CN110271185A - 用于熔融沉积型3d打印机的进料装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于熔融沉积型3D打印机的进料装置以及相应的实施方法，通过采用带反馈装置的减速电机来驱动进料辊，提高了电机的最大输出扭矩，同时通过位置反馈装置以及电机驱动电流判断出电机的运行状态，使得电机的最大输出扭矩可以与耗材丝的力学性能相匹配，从而达到最佳进料性能，并能够及时确定是否发生堵料情况。同时提出一种全新的进料辊花纹结构，不仅提高了耗材丝与进料辊之间的摩擦系数，而且易于加工生产。解决了现有技术的进料装置存在进给力不足、无法判断是否出现堵料等问题。

Description

用于熔融沉积型3D打印机的进料装置

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种用于熔融沉积型3D打印机的进料装置。

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型3D打印机基本都采用如公告号为CN203449611U的实用新型专利《一种用于3D打印机喷头的带弹簧结构的丝料挤出装置》所提出的进料装置结构，或是与其类似的结构，即采用弹性按压式的单辊驱动结构，仅由一根驱动辊提供动力，惰辊通过弹簧压向驱动辊，当有耗材丝进入时，惰辊被推开一定距离，使得耗材丝被压紧在惰辊与驱动辊之间，当驱动辊转动时即可实现耗材丝的进料或退料操作。如公告号为CN203449611U的专利文献中的图1所示，目前这类结构基本都是采用42步进电机作为动力源，并将驱动辊直接安装在电机轴上，这种方案结构简单，并且由于采用了弹性按压结构，对耗材丝的直径精度要求不高，在一定程度上满足了目前桌面级3D打印机的应用需求。

但这种结构存在以下几个较明显的缺陷：

首先，采用步进电机直接驱动进料辊，扭矩偏低，且存在丢步风险。如常用的42步进电机能够提供的最大扭矩一般在0.5N∙m以内，直接驱动进料辊能够提供的推力偏弱。实际测试中最大推力大概只能达到30N左右。同时步进电机本身不具有反馈装置，因此当发生堵料或送料阻力增大而出现打滑或丢步时，控制电路无法感知，并做出相应的处理。

其次，由于采用单辊驱动结构，只有驱动辊能够提供动力，因此仅能通过驱动辊一侧提供的摩擦力转化为对耗材丝的推力，这就导致在相同按压力的条件下，理论上能够产生的最大推力仅为采用双辊驱动结构时的一半。

其三，虽然采用弹性按压结构可以在很大程度上消除耗材丝线径误差大造成的送丝不稳定问题，但由于弹性按压结构很难将按压力做得足够大，因此易出现进料辊在耗材丝上打滑的情况。同时，由于不同的材料能够承受的最大按压力也会存在较大差别，对于用户而言，要根据不同的材料调整对应的按压力也是一件非常麻烦的事情。

美国Stratasys公司在其申请号为200680024165.6的发明专利《具有受控的材料进料的快速原型系统》中公布了另一种结构的进料装置方案。该方案中同样采用单辊驱动以及弹性按压的结构形式，不同之处在于其采用伺服电机进行驱动，并且电机输出轴到驱动轴之间通过齿轮进行了减速，因此该方案避免了前一方案驱动力不足以及丢步后无法检测到的问题。同时其提供了一种特殊的驱动辊的结构形式，通过在耗材丝上产生出较深的齿痕从而增大了驱动辊与耗材丝之间的摩擦系数。

该方案的缺点在于：首先，单辊驱动的结构形式推力转换效率低，依然需要较大的按压力才能在耗材丝上产生足够的推力；其次，弹性按压结构不容易找到不同材料之间按压力的最佳平衡点，对于硬质耗材，按压力小了会使齿痕过浅导致打滑，对于软性耗材来说，按压力过大易使耗材丝严重变形。

