CN110920054A - 一种自动换丝的3d打印机 - Google Patents
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Abstract
一种自动换丝的3D打印机，包括打印机框架、挤出机、六合一自动切丝打印头、打印头驱动系统、控制模块和供电模块，所述挤出机设置在打印机框架顶部上，所述六合一自动切丝打印头设置在打印机效应器上，所述打印机效应器可上下滑动的安装在打印机框架上，用于放置打印产品的热床设置在六合一自动切丝打印头的下方；六个挤出机分别将各自的打印丝送至六合一自动切丝打印头的相应位置处，当需要换丝时，上移六合一自动切丝打印头，微型直流减速电机驱动剪切轴将上一个打印丝切断。本发明提供了一种自动换丝的3D打印机，能够高效快速的完成打印丝的快速无残留更换，并且能够实现单头多色多材料打印，大大提高了自动换丝的效率和适应性。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种自动换丝的3D打印机。
背景技术
3D打印又被称为增材制造技术，是一种快速成型技术，利用数字建模软件，通过打印喷嘴将原材料逐层堆积成型，从而实现三维蓝图文件到实物的转变。与原来的2D印刷技术类似，只是打印材料有所区别，普通的打印机使用的是墨水和纸张，而3D打印机使用的原材料是塑料、金属、陶瓷、木屑、砂砾等粉末状可粘合性材料。3D打印具有相当可观的想象空间，可应用领域十分广泛，像传统制造业，以及汽车、消费电子、医疗器械、建筑工程等。这些领域都可以通过与3D打印结合，从而获得更好的发展。据前瞻产业研究院《中国3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告》预计到2020年，全球3D打印市场规模将达354亿美元。
与传统的制造技术相比，3D打印技术拥有制造快速，精度高，成本低的优势，大大缩短了加工时效，降低了人力成本，提高了在异型产品制造业的竞争力。而现有的3D打印机，一般仅能实现单色单打，市场上的多色打印一般都是多头多色和单头混色，前者一般支持两种打印丝，后者容易造成在换丝后与其他材料的混合，造成色彩不纯和材料与材料的分界面不清等问题。
发明内容
为了克服现有3D打印机存在换丝需人工干预、混色打印材料易混合的缺陷，本发明提供了一种自动换丝的3D打印机，能够高效快速的完成打印丝的快速无残留更换，并且能够实现单头多色多材料打印，大大提高了自动换丝的效率和适应性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自动换丝的3D打印机，包括打印机框架以及安装在打印机框架上的挤出机、六合一自动切丝打印头、打印头驱动系统、控制模块和供电模块，所述挤出机设置在打印机框架顶部上，所述六合一自动切丝打印头设置在打印机效应器上，所述打印机效应器可上下滑动的安装在打印机框架上，用于放置打印产品的热床设置在六合一自动切丝打印头的下方；所述挤出机、六合一自动切丝打印头、打印头驱动系统均与控制模块连接；
所述打印机框架包括三根互呈120度的竖直杆件，所述打印头驱动系统包括三个打印头驱动单元，三个打印头驱动单元分别设置在三根竖直杆件上，所述打印机效应器包括安装平台和三个连杆组，三个连杆组互呈120度布置在安装平台一周，并分别与三个打印头驱动单元连接，六合一自动切丝打印头的几何中轴线始终和打印机平面垂直；
所述六合一自动切丝打印头包括一个六转一接头、六个快速气动接头、一个剪切连接块、一个微型直流减速电机、一个剪切轴和一个加热头，所述六转一接头上部与六个快速气动接头通过螺纹连接，所述剪切连接块通过轴孔与所述六转一接头紧配相连，所述剪切轴通过轴孔与所述剪切连接块滑配相连，所述微型直流减速电机通过直流减速电机支架安装在剪切连接块上，并通过联轴器与所述剪切轴相连，所述加热头与所述六转一接头下部通过螺纹连接；所述挤出机设置六个，其出丝端分别通过一根进料管与六个快速气动接头连接，其进丝端分别连接一种颜色的打印丝盘；
六个挤出机分别将各自的打印丝送至六合一自动切丝打印头的相应位置处，通过控制模块控制三个打印头驱动单元驱动六合一自动切丝打印头上下移动，当需要换丝时，上移六合一自动切丝打印头，微型直流减速电机驱动剪切轴将上一个打印丝切断，完成切断后，剪切轴复位，上一个打印丝通过相应的挤出机回抽，然后通过控制模块控制下一个挤出机将需要的打印丝送至加热头，最后六合一自动切丝打印头下移至换丝之前的位置高度。
