一种超精密3D打印设备机罩的制作方法

本实用新型提供一种安装于超精密3D打印设备的机罩，该机罩不仅能提供保护，还能感知温度湿度并实现恒温恒湿的功能。

背景技术：

3D打印设备与传统打印设备工作原理基本一致，3D打印设备与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料层层叠加，利用光固化、熔融沉积和纸层叠等技术将电脑中的图案打印成成品。将计算机里的三维图直接“打印”并制成实物，尤其在生产汽车或是建筑等大型物件的制造中，减少了组装零件数量，并缩短了供应链流程。

近年来，随着对工业化自动化生产水平要求的提高，如何简化生产程序缩短制造周期以及提高精确度变得越来越重要。3D打印技术利用计算机将成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3D打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”最后叠加成形出三维的实体零件。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造。

长期以来，超精密设备在工作时受温度湿度等环境因素影响。会在结果上造成很大误差。因此，保持仪器一个相对合适而稳定的环境变得尤为重要。国内外许多公司及学校等科研机构对3D打印设备进行了研究和生产。其中美国Optomec公司利用激光近净成型(LENS)技术制造的航空用叶片精度可小于0.05mm；以色列Objet公司利用光固化成型(SL/SLA)技术制造的成型的建筑模型精度可达到0.1mm；我国清华大学利用熔融沉积制造(FDM)技术制造的成型的头骨模型精度为0.1～0.2mm。国外仪器的缺点在于存在技术壁垒，价格昂贵，在我国推广困难。国内的该类仪器绝大多数在清华大学、西北工业大学、北京航空航天大学等各大高校或研究院研制，精度相比较低，且没形成产业链。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种超精密3D打印设备机罩。

本实用新型包括罩体和位于罩体内的恒温恒湿装置。

所述的罩体包括上罩、下罩、隔板和侧门。在上罩与下罩之间有一层隔板，隔板与侧门一侧之间留有距离，在隔板远离侧门一侧设有一个与上罩和下罩连通的回风管口。在罩体侧门对侧的上罩部分开有为安装制冷片的预留位，相应的，下罩部分开有用开关控制打开闭合的百叶窗式出风口。

所述的恒温恒湿装置包括制冷室、制热室、静压室、工作室和回流室。其中制冷室、制热室位于上罩内，静压室和工作室位于下罩内。

所述的制冷室设有制冷片、散热片和风扇。制冷室与制热室之间的管道壁上设有温度传感器。所述的制热室设有电热元件，制热室连通下方的静压室。所述的静压室与工作室之间设有进风孔板，进风孔板中心处设有温湿度传感器。所述的工作室内隔板中心处设有温湿度传感器。所述的回流室下部通过可开合的回风孔板与工作室连通，回风孔板中心处设有温湿度传感器，回流室上部穿过回风管口与上部的制冷室连通。在所述的静压室上方还设置有恒湿入风口，恒湿入风口处安装有吹干机；下罩部分的百叶窗式出风口为恒湿出风口。

进一步说，该机罩该包括水平装置，所述的水平装置包括水平测量仪、丝杆螺母、底座。所述的水平测量仪安装在机罩顶部，所述的丝杆螺母连接底座置于机罩底部的四角。

本实用新型的有益效果：本实用新型利用风扇带动罩内空气内外循环，选用高精度温度传感器和湿度传感器对工作环境的温度和湿度进行采集，利用测得的环境温度湿度数据对风扇风量、制冷装置、加热装置、恒湿烘干机和恒湿出风口进行控制。从而实现让超精密3D打印设备工作环境达到恒温恒湿的目的，最终提高打印精度。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构图；

图2是本实用新型的三视图；

图3是本实用新型的侧门门框结构图；

图4是本实用新型的吊索连接板立体结构图；

图5是本实用新型恒温恒湿装置内部正视图；

图6是本实用新型恒温恒湿装置原理图；

图7是本实用新型的孔板立体结构图；

图8是本实用新型水平装置立体结构图；

图9是本实用新型的底座立体结构图；

图10是本实用新型恒温恒湿装置工作过程流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1，2所示，所述的罩体包括上罩1-1、下罩1-2、侧门1-3。所述的上罩、下罩和侧门形成一个密封整体结构，既有包含和保护作用，还有隔温隔湿的功能。检修时打开侧门，一般情况下不需要再打开上罩1-1或下罩1-2，侧门1-3留有足够空间以便使用和维护。侧门1-3的开门方式为向外旋转式，其中侧门门框设计如图3，内置的门框防止漏风。隔板1-4在上罩与下罩之间，隔板与侧门一侧之间留有距离，其它三面与罩壳密封联结，在与侧门悬空的一侧使用两条钢丝绳吊索1-5垂直悬吊于罩顶。在吊索与罩顶和隔板的连接处用如图4吊索连接板固定，吊索固定在吊索连接板的中间小孔，另外四个孔用膨胀螺栓固定于罩顶和隔板，在螺栓处用橡胶垫圈密封。在隔板远离侧门一侧设有一个与上罩和下罩连同的回风管口1-7。在罩体侧门对侧的上罩部分设计有为安装制冷片的预留位1-6，相应的，下罩部分设计有用开关控制打开闭合的百叶窗式出风口1-8。

根据3D打印设备通用型号尺寸一般为380mm×360mm×400mm，考虑到各个元器件的放置问题，保温壁的厚度，并要留有一定的富裕空间，通过仿真确定所设计的机罩尺寸和工作室尺寸。工作室尺寸为400mm×380mm×420mm，机罩尺寸为450mm×390mm×700mm。

