CN114193767A - 一种温控热床及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种温控热床及其控制方法，所述温控热床包括：基床，用于嵌入温控装置和承载打印零件；温控装置，用于测量和改变自身温度；所述温控装置阵列布置于所述基床上；控制器，用于解析和执行用户编写的控制指令，以有序地控制各所述温控装置；继电器，用于接收所述控制器的指令和承载各所述温控装置运行负载的电流并控制所述温控装置的电路通断；所述继电器分别与所述温控装置和所述控制器连接；电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述继电器和所述控制器连接。本发明不仅能够有效提高热床冷却区域的灵活程度，减少冷却不均衡导致的零件翘曲；而且各温控区域有序的降温方法能够有效减少零件基底薄弱位置因细微热应力产生裂纹等缺陷。

Description

一种温控热床及其控制方法
技术领域
本发明属于热床技术领域，具体涉及一种温控热床及其控制方法。
背景技术
在3D打印成型和冷却过程中，大幅面零件容易出现翘曲变形。这种缺陷在一定程度上增加了产品的报废率。大量研究表明：翘曲的主要原因在于零件各区域，尤其是底部与热床接触部位(简称：底部平面)的温度分布不均匀。
然而，目前解决零件各部位温度分布不均的方案主要集中在成型过程中局部区域的及时补偿、热床整体的温度平衡以及增强底部平面与热床之间的附着力等。如专利CN212239185U提出一种用于金属3D打印的加热基板，该加热基板采用四个方位***温控装置的方式提高加热基板整体的温度均匀性，但该方法缺点在于加热影响区域是固定且升温速率有限；而专利CN110481029A则提出了一种位置随动的3D打印防翘曲温度补偿***及补偿方法，该方法实时检测区域内零件表面的温度，通过热吹风***对零件表面吹热风的方式减少整个零件的温度差异，但该方法的缺点在于温度检测***只能检测视觉机器可感知的零件外表面，而对于关键部位(如：底部平面)的温度不具有感知能力。此外，该热吹风***不具备快速响应的能力。因此，该***和方法的热补偿能力有限且额外增加了成本。相比主动补偿的温度平衡方案，专利CN 206796561 U提出了一种提高热床与底部平面之间附着力的方法，该方法是通过等距分布的铆钉孔提高打印热床与底部平面之间的附着力，但这种方法无法有效提高附着力且温度分布不均的问题没有得到有效缓解。
由此可见，当前研究成果中缺乏有效的方法用于解决3D打印在成型，尤其是冷却环节因温度分布不均匀产生的应力翘曲难题。
具体地，现有技术中的热床存在如下缺点：
(1)热床在加热的过程中，靠近热源的升温速度明显快于边缘。同样，在冷却的过程中，热床中心区域的冷却速度明显快于边缘区域。因此，常规加热床容易出现明显的温度分布不均匀；
(2)热床在高温的时候，散热速率很快。现有热床普遍都是整体式加热。依据热量公式
Figure BDA0003405982860000021
在功率不变的基础上，整体质量越大，温度上升必然越慢。此外，幅面越大，热传导也越慢而散热却越快。因此，高温状态下热床的升温速率慢且温度分布不均匀；
(3)当前热床常用整块的铝板，不具备局部温度调节能力；
(4)零件打印结束后，目前普遍采用自然冷却的方式。在这种简单的冷却过程中，热床的温度分布不均匀，热应力使得零件边缘产生不同程度的翘曲甚至零件薄弱的部位出现裂纹。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种温控热床及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种温控热床，包括：
基床，用于嵌入温控装置和承载打印零件；
温控装置，用于测量和改变自身温度；所述温控装置阵列布置于所述基床上；
控制器，用于解析和执行用户编写的控制指令，以有序地控制各所述温控装置；
继电器，用于接收所述控制器的指令和承载各所述温控装置运行负载的电流并控制所述温控装置的电路通断；所述继电器分别与所述温控装置和所述控制器连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述继电器和所述控制器连接。
优选地，所述基床包括阵列布置的空心网格，每一所述空心网格中对应布置一个所述温控装置。
