CN110587974B - 用于熔丝制造型3d打印机的打印头组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于熔丝制造型3D打印机的打印头组件，通过采用具有弹性溃缩功能的切换机构驱动熔丝挤出机构，从而消除了喷嘴与打印平台之间发生刚性碰撞的可能性，有效保护打印机结构件免受损伤。同时，打印头组件上的接触传感器可以自动检测打印平台的Z轴原点位置。此外，打印机控制板通过切换机构与接触检测传感器的相互配合，可以对接触检测传感器进行自检。解决了现有技术的打印头组件无法避免喷嘴与打印平台发生刚性碰撞的问题，以及打印机Z轴原点校准传感器无法实现自检的问题。

Description

用于熔丝制造型3D打印机的打印头组件

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丝制造型3D打印机的打印头组件。

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。目前基于熔丝制造成型（FFF/FDM）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。

目前行业内多喷嘴的FFF型3D打印机多以固定式结构为主，这种结构中无切换机构，实现简单。但由于多个喷嘴的高度不易调整至完全水平，因此易出现一个喷嘴打印时另一个喷嘴刮擦模型的情况，影响模型打印质量，甚至刮倒模型导致打印失败。由于这种方案实用性不高，正逐步被具有切换结构多喷嘴打印头结构所取代。

现有技术中的打印头切换结构主要分两大类，一类是以电机加丝杆结构驱动喷嘴作Z轴方向运动实现喷嘴切换，如申请号为CN200880025545.0的发明专利《用在基于挤出的分层沉积系统中的挤出头》和申请号为CN201620847633.0的实用新型专利《基于双向丝杠换向的双打印头联动式FDM三维打印结构》；另一类是通过整体旋转实现喷嘴切换，如申请号为CN200780020529.8的发明专利申请《具有多个挤出线的单电动机挤出头及其使用方法》以及申请号为CN201710792482.2的发明专利《一种3D打印机双喷头切换装置》。

这两类打印头切换结构技术上均可以很好地解决打印过程中空闲打印头刮擦模型的问题。不过这两类方案的缺陷在于切换结构中喷嘴与固定支架之间为刚性连接，当平台异常抬升撞到喷嘴时存在损坏打印机结构件的风险。

以打印平台做Z轴运动的FFF打印机结构为例，FFF打印机的Z轴坐标原点（即Z=0mm的位置）是在打印平台与喷嘴相接触的临界位置。所述临界位置的理想状态是喷嘴与平台距离为0，但相互之间并没有相互作用力时平台的位置。现实中由于加工及装配精度的原因，这种情况无法达到，实际操作中一般调试时会让喷嘴与平台之间留出大约0.05mm的间隙，以确保喷嘴不会刮到平台。

为了确保打印平台能够到达Z=0mm的位置，平台的硬件限位和机械限位点必须设置在Z轴原点之上并留出足够裕量，比如触碰硬件限位时Z=-1mm，触碰机械限位时Z=-2mm。若打印平台升高超过Z=0mm的位置，只要喷嘴在打印平台的范围内，打印平台会首先撞击喷嘴，由于喷嘴与固定支架之间为刚性连接，喷嘴无法通过溃缩实现避让，因此打印平台与喷嘴会直接发生刚性碰撞。这样，机械限位就起不到应有的作用。由于打印喷嘴会在使用中被磨损，新旧喷嘴之间的高度偏差甚至会超过0.5mm。同时，打印平台上的打印膜也属于耗材，不同的打印膜厚度也会存在偏差。上述原因导致打印机在使用过程中其Z轴原点位置并不固定，因此打印机在打印前需要对Z轴坐标位置进行校准补偿。而当校准不当时，就可能出现上述平台撞击喷嘴的情况。

目前，主流打印机对于Z轴坐标偏差的校准有手动校准、半自动校准和全自动校准三种方式。

多数桌面级FFF打印机采用手动校准方式，通过手动调节打印平台的高度，使得Z=0mm时喷嘴与打印平台的间距大约在0.05mm左右。这种方式实现最为简单，但需要用户具有一定的操作经验。

