CN110901050A - 三维打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印设备，三维打印设备包括打印腔室、打印平台、平台运动驱动机构、打印喷头、空气电加热箱、发热装置和对流风扇，打印腔室开设有打印腔室出气口，打印喷头位于打印平台的上方，打印喷头上开设有热空气通道，空气电加热箱设置在打印腔室外，空气电加热箱内设置有加热元件，空气电加热箱上开设有电加热箱进气口和电加热箱出气口，电加热箱出气口与热空气通道连通，电加热箱进气口与打印腔室出气口连通。打印平台、平台运动驱动机构、打印喷头和发热装置均设置在打印腔室内，发热装置设置在打印平台的下方。对流风扇安装在打印腔室的底壁上。该三维打印设备可减少三维打印制品翘曲变形。

Description

三维打印设备

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，具体地说，是涉及一种可以减少三维打印制品翘曲的三维打印设备。

背景技术

在工业、制造业高速发展的今天，传统的制造业加工工艺已经无法满足许多高精度、高复杂度、异形的加工要求，在各类高要求高标准的加工需求催生之下，新的快速成型方法应运而生：三维打印。三维打印技术凭借其诸多优势，成为了目前新型制造领域中最受欢迎同时最具生命力的技术之一，和普通打印机只能在二维方向上移动不同，三维打印利用三维CAD数据模型，操控机器对打印材料进行逐层堆积的操作，通过堆积实现3D模型的实体还原，这种制造方式在生产复杂零部件时不仅缩短了研制周期同时还降低了研发成本。

然而熔融塑料在堆积过程中，由于体积收缩而产生的内应力会总是引起原型的翘曲变形，严重时引起分层，甚至使成型无法进行下去，翘曲变形是影响打印产品精度和品质的主要原因，在层厚一定的情况下，影响翘曲的因素最主要的为温度和填充率，研究如何减少翘曲，对三维打印技术的进一步推广和应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可减少三维打印制品翘曲变形的三维打印设备，以解决目前高温热塑性塑料打印时的翘曲问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种三维打印设备，包括打印腔室、打印平台、平台运动驱动机构、打印喷头、空气电加热箱、发热装置和对流风扇，打印腔室开设有打印腔室出气口，打印腔室的外壁上包裹有腔体隔热层，打印平台用于承载三维打印制品，平台运动驱动机构驱动打印平台在三维空间内移动，打印喷头位于打印平台的上方，打印喷头上开设有热空气通道，空气电加热箱设置在打印腔室外，空气电加热箱内设置有加热元件，空气电加热箱上开设有电加热箱进气口和电加热箱出气口，电加热箱出气口与热空气通道连通，电加热箱进气口与打印腔室出气口连通。打印平台、平台运动驱动机构、打印喷头和发热装置均设置在打印腔室内，发热装置设置在打印平台的下方。

由上述方案可见，通过空气电加热箱对气体进行加热，并实现对打印喷头的保温，使三维打印制品受热均匀，且可以实现气体循环利用，节约资源，减少污染。同时腔体通过包裹保温材料有效降低对外的热耗散，使得腔体温度高达250℃以上，且有很好的温度均匀性。本发明提供的三维打印设备有效地解决了目前打印机打印三维制品容易产生翘曲、腔体温度不够高以及温度均匀性不理想的问题。

一个优选的方案是，三维打印设备还包括依次连接的塑化装置、熔体齿轮泵和微滴喷射装置。塑化装置包括料斗、机筒和塑化螺杆，塑化螺杆安装在机筒内并在水平方向上延伸，料斗安装在机筒的顶部并与机筒连通，熔体齿轮泵安装在机筒的出料端。微滴喷射装置包括熔融物料入口和打印喷头，熔融物料入口与熔体齿轮泵连接。

由此可见，通过在料斗内加入颗粒状塑料原料，使用塑化螺杆，配合熔体齿轮泵建压，气动阀针高速运动实现微滴喷射。

进一步的方案是，微滴喷射装置还包括阀体、阀座、加热套和阀针，阀座与阀体一体成型，加热套套设在阀体外，阀针安装在阀体内并沿着竖直方向延伸，阀针能够沿着竖直方向撞击阀座，熔融物料入口设置在阀体的周壁上，熔融物料入口与阀体内部连通。

由此可见，通过在料斗内加入颗粒状塑料原料，物料经过塑化螺杆，熔融、塑化、运输，经熔体齿轮泵建压，将熔融的物料以高温高压熔体的形式输送给微滴喷射装置，微滴喷射装置采用机械撞针式喷射技术，阀针通过压缩空气驱动，在撞击撞阀座的瞬间产生局部高压，局部高压驱动熔体克服其表面张力与重力等阻碍其喷射的外力，使其从打印喷头中喷出并形成液滴，该技术可以减少翘曲，同时最终成形产品具有出色精度与表面光洁度。

