一种低温打印平台及低温打印平台落料检测方法与流程

本发明涉及3d打印技术领域，更具体地，涉及一种低温打印平台及低温打印平台落料检测方法。

背景技术：

通多特定喷头将材料以挤出、喷射或发射的形式按照预定的轨迹传递到一个成型平台上并逐层累积最终获得三维模型是3d打印设备中常见的打印成型方式。打印前虚拟三维模型通过软件进行分层切片并规划每层轮廓的喷头运动轨迹，规划完成后把运动轨迹分配给指定的喷头。打印开始时，打印机的运动平台带动喷头按照预定轨迹运动，喷头同时把材料传递至成型平台上。

在上述过程中，需要在打印一开始就控制喷头把材料挤出针尖，否则材料挤出就会落后于喷头的轨迹运动，由此就会导致模型打印缺损甚至坍塌。为了解决上述问题，常见的fdm型打印机在软件切片时会首先控制喷头在首层模型轮廓的外围打印一条裙边，当裙边打印结束后再正式开始打印模型的首层轮廓。在该过程中，需要保证喷头把材料从针尖挤出的时间控制在喷头完成裙边打印的时间内，否则正式打印首层模型轮廓时仍存在材料漏打缺陷。该控制过程属于开环控制，仅给定了一定时间(即打印裙边的时间)用于喷头材料预先挤出，在该过程中，系统无法实际确定喷头是否已经有材料挤出，因而材料漏打印现象不能从根本上得到解决。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的至少一种缺陷，本发明的目的在于提供一种能有效避免喷头开始打印时针尖无材料挤出情况的低温打印平台；本发明的另一目的在于提供一种低温打印平台的落料检测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种低温打印平台，该打印平台能够对喷头针尖进行落料检测，确保喷头针尖完成预挤操作做好打印准备，然后在低温打印区域进行打印，所述低温打印平台包括低温打印区域和位于低于打印区域一侧的落料检测模块，所述落料检测模块与控制器通信连接，所述的落料检测模块包括传感器，所述传感器能够感应喷头针尖是否有打印材料挤出并回传给控制器，控制器能够根据传感器的回传信号控制停止预挤操作。

优选的，所述的传感器为光学传感器，所述的光学传感器包括发射端和接收端，所述的发射端与接收端之间能够形成光路识别区以感应是否有打印材料挤出。

优选的，所述低温打印平台还包括平台基板，所述光学传感器包括固定支架，所述的固定支架用于固定发射端和接收端以及调整发射端和接收端之间的距离。

进一步的，所述固定支架包括第一固定支架和第二固定支架，所述发射端和接收端分别固定于第一固定支架和第二固定支架的上端，所述第一固定支架和第二固定支架的下端与所述平台基板连接且可相对所述平台基板滑动以调整发射端和接收端之间的距离，用于适应不同透光特性的材料调节光信号覆盖区域面积和信号强度。

优选的，所述第一固定支架的下端设有第一槽孔，所述第二固定支架的下端设有第二槽孔，所述第一固定支架和第二固定支架分别通过所述第一槽孔和第二槽孔固定于平台基板上并可在所述槽孔范围内相对所述平台基板滑动以调整发射端和接收端之间的距离。

优选的，所述的传感器为图像传感器，所述图像传感器位于喷头针尖落料路径的一侧以感应是否有打印材料挤出，所述的图像传感器通过捕捉图像信息，触发感应是否有打印材料挤出。

进一步的，该低温打印平台还包括落料收纳模块，所述的落料收纳模块设置在落料检测模块光学传感器的下方并能够收纳滴落的落料。落料检测环节时，有材料通过针尖滴落，为了保证这部分滴落的材料不污染机台，在光学传感器的正下方设计了落料收纳盒，本方案中收纳盒选用了与擦拭区连为一体的结构，并采用磁吸的方式与平台基板固定，当收纳盒中落料渐满时就可以抽出收纳盒更换收纳盒或清理落料。

进一步的，所述的落料收纳模块包括收纳盒主体、磁吸和收纳盒卡槽，所述的收纳盒主体位于发射端和接收端的下方位置，所述的收纳盒卡槽能够对收纳盒主体的位置限定，所述的磁吸位于收纳盒卡槽内并能够将收纳盒主体吸引固定在收纳盒卡槽内。