进一步，所述六转一接头内设有进丝通道，其下部侧壁设有剪切孔，所述剪切孔与进丝通道交汇处连通，所述剪切连接块上设有轴孔和侧壁安装孔，所述六转一接头的下部穿过剪切连接块的轴孔并与加热头螺纹连接，加热头设有中轴孔，该中轴孔与六转一接头的进丝通道交汇处连通，剪切连接块上的侧壁安装孔与剪切孔正对布置，剪切轴同时穿过侧壁安装孔和剪切孔，并伸入六转一接头的进丝通道交汇处。
再进一步，每个打印头驱动单元包括一个闭环步进电机、一条线性滑轨、一个滑块、一条同步带、一个同步轮和一个涨紧同步轮，所述闭环步进电机通过直型步进电机支架安装在相应的竖直杆件上，所述闭环步进电机与该竖直杆件支撑面呈直角布置，所述同步轮通过紧配与闭环步进电机的输出轴相连，所述涨紧同步轮通过轴承可转动的安装在三角压板上，该三角压板设置在竖直杆件的上部，所述涨紧同步轮与同步轮通过同步带连接，所述线性滑轨安装在相应的竖直杆件内侧上，所述同步带通过皮带压板与鱼眼轴承板连接，所述鱼眼轴承板通过内六角螺柱与滑块相连，所述滑块与线性滑轨形成上下滑动副，该滑块与相应一侧的连杆组连接。
再进一步，所述控制模块包括单片机、直流电机驱动器和步进电机驱动器，所述单片机分别与直流电机驱动器和步进电机驱动器连接，所述直流电机驱动器与所述微型直流减速电机连接，所述步进电机驱动器与所述闭环步进电机连接。
更进一步，所述供电模块包括24V开关电源、5V稳压模块和第二稳压模块，所述5V稳压模块与所述单片机电连接，所述第二稳压模块为直流电机驱动器和步进电机驱动器供电，所述24V开关电源为步进电机驱动器、加热头和热床供电。
本发明的有益效果主要表现在：能够高效快速的完成打印丝的快速无残留更换，并且能够实现单头多色多材料打印，并且有有线、无线、SD卡三种数据导入方式，大大提高了自动换丝的效率和适应性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是六合一自动切丝打印头的爆炸图。
图3是六合一自动切丝打印头的结构示意图。
图4是打印头驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种自动换丝的3D打印机，包括打印机框架以及安装在打印机框架上的打印头驱动系统2、六个挤出机1、六合一自动切丝打印头4、控制模块和供电模块，所述打印头驱动系统2安装在打印机框架3上，六个挤出机1设置在打印机框架3顶部，所述六合一自动切丝打印头4设置在打印机效应器上，所述打印机效应器可上下滑动的安装在打印机框架上，用于放置打印产品的热床设置在六合一自动切丝打印头的下方，所述供电模块设置在打印机框架3侧面上，所述控制模块设置在打印机框架3上部；
所述六合一自动切丝打印头包括一个加热头32、一个六转一接头30、六个快速气动接头29、一个剪切连接块31、一个微型直流减速电机26、一个直流减速电机支架27、一个剪切轴28、八个内六角螺柱和一个联轴器33，所述六转一接头30上部与六个快速气动接头29通过螺纹连接，所述剪切连接块31通过轴孔与所述六转一接头30紧配相连，所述剪切轴28通过轴孔与所述剪切连接块31滑配相连，所述微型直流减速电机26通过联轴器33与所述剪切轴28相连，所述微型直流减速电机26与所述直流减速电机支架27和所述剪切连接块31通过八个内六角螺柱连接，所述加热头32与所述六转一接头30下部通过螺纹连接。所述六转一接头30内设有进丝通道，其下部侧壁设有剪切孔，所述剪切孔与进丝通道交汇处连通，所述剪切连接块31上设有轴孔和侧壁安装孔，所述六转一接头30的下部穿过剪切连接块31的轴孔并与加热头32螺纹连接，加热头32设有中轴孔，该中轴孔与六转一接头30的进丝通道交汇处连通，剪切连接块31上的侧壁安装孔与剪切孔正对布置，剪切轴28同时穿过侧壁安装孔和剪切孔，并伸入六转一接头30的进丝通道交汇处。
所述打印机框架包括三根互呈120度的竖直杆件，所述打印头驱动系统包括三个打印头驱动单元，三个打印头驱动单元分别设置在三根竖直杆件上，所述打印机效应器包括连接，安装平台和三个连杆组，三个连杆组互呈120度布置在安装平台一周，并分别与三个打印头驱动单元连接，三个连杆组为六根等长的鱼眼杆，可使效应器安装平台和打印机平面始终处于平行状态，六合一自动切丝打印头4通过螺纹紧固件固定在效应器上，使得六合一自动切丝打印头4的几何中轴线始终和打印机平面垂直。
