CN106738892B - 一种fdm-3d打印机外接混色器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种FDM‑3D打印机外接混色器，包括箱架、送丝装置、融室、出丝装置和冷却装置，融室的入料流道连接入料喉管，送丝装置通过送丝导管连接入料喉管，融室的出料流道通过出料喉管连接出丝导管，融室通过固定装置固定于箱架内；冷却管的两端分别连通水泵和下水箱，水泵将下水箱的水运送到冷却管内，且带动下水箱的水与上水箱的水循环。本发明通过送丝装置控制每种颜色丝材的送丝速度，实现对三原色与黑、白色五种颜色丝材的不同送丝量，混合后的五种丝材经过导管送入到融丝与出丝装置经过加热融化，实现共混调色，由此形成不同的混合色；节约了打印机所占空间，同时也完成了现有设备的升级，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于FDM-3D打印机技术领域，尤其是涉及一种FDM-3D打印机外接混色器。
背景技术
目前3D打印机正逐步走入人们的视野和生活，其发展速度和计算机的发展一样惊人。3D打印机向着家用化与工业化两个方向发展，其中家用桌面级3D打印机有望成为像手机、电脑一样的普及的产品，影响人们的日常生活。目前来说，桌面级3D打印机主要面向设计师、医学院、大中小学教育培训单位和创客使用。提升人们的设计水平。
随着3D打印机逐渐进入大众消费，对3D打印机的性能要求越来越高。但大多数现有桌面打印机都是单一颜色，单一材料的设计模式。打印过程中必须通过换丝实现换色的目的，操作复杂，并且打印中断使喷头堵丝的风险增加。目前解决方案通常有两种，一种是增加喷头数量，从不同喷头打印不同颜色，其缺点是喷头容易发生剐蹭；另一种是将多种颜色在喷头出经调解后打印，其缺点是容易发生溢料，形成打印缺陷。以上两种设计方案，都是对打印机整体结构改进，改进后喷头和送料管等部件都极大地占据了打印机上层有限的空间，不利于打印进一步向多材打印发展。目前设计思路大多是直接改进打印机整体结构，从而提高市场对整机的销量。不利于对打印机模块化的发展。造成了桌面级FDM打印机市场产品同质化，低价恶性竞争。
发明内容
有鉴于此，设计一种与现有打印机直接对接的外接混色装置。在现有单喷头打印机基础上能实现多彩工件的直接打印，与多喷头打印机相比，不仅节约了打印机所占空间，同时也完成了现有设备的升级，节约成本。其中包括混色器机械结构设计、控制电路硬件设计。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种FDM-3D打印机外接混色器，包括箱架、送丝装置、融室、出丝装置和冷却装置，所述送丝装置、融室、出丝装置和冷却装置均设于箱架内，融室的入料流道连接入料喉管，送丝装置通过送丝导管连接入料喉管，融室的出料流道通过出料喉管连接出丝导管，融室通过固定装置固定于箱架内；
所述冷却装置包括水泵、送水管、冷却管、上水箱和下水箱，上水箱设于箱架上方，下水箱设于箱架下方，上水箱、下水箱与两侧的送水管之间形成闭合回路，水泵设于送水管和下水箱的连接处，冷却管缠绕连接于出丝装置，冷却管的两端分别连通水泵和下水箱，水泵将下水箱的水运送到冷却管内，且带动下水箱的水与上水箱的水循环。
进一步，所述送丝装置包括步进电机、齿轮、辅助轮、控制板、导管和风扇，步进电机通过电机支撑架固定于箱架上，风扇安装在电机支撑架上，控制板和辅助轮安装在控制板安装座上，齿轮安装于步进电机的电机轴上，齿轮和辅助轮之间挤压丝材，丝材经过齿轮和辅助轮挤压实现对送丝速度及送丝量的控制，丝材从导管经过送丝导管传送到融室中，导管接头连接于导管的朝外一端。
进一步，所述步进电机设有5个，均布于控制板安装座的周边。
进一步，所述箱架上设有显示屏座，显示屏座外侧设有显示屏。
进一步，所述融室内设有若干个加热头槽和若干个温度传感器槽，加热头槽内插有加热头，温度传感器槽内插有温度传感器。
进一步，所述融室的纵截面为六边形，围绕融室外部固定有支撑环，融室上连接入料喉管的端面通过三个支撑散热片连接支撑架，支撑架固定于箱架上，融室内设有相连通的入料流道和出料流道，入料流道与入料喉管连通，出料流道与出料喉管连通，入料流道的外端和出料流道的外端均设有喉管连接处。