通过以上分析，可以看出现有技术下的进料装置存在一定的技术缺陷。因此行业内亟需一种能够兼容不同材质的耗材进行有效进料的进料装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于熔融沉积型3D打印机的进料装置以及相应的实施方法，通过采用带反馈装置的减速电机来驱动进料辊，提高了电机的最大输出扭矩，同时通过位置反馈装置以及电机驱动电流判断出电机的运行状态，使得电机的最大输出扭矩可以与耗材丝的力学性能相匹配，从而达到最佳进料性能，并能够及时确定是否发生堵料情况。同时提出一种全新的进料辊花纹结构，不仅提高了耗材丝与进料辊之间的摩擦系数，而且易于加工生产。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种用于熔融沉积型3D打印机的进料装置，包括固定块、安装于固定块上的电机、两根驱动轴，以及分别安装固定于两根驱动轴上的两个进料辊。所述两根驱动轴均由所述电机驱动并带动两个进料辊转动，组成双辊驱动结构。为了提高输出扭矩，所述电机为减速电机，并且在所述电机的内部或者外部设有位置反馈装置。

所述减速电机是由电机与减速机构两部分组成的集成体。电机类型可以是有刷直流电机、无刷直流电机、伺服电机、步进电机等，减速机构可以是普通的齿轮减速机、行星减速机、谐波减速机、蜗轮蜗杆减速机等。组装完成后，减速机构与电机集成为一个整体，由减速机构的输出轴向外界输出扭矩，因此采用减速电机可以简化设计、节省空间。

本发明不限制所述电机的数量，采用不同数量的电机进行驱动均可以实现相同的技术效果。通常情况下，进料装置中仅需要一只电机即可满足要求，但如果单只电机输出扭矩不足，也可以通过采用两只电机来分别驱动两只进料辊，又或者多个电机并行驱动两只进料辊，从而提高对耗材丝的驱动力。通过各电机上的位置反馈装置可以实现所有电机的同步运行。但多电机方案结构复杂，同时还会带来各电机之间的同步问题，使控制系统也变得复杂，因此采用单电机方案是本发明的最优选择。

优选地，所述两个进料辊采用固定式结构。所述的固定式结构是相对于现有技术中的弹性按压结构而言，指该结构存在一个固定的边界而非弹性边界。固定式结构相较于弹性按压结构，其优势在于，由于其具有固定的边界，对于直径相同的耗材丝而言，其可以在耗材丝上形成深度相同的齿痕，而不会因为耗材丝的软硬程度不同而发生变化；其劣势在于这种结构需要耗材丝的丝径偏差非常小，因此对不同丝径耗材的兼容性较差。

目前耗材制造商所推出的耗材丝径基本都可以做到±0.05mm以内，部分厂家工艺已经达到±0.03mm，可以看出目前为兼容耗材的丝径偏差而进行结构处理的必要性已非常低，因此本发明中优选采用固定式双辊结构。

固定式双辊结构对双辊间的孔隙尺寸要求会非常高。如果完全依靠结构件的加工精度来保障孔隙间距，势必会导致对进料装置中各个零部件的加工精度要求非常高，这就增加了整套装置的加工难度。因此优选地，所述进料装置中还包括进料辊间距微调结构，可以在安装调试时调整进料辊间的孔隙尺寸，以使其满足尺寸精度要求。进料辊间距微调结构可以采用本领域技术人员已知的任何技术来实现，如顶丝、楔形调整块等结构。

优选地，所述减速电机中电机的类型为无刷直流电机。因为无刷直流电机内部包含检测其转子相位的霍尔传感器，因此相较于采用如步进电机、有刷直流电机等无位置反馈的电机，使用无刷直流电机无需再在电机外部增加编码器之类的位置反馈装置，使整个装置更加简洁；同时相较于使用伺服电机系统，无刷直流电机则具有较大的成本优势。

