一种3D打印机打印舱室内环境监测集成系统及监测方法

技术领域

本发明属于激光熔化增材制造技术领域，特别是涉及一种3D打印机打印舱室内环境监测集成系统及监测方法。

背景技术

在3D打印设备使用过程中，影响成品精度的因素有很多，例如打印机自身精度、打印速度、材料、温度、湿度、氧含量、气压等因素，为保证打印稳定性，提高成品率，气氛控制是制作出完美产品的重要环节。

发明内容

本发明针对现有技术中所存在的问题，提供了一种3D打印机打印舱室内环境监测集成系统及监测方法，该环境监测集成系统可方便的自动调节打印环境，无需人工干预，即可在合适的条件下进行打印操作，大幅提高打印速度及产品成品率，提高打印安全性。

本发明是这样实现的，一种3D打印机打印舱室内环境监测集成系统，包括PLC、测温电阻、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、氧含量传感器、三个继电器线圈、三个继电器触点、进气电磁阀、排气电磁阀、加热元件；

所述PLC包括PLC模拟量输入模块和PLC数字量输出模块，所述PLC与220V交流电源相连，用于给PLC进行供电；

所述PLC模拟量输入模块、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、氧含量传感器、三个继电器线圈、三个继电器触点、进气电磁阀、排气电磁阀均与直流电源供应器相连，由直流电源供应器将标准交流电转化为稳定的直流电供电，直流电源供应器与220V交流电源相连；所述测温电阻、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、氧含量传感器均与PLC模拟量输入模块相连，将检测的打印舱室内金属工件或粉末的温度、气压、气温、湿度、氧含量转化为可用的信号进入PLC模拟量输入模块；

所述PLC数字量输出模块分别连接三个继电器线圈，每个继电器线圈对应一个继电器触点，三个继电器触点分别连接进气电磁阀、排气电磁阀、加热元件，PLC数字量输出模块相应控制继电器线圈来接通或断开相应继电器触点进而控制相应进气电磁阀、排气电磁阀、加热元件执行相应动作；所述加热元件与220V交流电源相连。

优选的，所述测温电阻为PT100铂热电阻。

优选的，所述加热元件为加热电阻。

一种3D打印机打印舱室内环境监测方法，具体方法如下：

测温电阻、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、氧含量传感器分别采集打印舱室内的环境数据，并将采集到的环境数据通过PLC模拟量输入模块反馈给PLC；PLC根据接收的环境数据进行数据运算，判断打印舱室内的环境数据是否符合要求，若判断结果不符合要求，PLC再通过PLC数字量输出模块控制相应继电器线圈来接通或断开相应继电器触点，使相应进气电磁阀、排气电磁阀或加热元件开启或关闭，来调整打印舱室内的环境数据，使打印舱室内的环境稳定在恒温恒湿、低氧含量、压差自动补偿状态。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明的环境监测集成系统用于控制大型3D打印设备内工作温度、湿度、氧含量以及气压，保持设备稳定在恒温恒湿、低氧含量、压差自动补偿状态；使得任何原因导致的打印舱室压力、氧含量、压差及温度的变化，都会被自动补偿，从而实现了气体置换、稳压调节、恒温恒湿的自动化控制；协同光机电等多项装备控制技术，易于实现工业化应用，可应用于多种有环境控制需求的装置，该系统控制精度高效果好，适用于长时间无人看守的自动化产品设备。

2、本发明的环境监测集成系统使用传感器及测温电阻检测打印舱室内环境气压、气温、湿度、氧含量及金属工件或粉末温度，将环境数据反馈给PLC，再通过PLC输出控制电磁阀及加热元件进行环境调节；加入的环境控制逻辑，既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约材料。

3、本发明的环境监测集成系统可对环境多变的打印舱室进行可靠气氛控制，通过对于打印舱室的气氛进行数据采集，再经过分析处理，向打印舱室内注入惰性气体，将气氛系统内空气进行清洗，从而达到打印所需安全环境，稳定成型过程，提高产品成品率，减少废料产生，节省成本；对于材料的燃烧及爆炸的风险进行有效控制，对于打印过程中激光扫描产生的对人体有害物质或金属扬尘有效隔绝。

4、本发明的环境监测集成系统使气氛控制全自动化，工作环境得到有效控制，保持设备稳定在恒温恒湿、低氧含量、压差自动补偿状态，节省了大量材料成本和劳动强度，大幅提高成品率；传统加工出的元件气密性差、强度低、不耐冲击、结合层不紧密、材料密度不达标等问题，不仅存在较大工作风险，且费时费力，成本较高，本发明解决了3D打印设备打印工件暴露在空气中或气密性不佳产生的材料氧化及材料结合层强度低，及材料高温氧化，封装气密性不佳，焊接强度低等工艺缺陷。

5、本发明的环境监测集成系统可快速精确调节成型过程中的环境变化，提供气氛保护，具有结构简单，操作自动化，控制范围可调等优点，为金属激光增材制造提供了高稳定，多功能，易于拓展兼容的控制系统；针对于不同的打印材料，可自由选择氧含量、压力、温度极限值，可灵活应用于多种打印材料及打印设备。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的环境监测集成系统的结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是本发明的实施例提供的测温电阻和加热元件的安装结构示意图；

