一种多料仓、压力可调型的3D打印系统及方法技术方案

本发明专利技术公开“一种多料仓、压力可调型的3D打印系统及工艺方法”。本发明专利技术由打印环境生成装置、3D打印装置组成，其技术特征是：打印环境生成装置是由密闭工作室、压缩气泵、真空泵、一体化温度及压力传感器、气体成分抽样检测装置、环境系统控制单元组成。3D打印装置由三维图像生成设备、三维运动工作台、多料仓储料及激光烧结喷头装置、打印作业操作屏组成。环境系统控制单元营造3D打印的作业环境，打印作业操作屏根据设计好的构件三维图像，制定3D打印作业程序，作业中自动选择多料仓中的各种储料，确定作业的压力、温度、工作气体的浓度，启动环境系统控制单元的运行，并对打印作业实时监控。本发明专利技术结构简单易行，使多材料构件一次成型，改变工作压力，极大地增加了同种材料构件的不同性能。作业过程中不排放废液、废气、废渣，对环境友好。

A Multi-bin and Pressure Adjustable 3D Printing System and Method

The invention discloses a multi-bin, pressure adjustable 3D printing system and a process method. The invention is composed of a printing environment generating device and a 3D printing device. Its technical characteristics are as follows: the printing environment generating device is composed of a sealed studio, a compressed air pump, a vacuum pump, an integrated temperature and pressure sensor, a gas composition sampling detection device and an environmental system control unit. The 3D printing device consists of three-dimensional image generating equipment, three-dimensional motion table, multi-material storage and laser sintering nozzle device, and printing operation screen. The control unit of the environmental system creates the working environment of 3D printing. The operation screen of the printing job establishes the working procedure of 3D printing according to the three-dimensional images of the designed components. In the operation, the storage materials in the multi-storehouse are selected automatically, the pressure, temperature and the concentration of the working gas are determined, the operation of the control unit of the environmental system is started, and the real-time monitoring of the printing job is carried out. The structure of the present invention is simple and easy to implement, so that the multi-material component can be formed at one time, the working pressure can be changed, and the different performance of the same material component can be greatly increased. No waste liquid, gas and residue are discharged during operation, which is environmentally friendly.

