CN113119452A - 一种用于fdm类型3d打印机断点续传的加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,包括控制模块、电源模块、定位模块、探温模块和加热模块,所述电源模块通过电源线分别与控制模块和定位模块相连,所述控制模块通过控制线和数据线与定位模块相连,定位模块底部设有探温模块和加热模块。本发明提供的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,在3D打印发生断点时,由控制模块将定位模块移至断点位置上方,定位模块底部的探温模块和加热模块分别发出探温红外光束和加热激光束,且探温红外光束和加热激光束相交于断点N处,能够保证对断点位置的直接加热,降低断点N处与M处温差,进而减少材料堆积过程中出现的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于3D打印设备领域,具体涉及一种用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置。
背景技术
依照标准《GB/T 35351-2017 增材制造 术语》和《GB/T 35021-2018 增材制造 工艺分类及原材料》,FDM(Fused Deposition Modeling),属于材料挤出工艺;所用材料加热后,经孔口挤出,进而堆积为制造零件或实物。在实际生产中,一旦堆积过程被中断,只能获得部分打印实物,致使成品率降低。为了解决这一问题,目前已经开发出断点续传的3D打印件。但是,该方法也引入缺陷。FDM工艺,需要将材料加热至熔融状态,而后挤出至某一特定的位置N(图1标记位置)。正常打印过程中,置于N处出的材料温度与M处(图1标记位置,M为与N处相邻,且已有堆积材料的位置)温差有限(降温需要一个过程)。打印过程一旦被终止,N点和N-1点的温度会逐渐降至室温。尽管断点续传的可以将挤出的熔融材料置于N处,但是N处于M处存在较大的温差(室温于熔融材料温度的区别),致使产品出现缺陷。
FDM的设备一般配有加热装置,用于加热成型/升降台,进而解决打印开始时出现的温差问题。但是该装置难以加热断点N处,因为二者被已有的打印材料隔开。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,用于加热断点N处,降低N处与M处温差,进而减少材料堆积过程中出现的缺陷。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,包括控制模块、电源模块、定位模块、探温模块和加热模块;所述电源模块通过电源线分别与控制模块和定位模块相连,所述控制模块通过控制线和数据线与定位模块相连;定位模块底部设有探温模块和加热模块,探温模块发出的探温红外光束与加热模块发出的加热激光束相交于断点N处。
所述加热模块和探温模块交替地进行加热和测温工作。
所述探温模块包括红外探头;所述加热模块包括激光头,激光头的输出功率在300~1000wm之间,输出波长在380~780 nm之间。
所述定位模块底部设有垂直的加热定位孔和倾斜的探温定位孔,加热模块固定在加热定位孔中,探温模块固定在探温定位孔中,使得探温模块的底部靠近加热模块,从而使得探温模块发出的探温红外光束与加热模块发出的加热激光束相交。
所述控制模块控制定位模块的运动轨迹,并控制探温模块和加热模块交替工作,以及控制探温模块和加热模块交替的频率。
所述控制模块利用探温模块采集的温度数据计算加热模块的加热时间,采用如下公式:Q=W×t=C×V(Tt-Te)×α,其中已知参数3D打印材料的比热容C、断点位置的预设体积V、加热激光束的功率W、目标温度Tt、环境温度Te和环境因素系数α,α的取值为1~3,通过计算得到加热断点所需的总热量Q和加热模块的加热预估时间t。
相对于现有技术,本发明的有益效果为:
本发明提供的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,在3D打印发生断点时,由控制模块将定位模块移至断点位置上方,定位模块底部的探温模块和加热模块分别发出探温红外光束和加热激光束,且探温红外光束和加热激光束相交于断点N处,能够保证对断点位置的直接加热,降低断点N处与M处温差,进而减少材料堆积过程中出现的缺陷。
附图说明
图1是材料挤出工艺原理示意图(参考标准:GB/T 35021-2018)
图2是本发明提供的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置的结构示意图;
图3是本发明中定位模块、加热模块和探温模块的安装示意图;
图4是定位模块与挤出模块的位置示意图;
