发明内容
有鉴于此,有必要提供一种3D打印设备,解决现有的同轴送粉3D打印方式中,打印头移动到不同位置喷射出的粉体形成的打印层的厚度不均匀的问题。
本发明提供一种3D打印设备,该3D打印设备包括:供粉组件、打印头、输送管、磁场传感器以及控制组件。供粉组件用于提供带电荷的粉体。打印头用于喷射粉体。输送管连接供粉组件和打印头,且输送管用于将粉体从供粉组件输送至打印头。磁场传感器设于打印头,并用于测量带电荷的粉体经过打印头时产生的磁场强度。控制组件分别电连接磁场传感器和打印头,根据磁场传感器传输的磁场强度的信息,通过预设程序修正打印头的移动速度。
于本发明的一实施例中,供粉组件包括供气模块和供粉模块;供气模块连接于输送管的一端,供气模块用于向输送管输出高速气流;供粉模块连接于输送管位于供气模块与打印头之间的部位,供粉模块用于向输送管内输送带电荷的粉体,以使带电荷的粉体与高速气流在输送管内混合后被输送至打印头。供气组件提供的高速气流使得带电荷的粉体能够在输送管内快速移动,通过控制高速气流的速度可进一步控制粉体在输送管内的移动速度。也即,使得3D打印设备能够通过控制供气组件提供的高速气流的速度来控制带电荷的粉体在输送管内的移动速度,从而间接实现控制打印层的厚度。
于本发明的一实施例中,供气模块包括气源、风速传感器和阀门。气源用于储存高压惰性气体,且气源连接于输送管的一端,并向输送管输出高速气流。风速传感器设于输送管靠近气源的一端,用于检测输送管内的高速气流的流速。阀门设于输送管位于气源与风速传感器之间的部位,且阀门电连接风速传感器,以根据风速传感器传输的高速气流的流速信息控制输送管内高速气流的流速。通过气源、风速传感器与阀门之间的配合,可实现对输送管内高速气流的流速的精确控制。
于本发明的一实施例中,供粉模块包括:储粉部、传送部和恒压电容器。储粉部用于储存粉体,且储粉部设有出粉口。传送部设于出粉口的下端,用于将粉体从储粉部传送至输送管。恒压电容器设于传送部远离储粉部的一端,用于将不带电荷的粉体变成带电荷的粉体。储粉部的出粉口的大小是固定的,因此,单位时间通过出粉口进入传送部的粉体的量也是固定的,如此设置,有利于供粉模块实现均匀供粉。并且,恒压电容器的电容大小C为定值,且恒压电容器两端的电压值U也为定值。因此,由公式Q=U*C(其中,Q表示电容器的带电荷的量,C表示电容器的电容大小,通常C为定值,U表示电容器两端的电压值)可知,恒压电容器所带电荷量Q为定值。也即,即使粉体从恒压电容器上带走了部分电荷,恒压电容器会迅速补充电荷,使得恒压电容器所带电荷始终保持不变,也即,后续的粉体经过恒压电容器是能够带上相同数量的电荷。从而,有利于单位粉体所带电荷的数量保持稳定,如此,则相同数量的带电粉体产生的电流大小保持稳定,避免由于粉体带电量不可控导致粉体移动产生的磁场强度大小不可预测,即,使得通过打印头的粉体的数量成为磁场传感器检测磁场强度变化的唯一变量。
于本发明的一实施例中,传送部包括主动滚轮、从动滚轮、传送带和驱动电机,传送带绕设于主动滚轮和从动滚轮的外侧,以使主动滚轮和从动滚轮同步传动;且驱动电机连接主动滚轮,以驱动主动滚轮转动;传送带设于出粉口的下端,用于承接粉体。传送部在工作时,储粉部的粉体通过出粉口进入传送带靠近出粉口的一侧,驱动电机驱动主动滚轮转动,主动滚轮带动从动滚轮转动,使得粉体通过传送部持续传向输送管,保证了3D打印设备的供粉的稳定性。并且,如此设置,传送部的结构更加简单,有利于传送部的装配,并且降低了3D打印设备的制造成本。
于本发明的一实施例中,恒压电容器包括第一金属板和第二金属板,第一金属板连接电源正极形成正极板,第二金属板连接电源负极形成负极板;粉体通过接触正极板携带正电荷,或者,粉体通过接触负极板携带负电荷。如此,第一金属板和第二金属板具有良好的导电性,因此,第一金属板和第二金属板形成的电容器具有稳定的电压,有利于单位粉体所带电荷的量保持稳定。
