CN207496012U - 一种3d打印机熔融沉积过程的热环境控制结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构，包括3D打印控制器、熔融挤出头，熔融挤出头中设有底座，底座上连有伺服进丝机构，伺服进丝机构通过散热导热丝与高温挤出头连接，高温挤出头上设有恒温加热块，环形发光板通过支架与底座连接，高温挤出头从环形发光板穿过，且高温挤出头的端部高于环形发光板下表面，环形发光板上均匀分布有热辐射发光管阵列，热辐射发光管阵列与热辐射控制器相连接，热辐射控制器可对热辐射发光管阵列中每个热辐射发光管亮度进行独立控制。实用新型有益的效果是：结构简单、方案合理，熔融沉积关键区域的热环境控制效果好、综合能耗低，舱室无需密封、成本低，易于在3D打印行业推广应用。

Description

一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构

技术领域

本实用新型涉及3D打印机领域，尤其是一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构。

背景技术

熔融沉积法(Fused Deposition Modeling-FDM)3D打印机是目前应用最广泛的3D打印机类型之一，它提供了一种无需模具的三维零件低成本快速加工手段，采用FDM技术的3D打印机将树脂、工程塑料等塑料线材，通过熔融挤出头高温融化后按数控路径逐层沉积到三维零件断面上，并最终累加出期望的三维形态。在熔融沉积过程中，大部分3D打印机的工作舱室为室温状态，仅在打印最初几层时通过热床-具有恒温加热功能的基板，对熔融沉积层进行保温，防止高温状态的熔融挤出物急剧冷却导致沉积层翘曲和变形。而随着已打印层累积厚度的不断增加，热床的热量很难通过热阻较大的塑料沉积体传导至最上层的熔融沉积断面上，这使得3D打印过程的绝大部分熔融沉积过程，是高温状态的熔融挤出物在室温沉积体上的冷却固结的过程，两者间较大的温度差导致高温挤出物快速冷却固结，不仅降至层与层之间的粘结强度而且易产生结构内应力、导致3D打印零件变形。

目前只有少数高端3D打印机采用恒温加热舱室来实现对熔融沉积过程热环境的主动控制，即将整个打印过程置于有利于高温挤出物形成高强度沉积体的较高工艺温度环境中，进而提升3D打印质量。但保温舱室不仅结构笨重、能耗高、成本高，而且易造成舱室内的伺服装置、电气传感器、信号线路等高温老化、降低其使用寿命和可靠性。目前FDM 3D打印机领域还缺少一种能高效控制熔融沉积过程的热环境，且无需对整个舱室环境实时封闭保温的热环境控制方法。

实用新型内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、控制便捷、能耗低的3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构，包括3D打印控制器、熔融挤出头，熔融挤出头中设有底座，底座上连有伺服进丝机构，伺服进丝机构通过散热导热丝与高温挤出头连接，高温挤出头上设有恒温加热块，环形发光板通过支架与底座连接，高温挤出头从环形发光板穿过，且高温挤出头的端部高于环形发光板下表面，环形发光板上均匀分布有热辐射发光管阵列，热辐射发光管阵列与热辐射控制器相连接，热辐射控制器可对热辐射发光管阵列中每个热辐射发光管亮度进行独立控制，并通过多个热辐射发光管发光构成线段、曲线和图案。

作为优选，环形发光板的中心与高温挤出头轴线对齐，高温挤出头从环形发光板的中心穿过。

熔融挤出头通过平面伺服机构与3D打印控制器连接，3D打印控制器还同时与热辐射控制器、伺服进丝机构和恒温加热块相连接，以传输信号及工作电源。

一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制方法，采用上述控制结构，在3D打印机工作过程中，熔融挤出头按数控程序沿沉积路径移动过程中，3D打印控制器同时将高温挤出头当前所处瞬间位置的前后相邻的两段轨迹数据发送至热辐射控制器，热辐射控制器控制环形发光板上的热辐射发光管阵列生成两条发光轨迹，其中熔融挤出头瞬时移动方向前方的预热发光轨迹用于对已经冷却、即将熔融沉积的3D打印断面进行预热，熔融挤出头瞬时移动方向后方的保温发光轨迹用于对刚进行熔融沉积的3D打印断面进行保温。