进一步的，该低温打印平台还包括针尖擦拭区，所述的擦拭区包括毛刷，所述的喷头针尖能够在针尖擦拭区做往复运动，使得喷头针尖多余材料被清理。完成预挤操作的喷头接受控制器的指令停止材料挤出，但由于材料粘性等原因会使得部分已挤出的材料积聚在喷嘴针尖周围，形成挂涎现象，挂涎严重时会导致材料整团滴落，破坏模型结构。因此需要对预挤操作完成后的喷嘴针尖擦拭去除多余材料。本方案优选采用了毛刷安装在擦拭区，擦拭区设计在落料检测模块的传感器附近，当预挤完成后针尖在擦拭区往复运动完成针尖的清理操作。

进一步的，该低温打印平台还包括位于低温打印区域一侧的位置传感器，所述的位置传感器包括传感器运动机构和通讯接口，所述传感器运动机构的表面为位置传感器的校准平面，所述位置传感器通过传感器通讯接口向控制器反馈包含位置信息的信号。

进一步的，所述的低温打印平台包括微调平台，所述的微调平台能够调整低温打印区域的成型平面与位置传感器的校准平面的距离。

进一步的，所述的微调平台包括微动平台移动机构、锁定旋钮和微调旋钮，所述的位置传感器与所述的微动平台移动机构固定，所述的锁定旋钮能够锁紧微动平台移动机构的现有高度，所述的微调旋钮能够在锁定旋钮松开的状态下对微动平台移动机构的高度进行调节。

进一步的，所述的低温打印区域包括低温板和平台热板，所述低温板和平台热板之间设有半导体制冷片组，所述半导体制冷片组中半导体制冷片的冷端与所述低温板的底面紧贴，半导体制冷片组中半导体制冷片的热端与所述平台热板的顶面紧贴，所述平台热板内部设有供循环冷却水流过的流道组，所述平台热板设有与所述流道组连通的进水口和出水口，所述低温板设有温度传感器安装孔。

进一步的，所述半导体制冷片组由多组半导体制冷片同平面并列布置而成，每组半导体制冷片包括两个半导体制冷片单元。

进一步的，所述流道组包括设在所述平台热板内部的一级流道结构，所述一级流道结构由多个一级流道单元并列排布并依次首尾连通组成，所述各一级流道单元内设有若干凸起，所述凸起将所述一级流道单元分隔成若干并列排布的二级流道。

本方案还提供一种低温打印平台落料检测方法，具体包括如下步骤：

s01:控制器控制喷头进行预挤操作，使打印材料从针尖挤出；

s02：落料检测模块通过传感器检测是否有落料挤出，当检测到有落料挤出时，向控制器回传停止预挤操作的信号；

s03：控制器接收到停止预挤操作的信号后控制喷头停止材料挤出。

进一步的，还包括步骤s04：当有打印材料挤出并停止挤出操作后，对喷头针尖进行清理操作。

优选的，落料检测模块采用光学传感器进行落料检测。

优选的，落料检测模块采用图像传感器进行落料检测。

进一步的，步骤s02中具体包括：

所述传感器为光学传感器，控制器控制喷头针尖沿光学传感器的发射端与接收端之间形成的光路识别区平行往复移动，当有材料阻隔了发射端和接收端之间的光路时，光学传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

进一步的，步骤s02中具体包括：

所述传感器为光学传感器，当接收端的光通量小于发送端的光通量时，光学传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

进一步的，步骤s02中具体包括：

所述传感器为图像传感器，当图像传感器采集到材料挤出的图像时，图像传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

优选的，步骤s02中控制器判断是否有落料挤出的感应方式为阻隔光路感应的方式，具体的：没有落料的状态下，接收端和发送端接收量一致，当有落料下落时，传感器光路被阻隔。

优选的，步骤s02中控制器判断是否有落料挤出的感应方式为光通量变化：没有落料的状态下，接收端和发送端接收量一致，当有落料下落时，接收端的光通量少于发送端。

与现有技术相比，有益效果是：

(1)低温打印平台设置了落料检测模块，能够在打印开始前对喷头针尖进行落料检测，确保喷头针尖完成预挤操作，有效的防止正式打印开始时漏打印的现象。

(2)通过设置落料收纳模块，可以保证落料检测时完整回收被挤出的材料，避免材料污损打印平台和落料检测系统的传感器。采用磁吸固定收纳盒主体的形式既可以稳定固定又可以快速拆除，大大提高了效率。

