CN109703028A - 3d打印机耗材盒及装载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印耗材盒及装载系统，通过在耗材盒内设置电机驱动的进给装置，使得耗材丝的进给与回退动作均在控制单元的控制下自动完成，简化了装卸载耗材的操作。并优选在耗材盒内增加耗材回卷装置，使得耗材退入耗材盒后依然缠绕于卷盘之上。由于装卸载全程无需人工直接操作耗材丝，系统便可以准确记录耗材丝的使用长度。本发明解决了现有技术方案装卸载耗材麻烦、剩余耗材检测不准确以及耗材丝回退易造成卡料的问题。

Description

3D打印机耗材盒及装载系统

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种用于3D打印机的耗材盒及装载系统。

背景技术

3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。

目前行业内桌面级的FDM 3D打印打印机基本都采用如公告号为CN1216726C的专利文献的背景技术中描述的耗材盒。如图1所示，在卷盘11上缠有耗材丝13，卷盘11安装于3D打印机的耗材架转轴112上。耗材丝13穿过进料管12被送至送丝机构，送丝机构的动轮141与惰轮142夹住耗材丝13并将其送至打印头15中，耗材丝13在打印头15中熔融，并从下端喷嘴中挤出，并在下方的打印平台16上成型物体。

这种耗材盒为简单的料盘结构，没有外壳进行密封，因此当料盘从密封袋中取出后，就会在空气中慢慢受潮；同时这种料盘结构中没有长度计量装置，打印过程中无法精确计量剩余耗材量；再者这种耗材装载与卸载很不方便，装载时需要手工将耗材丝送入进料管，并一直要推送到送丝机，卸载时也需要手工将耗材丝从进料管中抽出并再缠绕回料盘上；另外，因为是开放式结构，耗材丝也容易因散开造成卡料。

现有技术中，公告号为CN1216726C的发明专利《丝料盒及装载系统》提出了一种全密封结构耗材盒方案，解决了耗材丝暴露于空气中易受潮的问题。公告号为CN103786279B的发明专利《丝料盒》提出一种具有长度计量功能的耗材盒，用以解决耗材盒内余料检测的问题。而这两个方案在使用过程中仍然需要人工介入将耗材丝手动插入进料管内并推入送丝机中，操作过程繁琐。公告号为CN1216726C的发明专利虽然也设置有耗材进给装置，但其所述进给装置只是用于手动进丝的辅助装置。同时，因为这两个方案均不具有回卷装置，在退料时缠绕于料盘上的耗材丝会散开，散开的耗材丝可能会导致其卡住无法供料。

其次，公告号为CN103786279B的发明专利所提出的方案虽然具有耗材丝长度计量功能，但由于其计数原理是通过耗材丝被摩擦单元拉紧后带动计数轮实现计数，在退料时耗材丝无法被张紧并带动计数轮记录耗材丝长度，因而在打印回抽动作较多的模型时，该方案记录的耗材丝长度会有较大偏差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种3D打印机耗材盒及装载系统，通过采用电机驱动的进给装置，使得耗材丝的进给与回退动作均在控制单元的控制下自动完成，装卸载耗材操作简单。同时由于全程无需人工直接操作耗材丝，系统便可以准确记录耗材丝使用长度信息。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种3D打印机耗材盒，包括用于缠绕打印耗材的卷盘、用于容纳卷盘并具有耗材丝出口的盒体，以及将耗材丝送出盒体的进给装置。与现有技术不同的是，所述进给装置通过电机驱动，可以在控制单元的控制下自动执行耗材丝的进给与回退动作，装载过程无需手工操作。

公告号为CN1216726C的发明专利技术方案中所述的进给装置仅是为实现在耗材盒全封闭的状态下可以手工将耗材丝推入3D打印机的进料管而设计的，因此其结构设计为在完成耗材装载后，该进给装置会释放耗材丝，并交由3D打印机内部的送丝机构实现进给。相对于该专利方案而言，本发明技术方案中的进给装置则是直接采用电机驱动的进给装置，当耗材盒插入3D打印机耗材仓后，进给装置可以在控制单元的控制下自动将耗材盒内的耗材丝推入3D打印机的进料管中。同样，在卸载耗材时也可以自动将进料管中的耗材丝完全退入到耗材盒中去。