进一步，所述入料喉管和出料喉管外均布有散热片，冷却管缠绕设于出料喉管的散热片外。
进一步，所述入料喉管设有五个，分别通入五种颜色的丝材，出料喉管设有一个。
进一步，所述融室的外缘处固定有连接支撑片，连接支撑片固定连接于支撑架和融室之间。
进一步，所述融室温度控制范围为190～280℃，出丝速率为30～60mm/s。
相对于现有技术，本发明所述的FDM-3D打印机外接混色器具有以下优势：(1)通过送丝装置控制每种颜色丝材的送丝速度，实现对三原色与黑、白色五种颜色丝材的不同送丝量，混合后的五种丝材经过导管送入到融丝与出丝装置经过加热融化，实现共混调色，由此形成不同的混合色。然后熔融态材料经过装置的出丝部分。在冷场的作用下，凝固成具有一定色彩顺序的丝材。外接到3D打印机，可以打印出多彩的作品；
(2)确保打印过程中不出现断丝、堆丝现象；
(3)混色装置出料口装温度传感器，监测出口温度，当出口温度偏高不足以实现丝材快速晶体化时，接通水泵继电器和散热风扇，使得出口快速降温；
(4)在现有单喷头打印机基础上能实现多彩工件的直接打印，与多喷头打印机相比，不仅节约了打印机所占空间，同时也完成了现有设备的升级，节约成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A部分的放大示意图；
图3为融室、出料喉管和入料喉管的结构示意图；
图4为图3的右视图；
图5为图1中送丝装置的右视图；
图6为图1的俯视图；
图7为融室的结构示意图；
图8为图7中A-A面剖视图；
附图标记说明：
1-水泵；2-送水管；3-冷却管；4-上水箱；5-下水箱；6-出丝导管；7-融室；8-送丝导管；9-步进电机；10-导管；11-风扇；12-导管接头；13-控制板；14-辅助轮；15-丝材；16-齿轮；17-控制板安装座；18-电机支撑架；19-显示屏；20-显示屏座；22-散热片；23-支撑散热片；24-加热头；25-支撑架；26-连接支撑片；27-支撑环；28-箱架；29-出料喉管；30-入料喉管；31-喉管连接处；32-温度传感器槽；33-加热头槽；34-入料流道；35-出料流道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1～8所示，一种FDM-3D打印机外接混色器，包括箱架28、送丝装置、融室7、出丝装置和冷却装置，所述送丝装置、融室7、出丝装置和冷却装置均设于箱架28内，融室7的入料流道34连接入料喉管30，送丝装置通过送丝导管8连接入料喉管30，融室7的出料流道35通过出料喉管29连接出丝导管6，融室7通过固定装置固定于箱架28内。
所述冷却装置包括水泵1、送水管2、冷却管3、上水箱4和下水箱5，上水箱4设于箱架28上方，下水箱5设于箱架28下方，上水箱4、下水箱5与两侧的送水管2之间形成闭合回路，水泵1设于送水管2和下水箱5的连接处，冷却管3缠绕连接于出丝装置，冷却管3的两端分别连通水泵1和下水箱5，水泵1将下水箱5的水运送到冷却管3内，且带动下水箱5的水与上水箱4的水循环。
冷却装置的冷却过程为冷却水带走出料喉管29外的散热片22的热量，在水泵1的作用下，首先经过下水箱5进行初步散热，然后经过更为扁平的上水箱4进行进一步冷却。通过水泵1把冷却水再次送到散热片22中循环冷却。
所述送丝装置包括步进电机9、齿轮16、辅助轮14、控制板13、导管10和风扇11，步进电机9采用42步进电机，为送丝装置提供动力，步进电机9通过电机支撑架18固定于箱架28上，风扇11安装在电机支撑架18上，风扇11朝向步进电机9和散热片22吹风，加快入料喉管30和出料喉管29外的散热片22的冷却。
控制板13和辅助轮14安装在控制板安装座17上，通过支撑杆形成一个与电机支撑架18平行的控制板安装座17，方便电源开关等电器元件与其相连。
齿轮16安装于步进电机9的电机轴上，齿轮16和辅助轮14之间挤压丝材15，丝材15经过齿轮16和辅助轮14挤压实现对送丝速度及送丝量的控制，丝材15从导管10经过送丝导管8传送到融室7中，导管接头12连接于导管10的朝外一端。