图5是加热断点的影响因素示意图;
图6是本发明中探温模块、加热模块与控制模块(单片机STC15W4K32S4)的电路图;
其中:1为支撑材料,2为成形和升降平台,3为加热喷嘴,4为供料装置,5为成形工件,6为控制模块,7为控制线和数据线,8为探温模块,9为探温红外光束,10为断点N,11为电源模块,12为电源线,13为定位模块,14为加热模块,15为加热激光束,16为核心加热区域,17为加热区域,18为已打印区域,19为控制线和数据线走位孔,20为探温定位孔,21为加热定位孔,22为挤出模块,23为导向杆。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图2所示,本发明提供的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置分为5个模块,分别为电源模块11、控制模块6、定位模块13、探温模块8和加热模块14。
各个模块分别详述如下:
1)电源模块11:
电源模块11为定位模块13和控制模块6提供电源。具体的,电源模块11提供3~5V和5~24V的直流电压,3~5V直流电压通过电源线12给控制模块6供电,5~24V直流电压通过电源线12给定位模块13、加热模块14和探温模块8供电。
2)控制模块6:
2.1) M处的确定,通过断点N处的位置计算;
2.2) M处的加热,通过控制加热模块14实现;
2.3) M处的温度探测,通过控制探温模块8实现;
3.4) M处被加热至合适的温度,通过控制加热模块14和探温模块8实现;
3.5) N处材料的堆积,通过控制加热喷嘴3实现。
具体的,控制模块6通过控制线和数据线7控制定位模块13的运动轨迹,控制探温模块8和加热模块14。利用探温模块8采集的温度数据和断点N的位置,计算加热模块14的加热时间和加热区域。
控制模块6还用于控制FDM打印机的加热喷嘴3和供料装置4(图1所示),进而实现工件的成型工艺。
3)定位模块13:
用于控制并带动加热模块14和探温模块8移动至断点位置,而后在控制模块6的控制下,实现对N点(核心加热区域16)及其周边区域(加热区域17)的加热。核心加热区域16和加热区域17都位于已打印区域18。
4)加热模块14:
加热模块14包含激光头。激光头的输出功率在300~1000wm之间,输出波长在380~780 nm之间。激光头输出加热激光束15时,探温模块8关闭;探温模块8测温时,激光头停止输出加热激光束15。二者交替的频率由控制模块6决定。
断点N(即核心加热区域)在加热激光束15的照射下,温度上升,上升的速度取决于激光头的输出功率、激光束的直径、打印材料的材质,打印机所处的环境等因素。上述因素作为输入参数,经控制模块6计算分析,决定激光束的输出时间和激光头的移动区域,进而实现对核心加热区域和加热区域的加热。
5)探温模块8:
探温模块8用于检测核心加热区域和加热区域的温度,并把所测得的温度,作为输入数据,经控制线和数据线7传给控制模块6,用以控制加热模块。
探温模块8包含红外探头(红外温度探测装置)。进行温度探测时,加热模块14停止工作;加热模块工作时,探温模块停止工作;二者采用交替工作的模式,以降低加热模块对探温模块的影响。
红外探头发出的探温红外光束9和激光头发出的加热激光束15,聚焦于一点,即核心加热区域16,从而实现对加热区域温度的实时监测。
图3是本发明中定位模块13、加热模块14和探温模块8的连接方式示意图。定位模块13的顶部有控制线和数据线走位孔19以及电源线走位孔,它们分别链接控制模块6和电源模块11。定位模块13的底部设有带螺纹的探温定位孔20和加热定位孔21,探温定位孔20和加热定位孔21的轴线与定位模块13底面的中线相交,其中加热定位孔21与定位模块13的底面垂直,探温定位孔20与定位模块13的底面的法线呈一定角度。探温模块8和加热模块14与定位模块6通过螺纹相连接,使得红外探头与激光头呈一定角度,用以保证探温红外光束9与加热激光束15的交汇。
图4显示了带有加热模块14和探温模块8的定位模块13与挤出模块22之间的位置关系。正常打印时,控制模块6控制挤出模块22进行3D打印。断点发生后,控制模块6将断点位置保存,而后将定位模块13移至断点处,用加热模块14和探温模块8对断点进行加热。加热结束后,控制模块6再将挤出模块22移至断点处,继续3D打印。定位模块13与挤出模块22之间的距离是固定的。便于控制模块6通过断点位置,把定位模块13移动至断点位置,进行加热。
如图5所示,加热断点的影响因素包括:
3D打印材料的种类,不同的材料,其比热容C不同(默认值500 J/KG·K);
断点位置的预设体积,记为V(默认为1mm3);
加热激光束的功率,记为W(默认值为500mw);