于本发明的一实施例中,正极板设于传送部落粉处的下方,且正极板与水平面成一锐角设置。如此设置,便于粉体在离开传送部下落的过程中接触到正极板的表面,从而使得粉体快速带上正电荷。并且,正极板与水平面成一锐角,有利于带电荷的粉体离开正极板进入输送管,有效防止粉体滞留在正极板上。
于本发明的一实施例中,输送管开设有进粉口,进粉口设于正极板的下方;且输送管与正极板之间设有漏斗,漏斗开口较大的一端设于正极板的下方,用于承接带正电荷的粉体,漏斗开口较小的一端连接输送管并连通进粉口。通过设置漏斗,且漏斗设于正极板的下方的一端开口较大,可使从正极板滑落的粉体全部进入漏斗内,大大提高了3D打印设备运转的高效性,减小了系统误差。
于本发明的一实施例中,3D打印设备还包括打印平台,打印头朝向打印平台喷射粉体;打印头设有出粉通道,打印头通过出粉通道连通输送管;出粉通道内设有激光发射器,激光发射器朝向打印平台发射激光,以使出粉通道内喷射出的粉体在打印平台上熔融形成打印层。激光发射器设置在出粉通道内,可使粉体刚刚喷射至打印平台就在激光发射器发射出的激光的作用下发生熔融,最终熔融的粉体冷却固化成打印层,大大提高了3D打印设备的打印效率。并且,激光发射器可随打印头进行同步移动,提高了3D打印设备的打印精度,避免出现激光发射器与打印头移动不同步出现粉体熔融不及时导致打印失败的问题。磁场传感器包括霍尔传感器,霍尔传感器包括正极部和负极部,正极部和负极部分设于打印头相对的两侧,以使粉体从正极部和负极部之间穿过。霍尔传感器利用霍尔效应检测磁场强度的大小,霍尔传感器的检测精度极高,能显著降低整个3D打印设备的系统误差。并且,霍尔传感器的结构简单,有利于霍尔传感器的安装和拆卸,降低了整个3D打印设备的装配难度。
于本发明的一实施例中,控制组件包括控制器、机械臂和基座,机械臂一端连接基座,另一端连接打印头;且机械臂电连接控制器,控制器通过机械臂控制打印头的移动。机械臂的移动自由度较大,移动起来更加灵活,通过机械臂可实现打印头的速度的快读调整与精确控制。
本发明提供的3D打印设备。带电荷的粉体快速经过打印头时,相当于打印头内部产生了电流。而由电生磁效应可知,电流周围的空间能够产生环形的磁场,磁场环绕在电流的周侧,且电流越大,产生的磁场越强。因此,带电荷的粉体经过打印头时,可在打印头的周侧产生磁场。且单位时间内通过打印头的带电荷的粉体的量越多,打印头内部产生的电流越强,也即,打印头周侧产生的磁场强度越大。而打印头部位设有磁场传感器,因此,打印头周侧产生的磁场可被磁场传感器感应到,且能实时检测到磁场强度的大小。又因为磁场传感器电连接控制组件,控制组件能够接受磁场传感器传来的磁场强度的信号,并对信号作出分析判断。同时,控制组件还电连接打印头,根据磁场传感器传来的磁场强度的信号,控制组件可通过预设程序来修正打印头的移动速度。通过反向推导可知,当磁场强度变大时,意味着单位时间内通过打印头的带电荷的粉体的量增多。此时,控制系统通过预设程序向打印头发出指令,使得打印头的移动速度提高,防止由于打印头单位时间内喷射出的粉体增多导致形成的打印层变厚。同理,当磁场强度变小时,意味着单位时间内通过打印头的带电荷的粉体的量减少。此时,控制系统通过预设程序向打印头发出指令,使得打印头的移动速度降低,防止由于打印头单位时间内喷射出的粉体减少导致形成的打印层变薄。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,当组件被称为“装设于”另一个组件,它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件,它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1,本发明提供一种3D打印设备,该3D打印设备包括:供粉组件100、打印头200、输送管300、磁场传感器400、控制组件500和打印平台(图未示)。供粉组件100用于提供带电荷的粉体600。打印头200用于喷射粉体600。