CN210211369U - 一种针对颗粒材料的熔混3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种针对颗粒材料的熔混3D打印系统，该系统包括用于人机交互操作的上位机（1），用于打印与成型的打印机本体（2），用于原料的熔化、混合及药浆推进的熔混装置（3），用于为打印机本体（2）和混溶装置（3）提供高温加热、常温保温、高压气及真空环境的辅助装置（4）以及用于接收上位机（1）的指令并控制打印机本体（2）、熔混装置（3）和辅助装置（4）动作的控制器（5）。本实用新型提供的3D打印系统利用熔混装置对颗粒材料进行混溶，在控制器和上位机的作用下在打印机本体内进行打印成型，通过辅助装置的高温加热、常温保温、高压气及真空环境保证了打印机本体有效地的打印成型，保证了产品的稳定性。

Description

一种针对颗粒材料的熔混3D打印系统

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印系统，尤其是涉及一种针对颗粒材料的熔混3D打印系统。

背景技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印技术的原理与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印过程包括三维设计、切片处理和完成打印三大步骤，主要应用于海军舰艇、航天技术和医学领域等。

将3D打印成型技术应用于颗粒材料，对颗粒材料成型工艺具有较好的改善作用，具有成型快、高精度以及对复杂产品结构具有成型的优点，保证颗粒材料成型的稳定性，是3D打印在颗粒材料中的成型关键，故研究3D打印在颗粒材料中到的成型具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型在此的目的在于提供一种能够对颗粒材料进行有效地3D打印，保证颗粒材料成型的稳定性的针对颗粒材料的熔混3D打印系统。

为实现本实用新型的目的，在此所提供的3D打印系统包括：

上位机，用于人机交互操作；

打印机本体，用于打印与成型，与所述熔混装置连通；

熔混装置，用于原料的熔化、混合及药浆推进；

辅助装置，用于为所述打印机本体和所述熔混装置提供高温加热、常温保温、高压气及真空环境；以及

控制器，用于接收所述上位机的指令并控制所述打印机本体、所述熔混装置和所述辅助装置动作。

在一些实施方式中，所述打印机本体包括XYZ三轴平台、打印喷头、成型箱和托盘，所述XYZ三轴平台安装于所述成型箱内，所述打印喷头通过喷头支撑杆安装于所述XYZ三轴平台上，所述托盘通过托盘支撑杆安装于所述XYZ三轴平台上，所述XYZ三轴平台带动所述打印喷头和所述托盘运动。

利用XYZ三轴平台实现了X、Y、Z三个方向的移动，更好地保证了打印的有效性。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的3D打印系统利用熔混装置对颗粒材料进行混溶，在控制器和上位机的作用下在打印机本体内进行打印成型，通过辅助装置的高温加热、常温保温、高压气及真空环境保证了打印机本体有效地的打印成型，保证了产品的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型所提供的3D打印系统的系统图；

图2为本实用新型所提供的打印机本体的结构示意图；

图3为本实用新型所提供的XYZ三轴平台的结构示意图；

图4为本实用新型所提供的Z向运动机构的结构示意图；

图5为本实用新型所提供的X向运动机构的结构示意图；

图6为本实用新型所提供的Y向运行机构的结构示意图；

图7为本实用新型提供的打印喷头的结构示意图之一；

图8为本实用新型提供的打印喷头的结构示意图之二；

图9为本实用新型提供的带红外LED的打印喷头的结构示意图之一；

图10为本实用新型提供的带红外LED的打印喷头的结构示意图之二；

图11为本实用新型提供的熔混装置的结构示意图；

图12为本实用新型所提供的加热装置的原理图；

图13为本实用新型所提供的高压惰性气体装置向成型箱通入惰性气体的原理图；

图中：1-上位机，2-打印机本体，3-熔混装置，4-辅助装置，5-控制器，6-红外LED组，7-滑轨，8-螺丝，9-管道，10-节流减压阀，11-压力传感器，12-泄漏阀，21-XYZ三轴平台，22-打印喷头，23-成型箱，24-托盘，25-喷头支撑杆，26-托盘支撑杆，211-上支撑架，212-下支撑架，213-Z向传动杆，214-Z向电机，215-同步带，216-前X向基座，217-后X向基座，218-Y向基座，219-X向电机，220-X向同步带，221-第一固接件，222-Y向电机，223-Y向同步带，224-第二固接件，225-Z向导向杆，226-左滑轨，227-右滑轨，228-左滑块，229-右滑块，231-温控室，232-传动室，2311-保温板，31-不对称转箱，32-加热管，33-旋转轴，34-旋转接头，35-安装底座，36-支撑杆，37-电机，311-加热口，312-进气口，313-齿轮，314-轴承，315-进料口，316-出料口，411-液体介质箱，412-第一球阀，413-液位液温计，414-空气滤清器，415-第二球阀，416-驱动电机，417-泵，418-软管，419-安全阀，420-过滤器，421-单向阀，422-蓄能器，423-温度传感器，424-耐震压力表，425-散热器。

