用于对塑料制品的表面进行溶剂蒸气平滑化的装置和方法与流程

本发明涉及用于对塑料制品的表面进行溶剂蒸气平滑化的装置和方法。特别地，本发明涉及通过使溶剂蒸气在利用熔融聚合物层通过增材制造方法制造的模型的表面上冷凝来使该表面平滑化。

背景技术：

通过日益流行的3d打印技术制造的制品通常具有肉眼可见的分层结构。这尤其涉及层塑料沉积(lpd)技术，其中热塑性材料(长丝)在挤出机中熔化并在加工平台上分层，从而产生三维制品。

为了提高这样的制品的视觉方面，它们的表面可以通过称为溶剂蒸气平滑化的方法变平滑，其中，用在制品表面上冷凝的溶剂蒸气处理制品，从而使其变得更平滑。

存在用于进行溶剂蒸气平滑化处理的各种已知装置，通常包括在其中放置要与溶剂蒸气接触的被处理的物体的腔室。

通过已知的装置和方法进行的塑料制品的溶剂蒸气平滑化过程通常是使用高浓度溶剂的持久过程。这导致几个问题。例如，难以避免来自工作腔室的有害的溶剂蒸气向周围环境的排放。此外，平滑化处理不均匀，并且在某些区域中，经受平滑化处理的制品趋于变形，而在其他区域中，表面没有平滑到令人满意的程度。

因此，需要提供用于对塑料制品的表面进行溶剂蒸气平滑化的改进的装置和方法。

技术实现要素：

公开了一种用于对塑料制品的表面进行溶剂蒸气平滑化的方法，所述方法包括下述步骤：将要平滑化的塑料制品放置在封闭的腔室中，该腔室包括被加热的壁和用于溶剂的被加热的蒸发器；确定处理参数，该处理参数包括溶剂的预期露点温度和溶剂的预期沸点温度；将腔室的至少一个壁加热至第一温度并将蒸发器加热至第二温度，其中，对于腔室内的当前压力，第一温度高于溶剂的预期露点温度并且第二温度高于溶剂的预期沸点温度；将溶剂引入蒸发器；使溶剂蒸气在制品的外表面上冷凝；以及从腔室收集溶剂蒸气。

用于溶剂的蒸发器可以位于腔室的底部；并且该方法还包括使腔室内的溶剂蒸气在从腔室的底部到顶部的方向上循环；以及从腔室的上部收集溶剂蒸气。

腔室可以具有被加热的壁，并且在使溶剂蒸气在制品的外表面上冷凝之后，所述方法还包括加热腔室的至少一个壁，从腔室收集溶剂蒸气并且在腔室外使收集到的溶剂蒸气冷凝。

在将溶剂引入蒸发器之前，所述方法还可以包括在腔室内产生相对于环境压力的负压。

负压可以等于300至800毫巴。

还公开了一种用于对塑料制品的表面进行溶剂蒸气平滑化的装置，该装置包括：封闭的腔室，其包括被加热的壁和用于溶剂的被加热的蒸发器；以及控制器，该控制器被配置为在将溶剂引入蒸发器之前：确定处理参数，该处理参数包括溶剂的预期露点温度和溶剂的预期沸点温度；并且启动加热元件以将腔室的至少一个壁加热至第一温度并且将蒸发器加热至第二温度，其中对于腔室内的当前压力，第一温度高于溶剂的预期露点温度并且第二温度高于溶剂的预期沸点温度。

用于溶剂的蒸发器可以位于腔室的底部；并且该装置还可以包括循环系统，去用于使腔室内的溶剂蒸气在从腔室的底部到顶部的方向上和腔室外的溶剂蒸气在从腔室的顶部到底部的方向上在闭合环路系统中循环。

腔室还可以包括用于从腔室收集溶剂蒸气的制冷模块；并且控制器被进一步配置为在使溶剂蒸气在制品的外表面上冷凝之后：启动加热元件以加热腔室的至少一个壁；并且启动制冷模块以在腔室外使收集到的溶剂蒸气冷凝。