输送管300连接供粉组件100和打印头200,且输送管300用于将粉体600从供粉组件100输送至打印头200。打印头200朝向打印平台喷射粉体600,打印头200设有出粉通道(图未示),打印头200通过出粉通道连通输送管300。出粉通道内设有激光发射器(图未示),激光发射器朝向打印平台发射激光,以使出粉通道内喷射出的粉体600在打印平台上熔融形成打印层(图未示)。磁场传感器400设于打印头200,并用于测量带电荷的粉体600经过打印头200时产生的磁场强度。控制组件500分别电连接磁场传感器400和打印头200,根据磁场传感器400传输的磁场强度的信息,通过预设程序修正打印头200的移动速度。
不带电荷的粉体600在供粉组件100内带上电荷变成带电荷的粉体600。并且,由物理学常识可知,电荷分为正电荷和负电荷,也就是说,供粉组件100提供的带电荷的粉体600可以是带正电荷的粉体600,也可以是带负电荷的粉体600。带电荷的粉体600从供粉组件100通过输送管300被输送至打印头200的出粉通道,带电荷的粉体600通过出粉通道喷向打印平台。由于出粉通道内设有能够朝向打印平台发射激光的激光发射器,带电荷的粉体600在打印平台上经过激光的加热而发生熔融固化,最终形成打印层。激光发射器设置在出粉通道内,可使粉体600刚刚喷射至打印平台就在激光发射器发射出的激光的作用下发生熔融,最终熔融的粉体600冷却固化成打印层,大大提高了3D打印设备的打印效率。并且,激光发射器可随打印头200进行同步移动,提高了3D打印设备的打印精度,避免出现激光发射器与打印头200移动不同步出现粉体600熔融不及时导致打印失败的问题。
如图3所示,带电荷的粉体600快速经过打印头200时,相当于打印头200内部产生了电流。而由电生磁效应可知,电流周围的空间能够产生环形的磁场,磁场环绕在电流的周侧,且电流越大,产生的磁场越强。因此,带电荷的粉体600经过打印头200时,可在打印头200的周侧产生磁场。且单位时间内通过打印头200的带电荷的粉体600的量越多,打印头200内部产生的电流越强,也即,打印头200周侧产生的磁场强度越大。而打印头200部位设有磁场传感器400,因此,打印头200周侧产生的磁场可被磁场传感器400感应到,且能实时检测到磁场强度的大小。又因为磁场传感器400电连接控制组件500,控制组件500能够接受磁场传感器400传来的磁场强度的信号,并对信号作出分析判断。同时,控制组件500还电连接打印头200,根据磁场传感器400传来的磁场强度的信号,控制组件500可通过预设程序来修正打印头200的移动速度。通过反向推导可知,当磁场强度变大时,意味着单位时间内通过打印头200的带电荷的粉体600的量增多。此时,控制系统通过预设程序向打印头200发出指令,使得打印头200的移动速度提高,防止由于打印头200单位时间内喷射出的粉体600增多导致形成的打印层变厚。同理,当磁场强度变小时,意味着单位时间内通过打印头200的带电荷的粉体600的量减少。此时,控制系统通过预设程序向打印头200发出指令,使得打印头200的移动速度降低,防止由于打印头200单位时间内喷射出的粉体600减少导致形成的打印层变薄。
通常,磁场传感器400包括霍尔传感器,霍尔传感器包括正极部和负极部,正极部和负极部分设于打印头200相对的两侧,以使粉体600从正极部和负极部之间穿过。霍尔传感器利用霍尔效应检测磁场强度的大小,霍尔传感器的检测精度极高,能显著降低整个3D打印设备的系统误差。并且,霍尔传感器的结构简单,有利于霍尔传感器的安装和拆卸,降低了整个3D打印设备的装配难度。
进一步地,为了控制系统更准确地修正打印头200的移动速度。通过一段时间内供粉组件100的连续供粉,磁场传感器400得到该段时间内点电荷的粉体600产生的磁场强度的平均值B0,此时,打印头200在该段时间内的移动速度为V0。以上述一段时间内的磁场强度的平均值B0以及打印头200在该段时间内的移动速度为V0为参考值,当磁场传感器400实时测得磁场强度大小为B1时,则利用上述参考值,得出计算出打印头200移动速度的修正公式为:V1/V0=B1/B0,即,打印头200移动速度V1应当修正为V1=V0*(B1/B0)。此时,通过修正得到的打印头200移动速度V1的值更加精确,确保3D打印设备具有更好的打印精度。
