一種超精密3D列印設備機罩的製作方法

2023-06-21 23:30:01 1

本實用新型提供一種安裝於超精密3D列印設備的機罩，該機罩不僅能提供保護，還能感知溫度溼度並實現恆溫恆溼的功能。

背景技術：

3D列印設備與傳統列印設備工作原理基本一致，3D列印設備與電腦連接後，通過電腦控制把列印材料層層疊加，利用光固化、熔融沉積和紙層疊等技術將電腦中的圖案列印成成品。將計算機裡的三維圖直接「列印」並製成實物，尤其在生產汽車或是建築等大型物件的製造中，減少了組裝零件數量，並縮短了供應鏈流程。

近年來，隨著對工業化自動化生產水平要求的提高，如何簡化生產程序縮短製造周期以及提高精確度變得越來越重要。3D列印技術利用計算機將成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的「薄片」，3D列印設備自下而上地製造出每一層「薄片」最後疊加成形出三維的實體零件。這種製造技術無需傳統的刀具或模具，可以實現傳統工藝難以或無法加工的複雜結構的製造。

長期以來，超精密設備在工作時受溫度溼度等環境因素影響。會在結果上造成很大誤差。因此，保持儀器一個相對合適而穩定的環境變得尤為重要。國內外許多公司及學校等科研機構對3D列印設備進行了研究和生產。其中美國Optomec公司利用雷射近淨成型(LENS)技術製造的航空用葉片精度可小於0.05mm；以色列Objet公司利用光固化成型(SL/SLA)技術製造的成型的建築模型精度可達到0.1mm；我國清華大學利用熔融沉積製造(FDM)技術製造的成型的頭骨模型精度為0.1～0.2mm。國外儀器的缺點在於存在技術壁壘，價格昂貴，在我國推廣困難。國內的該類儀器絕大多數在清華大學、西北工業大學、北京航空航天大學等各大高校或研究院研製，精度相比較低，且沒形成產業鏈。

技術實現要素：

本實用新型針對現有技術的不足，本實用新型提供了一種超精密3D列印設備機罩。

本實用新型包括罩體和位於罩體內的恆溫恆溼裝置。

所述的罩體包括上罩、下罩、隔板和側門。在上罩與下罩之間有一層隔板，隔板與側門一側之間留有距離，在隔板遠離側門一側設有一個與上罩和下罩連通的迴風管口。在罩體側門對側的上罩部分開有為安裝製冷片的預留位，相應的，下罩部分開有用開關控制打開閉合的百葉窗式出風口。

所述的恆溫恆溼裝置包括製冷室、制熱室、靜壓室、工作室和回流室。其中製冷室、制熱室位於上罩內，靜壓室和工作室位於下罩內。

所述的製冷室設有製冷片、散熱片和風扇。製冷室與制熱室之間的管道壁上設有溫度傳感器。所述的制熱室設有電熱元件，制熱室連通下方的靜壓室。所述的靜壓室與工作室之間設有進風孔板，進風孔板中心處設有溫溼度傳感器。所述的工作室內隔板中心處設有溫溼度傳感器。所述的回流室下部通過可開合的迴風孔板與工作室連通，迴風孔板中心處設有溫溼度傳感器，回流室上部穿過迴風管口與上部的製冷室連通。在所述的靜壓室上方還設置有恆溼入風口，恆溼入風口處安裝有吹乾機；下罩部分的百葉窗式出風口為恆溼出風口。

進一步說，該機罩該包括水平裝置，所述的水平裝置包括水平測量儀、絲杆螺母、底座。所述的水平測量儀安裝在機罩頂部，所述的絲杆螺母連接底座置於機罩底部的四角。

本實用新型的有益效果：本實用新型利用風扇帶動罩內空氣內外循環，選用高精度溫度傳感器和溼度傳感器對工作環境的溫度和溼度進行採集，利用測得的環境溫度溼度數據對風扇風量、製冷裝置、加熱裝置、恆溼烘乾機和恆溼出風口進行控制。從而實現讓超精密3D列印設備工作環境達到恆溫恆溼的目的，最終提高列印精度。