该装置还可以包括具有用于在腔室内产生负压的真空泵的压力模块。

制冷模块可以包括用于引导收集到的溶剂蒸气的空气管道，其中空气管道与珀尔帖模块热耦合。

珀尔帖模块的热侧可以与通过冷却风扇冷却的散热装置耦合。

该装置还可以包括安装在腔室的侧壁的外表面上的应变仪。

该装置还可以包括用于在平滑化处理期间关紧腔室的门的电磁锁。

该装置还可以包括用于在重力下将溶剂蒸气从腔室上部处的入口引导至主溶剂罐的输送管。

溶剂可以通过溶剂计量阀在重力下从主溶剂罐转移至蒸发器。

就通过在蒸发开始之前在制品和溶剂蒸气之间产生高的温度梯度来防止溶剂在壁上冷凝以提高腔室内的溶剂浓度和/或避免溶剂从顶壁朝向被加热的物体滴落的问题而言，上面所限定的方法和装置对于改善溶剂蒸气平滑化处理特别有用。

就各种其他问题而言，该装置和方法的其他可选特征对于改善溶剂蒸气平滑化处理有用，例如但不限于：

-通过使腔室内的溶剂蒸气在从腔室的底部到顶部的方向上循环，对抗了制品的小元件(细部)由于溶剂的熔化作用和高温而在重力下向下弯曲的倾向；

-通过在处理结束时使溶剂蒸气冷却并冷凝，有效地从腔室和制品除去了溶剂蒸气；

-通过在腔室内产生负压，防止了腔室由于在溶剂蒸发期间压力随后增加而减压(泄露)。

附图说明

通过附图中的示例性实施方式给出了本文所提出的装置和方法，其中：

图1a以等距视图示出了用于进行溶剂蒸气平滑化的装置；

图1b以循环系统的剖视图示出了装置；

图2以等距视图示出了没有盖的装置；

图3以后视图示出了没有盖的装置；

图4以等距视图示出了没有盖且没有制冷系统的装置；

图5以等距视图示出了没有盖且没有散热装置的装置；

图6以分解图示出了轴套和驱动轴的细节；

图7示出了溶剂蒸气平滑化处理的步骤。

具体实施方式

图1a以等距视图示出了用于进行溶剂蒸气平滑化的装置的示例性实施方式。该装置包括由密封门120封闭的腔室110。优选地，腔室110由金属制成。在腔室内放置要平滑化的制品。

优选地，将制品放置在台140(图4)上，台140的台顶部位于腔室的底壁112上方1cm至5cm(优选，2cm)处。台140优选由玻璃制成，但它也可以由钢、铝或其他合适的材料制成。

蒸发器111定位在腔室的底部，例如放置在底壁112内。蒸发器111可以具有凹部的形式，一部分溶剂通过管道212转移至该凹部。

溶剂可以在重力下(即，不使用泵)从主溶剂罐211(图2)转移至蒸发器111。这避免了使用耐溶剂泵的需要，并且仅需要耐溶剂管道212来将溶剂从罐211引导至蒸发器111。

腔室110包括循环系统300，以循环溶剂蒸气。优选地，循环系统300包括具有喷嘴313的风扇311，该喷嘴313影响腔室内的空气，以使腔室110内的溶剂蒸气在从腔室110的底部到顶部的方向上循环(如图1b所示)。喷嘴的形状应优选被选择为在腔室内产生螺旋形蒸气流。这种流动导致腔室内的蒸气浓度均匀。溶剂蒸气的流动使制品的细部(details)和薄壁升温更快，这减少了在这些细部和加热壁上凝结的溶剂的量，从而与制品的较大部分相比降低了它们的平滑化。当制品的小元件(细部)由于溶剂的熔化作用和高温而倾向于在重力下向下弯曲时，腔室内的溶剂蒸气从底部朝向顶部的流动对抗重力，并且至少有点有助于在溶剂蒸气平滑化处理期间保持制品的原始形状。