如图1和图5所示,控制组件500包括控制器510、机械臂520和基座530,机械臂520一端连接基座530,另一端连接打印头200。且机械臂520电连接控制器510,控制器510通过机械臂520控制打印头200的移动。通常,控制系统一般通过控制器510实现对磁场传感器400的监测以及机械臂520的控制。当磁场传感器400检测到的磁场强度的信号传送给控制器510之后,控制器510对机械臂520发出指令,以使机械臂520控制打印头200进行相应的调整。机械臂520的移动自由度较大,移动起来更加灵活,通过机械臂520可实现打印头200的速度的快速调整与精确控制。
具体地,如图1所示,供粉组件100包括供气模块110和供粉模块120。供气模块110连接于输送管300的一端,供气模块110用于向输送管300输出高速气流。供粉模块120连接于输送管300位于供气模块110与打印头200之间的部位,供粉模块120用于向输送管300内输送带电荷的粉体600,以使带电荷的粉体600与高速气流在输送管300内混合后被输送至打印头200。供气组件提供的高速气流使得带电荷的粉体600能够在输送管300内快速移动,通过控制高速气流的速度可进一步控制粉体600在输送管300内的移动速度。也即,使得3D打印设备能够通过控制供气组件提供的高速气流的速度来控制带电荷的粉体600在输送管300内的移动速度,从而间接实现控制打印层的厚度。
进一步地,如图1所示,供气模块110包括气源111、风速传感器112和阀门113。气源111用于储存高压惰性气体,且气源111连接于输送管300的一端,并向输送管300输出高速气流。风速传感器112设于输送管300靠近气源111的一端,用于检测输送管300内的高速气流的流速。阀门113设于输送管300位于气源111与风速传感器112之间的部位,且阀门113电连接风速传感器112,以根据风速传感器112传输的高速气流的流速信息控制输送管300内高速气流的流速。通常,如图5所示,阀门113和风速传感器112也电连接控制器510,风速传感器112将检测到的高速气流的速度信号传送至控制器510,控制器510根据接收到的信号控制阀门113的开口度,以实现对输送管300内的高速气流的流速的有效控制。通过气源111、风速传感器112与阀门113之间的配合,可实现对输送管300内高速气流的流速的精确控制。
进一步地,如图1-3所示,供粉模块120包括:储粉部121、传送部123和恒压电容器124。储粉部121用于储存粉体600,且储粉部121设有出粉口122。传送部123设于出粉口122的下端,用于将粉体600从储粉部121传送至输送管300。恒压电容器124设于传送部123远离储粉部121的一端,用于将不带电荷的粉体600变成带电荷的粉体600。粉体600从出粉口122离开储粉部121进入传送部123,并在进入输送管300之前先经过恒压电容器124,以使原先不带电荷的粉体600带上正电荷或者负电荷,最后带电荷的粉体600进入输送管300。储粉部121的出粉口122的大小是固定的,因此,单位时间通过出粉口122进入传送部123的粉体600的量也是固定的,如此设置,有利于供粉模块120实现均匀供粉。并且,恒压电容器124的电容大小C为定值,且恒压电容器124两端的电压值U也为定值。因此,由公式Q=U*C(其中,Q表示电容器的带电荷的量,C表示电容器的电容大小,通常C为定值,U表示电容器两端的电压值)可知,恒压电容器124所带电荷量Q为定值。也即,即使粉体600从恒压电容器124上带走了部分电荷,恒压电容器124会迅速补充电荷,使得恒压电容器124所带电荷始终保持不变,也即,后续的粉体600经过恒压电容器124是能够带上相同数量的电荷。从而,有利于单位粉体600所带电荷的数量保持稳定,如此,则相同数量的带电粉体600产生的电流大小保持稳定,避免由于粉体600带电量不可控导致粉体600移动产生的磁场强度大小不可预测,即,使得通过打印头200的粉体600的数量成为磁场传感器400检测磁场强度变化的唯一变量。
