CN214645909U

CN214645909U - 基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3d打印设备

Info

Publication number: CN214645909U
Application number: CN202120020836.3U
Authority: CN
Inventors: 陈志文; 潘慧明; 刘俐; 卢文丽; 李宁; 张博文
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2031-01-06

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，该设备包括机械系统和控制系统；控制系统包括用于建立基于数字孪生仿真模型的上位机、与X、Y、Z三轴运动平台连接的运动控制模块、与第一加热装置和第二加热装置连接的加热控制模块、用于控制喷射腔和储料腔气压的气压控制模块、用于控制喷射频率的气路控制模块；加速度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、气压传感器、压力传感器、运动控制模块、加热控制模块、气压控制模块和气路控制模块均与上位机连接。本实用新型的机械结构简单，易于改装改造再加工，且打印精度高，动态性能好。

Description

基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，具体涉及一种基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备。

背景技术

增材制造技术，即3D打印，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体零部件的新型制造技术，是一种“自下而上”的材料累加方法，对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生了深刻影响，是制造业中有代表性的颠覆性技术。

增材制造技术发展至今，已经形成的比较成熟的典型工艺技术包括有熔融沉积成形FDM、分层实体制造LOM、选区激光融化SLM、电子束熔炼EBM、激光近净成形LENS等等。其中SLM、EBM、LENS是基于高能束(如激光、电子束)的直接成形技术。但是，工业用大功率激光器、电子束发生器动辄几十万，这些集成的设备造价依然不菲且能耗高。分层实体制造技术粘结强度一般、层与层之间存在翘曲。熔融沉积技术成形性能不佳且精度一般。

微滴喷射技术是依靠外力，迫使打印材料以微细液滴的形式从喷嘴的微米级小孔中，按照预定的频率和轨迹喷射到基板上。目前，微滴喷射具有多种驱动方式，包括气动式、机械式、压电式、超声聚焦式、热泡式等。不同驱动方式都有各自的优点和局限性。喷射材料的多样性和打印过程精度的研究是当前微滴喷射的主要研究内容。

现有的喷射系统多存在以下的问题：喷射系统输入信号较少；喷射系统的抗干扰能力弱；喷射过程难以实现实时精确地动态调整；喷射产品与预期产品差别较大。

数字孪生是通过集成物理反馈数据，辅以人工智能、机器学习和软件分析，在信息化平台内建立一个数字化模拟。这个模拟会根据反馈，随着物理实体的变化而自动做出相应的变化。理想状态下，数字孪生可以根据多重的反馈源数据进行自我学习，几乎实时地在数字世界里呈现物理实体的真实状况。数字孪生充分利用了物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集多学科、多物理量、多尺度、多概率为一体，在虚拟空间中完成映射，反映相应的实物的全生命周期过程。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，提高打印精度和打印过程的动态性能。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，该设备包括机械系统和控制系统；

机械系统包括运动平台、喷头和基板；运动平台包括X、Y、Z三轴运动平台，X、Y、Z三轴运动平台均设有加速度传感器；喷头包括通过节流连接件连接的储料腔和喷射腔，储料腔设有背压气动连接孔，喷射腔设有膜片、喷嘴、喷气气动连接孔和第一加热装置，喷射腔内部设有气压传感器，喷嘴处设有第一温度传感器；基板设有压力传感器、第二温度传感器和第二加热装置；

控制系统包括用于建立基于数字孪生仿真模型的上位机、与X、Y、Z三轴运动平台连接的运动控制模块、与第一加热装置和第二加热装置连接的加热控制模块、用于控制储料腔背压、喷射腔喷射气压的气压控制模块、用于控制喷射频率的气路控制模块；加速度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、气压传感器、压力传感器、运动控制模块、加热控制模块、气压控制模块和气路控制模块均与上位机连接。