半自动补偿方式则是通过在喷嘴附近设置一个位置传感器，通过软件辅助用户执行校准操作。如浙江闪铸三维科技有限公司的Finder2.0型号的3D打印机，校准时放下位置传感器并提升打印平台，提示用户按步骤调整平台高度并找到触发位置传感器的临界点。这种校准方式的缺陷在于位置传感器与喷嘴是相互独立的，其只能校准打印平台与传感器之间的高度偏差，而传感器与喷嘴之间的位置偏移无法自动补偿。

全自动校准方式则可以通过自身传感器自动校准Z轴坐标原点。如美国Stratasys公司的Fortus 450MC型号的3D打印机，其在打印平台附近设置一个位置传感器，并使传感器与打印平台之间的高度差为确定值。校准时通过控制打印头喷嘴触碰该传感器，来检测出传感器的Z轴坐标，进而推算出打印平台的Z轴坐标，并通过软件设置补偿值校准Z轴坐标。该方案可以检测出喷头磨损造成的误差，因此与前两种方式相比精度最高。但这种方式对于打印膜厚度偏差引起的高度差同样无法进行自动补偿，因此使用中需要通过约束打印膜的厚度来保证自动补偿值的准确性。

对于手动及半自动补偿的方式，由于需要用户手工介入，在用户操作失误时，可能会出现校准不当导致平台撞击喷嘴的情况。对于如Fortus 450MC这样具有全自动校准功能的打印机，原则上应该不会出现上述问题，但如果用户使用了厚度超标的打印膜或者其位置传感器损坏失效，则同样存在撞击喷嘴的风险。

此外，现有技术中能够实现Z轴坐标原点自动检测的技术方案有以下几个：申请号为CN201711379355.6的发明专利《3D打印头组件、打印平台归零、调平的方法及3D打印机》提供了一种通过压力传感器检测喷嘴与平台是否接触的技术方案；申请号为CN201710170436.9发明专利《自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法》提供了通过直接将喷嘴作为电极并与设置在打印平台上的电极构成回路实现平台接触检测的技术方案。

这两个技术方案均未解决喷头与平台存在刚性撞击风险的问题，校准时若传感器失效就会直接导致喷嘴与打印平台发生刚性碰撞。此外，申请号为CN201710170436.9的发明专利直接将喷嘴作为一侧电极也存在很大的安全隐患，原因在于喷嘴上容易被不导电的打印耗材所覆盖，一旦被耗材覆盖后该电极就无法与平台电极构成回路，导致检测失效。其次，上述两个技术方案均无法实现检测传感器自检。

通过以上分析可以看出，现有技术中多打印头切换方案不支持喷嘴受撞击后弹性溃缩功能，若使用不当或传感器故障，易导致打印机结构件损坏。同时，现有技术的Z轴原点自动检测方案也无法实现在打印平台与喷嘴撞击时的缓冲功能以及接触检测传感器的自检功能。

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丝制造型3D打印机的打印头组件，通过采用具有弹性溃缩功能的切换机构驱动熔丝挤出机构，从而消除了喷嘴与打印平台之间发生刚性碰撞的可能性，有效保护打印机结构件免受损伤。同时打印头组件上的接触传感器可以自动检测打印平台的Z轴原点位置。并且打印机控制板通过切换机构与接触检测传感器的相互配合，可以对接触检测传感器进行自检。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种用于熔丝制造型3D打印机的打印头组件，包括固定支架、至少两个熔丝挤出机构、切换机构以及接触检测传感器。所述熔丝挤出机构安装于固定支架上，并可在固定支架上沿Z轴方向滑动。所述切换机构安装于固定支架上，切换机构的动作端与熔丝挤出机构机械连接，切换机构可驱动各熔丝挤出机构沿Z轴方向运动；并且所述切换机构的动作端为弹性结构，可在外力作用下发生弹性溃缩。所述接触检测传感器用于检测熔丝挤出机构中的喷嘴是否接触到打印平台，每个熔丝挤出机构对应一个接触检测传感器。