一个优选的方案是，熔体齿轮泵中设有熔体压力传感器。

一个优选的方案是，料斗、塑化螺杆、热空气通道的进气口、电加热箱出气口、打印平台和微滴喷射装置上均至少设置一个温度传感器。

由此可见，采样多个点的温度数据，可以保证测量数据的准确度，也便于分析确定打印腔室内温度以及温度分布的均匀性，并以此作为调整对流风扇转速与加热元件功率的依据。该三维打印设备加入了压力闭环控制系统以及温度闭环控制系统，可有效提高设备工作状态的稳定性，提高三维打印制品内部结构的致密性以及表面的精度。

一个优选的方案是，发热装置包括多个红外热辐射灯，对流风扇安装在打印腔室底壁的中心位置，多个红外热辐射灯均匀环绕在对流风扇的周围。对流风扇包括相互连接的风叶和驱动部件，风叶设置在打印腔室内且位于打印平台的下方，驱动部件位于打印腔室外。

由此可见，红外热辐射灯主要是对热循环空气进行加热，对流风扇保持打印腔室内温度分布均匀。

一个优选的方案是，空气电加热箱内还设置有折流板，折流板连接在空气电加热箱的内壁上。

由此可见，折流板可以引导气体流向，延长气体在空气电加热箱的内腔的滞留时间，从而使气体充分加热，使气体加热均匀。

一个优选的方案是，加热元件包括不锈钢管和电热丝，电热丝安装在不锈钢管内，电热丝与不锈钢管之间的间隙中填充氧化镁粉，不锈钢管的外壁部上均匀分布有金属片，金属片与不锈钢管的外壁呈夹角设置。

由此可见，不锈钢管上分布的金属片可增大换热面积，提高热交换效率。

一个优选的方案是，电加热箱进气口设置有第一过滤部件，第一过滤部件包括过滤网以及设置在过滤网上的吸水棉。电加热箱出气口设置有第二过滤部件，第二过滤部件内设置有氧化铝粉。

由此可见，第一过滤部件和第二过滤部件的设置能够对循环的热空气进行过滤同时吸收热空气中的水分。

一个优选的方案是，腔体隔热层为双层结构，包括外层的聚苯乙烯泡沫层和内层的硅酸铝陶瓷纤维层，腔体隔热层的厚度不小于6厘米。

附图说明

图1是本发明三维打印设备实施例的示意图。

图2是本发明三维打印设备实施例中打印腔室及内部结构示意图。

图3是本发明三维打印设备实施例中微滴喷射装置示意图。

图4是本发明三维打印设备实施例中空气电加热箱的俯视图。

图5是图4中A-A处的剖视图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例的三维打印机设备包括机械结构部分和控制系统部分，其中机械结构部分包括打印腔室1、打印平台2、平台运动驱动机构3、塑化装置4、熔体齿轮泵5、微滴喷射装置6、空气电加热箱7、发热装置8和对流风扇9。控制系统部分包括运动控制系统、温度控制系统、压力控制系统。

打印腔室1开设有打印腔室出气口11，打印腔室1的外壁上包裹有腔体隔热层12，腔体隔热层12为双层结构，包括外层的聚苯乙烯泡沫层和内层的硅酸铝陶瓷纤维层，腔体隔热层12的厚度不小于6厘米。

打印平台2、平台运动驱动机构3、微滴喷射装置6和发热装置8均设置在打印腔室1内。打印平台2用于承载三维打印制品，微滴喷射装置6位于打印平台2的上方，平台运动驱动机构3驱动打印平台2在三维空间内移动。平台运动驱动机构3包括X方向移动模组、Y方向移动模组和竖直方向移动模组，Y方向移动模组驱动打印平台2沿着Y方向移动，X方向移动模组驱动打印平台2沿着X方向移动，竖直方向移动模组驱动打印平台2沿着Z方向移动。该平台运动驱动机构3为三维打印领域常用结构，为现有技术，在此不再赘述。

如图2所示，塑化装置4包括料斗41、机筒42和塑化螺杆43，塑化螺杆43安装在机筒42内并在水平方向上延伸，料斗41安装在机筒42的顶部并与机筒42连通，熔体齿轮泵5安装在机筒42的出料端。塑化螺杆43经氮化处理，采用结构简单、加热均匀的陶瓷加热器对塑化螺杆43进行加热。

