3D打印机换料装置设计.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化73D 打印机换料装置设计*刘 旭，吴卫萍，刘 松广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126摘要：3D 打印技术是利用三维设计的数据，通过 3D打印设备，将一层层的材料堆积成实体原型。3D 打印设备在打印过程中，需要不断地更换材料从而达到实现连续打印，虽然在现有技术中，3D 打印机的换料装置，能够快捷地拆装换料槽，以便换料槽的清洗，但是这些方式每次换料时，都需要打开最外侧的料箱，才能通过换料斗向换料槽内部投入材料，进行换料时操作麻烦，不方便使用。文章以 3D 打印机的使用材料为切入点，以设备创新为依托，以增材制造技术为手段，开展换料结构的研究，为设备的结构优化设计与快速响应成型提供可靠的技术路径，对提高打印效率、减少换料时带来的环境污染等具有科学指导意义。关键词：3D 打印；三维设计软件；增材制造技术；换料装置分类号：TP391.7；TP212传统的机械制造通常采用去除材料的方法1，而3D 打印采用逐层叠加的方法进行制造，因此也叫增材制造。3D 打印以三维设计软件为基础，运用切片软件将模型切成薄层，再将切片的文件和 3D 打印机建立联系，利用不同的材料通过 3D 打印设备进行逐层打印，从而将物体构造出来。通俗来讲，3D 打印机与常见的打印机的工作原理大致相同，只是打印的原材料不同。常见的普通打印机只能打印平面物品，打印的材料是纸张和墨粉；而 3D 打印机可以制作出真实的立体物品，如各种机械模型、人体骨骼、食物、首饰、玩具、汽车等，打印的材料有金属、塑料、陶瓷、覆膜砂等。然而，3D 打印设备的性能，特别是其换料装置的性能，直接影响着打印的质量和效率。1 3D 打印技术的现状3D 打印技术以其独特的优势，如高精度、高速度和灵活性，使 3D 打印技术在各行各业都发挥了价值，不仅在航空、航天、医学、船舶、汽车等高端制造业应用2，还在考古、教育、服装、食品等民用消费品设计和制造中得到了普及。同时，随着技术的进步，3D 打印设备的体积不断缩小，打印速度和精度不断提高，使其在更多领域中得到应用。虽然 3D 打印技术不像传统的制造技术受到刀具、产品形状等因素的影响，但是在不同领域的制造过程中受到不同材料的影响，常见的材料有 ABS、ABS+、PLA、TPU、光敏树脂、陶瓷、钛合金等，随着打印材料性能和种类的研发，这些材料在 3D 打印过程中都存在需要及时换料的现象，有些设备换料方便，能够快捷地拆装换料槽，以便换料槽的清洗3，但是每次换料都需要打开最外面的料箱，操作存在一定的麻烦与风险，进而研究一款新型的换料装置。2 3D 打印机换料装置结构设计换料装置是 3D 打印设备中的重要组成部分（见图 1），其主要功能是更换打印材料。由于不同的打印材料具有不同的物理和化学性质，换料装置需要具有足够的适应性以应对不同材料的需求。此外，为了确保打印过程的连续性和稳定性，换料装置还需要具备高可靠性、高精度和高效率的特点。通过设置进料组件 4（见图 2）和换料装置 2（见图 3），方便快速下压进料斗 44，将材料通过进料斗 44和换料套筒 21 输送到可拆式换料槽 9 的内部，整个投文章编号：2096-3092（2024）01-0007-03*基金项目：广东松山职业技术学院 2021 年度校级科研项目“一种3D 打印机换料结构的研究与设计”（2021KJYB002）；2022 年广东省高职院校产教融合创新平台“数字化设计与绿色制造技术应用协同创新中心”（2022CJPT008）；广东松山职业技术学院 