所述步进电机9设有5个，均布于控制板安装座17的周边。
所述箱架28上设有显示屏座20，显示屏座20外侧设有显示屏19。
通过设计一种特殊的融室7，使融室7具备入料口、出料口低温，融室7中心高温的特性。丝材15经融室7加热开始融化膨胀，丝材15膨胀与入料喉管30和出料喉管29形成了类似活塞密闭的结构。这样通过给进丝材15，压力增大，出料口的融料向外移动，冷却后体积收缩，形成固体丝材15。入料口、出料口分别通过喉管相连，喉管外设有散热片22，其中散热片22是为了提高出料口的冷却效率，经过设计的出料口的散热片22外接水冷装置。
所述融室7内设有若干个加热头槽33和若干个温度传感器槽32，加热头槽33内插有加热头24，温度传感器槽32内插有温度传感器。
所述融室7的纵截面为六边形，围绕融室7外部固定有支撑环27，融室7上连接入料喉管30的端面通过三个支撑散热片23连接支撑架25，支撑架25固定于箱架28上，融室7内设有相连通的入料流道34和出料流道35，入料流道34与入料喉管30连通，出料流道35与出料喉管29连通，入料流道34的外端和出料流道35的外端均设有喉管连接处31。
所述入料喉管30和出料喉管29外均布有散热片22，冷却管3缠绕设于出料喉管29的散热片22外。
所述入料喉管30设有五个，分别通入五种颜色的丝材15，出料喉管29设有一个。
所述融室7的外缘处固定有连接支撑片26，连接支撑片26固定连接于支撑架25和融室7之间。
所述融室7温度控制范围为190～280℃，出丝速率为30～60mm/s。
本装置通过送丝装置控制每种颜色丝材15的送丝速度，实现对三原色与黑、白色五种颜色丝材15的不同送丝量的控制，混合后的五种丝材15经过导管10送入到融室7中经过加热融化，实现共混调色，由此形成不同的混合色。然后熔融态材料经过出丝装置。在冷场的作用下，凝固成具有一定色彩顺序的丝材15。将本装置外接到3D打印机，可以打印出多彩的作品。
控制硬件的具体方案是，控制***包括arduino2560及开发扩展板、5个步进电机9、1个水泵1、一个继电器、3个温度传感器、触控显示器。控制方案包括：
步骤a，送丝、出丝速度控制。以arduino2560及开发扩展板为控制核心，与上位机切片软件通讯获取3D打印机的打印速度。为了确保打印过程中不出现断丝、堆丝现象，所设计混色装置的出丝速度与打印机的打印速度保持一致。混色装置的出丝速度由送丝速度控制，通过arduino2560控制步进电机9，进一步控制五种颜色丝材15的送丝速度。
步骤b，混色比例控制。读取目标颜色的混色数据库，得到五种颜色丝材的配色比例，将配色比例换算成丝材15的送丝速度比，利用步进电机9实现送丝速度的控制。
步骤c，融室7、出入料口温度控制。融室7腔内装温度传感器，实时监测融室7温度，当融室7温度低于设定值时接通加热装置；当温度高于设定值时，断开加热装置。由于温度控制存在滞后性，需采用合适算法实现融室的恒温控制。混色装置出料口装温度传感器，监测出口温度，当出口温度偏高不足以实现丝材15快速晶体化时，接通水泵1继电器和散热风扇11，使得出口快速降温。
步骤d，温度梯度的控制。在融室7与出口的中间位置装温度传感器，与融室7温度传感器和出口温度传感器，配合实现温度场的监测，将温度数据送到arduino2560处理芯片，形成温度场数据。进一步通过控制加热装置、水泵1、风扇11得到理想的温度场。
实施例1：
PLA材料混色时，加热融室7中心温度控制在190-200℃，进出料口温度小于50℃。其中红色、蓝色送丝速度分别为20mm/s。其余颜色丝材停止送丝。最终形成混色紫色，出丝速率40mm/s。
实施例2：
ABS材料混色时，加热融室7中心温度控制在220-230℃，进出料口温度60-50℃。其中红色送丝速度20mm/s、黄色送丝速度10mm/s。其余颜色丝材停止送丝。最终形成混色红橙色，出丝速率30mm/s。
实施例3：