在3D打印行业，习惯将模型层平面内的两个方向称为XY轴方向，模型层的堆叠方向称为Z轴方向。因此切换机构驱动熔丝挤出机构沿Z轴方向运动，即可使对应的喷嘴离开当前打印平面，从而避免了空闲喷嘴与模型之间产生干涉。

如无特殊说明，本文中所述的熔丝挤出机构指用于将打印耗材熔融并挤出的机构，通常包括加热块、喷嘴等，对于近端送丝方式的打印机，熔丝挤出机构中还包含有进料装置。

现有技术中，有很多成熟的技术方案可实现将熔丝挤出机构可滑动地固定于固定支架上，考虑到实现精度与加工难度等因素，本发明优选采用直线导轨与滑块配合或者光轴与直线轴承配合实现熔丝挤出机构可滑动地安装于固定支架上。

本发明与现有技术的打印头切换方案最大的区别在于，所述切换机构的动作端为弹性结构，当外力超过阈值后会发生弹性溃缩，从而避免喷嘴与打印平台刚性碰撞造成打印机中结构件受到损伤。为了很好的起到保护作用，当最大溃缩距离较小时，就需要将硬件限位或机械限位设置得更为精确，以确保在达到最大溃缩距离前，Z轴运动机构先触碰到硬件限位或机械限位，这就增加了装配调试的难度。因此动作端的最大弹性溃缩距离不应设置得过小，本发明中优选所述弹性溃缩的最大距离不小于2mm。

切换机构动作端的弹性溃缩结构可以采用本行业技术人员已知的任何技术来实现，例如在现有切换结构与熔丝挤出机构之间增加弹簧等弹性结构进行连接。但无疑这些方案均会增加切换结构的复杂度。优选的，本发明中采用气压缸作为切换机构。在行程范围内，气压缸的伸缩动作均非刚性，只要外力大于其推力时，就会发生弹性溃缩。另外，与现有技术中通过电机加丝杆等部件实现的切换机构相比，气压缸无需增加其他转换部件就可直接实现直线推拉动作，结构简单。同时，在同等推力下其重量轻、体积小，应用于打印头组件上可以使打印头组件轻量化。

为叙述方便，本文以气压缸的活塞杆推出对应熔丝挤出机构被推下的安装形式为例进行描述，所述推力和拉力分别对应于该安装形式中气压缸的推和拉的动作。此外，气压缸的安装形式也可以设计为气压缸的活塞杆推出时对应熔丝挤出机构被提起，若采用该安装形式，则气压缸对应的推/拉状态就正好与本文所述相反。

通过选择合适的气压缸缸径与气源气压，就可以实现需要的推/拉力值。以常见的双作用气压缸为例，由于有活塞杆的存在，气压缸的拉力大约是其推力的85%。每个气压缸分别对应并驱动一个熔丝挤出机构，为了能够可靠驱动熔丝挤出机构作Z轴运动，气压缸的拉力值应大于对应熔丝挤出机构的重力值；同时，为保证喷嘴与打印平台撞击时打印机不受损伤，还需保证气压缸的推力值加上对应熔丝挤出机构所受的重力值应小于打印机结构件能够承受的最大撞击力。气压缸的输出力大小需同时满足上述两个条件，并在此基础上增加一定裕量。以上表述忽略了熔丝挤出机构作Z轴运动的摩擦阻力以及气压缸自身活塞及推杆的重力。由于正常情况下这两者均较小，为推力值所留裕量足以将其抵消，因此可以不作考虑。优选的，所述气压缸的拉力值不小于对应熔丝挤出机构重量的1.5倍且推力值不超过对应熔丝挤出机构重量的10倍，并进一步优选拉力值不小于对应熔丝挤出机构重量的2倍且推力值不超过对应熔丝挤出机构重量的4倍。