(3)通过设置针尖擦拭区，用于去除落料检测后的针尖多余的材料，避免了针尖的挂涎现象，降低了针头堵塞的可能性的同时避免了挂涎材料在打印过程中发生积聚滴落造成模型破坏。

(4)通过设置微调平台，使位置传感器的校准平面与低温打印区域的成型平面相对水平位置可以调节，保证位置传感器校准平面与低温打印区域的成型平面保持在同一水平面或保持一定高度以保证喷头针尖校准的精度。

(5)通过在低温打印区域中设置两级流道组，提高低温打印平台可以更高效的制冷效率，保证平台获得更低更稳定的温度。

附图说明

图1是本发明一实施例中低温打印平台的结构示意图。

图2是本发明另一实施例中低温打印平台的结构示意图。

图3是本发明一实施例中落料检测原理图。

图4是本发明一实施例中材料通过针尖时形成的凸透镜特性截面。

图5是本发明另一实施例中落料检测原理图。

图6是本发明一实施例中落料收纳盒结构示意图。

图7是本发明一实施例中具有两级流道的低温打印平台示意图。

图8是本发明一实施例中平台热板两级流道结构示意图。

图中：低温打印区域1，平台基板1001，热板密封盖1002，进水口1003、出水口1005，平台热板1004，半导体制冷片组1006，低温板1007，温度传感器安装孔1008，一级流道1009，二级流道1010，微调平台2，微调旋钮21，锁定旋钮22，微动平台移动机构23，针尖位置传感器3，传感器运动机构3001，传感器通讯接口3002，落料收纳模块4，收纳盒主体41，磁吸42，收纳盒卡槽43，针尖擦拭区5，落料检测模块6，传感器发射端601，传感器接收端602，第一固定支架603，第二固定支架604。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例一：

图1、2所示为本实施例中低温打印平台的结构示意图，该低温打印平台能够对喷头针尖的预挤操作进行落料检测，包括落料检测模块6和控制器，所述的控制器与落料检测模块通信连接，所述的落料检测模块6包括传感器，所述传感器具有落料识别区，所述的喷头针尖挤出的材料可通过落料检测模块中传感器的落料识别区以进行落料检测，控制器能够根据落料识别区的断路信号判断是否有打印材料挤出。

本实施例中，所述传感器为光学传感器，所述的落料识别区为光路识别区。所述光学传感器包括发射端601和接收端602，所述的发射端601与接收端602之间形成激光光束，该光束具有一定宽度，形成所述光路识别区。所述光学传感器还包括固定支架，所述的固定支架用于固定发射端601和接收端602。

另一个实施例中，所述固定支架包括第一固定支架603和第二固定支架604，所述发射端601和接收端602分别固定于第一固定支架603和第二固定支架604的上端，所述第一固定支架603和第二固定支架604的下端与所述平台基板1001连接且可相对所述平台基板1001滑动以调整发射端601和接收端602之间的距离，用于适应不同透光特性的材料调节光信号覆盖区域面积和信号强度。

又一个实施例中，所述低温打印平台包括平台基板1001，所述低温打印区域1和落料检测模块6均设于所述平台基板1001上，所述第一固定支架603的下端设有第一槽孔，所述第二固定支架604的下端设有第二槽孔，所述第一固定支架603和第二固定支架604分别通过所述第一槽孔和第二槽孔固定于平台基板1001上并可在所述槽孔范围内相对所述平台基板1001滑动以调整发射端601和接收端602之间的距离。

