一种具有丝料截断监测与自动补丝的3D打印机换丝装置

侯毅恒　韩海媚　杨文超　梁士谦　贾楠

【摘 要】3D打印技术作为一个个性化商品定制的重要手段，其自身的结构和机体的设计代表着该项技术的发展程度，而换丝装置在打印设备中发挥着重要作用。文章设计了一种具有丝料截断监测与自动补丝的3D打印机换丝装置，其主要原理是利用摩擦轮进行丝料的输送，通过红外对管装置，检测丝料状态，从而实现新旧丝料对接处的精准熔接，该装置可避免丝料盘的浪费，符合可持续发展与绿色环保的理念。

【关键词】3D打印机;自动补丝;断点识别;高温熔结

【中图分类号】TH6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）06-0032-02

0 引言

随着3D打印技术的日渐成熟，3D打印机不仅出现在实验室与工厂车间，也慢慢地融入人们的日常生活当中。市场上3D打印机多采用丝料盘，当丝料盘上所剩丝料不足以打印一个完整零件时，便需要更换新的丝料盘，但此时丝料盘仍滞留大量丝料，造成浪费。针对此情况，本文对3D打印机的换丝装置进行优化和设计，提出一种可完全用尽丝料盘的3D打印机换丝配件。该装置直接安装在现有打印机上，无需修改原有机构，具有安装快捷、实用准确、操作方便、绿色环保等特点。

1 装置的总体设计

该装置[2]主要由丝料断点识别系统、丝料自动补丝系统、断点高温熔结系统及总控制系统4个部分组成。整体模型图如图1所示。

该装置属于3D打印机加装模块，直接安装于进丝孔处，具有两个进丝孔[5]，一孔为原丝料位置，一孔为备用丝料位置，两孔可互换，两孔丝料需提前安装完毕。

2 装置的各系统设计

2.1 丝料断点识别系统

该系统结构是由图2中的红外对管、各丝料运输管道等组成，具有两个进料口、一个出料口，其特点如下：检测处管道采用了一侧镂空设计，既保证了丝料沿管道无阻力进入，又有利于红外对管装置对原有丝料是否用尽的检测。考虑到装置内空间狭窄及所检测丝料细小的特点，管道与检测装置进行刚性约束，红外对管会精准对准丝料，实时接收红外反馈，将电信号转变为数字信号，保证了检测装置的精准性和可靠性。

工作原理：红外对管发射出一定频率的红外线，经过丝料或管壁时发生反射被红外对管接收，经过比较器电路处理后，输出相应的高低电平。当检测到前方无物体时，即代表原丝料已经用尽，红外对管装置便会输送跳变电平至微处理器，进入丝料自动补丝系统。

2.2 丝料自动补丝系统

目前的打印机多用齿轮提供进丝动力，当温度较低时，丝料脆性上升、易折，所以我们只需提供备用进丝动力，且选用了摩擦轮[1]（如图3所示）。

该系统中，摩擦轮间距可调节的设计，既保证了足够的摩擦力，又不会因为间距太小而使丝料难以进入。丝料管的直角处采用大圆角设计、两端丝料交汇处采用大半径小角度的圆弧设计[3]，减少了管道对丝料的阻力，使丝料更顺畅地通行。动力装置采用的编码电机[4]可以感知两丝料接触时速度的变化，便于调控进料速度，防止力量过大，引起丝料堵塞。

工作原理：当微处理器接收到来自断点识别系统上的调变信号时，会发送信号给备用输料管上的编码电机，编码电机开始运作。编码电机上连接的两枚摩擦轮提供进丝动力，同时编码电机上所附带的编码器会实时检测编电机的转动速度，当新丝料与旧丝料碰触瞬间，产生的阻力使得速度产生突变，编码器检测到变化便会通过反馈环节进行调节，使两丝料持续保持接触状态，直至进入断点高速高温熔接系统。

2.3 断点高温熔结系统

查证得知：打印机耗材PLA的融化温度为195～230 ℃。为保证更好的熔接效果和节省体积，故采用瞬态加热溶结法。布置好的电热丝中通入高频交变电流，在瞬间产生高温，使新旧丝料的断点熔接在一起。此时新、旧丝料最终相连在一起，编码电机停转，丝料依赖原有打印机动力，继续完成打印工作。断点高温熔结系统如图4所示。

