CN110587980A - 可变空间的保温腔体结构及应用该结构的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变空间的保温腔体结构及应用该结构的3D打印机，解决固定空间的腔体结构应用在3D打印机上存在很难实现高温大尺寸打印以及腔体加热效率低等缺陷。包括腔体侧壁、顶部保温层、底部保温层。顶部保温层、底部保温层与四周的腔体侧壁构成密封空间，顶部保温层可相对于底部保温层做伸缩运动。本发明通过构建一个密封且空间可变的腔体结构，使得即便是固定式打印平台的3D打印机也可以将除打印平台与喷嘴外的其余部件置于保温腔体外，让打印机可以实现较高的腔体温度，从而实现了高温大尺寸打印，同时可变空间结构也提升了保温腔体的加热效率。

Description

可变空间的保温腔体结构及应用该结构的3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种可变空间的保温腔体结构以及应用该结构的3D打印机。

背景技术

3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。

目前市面上带有保温腔体的3D打印机普遍采用固定空间的腔体结构，这种腔体结构易于实现，并且已经在烘箱行业大规模应用，非常成熟。目前此类打印机通常是将打印平台、运动部件、喷头组件等全部置于打印仓内，如上海远铸智能技术有限公司的FUNMAT系列打印机，其能够实现最高120℃的腔体温度。因为电机、导轨、同步带等部件均置于腔体内部，腔体温度受限于这些部件的耐温极限，导致该方案很难进一步提高腔体温度，因此这种方式无法很好地实现高性能材料的打印。

另一个更优的做法是将除打印平台和喷嘴之外的其余部件均置于打印仓外部，这样腔体温度就可以不用受限于其他部件的耐温极限。如Stratasys的Fortus系列打印机，其腔体温度最高可以达到250℃以上，在该温度下，可以实现几乎所有高性能塑料材料的打印。但因为其腔体空间是固定的，导致其为了实现将其他部件置于腔体外部，就只能让喷头在腔体顶部做XY向运动，打印平台在腔体内部做Z向运动。由于平台需要做Z向运动，因此对平台除了有平面度要求外，还需要保证平台在负载条件下有足够的刚性以及能够实现高精度Z向运动。中小尺寸打印机平台面积与打印件载荷都不大，因此采用该方案是较为理想的选择，但当打印平台尺寸越来越大时，平台的极限载荷也在迅速增大，此时还需要保证相同的平面度、刚性以及运动精度，则对结构以及加工的要求就变得非常严苛。

以Stratasys的450MC与900MC两者为例，450MC的有效打印面积为406×355×406mm，900MC是Stratasys目前最大尺寸的FDM打印机，有效打印尺寸为914×610×914mm。按材料密度为2.0g/cm³计算，在满尺寸打印条件下，450MC打印件极限重量为117Kg，而900MC打印件的极限重量则高达1019Kg。可以看出，当打印尺寸增大后，平台的极限载荷呈指数级增加，导致对平台的平面度、刚性以及加工精度的要求也同比提高，使得设计制造变得非常困难。而如果采用固定式的打印平台结构，因为无须考虑打印平台的Z向运动问题，实现难度则大大降低，也是因为上述原因，如龙门铣床、落地躺铣床等大型机床，都采用工作平台固定或仅做单方向水平运动的结构形式。但平台固定之后，由于需要喷头组件做Z向运动，如果采用固定空间的腔体结构，就只能将所有部件均置于保温腔体内，而使腔体温度受到限制，导致其无法很好地打印高性能材料。

从上述分析可以看出，采用固定空间腔体结构的3D打印机，需要采用打印平台做Z向运动的结构，才能很好地实现高性能材料的打印，但因为设计制造难度的原因，这种结构并不适合用在大尺寸打印机上。而采用固定式平台的打印机由于没有理想的保温腔体结构，虽能实现大尺寸打印，但却无法很好地打印高性能材料。

固定空间的腔体结构的另一个缺点在于，当打印机的空间尺寸较大时，就需要很大功率的加热器才能在短时间内将整个腔体加热到需要的温度，如Fortus 900MC的加热器功率就高达12KW。另外，即便是打印一个小模型，也需要先将整个腔体加热到指定温度，这就导致这种结构的腔体预热时间长，加热效率较低。

因此目前亟需一种全新的保温腔体结构，以解决固定空间的腔体结构应用在3D打印机上时存在的上述缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可变空间的3D打印机保温腔体结构，通过采用可伸缩的密封腔体结构解决了固定空间的腔体结构应用在3D打印机时存在上述缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种可变空间的保温腔体结构，包括腔体侧壁、顶部保温层、底部保温层，顶部保温层、底部保温层可与四周的腔体侧壁构成密封空间，顶部保温层可相对于底部保温层做伸缩运动。