2022 年度校级质量工程项目“创新设计与增材制造产教融合实训基地”（2022SXJD02）；2022 年广东省继续教育质量提升工程教学改革与研究实践项目“校企职业技能培养横向融通的双精准育人体系开发研究”（JXJYGC2022GX480）作者简介：刘旭，女，本科，助教，研究方向为机械设计制造及其自动化和 3D 打印与逆向工程；吴卫萍，女，硕士，副教授，研究方向为结构设计、优化设计与增材制造工作；刘松，男，硕士，副教授，研究方向为机械工程和教育教学。装备及自动化 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料8料过程无须打开料箱 1 即可完成投料，这种料箱的结构操作简单，方便使用，并且完成投料后，弹性组件7 会自动顶起升降式密封头 3，从而对密封槽 23 进行密封，为进入可拆式换料槽 9 内部材料提供密封保护，以免因打印材料受潮引起变质而影响打印效果和打印设备的性能，更有助于设备的维护与维修。能最大限度地提高材料的利用率，改善设备结构性能；同时降低打印制造成本，降低结构的运行能耗，达到节能减材的效果，实现数字化设计、智能制造、绿色制造，便于设备的清洁。44219611料箱；21换料套筒；6隔板；9可拆式换料槽。图 3 3D 打印机换料结构总装配示意图3 3D 打印机换料槽位置的设计3D 打印机换料槽位置的研究是非常重要的，因为它直接影响到打印机的效率和打印质量。换料槽应该位于容易操作的位置，以便用户在需要时可以轻松地更换。这可能需要考虑人体工程学，以确保操作起来既方便又安全。对换料槽的制造来说，可以用 3D 打印机自行设计及制造，这样更经济环保。站在材料自身重力的角度上，参考各种打印设备的换料装置，将换料装置设置于料箱的顶部且位于可拆式换料槽的上方是最有利的。换料装置包括换料套筒，换料套筒的内部设置有连通槽和密封槽，防止灰层进入料箱，或者因天气潮湿而影响打印材料的打印性能；换料套筒设置于料箱的顶部方便投料；可拆式换料槽的内部设置有多个隔板，通过分隔板可以对可拆式换料槽内部空间进行分隔，方便放置不同的材料，槽数和进料斗数量对应设置。4 3D 打印机内部其他组件的设计在更换材料时，用户可能会接触到高温或运动中的部件，因此确保操作的安全性是非常重要的。在设计时，应该考虑到这一点，并采取相应的措施，如提供保护罩或确保运动部件在更换材料时自动停止，同时能够避免在更换材料时堵塞换料槽。对其他组件进行如下设计。（1）升降式密封头设置于密封槽的内部且和密封2换料装置；21换料套筒；22连通槽；23密封槽；3升降式密封头；4进料组件；41连接杆；42连接轴；43进料管；44进料斗；5弧形头；7弹性组件；8防尘组件；81防尘布罩；82第一固定圈；83第二固定圈。图 1 进料斗、进料套筒、防尘布罩装配示意图 444341（a）进料斗部分示意图444341424（b）进料斗底部结构示意图4进料组件；41连接杆；42连接轴；43进料管；44进料斗。图 2 进料斗示意图造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化9槽相适配。（2）进料组件固定于升降式密封头的顶部，包括连接杆，连接杆的顶部的两侧固定连接有连接轴，连接轴上固定连接有进料管，进料管的顶部固定连接有进料斗。（3）弧形头固定于升降式密封头的顶部且位于连通槽的内部。（4）料箱的一侧有一个可以打开和闭合的箱门，方便取出位于料箱内部的可拆式换料槽，密封槽和升降式密封头均为台形，使升降式密封头和密封槽更加贴合，通过设置顶部为弧面的弧形头，可以避免下落的材料附着在升降式密封头的上方而引起卡料或者串料现象。