CN110667113A - 一种基于3d打印技术的真空热成型系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于3D打印技术的真空热成型系统及其方法，包括3D打印机、真空热成型机和控制所述3D打印机与真空热成型机的控制系统，所述控制系统控制所述3D打印机按设计者的设定打印具有抽真空孔的模具，打印好的模具位于所述3D打印机的3D打印平台上，所述控制系统控制所述3D打印平台移动至所述真空热成型机内，所述真空热成型机包括机架、设置在所述机架上可沿所述机架上下移动的加热装置和设置在所述机架内下部的真空泵，本发明的有益效果是成本低、效率高，将3D打印技术与真空热成型工艺相结合，操作更为简单，使用更加方便。

Description

一种基于3D打印技术的真空热成型系统及其方法
技术领域
本发明属于热成型领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术的真空热成型系统及其方法。
背景技术
人们在选购礼品时，往往希望礼品及包装独特而新颖，最好能够按照自己想法定制礼品包装，然而目前市场上的塑料礼品包装都是由工厂批量生产，并且存在着真空覆膜吸型不到位、覆膜贴不严实、覆膜出现破裂和漏气等现象，同时真空热成型机加工不同图案塑料包装时，需要用到不同模具，而传统的模具成型方法为减材制造，减材制造是指在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法，去除材料多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品，此方法费时费力且会产生过多废料，增加了模具的成本，但是国内外目前还没有一台能够将3D打印技术和真空热成型工艺结合为一体的机器，我们需要设计出满足单件生产的家用型真空热成型机。
发明内容
本发明针对要解决的问题是提供一种基于3D打印技术的真空热成型系统及其方法。
作为本发明第一方面的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，包括3D打印机、真空热成型机和控制所述3D打印机与真空热成型机的控制系统；
所述控制系统控制所述3D打印机按设计者的设定打印具有抽真空孔的模具，打印好的模具位于所述3D打印机的3D打印平台上，所述控制系统控制所述3D打印平台移动至所述真空热成型机内；
所述真空热成型机包括机架、设置在所述机架上可沿所述机架上下移动的加热装置和设置在所述机架内下部的真空泵，所述产品位于所述加热装置和所述真空泵之间，所述模具上的抽真空孔连接所述真空泵，所述加热装置上设置有PVC片材，所述控制系统控制所述加热装置加热与向下移动至压紧所述模具的顶部，所述控制系统控制所述真空泵对所述模具和所述PVC片材进行抽真空，获得由所述PVC片材包装好的产品。
所述3D打印机包括传动部分和控制部分，所述传动部分由与真空热成型框架固定连接的四个打印机垫脚、固定连接于打印机垫脚上表面的打印机框架、安装于打印机框架上的3D打印平台、与打印机框架上的凹槽相配合的打印机使用轮、通过螺钉与打印机使用轮固定连接的打印机使用轮夹片、固定安装于打印机框架中部框体的打印机电机三、固定安装于打印机框架另一侧框体上的打印机电机一、安装于打印机电机一上表面的打印机电机驱动、一端固定连接于打印机电机驱动而另一端通过螺纹配合连接于打印机使用轮夹片的打印机电机螺纹杆、固定安装于打印机框架中部一侧框体的打印机电机二和打印机电机四、与打印机电机二相对且固定安装于打印机框架中部框体的打印机喷头一和打印机喷头二、安装于打印机喷头二下表面的喷嘴、固定连接于打印机框架上方框体的耗材支架共同构成的。
所述控制部分由固定安装于打印机框架下部的打印机读卡器、固定连接于打印机框架一侧框体上的打印机电源开关、位于打印机电源开关上方且与打印机框架固定连接的打印机控制器共同构成的。
所述3D打印平台由嵌装于打印机框架下部框体的平台支架、分布于平台支架四角且与其相连接的平台调节旋钮、位于平台支架上方且与平台调节旋钮固定连接的床身共同构成的。
所述机架由真空热成型框架、安装于真空热成型框架上的驱动装置、与真空热成型框架一侧固定连接的真空热成型前面板、位于真空热成型前面板相邻侧且与真空热成型框架固定连接的真空热成型左面板共同构成的。