与伺服电机的反馈装置相比，无刷直流电机的霍尔传感器对位置的分辨精度要低很多，但因为无刷直充电机可以实现较高的转速，通常的输出转速在6000 r/min到30000r/min之间，因此高转速的电机加上高比例减速机，则可以让霍尔传感器在最终输出轴上的分辨率得到大幅提升，因而可以满足进料装置的控制精度要求。

优选地，为了达到足够的输出扭矩，并且提高电机输出轴的位置精度，所速减速比至少为1：20，而提高的减速比会导致输出轴的最高转速变低，为了满足进料机构的进料需求，同时需要控制减速电机输出轴的最高转速不低于10 r/min。

提出一种用于3D打印机进料装置中的进料辊，在进料辊的外圆周表面上存在一条环形的沟道以及均匀分布在环形沟道上的半圆形铣削槽组成的花纹图案。所述环形沟道的截面形状优选为圆弧形。

需要说明的是本文中所描述的半圆形是指由一条直线将圆分割成两部分而形成的形状，所述直线不要求必须通过圆心，因此其可以为大半圆，小半圆或标准半圆。为了便于描述，本文中将上述形状统称为半圆形，而并非是限定其必须是标准的半圆形。

优选地，所述环形沟道的圆弧形截面的直径为耗材丝直径的0.5倍到1倍；所述半圆形铣削槽数量大于等于24并且小于等于48，优选半圆形铣削槽数量大于等于30且小于等于42。

本发明同时提出可应用于上述熔融沉积型3D打印机进料装置的实施方法：通过位置反馈装置精确控制电机输出轴的转动角度；通过对电机运行时电流的控制，限制电机的最大输出扭矩。

优选地，当电机距目标位置的偏差值大于允许最大的偏差值时，给出堵料报警信号。

优选地，电机的最大输出扭矩可以通过外部控制信号进行设置，使得不同材料可以设置不同的最大输出扭矩。

与现有技术相比，本发明提出的用于熔融沉积型3D打印机的进料装置，通过采用减速电机来驱动进料辊，提高了电机的最大输出扭矩，同时通过反馈装置可以判断出电机的运行状态，并及时确定是否发生堵料情况。同时进料辊采用双辊驱动结构，相较于单辊驱动结构，在同等压力下，其极限送丝推力可以提高一倍。

同时，本发明也提出了一种进料辊方案，提高了进料辊与耗材丝之间的摩擦系数，降低了进料辊打滑的风险，并且该方案所展示的花纹结构也易于加工。

此外，本发明还提出了可适用于所述进料装置的实施方法，通过对电机运行状态及驱动电流的精确控制，限制电机最大输出扭矩，从而可以使得电机的最大输出扭矩可以与耗材丝的力学性能相匹配，从而达到最佳进料性能。

附图说明

图1为本发明实施例的组装透视图。

图2为本发明实施例的分解透视图。

图3为本发明实施例的俯视图。

图4为沿图3中所示A-A面的剖视图。

图5为沿图3中所示B-B面的剖视图。

图6为本发明的进料辊的透视图。

图7为本发明进料辊的俯视图。

图8为图7中C-C面的剖视图。

图9为本发明进料辊铣削加工示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明用于熔融沉积型3D打印机的进料装置做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

图1与图2展示了本发明进料装置10的实施例的组装与分解结构透视图。

电机21安装在固定块11上，电机21的输出轴211上安装有第一齿轮22。右驱动轴26通过右轴轴承261安装于固定块11上。同样，左驱动轴27通过左轴轴承271安装于固定块11上。右驱动轴26与左驱动轴27均可以在固定块11上做旋转运动。右驱动轴26上分别固定安装有第二齿轮23、第三齿轮24以及右进料辊31。左驱动轴27上分别固定安装有第四齿轮25以及左进料辊32。

