CN111590892A - 一种三维打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维打印机，该打印机包括在水平面内移动的打印头装置以及控制单元，控制单元用于控制打印头装置移动；打印头装置包括固定座、打印头、挤出马达以及压力传感器件，压力传感器件向控制单元发送压力信息，其中，压力信息是打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值；控制单元还用于控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度。应用本发明可防止喷嘴堵塞，提高打印一致性。

Description

一种三维打印机
技术领域
本发明涉及三维打印机技术领域，尤其涉及一种三维打印机。
背景技术
三维打印机是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导三维打印机逐层打印。三维打印机在产品制造业获得了广泛的应用，三维打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材(即成型材料)和介质等组成，打印原理也基本类似。
三维(3D)快速成型，也被称为增材制造，基本原理是通过打印或铺设连续的材料层来产生三维物体，三维快速成型设备或三维打印机通过转换物体的三维计算机模型并产生一系列的截面切片来工作，然后打印每个切片，通过每个切片的重叠从而实现三维物体打印成型。
随着社会的进步与发展，3D打印技术逐渐进入社会生活的各个领域，如现在已经推出的使用ABS、PLA等材料的3D打印机，通常是采用FDM成型方式。为了让用户在3D打印过程中充分享受高精度打印的乐趣，开发者大多关注于打印材料和打印头输出的打印精度上，按照目前的打印精度，大部分是输出0.1mm至0.2mm左右的丝状材料，然后把这种丝状材料按照程序，规律布置在打印托板上，从而实现3D成型。
目前的市面上的3D打印机产品均是采用挤出马达，驱动线材在打印头内被加热块熔融，在挤出马达持续的挤出力作用下，从喷嘴出口挤出。但是，这种设置总会出现问题，例如，喷嘴出口堵塞，喷嘴出口的挤出材料出现粗细不均匀情况等，更严重情况下，喷嘴堵塞容易引起远程挤出系统的送料管从打印头系统脱落，从而影响实际3D打印。而且当打印机挤出喷嘴不能正常工作后，由于无法自行监测打印材料异常或者是喷嘴堵塞引起，3D打印机仍然继续空打运行，既浪费时间又浪费材料。因此，需要设计一种新的结构来解决上面这种现象。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可防止喷嘴堵塞，提高打印一致性的三维打印机。
本发明的另一目的是提供一种可自动调整打印头状态，防止喷嘴堵塞，提高打印一致性的三维打印机的打印方法。
为了实现上述主要目的，本发明提供的三维打印机包括在水平面内移动的打印头装置以及控制单元，控制单元用于控制打印头装置移动；打印头装置包括固定座、打印头、挤出马达以及压力传感器件，挤出马达和打印头均可拆卸的安装在固定座上，挤出马达和压力传感器件均与控制单元电连接，压力传感器件向控制单元发送压力信息，其中，压力信息是打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值；控制单元还用于控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度。
由上述方案可见，本发明的三维打印机通过设置压力传感器，可获取打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值，使得控制单元可根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度，从而防止喷嘴堵塞，喷嘴挤出的丝材在打印机上更加均匀，一致性更好。
进一步的方案中，固定座安装有安装座以及上压板，安装座可拆卸的安装在固定座上，压力传感器件安装在安装座的安装槽内，上压板盖压在压力传感器件上，打印头安装在上压板上。
由此可见，由于在打印时，喷嘴挤出的丝材会与打印机的载物板抵接，从而使得打印头会收到一个与喷嘴出丝方向相反的作用力，因此可通过该作用力判断是否需要对线材挤出速率或线材融化温度进行调节。因此，本发明中，将上压板盖压在压力传感器件上，且打印头安装在上压板，可通过获取压力传感器件受到上压板的压力大小。