参见图3，微滴喷射装置6包括打印喷头61、阀体62、阀座63、加热套64和阀针65。加热套64的材料为铜，阀针65的材料为不锈钢，阀座63与阀体62一体成型且均由碳钢材料制成，阀座63表面经硬化处理。加热套64套设在阀体62外，阀针65安装在阀体62内并沿着竖直方向延伸，阀针65能够沿着竖直方向撞击阀座63，阀体62的周壁上开设有熔融物料入口622，熔融物料入口622与阀体62内部连通，微滴喷射装置6的熔融物料入口622与熔体齿轮泵5连接。由于电磁铁长时间在高温的环境下会产生退磁现象，造成阀针65往复运动失效，影响微滴喷射的效果，因此微滴喷射装置6喷射部分采用气动驱动，空气压缩机产生的高压气体通过压缩空气入口621推动阀针65往复运动。打印喷头61采用耐高温陶瓷发热体加热，打印喷头61上开设有热空气通道611，热空气通道611包括相连接的竖直延伸段6111和水平延伸段6112，水平延伸段6112的内壁上设置有内螺纹，热空气通道611的进气口设置在水平延伸段6112上远离竖直延伸段6111的一端。

如图1、图4和图5所示，空气电加热箱7设置在打印腔室1外，空气电加热箱7是对气体流进行加热，空气电加热箱7内加热腔体的总长度在600毫米至1200毫米范围内。空气电加热箱7内设置有加热元件71和多个单弓形的折流板72，加热元件71包括不锈钢管711和电热丝，电热丝安装在不锈钢管711内，电热丝与不锈钢管711之间的间隙中填充氧化镁粉，不锈钢管711的外壁部上均匀分布有金属片712，金属片712与不锈钢管711的外壁呈夹角设置。折流板72连接在空气电加热箱7的内壁上。折流板72可以引导气体流向，延长气体在空气电加热箱7的内腔的滞留时间，从而使气体充分加热，使气体加热均匀,不锈钢管711上分布的金属片712可增大换热面积，提高热交换效率。

空气电加热箱7的箱体上开设有电加热箱进气口73和电加热箱出气口74，电加热箱出气口74通过轻质可伸缩通风管75与热空气通道611的进气口连接，一方面热空气减少了高温打印喷头61的热量损耗，另一方面通过热空气恒温恒速的给三维打印制品进行加热，可有效减少翘曲。电加热箱进气口73与打印腔室出气口11连通，一方面减少了再次加热到所需温度的时间，提高了效率，节约了资源，另一方面可实现气体循环利用，可利用N2或其他惰性气体进行打印时的氛围进行保护。

电加热箱进气口73设置有第一过滤部件，第一过滤部件包括过滤网以及设置在过滤网上的吸水棉。电加热箱出气口74设置有第二过滤部件，第二过滤部件内设置有氧化铝粉。第一过滤部件和第二过滤部件的设置能够对循环的热空气进行过滤同时吸收热空气中的水分。

料斗41的进料口、塑化螺杆43、热空气通道611的进气口、电加热箱出气口74、打印平台2和微滴喷射装置6的加热套64上均至少设置一个温度传感器,目的在于通过采样多个点的温度数据,使得测量结果更准确，也便于分析确定打印腔室1内温度以及温度分布的均匀性，并以此作为调整对流风扇9转速与加热器功率的依据。

如图1和图2所示，发热装置8和对流风扇9均位于打印平台2的下方且均安装在打印腔室1的底壁上。对流风扇9包括相互连接的风叶91和驱动部件，风叶91设置在打印腔室1内且位于打印平台2的下方，驱动部件位于打印腔室1外。对流风扇9安装在打印腔室1底壁的中心位置，发热装置8包括多个红外热辐射灯81，多个红外热辐射1灯8均匀环绕在对流风扇9的周围。红外热辐射灯81和对流风扇9的设置可以使得整个打印腔室1的温度分布均匀。

启动升温后，待温度包括热空气温度稳定后，在料斗41中加入待打印物料，待打印物料经塑化螺杆43熔融，塑化，运输，经熔体齿轮泵5建压，将熔融的物料以高温高压熔体的形式输送给微滴喷射装置6，微滴喷射装置6采用机械撞针式喷射技术，这一喷射技术的关键是阀针65通过压缩空气驱动，在撞击撞阀座63的瞬间产生局部高压，局部高压驱动熔体克服其表面张力与重力等阻碍其喷射的外力，使其从打印喷头61中喷出并形成液滴，该技术可以减少翘曲，同时最终成形产品具有出色精度与表面光洁度。