其中第一齿轮22与第二齿轮23啮合，第三齿轮24和第四齿轮25啮合。当电机21的输出轴211转动时，输出轴211带动第一齿轮22转动，这样便通过啮合传动使第二齿轮23跟随转动，这样就同时带动了右驱动轴26、第三齿轮24以及右进料辊31的同步转动。进而第四齿轮25受第三齿轮24啮合传动跟随转动，就进一步带动了左驱动轴27与左进料辊32的同步转动。从上述分析可以看出，当电机21的输出轴211开始转动时，会同时带动右驱动轴26与左驱动轴27一起转动，从而实现了双辊驱动结构。

本行业技术人员不难理解，双辊进料结构需要使得双辊的外圆周线速度完全一致且转动方向相反，通常情况下右进料辊31与左进料辊32的外圆周尺寸完全相同，因此只要确保右进料辊31与左进料辊32转速相同且方向相反即可。因此在满足上述条件的前提下，电机21到两个进料辊之间的传动方式可以采用本行业内普通技术员能够想到的任何方式，均能达到相同的技术效果。

导料槽12由两个固定螺丝121固定于两个进料辊的上方，并使得导料槽12的料孔正对于两个进料辊中间的孔隙。

图4所示为图3中A-A截面的剖视图，从图中可以清晰地看出进料装置10的工作原理。电机21转动时，会带动右进料辊31与左进料辊32按相同的速度沿相反的方向转动。当耗材丝41由导料槽12送入进料装置后，会被卡入两个进料辊中间的孔隙中，并在两个进料辊的推动下向下运动，实现进料。退料时过程与之相反，这里不作赘述。

如图5所示，本实施例中采用固定式双辊结构，为了降低对固定块11以及其他零部件的精度要求，在进料装置10中设有进料辊间距微调结构。本实施例中，右轴轴承261的安装孔设计为腰型孔，右轴轴承261可以在安装孔中做微小尺寸的水平移动，本实施例中采用1.75mm直径的耗材丝，上述微小尺寸的移动距离为距腰孔中心点±0.3mm。由于齿轮啮合时中间存在间隙，在上述距离上的微小距离变化不会对齿轮传动产生影响。

在安装调试时，可以通过在轴承261的左侧更换不同厚度的垫片15并拧紧微调螺丝14，即可调整两个进料辊之间的间距。微调螺丝14限定了轴承261无法再向右移动，从而使得进料辊被耗材丝推挤时有一个固定的边界，不会再向外扩张。调试安装好后，可以让耗材丝从进料辊中间通过，查看耗材丝上留下的齿痕即可知道两辊之间的间距是否合适。经过测试，当齿痕深度在0.1mm~0.2mm之间时进料辊可以在耗材丝41上产生较大的推力，同时耗材丝本身的变形也在可接受范围内。本实施例中仅是列举了一种微调结构。除此以外，楔形调整块结构也是机械行业常用的微调结构。

本实施例中的电机21是由减速比为1:100的减速机构与无刷直流电机构成的减速电机。无刷直流电机的一个电周期包含6个相位，本实施例中所选的无刷直流电机每旋转一周包含4个电周期，因此可以计算出电机每旋转一周共经历24个相位，结合1:100的减速比，最终输出轴211每旋转一周，电机共经历2400个相位。无刷直流电机的额定转速为6000r/min，减速后达到的转速为60r/min。

从以上计算可以看出，电机21最终可以实现的控制精度与旋转一周所包含的电周期数量以及减速机构的减速比成正比，因此从提高电机控制精度的角度来说，减速比越大越好，同时提高减速比也可以增加电机的输出扭矩。但是减速比过高会导致电机输出轴转速不足，从而使得进料装置无法提供足够的进料速度。因此选择减速电机时，需要保证减速比至少为1:20，同时输出轴的最高转速不能低于10r/min，否则就会导致进料速度过慢。

依照上述描述，本行业技术人员可以很容易的更换成其他的减速电机形式，如伺服电机、闭环步进电机等与减速机构的集成体，均能达到相同的技术效果。综合考虑输出扭矩、控制精度、结构尺寸、成本等因素，本实施例中采用无刷直流电机与减速机构组成的减速电机。