图4是本发明的实施例提供的环境监测集成系统的电气结构原理图；

图5是本发明的实施例提供的环境监测方法的流程示意图。

图中：1、PLC；2、PLC数字量输出模块；3、PLC模拟量输入模块；4、继电器线圈一；5、继电器线圈二；6、继电器线圈三；7、测温电阻；8、直流电源供应器；9、气压传感器；10、气温传感器；11、湿度传感器；12、氧含量传感器；13、继电器触点一；14、继电器触点二；15、继电器触点三；16、进气电磁阀；17、排气电磁阀；18、加热元件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先需要说明的是，请参阅图1～3，本发明中，气压传感器9、气温传感器10、湿度传感器11、氧含量传感器12均安装在打印舱室上，用于检测打印舱室内气压、气温、湿度、氧含量；进气电磁阀16和排气电磁阀17分别安装在打印舱室的进气口和排气口处，用于置换打印舱室内的气体；测温电阻7和加热元件18安装在3D打印机活塞系统的底板上，测温电阻用于检测打印舱室内金属工件或粉末的温度，加热元件用于对金属工件或粉末进行加热。

实施例

请参阅图4，本发明的实施例提供一种3D打印机打印舱室内环境监测集成系统，包括PLC1、测温电阻7、气压传感器9、气温传感器10、湿度传感器11、氧含量传感器12、三个继电器线圈(分别为继电器线圈一4、继电器线圈二5、继电器线圈三6)、三个继电器触点(分别为继电器触点一13、继电器触点二14、继电器触点三15)、进气电磁阀16、排气电磁阀17、加热元件18；

所述PLC1包括PLC1模拟量输入模块和PLC1数字量输出模块，所述PLC1与220V交流电源相连，用于给PLC1进行供电；

所述PLC1模拟量输入模块、气压传感器9、气温传感器10、湿度传感器11、氧含量传感器12、三个继电器线圈、三个继电器触点、进气电磁阀16、排气电磁阀17均与直流电源供应器8相连，由直流电源供应器8将标准交流电转化为稳定的直流电供电，直流电源供应器8与220V交流电源相连；所述测温电阻7、气压传感器9、气温传感器10、湿度传感器11、氧含量传感器12均与PLC模拟量输入模块3相连，将检测的打印舱室内金属工件或粉末的温度、气压、气温、湿度、氧含量转化为可用的信号进入PLC模拟量输入模块3；所述PLC模拟量输入模块3用于接收监测元件的信号；

所述PLC数字量输出模块2分别连接三个继电器线圈，每个继电器线圈对应一个继电器触点，三个继电器触点分别连接进气电磁阀16、排气电磁阀17、加热元件18，PLC数字量输出模块2相应控制继电器线圈来接通或断开相应继电器触点进而控制相应进气电磁阀16、排气电磁阀17、加热元件18执行相应动作；所述PLC数字量输出模块2用于PLC1与执行元件的连接，将输出信号传递给执行元件，用以驱动执行元件执行相应动作；

所述加热元件18与220V交流电源相连。

氧含量传感器12，利用氧化锆内外侧的氧浓度差，产生电位差，氧浓度差越大，电位差越大，用以检测环境氧含量。

气温传感器10：采用定容气体温度计，传感器内置氢气与氦气，气体体积保持不变，压强随温度而改变，从而以内置气体为标准温标，测量外部环境气温。

湿度传感器11：根据氧化铝薄膜从周围气体中吸水，引起自身电容与电阻值的变化，从而测定周围气体相对湿度。

优选的，所述测温电阻7为PT100铂热电阻，铂热电阻的阻值会随着温度变化而变化，用于检测金属工件或粉末的温度。

优选的，所述加热元件18为加热电阻，利用电流通过电阻产生热效应，实现加热功能。

一种3D打印机打印舱室内环境监测方法，具体方法如下：

测温电阻7、气压传感器9、气温传感器10、湿度传感器11、氧含量传感器12分别采集打印舱室内的环境数据，并将采集到的环境数据通过PLC模拟量输入模块3反馈给PLC1；PLC1根据接收的环境数据进行数据运算，判断打印舱室内的环境数据是否符合要求，若判断结果不符合要求，PLC1再通过PLC数字量输出模块2控制相应继电器线圈来接通或断开相应继电器触点，使相应进气电磁阀16、排气电磁阀17或加热元件18开启或关闭，来调整打印舱室内的环境数据，使打印舱室内的环境稳定在恒温恒湿、低氧含量、压差自动补偿状态。

请参阅图5，测温电阻7检测打印舱室内金属工件或粉末的温度是否小于80℃，若小于80℃，PLC1控制加热元件18通电，对金属工件或粉末进行升温；若大于等于80℃，PLC1控制加热元件18断电，停止加热；

气压传感器9检测打印舱室内气压是否大于50mbr，若大于50mbr，PLC1控制排气电磁阀17开启，将打印舱室内气体排出；气压传感器9检测打印舱室内气压是否小于40mbr，若小于40mbr，PLC1控制排气电磁阀17关闭，停止排气；

氧含量传感器12检测打印舱室内氧含量是否大于1000ppm，若大于1000ppm，PLC1控制进气电磁阀16开启，向打印舱室内注入氩气；氧含量传感器12检测打印舱室内氧含量是否小于200ppm，若小于200ppm，PLC1控制进气电磁阀16关闭，停止进气。

本发明的环境监测集成系统可方便的自动调节打印环境，无需人工干预，即可在合适的条件下进行打印操作，大幅提高打印速度及产品成品率，提高打印安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。