所述驱动装置由与真空热成型前面板固定连接电机底座、位于电机底座上方且与其固定连接的电机底盖、固定连接于电机底盖上表面的电机柱、固定安装于电机柱凹槽内的电机导轨、固定连接于电机柱上端的电机顶盖、一端与电机顶盖连接的步进电机螺纹杆、与步进电机螺纹杆另一端连接且固定于电机底盖上表面的步进电机驱动共同构成的。
所述控制系统由与真空热成型框架固定连接的控制箱箱上面板、与真空热成型前面板和控制箱上面板固定连接的控制箱侧面板、与控制箱上面板和控制箱侧面板固定连接的控制箱后面板、安装于控制箱上面板的两个控制旋钮、位于控制系统内部且固定安装于控制箱上面板上的步进电机驱动器、步进电机滑台专用电源、调温调压调速器、电机编程器、位于控制系统内部且固定安装于控制箱侧面板上的接线开关、空气开关、温度测试器、3D打印机控制面板共同构成的。
所述加热装置由与电机螺纹杆通过螺纹配合连接且一端嵌装于电机导轨内的电机移动、与电机移动另一端固定连接的加热框架支架、固定连接于加热框架支架的加热框架主体、与加热框架主体上部框体固定连接且均匀排列的三根加热管、固定安装于加热框架主体上部框体的红外探头共同构成的。
作为本发明第二方面的一种基于3D打印技术的真空热成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用三维软件制作模具模型；
步骤二：通过3D打印机打印模具；
步骤三：将PVC片材安装到加热装置，利用加热管加热，同时加热装置下降，压紧至模具顶部；
步骤四：启动真空泵，将密闭空间的空气抽空，PVC膜与模具接触，形成真空密闭空间；
步骤五：加热装置上升至初始位置，利用冷却风扇将成品冷却至常温；
步骤六：加工结束，关闭设备电源，取下成品。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)本发明采用“聚氯乙烯”简称(PVC)作为覆膜材料，本材质是使用最广泛的塑料材料之一，具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性，对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力；
(2)本发明通过3D打印技术生成各种形状的模具，有效简化模具的制造程序，缩短包装模具的研制周期，提高生产效率，降低成本。通过不同模具，调整模具上抽气孔的位置及数量，来保证加工出的塑料包装吸型到位，贴合严实，不会出现破裂及漏气的现象；
(3)本发明中薄膜通过夹持装置固定在成型模具上方，通过加热装置加热后，成型模具合模进行抽真空，在薄膜两面形成压差，在压差力的作用下，薄膜变形最后紧贴成型模型腔表面，完成容器成型；
(4)本发明采用红外线碳纤维加热管，并且根据不同的机型进行尺寸及功率的调整；
(5)本发明采用自控制系统，无需繁复的人工操作，使用更为简单，更加安全；
(6)本发明采用微型真空泵，安装于底座，具有高真空、低噪音、高能量的特点；
(7)本发明采用角铝夹片固定，将PVC膜从夹片穿过，然后用螺钉将上下角铝固定，既保证了PVC膜的平整性，也让操作性变得简单。
附图说明
图1是本发明整体装配图；
图2是机架结构图；
图3是3D打印机结构图；
图4是3D打印机另一视角结构图；
图5是3D打印平台结构图；
图6是驱动装置结构图；
图7是控制系统外部结构图；
图8是控制系统内部结构图；
图9是控制系统电路连接图；
图10是加热装置结构图；
图11是本发明实施例的一种基于3D打印技术的真空热成型方法的流程示意图。
图中：1、机架；2、3D打印机；3、3D打印平台；4、驱动装置；5、控制系统；6、真空热成型机；7、模具；8、真空泵；9、红外探头；10、真空热成型框架；11、真空热成型前面板；12、真空热成型左面板；13、打印机框架；14、打印机读卡器；15、打印机控制器；16、打印机电源开关；17、打印机电机一；18、打印机电机驱动；19、打印机电机螺纹杆；20、打印机使用轮夹片；21、打印机喷头一；22、打印机使用轮；23、打印机电机二；24、打印机电机三；25、打印机电机四；26、打印机喷头二；27、喷嘴；28、打印机垫脚；29、耗材支架；30、床身；31、平台支架；32、平台调节旋钮；33、电机柱；34、电机导轨；35、电机顶盖；36、电机底