进一步的方案中，安装槽的两个侧壁分别设置有台阶部，台阶部的上表面到安装座正对上压板的表面的高度与压力传感器件的厚度相同；压力传感器件设置有弹性部以及固定部，弹性部与固定部一体成型，固定部安装在台阶部上，弹性部悬空设置；上压板压盖在弹性部上。
由此可见，设置台阶部，避免压力传感器件的厚度大于台阶部的上表面到安装座正对上压板的表面的高度，从而使上压板或其他组件触压到压力传感器件造成测量误差。另外，上压板仅压盖在压力传感器件的弹性部，可将力度集中在弹性部，提高测量精度。
进一步的方案中，压力传感器件的数量为两个，两个压力传感器件通过桥式电路连接。
由此可见，设置两个压力传感器件，并通过桥式电路进行连接，可提高压力传感器件的测量精度。
进一步的方案中，打印头包括线材喉管和喷嘴，线材喉管与喷嘴均可拆卸的安装在加热块上，线材喉管与喷嘴共同形成线材孔；压力传感器件安装在线材喉管外周壁上。
由此可见，由于在打印时，线材由于受挤出马达的作用力向喷嘴的方向移动，会对线材喉管产生里的作用，通过在线材喉管外周壁安装压力传感器件，可测量线材在线材喉管运动时对线材喉管造成的压力，从而可判断是否线材的挤出状态。
进一步的方案中，压力传感器件是薄膜型耐高温压力传感器件。
由此可知，由于压力传感器件需工作在高温环境，且为了提高检测精度需要沿着线材喉管的外周壁进行设置，因此，采用薄膜型耐高温压力传感器件，便于满足要求。
进一步的方案中，打印头包括线材喉管和喷嘴，线材喉管与喷嘴均可拆卸的安装在加热块上，线材喉管与喷嘴共同形成线材孔；喷嘴设置有传感器件孔，传感器件孔与线材孔相通，压力传感器件插装在传感器件孔内。
由此可见，为了可以更加精准的测量压力，将压力传感器件设置在喷嘴，可检测线材处于熔融状态时的压力，可更精准的检测压力，简化判断步骤。
为了实现上述另一目的，本发明提供的三维打印机的打印方法应用上述的三维打印机，该方法包括：在打印状态时，控制单元获取压力传感器件所获取的压力信息；控制单元根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度。
由上述方案可见，本发明三维打印机的打印方法通过获取打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值，使得控制单元可根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度，从而防止喷嘴堵塞，喷嘴挤出的丝材在打印机上更加均匀，一致性更好。
进一步的方案中，控制单元根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度的步骤包括：若当前压力值处于第一预设范围时，控制单元根据当前压力值对应的调节阈值对线材挤出速率和/或控制线材融化温度进行调节。
由此可见，在判断当前压力值处于第一预设范围时，则认为需要对线材挤出速率和/或控制线材融化温度进行调节，因此，根据当前压力值所对应的调节阈值进行调节，使得喷嘴挤出的丝材更加均匀，同时避免堵塞。
进一步的方案中，控制单元根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度的步骤包括：若当前压力值处于第二预设范围时，控制单元发出打印头堵头报警指令。
由此可见，若当前压力值处于第二预设范围时，则认为打印头出现堵头状况，需进行报警处理，以便用户及时修理，防止损坏打印机。
附图说明
图1是本发明三维打印机实施例的结构图。
图2是本发明三维打印机实施例中打印头装置的结构图。
图3是本发明三维打印机实施例中压力传感器件安装在安装座的结构图。
图4是本发明三维打印机实施例中压力传感器件安装在安装座的结构分解图。
图5是本发明三维打印机实施例中上压板的结构图。
图6是本发明三维打印机实施例中压力传感器件安装在线材喉管的结构分解图。
图7是本发明三维打印机实施例中压力传感器件安装在线材喉管的结构剖视图。
图8是本发明三维打印机实施例中压力传感器件安装在喷嘴的结构剖视图。
图9是本发明三维打印机实施例中可安装压力传感器件的喷嘴的结构剖视图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明的三维打印机包括均安装在三维打印机的框体1内的打印头装置2和三维打印平台30。其中，打印头装置2可在水平面内移动，三维打印平台30可沿垂向移动。三维打印机还包括控制单元(未示出)，控制单元用于控制打印头装置2和三维打印平台3移动。
