一种3D特种印刷装置及印刷方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，涉及一种3d印刷装置及印刷方法，具体地说，涉及一种按需供料、防止堵料的3d特种印刷装置及印刷方法。

背景技术：

3d特种印刷是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料通过逐层打印的方式构造物体。其通常在模具制造、工业设计等领域用于制作模型，最近已被广泛应用于产品的直接制造，在珠宝、建筑、汽车、航空航天、医疗产业均有应用。

3d特种印刷根据累积技术的不同可分为熔融沉积、电子束自由成型、直接金属激光烧结、电子束熔化成型、石膏3d打印、分层实体制造等方法，其中熔融沉积法采用的原料硬度较高，存在易堵塞进料口等的问题，为防止熔融沉积型3d打印机在暂停或停止工作时，打印材料的硬化导致进料口和喷头堵塞，目前行业内通常会在材料进给单元进行升温或设置保温元件。如中国专利cn201310717099.2公开了一种可以对已经软化的打印物料进行保温的设备，该设备由进料管、进给元件、加热元件、与进给元件及加热元件相连的处理器及与处理器相连的控制器组成。加热元件设置为将加热段中的打印物料加热至软化，控制器被操作时，处理器向进给元件发送停止进给信号并向加热元件发送保温信号；所述进给元件根据所述停止进给信号停止进给所述进料管中的打印物料；所述加热元件根据所述保温信号对软化的打印物料进行保温，以解决3d打印设备暂停时软化的打印物料硬化在进料管中而堵塞进料管的问题。中国专利cn201810873470.7公开了一种利用水滴型球囊实现供料的系统，该系统包括上支板、下支板、水滴型球囊、安装板、电机、丝杆、第一滑块、滑环、进料管、出料管、控制阀。供料时，通过安装板上的电机正反转来实现第一滑块在丝杠上的上下移动，与第一滑块相连的滑环随着一起上下运动，使滑环对水滴型球囊进行上下循环挤压，加快水滴型球囊内的液态原料供给速度。

上述两种3d特种印刷装置，第一种通过在进料单元增加加温、保温装置来维持设备暂停时打印物料的软化状态，以实现暂停设备后的连续打印，但是这种装置无法排除打印完成或暂停时进料管、喷头处打印物料的残留，即无法解决设备完成作业后关机，在下一次启动时的堵塞问题。第二种以水滴型微球囊装置加快了熔融软化后打印物料的供给速度，以解决粘度高的原料供料效率低的问题。但是微球囊装置复杂的机械运动降低了设备的稳定性，对精密3d模型的打印精度造成影响，同时无法根据打印材料的消耗按需调整供料速度。

技术实现要素：

为此，本发明正是要解决上述技术问题，从而提出一种不堵塞进料口和喷头、可按需供料实现连续打印的3d特种印刷装置和印刷方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种3d特种印刷装置，其包括顺次连接的储料机构、出料管和打印喷头，所述储料机构的出料口处还设置有加热机构，所述加热机构连接有温度控制器，所述出料管连接有流量控制阀。