盖；37、步进电机螺纹杆；38、步进电机驱动；39、电机底座；40、控制箱上面板；41、控制箱后面板；42、控制箱侧面板；43、接线开关；44、空气开关；45、控制旋钮；46、步进电机驱动器；47、步进电机滑台专用电源；48、调温调压调速器；49、温度测试器；50、电机编程器；51、加热框架主体；52、加热框架支架；53、电机移动；54、加热管；55、3D打印机控制面板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如图1所示，一种基于3D打印技术的真空热成型系统，包括3D打印机、真空热成型机和控制所述3D打印机与真空热成型机的控制系统；所述控制系统控制所述3D打印机按设计者的设定打印具有抽真空孔的模具，打印好的模具位于所述3D打印机的3D打印平台上，所述控制系统控制所述3D打印平台移动至所述真空热成型机内；所述真空热成型机包括机架、设置在所述机架上可沿所述机架上下移动的加热装置和设置在所述机架内下部的真空泵；其中模具用于作为PVC材料的吸附体，能够保证加工出满足条件的包装盒的形状，真空泵安装于底座，用于抽空密闭空间空气，使得PVC膜充分贴附在模具上，红外探头则用于侦测热成型单元工作温度，具有高真空、低噪音、高能量的特点，。
如图2所示，所述机架由真空热成型框架、安装于真空热成型框架上的驱动装置、与真空热成型框架一侧固定连接的真空热成型前面板、位于真空热成型前面板相邻侧且与真空热成型框架固定连接的真空热成型左面板共同构成的；其中主体框架采用3030型材，起到连接、固定、支撑的作用，而面板则用于保护和美观。
如图3-5所示，所述3D打印机包括传动部分和控制部分，所述传动部分由与真空热成型框架固定连接的四个打印机垫脚、固定连接于打印机垫脚上表面的打印机框架、安装于打印机框架上的3D打印平台、与打印机框架上的凹槽相配合的打印机使用轮、通过螺钉与打印机使用轮固定连接的打印机使用轮夹片、固定安装于打印机框架中部框体的打印机电机三、固定安装于打印机框架另一侧框体上的打印机电机一、位于打印机电源开关上方且与打印机框架固定连接的打印机控制器、安装于打印机电机一上表面的打印机电机驱动、一端固定连接于打印机电机驱动而另一端通过螺纹配合连接于打印机使用轮夹片的打印机电机螺纹杆、固定安装于打印机框架中部一侧框体的打印机电机二和打印机电机四、与打印机电机二相对且固定安装于打印机框架中部框体的打印机喷头一和打印机喷头二、安装于打印机喷头二下表面的喷嘴、固定连接于打印机框架上方框体的耗材支架共同构成的；所述控制部分由固定安装于打印机框架下部的打印机读卡器、固定连接于打印机框架一侧框体上的打印机电源开关、位于打印机电源开关上方且与打印机框架固定连接的打印机控制器共同构成的；所述3D打印机热床由嵌装于打印机框架下部框体的热床支架、分布于热床支架四角且与其相连接的热床调节旋钮、位于热床支架上方且与热床调节旋钮固定连接的床身共同构成的；在整个系统的工作流程中，3D打印机主要用于制作哦吸附塑料包装盒所用的模具，利用3D打印技术生成模具，有效简化模具的制造程序，缩短包装模具的研制周期，提高生产效率，降低成本。通过不同模具，调整模具上抽气孔的位置及数量，来保证加工出的塑料包装吸型到位，贴合严实，不会出现破裂及漏气的现象
如图6所示，所述驱动装置由与真空热成型前面板固定连接电机底座、位于电机底座上方且与其固定连接的电机底盖、固定连接于电机底盖上表面的电机柱、固定安装于电机柱凹槽内的电机导轨、固定连接于电机柱上端的电机顶盖、一端与电机顶盖连接的步进电机螺纹杆、与步进电机螺纹杆另一端连接且固定于电机底盖上表面的步进电机驱动共同构成的；该装置主要用于带动热成型单元上下移动，通过步进电机驱动带动步进电机螺纹杆旋转，旋转的步进电机螺纹杆能够带动与其通过螺纹配合连接的电机移动做上下运动，从而带动与电机移动固定连接的加热框架支架运动，实现热成型单元的上下移动。
如图7-8所示，所述控制系统由与真空热成型框架固定连接的控制箱箱上面板、与真空热成型前面板和控制箱上面板固定连接的控制箱侧面板、与控制箱上面板和控制箱侧面板固定连接的控制箱后面板、安装于控制箱上面板的两个控制旋钮、位于控制箱内部且固定安装于控制箱上面板上的步进电机驱动器、步进电机滑台专用电源、调温调压调速器、电机编程器、位于控制箱内部且固定安装于控制箱侧面板上的接线开关、空气开关、温度测试器共同构成的；该装置是整个系统的控制中心，其中接线开关为控制系统的总开关，步进电机驱动器、，电机编程器和步进电机滑台专用电源用于驱动和控制步进电机驱动系统，控制箱上、后、侧面板用于连接控制元件和保护控制系统，空气开关用于保护控制元件在特殊情况的不被损坏，温度控制器能够控制温度，起到保护作用。