对于大型3D打印机，由于其本身尺寸较大，其进料管也会比较长，因而在耗材盒卸载时，需要将较长的耗材丝推入到耗材盒中，而现有技术中的耗材盒均无法实现耗材回卷功能。耗材丝直接退入耗材盒时，缠绕于料盘上的耗材丝就会散开，而大量散开的耗材丝会使回退阻力变得很大，并且若耗材丝落入卷盘外侧，就可能会导致其卡住无法供料。因此优选地，为避免这一问题，所述耗材盒中还包含可提供一定扭距使得已进给的耗材可以回卷到卷盘上的回卷装置。所述回卷装置由电机驱动实现耗材回卷，并且所述电机优选为支持转距控制方式的伺服电机。所述伺服电机通过设置恒定的反转力矩，即可使回退的耗材丝回卷到卷盘上去，控制方便。

优选地，所述盒体内设有存储芯片，可用于存储耗材类型、耗材丝总长、剩余耗材丝长度等信息。耗材盒内的存储芯片与3D打印机的控制单元电气连接，所述电气连接方式，目前已有很多成熟方案，如电信号、射频信号、光信号、磁信号连接等。当耗材盒插入3D打印机后，控制单元便可以从存储芯片中获取当前耗材盒相关的信息，比如耗材类型、耗材总长度、耗材剩余长度等。

通常情况下，进给装置可由步进电机或伺服电机进行驱动，因而可通过电机运动步数计算出耗材丝的进给量，但由于进给时耗材丝有可能出现打滑，步进电机也易出现丢步，导致电机运动步数与耗材丝实际运动长度不同步，因而优选给进给装置配上耗材检测传感器，用于耗材进给长度测量。

在实际应用中，用于驱动进给装置的电机与用于驱动回卷装置的电机均有两种安装方式：一是安装于盒体内部，这样耗材盒结构简单，可靠性更高，但缺点是需要给每个耗材盒都配两个驱动电机，成本会稍高；二是安装于3D打印机上，通过齿轮、摩擦轮等传动机构驱动耗材盒内的进给装置与回卷装置，这种方式结构稍复杂，但无需为每个耗材盒配驱动电机。

提出一种能够应用上述耗材盒向3D打印机供料的耗材装载系统， 该系统在装载过程中包含以下步骤：控制单元控制进给装置进给耗材丝，使其穿过耗材丝出口送入到3D打印机的进料管道之中；卸载过程中包含以下步骤：控制单元控制进给装置回退进料管道中的耗材丝，将耗材丝完全退入耗材盒内。

优选地，对于具有耗材盒锁定装置的3D打印机，所述装载过程中还包括以下步骤：在控制进给装置进给耗材丝前，控制耗材盒锁定装置锁住耗材盒，确保耗材盒在装载状态时不可直接取出；所述卸载过程还包括以下步骤：在耗材丝完全退入耗材盒后，解锁耗材盒锁定装置，使耗材盒可以从耗材仓中取出。

优选地，当进给装置有动作时，更新耗材盒存储芯片中的耗材剩余长度信息，使存储芯片中记录的耗材剩余长度信息与耗材盒中真实的剩余长度一致。

优选地，当检测到耗材盒中剩余耗材丝长度低于预设的最小长度时，发出缺料报警信号或执行预设的缺料处理逻辑。

与现有技术相比，本发明所提出的3D打印机耗材盒，通过在耗材盒内设置电机驱动的进给装置，使得耗材丝的进给与回退动作均在控制单元的控制下自动完成，简化了装卸载耗材的操作。并优选在耗材盒内增加耗材回卷装置，使得耗材退入耗材盒后依然回卷缠绕于卷盘之上。由于装卸载全程无需人工直接操作耗材丝，系统便可以准确记录耗材丝的使用长度。本发明解决了现有技术方案装卸载耗材麻烦、剩余耗材检测不准确以及耗材丝回退易造成卡料的问题。

附图说明

图1为当前主流3D打印机采用的耗材盒结构及工作原理示意图。

图2为3D打印机耗材盒实施例结构示意图。

图3为3D打印机耗材盒插入耗材仓后的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明3D打印机耗材盒及装载系统做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

