CN112339271A - 一种3d打印气动控制挤出组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印气动控制挤出组件，包括3D打印机主板、信号处理主板、加压气体模块、减压阀、气动电磁阀和挤出头；3D打印机主板发出间断的步进电机脉冲信号，信号处理主板将所述间断的步进电机脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号；加压气体模块提供第一加压气体，减压阀将第一加压气体转换成第二加压气体；气动电磁阀根据连续的挤出运动控制信号控制所述第二加压气体的开通或关断；挤出头根据所述第二加压气体的气压控制3D打印材料的挤出速度。本发明由步进电机控制转换到气动电磁阀控制，实现高精度、快速响应的气动控制挤出打印。

Description

一种3D打印气动控制挤出组件
技术领域
本发明涉及3D打印控制技术领域，特别是涉及一种3D打印气动控制挤出组件。
背景技术
3D打印为快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料线体等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率。
但目前市面上的桌面级和工业级3D打印机多以打印塑料线材为主，其主要原因是挤出机仅能适应单一的线性耗材，如PLA、TPU和ABS等。
对于3D凝胶打印和浆料打印，由于桌面级和工业级3D打印机控制系统的局限性，以上设备只能使用螺杆挤出方式。在专利CN110744814A和专利CN111216357A中虽然提出了气动与步进电机螺杆联动的控制方式，但是无法克服螺杆挤出方式和活塞挤出方式响应速度慢等缺陷，在频繁的暂停与挤出切换时往往无法响应，因此在3D打印领域中的应用十分有限。与之相比，气动控制更为简单迅捷，然而如专利CN111267337A所示，气动控制系统复杂而且需要独特的控制系统，因此，常见的可打印凝胶和浆料的气动控制3D打印机造价昂贵，并且打印功能单一，无法与传统线材3D打印机兼容，需要独有的设计编程软件完成打印。由此可见，在桌面级线材3D打印机上实现气动控制的凝胶和浆料打印既可以大幅拓宽其可打印材料的范围，又可大大节省单独购买气动控制3D打印机的开支。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印气动控制挤出组件，以实现由步进电机控制转换到气动电磁阀控制，拓宽打印材料的范围以及降低3D打印成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种3D打印气动控制挤出组件，挤出组件包括：
3D打印机主板，用于发出间断的步进电机脉冲控制信号；
信号处理主板，与所述3D打印机主板连接，用于将所述间断的步进电机脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号；
加压气体模块，用于提供第一加压气体；
减压阀，与所述加压气体模块连接，用于将第一加压气体转换成第二加压气体；
气动电磁阀，分别与所述信号处理主板和所述减压阀连接，用于根据连续的挤出运动控制信号控制所述第二加压气体的开通或关断；
挤出头，与所述气动电磁阀连接，用于根据所述第二加压气体的气压控制3D打印材料的挤出速度。
可选地，所述加压气体模块为压力气泵；
所述压力气泵与所述减压阀连接，用于将大气内的空气进行压缩，获得所述第一加压气体，并发送至所述减压阀。
可选地，所述加压气体模块为气瓶；
所述气瓶与所述减压阀连接，用于存储所述第一加压气体，并发送至所述减压阀。
可选地，所述信号处理主板、所述气动电磁阀和所述减压阀均压缩集成在一块控制板或控制盒内。
可选地，所述挤出组件还包括：
温度传感器，与所述3D打印机主板连接，用于检测所述挤出头的温度并发送至所述3D打印机主板进行显示。
可选地，所述挤出组件还包括：
加热器，用于加热所述挤出头；
所述3D打印机主板与所述加热器连接，所述3D打印机主板判断所述挤出头的温度是否大于或等于设定温度；如果所述挤出头的温度小于设定温度，则所述3D打印机主板控制所述加热器进行加热；如果所述挤出头的温度大于或等于设定温度，则控制所述加热器停止加热。
可选地，所述挤出组件还包括：