工作原理：微处理器内部定时器及计数器在检测到红外对管上的跳变信号后开始工作，经过时间T后输出高频交变电流，步进电机与编码电机通过算法，继续保持同丝料的完整性，丝料断点进入加热区后，被瞬间加热，断点左右0.8 mm处率先融化混合，连接在一起，进而凝固为一体。编码电机减速，若断点熔接一体，由于打印机的自身动力，拉扯丝料，编码电机信号产生跳变，微处理器停止工作，换丝结束。若断点未熔接一体，电机信号平稳，微处理器继续执行加热指令，重复多次，若都未换丝成功，编码电机停止工作，微处理器发出警报。

距离D的计算：D≥

距离T的计算：T≥

式中：D为红外对管与加热区间距;V0为3D打印机进料速度;V1为丝料进给速度;X0为备用丝料开头处离红外对管装置距离。

例：当V0=15 mm/s、V1=30 mm/s、X0=15 mm，解得红外对管与加热区间距的最小值D=15 mm，时间T=1 s。所以，在该种规格3D打印机的情况下，应调整D≥15 mm，设定时间T=1 s。

2.4 系统化控制原理

该装置控制系统由STM32F1C8T6作为主控微处理器，包括主控板、传感器模塊、编码电机、电热丝及其连接电路构成。系统化控制原理图如图5所示。

微处理器接收到所述红外对管装置发送的数字信号后，传递相应反应信号给予两个进料口的编码电机，编码电机信号线与微处理器直接相连，而所述编码电机的电源供电口则与电机驱动模块TB6612相连，由所述电机驱动模块TB6612的电机方向控制引脚由最高电压输出口提供稳定高效供电。

电机驱动模块TB6612的VM口（最大电压）与该装置内部电路降压整流后的12 V直流电压接口连接，而所述电机驱动模块TB6612的供电由该装置内部电路降压整流后的5 V直流电压所提供，所述电机驱动模块TB6612的4个输出引脚分别连接两个编码电机的A、B向，通过输出脚控制电机的电压值及占空比[6]。编码电机输出数字信号负反馈给微处理器，主要负责多次加热的控制与检测，并随时对进给丝料的速度进行实时调控。

3 结语

在3D打印机愈来愈普及的今天，丝料的使用量呈指数型增长，丝料的节约环保成为一个热门课题，而本文所述的补丝装置则在该方面发挥了重要的作用，具有广阔的市场空间及极大的应用价值。本文所述装置属于打印机的配套模块，直接安装在现有打印机上，能够确保所有丝料全部耗尽、不产生浪费，具有简易实用、绿色环保、设计精巧等特点，贴合市场需求，有较高的推广应用价值。

参 考 文 献

[1]孙远琪，刘中冬.FDM型3D打印机共挤喷嘴的设计与研究[J].制造技术与机床，2019（10）.

[2]崔万瑞，李愈馨，李福坤，等.3D打印机体系结构研究[J].计算机光盘软件与应用，2014（16）.

[3]沈晓伟.3D打印机常见故障分析及维护[J].四川水泥，2019（9）.

[4]金洁，尤子峰，李铭，等.LCD光固化3D打印机的改造与研究[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2019

（6）.

[5]朱金龙，赵寒涛，吴文凯.用于3D打印机的握柄式加热挤料装置结构设计研究[J].自动化技术与应用，2019（10）.

[6]张鑫，吴海涛.基于SolidWorks的自动打印机圆柱凸轮间歇运动机构设计[J].新技术新工艺，2014（8）.

【基金项目】2019年自治区级大学生创新创业训练计划立项项目“电磁超声换能器的仿真与实验研究”（项目编号：201910595155）。

【作者简介】侯毅恒，男，河南新乡人，本科，桂林电子科技大学机电工程学院学生，研究方向：专业机械设计制造及其自动化;韩海媚（通讯作者），女，山东泰安人，硕士，桂林电子科技大学机电工程学院讲师，研究方向：光电仪器智能化、工业在线检测。