【技术实现步骤摘要】
一种多料仓、压力可调型的3D打印系统及方法
本专利技术涉及3D打印制造
，具体指多料仓可调节工作气体的压力进行3D打印作业，来加工金属、合金、或其它材料（Al2O3、SiC、塑料等）的系统及方法。
技术介绍
3D打印被称为“智能制造工业的引擎”，3D打印是对传统制造技术模式的颠覆，由材料切削减量加工模式转为材料添加增量制造模式。目前的单料仓金属烧熔3D打印在空气中常压力环境下进行有三种缺陷：①单料仓使得产品构件材料单一，一次只能打印一种材料构件。②常压力环境下打印使得构件内部微观结构单一，不能满足构件内部微观结构多样性（比常规更致密、或更疏松通透）的需求。③在空气中打印使得微量烧熔金属液滴暴露空气中，会吸附空气中的氧气、氮气、水蒸汽、粉尘杂质，在高温环境中参与金属的微冶炼过程，从而改变金属材料的元素配比，从而使构件成型后各种性能，如刚度、弹性、韧性、抗腐蚀性受到影响。同理，打印其它材料效果是一样的。因此有必要提出一种多料仓供料、并通过工作气体施加一定压力下成型工件的系统及工艺方法，使3D打印技术更加先进、完美。
技术实现思路
针对上述已公知技术缺陷，本专利技术提出“一种多料仓、压力可调型的3D打印装置及工艺方法”。为实现上述目的，本专利技术由打印环境生成装置、3D打印装置组成，其技术特征是：所述的打印环境生成装置是由可自动启闭门的密闭工作室、压缩气泵、真空泵、一体化温度及压力传感器、气体成分抽样检测装置、环境系统控制单元组成，密闭工作室内腔底部设置有与压缩气泵的排气口连接的进气管道，密闭工作室内腔顶部设置有排气管道，排气管道分别与排气阀和循环阀连接，排气阀的出口通过管道连接真空泵的入口。循环阀通过管道依次与过滤装置、压缩气泵的进气口连接。过滤装置与压缩气泵的连通管道上设置有补气管道及补气阀，所述补气阀的入口与工作气体气源连接。所述过滤装置按循环气体流向依次是由粉尘过滤层、水汽吸附层、氧气吸附层、氮气吸附层、氢气吸附层串联组成。所述的3D打印装置是由三维图像生成设备、三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置、打印作业操作屏组成。三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置设置在上述密闭工作室内。三维图像生成设备、打印作业操作屏设置在上述密闭工作室外。储料及激光烧结喷头装置和三维运动工作台通过经密封处理的电缆与置于密闭工作室外部的三维图像生成设备、打印作业操作屏、环境系统控制单元相联接。进一步的所述的储料及激光烧结喷头装置中，储料仓为园柱筒状，园柱筒内可使用隔离板分隔为容积对等的n个分区，每个分区均通过各自的下料阀与激光烧结喷头联通，n为正整数。所述的一体化温度及压力传感器的检测头置于上述密闭工作室内，温度及压力传感器的显示及通信连接部分置于密闭工作室外。气体成分抽样检测装置设置于密闭工作室外，气体成分抽样可在密闭工作室壁上开孔抽样，或在系统排气管道、循环管道开孔抽样。所述工作气体气源为d=99.999%的氩气。进一步的，所述工作气体气源为d=99.999%的二氧化碳气。进一步的，所述工作气体气源为d=99.999%的氮气，因而上述过滤装置中的氮气吸附层应撤出，也可更换为水汽吸附层或氧气吸附层。所述环境系统控制单元与密封工作室门的自动启闭装置、气体成分抽样检测装置、压力及温度传感器、排气阀、真空泵、循环阀、补气阀、压缩气泵通过通讯电缆或无线通讯信道连接为智能自控系统，并与三维图像生成设备、打印作业操作屏通过无线通讯信道或通信电缆连接而信息共享。所述环境系统控制单元为PLC系统或者DCS系统。三维图像生成设备同时兼有控制单元及打印作业操作屏上位机的功能。进一步的，一种多料仓、压力可调型的3D打印工艺方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：1）更换过滤装置中的全部过滤及吸附材料层为全新过滤及吸附材料层。在三维图像生成设备上绘制构件的三维图像，根据图像特征编制构件各部位3D打印作业程序。2）关闭密闭工作室的密封门，在打印作业操作屏上下载上述构件的三维图像，设定密闭工作室内工作气体应达到的浓度、压力、温度数值并确认，输入3D打印作业程序并确认。打开排气阀，关闭循环阀，打开补气阀，启动真空泵，启动压缩气泵；3）密闭工作室内工作气体的气体浓度、压力、温度达到预设值时；打开循环阀，调节压缩气泵、真空泵的转速、排气阀的开度，使密闭工作室内工作气体的浓度、压力、温度参数稳定维持在预设区间，关闭排气阀、补气阀、停止真空泵，工作气体参数稳定。4）在打印作业操作屏上启动储料及激光烧结喷头装置、三维运动工作台进行3D打印作业，打印作业操作屏上自动显示构件的作业进程并记录参数，直至3D打印作业完成，储料及激光烧结喷头装置、三维运动工作台自动停止；5）关闭循环阀，停止压缩气泵，打开排气阀，启动真空泵，当密闭工作室内压力接近1个标准大气压时，停止真空泵，打开密闭工作室的自动密封门，取出加工件，作业完成。优选地，所述步骤2）中密闭工作室内工作气体是氩气与空气的混合气，其氩气浓度为80.00%～99.999%、压力为0.05～6MPa、温度范围为-40℃～550℃的任一数值均可开始3D打印作业。显然，改变氩气的浓度百分比，可以控制其它气体状元素参与材料微熔融成型时的成分配比，从而调节构件的性能。优选地，所述步骤2）中密闭工作室内工作气体是CO2气与空气的混合气，其CO2气浓度为80.00%～99.999%、压力范围为0.05～6MPa、温度范围为-40℃～550℃的任一数值均可开始3D打印作业。显然，改变CO2气的浓度百分比，可以控制其它气体状元素参与材料微熔融成型时的成分配比，从而调节构件的性能。优选地，所述步骤2）中密闭工作室内工作气体是氮气与空气的混合气，其氮气浓度为80.00%～99.999%、压力范围为0.05～8MPa、温度范围为-40℃～550℃的任一数值均可开始3D打印作业。显然，改变氮气的浓度百分比，可以控制其它气体状元素参与材料微熔融成型时的成分配比，从而调节构件的性能。本专利技术与现有技术相比，具有下列的创造性：①本专利技术采用堕性气体、CO2气体作为工作气体,可使金属合金件打印过程中防止微量烧熔金属液滴暴露在空气中，排除空气中的氧气、氮气、水蒸汽参与融熔金属的微冶炼过程；防止空气改变金属材料的元素配比，保证成型构件的质量。②改变、调节工作气体的压力，可以使构件形成内部微观结构不同的构件。当密闭工作室的工作气体的压力大于1个标准大气压时，可以提高常规金属件的微观内结构致密性，增加构件的强度。当密闭工作室的工作气体的压力小于1个标准大气压时，可以使得金属件的材质呈现多孔疏松性及通透性，增加构件的性能多样化。③当储料仓为2分区储料仓时，可以一次打印出双复合材料构件。同理，当储料仓为多分区储料仓时，可以一次打印出多复合材料构件。④改变、调节工作气体浓度的百分比，可以控制其它气体状元素参与材料微熔融成型时的成分配比，从而调节最终构件的性能。附图说明图1为本专利技术多料仓压力可调型的3D打印系统的结构框图。图2为本专利技术所述“储料及激光烧结喷头装置”中，储料仓的2分区示意图。图1中：环境系统控制单元1、三维图像生成设备2、打印作业操作屏3、密闭工作室4、气体成分抽样检测装置5（其中浓度标记为D，d表示D的具体数值）、一体化温度及压力传感器6（其中压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，由打印环境生成装置、3D打印装置组成，其技术特征是：所述的打印环境生成装置是由可自动启闭门的密闭工作室、压缩气泵、真空泵、一体化温度及压力传感器、气体成分抽样检测装置、环境系统控制单元组成，密闭工作室内腔底部设置有与压缩气泵的排气口连接的进气管道，密闭工作室内腔顶部设置有排气管道，排气管道分别与排气阀和循环阀连接，排气阀的出口通过管道连接真空泵的入口,循环阀通过管道依次与过滤装置、压缩气泵的进气口连接,过滤装置与压缩气泵的连通管道上设置有补气管道及补气阀，所述补气阀的入口与工作气体气源连接,所述过滤装置按循环气体流向依次是由粉尘过滤层、水汽吸附层、氧气吸附层、氮气吸附层、氢气吸附层串联组成;所述的3D打印装置是由三维图像生成设备、三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置、打印作业操作屏组成,三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置设置在上述密闭工作室内,三维图像生成设备、打印作业操作屏设置在上述密闭工作室外,储料及激光烧结喷头装置和三维运动工作台通过经密封处理的电缆与置于密闭工作室外部的三维图像生成设备、打印作业操作屏、环境系统控制单元相联接。