3D打印机耗材盒实施例：

如图2所示，3D打印机耗材盒包含盒体21、耗材丝卷盘22及耗材进给装置23，耗材丝25缠绕于卷盘22之上。

进给装置23中包含进给动轮231及进给惰轮232，其中进给动轮231由进给电机驱动实现转动。进给动轮231与进给惰轮232夹住耗材丝25。当进给动轮231转动时，可以实现耗材丝25的进给与回退动作。

同时，盒体21中还安装有耗材回卷装置。耗材回卷装置由两个卷盘惰轮241及卷盘动轮242组成。耗材回卷装置将卷盘22固定于盒体21内，并可在卷盘动轮242的驱动下沿自身的中轴线旋转。卷盘动轮242由回卷电机驱动实现转动。本实施例中回卷电机为可控转距的伺服电机，在耗材丝25回退时，回卷电机产生恒定转距带动卷盘动轮242逆时针转动，进而驱动卷盘22也做逆时针旋转，将回退入盒体21的耗材丝25重新回卷到卷盘22上。采用可控转距的伺服电机来驱动回卷装置的优势在于这样可以为卷盘提供一个恒定的回卷力距，当进给装置23将耗材丝25退入耗材盒后，耗材丝25会在回卷力距的驱动下被回卷到卷盘上。因此只需要在开始回卷前设置好电机的转动方向和转距值，在耗材回卷过程中无需关注电机转动的距离或角度，因此控制上会变得非常简单。

当进给装置23进行进给时，进给动轮231驱动耗材丝25与进给惰轮232一起运动，耗材丝25被从卷盘22上拉出并通过盒体上的出料口212送出耗材盒，推入3D打印机的进料管中。而当进给装置23进行退料时，进给装置23中的进给动轮231反向转动，推动耗材丝25从3D打印机的进料管中退回到耗材盒中去。回卷装置在耗材回退的过程中，驱动卷盘反向转动，将退入耗材盒的耗材丝重新回卷到卷盘上。当耗材丝25的最前端完全退入出料口212中后，进给装置23便停止退料。完成退料后，耗材丝25还必须夹于进给装置23的进给动轮231与进给惰轮232之间，这样在下次进料时，进给装置才能继续将耗材丝25推出耗材盒。

本实施例中，回卷电机与进给电机可以采用两种安装方式：

方式一是直接将电机安装于耗材盒内，进给动轮231与卷盘动轮242直接安装于电机输出轴上。这种安装方式结构，但需要为每个耗材盒都配一只回卷电机与一只进给电机。

方式二则是将回卷电机与进给电机安装于3D打印机上，电机输出轴连接传动齿轮，在耗材盒与其对应的位置同样设有齿轮。当耗材盒推入耗材仓后，两侧的齿轮相互咬合，实现传动。方式二无需为每一个耗材盒都配两只电机，但因为增加了可分离的传动部件，其结构相对更为复杂一些。

为了确保能够精确计量进给或退回的耗材丝的长度，在进给惰轮232上还安装有一个光栅码盘233以及光栅编码器234。当耗材丝25进给或者回退时，就会带动光栅码盘233转动，此时光栅编码器234就可以记录下光栅码盘的转动角度，并以此计算出耗材丝25的运动长度。因光栅码盘233安装于进给惰轮232上，因此光栅码盘的读数不受进给电机丢步或进给动轮231打滑的影响，可以严格对应于耗材丝25的进给长度。

耗材盒内还设有存储芯片，用于存储耗材盒中耗材丝的类型、总长度、剩余长度等信息，当耗材丝25运动后，3D打印机的控制单元将更新存储芯片中的耗材剩余长度信息，使得其中记录的剩余长度信息与实际长度保持一致。

耗材装载系统实施例：

图3展示的是耗材盒插入3D打印机耗材仓后的结构示意图。如图3所示，当耗材盒完全插入耗材仓后，耗材盒的出料口212与进料管31入口的导向槽311正向相对，以使得耗材丝25从耗材盒内送出后可以直接进入到打印机的进料管31中。导向槽311使得耗材仓与耗材盒的配合精度无需非常高，降低了加工制造难度。在耗材仓的内部安装有电磁铁321，耗材盒的前部安装有铁片322，接近开关323安装于电磁铁321下方，当耗材盒完全插入耗材仓后，接近开关323发出耗材盒插入信号，系统可控制电磁铁321吸住耗材盒上的铁片322，以防止处于装载状态的耗材盒被用户误取出。

