[發(fā)明專利]一種熔融層積成型3D打印的溫度控制系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110623957.1
• 申請(qǐng)日: 2021-06-04
• 公開（公告）號(hào): CN113370532A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭愷寧;隋天一;杜朋雨;王皓吉;李欣然;張津碩;鄭佳奧;王潤(rùn)東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/295
• 分類號(hào): B29C64/295;B29C64/364;B29C64/30;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y40/10
• 代理公司: 北京智橋聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11560
• 代理人: 程小艷

1.一種熔融層積成型3D打印的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，主要由3D打印機(jī)、打印室、打印平臺(tái)、打印系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)組成，所述溫度控制系統(tǒng)包括：

控溫液池，設(shè)置于打印平臺(tái)正下方，用于容納下述加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、液面控制系統(tǒng)及控溫液體；

控溫液體，容納于控溫液池內(nèi)，用于在3D打印過(guò)程中精確控制3D打印模型溫度；

加熱系統(tǒng)，設(shè)置于控溫液池內(nèi)，由若干單頭加熱管組成且所述單頭加熱管均勻分布于控溫液池內(nèi)壁，用于加熱控溫液體；

溫控系統(tǒng)，設(shè)置于控溫液池內(nèi)，由若干溫度傳感器組成且所述溫度傳感器均勻分布于控溫液池內(nèi)壁，用于實(shí)時(shí)反饋溫度，形成閉環(huán)控制，精確調(diào)節(jié)控溫液體溫度；

攪拌系統(tǒng)，設(shè)置于控溫液池內(nèi)，由電機(jī)及其控制的螺旋槳組成，用于攪拌控溫液體，使控溫液體內(nèi)部溫度均勻；

液面控制系統(tǒng)，設(shè)置于控溫液池內(nèi)，主要由針筒及位移傳感器組成，用于在3D打印過(guò)程中調(diào)節(jié)液面高度，保證液面上表面高度恒定。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控溫液體依打印耗材材質(zhì)確定，所述控溫液體為丙二醇、二甘醇或甘油。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，打印耗材的材質(zhì)為ABS材料、PA材料、PC材料、PEEK材料、Endur材料、PLA材料、PCL材料中任一種，也可以為其他能夠通過(guò)熔融層積成型的聚合物、金屬材料、陶瓷材料，或者經(jīng)過(guò)改性的上述材料，或者為提高材料性能加入纖維、金屬粉末、晶須狀添加劑的復(fù)合材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述打印平臺(tái)選用使用耐溫性能好、帶微孔且不與打印耗材及控溫液體反應(yīng)的平板，其具有確保控溫液體自由通過(guò)的微孔。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱系統(tǒng)外部材料為耐溫導(dǎo)熱材料，加熱系統(tǒng)各加熱點(diǎn)位分散在控溫液池內(nèi)部。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述攪拌系統(tǒng)為由單一電機(jī)控制的螺旋槳結(jié)構(gòu)，在打印系統(tǒng)工作前，通過(guò)攪拌系統(tǒng)持續(xù)工作實(shí)現(xiàn)控溫液體在控溫液池內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)而控制控溫液池內(nèi)各處溫度基本一致。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)使用開源3D打印切片軟件Cura將需要打印的零件模型切片，生成3D模型的gcode代碼，導(dǎo)入打印機(jī)用于3D打印；

2)將打印耗材對(duì)應(yīng)的控溫液體置入控溫液池，調(diào)整打印平臺(tái)高度使與控溫液體上表面重合；

3)設(shè)定目標(biāo)溫度，控制加熱系統(tǒng)對(duì)控溫液體加熱；

4)加熱過(guò)程中，攪拌系統(tǒng)持續(xù)工作，使控溫液體內(nèi)部溫度均勻；

5)直至溫控系統(tǒng)各測(cè)溫點(diǎn)溫度相同且均為目標(biāo)溫度時(shí)，加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)停止工作；

6)當(dāng)部分測(cè)溫點(diǎn)溫度偏離目標(biāo)溫度時(shí)，加熱系統(tǒng)部分工作，調(diào)整控溫液體溫度；

7)打印系統(tǒng)開始工作，噴頭平臺(tái)上擠出打印耗材逐層打印，同時(shí)打印平臺(tái)下降；

8)控溫液體通過(guò)帶微孔的打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)至3D打印模型周圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印耗材成型溫度的精確控制；

9)在上述過(guò)程中，液面控制系統(tǒng)持續(xù)工作，始終保持控溫液體上表面與3D打印制件上表面重合；

10)打印系統(tǒng)工作完畢后，加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)停止工作，3D打印模型緩慢降溫。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述溫控系統(tǒng)包括若干個(gè)溫度傳感器及空間溫度分布擬合算法，溫控系統(tǒng)各溫度傳感器應(yīng)均勻分散在控溫液池內(nèi)壁，以實(shí)現(xiàn)控溫液體溫度多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)算法擬合控溫液池內(nèi)溫度空間分布情況；

具體：該算法基于模型偏差補(bǔ)償原理及三次樣條插值法，在獲得溫度傳感器各點(diǎn)位溫度后通過(guò)插值擬合估測(cè)空間溫度分布，實(shí)時(shí)調(diào)控加熱系統(tǒng)工作狀態(tài)。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)溫度比打印噴頭溫度低30-50℃。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述液面控制系統(tǒng)包括位移傳感器、用于容納控溫液體的儲(chǔ)料針筒、活塞、氣泵及相對(duì)位置預(yù)測(cè)算法，該算法基于PID控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液面高度；

此系統(tǒng)中，位移傳感器用以監(jiān)測(cè)控溫液體上表面與打印界面間的相對(duì)位置，當(dāng)相對(duì)位置預(yù)測(cè)中控溫液體上表面高于打印界面的時(shí)候，氣泵控制儲(chǔ)料針筒活塞向控溫液池外運(yùn)動(dòng)，吸出部分控溫液體，從而實(shí)現(xiàn)打印界面略高于控溫液體上界面或與控溫液體上界面平齊；在液面控制系統(tǒng)工作時(shí)，氣泵工作所需壓力需要參考所選控溫液體的相關(guān)參數(shù)。