在一实施例中,如图2和图3所示,恒压电容器124包括第一金属板和第二金属板,第一金属板连接电源正极形成正极板124a,第二金属板连接电源负极形成负极板124b。粉体600通过接触正极板124a携带正电荷,或者,粉体600通过接触负极板124b携带负电荷。如此,第一金属板和第二金属板具有良好的导电性,因此,第一金属板和第二金属板形成的电容器具有稳定的电压,有利于单位粉体600所带电荷的量保持稳定。
进一步地,如图3所示,正极板124a设于传送部123落粉处的下方,且正极板124a与水平面成一锐角设置。如此设置,便于粉体600在离开传送部123下落的过程中接触到正极板124a的表面,从而使得粉体600快速带上正电荷。并且,正极板124a与水平面成一锐角,有利于带电荷的粉体600离开正极板124a进入输送管300,有效防止粉体600滞留在正极板124a上。但不限于此,还可以是负极板124b设于传送部123落粉处的下方,使得经过负极板124b的粉体600带上负电荷。
在一实施例中,如图3所示,输送管300开设有进粉口310,进粉口310设于正极板124a的下方;且输送管300与正极板124a之间设有漏斗125,漏斗125开口较大的一端设于正极板124a的下方,用于承接带正电荷的粉体600,漏斗125开口较小的一端连接输送管300并连通进粉口310。通过设置漏斗125,且漏斗125设于正极板124a的下方的一端开口较大,可使从正极板124a滑落的粉体600全部进入漏斗125内,大大提高了3D打印设备运转的高效性,减小了系统误差。
在一实施例中,如图3所示,传送部123包括主动滚轮123a、从动滚轮123b、传送带123c和驱动电机123d。传送带123c绕设于主动滚轮123a和从动滚轮123b的外侧,以使主动滚轮123a和从动滚轮123b同步传动。且驱动电机123d连接主动滚轮123a,以驱动主动滚轮123a转动。传送带123c设于出粉口122的下端,用于承接粉体600。传送部123在工作时,储粉部121的粉体600通过出粉口122进入传送带123c靠近出粉口122的一侧,驱动电机123d驱动主动滚轮123a转动,主动滚轮123a带动从动滚轮123b转动,使得粉体600通过传送部123持续传向输送管300,保证了3D打印设备的供粉的稳定性。并且,如此设置,传送部123的结构更加简单,有利于传送部123的装配,并且降低了3D打印设备的制造成本。通常,如图5所示,驱动电机123d电连接控制器510,控制器510可以控制驱动电机123d的开启和关闭,并且,控制器510可以控制驱动电机123d的转速,从而间接控制传送部123的送粉速度。
如图3-4所示,从出粉口122进入传送带123c的上表面的粉体600堆叠形成一粉堆,粉堆的斜面与水平面成一休止角Q。大量的粉体600被倾倒于水平面上堆积为锥形的粉堆,粉堆的表面与水平面所成内角即为休止角,休止角的大小通常与粉体600的密度、粉体600的形状以及粉体600的摩擦系数有关。在传送带123c停止运动时,休止角的存在可使粉体600在传送带123c表面形成粉堆,粉堆对出粉口122具有密封作用,防止粉体600从出粉口122持续流动至传送带123c的上表面。
以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
本技术领域的普通技术人员应当认识到,以上的实施方式仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。