熔体微滴堆叠成形过程中，必需保持微滴喷射装置6内熔体的压力稳定。在熔体齿轮泵5的流道上安装高温熔体压力传感器，采用压力闭环控制，将采集到熔体压力与设定的压力值上下限相比较，当熔体压力高于最大压力值时，塑化螺杆43停转，使得微流道内部压力通过熔体从打印喷头61喷出释放压力；当熔体压力低于最小压力值时，塑化螺杆43启动，使得微流道内部压力上升，从而保持微流道内部熔体压力在一个稳定的范围内，同时利用加热套64进行加热和保温，保证熔体微滴能均匀喷射。

由上可见，本发明通过将传统熔融堆积方式转变为微滴喷射堆叠，并且辅以全局温控系统，利用热空气保温和加热，解决了目前常见的热风循环不充分而导致腔体温度不均匀，最终三维打印制品常常出现翘曲的问题，并通过将风机电机安装于腔体保温层外侧，以及在腔体及风道外包裹充分的保温材料，使得腔体能够加热到250℃以上的高温，可以适应几乎所有常见的通用工程塑料及特种工程塑料的成型需求，具有很好的工业应用前景。

最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三维打印设备，其特征在于，包括：

打印腔室，所述打印腔室开设有打印腔室出气口，所述打印腔室的外壁上包裹有腔体隔热层；

打印平台，所述打印平台用于承载三维打印制品；

平台运动驱动机构，所述平台运动驱动机构驱动所述打印平台在三维空间内移动；

打印喷头，所述打印喷头位于所述打印平台的上方，所述打印喷头上开设有热空气通道；

空气电加热箱，所述空气电加热箱设置在所述打印腔室外，所述空气电加热箱内设置有加热元件，所述空气电加热箱上开设有电加热箱进气口和电加热箱出气口，所述电加热箱出气口与所述热空气通道连通，所述电加热箱进气口与所述打印腔室出气口连通；

发热装置，所述打印平台、所述平台运动驱动机构、所述打印喷头和所述发热装置均设置在所述打印腔室内，所述发热装置设置在所述打印平台的下方；

对流风扇，所述对流风扇安装在所述打印腔室的底壁上。

2.根据权利要求1所述的三维打印设备，其特征在于：

所述三维打印设备还包括依次连接的塑化装置、熔体齿轮泵和微滴喷射装置；

所述塑化装置包括料斗、机筒和塑化螺杆，所述塑化螺杆安装在所述机筒内并在水平方向上延伸，所述料斗安装在所述机筒的顶部并与所述机筒连通，所述熔体齿轮泵安装在所述机筒的出料端；

所述微滴喷射装置包括熔融物料入口和所述打印喷头，所述熔融物料入口与所述熔体齿轮泵连接。

3.根据权利要求2所述的三维打印设备，其特征在于：

所述微滴喷射装置还包括阀体、阀座、加热套和阀针，所述阀座与所述阀体一体成型，所述加热套套设在所述阀体外，所述阀针安装在所述阀体内并沿着竖直方向延伸，所述阀针能够沿着竖直方向撞击所述阀座，所述熔融物料入口设置在所述阀体的周壁上，所述熔融物料入口与所述阀体内部连通。

4.根据权利要求2所述的三维打印设备，其特征在于：

所述熔体齿轮泵中设有熔体压力传感器。

5.根据权利要求2至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述料斗、所述塑化螺杆、所述热空气通道的进气口、所述电加热箱出气口、所述打印平台和所述微滴喷射装置上均至少设置一个温度传感器。

6.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述发热装置包括多个红外热辐射灯，所述对流风扇安装在打印腔室底壁的中心位置，多个所述红外热辐射灯均匀环绕在所述对流风扇的周围；

所述对流风扇包括相互连接的风叶和驱动部件，所述风叶设置在所述打印腔室内且位于所述打印平台的下方，所述驱动部件位于所述打印腔室外。

7.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述空气电加热箱内还设置有折流板，所述折流板连接在所述空气电加热箱的内壁上。

8.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述加热元件包括不锈钢管和电热丝，所述电热丝安装在不锈钢管内，所述电热丝与所述不锈钢管之间的间隙中填充氧化镁粉，所述不锈钢管的外壁部上均匀分布有金属片，所述金属片与所述不锈钢管的外壁呈夹角设置。

9.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述电加热箱进气口设置有第一过滤部件，所述第一过滤部件包括过滤网以及设置在所述过滤网上的吸水棉；

所述电加热箱出气口设置有第二过滤部件，所述第二过滤部件内设置有氧化铝粉。

10.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印设备，其特征在于：

所述腔体隔热层为双层结构，包括外层的聚苯乙烯泡沫层和内层的硅酸铝陶瓷纤维层，所述腔体隔热层的厚度不小于6厘米。

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