本发明实施例中还给出了一种进料辊结构，图6和图7展示的是进料辊的结构图，图8是图7中C-C面的剖视图。进料辊的外圆周表面51上有一条环形的沟道52，在环形沟道上均匀分布着半圆形的铣削槽53。从图7中可以看到，所述沟道52的截面形状为圆弧形。本实施例中所述圆弧形截面的直径为耗材丝直径的0.7倍。

半圆形铣削槽53优选数量大于等于24并且小于等于48，并进一步优选数量为大于等于30小于等于42。本实施例中铣削槽53的数量为36。

与现有技术中的进料辊相比，本实施例中所展示的进料辊的加工方法简单，并且可以得到较深的齿槽深度。首先在进料辊的外圆周51上车出一条环形的沟道52，之后再按相同的间距，沿环形沟道52依次铣出半圆形的铣削槽53。图9展示的是进料辊上半圆形铣削槽的加工示意图。铣刀61通过垂直进给或水平进给均可以加工出相同的半圆形齿槽。

本发明实施例还提供了应用上述进料装置的实施方法：通过无刷直流电机中的霍尔传感器精确控制电机输出轴的转动角度；通过控制电机运行时的电流大小，限制电机的最大输出扭矩。

通过限制电机的最大输出扭矩，可以使进料辊的推力在耗材丝的承受范围之内，当喷头堵料时，电机就会停止转动。这样就可以避免因扭矩过大而出现进料辊打滑或耗材丝被挤变形的情况。

当电机距目标位置的偏差值大于允许偏差的最大值时，控制器给出堵料信号。打印机的控制系统读取到堵料信号，即可知道打印头出现了堵料，并做出相应的预设动作。

本实施例中，电机的最大扭矩可以通过外部控制信号进行设置，这样打印机的控制系统便可以对不同材料设置不同的最大扭矩值，从而使电机的输出扭矩可以与对应材料相匹配。

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.用于熔融沉积型3D打印机的进料装置，其特征在于，包括：

固定块；

安装于固定块上的电机，所述电机为减速电机，并且

在电机内部或外部设有检测电机转动的位置反馈装置；

均受所述电机驱动的两根驱动轴；

分别安装并固定在两根驱动轴上的两个进料辊。

2.如权利要求1所述的进料装置，其特征在于，所述两个进料辊采用固定式结构。

3.如权利要求2所述的进料装置，其特征在于，所述进料装置中还包括进料辊间距微调结构。

4.如权利要求1所述的进料装置，其特征在于，所述减速电机中电机的类型为无刷直流电机，所述位置反馈装置为无刷直流电机内部自带的霍尔传感器。

5.如权利要求1所述的进料装置，其特征在于，所述减速电机的减速比至少为1:20，同时减速电机输出轴的最高转速不低于10r/min。

6.一种用于熔融沉积型3D打印机进料装置中的进料辊，其特征在于，在辊的外圆周表面上存在由环形沟道与均匀分布在环形沟道上的半圆形铣削槽组成的花纹图案，所述环形沟道的截面形状优选为圆弧形。

7.如权利要求6所述的进料辊，其特征在于，所述环形沟道的圆弧形截面的直径为耗材丝直径的0.5倍到1倍；所述半圆形铣削槽数量大于等于24且小于等于48，优选半圆形铣削槽数量大于等于30且小于等于42。

8.熔融沉积型3D打印机进料装置的实施方法，可应用于权利要求1~5所述的任意一个进料装置，其特征在于：

通过位置反馈装置精确控制电机输出轴的转动角度；

通过对电机运行时电流的控制，限制电机的最大输出扭矩。

9.如权利要求8所述的进料装置的实施方法，其特征在于，当电机距目标位置的偏差值大于允许偏差的最大值时，给出堵料报警信号。

10.如权利要求8所述的进料装置的实施方法，其特征在于，电机的最大输出扭矩可以通过外部控制信号进行设置。