降压模块，分别与所述3D打印机主板和所述信号处理主板连接，用于将所述3D打印机主板的12V电压降为5V电压，给所述信号处理主板提供电源。
可选地，所述3D打印气动控制挤出组件还包括：
气压表，分别与所述减压阀和所述气动电磁阀连接，用于显示所述第二加压气体的压力。
可选地，所述加压气体模块与所述减压阀通过气体管路连接；所述减压阀与所述气动电磁阀通过气体管路连接；所述气动电磁阀与所述挤出头通过气体管路连接。
可选地，所述3D打印机主板与所述信号处理主板通过步进电机信号线连接；所述信号处理主板与所述气动电磁阀通过信号线连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种3D打印气动控制挤出组件，该挤出组件的工作过程包括信号处理主板识别控制挤出的步进电机的脉冲信号，将间断的脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号，并向气动电磁阀发送打开的信号，气动电磁阀的开和关将控制通往挤出头的气压的高与低，实现由步进电机控制到气动电磁阀控制的挤出控制方式转换。该挤出组件将普通家用及工业级打印机的可打印材料扩展到生物凝胶、陶瓷黏土、溶液软体等必须由气动控制实现的液态材料，实现拓宽打印材料的范围。本发明可直接兼容市面上绝大多数桌面级3D打印机主板，大大节省单独购买气动控制3D打印机的开支，降低3D打印成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种3D打印气动控制挤出组件的结构框图；
图2是实例1提供的一种3D打印气动控制挤出组件的连接图；
图3是实例2提供的一种3D打印气动控制挤出组件的连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种3D打印气动控制挤出组件，以实现由步进电机控制转换到气动电磁阀控制，拓宽打印材料的范围以及降低3D打印成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明是将普通家用及工业级打印机的可打印材料扩展到生物凝胶、陶瓷黏土、溶液软体等必须由气动控制实现的液态材料，可实现高精度、快速响应的气动控制挤出打印。
图1是本发明提供的一种3D打印气动控制挤出组件的结构框图，如图1所示，本发明实施例提供的气动控制组件包括：3D打印机主板1、信号处理主板2、气动电磁阀3、挤出头4、加压气体模块5和减压阀6；所述信号处理主板2与所述3D打印机主板1连接，所述减压阀6与所述加压气体模块5连接，所述气动电磁阀3分别与所述信号处理主板2和所述减压阀6连接，所述挤出头4与所述气动电磁阀3连接。具体的，所述加压气体模块5与所述减压阀6通过气体管路连接；所述减压阀6与所述气动电磁阀3通过气体管路连接；所述气动电磁阀3与所述挤出头4通过气体管路连接；所述3D打印机主板1与所述信号处理主板2通过步进电机信号线连接；所述信号处理主板2与所述气动电磁阀3通过信号线连接。
3D打印机主板1用于发出间断的步进电机脉冲控制信号；信号处理主板2用于通过逻辑运算将所述间断的步进电机脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号；加压气体模块5用于提供第一加压气体；减压阀6用于将第一加压气体转换成第二加压气体；气动电磁阀3用于根据连续的挤出运动控制信号控制所述第二加压气体的开通或关断；挤出头4用于根据所述第二加压气体的气压控制3D打印材料的挤出速度。
信号处理主板2具体工作过程如下：信号处理主板2对控制挤出的步进电机进行特定频率的检测，当检测到步进电机有间断的脉冲控制信号时，信号处理主板2将间断的脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号，并向气动电磁阀3发送打开的信号；当控制挤出的步进电机停止运动，即脉冲控制信号消失时，信号处理主板2向气动电磁阀3发送关闭的信号。在气动电磁阀3打开期间信号处理主板2持续检测控制挤出的步进电机的状态，并持续发送打开的控制信号；在气动电磁阀3关闭期间，信号处理主板2也持续以特定频率检测控制挤出的步进电机的运动脉冲。
具体的，当所述气动电磁阀3为开时所述挤出头4表现的行为为挤出，当所述气动电磁阀3为关时所述挤出头4表现的行为暂停。由此步进电机的运动脉冲信号可转换为气动挤出的控制信号，并控制挤出头4实现精确地打印控制。