如图5、图6和图7所示，所述的恒温恒湿装置包括制冷室6-1、制热室6-2、静压室6-3、工作室6-4和回流室6-5。其中制冷室、制热室位于上罩内，静压室和工作室位于下罩内。

所述的制冷室设有制冷片5-2、散热片5-3和风扇5-1。制冷室与制热室之间的管道壁上设有温度传感器5-4。所述的制热室设有电热元件5-5，制热室连通下方的静压室。所述的静压室与工作室之间设有进风孔板5-9，进风孔板中心处设有温湿度传感器5-10。所述的工作室内隔板中心处设有温湿度传感器5-11。所述的回流室下部通过可开合的回风孔板5-13与工作室连通，回风孔板中心处设有温湿度传感器5-12，回流室上部穿过回风管口与上部的制冷室连通。在所述的静压室上方还设置有恒湿入风口5-7，恒湿入风口处安装有吹干机5-8；下罩部分的百叶窗式出风口为恒湿出风口。

如图8和图9所示，所述的水平装置包括水平测量仪9-1、四个丝杆螺母和底座9-2。所述的水平测量仪安装在机罩顶部，即罩体外表面。丝杆螺母通过中心圆孔连接底座和机罩底部成为一个整体，整个置于机罩底部的四角。

如图10所示，本实用新型工作时，先使环境恒湿，在恒湿的情况下再使环境恒温和调整仪器水平。

首先，让制冷室6-1的风扇5-1和制冷片5-2、制热室6-2的电热元件5-5、回风孔板5-13的开关处于闭合状态，打开恒湿入风口5-7、吹干机5-8和百叶窗出风口1-8开关，吹干机5-8使干燥空气进入静压室6-3。通过进风孔板5-9使从静压室出来的空气湿度和流速均匀的流向工作室6-4，由孔板中心处的温度湿度传感器5-10感知空气湿度。空气进入工作室，再由工作室内隔板1-4中心处设置的温度湿度传感器5-11再感知湿度，进而再由置于回风孔板5-13中心处的温度湿度传感器5-12感知湿度。因为回风孔板的开关处于闭合状态，空气无法通过回风孔板进入回流室6-5，而处在恒湿出风口1-8的百叶窗开关处于打开状态，空气便从百叶窗流出。这样空气从恒湿入风口5-7进入干燥空气，再从恒湿出风口1-8流出，由湿度传感器感知空气湿度，这样一个循环使工作区湿度环境处于稳定的50％RH±1％RH恒湿状态。

然后，关闭恒湿入风口5-7、吹干机5-8和恒湿出风口1-8开关，打开制冷室6-1的风扇5-1和制冷片5-2、制热室的电热元件5-5、回风孔板5-13开关。此时制冷片和散热片工作，从制冷室出来的冷空气在风扇的带动下，由制冷室与制热室之间的管道壁上的温度传感器5-4感知温度后流向制热室6-2。空气在制热室被电热元件加热后进入静压室6-3，通过孔板使从静压室出来的空气温度和流速均匀的流向工作室6-4，由进风孔板中心处的温度湿度传感器5-10感知空气温度。空气进入工作室，再由工作室内隔板中心处设置的温度湿度传感器5-11再感知温度，进而再由置于回风孔板中心处的温度湿度传感器5-12感知温度。此时，空气再通过回风孔板进入回流室6-5，经过回流室再重新进入到制冷室。这样空气从制冷室6-1降温，由传感器感知温度后进入制热室6-2升温，通过静压室6-3后进入工作室6-4，再由工作室附近三个传感器感知后经回流室6-5重新回到制冷室6-1，这样一个无限循环使机罩内的空气达到稳定的23℃±0.15℃恒温状态。

对已有的恒温恒湿系统进行评价，需要知道风扇提供的静压、空气流量、轴向空气流速等参数。可以通过理论计算风扇相关参数来调节风扇的功率及转速。给出相应的计算公式：

风扇的流量Q(m³/s)：

Q＝Q_aF_fU₂ (1-1)

这里，Q_a﹣流量系数，≤0.25，无量纲；

F_f﹣风扇有效面积，m²；

U₂﹣风扇外径处的速度，m/s。

式(1-1)中风扇的有效面积F_f：

这里，D₁、D₂﹣风扇的内径、外径，m；

﹣风扇的轮毂比，无量纲。

式(1-1)中风扇外径处的速度U₂：

这里，n﹣风扇的转速，r/min；

V_z﹣风扇的轴向空气速度，m/s。

风扇压力P(Pa)：

P＝0.5P_yρU₂² (1-5)

这里，P_y﹣压力系数，无量纲；

ρ﹣空气密度，kg/m³。

联立式(1-1)、(1-2)、(1-3)便可以计算出风扇的流量，从而可以通过式(1-4)计算出风扇的轴向速度。联立式(1-3)和(1-5)可以计算风扇的压力。可根据室内空气温度湿度情况来调节风扇的轴向转速。

最后，根据电容式水平测量仪9-1所示的水平情况，调节连接机罩底部和底座9-2的丝杆螺母使整个机罩平台处于水平状态。

本实用新型装置让其恒湿后空气内循环，没有热交换和湿度交换，可以在3D打印设备运行时继续工作保持恒温恒湿状态，环境温度稳定在：23℃±0.15℃，分辨率0.01℃。使环境湿度稳定在：50％RH±1％RH，分辨率1％RH。能够克服现有仪器运行时温度湿度易改变的难题，实现精确打印。此外，本装置还可用于许多对环境有苛刻要求的仪器，使其达到精确测量和精准工作。