在任意瞬间，环形发光板上生成的两段发光轨迹与熔融挤出头出口构成的连续轮廓均与数控程序中熔融挤出头对应时刻的沉积路径重合；熔融挤出头连续移动过程中，3D打印控制器不断将熔融挤出头的瞬时位置和熔融沉积路径数据更新至热控外控制器；热辐射控制器根据优选的预热温度曲线和保温温度曲线控制环形发光板，在熔融挤出头瞬时移动方向前方、后方产生相应的发光轨迹，以实现对刚沉积路径和即将沉积路径的保温和预热。

环形发光板采用热辐射发光管阵列作为热辐射元件，通过热辐射控制器控制每个热辐射发光管的亮度，热辐射控制器可根据从3D打印控制器接收的发光轨迹数据、熔融挤出头瞬时位置以及优选的保温、预热温度曲线自动生成热辐射发光管阵列的亮度控制指令，亮度控制指令作用在环形发光板上所形成保温发光轨迹、预热发光轨迹分别位于熔融挤出头瞬时移动方向的后方和前方，且其形状与熔融挤出头相邻的已执行沉积路径和即将执行沉积路径分别重合。

环形发光板与熔融挤出头采用一体化结构，熔融挤出头连续移动过程中，环形发光板的有效实用新型区域即环形区域始终包围高温挤出头，无论熔融挤出头的瞬时移动方式处于沉积断面的任何角度，环形发光板均能在其瞬时移动方向的后方和前方分别产生保温发光轨迹和预热发光轨迹；本实用新型采用和熔融挤出头同步移动的环形发光板调控熔融沉积发生区域及相邻区域的局部热环境控制，既可有效控制熔融沉积的粘结强度和变形程度，也避免了对整个舱室环境的恒温加热控制。

环形发光板采用可独立控制亮度的热辐射发光管阵列，生成始终跟随高温挤出头瞬时移动方向的保温和预热发光轨迹，保温和预热发光轨迹的跟踪过程无需机械移动部件，热辐射控制器仅需刷新热辐射发光管的亮度控制指令即可实现，保温和预热发光轨迹响应速度快、跟踪精度高，保温、预热轨迹的温度梯度控制方便。

实用新型有益的效果是：结构简单、方案合理，熔融沉积关键区域的热环境控制效果好、综合能耗低，舱室无需密封、成本低，易于在3D打印行业推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的熔融挤出头示意图；

图2为本实用新型实施例的环形发光板示意图；

图3为本实用新型实施例的控制信号连接图；

图4为本实用新型实施例的瞬时沉积路径与发光轨迹示意图；

附图标记说明：熔融挤出头1，底座2，伺服进丝机构3，散热导丝管4，高温挤出头5，恒温加热块6，环形发光板7，支架8，三维零件9，热辐射发光管阵列11，热辐射控制器12，平面伺服机构13，3D打印控制器19，高温挤出头的瞬时位置20，刚进行熔融沉积的路径21，即将进行熔融沉积的路径22，保温发光轨迹23，预热发光轨迹24。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1中，熔融挤出头1中有底座2，底座2与伺服进丝机构3联接，伺服进丝机构3与散热导丝管4联接，散热导丝管4与高温挤出头5联接，高温挤出头上5有恒温加热块6，环形发光板7通过支架8联接在底座2上，环形发光板7的中心与高温挤出头5的轴线对齐，高温挤出头5从环形发光板7的中心穿过环形发光板7，且高温挤出头5的尖端相对环形发光板7下表面存在微小高度差，使得高温挤出头5尖端与三维零件9的沉积断面对齐时，环形发光板7的下表面即发光面与三维零件9的沉积断面间存在微小间距，确保熔融挤出头1整体移动时，环形发光板7与三维零件9的沉积断面不发生机械干涉；