具体实施方式

在此结合附图和具体实施例对本实用新型所要求保护的技术方案作进一步详细的介绍说明。

本实用新型在此要求保护的技术方案是一种针对颗粒材料的熔混3D打印系统，如图1所示，该系统包括：

上位机1，用于人机交互操作；

打印机本体2，用于打印与成型；

熔混装置3，用于原料的熔化、混合及药浆推进；

辅助装置4，用于为打印机本体2和熔混装置3提供高温加热、常温保温、高压气及真空环境；以及

控制器5，用于接收上位机1的指令并控制打印机本体2、熔混装置3和辅助装置4动作。熔混装置3和辅助装置4与打印机本体2之间设置有阀门。

其中，为了实现了打印过程中的精密打印，本实用新型所采用的打印机本体2包括XYZ三轴平台21、打印喷头22、成型箱23和用于支撑产品成型的托盘24，XYZ三轴平台21安装于成型箱22内，打印喷头22通过喷头支撑杆25安装于XYZ三轴平台21上，托盘24通过托盘支撑杆26安装于XYZ三轴平台21上，XYZ三轴平台21带动打印喷头22和托盘24运动，如图2所示。

三轴平台实现了XYZ三个方向的精密运动，在上位机和控制器的控制下XYZ三轴平台21控制打印喷头22精确移动进行喷洒，可以采用仅仅控制打印喷头22在XYZ三个方向上运动实现精密运动，也可以采用打印喷头和托盘复合运动实现XYZ三个方向的精密运动。本实用新型在此采用的是打印喷头和托盘复合运动实现XYZ三个方向的精密运动，两者的运动方式可以是多种，如表1所示。

表1 XYZ三个方向上的运动配置

序号	托盘运动	打印喷头运动	备注
				方案一	Z向	XY向	本方案采用
方案二	XY向	Z向
				方案三	X向	Yz向

而本实用新型在此则以方案一为例对控制原理进行说明，即z向运动由托盘24完成、XY两向的运动由打印喷头22完成，具体的结构是如图3-6所示：

XYZ三轴平台包括Z向运动机构、X向运动机构和Y向运行机构，Z向运动机构包括上支撑架211、下支撑架212、Z向运动杆213和Z向电机214；Z向运动杆213的两端分别安装于上支撑架211和下支撑架212上，托盘24通过托盘支撑杆26安装于Z向运动杆213上，Z向电机214的输出端通过同步带215驱动Z向运动杆213转动，托盘支撑杆26在Z向运动杆213的带动下上下运动，实现Z方向上的运动；

X向运动机构包括前X向基座216、后X向基座217、Y向基座218、X向电机219和X向同步带220；X向同步带220横跨于前X向基座216和后X向基座217之间，Y向基座218通过第一固接件221安装于X向同步带220上，X向电机219带动X向同步带220沿X向运动；打印喷头22通过喷头支撑杆25安装于Y向基座218上，实现打印喷头22在X方向上的运动；

Y向运行机构包括Y向电机222和Y向同步带223，喷头支撑杆25通过第二固接件224安装于Y向同步带223上，Y向电机222带动Y向同步带223沿Y向运动，实现打印喷头22在Y方向上的运动。

为了能够更好地实现精密限位，保证打印的精密性，Z向运行机构还包括两端安装于上支撑架211和下支撑架212上且位于Z向运动杆213两侧的Z向导向杆225，托盘24与Z向导向杆225之间为滑动连接。同步带215在Z向电机214的带动下做圆周运动，从而带动托盘24上下运动，托盘24通过Z向导向杆225实现了Z方向上的精密限位。