优选的，所述腔体侧壁中的部分或者全部为可压缩结构，其两端分别连接于底部保温层与顶部保温层。

优选的，所述可压缩结构的腔体侧壁为隔热风琴防护罩。

优选的，至少其中一个可压缩结构的腔体侧壁可以与底部保温层或顶部保温层脱开连接单独被压缩，以方便在打印完成后将腔体内的模型取出。

优选的，所述顶部保温层与部分或者全部腔体侧壁为活塞式配合，顶部保温层可在其内壁上做Z向滑动。

优选的，所述顶部保温层在和与其为活塞式配合的腔体侧壁的接触面位置设有柔性保温材料，用于阻止腔体内热空气从两者接触面的缝隙处流失。

优选的，所述柔性保温材料的成分包含玻璃纤维、陶瓷纤维或硅胶中的一种或者多种。

优选的，所述腔体侧壁中部分或者全部包含内外两层，内层为可压缩结构，外层与顶部保温层为活塞式配合，通过双层结构进一步提高了整个腔体的保温性能。

优选的，其中一个与顶部保温层为活塞式配合的腔体侧壁上设有仓门，以方便打印完成后取出模型。

优选的，仓门上设有观察窗口。

优选的，观察窗采用中空玻璃或多层玻璃，以提高观察窗的保温性能。

优选的，顶部保温层包含多个X向可压缩结构和多个Y向可压缩结构。

优选的，顶部保温层中的可压缩结构为隔热风琴防护罩。

提出一种应用上述可变空间的保温腔体结构的3D打印机，包含打印平台、喷头组件、运动机构以及上述可变空间的保温腔体，所述打印平台安装在所述保温腔体内，所述喷头组件中的喷嘴部分穿过所述保温腔体的顶部保温层伸入到保温腔体内，所述运动机构以及喷头组件中的挤丝机构均在保温腔体外部。

优选的，所述打印平台固定于保温腔体的底部保温层之上，保温腔体的顶部保温层安装在运动机构上，可随运动机构做Z向运动，喷头组件安装在运动机构上，可随运动机构做X、Y、Z三向运动。

本发明与现有技术相比，通过采用可伸缩的密封腔体结构，在实现腔体保温的同时，使得腔体高度可以随打印机的Z向运动而变化，有效解决了采用固定空间的腔体结构的3D打印机很难实现高温大尺寸打印的缺陷，使得固定式平台的大尺寸打印机也可以打印高性能材料。同时由于腔体空间是随着打印的进行由小到大逐步增加的，每次打印过程腔体空间的最大高度也随打印的模型动态调整，因此与现有技术相比，其预热时间更短，加热效率也更高。

附图说明

图1为本发明可变空间的保温腔体结构第1实施例的结构示意图。

图2为本发明可变空间的保温腔体结构第2实施例的结构示意图1。

图3为本发明可变空间的保温腔体结构第2实施例中活塞式配合的局部放大图。

图4为本发明可变空间的保温腔体结构第2实施例的结构示意图2。

图5为本发明可变空间的保温腔体结构第3实施例的结构示意图。

图6为本发明可变空间的保温腔体结构第4实施例的结构示意图。

图7为本发明一种应用可变空间的保温腔体结构的3D打印机实施例的结构示意图。

图中：11.腔体侧壁，111.前腔体侧壁，12.顶部保温层，121.X向隔热风琴防护罩，122.Y向隔热风琴防护罩，13，底部保温层，14.喷头组件，21.腔体侧壁，211.仓门，212.观察窗，22.顶部保温层，221. 柔性保温材料，23.底部保温层，31.腔体侧壁，311.前腔体侧壁，32.顶部保温层，33.底部保温层，51.腔体侧壁，52，顶部保温层，53.底部保温层，54.喷头组件，55.打印平台，561.Z轴运动架，562.X轴导轨，563.Y轴横梁，564.Y轴滑块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明可变空间的保温腔体结构及应用该结构的3D打印机做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

可变空间的保温腔体结构实施例1：

如图1所示，可变空间的保温腔体结构，包括腔体侧壁11、顶部保温层12、底部保温层13。其中腔体侧壁11为隔热风琴防护罩，可以在Z轴运动方向进行伸缩，共有4片，分别位于腔体的四周，腔体侧壁11的上端与顶部保温层12相连，下端与底部保温层13相连。腔体侧壁11中的前腔体侧壁111下端可以在需要的时候与底部保温层13脱开连接，单独被压缩提起。