附圖說明

圖1是本實用新型的立體結構圖；

圖2是本實用新型的三視圖；

圖3是本實用新型的側門門框結構圖；

圖4是本實用新型的吊索連接板立體結構圖；

圖5是本實用新型恆溫恆溼裝置內部正視圖；

圖6是本實用新型恆溫恆溼裝置原理圖；

圖7是本實用新型的孔板立體結構圖；

圖8是本實用新型水平裝置立體結構圖；

圖9是本實用新型的底座立體結構圖；

圖10是本實用新型恆溫恆溼裝置工作過程流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。

如圖1，2所示，所述的罩體包括上罩1-1、下罩1-2、側門1-3。所述的上罩、下罩和側門形成一個密封整體結構，既有包含和保護作用，還有隔溫隔溼的功能。檢修時打開側門，一般情況下不需要再打開上罩1-1或下罩1-2，側門1-3留有足夠空間以便使用和維護。側門1-3的開門方式為向外旋轉式，其中側門門框設計如圖3，內置的門框防止漏風。隔板1-4在上罩與下罩之間，隔板與側門一側之間留有距離，其它三面與罩殼密封聯結，在與側門懸空的一側使用兩條鋼絲繩吊索1-5垂直懸吊於罩頂。在吊索與罩頂和隔板的連接處用如圖4吊索連接板固定，吊索固定在吊索連接板的中間小孔，另外四個孔用膨脹螺栓固定於罩頂和隔板，在螺栓處用橡膠墊圈密封。在隔板遠離側門一側設有一個與上罩和下罩連同的迴風管口1-7。在罩體側門對側的上罩部分設計有為安裝製冷片的預留位1-6，相應的，下罩部分設計有用開關控制打開閉合的百葉窗式出風口1-8。

根據3D列印設備通用型號尺寸一般為380mm×360mm×400mm，考慮到各個元器件的放置問題，保溫壁的厚度，並要留有一定的富裕空間，通過仿真確定所設計的機罩尺寸和工作室尺寸。工作室尺寸為400mm×380mm×420mm，機罩尺寸為450mm×390mm×700mm。

如圖5、圖6和圖7所示，所述的恆溫恆溼裝置包括製冷室6-1、制熱室6-2、靜壓室6-3、工作室6-4和回流室6-5。其中製冷室、制熱室位於上罩內，靜壓室和工作室位於下罩內。

所述的製冷室設有製冷片5-2、散熱片5-3和風扇5-1。製冷室與制熱室之間的管道壁上設有溫度傳感器5-4。所述的制熱室設有電熱元件5-5，制熱室連通下方的靜壓室。所述的靜壓室與工作室之間設有進風孔板5-9，進風孔板中心處設有溫溼度傳感器5-10。所述的工作室內隔板中心處設有溫溼度傳感器5-11。所述的回流室下部通過可開合的迴風孔板5-13與工作室連通，迴風孔板中心處設有溫溼度傳感器5-12，回流室上部穿過迴風管口與上部的製冷室連通。在所述的靜壓室上方還設置有恆溼入風口5-7，恆溼入風口處安裝有吹乾機5-8；下罩部分的百葉窗式出風口為恆溼出風口。

如圖8和圖9所示，所述的水平裝置包括水平測量儀9-1、四個絲杆螺母和底座9-2。所述的水平測量儀安裝在機罩頂部，即罩體外表面。絲杆螺母通過中心圓孔連接底座和機罩底部成為一個整體，整個置於機罩底部的四角。