X向运动机构还包括左滑轨226、右滑轨227、与左滑轨226相匹配的左滑块228和与右滑轨227相匹配的右滑块229；左滑轨226和右滑轨227的两端分别与前X向基座216和后X向基座2217连接，左滑块228和右滑块229分别可滑动的安装于左滑轨226和右滑轨227上；左滑块228的顶面和右滑块229的顶面分别与Y向基座218连接。X向同步带220在X向电机的带动下沿X向循环运动，Y向基座218在X向同步带220带动下沿X向循环运动，从而带动左滑块228和右滑块229同时沿X向循环运动，通过左滑轨226、右滑轨227、左滑块228和右滑块229实现X方向上的精密限位。

打印机本体2中的成型箱23是熔铸成型的地方，其包括温控室231和传动室232，温控室231和传动室232之间通过隔热板分隔，在隔热板上设置有两处缝隙，一处供喷头支撑杆25使用，一处供托盘支撑杆26使用；XYZ三轴平台21安装于传动室232内，打印喷头22和托盘24分别通过喷头支撑杆25和托盘支撑杆26位于温控室231内；成型箱23的外壳用保温板进行密封，保证成型箱23内为负压或正压环境。

成型箱23中的温控室231内布设有加热管道，传动室232内布设有保温管道；成型箱23上设置有与加热管道相连通的加热管接口、与保温管道连通的保温管接口、与熔混装置连通的熔铸材料接口、抽真空接口、高压惰性气体接口以及为XYZ三轴平台21提供电源的电源接口；熔铸材料接口还与打印喷头22连通。辅助装置提供的加热液体通过加热管接口通入加热管道，辅助装置提供的保温液体通过保温管接口通入保温管道，辅助装置还与抽真空接口和高压惰性气体接口连接，对成型箱23进行抽真空和充入惰性气体，形成正压或负压。

为了保证熔混装置通入打印喷头22内的混合液呈流态，打印喷头22的外周也铺设有加热管道和保温管道。为了更好地保证成型箱的密封性，设置于成型箱23上的加热管接口、保温管接口、熔铸材料接口、抽真空接口、高压惰性气体接口和电源接口处均设置有密封圈进行密封。

本实用新型打印机本体2中的打印喷头22的结构如图7、图8所示，采用双喷头，一个喷头打印由熔混装置提供的熔融态材料，另一个喷头打印层间连接剂，如图7所示；两个喷头有独立的加热管道及保温管道，如图8所示。当然也可以根据成型工艺的要求设计为一个或多个喷头，喷孔的直径在Φ1mm和Φ5mm之间变化。

此外，本实用新型打印机本体2中的打印喷头22还可以采用带红外LED的喷头，如图9和图10所示，在打印喷头22的基础上增加一红外LED组6，红外LED组6通过滑轨7安装于打印喷头22旁，通过滑轨7可以调节打印喷头22与红外LED组6之间的距离，距离调节完成后用定位螺丝8拧紧进行定位。

本实用新型提供的熔混装置结构如图11所示，其包括不对称转箱31、和铺设于不对称装箱31外周上的加热管32、旋转轴33、支撑件36和为不对称转箱31提供动能的电机37；不对称转箱31上包括旋转接头34，在旋转接头34上设置有加热口311和进气口312，不对称转箱31还包括齿轮313、轴承314、进料口315和出料口316。

加热口311和进气口312分别与加热管32连通，进料口315和出料口316分别与不对称转箱31连通；不对称转箱31和电机37安装于支撑件36上，旋转轴33支撑于支撑件36的底部中心处。

加热液通过旋转接头34上的加热口311流进入到转箱表面缠绕的加热管32中，对转箱进行加热；此外，在加热管32外周上包覆有保温。旋转轴33通过旋转轴支撑件安装于安装底座35上。

当然也可以采用其它任何一种能够将固相和液相材料熔化混合的装置。

采用熔混装置对固相颗粒和液相材料混溶是的具体步骤如下：

1）打开进料阀门，让按规定比例混合的固相颗粒及液相材料进入熔混装置，进料阀门分别安装于熔混装置和原料储存罐之间，通过阀门的控制，能够精准的控制原料进入熔混装置的量；