进一步地，该设备还包括用于监测环境温湿度的温湿度传感器，温湿度传感器与上位机连接。

进一步地，喷气气动连接孔设有气路通断控制电磁阀，气路通断控制电磁阀与气路控制模块连接。

进一步地，压力传感器为应变片。

进一步地，第一加热装置和第二加热装置均为加热棒或加热套。

进一步地，基板设置在X、Y轴运动平台上，喷头设置在Z轴运动平台上。

进一步地，基板从上到下依次包括沉积板、均热板、加热板、隔热板和连接板，连接板与X、Y轴运动平台连接。

进一步地，基板还包括调平弹簧，连接板通过调平弹簧与X、Y轴运动平台连接。

进一步地，加热板设有深孔，第二加热装置设置在深孔内。

进一步地，均热板设有浅孔，第二温度传感器设置在浅孔内。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的机械结构简单，易于改装改造再加工，且打印精度高，动态性能好。

进一步地，该设备还包括用于监测环境温湿度的温湿度传感器，进一步提高打印精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例的运动平台示意图。

图2是本实用新型实施例的喷头示意图。

图3是本实用新型实施例的基板示意图。

图4是本实用新型实施例的控制系统示意图。

图中：1-底板，2-X轴，3-Y轴，4-Z轴，5-限位开关，6-固定框架，7-喷头位置，8-基板位置，9-储料箱，10-喷射腔。11-节流连接件，12-膜片，13-背压气动连接孔，14-喷嘴，15-第一热电偶，16-喷射气动连接孔，17-沉积板，18-均热板，19-加热板，20-隔热板，21-连接板，22-加热棒，23-第二热电偶，24-调平弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

本实用新型借助于上位机建立数字孪生系统，接收传感器传入的实时信息，结合历史数据实现实时预测打印结果，调整打印机参数，选择最佳的打印参数条件，输出到控制系统，进而优化打印结果，提高打印精度。

本实用新型实施例的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，包括机械系统和控制系统；机械系统包括运动平台、喷头和基板；

如图1所示，运动平台包括X、Y、Z三轴运动平台。其中，X轴2和Y轴3设置在底板1上，X轴2和Y轴3上设有用于安装基板的基板位置8，X轴2和Y轴3协调运动，完成基板的XOY平面的水平运动；固定框架6设置在底板1上，Z轴4安装在固定框架6上，Z轴4上设有用于安装喷头的喷头位置7，以此控制喷头的上下运动，对层厚进行控制。X、Y、Z三轴运动平台均设有加速度传感器；三轴的运动由电机控制，每个轴上安装有两个限位开关5。利用上位机输出控制信号实现对电机的控制，进而实现对3个轴的运动进行控制。

如图2所示，喷头包括通过节流连接件11连接的储料腔9和喷射腔10。储料腔9容积大，用于储存喷射材料，通过背压气动连接孔13与外给气体连通，于腔内形成背压。喷射腔10设有膜片12、喷嘴14、喷气气动连接孔16和第一加热装置，第一加热装置可以设置在喷射腔10的内部，也可以设置在喷射腔10的外部，用于对喷射材料进行加热，第一加热装置优选为加热棒或加热套。喷射腔10内部设有气压传感器，喷嘴14处设有第一热电偶15。膜片12上方通过喷射气动连接孔16与外给气体连通。喷射时，外给气体分别于储料腔9和喷射腔10内形成背压与喷射脉冲气压，其中背压挤压储料腔9内材料，迫使腔内的融化材料经过节流连接件11进入喷射腔10，喷射脉冲气压激励膜片12振动，迫使材料通过喷嘴14喷射。

如图3所示，基板设有压力传感器、第二热电偶23和第二加热装置。基板从上到下依次包括沉积板17、均热板18、加热板19、隔热板20和连接板21，连接板21通过调平弹簧24与X、Y轴运动平台连接。压力传感器优选为应变片，设置在沉积板17上。加热板19内部可以加个几个用于插入加热棒22的深孔实现加热功能，均热板18作为过渡层实现对沉积板17的均匀加热，均热板18的一侧可以加工一个浅孔用于插入第二热电偶23检测温度，隔热层20由隔热材料制成，防止加热板19的高温对运动平台造成损害；连接板21用于支撑整个基板并将基板和运动平台连接；调平弹簧24均匀固定于连接板21上并穿过基板，可以用于调节表面的水平度。