挤出头4可采用传统点胶针筒和点胶挤出针头，并根据所选择规格自由搭配针筒容量和针头型号。溶液挤出头4固定在原有挤出头4的旁边，具体固定方式根据不同桌面打印机可做细微调整。挤出头4用柔软的气体管路和气动电磁阀3连接，因此在打印过程中溶液挤出头4可跟随原有挤出头4自由活动，完成打印路径。
作为一种可选的实施方式，本发明所述加压气体模块5为压力气泵或气瓶；所述压力气泵和所述气瓶分别与所述减压阀6连接；当所述加压气体模块5为压力气泵时，所述压力气泵将大气内的空气进行压缩，获得所述第一加压气体，并向所述减压阀6提供所述第一加压气体；当所述加压气体模块5为气瓶时，所述气瓶存储所述第一加压气体，并直接向所述减压阀6提供所述第一加压气体。也就是说当压力气泵由于故障不工作时，可直接使用气瓶提供加压后的气体。
作为一种可选的实施方式，本发明所述信号处理主板2、所述气动电磁阀3和所述减压阀6均压缩集成在一块控制板或控制盒内。
作为一种可选的实施方式，本发明所述挤出组件还包括：温度传感器8和加热器9，所述温度传感器8与所述3D打印机主板1连接，所述3D打印机主板1与所述加热器9连接；所述温度传感器8用于检测所述挤出头4的温度并发送至所述3D打印机主板1进行显示。所述加热器9用于加热所述挤出头4；所述3D打印机主板1判断所述挤出头4的温度是否大于或等于设定温度；如果所述挤出头4的温度小于设定温度，则所述3D打印机主板1控制所述加热器9进行加热；如果所述挤出头4的温度大于或等于设定温度，则控制所述加热器9停止加热。
作为一种可选的实施方式，本发明所述挤出组件还包括：降压模块10，分别与所述3D打印机主板1和所述信号处理主板2连接，用于将所述3D打印机主板1的12V电压降为5V电压，给所述信号处理主板2提供电源。
作为一种可选的实施方式，本发明所述挤出组件还包括：气压表7，分别与所述减压阀6和所述气动电磁阀3连接，用于显示所述第二加压气体的压力。
作为一种可选的实施方式，本发明所述3D打印机主板1为以下主板中的一种：基于芯片Mega2560的Ramps 1.4、1.5、1.6；创客基地设计制造的MKS BASE、Gen-L、Gen、BASE或SBASE系列主板；Anet主板；必趣科技开发的SKR、KFB或TANGO系列主板，乐积科技开发的Lerdge-K或Lerdge-X主板，赤兔开发的F、FX、F mini、F nano、F Plus或F Plus D系列的FDM主板；以ATMEGA644P为主要芯片的Reprap MelziArdentissimo主板。
本发明的挤出组件无需单独供电单元，可直接兼容市面上绝大多数桌面级3D打印机主板1，即插即用。
图2是实例1提供的一种3D打印气动控制挤出组件的连接图。
如图2所示，3D打印机主板1、信号处理主板2、气动电磁阀3、挤出头4、加压气体模块5、减压阀6和气压表7。其中，3D打印机主板1工作电压为12V，它为信号处理主板2、气动电磁阀3和挤出头4提供电源和控制信号。信号处理主板2电压为5V，因此其电源线将选择3D打印机主板1上电压为5V的端口进行连接。信号处理主板2将控制信号传递至气动电磁阀3。加压气体模块5、减压阀6和气压表7通过气体管路连接，最终通过气动电磁阀3连接至挤出头4。气动电磁阀3的开和关将控制通往挤出头4的气压的高与低，从而控制打印材料挤出速度的快和慢。挤出头4挂靠在原有挤出头4上，挤出头4的喷嘴温度、零点位置、打印平台的温度、打印精度以及移动速度均由3D打印机主板1控制，本发明的挤出组件的加入不影响所有温度和移动精度的控制。
图3是实例2提供的一种3D打印气动控制挤出组件的连接图。
如图3所示，实例2中的装置包含了3D打印机主板1、信号处理主板2、气动电磁阀3、挤出头4、加压气体模块5、减压阀6、气压表7和降压模块10。其中，3D打印机主板1工作电压为12V，3D打印机主板1为信号处理主板2、气动电磁阀3和挤出头4提供电源和控制信号。信号处理主板2电压为5V，因此在使用3D打印机主板1上电压12V的端口时，增加降压模块10实现对信号处理主板2的保护。连接3D打印机主板1的线路数量由7根减少为5根，有助于虚线范围内的配件集成安装和设计。信号处理主板2将控制信号传递至气动电磁阀3。加压气体模块5、减压阀6和气压表7通过气体管路相连，最终通过气动电磁阀3连接至挤出头4。气动电磁阀3的开和关将控制通往挤出头4的气压的高与低，从而控制打印材料挤出速度的快和慢。同时，挤出头4的温度传感器8和加热控制仍由3D打印机主板1控制。