风扇311由马达312驱动，马达312可以通过带传动装置316与驱动轴314联接，驱动轴314通过密封块315在腔室110内突出。密封块315具有多级密封件317和两个冠部，其中第一冠部315a允许将密封块装配到腔室110以提供气密性，第二冠部315b允许溶剂朝向腔室110的内部循环。密封块315和驱动轴的细节在图6中给出。

该装置借助于可通过控制面板130操作的控制器来控制，控制面板130允许装置的使用者调整平滑化处理的参数。根据使用者引入的参数，例如模型的几何形状的类型(例如简单、复杂)、模型材料、溶剂类型和所需的平滑作用的强度，控制器计算处理参数，例如，腔室内的温度、要使用的溶剂量、压力等。

图2以等距视图给出了没有盖的装置。该装置包括分布在壁112-116中的至少一个的外表面上的加热元件220，以加热腔室110的内部。例如，加热元件220可以设置在底壁112的外表面和顶壁114的外表面上。该装置还可包括分布在侧壁113、115、116的外表面上的加热元件220。可在壁上附接单个元件，或者可在壁的外表面上设置多个元件，例如，6个元件。此外，至少一个加热元件220可以位于蒸发器111正下方，以实现从蒸发器111加热和蒸发溶剂。位于顶壁114上的加热元件220可以由第一温度传感器(例如，热敏电阻)控制，位于底壁112上的加热元件220可以由第二温度传感器控制，位于蒸发器111下方的加热元件220可以由第三温度传感器控制。这允许独立地操作每组加热元件220，以便控制腔室110中的温度和溶剂的蒸发速率(强度)。如果腔室的壁112-116由良好的热导体(例如，铝)制成，那么可以从加热元件220沿着整个壁表面有效且均匀地分布热量。

图3以后视图示出了没有盖的装置。当溶剂计量阀213打开时，储存在主溶剂罐211中的溶剂靠重力转移至蒸发器111。用于测量蒸发器111内的溶剂液面的传感器可以位于主溶剂罐211的外表面上，以测量蒸发器111内的溶剂的量。该传感器可以被配置为在溶剂的液面高于平滑化处理开始所需的最小值时开始测量。可替代地，传感器可以被配置为仅提供有关溶剂的液面是否高于预定液面的信息，其中溶剂的量可以基于投配溶剂的阀的打开持续时间来计算。所转移的溶剂的量取决于处理参数，例如制品的尺寸、制品的材料类型、所需的最初和最后的平滑度等。可以使用各种溶剂，例如丙酮、异丙醇、甲基乙基酮(mek，2-丁酮)。主溶剂罐211可以通过位于装置的前部的开口214用溶剂充满。

循环系统300还包括制冷模块320，该制冷模块使溶剂蒸气的温度降低以使溶剂冷凝(特别是在平滑化处理完成之后)。冷凝的溶剂通过输送管325从制冷模块320靠重力转移至主溶剂罐211。制冷模块320包括入口323和出口326，入口323用于从腔室110上部收集处于溶剂蒸气饱和状态的空气并将其转移至冷却部分321(图5)，出口326用于将干燥空气从冷却部分321放回到腔室110。在冷却部分321内设置有空气管道和用于使空气中的溶剂冷凝的多个肋327。多个肋327增加冷却部分321的冷却表面。制冷模块320可包括珀尔帖(peltier)模块322，该珀尔帖模块322使冷却部分321的内表面的温度降低，以达到腔室内的空气中特定浓度的溶剂的露点(即，空气被溶剂蒸气饱和的温度)。散热装置324连接至珀尔帖模块的热侧，以将热量从制冷模块320驱散。优选地，散热装置324另外通过附接至装置的盖的内侧的两个或更多个冷却风扇冷却(附图中没有示出风扇)。制冷模块320的热侧的温度由与散热装置324耦合的温度传感器控制，而制冷模块320的冷侧的温度由与冷却部分321耦合的温度传感器控制。制冷模块320的冷侧可以覆盖一层闭孔泡沫，该闭孔泡沫防止空气中存在的水蒸汽在制冷模块320的外表面上冷凝。泡沫提供隔热并避免冷凝的水蒸汽影响冷却部分321的热容量。