本实施例中，当检测的材料透光性较差时，如高分子类、无机类、或者高分子无机复合材料等材料，落料检测的原理如图3所示，具体为：

完成针尖校准后的喷头按照预定的路线把喷头针尖定位到落料检测模块6光学传感器的光路识别区上方一定距离处，喷头针尖沿光束宽度的方向往复运动，具体的，针尖在光学传感器发射端601和接收端602之间形成的光路识别区的运动轨迹如图3所示，图中点0代表实际针尖定位位置，检测过程开始时，喷头通过针尖预挤出材料同时喷头带动针尖自点0开始向点1做匀速运动(图3中0-1段距离仅用做原理示意，不作为实际运动距离)，在该过程中如果针尖挤出的材料没有触碰到光学传感器的激光束(即没有落在发射端601和接收端602之间的光路识别区)，光学传感器未被触发，则喷头带动针尖朝向点2运动，在该过程中光学传感器持续检测针尖的落料情况，如果在此过程中光学传感器光路被阻隔则传感器被触发，落料检测完成，否则针尖行至点2后继续反向朝向点3运动直至光路被阻隔触发光学传感器，在图中任意两相邻点之间的距离均相等且可依据传感器激光光斑直径大小或光束宽度做适当调整以提高检测效率。在实际打印设备中，如果打印机只配置单喷头且打印过程中不存在更换堵塞针头而更换针头的现象，则设备的重复定位精度可完全保证每次落料检测时使针尖定位到激光光束的中线上，从而可省去喷头做上述往复运动。但实际打印设备中往往不只有一个喷头且喷头的针头堵塞现象时有发生，当需要切换不同喷头或者为同一喷头更换不同针头时由于人为操作导致使用针尖倾斜的针头，此时把喷头定位到相同落料位置时就会引入针尖定位误差，误差会导致从针尖挤出的材料不能及时碰触激光束(落在光路识别区)而无法触发传感器，最终导致材料的浪费。

本实施例中，当检测的材料透光性较好时，如水凝胶等材料，落料检测的原理如图4和5所示，具体为：

由于目前市面上所有生物打印机所使用的针头均为圆孔结构，当透光性较好的水凝胶类材料通过圆孔针头挤出时形成带有凸透镜特性的截面，如图4所示。由此产生一定程度的聚焦现象，聚焦后具有一定光斑直径的平行光束被收缩聚焦形成光斑直径更小的焦点，从而改变了传感器接收端的光通量接受，进而触发传感器完成落料检测，如图5所示。

本发明的另一个实施例中，由于不同孔径的针头所产生的材料丝直径是不相同的，所形成的凸透镜的焦点略有不同，为了严格控制焦点，把焦点与传感器接收端重合，还可针对不同孔径针头制定相应的焦距补偿策略，其中焦距f与凸透镜两个面的曲率半径r1、r2之间的关系可以用如下公式表示：

其中，n表示透镜的折射率，在本实施例中即代表所用材料的折射率，实际材料的折射率可有阿贝折射仪进行准确测量。进一步的，理想状态下，凸透镜曲率半径与针头孔径是一致的，此时，公式中r1、r2可以统一为r，r表示针头孔径。

实施例二：

本实施例的其他部分与实施例一相同，区别在于本实施例中，传感器为图像传感器，所述的落料识别区为图像识别区，落料检测时，通过图像传感器可以按需捕获针尖落料的情况。

实施例三：

本实施例其他部分与实施例一相同，如图6所示，该低温打印平台还包括落料收纳模块4，所述的落料收纳模块4设置在落料检测模块6光学传感器的下方并能够收纳滴落的落料。

所述的落料收纳模块4可以包括收纳盒主体41、磁吸42和收纳盒卡槽43，所述的收纳盒主体41位于发射端601和接收端602的下方位置且位于第一固定支架603和第二固定支架604之间，所述的收纳盒卡槽43能够对收纳盒主体41的位置限定，所述的磁吸42位于收纳盒卡槽43内并能够将收纳盒主体41吸引固定在收纳盒卡槽43内。

具体的，所述落料收纳模块4设于所述平台基板1001上，所述平台基板1001与所述收纳盒主体41相对应的位置向下凹陷形成所述收纳盒卡槽43以对收纳盒主体41的位置限定，所述磁吸42设于所述平台基板1001凹陷处以将收纳盒主体41吸引固定在收纳盒卡槽43内，当收纳盒主体41中的落料渐满时就可以从收纳盒卡槽43中抽出收纳盒主体41进行更换或清理落料。

本发明的另一个实施例中，该低温打印平台还可以包括针尖擦拭区5，所述针尖擦拭区5与收纳盒主体41连为一体的结构，所述的针尖擦拭区5安装有毛刷，所述的喷头针尖能够在针尖擦拭区做往复运动，使得喷头针尖多余材料被清理。