本发明公开了一种3D打印气动控制挤出组件，该挤出组件包含信号处理器、加压气体模块5、减压阀6、气动电磁阀3和挤出头4等核心部件，可实现快速精确的信号识别，并将控制步进电机转动的方波信号转换为持续输出的直流控制信号，实现由步进电机控制到气动电磁阀3控制的挤出控制方式转换。该挤出组件可快捷便利的直接搭载到市场现有打印机以及DIY3D打印机上，无需改动原有电路主板与控制软件系统，无需对原有打印机控制软件系统进行升级或代码编译，实施可拆卸，并可与常规的压力控制和温度控制系统兼容。同时，该挤出组件将普通家用及工业级打印机的可打印材料扩展到生物凝胶、陶瓷黏土、溶液软体等必须由气动控制实现的液态材料，实现高精度、快速响应的气动控制挤出打印。将步进电机控制的线材挤出型桌面3D打印机转化为精密气动控制的3D打印机。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述挤出组件包括：
3D打印机主板，用于发出间断的步进电机脉冲控制信号；
信号处理主板，与所述3D打印机主板连接，用于将所述间断的步进电机脉冲控制信号转换为连续的挤出运动控制信号；
加压气体模块，用于提供第一加压气体；
减压阀，与所述加压气体模块连接，用于将第一加压气体转换成第二加压气体；
气动电磁阀，分别与所述信号处理主板和所述减压阀连接，用于根据连续的挤出运动控制信号控制所述第二加压气体的开通或关断；
挤出头，与所述气动电磁阀连接，用于根据所述第二加压气体的气压控制3D打印材料的挤出速度。
2.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述加压气体模块为压力气泵；
所述压力气泵与所述减压阀连接，用于将大气内的空气进行压缩，获得所述第一加压气体，并发送至所述减压阀。
3.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述加压气体模块为气瓶；
所述气瓶与所述减压阀连接，用于存储所述第一加压气体，并发送至所述减压阀。
4.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述信号处理主板、所述气动电磁阀和所述减压阀均压缩集成在一块控制板或控制盒内。
5.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述挤出组件还包括：
温度传感器，与所述3D打印机主板连接，用于检测所述挤出头的温度并发送至所述3D打印机主板进行显示。
6.根据权利要求5所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述挤出组件还包括：
加热器，用于加热所述挤出头；
所述3D打印机主板与所述加热器连接，所述3D打印机主板用于判断所述挤出头的温度是否大于或等于设定温度；如果所述挤出头的温度小于设定温度，则所述3D打印机主板控制所述加热器进行加热；如果所述挤出头的温度大于或等于设定温度，则控制所述加热器停止加热。
7.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述挤出组件还包括：
降压模块，分别与所述3D打印机主板和所述信号处理主板连接，用于将所述3D打印机主板的12V电压降为5V电压，给所述信号处理主板提供电源。
8.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述挤出组件还包括：
气压表，分别与所述减压阀和所述气动电磁阀连接，用于显示所述第二加压气体的压力。
9.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述加压气体模块与所述减压阀通过气体管路连接；所述减压阀与所述气动电磁阀通过气体管路连接；所述气动电磁阀与所述挤出头通过气体管路连接。
10.根据权利要求1所述的3D打印气动控制挤出组件，其特征在于，所述3D打印机主板与所述信号处理主板通过步进电机信号线连接；所述信号处理主板与所述气动电磁阀通过信号线连接。
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