具有除湿干燥装置的耗材仓及应用该耗材仓的3D打印机的制作方法

本发明属于3d打印设备技术领域，具体涉及一种具有除湿干燥装置的3d打印机耗材仓、一种可存放打印耗材的干燥储存箱以及应用该耗材仓的3d打印机。

背景技术：

在3d打印行业，塑料耗材熔融前需要先让其处于干燥状态。未经干燥的塑料原料直接用于打印会出现气泡孔，部分塑料甚至会产生分解，导致机械性能下降，严重影响成型的效果。

一般而言，一种物料中的含水量可分为自由含水量与平衡含水量两部分。自由含水量是可以被脱除的水分，而平衡含水量与物料本身的吸水性、环境温度以及空气中的水气分压相关，无法完全去除。因此为降低物料中的含水量，则必须设法降低其平衡含水量。进一步讲，物料储存时需要环境空气中的水气分压尽量低，使其平衡含水量控制在极低水平，这样物料才不会从空气中吸收过多的水分。对于多数塑料材料来说，要确保塑料原料中的含水量在可接受的范围，至少需要环境湿度保持在700ppm以下，并最好能将湿度控制在100ppm以内。

在3d打印行业，为保证耗材在运输过程中不会受潮，厂商会将耗材干燥后密封保存，并在其中置入干燥剂。但目前多数打印机均不具备除湿干燥能力，当打印耗材拆封并安装到耗材丝盘支架上后，其就一直曝露在潮湿的空气之中，加之3d打印成型时间较长，因此打印耗材会在数小时内吸湿受潮。为解决耗材在打印过程中易受潮的问题，polymaker推出了外置的小型打印耗材干燥储存箱polybox，该储存箱提供一个密封腔体来存放打印耗材，并在密封腔体内置入干燥剂袋。使其保持干燥。这种干燥箱结构简单、成本低，但需要定期手工更换干燥剂，使用麻烦，并且易出现由于未及时更换干燥剂而导致干燥失效的问题。而且据其产品资料介绍仅能将相对湿度控制在10%rh左右，打印耗材在该湿度下长时间存放同样会受潮。

在工业3d打印机方面，美国stratasys公司推出的fortus系列3d打印机则装备有内设干燥剂的全密封耗材盒以及采用无热再生干燥原理的干燥机向耗材管中持续输送湿度不超过120ppm的干燥气体，以确保打印耗材全程处于干燥状态。其在公告号为cn1216726c的发明专利《丝料盒及装载系统》中公布了详细的技术方案。该方案解决了耗材丝受潮的问题。但由于其耗材盒中干燥剂为一次性使用，耗材盒无法让其再生，因此其存放时长取决于盒体的密封效果，存在干燥有效期问题，当耗材用尽重新装填耗材后，也需要同时更换干燥剂；同时，无热再生原理的干燥机也必须依赖于压缩气源。而当前多数3d打印机均不配置有压缩机，因此不便于采用该方案。

现有技术中，申请号为cn201710089738.3的发明专利《一种3d打印机的丝盘盒及其使用方法》和申请号为cn201920101035.2的实用新型专利《一种控制打印耗材环境的3d打印机》提供了两种相似的技术方案。两者的相同点均是通过在密封耗材仓中增加加热装置，通过提高耗材丝所处的环境温度来使耗材干燥，区别在于前者仅仅通过提高温度来降低耗材仓内的相对湿度。而后者除了采用热风干燥外，还在耗材仓内设置了硅胶干燥剂，用于吸收密闭空间中的水分。两个方案均通过热风加热来烘干耗材，但由于处在密闭空间中，耗材中的部分水分由于温度升高而被除去，这部分水分会增加密闭空间中的水汽分压，从而导致其干燥能力有限。后者虽然在耗材仓内加入了硅胶干燥剂，可以吸收部分水分，但由于硅胶干燥剂吸水饱和后就无法再吸收水分了，同时硅胶干燥剂加热后吸水能力也会迅速下降，在无法将水分排出耗材仓外的条件下，实际能起到的干燥效果十分有限。并且由于耗材仓内空气无法被深度干燥，通过加热方式烘干后的耗材待冷却后会再次吸湿受潮。