进一步，打印头驱动系统包括三个闭环步进电机21、三条线性滑轨23、三条同步带19、三个16齿同步轮25、三个16齿涨紧同步轮18、三个鱼眼轴承板20、六个轴承、三个皮带压板、三个内六角螺柱和三个直型步进电机支架24，每个闭环步进电机21通过四个内六角螺柱与一个直型步进电机支架24，所述直型步进电机支架24通过三个内六角螺柱与打印机框架3的竖直杆件相连，使闭环步进电机21与打印机框架3支撑面呈直角固定，所述线性滑轨23通过内六角螺柱与打印机框架3的竖直杆件内侧相连，所述同步带19通过皮带压板与鱼眼轴承板20连接，所述鱼眼轴承板20通过内六角螺柱与线性滑轨中的滑块22相连，所述同步轮25通过紧配与闭环步进电机21的输出轴相连，所述涨紧同步轮18通过两个轴承与一个内六角螺柱同打印机框架3上部的三角压板34相连。
再进一步，所述控制模块包括单片机35、直流电机驱动器36和步进电机驱动器5，单片机35的型号为stm32f103，所述单片机35分别与直流电机驱动器36和步进电机驱动器5连接，所述直流电机驱动器36与所述微型直流减速电机26连接，所述步进电机驱动器5与所述闭环步进电机21连接。
更进一步，所述供电模块包括24V开关电源37、5V稳压模块和第二稳压模块，第二稳压模块为LTC3780稳压模块，LTC3780为型号，所述5V稳压模块与所述单片机35电连接，所述LTC3780稳压模块为直流电机驱动器36和步进电机驱动器5供电，所述24V开关电源37为步进电机驱动器5、加热头32和热床38供电。单片机35通过直流电机驱动器36、步进电机驱动器5、加热头32和热床38控制整个3D打印机。
如图1所示，三组闭环步进电机21与3D打印机框架3的支撑面形成直角连接，与线性滑轨23、同步带19、16齿同步轮25、16齿涨紧同步轮18、鱼眼轴承板20、轴承、皮带压板、内六角螺柱和直型步进电机支架24构成打印头驱动系统2，提供稳定精确的运动。打印中由控制模块发出指令控制闭环步进电机21使六合一自动切丝打印头4达到相应空间位置，由挤出机1提供稳定的打印丝供应，控制模块发出指令控制六合一自动切丝打印头4和挤出1机完成自动切丝换丝。
如图2所示，六转一接头30通过螺纹与剪切连接块31和加热头32连接，微型直流减速电机26通过直流减速电机支架27与剪切连接块31连接，微型直流减速电机26输出轴通过联轴器33与剪切轴28相连，使得剪切轴28能够完成对打印丝的一次切断。
如图4所示，闭环步进电机通过直型步进电机支架与打印机框架相连，闭环步进电机21输出轴与16齿同步轮25相连与涨紧同步轮25配合带动线性滑轨上的滑块22连同鱼眼轴承板20控制六合一自动切丝打印头4的空间位置。
本发明的工作原理如下：
第一步：六合一自动切丝打印头4归位
控制模块通过控制打印机驱动系统控制六合一自动切丝打印头4归位使机器进入准备状态。
第二步：导入数据
通过有线、无线、SD卡三种方式将准备好的打印G代码文件导入机器中，机器根据文件内容调整机器状态。
第三步：打印文件
机器调整结束后，根据文件中的路径开始打印，并完成自动切丝换丝。
第四步：打印结束
打印结束后六合一自动切丝打印头4归位，所有加热端停止加热，完成打印。
自动换丝工作过程：由单片机控制开始执行换丝动作，六个挤出机1位于打印框架的顶部由M4螺纹紧固件固定，每一个挤出机1负责一种颜色打印丝的送进和回抽，并且每一个挤出机1都有独立的进料管和打印丝盘，进料管一端和挤出机1相连，其另一端与六合一转接头30上的快速气动接头29相连，使用时，将首要打印的颜色的打印丝由对应的挤出机1通过挤出轮的转动从打印丝盘中抽出并送入进料管中，并一直使挤出轮转动直到将打印丝尖端送进六合一自动切丝打印头4的加热头处，其余的五个挤出机1将各自负责的颜色的打印丝通过各自的进料管将打印丝尖端送至六合一转接头30内部的进丝通道交汇处，等待单片机的控制，换丝时，所述六合一自动切丝打印头4由三条同步带19带动向上移动20mm，所述微型直流减速电机26的输出轴通过联轴器33带动剪切轴28旋转90度完成对上一个打印丝的切断，完成切断后，所述微型直流减速电机26反向旋转90度使所述剪切轴28归位，由上一个对应打印丝颜色的挤出机1的挤出轮反转将剪切轴28切断的打印丝回抽至进丝通道交汇处，由单片机控制将下一个要用颜色对应的挤出机1的挤出轮正转将打印丝送进六合一自动切丝打印头4的加热头，所述六合一自动切丝打印头4由三条同步带19带动向下移动20mm，使六合一自动切丝打印头4回归到换丝之前的位置高度，完成一次换丝动作。
