石墨烯3D打印机用快速冷冻装置的制作方法

本实用新型涉及石墨烯3D打印技术领域，尤其是一种石墨烯3D打印机用快速冷冻装置。

背景技术：

3D打印机是基于快速成型技术的成型设备。随着科学技术的高速发展、关键技术的不断突破以及信息控制技术的不断深入，作为快速成型技术的主要设备，3D打印机近十年发展迅速，保持高速增长的势头，新的成型技术不断涌现。

3D打印的基本原理是根据“分层累积”方法收集到相关对象的三维结构表面信息，通过切片软件将对象切割成厚度、数量及层片信息为基础的模型信息，运用不同的算法，生产打印路径，最后通过三维打印机逐层制造出三维产品实体。

现有的3D打印技术是在室温下或加热打印材料，而低温打印的难度在于如何提供一种能持续提供冷量的平台,石墨烯在低温打印时,不同成分的石墨烯浆料其所需的成型温度也不同,正常在-40℃-0°之间。

针对与此，本实用新型旨在提供一种体积小巧，可在短时间内实现-40℃-0℃的低温平台，平台的温度可连续调节。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中平台温度无法连续调节的问题，现提供一种石墨烯3D打印机用快速冷冻装置，该快速冷冻装置可实现平台温度的连续调节，并可将平台的温度维持在石墨烯浆料3D打印时所需的温度，从而将打印至平台上的石墨烯浆料瞬间冰冻成型，经层层叠加，最终可以打印出复杂的三维产品。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种石墨烯3D打印机用快速冷冻装置，用对石墨烯浆料冰冻成型，该快速冷冻装置包括制冷系统、散热系统及控制系统；

所述制冷系统包括铝合金材质的平台及位于平台下方的制冷片，所述制冷片的冷端端面与平台的下表面之间设置有导热硅脂层；

所述散热系统用于对制冷片的热端进行散热；

所述控制系统包括依次信号连接的用于检测制冷片温度的热电偶、用于将热电偶检测的温度信号转化为数字信号的A/D转换器、集成有模糊PID算法的单片机、PWM控制器及直流电源；

所述热电偶设置在平台上，直流电源与制冷片电连接，所述单片机通过执行内部模糊PID算法调节PWM控制器的脉宽占空比，进而实现调节直流电源的输送功率。

本方案中的平台在制冷系统、散热系统及控制系统的共同作用下可实现快速降温，并可实现平台在-40℃至0℃的温度区间连续可调，且整个装置结构紧凑，体积小巧；铝合金材质的平台及导热硅脂层可以二次均化制冷片的表面温度，消除平台表面的温度梯度，便于测量和控制平台的表面温度。

进一步地，所述散热系统包括散热片、散热槽及水槽，所述散热片设置在制冷片热端端面的下方，所述散热片的上表面与制冷片的热端端面之间也设置有导热硅脂层，所述散热片位于散热槽中，所述水槽中盛放有冷却液，所述水槽与散热槽之间设置有进液管和出液管，所述进液管上设有用于将水槽中的冷却液泵入散热槽内的循环泵，通过循环泵将冷却液从水槽中抽送至散热槽中，并利用冷却液流经散热片，从而带走散热片上的热量。

为了便于散热片温度的快速散发，进一步地，所述散热片远离制冷片的一端间隔分布有若干散热翅，所述散热翅位于散热槽中，通过散热翅为散热片提供较大的比表面积可快速将散热片的热量散发。

进一步地，所述冷却液由40wt％的酒精、15wt％的甘油和45wt％的去离子水混合而成，该成分配比的冷却液其冰点为-26℃，可确保为散热片提供制冷。

为了提高制冷效率及平面温度的均匀性，优选地，所述制冷片有四片，四片所述制冷片呈矩阵列分布在平台的下表面，。

进一步地，所述散热片的材质采用铝合金。

为了防止平台的表面产生结霜现象，进一步地，所述平台的上表面经超疏水处理形成超疏水表面，超疏水面可有效的抑制霜层的生长，保证石墨烯浆料的打印精度。

上述石墨烯3D打印机用快速冷冻装置的使用方法，包括以下步骤：

a)、预先在单片机中设定平台所需达到的预设温度值,预设温度值的范围在-40℃至0℃之间；当预设温度值≤-20℃时，省略步骤b)；

b)、然后将水槽及其内的冷却液放置在冷冻设备中进行降温，直至水槽中的冷却液到达-10℃至0℃；

c)、然后接通直流电源使制冷片工作，循环泵将水槽中的冷却液泵入散热槽中对散热片进行降温；

d)、热电偶实时检测平台的温度并以信号的形式发送给A/D转换器，由A/D转换器将热电偶检测的温度信号转化为数字信号，然后A/D转换器将转换出的数字信号反馈给单片机，接着单片机将该数字信号与预设温度进行比较，并执行内部模糊PID算法调节PWM控制器的脉宽占空比，得出下一个时间单元内所需输出的PWM控制器的脉宽占空比，然后单片机将该脉宽占空比发送给PWM控制器，并由PWM控制器根据该脉宽占空比控制直流电源输出相应的输出电压，最终实现将平台的温度降低至预设温度。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的石墨烯3D打印机用快速冷冻装置通过在单片机中调整平台的预设温度，可实现平台在-40℃至0℃的温度区间连续可调，且能够使平台在短时间内到达所需的温度，实现将打印至平台上的不同成分的石墨烯浆料瞬间冰冻成型，具有制冷速度快、控制精度高及制冷温度可无极调节的优点，整个冷冻装置结构紧凑，体积小巧、无噪音、重量轻、可靠性高及制备成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型石墨烯3D打印机用快速冷冻装置的示意图；