2）开始想加热管内通入加热液，以提高给熔混装置内腔温度；

3）当熔混装置内部温度逐渐升高并接近熔化温度时，给进气口接通负压对熔混装置抽真空；

4）电机开始工作带动转箱运转，开始混合药浆；

5）经过一段时间的搅拌药浆混合均匀，持续通加热液保持熔混装置内室温度防止药浆凝固，降低电机转速以防止药浆中固相颗粒沉积；至此，药浆混合完成。

本实用新型3D打印系统中打印机本体2、熔混装置中的加热液、保温液、真空抽取以及正负压形成通过辅助装置4实现，该辅助装置4包括了用于产生加热介质的加热装置、用于产生保温介质的保温装置、用于抽取真空的抽真空装置和用于提供气体而使打印机本体2和熔混装置4形成正负压的高压惰性气体装置。

为了保证系统的安全性，本实用新型采用流动性介质进行加热及保温，常用的加热、保温介质有油或水，由于水容易形成水垢并腐蚀管路，故本实用新型在此采用油介质进行热传导。本实用新型提供的加热装置的结构图12所示，包括液体介质箱411、第一球阀412、液位液温计413、空气滤清器414、第二球阀415、驱动电机416、泵417、软管418、安全阀419、过滤器420、单向阀421、蓄能器422、温度传感器423、耐震压力表424和散热器425。液体介质箱411可以根据加热介质选择具体的容器，如选择油作为加热介质，液体介质箱411可以采用不锈钢油箱，相应的泵417为油泵。

辅助装置中的保温装置为了保证传动室中伺服电机、电子元件能正常工作，需调节传动室的环境温度，采用流动性油介质进行冷却是比较可行的方式，其原理图与加热装置相同。

高压惰性气体装置产生的惰性气体通过管道9通入成型箱23内，使成型箱23内形成正压或负压。在管路上安装有节流减压阀10，节流减压阀的通断由控制器控制。为了能够监测压力和保证成型箱23内的压力在安全范围内，本实用新型在管道上装压力传感器11和通过管道8与成型箱23连通的泄漏阀12，如图13所示，压力传感器11实时测量成型箱23里的压力，并将测量到的压力值传输至控制器，当压力不够时，控制器打开节流阀10给成型箱23充压，当达到设定压力时停止充气；若检测到压力过大，或需要把成型箱23里的高压气体排出时，控制器控制泄露阀12打开进行排气，保证成型箱23内的压力在安全范围内。

抽真空装置使产品能够在真空环境下凝固形成，保证了产品的稳定性。

所记载的Z向传动杆为螺杆螺母结构，托盘24通过托盘支撑杆26形成悬臂结构，根部与螺母装配，Z向电机带动同步带215循环转动，从而带动螺母在螺杆上上下运动，实现托盘24的上下运动。

本实用新型提供的辅助装置中的高压惰性气体装置可以采用现有的任何一种能够产生惰性气体的装置，如高压氮气瓶。

此外，本实用新型成型箱23的温控室231的底部设置保温板2311，位于托盘24的下方，如图2所示。

本实用新型提供的3D打印系统的具体打印步骤如下：

步骤1：操作员在上位机中调用三维建模软件对预打印的模型进行建模，形成STL数据文件；

步骤2：操作人员在上位机中调用切片软件对几何模型进行切片，生成能够指导打印的G-code；

步骤3：打印准备工作，操作人员给控制器、打印机本体、熔混装置及辅助装置上电，上位机上通过主控软件将G-code模型下载到控制器，控制器控制启动辅助装置；

步骤4：操作人员将原料加入到熔混装置，控制器控制熔混装置开始工作，制备药浆；

步骤5：药浆制备完成后，使成型箱的温度准备至工艺设定温度；

步骤6：控制器根据G-code的指令，控制打印机本体开始打印；

步骤7：打印机本体打印完一层药浆后，在其上布设一层间连接剂；

步骤8：控制器根据G-code打印下一层；

步骤9：重复第6步到第8步动作，直至将整个模型打印完毕；

步骤10：待打印的模型凝固；

步骤11：打印结束，各装置泄压、断电。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本实用新型的技术方案的精神和范围，均涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于，该系统包括：

上位机（1），用于人机交互操作；

打印机本体（2），用于打印与成型，与熔混装置（3）连通；

熔混装置（3），用于原料的熔化、混合及药浆推进；

辅助装置（4），用于为所述打印机本体（2）和所述熔混装置（3）提供高温加热、常温保温、高压气及真空环境；以及

控制器（5），用于接收所述上位机的指令并控制所述打印机本体、所述熔混装置和所述辅助装置动作。

2.根据权利要求1所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述打印机本体（2）包括XYZ三轴平台（21）、打印喷头（22）、成型箱（23）和托盘（24），所述XYZ三轴平台（21）安装于所述成型箱（23）内，所述打印喷头（22）通过喷头支撑杆（25）安装于所述XYZ三轴平台（21）上，所述托盘（24）通过托盘支撑杆（26）安装于所述XYZ三轴平台（21）上，所述XYZ三轴平台（21）带动所述打印喷头（22）和所述托盘（24）运动。