本发明与现有技术中其他打印头切换方案另一个明显区别在于，所述打印头组件中增加了可直接检测到喷嘴与打印平台是否接触的接触检测传感器。这种方案的优势在于：首先，其检测过程是通过打印头喷嘴与打印平台的直接接触来进行测量的，因此可以精确测定喷嘴与打印平台接触的临界位置，而不会受到喷嘴高度偏差及打印膜厚度偏差等因素的影响；其次，这种测量方案对打印平台的结构与打印膜材料没有特殊要求，适应性更广。

所述接触检测传感器可以采用的方案较多，如压力传感器、位置传感器、位移传感器等，本方案中优先采用压力传感器和位置传感器，并从成本角度考虑，进一步优选采用接触式位置传感器为。

接触式位置传感器本质上可以理解为开关结构，当传感器的两个触点接触时导通，分离后则断开。本技术方案中将传感器的两个触点分别安装于固定支架和熔丝挤出机构上，当切换机构将熔丝挤出机构推至最下端时两个触点接触并导通，提起熔丝挤出机构则两个触点断开。控制切换机构推下和抬起熔丝挤出机构，即可控制接触式位置传感器接触与分离，因此通过检测两种状态下传感器触点对应的导通情况即可判断传感器是否工作正常，从而实现了接触检测传感器自检。

综上所述，本发明所提出的打印头组件技术方案可以有效解决现有技术无法避免由于喷嘴与打印平台刚性撞击导致打印机结构件损坏的问题。通过增加接触检测传感器实现了Z轴原点的自动检测，并且通过切换结构与接触检测传感器的配合，实现了接触检测传感器自检。有效保证了打印机系统的长期可靠运行。

本发明同时提出一种用于熔丝制造型3D打印机的简化版打印头组件，包括固定支架、至少两个熔丝挤出机构以及气压缸。所述熔丝挤出机构安装于固定支架上，并可在固定支架上沿Z轴方向滑动。所述气压缸安装于固定支架上，气压缸的活塞杆与熔丝挤出机构机械连接，每个气压缸驱动一个熔丝挤出机沿Z轴方向运动。

优选的，所述熔丝挤出机构与气压缸数量均为2个，可以分别打印模型材料与支撑材料。同时，第一气压缸的上气动接口与第二气压缸的下气动接口连通；第一气压缸的下气动接口与第二气压缸的上气动接口连通，从而可以使用一个电磁阀同时控制两个气压缸动作。这种接法可以保证每一时刻仅有一个熔丝挤出机构被推下，而另一个则被提起。

优选的，所述打印头组件中还包括机械限位块，用于限制熔丝挤出机构下行行程。

简化版打印头组件中不包含接触检测传感器，需要通过手动或者其他接触检测传感器辅助进行Z轴原点判断。其采用气压缸作为切换机构，当喷嘴受撞击后同样具有弹性溃缩功能，该方案有效解决了现有技术无法避免喷嘴与打印平台刚性撞击的问题。

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为本发明实施例的前视图。

图4为本发明实施例前视图的局部放大图。

图5为本发明四喷嘴实施方案结构示意图。

图6为本发明简化版实施例的前视图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明用于熔丝制造型3D打印机的打印头组件做进一步描述，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展示了本发明打印头组件10的实施例的组装与分解结构透视图，图3为本发明实施的前视图。本实施例中包含两个熔丝挤出机构，第一熔丝挤出机构21与第二熔丝挤出机构22均通过各自的直线导轨12以及滑块13可滑动的安装在固定支架11上，分别用于打印模型耗材与支撑耗材。