从以上分析可以看出，几种现有技术方案虽然有一定的耗材干燥或防潮效果，但受限于无法持续将耗材仓内的水分排出仓外，导致实际效果有限。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种具有除湿干燥装置的耗材仓、一种可存放打印耗材的干燥储存箱以及应用该耗材仓的3d打印机，通过采用能够将吸收的水分排出耗材仓的加热再生干燥装置，使腔体内空气中含水量控制在极低水平，从而使得放置于腔体内的耗材不会吸水受潮。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种具有除湿干燥装置的耗材仓，包括具有可打开结构的密封仓体、耗材丝盘支架、至少一个耗材丝通道以及干燥装置。具有良好密封性能的仓体可以有效防止大气中的水气进入仓内。耗材仓设计成可打开结构是为了方便取换耗材丝盘，一般常设计成仓门结构，并通过安装密封胶条等密封装置实现仓门闭合后的良好密封。耗材丝盘支架用于安装固定耗材丝盘，并使得耗材丝盘可以在其上顺滑转动。

耗材仓上设有耗材丝通道，仓内的耗材丝经所述通道输出至打印头。为防止环境空气中的水分经由耗材丝通道进入耗材仓，所述通道上设置有气密装置，一般可采用o型密封圈。通常3d打印机上会设置两个打印头，同时一次至少可安装两卷耗材丝盘，因此所述耗材丝通道可根据应用需要设置一个或多个。

干燥装置是本发明所述耗材仓的核心部件，用于干燥耗材仓内的空气，并将吸收到的水分排出耗材仓外。所述干燥装置能够持续干燥仓内空间，现有技术中冷冻式干燥机以及再生式干燥机均具有这样的功能，但冷冻式干燥机通常只能将空气干燥至露点温度0℃左右，深度干燥效果不理想。再生式干燥机从再生方式上分为加热再生式和无热再生式两大类。无热再生式干燥机需要外接高压气源，并且其更适合持续输出干燥气体，而非对密闭空间进行循环干燥。因此本发明中采用加热再生式干燥器作为干燥装置。

现有技术中常见的加热再生式干燥器（如转轮式干燥机、双桶干燥机等）体积大、结构复杂，适合用于大型注塑设备等应用场景，因其结构不易小型化，不方便直接应用于3d打印机或除湿干燥箱等设备。而专用于干燥防潮箱的小型干燥装置则是采用单干燥组件交替吸湿与再生，这对于控制相对湿度在10%rh以上的应用完全没有问题，但在深度干燥状态则存在问题。由于密封仓体无法做到理想密封，在深度干燥状态下微量的水分扩散进密封仓体内就会导致仓内的露点温度产生较大变化，单干燥组件的干燥装置在再生阶段密封仓体内由于没有干燥剂吸湿，就导致仓内的湿度会出现波动。因此所述干燥装置优选具有至少两组相互独立的干燥组件，通过多组干燥组件交替再生，来保证仓内的吸湿过程是连续的。

本申请人在申请号为cn201911254245.6的发明专利申请中公开了一种用于密闭腔体的空气干燥装置。该装置具有小型化的特点，非常适合应用于3d打印机中，实现对耗材仓内空气的深度干燥。

耗材丝通道上的密封装置可以设置在耗材仓壁上，耗材丝从通道穿出并通过送料管输送至打印头。当耗材丝穿出耗材仓后，就暴露在潮湿的大气环境中，一般情况下打印机耗材丝进给速度较低，同时耗材仓一般设置于打印机底部或侧边，与打印头有一定距离，因此耗材丝会有较长时间从周围环境中吸收水分受潮，这对于易吸湿受潮的塑料来说也是不可接受的。为避免这种问题，本发明优选在耗材丝通道上设置延伸料管，所述延伸料管与耗材仓连通，所述气密装置设置于延伸料管的出料端。延伸料管一直延伸至打印头附近，这样耗材丝在延伸料管内依然处于干燥氛围中，而当离开延伸料管后会很快进入打印头，从而避免了在进给过程中受潮。

已干燥过的塑料放置在深度干燥的环境中会保持干燥状态，而已受潮的塑料在不加热的情况下即使置入深度干燥的空气中较长时间，其内部水分也很难充分排出。因此需要通过加热烘干使塑料内部的水分充分排出。本发明优选在所述耗材仓中增加加热装置，用于对放入其中的耗材丝盘进行加热，同时在耗材仓内还设置有保温层，用于耗材丝盘保温。由于干燥剂在高温时吸附效果会下降，因此还需要通过保温层使得加热装置与干燥装置之间实现热隔离。为了不影响干燥效果，保温层需要能够通过水分，因此比较适合采用透气型保温材料，如陶瓷纤维棉等。

优选地，每个耗材丝盘设置一个独立的加热装置，同时每个耗材丝盘都设有保温层，使得耗材丝盘之间也处于热隔离状态。这样就使得每个耗材丝盘可被单独加热烘干，而不影响其他耗材丝盘。

