶瓷纸
330：硅胶热板 340：硬质阳极氧化板

Claims (5)

1.一种熔融沉积建模方式的三维打印机，其特征在于，包括：
喷嘴部(100)，其以充足温度加热细丝并向输出板射出；以及
输出板(300)，在所述输出板(300)上层叠从所述喷嘴部(100)射出的细丝，
所述输出板(300)包括对层叠于上侧的输出物进行加热的硅胶热板(330)，
由所述硅胶热板(330)从输出物的下侧进行局部加热，使从所述喷嘴(100)射出的细丝固化的同时防止收缩。
2.根据权利要求1所述的熔融沉积建模方式的三维打印机，其特征在于，
所述三维打印机包括冷却部(200)，所述冷却部(200)配置于所述喷嘴部(100)的上端并冷却所述喷嘴部(100)，
所述冷却部(200)包括底板(232)，所述底板(232)在一侧配置有产生高温的热板(236)，并在上表面粘贴有陶瓷纸以向下端释放从所述热板(236)产生的热量，
通过所述热板(236)，使从所述喷嘴部(100)射出的细丝固化，同时对层叠于所述输出板(300)的输出物的上侧进行局部加热，并由所述硅胶热板(330)对输出物的下侧进行局部加热。
3.根据权利要求2所述的熔融沉积建模方式的三维打印机，其特征在于，
所述喷嘴部(100)包括：
第一喷嘴(110)，其具备连接于细丝所流入的喷嘴管(160)的第一流入孔(111)，并具备射出细丝的第一射出部(112)；以及
第二喷嘴(120)，其具备连接于细丝所流入的喷嘴管(160)的第二流入孔(121)，并具备射出细丝的SUS材质的第二射出部(122)。
4.根据权利要求3所述的熔融沉积建模方式的三维打印机，其特征在于，
所述第一射出部(112)是射出熔点在270度以下的细丝材料的黄铜材质，
所述第二射出部(122)是射出熔点在300度以上的细丝材料的SUS材质，能够并用高熔点工程塑料细丝和通用塑料细丝。
5.根据权利要求2所述的熔融沉积建模方式的三维打印机，其特征在于，
所述第二射出部(122)的温度被设定为350～380℃，
所述输出板(300)的温度被设定为170～220℃，
所述底板(232)的温度被设定为180～220℃，
从所述第二射出部(122)排出的细丝的层高被设定为0.2～0.3mm，表面厚度和内部厚度被设定为1.1～3mm，输出速度被设定为30～80mm/sec。
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