（5）连接杆固定于升降式密封头的顶部，两个连接轴分别和进料管内壁的两侧固定连接。（6）升降式密封头的底部固定连接有弹性组件，弹性组件包括防护套管和调节弹簧，调节弹簧的底部固定连接有支撑座，支撑座的底部固定连接有 2 个支撑轴；调节弹簧对升降式密封头具有向上的推力。（7）防护套管和调节弹簧均固定于升降式密封头的底部，支撑轴的一端分别和换料套筒内壁的两侧固定连接；支撑座和调节弹簧均在防护套管的内部，避免下料的材料沾染到支撑座和调节弹簧上。（8）防尘组件包括防尘布罩，防尘布罩的顶部和底部分别固定连接有第一固定圈和第二固定圈。防尘布罩套设于换料套筒和所述进料管的外部，第一固定圈和进料斗的底部固定连接，第二固定圈和换料套筒的外表面固定连接；防尘布罩采用帆布制作，更加耐磨耐腐蚀，延长防尘布罩的使用寿命。5 3D 打印机换料装置运行流程及效果5.1 运行流程当需要向可拆式换料槽 9 内部投入材料时，先下压进料斗 44，进料斗 44 带动进料管 43 下移并且落入连通槽 22 的内部，进料管 43 通过连接轴 42 带动连接杆 41 下移，使连接杆 41 下压升降式密封头 3，使升降式密封头 3 脱离密封槽 23，此时即可将材料投入进料斗 44 的内部，进入进料斗 44 内部的材料通过进料管 43 落入连通槽 22 内部，并且再通过连通槽 22 进入密封槽 23，最终通过换料套筒 21 的底部落入可拆式换料槽 9 的内部完成材料投入。完成投料后，松开进料斗 44，此时弹性组件 7 中的调节弹簧伸展向上推动升降式密封头 3，使升降式密封头 3 对密封槽 23 进行密封，提升对可拆式换料槽9 内部材料的密封能力。通过设置套在换料套筒 21 和进料管 43 外部的防尘布罩 81，可以避免外部灰尘通过换料套筒 21 顶部的开口落入料箱 1 的内部，而下压进料斗 44 和进料斗44 上移时，防尘布罩 81 也会对应收折和展开，不影响进料斗 44 的正常使用。5.2 运行效果通过本次对 3D 打印机换料装置的研究，其运行效果主要表现在以下方面。（1）高效性。换料装置能够快速、准确地更换材料，保证打印过程的连续性和高效性。这有助于减少打印时间，提高打印效率，降低生产成本。（2）可靠性。换料装置的设计和制造通常会经过严密的测试和优化，以确保其稳定性和可靠性。它可以确保打印过程中不会因材料更换而出现中断或故障，从而保证打印的顺利进行。（3）安全性。在更换材料时，能够确保操作者远离高温和有害的打印环境，提高了操作的安全性。（4）易用性。此次研究设计的换料装置操作简便，更方便操作人员进行换料和维护。6 结束语3D 打印技术是一种新兴的制造技术，具有高精度、高效率、低成本等优点。虽然 3D 打印技术在成型上有足够大的优势，但是 3D 打印技术的成型时间以及如何实现快速换料等方面还有待提高。有时因为打印过程中材料的缺少而暂停，换料后再续打，在成型物体表面遗留下来比较明显的裂痕，或者由于换料时间比较长导致喷头长期停留在成型物体表面出现喷头和成型物体粘住等现象，说明 3D 打印机的换料装置必须进行优化，从而解决上述问题。通过文章的优化设计，可以使换料过程更加简单、快速，从而降低操作人员的劳动强度，提高生产效率，同时实现更加高效、稳定的供料效果。参考文献1 谭蓉凡,邓德轩,魏于评,等.基于FDM-3D打印机的一种上料装置的设计研究J.造纸装备及材料,2023,52(8):22-24.2 周石林,张秀芬.3D打印机送丝机构和喷嘴协同优化研究J.机床与液压,2023,51(13):27-33.3 周桢凡.用于L-色氨酸检测的3D打印电化学微流控传感装置研究D.桂林:桂林电子科技大学,2023.