参见图2，打印头装置2包括固定座3、打印头4、挤出马达5以及压力传感器件(图2中未示出)，打印头4和挤出马达5均可拆卸的安装在固定座3上，挤出马达5和压力传感器件均与控制单元电连接，压力传感器件向控制单元发送压力信息，其中，压力信息是打印线材在打印状态下穿过打印头4的线材孔41(见图3)时压力传感器件获取到的压力值。挤出马达5用于带动打印线材由上往下去地输送。控制单元还用于控制挤出马达5的线材挤出速率和/或控制打印头4中加热块的线材融化温度。
本发明的压力传感器件可根据需要进行设置，下面对压力传感器件的三种设置方式分别进行描述。
一个实施例中，参见图3和图4，固定座3安装有安装座5以及上压板6，安装座5可拆卸的安装在固定座3上，压力传感器件7安装在安装座5的安装槽51内，上压板6盖压在压力传感器件7上，打印头4安装在上压板6上。安装槽51的两个侧壁分别设置有台阶部511，台阶部511的上表面到安装座5正对上压板6的表面53的高度与压力传感器件7的厚度相同。压力传感器件7设置有弹性部72以及固定部71，弹性部72与固定部71一体成型，固定部71安装在台阶部511上，弹性部72悬空设置，上压板6压盖在弹性部72上。本实施例中，压力传感器件7的数量为两个，安装座5对应设置两个安装槽51，两个安装槽51分别设置在安装座5的两端，两个压力传感器件7通过桥式电路连接，压力传感器通过桥式电路连接为公知技术，在此不再赘述。
参见图5，上压板6的中部区域设置有安装孔61和固定螺孔62，安装孔61和固定螺孔62垂直且相通设置，打印头4可插入安装孔61，固定螺孔62可装入螺钉(未示出)，通过螺钉固定打印头4。上压板6还设置有两个穿孔63，上压板6通过两个穿孔63与挤出马达5可拆卸连接。上压板6还设置有凸块64，凸块64与压力传感器件7的弹性部72对应设置，本实施例中，凸块64设置有4个，凸块64压盖在弹性部72上。安装座5与安装孔61相对的位置设置有容纳孔52，打印头4穿过容纳孔52与上压板6连接，容纳孔52比安装孔61大，便于调整上压板6与压力传感器件7的位置。
本实施例中，打印机处于待机状态或为打印状态时，控制单元获取压力传感器件7所受到的压力，将对应的压力值作为初始压力值。打印机处于打印状态时，控制单元实时获取打印线材穿过打印头的线材孔时压力传感器件7所获取到的压力值。由于打印线材的融化程度和挤出速率会影响打印头4对压力传感器件7产生的压力，例如，打印线材的融化程度较高时，压力传感器件7获取到的压力较小，打印线材的融化程度较低时，压力传感器件7获取到的压力较大；打印线材的挤出速率较快时，压力传感器件7获取到的压力较大，打印线材的挤出速率较慢时，压力传感器件7获取到的压力较小。因此，可通过压力变化的幅度计算出打印头4所受到的压力大小。
另一个实施例中，参见图6和图7，打印头4包括线材喉管42、加热块43和喷嘴44，线材喉管42与喷嘴44均可拆卸的安装在加热块43上，线材喉管42与喷嘴44共同形成线材孔41。压力传感器件8安装在线材喉管42外周壁上。其中，线材喉管42由公知的耐高温可形变材料制成。压力传感器件8是薄膜型耐高温压力传感器件，如SI4－G柔性薄膜压力传感器，压力传感器件8粘接在线材喉管42外周壁上并处于靠近加热块43一侧的位置，薄膜型耐高温压力传感器件的对应电路可采用传感器件对应的公知电路，在此不再赘述。压力传感器件8可获取线材喉管42形变时的压力值，从而判断线材喉管42所受到压力的大小。打印状态下，打印线材通过线材孔挤出时，由于打印线材的融化程度或挤出速率会向线材喉管42施加不同的压力，使得线材喉管42向外扩张的幅度也不同，因此使得安装在线材喉管42外周壁上的压力传感器件8可获得对应的压力值。因此可通过测量线材喉管42受到的压力判断是否出现堵塞的状况或者监控打印线材的出丝状态，例如，是否熔融程度较低，是否挤出速率过快等。
又一个实施例中，参见图8和图9，打印头4包括线材喉管420、加热块430和喷嘴440，线材喉管420与喷嘴440均可拆卸的安装在加热块430上，线材喉管420与喷嘴440共同形成线材孔410。喷嘴440设置有传感器件孔442，传感器件孔442与线材孔410相通，压力传感器件9插装在传感器件孔442内。优选的，传感器件孔442的轴线与线材孔410的轴线相互垂直。打印线材在被挤出喷嘴440时，会对压力传感器件9产生作用力，通过对作用力的转换可获得对应判断出当前打印线材的出丝状态。