如图4所示，控制系统包括用于建立基于数字孪生仿真模型的上位机、与X、Y、Z三轴运动平台连接的运动控制模块、与第一加热装置和第二加热装置连接的加热控制模块、用于控制储料腔背压、喷射腔10的喷射气压的气压控制模块、用于控制喷射频率的气路控制模块；例如，在喷气气动连接孔16设置气路通断控制电磁阀，利用气路通断控制电磁阀控制气路通断频率，进而控制喷射频率。加速度传感器、第一热电偶、第二热电偶、气压传感器、应变片、运动控制模块、加热控制模块、气压控制模块和气路控制模块均与上位机连接。

进一步地，该设备还包括用于监测环境温湿度的温湿度传感器，用于监测喷嘴周围环境的温度、湿度，并将数据传入上位机的仿真模型。

加速度传感器、第一热电偶、第二热电偶、气压传感器、应变片的数据传输给上位机，上位机利用输入的数据和历史数据，运行数字孪生模型进行仿真，根据仿真结果调整打印参数输出到控制系统调整打印过程。具体控制过程如下：

运动控制模块是对三个轴的运动进行控制，具体来说就是对三个轴上的步进电机进行控制。检测加速度后，通过直接或间接控制电机的加减速，正反转以及启停等运动，从而实现对各个运动平台的运动控制。

加热控制模块，是根据第一热电偶检测的喷射腔温度和第二热电偶检测的基板温度，控制第一加热装置和加热板里的加热棒的加热通断以及加热功率。例如，当第一热电偶检测到喷射腔的温度低于喷射材料的熔点，就会启动第一加热装置，使喷射腔里的喷射材料熔化，或使喷射腔内的温度维持在某一值，或者某一范围内。当沉积板上的应变片检测到应力大了，可以启动加热板里的加热棒，提高基板温度以减缓喷射材料的凝固时间。

气压控制模块，当气压传感器检测到喷射腔内的实时气压超出预设范围，则可以调整喷射腔内的气压。同样，储料腔也可以设置一个气压传感器，实时监测储料腔的气压。储料腔和喷射腔的气路均外接有空气压缩机或气罐等气体供给装置，用于提供气压。可以在气路设置气压阀，进而通过调整气路的气压阀，来调整气压。

气路控制模块，当沉积板上的应变片检测到应力大了，可以通过气路通断控制电磁阀调整气路的通断频率，提高喷射频率。

本实用新型的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备的使用方法如下：

首先在上位机中建立喷射系统的基于数字孪生的仿真模型。建立整个系统的三维模型，建立多个传感器作为信号输入源，建立多个部件包括气路通断控制电磁阀、加热装置等作为控制对象，确定喷射过程中实现实时动态调整的控制模型。

然后在上位机中的基于数字孪生的仿真模型中，输入初始喷射参数，开始喷射打印。喷射参数依据喷射材料的相关性能如热膨胀率、热导率、导电率等确定，喷射参数包括基板加热温度，喷腔温度，喷射气压，喷射频率等。

在喷射过程中，气压传感器，热电偶，应变片、加速度传感器、温湿度传感器检测实时数据，并将数据输入到上位机。上位机根据输入的实时数据及历史信息，在数字孪生模型中进行仿真，并根据仿真结果优化打印参数，并将优化后的打印参数输出到各控制系统。

上述打印过程的实时检测和打印参数实时更新的过程持续整个打印过程直至打印完成。

以上实施例以及原理仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡是依据本实用新型的技术实质所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，该设备包括机械系统和控制系统；

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，该设备还包括用于监测环境温湿度的温湿度传感器，温湿度传感器与上位机连接。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，喷气气动连接孔设有气路通断控制电磁阀，气路通断控制电磁阀与气路控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，压力传感器为应变片。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，第一加热装置和第二加热装置为加热棒或加热套。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，基板设置在X、Y轴运动平台上，喷头设置在Z轴运动平台上。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，基板从上到下依次包括沉积板、均热板、加热板、隔热板和连接板，连接板与X、Y轴运动平台连接。

8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，基板还包括调平弹簧，连接板通过调平弹簧与X、Y轴运动平台连接。

9.根据权利要求7所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，加热板设有深孔，第二加热装置设置在深孔内。

10.根据权利要求7所述的基于数字孪生的气动式微滴薄膜喷射3D打印设备，其特征在于，均热板设有浅孔，第二温度传感器设置在浅孔内。