因此，总的来说，循环系统300使腔室110内的溶剂蒸气在从腔室110的底部到顶部的方向上和腔室外的溶剂蒸气在从腔室110的顶部到底部的方向上在闭合环路系统中循环(其中，优选使蒸气冷却并冷凝以被引导至主溶剂罐211，然后作为液体溶剂转移至蒸发器111)。图4以等距视图示出了没有盖且没有制冷系统的装置。该装置还包括压力模块410，该压力模块包括用于阻止腔室110和外部环境之间的压力交换的压力阀411、三通接头412，该三通接头的一端连接至压力阀411，第二端连接至通风阀413，并且第三端连接至真空泵414。真空泵414用于在平滑化处理开始之前在腔室110中产生负压。腔室中的负压值通过安装在腔室110的侧壁的外表面上(例如，以45°角安装在侧壁116的外侧的角部中)的应变仪240测量。应变仪240测量腔室110的侧壁的金属板的变形。与标准压力传感器相比，将应变仪用作压力传感器对腔室内的压力变化提供更快的响应。它还避免了使用耐受具有爆炸性气氛的环境的压力传感器的必要性。

与溶剂或溶剂蒸气接触的装置的所有元件应由耐溶剂材料制成，以保持装置的长寿命。

图7示出了溶剂蒸气平滑化处理。在开始该处理之前，将制品放置在腔室110内，关闭门120并基于输入数据确定处理参数，该输入数据包括：模型的几何形状的类型(例如，简单或复杂)、制品材料、溶剂类型和所需的平滑作用的强度等。因此，所确定的处理参数包括处理中要使用的溶剂的量、要产生的负压量、侧壁和蒸发器的加热温度等。本领域技术人员将认识到如何基于物理学的一般规则来计算处理参数，例如所需的平滑效果越高，所使用的溶剂浓度应越高。溶剂的预期露点和蒸发温度可以基于在腔室内最初产生的负压和要引入的溶剂的量来计算。

首先，在步骤501中，关紧门120以防止门在处理期间被打开，门被打开可能导致有毒蒸气从腔室中逸出。例如，门可以用电磁锁关紧。

接下来，在步骤502中，启动真空泵414以在腔室中产生负压。优选地，负压相对于环境压力具有300至800mbar的值(其中装置的周围环境的压力通常为大气压)，即，其从环境压力降低300至800mbar。由于在处理中进而发生的溶剂蒸发期间压力随后增加，负压保护腔室免于减压(泄漏)。另外，产生的负压有助于加热腔室壁，特别是顶壁和底壁，而不显著加热制品，因此有助于在蒸发开始之前在制品和溶剂蒸气之间产生高的温度梯度。被加热的壁防止溶剂蒸气在其表面冷凝，冷凝会降低腔室中的溶剂浓度。此外，溶剂蒸气在腔室顶壁上冷凝可能导致溶剂在模型上滴落，这可能会危及平滑化处理的结果。

接下来，在步骤503中，在达到所需的负压值之后，开始加热腔室壁和蒸发器111。将至少一个壁(优选至少顶壁114)加热至第一温度，该第一温度高于溶剂的预期露点温度，并且优选低于溶剂的预期沸点温度。底壁112和侧壁113、115、116优选也通过加热元件220加热。壁112-116借助于从加热元件沿着壁传递热量的壁材料的热传导加热。将蒸发器111的至少一部分加热至第二温度，该第二温度高于溶剂的预期沸点温度。