下面结合本发明三维打印机的打印方法对本发明进行更详细的描述。
三维打印机在打印状态时，控制单元获取压力传感器件所获取的压力信息。当压力传感器件感知到外界压力时，压力传感器件电导率发生变化，外界压力越大传感器电导率就越高，即压力传感器件零负载时为高阻值显示，当压力传感器件感知外界压力后，阻值会相应变化，力度越大阻值越小。采用简单的电路即可将这种电导率的变化转化为与外界压力相匹配的输出电信号。因此，可通过电信号可以获得打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值。
控制单元根据压力信息控制挤出马达5的线材挤出速率和/或控制打印头4中加热块的线材融化温度。在获得压力信息时，可根据压力信息对应的预设信息判断出当前打印线材的出丝状态，进而作出控制挤出马达5的线材挤出速率和/或控制打印头4中加热块的线材融化温度的指令。
控制单元根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度时，若当前压力值处于正常范围值时，则无需进行线材挤出速率或线材融化温度的调节；若当前压力值处于第一预设范围时，控制单元根据当前压力值对应的调节阈值对线材挤出速率和/或控制线材融化温度进行调节；若当前压力值处于第二预设范围时，控制单元发出打印头堵头报警指令，使用户获知以便及时处理故障。其中，第一预设范围和第二预设范围可根据实验获得。
由上述可知，本发明的三维打印机通过设置压力传感器，可获取打印线材在打印状态下穿过打印头的线材孔时压力传感器件获取到的压力值，使得控制单元可根据压力信息控制挤出马达的线材挤出速率和/或控制打印头中加热块的线材融化温度，从而防止喷嘴堵塞，喷嘴挤出的丝材在打印机上更加均匀，一致性更好。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维打印机，包括打印头装置以及控制单元，所述控制单元用于控制所述打印头装置移动；
其特征在于：
所述打印头装置包括固定座、打印头、挤出马达以及压力传感器件，所述挤出马达和所述打印头均可拆卸的安装在所述固定座上，所述挤出马达和所述压力传感器件均与所述控制单元电连接，所述压力传感器件向所述控制单元发送压力信息，其中，所述压力信息是打印线材在所述打印状态下穿过所述打印头的线材孔时所述压力传感器件获取到的压力值；
所述控制单元还用于控制所述挤出马达的线材挤出速率和/或控制所述打印头中加热块的线材融化温度；
所述固定座安装有安装座以及上压板，所述安装座可拆卸的安装在所述固定座上，所述压力传感器件安装在所述安装座的安装槽内，所述上压板盖压在所述压力传感器件上，所述上压板的中部区域设置有安装孔和固定螺孔，所述安装和所述固定螺孔垂直且相通设置，所述打印头插入所述安装孔，所述固定螺孔安装有螺钉，所述螺钉固定所述打印头。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，
所述安装槽的两个侧壁分别设置有台阶部，所述台阶部的上表面到所述安装座正对上压板的表面的高度与所述压力传感器件的厚度相同；
所述压力传感器件设置有弹性部以及固定部，所述弹性部与所述固定部一体成型，所述固定部安装在所述台阶部上，所述弹性部悬空设置；
所述上压板压盖在所述弹性部上。
3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于，
所述上压板还设置有凸块，所述凸块与所述压力传感器件的所述弹性部对应设置，所述凸块压盖在所述弹性部上。
4.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，
所述安装座与所述安装孔相对的位置设置有容纳孔，所述打印头穿过所述容纳孔与所述上压板连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印机，其特征在于，
所述压力传感器件的数量为两个，两个所述压力传感器件通过桥式电路连接。
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