所述隔热风琴防护罩需要具有一定的隔热保温功能，可以将普通风琴防护罩的面料换成较厚的耐高温防火布，或者在防火布中间增加保温夹层，以提高其保温性能。本申请人在申请号为CN201810013369.4的发明专利申请中也给出了一种保温性能较佳的隔热风琴防护罩的实现方案。

图1所展示的是前腔体侧壁111被压缩提起时的示意图，当打印时，前腔体侧壁111被放下与底部保温层连接，此时四周的侧壁腔体11与顶部保温层12以及底部保温层13组成密封腔体。当打印完成后，前腔体侧壁111可以与底部保温层13脱开连接，单独被压缩提起，解决了打印完成后模型取出问题。

顶部保温层12需要让喷头组件14穿过其伸入到腔体内部，并且还能够自由地做XY向运动，如图1所示，本实施例中顶部保温层12中包含2片X向隔热风琴防护罩121和2片Y向隔热风琴防护罩122，两片X向隔热风琴防护罩121分别连接于顶部保温层12的左右两端与Y轴运动梁的左右两侧，两片Y向隔热风琴防护罩122分别连接于顶部保温层12的前后两端与喷头组件14的前后两侧。

当喷头组件14在X轴方向向左运动时，左侧的X向隔热风琴防护罩121将会被压缩，而右侧的X向隔热风琴防护罩121将会被拉伸，反向运动时，压缩侧与拉伸侧互换。喷头组件14在Y轴方向运动时，情形类似。本实施例中使用了共计4片隔热风琴防护罩实现了喷头组件14穿过顶部保温层12伸入到腔体内部，并且在做X、Y方向运动的过程中，顶部保温层12始终处于密封状态。

图1所展示的是常见的单喷头组件的打印机结构，当有多个可独立运动的喷头组件时，通过增加隔热风琴防护罩的数量就可以实现多个喷头组件独立运动时的密封，例如当有两个可独立做XY轴运动的喷头组件时，则需要三片X向隔热风琴防护罩以及四片Y向隔热风琴防护罩，X向隔热风琴防护罩依次连接于顶部保温层左端、左Y轴运动梁、右Y轴运动梁以及顶部保温层右端。两根Y轴运动梁中各由两个Y向隔热风琴防护罩连接于喷头组件和顶部保温层的前后两侧。当有更多独立的喷头组件时，进一步增加X向隔热风琴防护罩及Y向隔热风琴防护罩数量即可，实现原理相同，此处不再赘述。

本实施例的核心思路是腔体侧壁11采用隔热风琴防护罩，利用隔热风琴防护罩柔性可压缩的结构特点，使保温腔体的侧壁为可伸缩的密封结构，从而实现了保温腔体的空间大小可变。

可变空间的保温腔体结构实施例2：

如图2所示，本实施例给出了腔体侧壁21与顶部保温层22为活塞式配合的实施方案，本实施例中，四个腔体侧壁21与顶部保温层22均为活塞式配合，为了便于展示其腔体内部的配合关系，图2中隐去了前后腔体侧壁。

所述活塞式配合如图3所示，图中顶部保温层22的侧边贴合在腔体侧壁21之上，当顶部保温层22上下运动时，其侧边可贴在腔体侧壁21的内壁板上滑动。两者的配合关系类似于内燃机的活塞与与活塞缸的配合，故为了便于描述，本发明中将其称为活塞式配合。

为了使腔体侧壁21与顶部保温层22在接触面位置达到较好的密封保温效果，本实施例中在顶部保温层的侧边位置设有柔性保温材料221，其主体为玻璃纤维棉，上下两端由硅胶片做进一步密封。此处仅是给出一种可行的密封方案，将玻璃纤维棉换成陶瓷纤维棉，或是主体采用玻璃纤维布，两端去掉硅胶片等方案均可以达到类似的效果。

如图4所示，为方便打印完成后，将腔体内的模型取出，本实施例在前侧的腔体侧壁21上设置了仓门211，仓门211上设有观察窗212，为降低观察窗212的导热率，其采用多层玻璃的方案，仓门211的内侧使用一块三层中空玻璃，外侧使用一块单层玻璃。

本实施例的实现原理类似于活塞的原理，通过顶部保温层的侧边在腔体侧壁作密封滑动，实现了保温腔体的空间大小可变。

可变空间的保温腔体结构实施例3：

如图5所示，可变空间的保温腔体结构包括腔体侧壁31、顶部保温层32以及底部保温层33。本实施例综合了上述两个实施例各自的优点。对于实施例1，其缺点在于采用隔热风琴防护罩作为腔体侧壁无法设置观察窗，因此打印过程中很难直接观察到腔体内部的情况。而实施例2，由于腔体侧壁是不可压缩的，当顶部保温层位置较低时，四周的腔体侧壁就好像四面高墙，使得顶部保温层上部的热量无法快速散去。而本实施例给出的方案是前腔体侧壁311采用与实施例2相同的结构，设有仓门和观察窗，其余腔体侧壁31则采用与实施例1相同的结构，使顶部保温层32上方的左右两侧及后侧均为开放式结构，使得腔体内散出的热量不会在顶部保温层上方集聚。其结合了上述两个实施例的特点，实现原理与他们类似，这里不再赘述。