3.根据权利要求2所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述XYZ三轴平台（21）包括Z向运动机构、X向运动机构和Y向运行机构，所述Z向运动机构包括上支撑架（211）、下支撑架（212）、Z向运动杆（213）和Z向电机（214）；所述Z向运动杆（213）的两端分别安装于所述上支撑架（211）和所述下支撑架（212）上，所述托盘（24）通过所述托盘支撑杆（26）安装于所述Z向运动杆（213）上，所述Z向电机（214）的输出端通过同步带（215）驱动所述Z向运动杆（213）转动，所述托盘支撑杆（26）在所述Z向运动杆（213）的带动下上下运动；

所述X向运动机构包括前X向基座（216）、后X向基座（217）、Y向基座（218）、X向电机（219）和X向同步带（220）；所述X向同步带（220）横跨于所述前X向基座（216）和所述后X向基座（217）之间，所述Y向基座（218）通过第一固接件（221）安装于所述X向同步带（220）上，所述X向电机（219）带动所述X向同步带（220）沿X向运动；所述打印喷头（22）通过喷头支撑杆（25）安装于所述Y向基座（218）上；

所述Y向运行机构包括Y向电机（222）和Y向同步带（223），所述喷头支撑杆（25）通过第二固接件（224）安装于所述Y向同步带（223）上，所述Y向电机（222）带动所述Y向同步带（223）沿Y向运动。

4.根据权利要求3所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述Z向运行机构还包括两端安装于所述上支撑架（211）和所述下支撑架（212）上且位于所述Z向运动杆（213）两侧的Z向导向杆（225）；所述托盘（24）与所述Z向导向杆（225）之间为滑动连接。

5.根据权利要求3所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述X向运动机构还包括左滑轨（226）、右滑轨（227）、与所述左滑轨（226）相匹配的左滑块（228）和与所述右滑轨（227）相匹配的右滑块（229）；所述左滑轨（226）和所述右滑轨（227）的两端分别与所述前X向基座（216）和所述后X向基座（217）连接，所述左滑块（228）和所述右滑块（229）分别可滑动的安装于所述左滑轨（226）和所述右滑轨（227）上；所述左滑块（228）的顶面和所述右滑块（229）的顶面分别与所述Y向基座（218）连接。

6.根据权利要求2所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述成型箱（23）包括温控室（231）和传动室（232），所述温控室（231）和所述传动室（232）之间通过隔热板分隔；所述XYZ三轴平台（21）安装于所述传动室（232）内，所述打印喷头（22）和所述托盘（24）分别通过所述喷头支撑杆（25）和所述托盘支撑杆（26）位于所述温控室（231）内；所述成型箱（23）的外壳用保温板进行密封，所述温控室（231）内布设有加热管道，所述传动室（232）内布设有保温管道；所述成型箱（23）上设置有与所述加热管道相连通的加热管接口、与所述保温管道连通的保温管接口、与所述熔混装置连通的熔铸材料接口、抽真空接口、高压惰性气体接口以及为所述XYZ三轴平台（21）提供电源的电源接口；所述熔铸材料接口还与所述打印喷头（22）连通。

7.根据权利要求1所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述熔混装置（3）包括不对称转箱（31）、加热管（32）、旋转轴（33）和为所述不对称转箱（31）提供动能的电机（37）；所述不对称转箱（31）上包括加热口（311）、进气口（312）、齿轮（313）、轴承（314）、进料口（315）和出料口（316）。

8.根据权利要求1所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述辅助装置（4）包括加热装置、保温装置、抽真空装置和高压惰性气体装置。

9.根据权利要求8所述的针对颗粒材料的熔混3D打印系统，其特征在于：所述加热装置包括液体介质箱（411）、第一球阀（412）、液位液温计（413）、空气滤清器（414）、第二球阀（415）、驱动电机（416）、泵（417）、软管（418）、安全阀（419）、过滤器（420）、单向阀（421）、蓄能器（422）、温度传感器（423）、耐震压力表（424）和散热器（425）。

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