由此，本发明能够高效快速的完成打印丝的快速无残留更换，并且能够实现单头多色多材料打印，并且有有线、无线、SD卡三种数据导入方式，大大提高了自动换丝的效率和适应性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种自动换丝的3D打印机，其特征在于：包括打印机框架以及安装在打印机框架上的挤出机、六合一自动切丝打印头、打印头驱动系统、控制模块和供电模块，所述挤出机设置在打印机框架顶部上，所述六合一自动切丝打印头设置在打印机效应器上，所述打印机效应器可上下滑动的安装在打印机框架上，用于放置打印产品的热床设置在六合一自动切丝打印头的下方；所述挤出机、六合一自动切丝打印头、打印头驱动系统均与控制模块连接；
所述打印机框架包括三根互呈120度的竖直杆件，所述打印头驱动系统包括三个打印头驱动单元，三个打印头驱动单元分别设置在三根竖直杆件上，所述打印机效应器包括安装平台和三个连杆组，三个连杆组互呈120度布置在安装平台一周，并分别与三个打印头驱动单元连接，六合一自动切丝打印头的几何中轴线始终和打印机平面垂直；
所述六合一自动切丝打印头包括一个六转一接头、六个快速气动接头、一个剪切连接块、一个微型直流减速电机、一个剪切轴和一个加热头，所述六转一接头上部与六个快速气动接头通过螺纹连接，所述剪切连接块通过轴孔与所述六转一接头紧配相连，所述剪切轴通过轴孔与所述剪切连接块滑配相连，所述微型直流减速电机通过直流减速电机支架安装在剪切连接块上，并通过联轴器与所述剪切轴相连，所述加热头与所述六转一接头下部通过螺纹连接；所述挤出机设置六个，其出丝端分别通过一根进料管与六个快速气动接头连接，其进丝端分别连接一种颜色的打印丝盘；
六个挤出机分别将各自的打印丝送至六合一自动切丝打印头的相应位置处，通过控制模块控制三个打印头驱动单元驱动六合一自动切丝打印头上下移动，当需要换丝时，上移六合一自动切丝打印头，微型直流减速电机驱动剪切轴将上一个打印丝切断，完成切断后，剪切轴复位，上一个打印丝通过相应的挤出机回抽，然后通过控制模块控制下一个挤出机将需要的打印丝送至加热头，最后六合一自动切丝打印头下移至换丝之前的位置高度。
2.如权利要求1所述的一种自动换丝的3D打印机，其特征在于：所述六转一接头内设有进丝通道，其下部侧壁设有剪切孔，所述剪切孔与进丝通道交汇处连通，所述剪切连接块上设有轴孔和侧壁安装孔，所述六转一接头的下部穿过剪切连接块的轴孔并与加热头螺纹连接，加热头设有中轴孔，该中轴孔与六转一接头的进丝通道交汇处连通，剪切连接块上的侧壁安装孔与剪切孔正对布置，剪切轴同时穿过侧壁安装孔和剪切孔，并伸入六转一接头的进丝通道交汇处。
3.如权利要求1或2所述的一种自动换丝的3D打印机，其特征在于：每个打印头驱动单元包括一个闭环步进电机、一条线性滑轨、一个滑块、一条同步带、一个同步轮和一个涨紧同步轮，所述闭环步进电机通过直型步进电机支架安装在相应的竖直杆件上，所述闭环步进电机与该竖直杆件支撑面呈直角布置，所述同步轮通过紧配与闭环步进电机的输出轴相连，所述涨紧同步轮通过轴承可转动的安装在三角压板上，该三角压板设置在竖直杆件的上部，所述涨紧同步轮与同步轮通过同步带连接，所述线性滑轨安装在相应的竖直杆件内侧上，所述同步带通过皮带压板与鱼眼轴承板连接，所述鱼眼轴承板通过内六角螺柱与滑块相连，所述滑块与线性滑轨形成上下滑动副，该滑块与相应一侧的连杆组连接。
4.如权利要求1或2所述的一种自动换丝的3D打印机，其特征在于：所述控制模块包括单片机、直流电机驱动器和步进电机驱动器，所述单片机分别与直流电机驱动器和步进电机驱动器连接，所述直流电机驱动器与所述微型直流减速电机连接，所述步进电机驱动器与所述闭环步进电机连接。
5.如权利要求1或2所述的一种自动换丝的3D打印机，其特征在于：所述供电模块包括24V开关电源、5V稳压模块和第二稳压模块，所述5V稳压模块与所述单片机电连接，所述第二稳压模块为直流电机驱动器和步进电机驱动器供电，所述24V开关电源为步进电机驱动器、加热头和热床供电。
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