优选地，所述空心网格的横截面为正方形。
优选地，所述正方形的长度范围为1mm-10mm。
优选地，相邻两个所述空心网格之间的间隔范围为0.1mm-1mm。
优选地，所述温控装置包括：导热块、加热棒和温度传感器，其中，所述加热棒和所述温度传感器设置于所述导热块上，且分别与所述继电器和所述控制器连接。
优选地，所述控制器包括：控制芯片，所述控制芯片上设置有多组引脚，每组引脚包括第一引脚和第二引脚，所述第一引脚和所述第二引脚分别对应与所述继电器和所述温度传感器连接。
优选地，所述继电器包括：电源引脚、输入型加热引脚和输出型加热引脚；其中，所述电源引脚与所述电源连接，所述输入型引脚与所述控制器的第一引脚连接，所述输出型加热引脚与所述温控装置中的加热棒连接。
本申请还提供了一种温控热床的控制方法，所述温控热床包括如上述中任一所述的温控热床，所述方法包括步骤：
获取预设目标温度；
根据所述目标温度所述控制器控制所述温控装置改变自身温度。
本发明实施例中的一种温控热床及其控制方法具有如下优点：
(1)模块化热床设置，使得热床各个局部区域具有独立温度控制能力；
(2)独立的温控装置相比整体热床的体积明显减小，升温和降温速度更加快，因此各个独立区域的热平衡能力更强；
(3)独立的温控装置可替换性更强，更换成本更低；
(4)可根据底部平面形状的不同，用户仅需激活非常有限的温控装置，加热、冷却时间可以显著缩短，加热能耗成本明显降低；
(5)相比简单的自然冷却方式，程序化控制各个温控装置的温差和冷却速率，这种程序化的温控方式不仅能够有效提高热床冷却的灵活程度，减少冷却不均衡导致的零件翘曲；而且能够有效减少零件基底薄弱位置因细微热应力产生裂纹等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种温控热床的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种温控热床的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种温控热床中温控装置的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种温控热床的控制方法的温控示意图；
图5是本发明实施例提供的一种温控热床的控制方法的温控曲线示意图；
图6是本发明实施例提供的一种温控热床的控制方法的温控曲线示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种温控热床，包括：
基床，用于嵌入温控装置和承载打印零件；
温控装置，用于测量和改变自身温度；所述温控装置阵列布置于所述基床上；
控制器，用于解析和执行用户编写的控制指令，以有序地控制各所述温控装置；
继电器，用于接收所述控制器的指令和承载各所述温控装置运行负载的电流并控制所述温控装置的电路通断；所述继电器分别与所述温控装置和所述控制器连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述继电器和所述控制器连接。
当使用此温控热床时，控制器解析和执行用户编写的控制指令，控制指令包括温控程序以及目标温度。3D打印的过程中，零件的原材料逐渐堆积成型于热床上。零件打印完成后，基床进入冷却阶段。此时，控制器根据温控程序有序的控制温控装置改变自身温度，逐渐实现冷却。
在本申请实施例中，所述基床包括阵列布置的空心网格，每一所述空心网格中对应布置一个所述温控装置。
在本申请实施例中，基床采用导热率较差、耐高温的材料，如陶瓷、各种砖、大理石、各种玻璃、玻璃钢等制成；这些材料的导热系数低于10，能够很好地隔绝3D打印零件与其他物体的接触。基床上阵列式地布置有空心网格，每个空心网格中布置有一个温控装置。
在本申请实施例中，所述空心网格的横截面为正方形。
在本申请实施例中，由于温控装置布置于空心网格中，当其产热时会向四周发散；为了保证周围空间的温度变化均衡，空心网格的横截面设置为正方形比较合适。这种方形网格能保证空心网格内部及周围空间各方向的温度变化均衡。
在本申请实施例中，所述正方形的长度范围为1mm-10mm。
在本申请实施例中，正方形的长度范围(L)保证在一定范围内时，此时温控热床上的空心网格数量适中、温度升高或降低均衡且控制时间适中，此时，经过测试发现，正方形的长度范围为1mm-10mm时可以满足上述要求。