通用塑料材料的烘干温度在50℃~70℃之间，一些工程塑料（如聚碳酸酯等）烘干温度要求在120℃左右，而一些特种工程塑料的烘干温度则要求更高，常需要达到150℃。为保证烘干的效果，所述加热装置中还包含温度传感器，用于检测加热装置的实时加热温度，控制器基于实时温度反馈，调整加热装置的加热功率，从而使加热温度控制在设定温度。所述加热温度是指耗材丝盘所在空间被加热后的温度。为保证加热烘干的效果，加热装置的最高加热温度不应低于70℃，并优选不低于120℃，以满足大多数打印耗材的烘干要求。

为了能够实时监测耗材仓内的湿度情况，优选在耗材仓内设置露点传感器。所述露点传感器泛指能够测量低露点温度环境湿度参数的传感器。

对于本发明具有除湿干燥装置的耗材仓，当去掉耗材丝盘支架以及耗材丝通道后，即成为可独立使用的干燥储存箱，可用于存放已拆封的耗材丝盘或是其他需要干燥保存的材料。所述干燥储存箱包含具有可打开结构的密封箱体以及加热再生式干燥器。所述再生式干燥器具有至少两组相互独立的干燥组件，多组干燥组件可交替进行再生，使得干燥箱内的吸湿过程不会中断。

优选地，所述干燥储存箱中还包含加热装置以及保温层，所述加热装置用于加热干燥储存箱内的空间，加热装置与干燥装置之间通过保温层实现热隔离，以防止干燥装置中干燥剂受热后降低干燥效果。

本发明还提出了一种3d打印机，所述3d打印机采用上述具有除湿干燥装置的耗材仓，从而可以使3d打印机的耗材丝在打印前保持干燥状态。

与现有技术相比，本发明提出了具有除湿干燥装置的耗材仓以及使用上述耗材仓的3d打印机，通过采用加热再生干燥装置对耗材仓内空间进行深度干燥，使得放置于其内部的耗材丝可以维持干燥状态。在优选方案中，进一步采用加热装置在深度干燥的空气中对耗材丝进行烘干，这样就可以使已吸水受潮的耗材丝被充分干燥并维持在干燥状态。解决了现有技术的耗材仓无法使耗材达到或长时间维持干燥状态的问题。

此外，本发明还基于相同技术进一步提出了一种干燥储存箱，用于存放已拆封使用的打印耗材或其他需要维持干燥状态的材料。

附图说明

图1为具有除湿干燥装置的耗材仓的实施例结构示意图。

图2为耗材仓实施例中耗材丝通道的局部剖视图。

图3为具有延伸料管的耗材仓实施例结构示意图。

图4为增加加热装置与保温层的耗材仓实施例结构示意图。

图5为干燥储存箱实施例结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明具有除湿干燥装置的耗材仓及3d打印机做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

耗材仓实施例：

图1展示的是本发明实施例耗材仓10的结构示意图。在密封仓体11内设有耗材丝盘支架12，其上安装有耗材丝盘16。耗材丝盘16可在耗材丝盘支架12上自由转动。耗材丝盘16上缠绕着耗材丝161，耗材丝161通过耗材丝通道13输出至耗材仓10外，之后经料管15输送至打印头。干燥装置14安装在密封仓体11上，用于对密封仓体11内的空间进行干燥。干燥装置14通过内部两个独立的干燥组件交替再生的方式实现对密封仓体内空气进行深度干燥。本申请人在申请号为cn201911254245.6的发明专利申请中公开了这种干燥装置的技术方案，其细节已在该专利文档的实施方式中有详细说明，因此这里不作展开。此外所述密封仓体上还设有密封性能良好的仓门（图中未示出），仓门密封技术在干燥箱行业内已经非常成熟，所述仓门可采用本行业内技术人员已知的任何方式实现。

图2展示的是耗材丝通道13的局部剖视图，通道座131焊接在密封仓体11上，在其内凹槽中设有o型密封圈132，快速接头133通过螺纹安装于通道座131上，同时按压住o型密封圈132。料管15连接在快速接头133上，耗材丝161经通道座131中心孔中伸出仓外，由通道座131与o型密封圈132构成的气密装置保证了仓内与仓外相互隔离。

上述实施例通过交替再生式干燥机持续对耗材仓内空气进行深度干燥，因此放入其中的耗材就不会吸湿受潮。但是当耗材丝161穿过o型密封圈132后，就会暴露在潮湿的环境空气中。对于大尺寸打印机来说，由于耗材仓与打印头较远，通常耗材丝从离开耗材仓算起需要数十分钟时间才能到达打印头，这段时间耗材丝161还是会从空气中吸收一定的水分。虽然短时间内吸收的水分有限，但这对于部分易吸湿受潮的塑料来说还是不可接受的。