如图9所示，控制单元内，接线开关、步进电机驱动器、步进电机滑台专用电源、电机编程器、3D打印机控制面板、温度测试器和调温调压调速器串联连接，步进电机驱动器、步进电机滑台专用电源、电机编程器并联后与步进电机驱动系统连接，调温调压调速器、温度测试器并联后与热成型单元连接，3D打印机控制面板与3D打印机连接。
如图10所示，所述加热装置由与电机螺纹杆通过螺纹配合连接且一端嵌装于电机导轨内的电机移动、与电机移动另一端固定连接的加热框架支架、固定连接于加热框架支架的加热框架主体、与加热框架主体上部框体固定连接且均匀排列的三根加热管、固定安装于加热框架主体上部框体的红外探头共同构成的；该装置通过步进电机的带动以及加热管的加热，能够将固定在上面的PVC膜软化并吸附到模具上，同时本发明采用“聚氯乙烯”简称(PVC)作为覆膜材料，本材质是使用最广泛的塑料材料之一，具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性，对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力，在加工过程中，PVC薄膜通过夹持装置固定在成型模具上方，通过加热装置加热后，成型模具合模进行抽真空，在薄膜两面形成压差，在压差力的作用下，薄膜变形最后紧贴成型模型腔表面，完成容器成型，并且在该装置中，采用红外线碳纤维加热管，能够根据不同的机型进行尺寸及功率的调整，采用角铝夹片固定材料，将PVC膜从夹片穿过，然后用螺钉将上下角铝固定，既保证了PVC膜的平整性，也让操作性变得简单。
如图11所示，一种基于3D打印技术的真空热成型方法，包括如下步骤：
步骤一：利用三维软件制作模具模型；
步骤二：通过3D打印机打印模具；
步骤三：将PVC片材安装到加热框架，利用加热管加热；
步骤四：启动真空泵，将密闭空间的空气抽空，PVC膜与模具接触，形成真空密闭空间；
步骤五：加热框架下降，利用冷却风扇将成品冷却至常温，同时加热框架回到起点；
步骤六：加工结束，关闭设备电源，取下成品。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，包括3D打印机(2)、真空热成型机(6)和控制所述3D打印机与真空热成型机的控制系统(5)；
所述控制系统(5)控制所述3D打印机(2)按设计者的设定打印具有抽真空孔的模具(7)，打印好的模具(7)位于所述3D打印机的3D打印平台(3)上，所述控制系统(5)控制所述3D打印平台(3)移动至所述真空热成型机(6)内；
所述真空热成型机(6)包括机架(1)、设置在所述机架(1)上可沿所述机架(1)上下移动的加热装置和设置在所述机架(1)内下部的真空泵(8)，所述产品位于所述加热装置和所述真空泵(8)之间，所述模具(7)上的抽真空孔连接所述真空泵(8)，所述加热装置上设置有PVC片材，所述控制系统(5)控制所述加热装置加热与向下移动至压紧所述模具(7)的顶部，所述控制系统(5)控制所述真空泵(8)对所述模具(7)和所述PVC片材进行抽真空，获得由所述PVC片材包装好的产品。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述3D打印机(2)包括传动部分和控制部分，所述传动部分由与真空热成型框架(10)固定连接的四个打印机垫脚(28)、固定连接于打印机垫脚(28)上表面的打印机框架(13)、安装于打印机框架(13)上的3D打印平台(3)、与打印机框架(13)上的凹槽相配合的打印机使用轮(22)、通过螺钉与打印机使用轮(22)固定连接的打印机使用轮夹片(20)、固定安装于打印机框架(13)中部框体的打印机电机三(24)、固定安装于打印机框架(13)另一侧框体上的打印机电机一(17)、安装于打印机电机一(17)上表面的打印机电机驱动(18)、一端固定连接于打印机电机驱动(18)而另一端通过螺纹配合连接于打印机使用轮夹片(20)的打印机电机螺纹杆(19)、固定安装于打印机框架(13)中部一侧框体的打印机电机二(23)和打印机电机四(25)、与打印机电机二(23)相对且固定安装于打印机框架(13)中部框体的打印机喷头一(21)和打印机喷头二(26)、安装于打印机喷头二(26)下表面的喷嘴(27)、固定连接于打印机框架(13)上方框体的耗材支架(29)共同构成的。