在本申请实施例中，所述正方形的长度为5mm时可以保证温控热床的温度改变均衡且改变时间适中。
在本申请实施例中，相邻两个所述空心网格之间的间隔范围为0.1mm-1mm。
在本申请实施例中，由于温控装置自身温度改变具有上下限。此时为了保证相邻两个温控装置之间的空间不发生温度断层或者产生温度叠加，需要保证相邻两个空心网格之间的间隔范围为0.1mm-1mm。
在本申请实施例中，所述温控装置包括：导热块21、加热棒22和温度传感器23，其中，所述加热棒22和所述温度传感器23设置于所述导热块21上，且分别与所述继电器和所述控制器连接。
在本申请实施例中，导热块21为导热率高、耐高温的材料(导热系数大于150)制成，如铝、铁、铜等，其主要用途是负责导热和承接加热棒22和温度传感器23；加热棒22选择直径小于L/2、功率介于2w-60w的常规加热棒，其主要用途是负责传输热能；温度传感器23可以选择NTC热敏电阻、PTC或直径小于L/3的热敏电阻，其主要用途是负责感知导热块21的温度。
在本申请实施例中，所述控制器包括：控制芯片和多组引脚；每组引脚包括第一引脚和第二引脚；所述第一引脚和所述第二引脚分别与所述继电器和所述温度传感器连接。
在本申请实施例中，控制芯片一方面负责解析温控程序，另一方面从第二引脚对应的温度传感器获取温度，然后向第一引脚对应的继电器发送加热通断指令控制指令，继电器控制温控装置工作，进而有效的确保温控装置保持在设定的温度范围内。
在本申请实施例中，所述继电器包括：电源引脚、输入型加热引脚和输出型加热引脚，其中，所述电源引脚与所述电源连接，所述输出型加热引脚与所述温控装置中的加热棒22连接，所述输入型加热引脚与所述控制器中的第一引脚连接。
在本申请实施例中，温度传感器23将测得的当前温度信息通过控制器的第二引脚传输给控制器；控制器结合温控程序、目标温度和当前温度生成温度控制指令，并通过第一引脚对应的输入型加热引脚控制温控装置中的加热棒22的通断，从而改变温控装置自身的温度。
本申请提供的一种温控热床的控制方法主要分为以下三个步骤。
步骤1：在打印之前，用户设定模型打底接触面可能涉及的各个温控装置之间的温度。
步骤2：在打印之前或者打印过程中，用户设定打印热床的冷却程序。冷却程序是指样品冷却过程中，所涉及的各个温控装置的冷却速度以及重点温控装置与相邻温控装置之间的温度差。
步骤3：打印结束后自动启动冷却程序。依据冷却程序设定的温度，各个温控装置有序的升温或降温。其中，步骤1主要采用被动式控温程序(如图4所示)，这种被动式温控程序以内部某一区域(中心带)为中心，向四周均匀扩散。
中心带的温度是用户设定的目标温度，而区域四周设定的温度则以检测到的中心带温度为基准，以距离作为温差参考值。确保在非恒温腔体内，底部平面的散热在相应区域得到热源补偿。步骤3可以采用被动式控温程序、主动式阶梯温控程序(非自动剥离)和主动式阶梯温控程序(自动剥离)，分别如图4、图5和图6所示。用户可以根据底部平面的特征，选择上述三种降温程序中的一种。其中，被动式控温程序的中心带以自然的方式降温冷却，而区域四周则以中心带为参考被动降温。它适合于轴中心对称模型。对于非轴中心对称模型，主动式阶梯温控程序(非自动剥离)则采用整体阶梯式缓慢降温以减小区域内最大温差。而主动式阶梯温控程序(自动剥离)则在零件冷却的最后阶段在确保零件形变可控的前提下，利用温差产生的应力实现零件与热床分离。
下面以具体实施例对本申请进行详细描述。
实施例1
本发明设定的热床尺寸为:200*200*3mm的陶瓷板作为隔热的基床。每个控制温控装置的长L＝3mm，间隔W＝0.2mm。控制温控装置的加热棒22和温度传感器23采用相同型号，其加热棒22的直径为1mm、导热长度4mm、电压12V、功率20W。其温度传感器23的参数为NTC类型、阻值100k、直径0.5mm、长度为4mm。导热块21的材质选用铝合金。降温采用被动式的控温程序，其示意图如图4所示。以降温过程的仿真或实际测温数据为依据，选定一个最高温度的辐射带(中心带)，其范围内温度差不超过2℃。以该辐射带所在的温控装置区域为中心，向外辐射。在整个成型和冷却过程中，相邻温控装置的***比内圈温度恒定高0.5℃。该被动降温的控制方法适用于中心轴对称的规则模型。
实施例2