加热断点所需总热量:Q(计算得到);
加热预估时间:t(计算得到);
目标温度Tt和环境温度Te,(Tt默认值为20℃、Te默认值为100℃);
散热速度,环境因素(如空气的流动,湿度等等)用一个系数来表达,记为α,取值为1~3。
上述因素之间的关系为:Q=W×t=C×V(Tt-Te)×α
上述参数可以通过控制模块6修改。计算时需要考虑单位的换算。
在加热的过程,探温模块8获得的温度数据周期性地传给控制模块6。当断点的温度达到目标温度后,则停止加热,此时的加热时间记为t实际。当加热时间t实际> 2倍的计算的加热预估时间t时,则停止加热。该设置是为了防止温度传感器失效。因为若没有该设置,温度传感器失效后,加热模块14会持续加热,这样容易引发问题。
图6为探温模块8、加热模块14与控制模块6(单片机STC15W4K32S4)的电路图。
其中,探温模块8有4个引脚,其中GND接地,VCC与电源模块11相连,电压范围(5~24V)。引脚SS与控制模块6的P6.0相连,需要检测断点温度时,该引脚被控制模块6拉为高电平,而后探温模块8开始工作;探温模块8将探测的温度信息转换为电压信号,通过引脚OUT输出;该引脚与控制模块6的P0.1相连。控制模块6通过计算得到检测的温度值,而后判定是否需要进行加热,加热过程由加热模块14实现。
加热模块14有4个引脚。其中GND接地,VCC与电源模块11相连,电压范围(5~24V)。引脚SS与控制模块6的P6.1相连,需要加热断点温度时,该引脚被控制模块6拉为高电平,而后加热模块14开始工作。引脚D用以控制加热模块14中激光束的强度,该引脚与控制模块6的P2.7相连,控制模块6通过PWM信号控制激光束的强度。
另外,在3D打印过程中发生断点时,断点的位置信息是被保存在控制模块6中的,控制模块6利用该断点位置信息,将探温模块8和加热模块14移至断点位置。而后控制模块6控制探温模块8和加热模块14完成对断点位置的加热处理。最后,控制模块6将定位模块3移至非工作位置,并把挤出模块22移动至断点位置,进而开始断点打印的工作。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:包括控制模块(6)、电源模块(11)、定位模块(13)、探温模块(8)和加热模块(14);所述电源模块(11)通过电源线(12)分别与控制模块(6)和定位模块(13)相连,所述控制模块(6)通过控制线和数据线(7)与定位模块(13)相连;定位模块(13)底部设有探温模块(8)和加热模块(14),探温模块(8)发出的探温红外光束(9)与加热模块(14)发出的加热激光束(15)相交于断点N(10)处。
2.根据权利要求1所述的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:所述加热模块(14)和探温模块(8)交替地进行加热和测温工作。
3.根据权利要求1或2所述的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:所述探温模块(8)包括红外探头;所述加热模块(14)包括激光头,激光头的输出功率在300~1000wm之间,输出波长在380~780 nm之间。
4.根据权利要求1或2所述的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:所述定位模块(13)底部设有垂直的加热定位孔(21)和倾斜的探温定位孔(20),加热模块(14)固定在加热定位孔(21)中,探温模块(8)固定在探温定位孔(20)中,使得探温模块(8)的底部靠近加热模块(14),从而使得探温模块(8)发出的探温红外光束(9)与加热模块(14)发出的加热激光束(15)相交。
5.根据权利要求1或2所述的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:所述控制模块(6)控制定位模块(13)的运动轨迹,并控制探温模块(8)和加热模块(14)交替工作,以及控制探温模块(8)和加热模块(14)交替的频率。
6.根据权利要求5所述的用于FDM类型3D打印机断点续传的加热装置,其特征在于:所述控制模块(6)利用探温模块(8)采集的温度数据计算加热模块(14)的加热时间,采用如下公式:Q=W×t=C×V(Tt-Te)×α,其中已知参数3D打印材料的比热容C、断点位置的预设体积V、加热激光束的功率W、目标温度Tt、环境温度Te和环境因素系数α,α的取值为1~3,通过计算得到加热断点所需的总热量Q和加热模块(14)的加热预估时间t。
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