作为优选，还包括微处理器，所述微处理器与所述加热机构、温度控制器、流量控制阀和打印喷头信号连接。

作为优选，所述微处理器还连接有控制器。

作为优选，还包括测温机构，所述测温机构设置于所述出料机构的出料口处，连接于所述温度控制器。

作为优选，述给料泵设置于所述流量控制阀与所述打印喷头之间。

作为优选，所述打印喷头还连接有步进电机。

作为优选，所述出料口设置于所述储料机构底部；所述加热机构也设置于所述储料机构底部，用于将进入出料管的3d打印材料加热熔融。

作为优选，所述流量控制阀依据阀口孔径分为1-3级。

作为优选，所述温度控制器为pid温控器，所述测温机构为热电偶。

本发明还提供一种利用所述的3d特种印刷装置进行3d印刷的方法，其包括如下步骤：

s1、将3d打印材料存储于储料机构，控制加热机构加热储料机构底部，使3d打印材料熔融；

s2、3d打印材料进入出料管，调节流量控制阀调控出料速度；

s3、3d打印物料进入打印喷头，调控打印喷头在x、y、z轴的位置，在打印平台上逐层堆积得到3d打印产品。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的3d特种印刷装置，其包括顺次连接的储料机构、出料管和打印喷头，所述储料机构的出料口处还设置有加热机构，所述加热机构连接有温度控制器，所述出料管连接有流量控制阀。3d打印材料进入出料管之前，经加热机构加热熔融，并在温度控制器的作用下依据打印速度控制加热功率，同时流量控制阀控制物料由出料管进入打印喷头的速度，通过对加热速率和给料速度的控制实现了熔融3d打印材料的按需供给，无需二段保温装置即可避免出料管的进料口和喷头堵塞的问题，并且控制物料的按需供给，还减少了加热能源的浪费，是一种节能环保的打印装置，还解决了传统3d打印设备打印前加热熔融全部3d打印材料造成的耗时、耗费能源的问题，以及打印过程中熔融打印材料供给不足导致打印间歇的问题。

(2)本发明所述的3d特种印刷装置，还包括微处理器和控制器，控制器用于提供打印速度的命令，微处理器接收该命令后，发送加热信号给温度控制器，温度控制器控制加热机构依据打印速度调节加热功率，保证了熔融材料的消耗速度与打印速度匹配，避免了停机时出料管的进料口和喷头处堵塞，实现了按需供料。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明实施例所述的3d特种印刷装置的示意图。

图中附图标记表示为：1-储料机构；2-出料管；3-打印喷头；4-加热机构；5-温度控制器；6-流量控制阀；7-给料泵；8-微处理器；9-控制器；10-步进电机；11-打印平台。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种3d特种印刷装置，其用于在保证3d打印材料在不堵塞进料口和喷头的前提下，按需供料以实现连续打印。

如图1所示，所述3d特种印刷装置包括顺次连接的储料机构1、出料管2和打印喷头3，所述储料机构1用于存储3d打印原材料，可以为储料箱或储料罐，其底部具有出料口，所述出料管2连接于所述出料口。所述储料机构1底部的出料口处还设置有加热机构4，其由热敏电阻和加热管组成，所述加热机构4用于在3d打印材料进入出料管2之前在储料机构1底部将3d打印材料加热至熔融软化。所述加热机构2连接有温度控制器5，所述温度控制器5为pid温控器，具体为max6675k型热电偶，所述温度控制器5用于依据打印材料的消耗速度调整加热机构4的加热功率。

其中，3d打印材料包括成型材料和支撑材料，对应地所述储料机构1分为用于储存成型材料的成型材料储存部和用于储存支撑材料的支撑材料储存部，所述成型材料储存部和支撑材料存储部底部分别连接一出料管2，每根出料管2上均连接有流量控制阀6，所述流量控制阀6用于控制出料速度，所述出料管2的出料口连接有打印喷头3，为提高进入打印喷头3打印材料的压力，所述流量控制阀6与所述打印喷头3之间还设置有给料泵7。

加热机构4根据温度控制器5调控的加热功率对3d打印材料按照打印速度进行加热，软化后的材料在给料泵7的泵浦作用下，通过流量控制阀6控制流速，由出料管2进入打印喷头3，打印喷头3根据预设的打印形状进行喷涂打印，通过对加热功率和进料速度的控制，实现了熔融状打印材料的按需供给，无需二段保温装置就可避免进料口和喷头堵塞，同时避免了加热能源的浪费。

进一步地，所述3d特种印刷装置还包括微处理器8(其为stm32系列)，所述微处理器8连接有一控制器9(其型号为ramps)，所述控制器9被设定控制命令时，所述控制命令传输至微处理器8，微处理器8接收该控制命令，对温度控制器5和流量控制阀6进行控制。为保证3d打印材料由打印喷头3挤出后接触到空气或冷却气体前仍处于熔融软化状态，控制器9设定的目标温度高于打印材料的熔融温度。