实施例四：

如图5，本实施例其他部分与实施例一至三相同，该低温打印平台还包括低温打印区域1、针尖位置传感器3，所述的针尖位置传感器3包括校准平面，所述的低温打印区域1的表面为3d打印的成型平面，所述的针尖位置传感器3设置在低温打印区域1一侧，所述的控制器通信连接喷头针尖，所述的控制器通信连接针尖位置传感器3，并能够根据针尖位置传感器3反馈的信号控制针尖的运动。

所述的低温打印平台还可以包括微调平台2，所述的微调平台2能够调整低温打印区域1与针尖位置传感器3校准平面的距离。

具体的，所述的微调平台2包括微动平台移动机构23、锁定旋钮22和微调旋钮21，所述的位置传感器与所述的微动平台移动机构23固定，所述的锁定旋钮22能够锁紧微动平台移动机构23的现有高度，所述的微调旋钮21能够在锁定旋钮22松开的状态下对微动平台移动机构23的高度进行调节。

实施例五：

本实施例其他部分与实施例一至实施例四相同，如图7、8所示，所述的低温打印区域1包括低温板1007和平台热板1004，所述低温板1007和平台热板1004之间设有半导体制冷片组1006，所述半导体制冷片组1006中半导体制冷片的冷端与所述低温板1007的底面紧贴，半导体制冷片组1006中半导体制冷片的热端与所述平台热板1004的顶面紧贴，所述平台热板1004内部设有供循环冷却水流过的流道组，所述平台热板1004设有与所述流道组连通的进水口1003和出水口1005，所述低温板1007设有温度传感器安装孔1008，所述温度传感器安装孔内安装有温度传感器。

所述半导体制冷片组1006可以由多组半导体制冷片同平面并列布置而成，每组半导体制冷片包括两个半导体制冷片单元。

所述流道组包括设在所述平台热板1004内部的一级流道结构1009，所述一级流道结构1009由多个一级流道单元并列排布并依次首尾连通组成，所述各一级流道单元内设有若干凸起，所述凸起将所述一级流道单元分隔成若干并列排布的二级流道1010。

当上述操作完成后，喷头完全处于打印待定状态，若此时低温平台已达到目标温度则可以直接开始打印过程。低温打印平台采用半导体制冷原理，制冷片的冷端直接与低温打印区域的金属板接触，工作时冷端的热量被传递至金属板表面，热端产生的热量通过特殊的两级流道结构中的冷却液循环带走，制冷片热端热量与外界交换的效率直接决定冷端的制冷量和稳定性，在本方案中采用了两级流道嵌套的方式实现热端热量与冷却液之间的高效热交换。一级流道用以束缚冷却液按照一定的流向均匀的流经所有制冷片的热端区域，二级流道位于一级流道内，起到增加热接触面积和防止产生热交换死角的作用。

实施例六：

一种低温打印平台落料检测方法，具体包括如下步骤：

s01:控制器控制喷头进行预挤操作，使打印材料从针尖挤出；

s02：落料检测模块通过传感器检测是否有落料挤出，当检测到有落料挤出时，向控制器回传停止预挤操作的信号；

s03：控制器接收到停止预挤操作的信号后控制喷头停止材料挤出。

另一个实施例中，当有打印材料挤出并停止挤出操作后，对喷头针尖进行清理操作。

另一个实施例中，落料检测模块采用光学传感器进行落料检测。

优选的，落料检测模块采用图像传感器进行落料检测。

另一个实施例中，步骤s02中具体包括：

所述传感器为光学传感器，控制器控制喷头针尖沿光学传感器的发射端与接收端之间形成的光路识别区平行往复移动，当有材料阻隔了发射端和接收端之间的光路时，光学传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

另一个实施例中，步骤s02中具体包括：

所述传感器为光学传感器，当接收端的光通量小于发送端的光通量时，光学传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

另一个实施例中，步骤s02中具体包括：

所述传感器为图像传感器，当图像传感器采集到材料挤出的图像时，图像传感器向控制器回传停止预挤操作的信号。

另一个实施例中，步骤s02中控制器判断是否有落料挤出的感应方式为阻隔光路感应的方式，具体的：没有落料的状态下，接收端和发送端接收量一致，当有落料下落时，传感器光路被阻隔。

另一个实施例中，步骤s02中控制器判断是否有落料挤出的感应方式为光通量变化：没有落料的状态下，接收端和发送端接收量一致，当有落料下落时，接收端的光通量少于发送端。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。