本发明设定的热床尺寸为:200*200*3mm的陶瓷板作为隔热的基床。每个控制温控装置的长L＝5mm，间隔W＝0.5mm。控制温控装置的加热棒22和温度传感器23采用相同型号。其加热棒22的直径为2mm、导热长度4mm、电压24V、功率40W。其温度传感器23的参数为NTC类型、阻值100k、直径0.5mm、长度为4mm。导热块21的材质选用铝合金。降温采用主动式的温控程序(不自动剥离)，其阶梯式温控曲线如图5所示。该主动式降温的控制方法采取整个热床逐步缓慢替代反抛物线的降温过程。它适用于任意规则和非对称的模型。相对被动式的降温方式，其适用范围更广。
实施例3
本发明设定的热床尺寸为:200*200*3mm的陶瓷板作为隔热的基床。每个控制温控装置的长L＝5mm，间隔W＝0.5mm。控制温控装置的加热棒22和温度传感器23采用相同型号。其加热棒22的直径为2mm、导热长度4mm、电压24V、功率40W。其温度传感器23的参数为NTC类型、阻值100k、直径0.5mm、长度为4mm。导热块21的材质选用铝合金。降温采用主动式的温控程序(自动剥离)，其阶梯式温控曲线如图6所示。该曲线在前半段逐步缓慢降温，保证零件的底部平面温度不会有太大误差。较小的温度差能够零件不会有太大的应力而产生的翘曲变形。在曲线的后半段，采用自然相对快速的冷却方式，可控范围内的温度差产生的应力使得生坯件产生轻微翘曲。这种可控的形变量使得生坯件与热床自然分离而不会影响产品的形状。该方法适用于实心且底部平面较小的模型。
本发明实施例中的一种温控热床及其控制方法具有如下优点：
(1)模块化热床设置，使得热床各个局部区域具有独立温度控制能力；
(2)独立的温控装置相比整体热床的体积明显减小，升温和降温速度更加快，因此各个独立区域的热平衡能力更强；
(3)独立的温控装置可替换性更强，更换成本更低；
(4)可根据底部平面形状的不同，用户仅需激活非常有限的温控装置，加热、冷却时间可以显著缩短，加热能耗成本明显降低；
(5)相比简单的自然冷却方式，程序化控制各个温控装置的温差和冷却速率，这种程序化的温控方式不仅能够有效提高热床冷却的灵活程度，减少冷却不均衡导致的零件翘曲；而且能够有效减少零件基底薄弱位置因细微热应力产生裂纹等缺陷。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种温控热床，其特征在于，包括：
基床，用于嵌入温控装置和承载打印零件；
温控装置，用于测量和改变自身温度；所述温控装置阵列布置于所述基床上；
控制器，用于解析和执行用户编写的控制指令，以有序地控制各所述温控装置；
继电器，用于接收所述控制器的指令和承载各所述温控装置运行负载的电流并控制所述温控装置的电路通断；所述继电器分别与所述温控装置和所述控制器连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述继电器和所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的温控热床，其特征在于，所述基床包括阵列布置的空心网格，每一所述空心网格中对应布置一个所述温控装置。
3.根据权利要求2所述的温控热床，其特征在于，所述空心网格的横截面为正方形。
4.根据权利要求3所述的温控热床，其特征在于，所述正方形的长度范围为1mm-10mm。
5.根据权利要求3所述的温控热床，其特征在于，相邻两个所述空心网格之间的间隔范围为0.1mm-1mm。
6.根据权利要求1所述的温控热床，其特征在于，所述温控装置包括：导热块、加热棒和温度传感器，其中，所述加热棒和所述温度传感器设置于所述导热块上，且分别与所述继电器和所述控制器连接。
7.根据权利要求1所述的温控热床，其特征在于，所述控制器包括：控制芯片和多组引脚；每组所述引脚包括第一引脚和第二引脚，所述第一引脚和所述第二引脚分别对应与所述继电器和所述温度传感器连接。
8.根据权利要求1所述的温控热床，其特征在于，所述继电器包括：电源引脚、输入型加热引脚和输出型加热引脚，其中，所述电源引脚与所述电源连接，所述输入型加热引脚与所述控制器的第一引脚相连；所述输出型加热引脚与所述温控装置中的加热棒相连接。
9.一种温控热床的控制方法，其特征在于，所述温控热床包括如权利要求1-8中任一所述的温控热床，所述方法包括步骤：
获取预设目标温度；
根据所述目标温度控制器控制温控装置改变自身温度。
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