【技术特征摘要】
1.一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，由打印环境生成装置、3D打印装置组成，其技术特征是：所述的打印环境生成装置是由可自动启闭门的密闭工作室、压缩气泵、真空泵、一体化温度及压力传感器、气体成分抽样检测装置、环境系统控制单元组成，密闭工作室内腔底部设置有与压缩气泵的排气口连接的进气管道，密闭工作室内腔顶部设置有排气管道，排气管道分别与排气阀和循环阀连接，排气阀的出口通过管道连接真空泵的入口,循环阀通过管道依次与过滤装置、压缩气泵的进气口连接,过滤装置与压缩气泵的连通管道上设置有补气管道及补气阀，所述补气阀的入口与工作气体气源连接,所述过滤装置按循环气体流向依次是由粉尘过滤层、水汽吸附层、氧气吸附层、氮气吸附层、氢气吸附层串联组成;所述的3D打印装置是由三维图像生成设备、三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置、打印作业操作屏组成,三维运动工作台、储料及激光烧结喷头装置设置在上述密闭工作室内,三维图像生成设备、打印作业操作屏设置在上述密闭工作室外,储料及激光烧结喷头装置和三维运动工作台通过经密封处理的电缆与置于密闭工作室外部的三维图像生成设备、打印作业操作屏、环境系统控制单元相联接。2.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，其技术特征是：所述储料及激光烧结喷头装置中，储料仓为园柱筒状，园柱筒内可使用隔离板分隔为容积对等的n个分区，每个分区均通过各自的下料阀与激光烧结喷头联通，n为正整数。3.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，其技术特征是：所述一体化温度及压力传感器的检测头置于上述密闭工作室内，温度及压力传感器的显示及通信连接部分置于密闭工作室外,气体成分抽样检测装置设置于密闭工作室外，气体成分抽样可在密闭工作室壁上开孔抽样，或在系统排气管道、循环管道开孔抽样。4.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，其技术特征是：所述工作气体的气源分别为浓度99.999%的氩气、99.999%的二氧化碳气、99.999%的氮气,当工作气体的气源采用浓度99.999%的氮气时，上述过滤装置中的氮气吸附层应撤出，也可更换为水汽吸附层或氧气吸附层。5.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，其技术特征是：所述环境系统控制单元与密封工作室门的自动启闭装置、气体成分抽样检测装置、压力及温度传感器、排气阀、循环阀、补气阀、压缩气泵、真空泵通过通讯电缆或无线通讯信道连接为智能自控系统，并与三维图像生成设备、打印作业操作屏通过无线通讯信道或通信电缆连接而信息共享。6.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印系统，其技术特征是：所述环境系统控制单元为PLC系统或者DCS系统,三维图像生成设备同时兼有控制单元及打印作业操作屏上位机的功能。7.根据权利要求1所述的一种多料仓、压力可调型的3D打印工艺方法，其技术特征是：密闭工作室内工作气体压力p≧0.1Mpa时，打印步序为；1）更换过滤装置中的全部过滤及吸附材料层为全新过滤及吸附材料层,在三维图像生成设备上绘制构件的三维图像，根据图像特征编制构件各部位3D打印作业程序;2）关闭密闭工作室的密封门，在打印...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨清萍，
申请(专利权)人：杨清萍，
类型：发明
国别省市：陕西,61