第一气压缸31与第二气压缸32也安装在固定支架11上，第一气压缸31的动作端311与第一熔丝挤出机构21相连接，第二气压缸32的动作端321与第二熔丝挤出机构22相连接。在两个气压缸的作用下，两个熔丝挤出机构可沿各自的直线导轨作Z轴方向运动。

气压缸重量轻、体积小、输出推力大、控制方便，并且在受到大于自身推力的外力作用下，会发生弹性溃缩。这些特性使得其非常适合作为打印头组件中的切换机构。通过选择合适缸径的气压缸，并调整气压源的压强，即可控制其输出力的大小。通常情况下，双作用气压缸的拉力值大约是其推力值的85%。要让气压缸能够正常完成切换动作，其拉力必须要大于与其相连的熔丝挤出机构的重量，并留出一定裕量。气压缸输出力过小会导致无法正常的切换喷嘴，过大又会导致发生弹性溃缩时的外力过大，起不到保护打印机的作用。

本实施例中气压缸的缸径为10mm，活塞杆直径为4mm，两个熔丝挤出机构的重力均为5N左右。通过实验测试发现，当气压缸的拉力值控制在6N以上时，就可以可靠地完成打印头切换动作；同时在气压缸推力增至75N时打印机结构件并未出现损伤。为保证打印机长时间可靠工作，上述约束条件应加入一定裕量，以确保在极端情况下不会出现问题。因此要求所述气压缸的拉力值不小于7.5N（对应熔丝挤出机构重量的1.5倍）且推力值不超过50N（对应熔丝挤出机构重量的10倍），并且优选拉力值不小于10N且推力值不超过20N。通过压强公式P=F/S可以计算出气压源压强在0.15MPa至0.25MPa之间时，产生的推力在11.9N至20N之间，拉力在10N至16.8N之间，可同时满足优选的推力与拉力条件。

图4为本发明前视图接触检测传感器部分的局部放大图，从图中可以看出第一气压缸31的动作端311驱动第一熔丝挤出机构21处于提起状态；第二气压缸32的动作端321驱动第二熔丝挤出机构22处于推下状态。当遇到外力作用时，气压缸提起与推下的全行程均可以作为其弹性溃缩的行程。本实施例中气压缸弹性溃缩的最大距离为4mm。

本实施例中采用接触式位置传感器来作为接触检测传感器，第一接触检测传感器41的动侧触点411安装固定在第一熔丝挤出机构21上，定侧触点412安装固定在固定支架11上；同样的，第二接触检测传感器42的动侧触点421安装固定在第二熔丝挤出机构22上，定侧触点422安装固定在固定支架11上。

如图4所示，第一气压缸31将第一熔丝挤出机构21提起，使得第一接触检测传感器41的动侧触点411与定侧触点412分离，第一接触检测传感器41断开。第二气压缸32将第二熔丝挤出机构22推下，使得第二接触检测传感器42的动侧触点421与定侧触点422相接触，第二接触检测传感器42导通。

接触式位置传感器简单可靠、成本低，并且可以达到较高的检测精度，因此本实施例中采用接触式位置检测传感器。除此之外，所示结构稍作修改，也可以应用压力传感器。以第一位置检测传感器41为例，将其定侧触点412更换成压力传感器，当动侧触点411被第一气压缸31推下后，压力传感器上就会检测到动侧触点411对其的压力，当喷嘴与打印平台接触后，由于熔丝挤出机构同时受到打印平台对其向上的推力，因此压力传感器上检测到的压力就会减小，从而就可以判断出喷嘴与打印平台已发生接触。

此外，本实施例还可以通过控制气压缸将熔丝挤出机构推下与提起，判断接触检测传感器的状态是否对应为导通与断开，来确定接触检测传感器是否损坏，从而实现了接触检测传感器自检。

从以上描述可以看出，本实施例通过采用具有弹性溃缩功能的气压缸作为打印头切换机构，解决了现有技术的打印头切换机构无法避免打印平台与喷嘴发生刚性碰撞的问题；同时，在打印头组件中增加接触检测传感器，实现喷嘴与打印平台距离的直接检测；并且通过切换机构的配合，实现了接触检测传感器的自检功能。从而提高了3D打印机的可靠性与自动化程度。