图2中，环形发光板7的发光面上均匀分布有热辐射发光管阵列11，热辐射发光管阵列11中的全部热辐射发光管用穿孔导线与环形发光板7背面的热辐射控制器12连接，且每个热辐射发光管在热辐射控制器12中均有唯一地址编码及控制寄存器，热辐射控制器12通过向特定地址编码指示的控制寄存器中写入控制字来调整对应热辐射发光管的亮度，控制字为0时对应的热辐射发光管熄灭，控制字为1时对应热辐射发光管为最大亮度，控制字为0-1之间的小数时，对应热辐射发光管的亮度与控制字数值成正比。

图3中，热辐射发光管阵列11与热辐射控制器12联接，热辐射控制器12与3D打印控制器19联接，伺服进丝机构3与3D打印控制器19联接，恒温加热块6与3D打印控制器19联接，熔融挤出头1的平面伺服机构13与3D打印控制器19联接；

图4中，3D打印过程的任意熔融沉积瞬间，高温挤出头5的瞬时位置位于20，高温挤出头5的瞬时速度方向如箭头所示，实线段21表示高温挤出头5刚进行熔融沉积的路径，虚线段22表示高温挤出头5即将进行熔融沉积的路径；相应的环形发光板7发光面上的热辐射发光管阵列11产生的保温发光轨迹为23，预热发光轨迹为24。

本实用新型的热辐射发光管可采用大功率红外LED芯片及其它具有较强热辐射效应发光单元，所采用的热辐射发光管个体尺寸越小，可构成的热辐射发光管阵列像素密度越高，所生成保温发光轨迹、预热发光轨迹的几何分辨率越高，与高温挤出头熔融沉积路径的匹配偏差越低。

本实用新型环形发光板7的发光面与高温挤出头5尖端的高度差很小，高温挤出头5进行熔融沉积加工期间，环形发光板7的发光面与三维零件9沉积断面的间隙亦很小，因此热辐射发光管生成的保温发光轨迹23和预热发光轨迹24，其照射到熔融沉积路径上的中间热损失很少，对非加工区域的热辐射影响亦很小。

本实用新型环形发光板所生成保温发光轨迹23、预热发光轨迹24，其动态响应速度远快于熔融挤出头平面伺服机构13的运动速度，因此保温发光轨迹23和预热发光轨迹24跟踪熔融沉积路径的动态偏差很小，即使在熔融挤出头不断移动的条件下，亦可对熔融沉积区域的局部热环境实施精准控制。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构，包括3D打印控制器(19)、熔融挤出头(1)，熔融挤出头(1)中设有底座(2)，底座(2)上连有伺服进丝机构(3)，伺服进丝机构(3)通过散热导热丝(4)与高温挤出头(5)连接，高温挤出头(5)上设有恒温加热块(6)，其特征是：环形发光板(7)通过支架(8)与底座(2)连接，高温挤出头(5)从环形发光板(7)穿过，且高温挤出头(5)的端部高于环形发光板(7)下表面，环形发光板(7)上均匀分布有热辐射发光管阵列(11)，热辐射发光管阵列(11)与热辐射控制器(12)相连接，热辐射控制器(12)可对热辐射发光管阵列(11)中每个热辐射发光管进行独立控制。

2.根据权利要求1所述的3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构，其特征是：环形发光板(7)的中心与高温挤出头(5)轴线对齐，高温挤出头(5)从环形发光板(7)的中心穿过。

3.根据权利要求1所述的3D打印机熔融沉积过程的热环境控制结构，其特征是：熔融挤出头(1)通过平面伺服机构(13)与3D打印控制器(19)连接，3D打印控制器(19)还同时与热辐射控制器(12)、伺服进丝机构(3)和恒温加热块(6)相连接。