PA材料混色时，加热融室7中心温度控制在250-280℃，进出料口温度75-65℃。其中黄色送丝速度30mm/s、蓝色送丝速度分别为20mm/s、黑色送丝速度分别为10mm/s。其余颜色丝材15停止送丝。最终形成混色深黄绿色，出丝速率60mm/s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：包括箱架(28)、送丝装置、融室(7)、出丝装置和冷却装置，所述送丝装置、融室(7)、出丝装置和冷却装置均设于箱架(28)内，融室(7)的入料流道(34)连接入料喉管(30)，送丝装置通过送丝导管(8)连接入料喉管(30)，融室(7)的出料流道(35)通过出料喉管(29)连接出丝导管(6)，融室(7)通过固定装置固定于箱架(28)内；
所述冷却装置包括水泵(1)、送水管(2)、冷却管(3)、上水箱(4)和下水箱(5)，上水箱(4)设于箱架(28)上方，下水箱(5)设于箱架(28)下方，上水箱(4)、下水箱(5)与两侧的送水管(2)之间形成闭合回路，水泵(1)设于送水管(2)和下水箱(5)的连接处，冷却管(3)缠绕连接于出丝装置，冷却管(3)的两端分别连通水泵(1)和下水箱(5)，水泵(1)将下水箱(5)的水运送到冷却管(3)内，且带动下水箱(5)的水与上水箱(4)的水循环；
所述送丝装置包括步进电机(9)、齿轮(16)、辅助轮(14)、控制板(13)、导管(10)和风扇(11)，步进电机(9)通过电机支撑架(18)固定于箱架(28)上，风扇(11)安装在电机支撑架(18)上，控制板(13)和辅助轮(14)安装在控制板安装座(17)上，齿轮(16)安装于步进电机(9)的电机轴上，齿轮(16)和辅助轮(14)之间挤压丝材(15)，丝材(15)经过齿轮(16)和辅助轮(14)挤压实现对送丝速度及送丝量的控制，丝材(15)从导管(10)经过送丝导管(8)传送到融室(7)中，导管接头(12)连接于导管(10)的朝外一端；
所述箱架(28)上设有显示屏座(20)，显示屏座(20)外侧设有显示屏(19)。
2.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述步进电机(9)设有5个，均布于控制板安装座(17)的周边。
3.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述融室(7)内设有若干个加热头槽(33)和若干个温度传感器槽(32)，加热头槽内插有加热头(24)，温度传感器槽(32)内插有温度传感器。
4.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述融室(7)的纵截面为六边形，围绕融室(7)外部固定有支撑环(27)，融室(7)上连接入料喉管(30)的端面通过三个支撑散热片(23)连接支撑架(25)，支撑架(25)固定于箱架(28)上，融室(7)内设有相连通的入料流道(34)和出料流道(35)，入料流道(34)与入料喉管(30)连通，出料流道(35)与出料喉管(29)连通，入料流道(34)的外端和出料流道(35)的外端均设有喉管连接处(31)。
5.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述入料喉管(30)和出料喉管(29)外均布有散热片(22)，冷却管(3)缠绕设于出料喉管(29)的散热片(22)外。
6.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述入料喉管(30)设有五个，分别通入五种颜色的丝材(15)，出料喉管(29)设有一个。
7.根据权利要求4所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述融室(7)的外缘处固定有连接支撑片(26)，连接支撑片(26)固定连接于支撑架(25)和融室(7)之间。
8.根据权利要求1所述的FDM-3D打印机外接混色器，其特征在于：所述融室(7)温度控制范围为190～280℃，出丝速率为30～60mm/s。
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