图2是本实用新型石墨烯3D打印机用快速冷冻装置中制冷系统的爆炸示意图；

图3是本实用新型中平台目标温度分别为-30℃和-40℃时的制冷温度曲线示意图。

图中：1、平台，2、制冷片，3、导热硅脂层，4、热电偶，5、A/D转换器，6、单片机，8、PWM控制器，9、直流电源，10、循环泵，11、散热片，11-1、散热翅，12、散热槽，13、水槽，14、进液管，15、出液管。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1和2所示，一种石墨烯3D打印机用快速冷冻装置，用对石墨烯浆料冰冻成型，该快速冷冻装置包括制冷系统、散热系统及控制系统；

制冷系统包括铝合金材质的平台1及位于平台1下方的制冷片2，所述制冷片2的冷端端面与平台1的下表面之间设置有导热硅脂层3；

散热系统用于对制冷片2的热端进行散热；

控制系统包括依次信号连接的用于检测制冷片2温度的热电偶4、用于将热电偶4检测的温度信号转化为数字信号的A/D转换器5、集成有模糊PID算法的单片机6、PWM控制器8及直流电源9；

热电偶4设置在平台1上，直流电源9与制冷片2电连接，单片机6通过执行内部模糊PID算法调节PWM控制器8的脉宽占空比，进而实现调节直流电源9的输送功率，热电偶4可采用T型热电偶，温度测量范围在-270℃至400℃之间，测量精度为0.1℃。

散热系统包括散热片11、散热槽12及水槽13，散热片11设置在制冷片2热端端面的下方，散热片11的上表面与制冷片2的热端端面之间也设置有导热硅脂层3，散热片11位于散热槽12中，水槽13中盛放有冷却液，水槽13与散热槽12之间设置有进液管14和出液管15，进液管14上设有用于将水槽13中的冷却液泵入散热槽12内的循环泵10。

散热片11远离制冷片2的一端间隔分布有若干散热翅11-1，散热翅11-1位于散热槽12中，通过散热翅11-1为散热片11提供较大的比表面积可快速将散热片11的热量散发，散热片11的材质采用铝合金8176，铝合金8176的热导率为230W/(m·K)，具有较大热导率、热容量及价格低廉等有优点。

冷却液由40wt％的酒精、15wt％的甘油和45wt％的去离子水混合而成，该成分配比的冷却液其冰点为-26℃，可确保为散热片11提供制冷。

制冷片2有四片，四片制冷片2呈矩阵列分布在平台1的下表面。

平台1的上表面经超疏水处理形成超疏水表面，超疏水面可有效的抑制霜层的生长，保证石墨烯浆料的打印精度。

单片机可采用Atmel公司ATmega8，其具有A/D转换功能，PWM通道，有断电后保存数据的EEPROM，支持在线编程。

本实施例中，制冷片2工作时，制冷片2冷端通过导热硅脂层3迅速将冷量传递给平台1，制冷片2热端通过导热硅脂层3迅速将热量传递给散热片11，散热片11上的散热翅11-1提供了较大的比表面积，循环泵10将冷却液从水槽13中抽送至散热槽12内，冷却液流经散热翅11-1，带走散热片11上的热量，并从出液管15回流至水槽13中，可有效快速吸收制冷片2热端的热量，避免对制冷片2冷端的冷量造成影响。

一种上述石墨烯3D打印机用快速冷冻装置的使用方法，包括以下步骤：

a)、预先在单片机6中设定平台1所需达到的预设温度值，预设温度值的范围在-40℃至0℃之间；当预设温度值≤-20℃时，省略步骤b)；

b)、然后将水槽13及其内的冷却液放置在冷冻设备中进行降温，直至水槽13中的冷却液到达-10℃至0℃；

c)、然后接通直流电源9使制冷片2工作，循环泵10将水槽13中的冷却液泵入散热槽12中对散热片11进行降温；

d)、热电偶4实时检测平台1的温度并以信号的形式发送给A/D转换器5，由A/D转换器5将热电偶4检测的温度信号转化为数字信号，然后A/D转换器5将转换出的数字信号反馈给单片机6，接着单片机6将该数字信号与预设温度进行比较，并执行内部模糊PID算法调节PWM控制器8的脉宽占空比，得出下一个时间单元内所需输出的PWM控制器8的脉宽占空比，然后单片机7将该脉宽占空比发送给PWM控制器8，并由PWM控制器8根据该脉宽占空比控制直流电源9输出相应的输出电压，最终实现将平台1的温度降低至预设温度。

以上述实施例1来阐述本实用新型的工作原理：

采用上述控制系统不仅温度调整响应速度快、精度高，且平台1的温度较为稳定，不易产生震荡，平稳性好。

通过实验在单片机6中设置平台1温度为-30℃和-40℃，平台1的温度变化如图3所示：-30℃的温度曲线在76秒处达到平衡状态，超调量约为2.2％，平衡温度精度达±0.5℃；-40℃的温度曲线在92秒处达到平衡状态，未出现超调；

铝合金材质的平台1及导热硅脂层3可以二次均化制冷片2的表面温度，消除平台1表面的温度梯度，在平台1到达不同目标温度时，通过测量平台1上表面不同区域的温度，测量结构表明平台1上表面各区域温度一致，无温度梯度存在。

该装置能使平台1温度在-40℃-0℃之间连续可调，超调量在4.8％以内，设定温度最长在124s内达到设定值，且在设定值附近几乎保持恒定，铝片表面无温度梯度存在，且平台1表面经过超疏水工艺处理，无结霜现象产生，可确保氧化石墨烯浆料在快速冷冻成型平台1上的成型精度。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。