接下来，在步骤504中，将溶剂引入蒸发器111，使得其因蒸发器111的高温而蒸发。引入的溶剂的量与计量阀213的打开持续时间成比例，取决于所需的平滑化水平，例如，对于40至50升的腔室工作体积，它可以是50至300ml。

接下来，在步骤505中，通过循环系统(从腔室的底部到顶部)并借助于对流分配蒸发的溶剂。可以控制循环系统的功率，以便调节直接影响溶剂蒸气的流速的风扇的转速。

接下来，在步骤506中，由于溶剂在制品表面冷凝，制品的外表面变平滑。由于制品外表面的温度低于溶剂蒸气的温度，发生冷凝。加热壁导致加热腔室内的空气，并因此逐渐加热制品的表面。当制品的外表面达到的温度等于溶剂蒸气温度时，停止平滑化处理，因为溶剂停止在制品表面冷凝。根据所需的平滑化水平，平滑化步骤可持续5至20分钟。大多数平滑化制品具有复杂的几何形状，其中体积较大的区域和体积较小的薄壁元件倾向于更快地升温，因此它们与溶剂反应的时间更短。较短的反应时间具有积极作用，因为小元件表面的长时间溶剂冷凝可能导致溶剂渗透到制品结构内并可能降低其强度性能，最终会造成其变形。循环系统在平滑化步骤期间可以周期性地或连续地(可选地，以可变的操作功率)运行。在平滑化期间，加热元件220可以仍然运行以维持初始温度。

在平滑化完成之后，在步骤507中，启动加热元件220，以便将至少一个壁加热至第三温度，该第三温度高于第一温度，优选高于溶剂的预期沸点温度，从而加热腔室内的空气和制品。这使反应溶剂从制品表面和腔室壁表面快速蒸发。溶剂的蒸发通过腔室内的负压增强。

接下来，在步骤508中，溶剂蒸气流过制冷单元。针对特定浓度和压力的溶剂，将冷却模块的内表面冷却至低于露点温度。溶剂在冷却部分的壁上冷凝并且靠重力向下流到主溶剂罐211。在步骤508中，加热元件可以以小于其最大功率的100％运行，例如以其功率的50％运行。可替代地，在平滑化步骤506之后，可以以相反的顺序执行加热腔室的步骤507和冷却溶剂蒸气的步骤508。可以依次重复步骤507和508或508和507，直到达到所需的溶剂浓度。例如，对于丙酮或2-丁酮所需的溶剂浓度可以低于可燃性下限的40％。

接下来，在步骤509中，使腔室内的温度与室温相等。接下来，在步骤510中，在腔室冷却之后，打开通风阀以使压力相等，并打开电磁锁。随后可以打开门，并且可以从腔室中取出平滑化的制品。

由于溶剂蒸气仅作用于制品表面上，那么直接在处理结束之后，平滑化的制品保持其初始塑性。另外，溶剂蒸气平滑化处理使制品的层融合，因此其外部结构为一体，并且制品的强度参数增加。

如果平滑化的制品的某些区域必须防止溶剂蒸气，则可以用耐溶剂的胶带覆盖它们。例如，可以使用易于适应不同形状的制品的kapton胶带来掩盖在平滑化处理期间中要保持完整的区域。

由于存在初始负压和溶剂蒸气冷凝步骤，所提出的装置和方法对于使用者和环境是安全的，因为爆炸的危险或溶剂从腔室逸出的风险是非常有限的。

尽管已经参考特定的优选实施方式描绘、描述和限定了本文提出的发明，但是这样的参考和前述说明书中实施的例子并不意味着对本发明的任何限制。显而易见的是，可以在不脱离技术概念的较宽范围的情况下，对其进行各种修改和改变。所给出的优选实施方式仅仅是示例性的，并不是本文提出的技术概念的范围的穷举。因此，保护范围不限于说明书中描述的优选实施方式，而是仅受所附权利要求的限制。