为实时监控储料机构1出料口处的温度，还包括测温机构，所述测温机构与所述温度控制器5连接，实现对储料机构1出料口(出料口的进料口)处温度的精确控制，所述测温机构为热电偶传感器，其测温原理是：两种不同的金属材料组成闭合回路，当两个连接端(一般分为冷端和热端)存在温差的时候，回路会产生电流，两端之间产生微小电动势，从而把温度信号转化为电信号，通过数模转换和标定将其转化为温度值。热电偶测量出出料管2进料口冷端与热端的温度差，反馈给微处理器8，微处理器8根据温度差将数字信号转换为电信号传输给加热机构4，加热机构4根据电信号的变化，调节加热功率实现对冷端温度的补偿。

本实施例中，pid温控器一方面用于根据测温机构测量的进料口温度与设定的目标温度间的温差调整加热功率，在打印开始前以最大功率快速熔融打印材料，加热熔融软化速度能满足打印材料的消耗速度时，微处理器8发出准备就绪、可以打印的信号，而不需要如传统3d打印设备一样当选等到全部打印材料熔融再开始打印，节省了物料融化过程中的等待时间。当打印速度降低时，控制器9发出指令，加热机构4在保证供料速度的前提下降低加热功率，降低了对加热源的浪费。

流量控制阀6设置在出料管2上，根据计算机对3d模型的分层信息以及控制器9对打印速度的设定，计算单位时间内成型材料与支撑材料的消耗量，计算机与所述3d特种印刷装置通讯连接，将打印材料消耗量的数字信号传输至微处理器8，微处理器8发出调节流量控制阀6孔径的信号，从而调节打印材料单位时间的流量，实现打印材料的按需供给。其中流量控制阀6的阀口孔径从小到大可分为1-3级，数字越大、孔径越大，打印速度由小到大可依次设置为1、1/2、1/3三个等级，数字越小、打印速度越快，单位时间内打印材料消耗量越大，打印时若控制器9将打印速度设置为最快档(1/3档)时，微处理器接收控制信号后驱动流量控制阀6将阀口孔径调节为3级。

给料泵7设置于流量控制阀6和打印喷头3之间，熔融的3d打印材料经过出料管2上流量控制阀6调节流速后，借助给料泵7的动力以一定压力输送到打印喷头3。打印速度的等级设置于流量控制阀6对打印材料的流量等级相匹配，保证了打印材料的按需供给，同时配合给料泵7的运输动力，可将通过流量控制阀6的打印材料完全输送至打印喷头3，打印停止时出料管2内不会有残余物料因温度降低硬化导致出料管堵塞的情况。

更进一步，为实现3d打印，所述打印喷头3还连接有一步进电机10，所述步进电机10接收微处理器8的温度信号，温度控制器5显示测温机构检测的温度达到控制器9预设的目标值时，微处理器8发出准备就绪的信号，驱动步进电机10根据计算机对3d模型的分层编码信息，在x、y、z轴三个方向实现对打印喷头3的控制，使成型材料和支撑材料转移到打印平台11上逐层累积为预设形状。

实施例2

本实施例提供一种利用上述3d特种印刷装置进行3d打印的方法，包括如下步骤：

s1、将3d打印成型材料和支撑材料分别置于储料机构1的成型材料存储部和支撑材料存储部。

s2、控制器9设定3d打印的速度，微处理器8根据该打印速度发送加热信号至温度控制器5，温度控制器5调控加热机构4的加热功率，从而调控打印材料的熔融速率。

s3、软化熔融的打印材料通过出料管2的进料口进入出料管2，在给料泵7的作用下，通过流量控制阀6控制熔融的打印材料的流速，使其以一定压力进入打印喷头3，控制器9根据打印速度的设定驱动打印喷头3进行3d打印，同时，微处理器8根据打印速度传输控制信号至温度控制器5，以及依据熔融材料消耗速度(依据打印模型的体积(建模软件自动计算)与打印速度(三个等级)的比例关系确定)将进料速度信号发送至流量控制阀6，保障按需供料，防止停机时出料管2的进料口和喷头堵塞。

其中，所述控制器9的打印速度信号通过微处理器8反馈给与加热机构4相连的pid温控器，调整加热功率保证打印材料的熔融速度满足其打印消耗速度，当加热熔融软化速度能够满足打印材料的消耗速度时，微处理器8即给出准备就绪的信号，而不需要等到所有打印物料全部熔融后才可开始打印，缩短了打印时间的等待，也避免了打印过程中的非连续打印，提高了3d打印效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。