按上述描述，本行业技术人员可以很容易地将熔丝挤出机构数量扩展到三个及以上，如图5所示展示了一种四喷嘴打印头组件的结构示意图。因其工作原理相同，这里不对三喷嘴及以上的打印头组件实施方案做详细阐述。

除上述实施方式外，本发明还提供一种简化版的打印头组件实施例，省去打印头组件中的接触检测传感器，如图6所示。

与完整版实施例类似的，本实施例同样通过气压缸作为打印头组件的切换机构，实现对熔丝挤出机构的切换。

第一气压缸31及第二气压缸32固定于固定支架11上，第一熔丝挤出机构21和第二熔丝挤出机构22均通过直线导轨与滑块安装于固定支架11上。第一气压缸31的动作端311与第一熔丝挤出机构21相连，第二气压缸32的动作端321与第二熔丝挤出机构22相连。两个熔丝挤出机构在各自相连气压缸的驱动下沿直线导轨作Z轴运动。

为了使两个熔丝挤出机构推下后的高度保持基本一致，固定支架上还设有第一限位块51以及第二限位块52，分别用于限制两个熔丝挤出机构的下行行程。

为了进一步简化切换动作控制，本实施例将第一气压缸31的上气动接口312与第二气压缸32的下气动接口323同时连接到两位五通电磁阀的A出气口，并将第一气压缸31的下气动接口313与第二气压缸32的上气动接口322同时连接到同一两位五通电磁阀的B出气口。这样便可以通过一个电磁阀同时控制两个气压缸，并实现打印头组件的喷嘴切换。

该实施例省去了接触检测传感器，因此不具有自动检测Z轴原点的功能。但与现有技术的切换机构相比，其采用气压缸作为切换机构的动力源，结构简单，体积小、重量轻，并具有打印头弹性溃缩功能，避免了喷嘴与打印平台撞击造成打印机结构件损伤的风险。适合Z轴原点手动校准或半自动校准的小型3D打印机。必要时也可以采用类似StrasysFortus 450MC的方案，在打印平台附近设置接触检测传感器实现全自动校准功能。

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 (7)

1.一种打印头组件，其特征在于，包括：

固定支架；

至少两个熔丝挤出机构，所述熔丝挤出机构安装于固定支架上，并可在固定支架上沿Z轴方向滑动；

切换机构，所述切换机构安装于固定支架上，切换机构的动作端与熔丝挤出机构机械连接，切换机构可驱动各熔丝挤出机构沿Z轴方向运动，并且

所述切换机构的动作端为弹性结构，可在外力作用下发生弹性溃缩；

接触检测传感器，所述接触检测传感器用于检测熔丝挤出机构中的喷嘴是否接触到打印平台，每个熔丝挤出机构对应一个接触检测传感器。

2.如权利要求1所述的打印头组件，其特征在于，熔丝挤出机构通过直线导轨与滑块或者光轴与直线轴承可滑动地安装于固定支架上。

3.如权利要求1所述的打印头组件，其特征在于，切换机构动作端弹性溃缩的最大距离不小于2mm。

4.如权利要求1所述的打印头组件，其特征在于，所述切换机构为气压缸。

5.如权利要求4所述的打印头组件，其特征在于，所述气压缸的拉力值不小于对应熔丝挤出机构重量的1.5倍且推力值不超过对应熔丝挤出机构重量的10倍。

6.如权利要求1所述的打印头组件，其特征在于，所述接触检测传感器为位置传感器或压力传感器。

7.如权利要求6所述的打印头组件，其特征在于，所述接触式位置传感器的两个触点分别安装于固定支架和熔丝挤出机构上，当切换机构将熔丝挤出机构推至最下端时，两个触点接触并导通。

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