所述耗材装载系统可实现耗材丝的装载、卸载、进料、退料、耗材切换等动作。

所述装载过程包括以下步骤：

首先，用户将耗材盒插入3D打印机的耗材仓。

当系统通过接近开关323检测到耗材盒已插入到耗材仓中，控制电磁铁321吸住耗材盒上的铁片322，这样耗材盒就完成锁定，在锁定状态耗材盒无法从耗材仓中取出。

之后，系统控制进给装置进给耗材丝，使其穿过耗材丝出口212送入到3D打印机的进料管31之中。耗材丝被一直推送至打印机内的送丝机构，之后耗材盒内的进给装置与打印机内的送丝机构一起完成耗材丝进给动作。

所述卸载过程包括以下步骤：

当出现需要卸载耗材盒的情况时，例如耗材丝用尽或用户发出卸载耗材盒命令，系统控制进给装置回退进料管道中的耗材丝，并将耗材丝完全退入耗材盒内。

之后，系统关闭电磁铁321，耗材盒上的铁片322被从电磁铁321上释放，此时便可以取出耗材盒。

以上为耗材装载系统装载和卸载耗材的实施步骤。除此以外，每当耗材丝有进给或回退动作时，系统就更新耗材盒存储芯片中的耗材丝剩余长度信息。当检测到耗材盒内的耗材丝长度小于预设的最小长度时，发送缺料报警信号，同时执行预设的缺料处理逻辑。本实施例中，预设的缺料处理逻辑为卸载料盒。

从以上两个实施例可以看出，本发明使得用户操作机器时变得非常简单，装载耗材丝只需要将耗材盒插入打印机的耗材仓即可；卸载过程一般由系统自动触发，也可通过手动发出卸载命令，之后等待系统卸载动作完成后取出耗材盒即可。整个过程无需像以往那样手工将耗材丝装入打印机的进料管中。

如无特殊说明，本文中所述系统指耗材装载系统，该系统负责3D打印机的耗材供给；所述控制单元指耗材装载系统中的控制单元，该控制单元可以是独立控制电路，也可以与运动、加热等其余控制单元集成在一起。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.3D打印机耗材盒，包括：

用于缠绕打印耗材的卷盘；

用于容纳卷盘，并具有耗材丝出口的盒体；

使耗材通过盒体出口进行进给的进给装置；

其特征在于，所述进给装置由电机驱动，可自动执行耗材丝的进给与回退动作。

2.如权利要求1所述的3D打印机耗材盒，其特征在于，还包括：

可提供一定扭距使得已进给的耗材可以回卷到卷盘上的回卷装置；

所述回卷装置由电机驱动实现耗材回卷，所述电机优选为支持转距控制方式的伺服电机。

3.如权利要求1所述的3D打印耗材盒，其特征在于，所述盒体内设有存储芯片。

4.如权利要求1所述的3D打印耗材盒，其特征在于，所述进给装置中设有耗材检测传感器，可实现对耗材进给长度的测量。

5.如权利要求1或2所述的3D打印耗材盒，其特征在于，所述电机安装于盒体内部。

6.如权利要求1或2所述的3D打印耗材盒，其特征在于，所述电机安装于盒体外部，通过传动机构驱动盒体内的进给装置或回卷装置。

7.耗材装载系统，采用权利要求1~6中任意一个耗材盒向3D打印机供料，其特征在于：

装载过程包括以下步骤：

控制单元控制进给装置进给耗材丝，使其穿过耗材丝出口送入到3D打印机的进料管道之中；

卸载过程包括以下步骤：

控制单元控制进给装置回退进料管道中的耗材丝，将耗材丝完全退入耗材盒内。

8.如权利要求7所述的耗材装载系统，其特征在于，

所述装载过程中还包括以下步骤：在控制进给装置进给耗材丝前，控制耗材盒锁定装置锁住耗材盒；

所述卸载过程还包括以下步骤：在耗材丝完全退入耗材盒后，解锁耗材盒锁定装置，使耗材盒可以从耗材仓中取出。

9.如权利要求7所述的耗材装载系统，其特征在于，当进给装置有动作时，更新耗材盒存储芯片中的耗材剩余长度信息。

10.如权利要求7所述的耗材装载系统，其特征在于，当检测到耗材盒中剩余耗材丝长度低于预设的最小长度时，发出缺料报警信号或执行预设的缺料处理逻辑。