如圖10所示，本實用新型工作時，先使環境恆溼，在恆溼的情況下再使環境恆溫和調整儀器水平。

首先，讓製冷室6-1的風扇5-1和製冷片5-2、制熱室6-2的電熱元件5-5、迴風孔板5-13的開關處於閉合狀態，打開恆溼入風口5-7、吹乾機5-8和百葉窗出風口1-8開關，吹乾機5-8使乾燥空氣進入靜壓室6-3。通過進風孔板5-9使從靜壓室出來的空氣溼度和流速均勻的流向工作室6-4，由孔板中心處的溫度溼度傳感器5-10感知空氣溼度。空氣進入工作室，再由工作室內隔板1-4中心處設置的溫度溼度傳感器5-11再感知溼度，進而再由置於迴風孔板5-13中心處的溫度溼度傳感器5-12感知溼度。因為迴風孔板的開關處於閉合狀態，空氣無法通過迴風孔板進入回流室6-5，而處在恆溼出風口1-8的百葉窗開關處於打開狀態，空氣便從百葉窗流出。這樣空氣從恆溼入風口5-7進入乾燥空氣，再從恆溼出風口1-8流出，由溼度傳感器感知空氣溼度，這樣一個循環使工作區溼度環境處於穩定的50％RH±1％RH恆溼狀態。

然後，關閉恆溼入風口5-7、吹乾機5-8和恆溼出風口1-8開關，打開製冷室6-1的風扇5-1和製冷片5-2、制熱室的電熱元件5-5、迴風孔板5-13開關。此時製冷片和散熱片工作，從製冷室出來的冷空氣在風扇的帶動下，由製冷室與制熱室之間的管道壁上的溫度傳感器5-4感知溫度後流向制熱室6-2。空氣在制熱室被電熱元件加熱後進入靜壓室6-3，通過孔板使從靜壓室出來的空氣溫度和流速均勻的流向工作室6-4，由進風孔板中心處的溫度溼度傳感器5-10感知空氣溫度。空氣進入工作室，再由工作室內隔板中心處設置的溫度溼度傳感器5-11再感知溫度，進而再由置於迴風孔板中心處的溫度溼度傳感器5-12感知溫度。此時，空氣再通過迴風孔板進入回流室6-5，經過回流室再重新進入到製冷室。這樣空氣從製冷室6-1降溫，由傳感器感知溫度後進入制熱室6-2升溫，通過靜壓室6-3後進入工作室6-4，再由工作室附近三個傳感器感知後經回流室6-5重新回到製冷室6-1，這樣一個無限循環使機罩內的空氣達到穩定的23℃±0.15℃恆溫狀態。

對已有的恆溫恆溼系統進行評價，需要知道風扇提供的靜壓、空氣流量、軸向空氣流速等參數。可以通過理論計算風扇相關參數來調節風扇的功率及轉速。給出相應的計算公式：

風扇的流量Q(m3/s)：

Q＝QaFfU2 (1-1)

這裡，Qa﹣流量係數，≤0.25，無量綱；

Ff﹣風扇有效面積，m2；

U2﹣風扇外徑處的速度，m/s。

式(1-1)中風扇的有效面積Ff：

這裡，D1、D2﹣風扇的內徑、外徑，m；

﹣風扇的輪轂比，無量綱。

式(1-1)中風扇外徑處的速度U2：

這裡，n﹣風扇的轉速，r/min；

Vz﹣風扇的軸向空氣速度，m/s。

風扇壓力P(Pa)：

P＝0.5PyρU22 (1-5)

這裡，Py﹣壓力係數，無量綱；

ρ﹣空氣密度，kg/m3。

聯立式(1-1)、(1-2)、(1-3)便可以計算出風扇的流量，從而可以通過式(1-4)計算出風扇的軸向速度。聯立式(1-3)和(1-5)可以計算風扇的壓力。可根據室內空氣溫度溼度情況來調節風扇的軸向轉速。

最後，根據電容式水平測量儀9-1所示的水平情況，調節連接機罩底部和底座9-2的絲杆螺母使整個機罩平臺處於水平狀態。

本實用新型裝置讓其恆溼後空氣內循環，沒有熱交換和溼度交換，可以在3D列印設備運行時繼續工作保持恆溫恆溼狀態，環境溫度穩定在：23℃±0.15℃，解析度0.01℃。使環境溼度穩定在：50％RH±1％RH，解析度1％RH。能夠克服現有儀器運行時溫度溼度易改變的難題，實現精確列印。此外，本裝置還可用於許多對環境有苛刻要求的儀器，使其達到精確測量和精準工作。