为解决该问题，上述实施例可作相应优化。如图3所示，在上述实施例中增加延伸料管17，通道座131与快速接头133之间不再放置o型密封圈，使得延伸料管与耗材仓连通。为防止外界的潮湿空气进入耗材仓内，在延伸料管的出料端设置气密装置171。气密装置171采用与前述图2中所展示的耗材丝通道13相同的结构，由快速接头连接延伸料管17，快速接头通过螺纹安装在打印头料管座上，并在料管座与快速接头之间设置有o型密封圈。实施例经上述方案优化后，耗材丝离开延伸料管17就直接进入打印头内，使得耗材丝暴露在环境空气中的时间从原来的数十分钟缩短至数秒，而耗材丝暴露极短时间吸收的水分基本可以忽略，从而解决了耗材丝离开耗材仓后受潮的问题。

上述优化后的实施例能保证已干燥处理过的耗材放入耗材仓后不会受潮，但依然无法解决已受潮耗材的干燥问题。已受潮的耗材丝必须要达到一定的温度才能在较短时间内被充分干燥，注塑工艺手册上很容易查到不同材料对应烘干温度及时长的参数要求。

如图4所示，在上述耗材仓实施例中再增加加热装置19与保温层18，所述加热装置19环绕在耗材丝盘16四周，保温层18则将耗材丝盘16与加热装置19均包覆在其中。耗材丝161从加热装置19与保温层18上预留的通孔中穿出，之后再经由耗材丝通道13及延伸料管17输送至打印头。加热装置19中还设有温度传感器（图中未示出），用于检测耗材丝盘16所在空间的实时温度。控制器基于实时温度反馈进行闭环温度控制，从而使加热温度控制在设定值。保温层18的材质为陶瓷纤维棉，能够有效保温并且不会阻碍水气扩散。保温层18使得耗材丝盘16与干燥装置14之间为热隔离状态，因此干燥装置14不会因为加热装置19的作用而明显升温。

图4中仅展示了一个耗材丝盘16，实际应用中可设置多个耗材丝盘16，并经多个耗材丝通道13输出至仓外，由于每个耗材丝盘外均设有保温层，因此它们之间也相互热隔离，这就使得每个耗材丝盘均可被单独设定温度并加热而不会相互影响。因为不同的材料需要的烘干温度不相同，这样就使得不同耗材可以独立设置烘干温度。当加热装置19的最高加热温度能达到70℃时，就可以实现一般通用塑料的烘干，而当最高加热温度能够达到120℃时，就能实现常用的工程塑料与通用塑料的烘干，当最高加热温度能够达到150℃时，就可以实现几乎所有3d打印耗材的烘干。本实施例中加热装置19的最高加热温度为150℃。

除此之外，本实施例中还设有露点传感器（图中未示出），用于监测耗材仓内空气的露点温度。

干燥储存箱实施例：

上述耗材仓结构稍加改变，去掉耗材丝盘支架、耗材丝通道等，即可成为可独立使用的干燥储存箱，可用于存放未用完的耗材丝盘等需要储存在干燥环境的材料。如图5所示，干燥储存箱20是由具有密封仓门结构的箱体21和干燥装置24组成。干燥装置24采用与前述耗材仓实施例中干燥装置14相同的结构。在干燥储存箱20的内壁上覆盖有保温层22，储存箱内部还设有加热装置23，保温层22将箱内空间25与干燥装置24隔离开，使得箱内空间25被加热时不会影响到干燥装置24。所述保温层22采用陶瓷纤维棉，在有效保温的同时，不会阻碍箱内空间25中的水分向干燥装置24扩散。

干燥储存箱20可以使其内部保持深度干燥状态，并且还具有加热烘干功能。在深度干燥的环境中进行烘干操作，可以使需要被烘干的材料充分干燥。这种干燥箱不仅适用于对3d打印材料进行干燥保存，同样适用于其他需要干燥保存的材料。因此该干燥储存箱的应用可扩展至其他技术领域，如化学试剂存放、锂电池电极生产等应用场合。

3d打印机实施例：

所述3d打印机采用前述实施例耗材仓10作为其内部的耗材仓。

以上三个实施例通过采用双干燥组件交替再生的加热再生式干燥装置对密封腔体内空间进行持续干燥，从而使腔体内部被深度干燥。此外，在腔体内还增加了加热装置，使得已吸湿受潮的耗材丝可以通过加热烘干被充分干燥。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。