可变空间的保温腔体结构实施例4：

如图6所示，本实施例将实施例1与实施例2做了另一种形式的整合，腔体侧壁采用内外两层的结构，内层采用与实施例1相同的结构，外层采用与实施例2相同的结构，该实施例的优点在于采用两层侧壁保温层，可以实现上述所有实施例中最优的保温效果。

一种应用可变空间的保温腔体结构的3D打印机实施例：

本实施例采用可变空间的保温腔体结构实施例1所述的腔体结构。如图7所示，打印平台55固定在保温腔体的底部保温层之上，喷头组件54中的喷嘴穿过顶部保温层52伸入到腔体内部。运动机构以及喷头组件54中挤丝机构被隔离在保温腔体外部。

保温腔体的顶部保温层52安装在运动机构的Z轴运动架561上，当运动机构做Z向运动时，顶部保温层52会被带动一起做Z向运动，腔体侧壁51因为其可伸缩的特性，会在顶部保温层52做Z向运动时，始终连接于顶部保温层52与底部保温层53之间。Z轴运动架561上装有两条X轴导轨562，Y轴横梁563安装在X轴导轨562的滑块上。喷头组件54安装在Y轴滑块564上，从而使得喷头组件54可以在Z轴运动架561上做X、Y向运动，再加上Z轴运动架本身的Z向运动，因此喷头组件就实现了X、Y、Z三向运动。

该实施例的核心思想是采用固定式打印平台结构，降低大尺寸打印平台的实现难度，并采用可变空间的保温腔体结构，将除喷嘴和打印平台以外的其余部件都放置到保温腔体的外部，从而使得腔体温度不需受限于这些部件的耐温极限，可以达到打印高性能工程塑料需要的腔体温度。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (15)

1.可变空间的保温腔体结构，包括腔体侧壁、顶部保温层、底部保温层，其特征在于，顶部保温层、底部保温层可与四周的腔体侧壁构成密封空间，顶部保温层可相对于底部保温层做伸缩运动。

2.如权利要求1所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述腔体侧壁中的部分或者全部为可压缩结构，其两端分别连接于底部保温层与顶部保温层。

3.如权利要求2所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述可压缩结构的腔体侧壁为隔热风琴防护罩。

4.如权利要求2或3所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，至少其中一个可压缩结构的腔体侧壁可以与底部保温层或顶部保温层脱开连接单独被压缩。

5.如权利要求1所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述顶部保温层与部分或者全部腔体侧壁为活塞式配合，顶部保温层可在其内壁上做Z向滑动。

6.如权利要求5所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述顶部保温层在和与其为活塞式配合的腔体侧壁的接触面位置设有柔性保温材料。

7.如权利要求6所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述柔性保温材料的成分包含玻璃纤维、陶瓷纤维或硅胶中的一种或者多种。

8.如权利要求1所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述腔体侧壁中部分或者全部包含内外两层，内层为可压缩结构，外层与顶部保温层为活塞式配合。

9.如权利要求5或8所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，其中一个与顶部保温层为活塞式配合的腔体侧壁上设有仓门。

10.如权利要求9所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，仓门上设有观察窗口。

11.如权利要求10所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，观察窗采用中空玻璃或多层玻璃。

12.如权利要求1所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，顶部保温层包含多个X向可压缩结构和多个Y向可压缩结构。

13.如权利要求12所述的可变空间的保温腔体结构，其特征在于，所述顶部保温层中的可压缩结构为隔热风琴防护罩。

14.一种应用权利要求1所述结构的3D打印机，包含打印平台、喷头组件、运动机构以及保温腔体，其特征在于，所述保温腔体为权利要求1所述的可变空间的保温腔体，所述打印平台安装在所述保温腔体内，所述喷头组件中的喷嘴部分穿过所述保温腔体的顶部保温层伸入到保温腔体内，所述运动机构以及喷头组件中的挤丝机构均在保温腔体外部。

15.如权利要求14所述的一种3D打印机，其特征在于，所述打印平台固定于保温腔体的底部保温层之上，所述保温腔体的顶部保温层安装在运动机构上，可随运动机构做Z向运动，喷头组件安装在运动机构上，可随运动机构做X、Y、Z三向运动。