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述控制部分由固定安装于打印机框架(13)下部的打印机读卡器(14)、固定连接于打印机框架(13)一侧框体上的打印机电源开关(16)、位于打印机电源开关(16)上方且与打印机框架固定连接的打印机控制器(15)共同构成的。
4.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述3D打印平台(3)由嵌装于打印机框架(13)下部框体的平台支架(31)、分布于平台支架(31)四角且与其相连接的平台调节旋钮(32)、位于平台支架(31)上方且与平台调节旋钮(32)固定连接的床身(30)共同构成的。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述机架(1)由真空热成型框架(10)、安装于真空热成型框架(10)上的驱动装置(4)、与真空热成型框架(10)一侧固定连接的真空热成型前面板(11)、位于真空热成型前面板(11)相邻侧且与真空热成型框架(10)固定连接的真空热成型左面板(12)共同构成的。
6.根据权利要求5所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述驱动装置(4)由与真空热成型前面板(11)固定连接电机底座(39)、位于电机底座(39)上方且与其固定连接的电机底盖(36)、固定连接于电机底盖(36)上表面的电机柱(33)、固定安装于电机柱(33)凹槽内的电机导轨(34)、固定连接于电机柱(33)上端的电机顶盖(35)、一端与电机顶盖(35)连接的步进电机螺纹杆(37)、与步进电机螺纹杆(37)另一端连接且固定于电机底盖(36)上表面的步进电机驱动(38)共同构成的。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述控制系统(5)由与真空热成型框架(10)固定连接的控制箱箱上面板(40)、与真空热成型前面板(11)和控制箱上面板(40)固定连接的控制箱侧面板(42)、与控制箱上面板(40)和控制箱侧面板(42)固定连接的控制箱后面板(41)、安装于控制箱上面板(40)的两个控制旋钮(45)、位于控制系统(5)内部且固定安装于控制箱上面板(40)上的步进电机驱动器(46)、步进电机滑台专用电源(47)、调温调压调速器(48)、电机编程器(50)、位于控制系统(5)内部且固定安装于控制箱侧面板(42)上的接线开关(43)、空气开关(44)、温度测试器(49)、3D打印机控制面板(55)共同构成的。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的真空热成型系统，其特征在于，所述加热装置由与电机螺纹杆(37)通过螺纹配合连接且一端嵌装于电机导轨(34)内的电机移动(53)、与电机移动(53)另一端固定连接的加热框架支架(52)、固定连接于加热框架支架(52)的加热框架主体(51)、与加热框架主体(51)上部框体固定连接且均匀排列的三根加热管(54)、固定安装于加热框架主体(51)上部框体的红外探头(9)共同构成的。
9.一种基于3D打印技术的真空热成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用三维软件制作模具模型；
步骤二：通过3D打印机打印模具；
步骤三：将PVC片材安装到加热装置，利用加热管加热，同时加热装置下降，压紧至模具顶部；
步骤四：启动真空泵，将密闭空间的空气抽空，PVC膜与模具接触，形成真空密闭空间；
步骤五：加热装置上升至初始位置，利用冷却风扇将成品冷却至常温；
步骤六：加工结束，关闭设备电源，取下成品。
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