一種3D打印機(jī)耗材剩余量檢測裝置的研究

摘 要：3D打印作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，憑借其加工的優(yōu)良特性，在越來越多的領(lǐng)域中被采用。但是，目前最常用的3D打印機(jī)采用的是噴口處加熱熔融，它的耗材是按卷出售的，這就導(dǎo)致在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)耗材用盡時(shí)打印機(jī)依然處于工作狀態(tài)。目前大多數(shù)3D打印機(jī)都不存在余料檢測裝置，無法提醒用戶及時(shí)更換材料而帶來麻煩。本論文主要討論一種夾具紅外傳感式耗材檢測報(bào)警裝置，以更好地解決這個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：3D打印;耗材剩余量;紅外感應(yīng);檢測報(bào)警

1 3D打印概述

3D打印技術(shù)又被稱為增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，被廣泛用用于工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等眾多領(lǐng)域。3D打印的一般過程為：先通過相關(guān)軟件進(jìn)行構(gòu)建三維模型或直接掃描實(shí)體獲得三維數(shù)據(jù)進(jìn)而構(gòu)建三維模型，然后將所得模型經(jīng)專業(yè)的三維模型分析軟件進(jìn)行分析，得到模型的每一層截面的信息并指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印出來。

隨著增材技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了幾十種，它主要分為七大類，包括熔融沉積制造、粘結(jié)劑噴射、材料噴射、光固化成形、片層壓、選擇性激光燒結(jié)和定向能量沉積。其中熔融沉積制造技術(shù)最常用的材料為絲狀的PLA，PLA是一種由玉米淀粉合成的高分子材料，是一種環(huán)境友好型材料。熔融沉積制造技術(shù)是目前最為常見的3D打印技術(shù)，熟練度高而成本低。

2 問題闡述

目前市面上的絕大部分3D打印機(jī)采用的是噴口處加熱熔融，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)送料的方式進(jìn)行3D打印。3D打印在眾多領(lǐng)域中被采用，也逐漸被人們所接受。但是，目前市面上的絕大部分3D打印機(jī)，在實(shí)際打印過程中，都存在一個(gè)問題，就是耗材一般是整卷（每卷1KG）出售的，在實(shí)際使用過程中幾乎很難出現(xiàn)打印幾個(gè)模型之后恰好完整地用完一整卷材料的情況，經(jīng)常出現(xiàn)再打印過程中，耗材用盡時(shí)打印機(jī)依然處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致許多的模型打印失敗而浪費(fèi)材料。但是，市面上絕大多數(shù)消費(fèi)機(jī)桌面打印機(jī)，都不存在檢測余料的裝置，當(dāng)余料不足需要更換材料時(shí)打印機(jī)無法報(bào)警而引起不必要的麻煩。

目前已有的技術(shù)當(dāng)中，有一個(gè)實(shí)用新型專利，專利號為CN201921018055.X，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。但是此技術(shù)存在三個(gè)主要問題，第一，因?yàn)榇税l(fā)明通過余量重量來檢測，所使用的A壓力傳感器必須和5繞線棍緊密接觸，這樣在打印機(jī)工作過程中，A繞5旋轉(zhuǎn)，在重力影響下，傳感器工作必定受到影響;第二，整體裝置較為精密，成本較高。如果將此裝置推向材料的生產(chǎn)廠家，目前PLA材料每千克售賣單價(jià)為150元左右，此裝置會大大加大材料成本。如果將此裝置賣給用戶，用戶必須將購買來的卷材自行纏繞在此裝置上，增加了用戶的工作量，商業(yè)價(jià)值不高;第三，目前市面上3D打印機(jī)尺寸規(guī)格不一，一般的打印機(jī)會自帶繞線棍，此裝置并不能適配規(guī)格不一的繞線棍，使其保證同心旋轉(zhuǎn)，這樣這套壓力傳感裝置就無法正常工作。

3 檢測報(bào)警裝置

本裝置名為夾具紅外傳感式耗材檢測報(bào)警裝置，主要包括內(nèi)置可充電電池、紅外傳感器（中間的黑色圓圈）、微型控制板（內(nèi)含控制模塊與通訊模塊）、揚(yáng)聲器、LED報(bào)警燈，如圖2所示。

當(dāng)3D打印機(jī)正在打印時(shí)，開啟本裝置，隨著時(shí)間的推移耗材將逐漸減少，當(dāng)耗材減少到一定量時(shí)，也就是紅外傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)無耗材時(shí)，紅外傳感器接受到信號并傳遞給通訊模塊，通訊模塊會將指令傳遞給控制模塊，此時(shí)控制模塊將會控制揚(yáng)聲器放出報(bào)警聲，并控制LED報(bào)警燈閃爍，提醒用戶耗材即將耗盡，以便用戶及時(shí)更換耗材，使用戶不用在一旁監(jiān)視等待，為用戶節(jié)省了大量的時(shí)間與精力。本裝置采用紅外感應(yīng)裝置來檢測耗材是否減少，所以只適用于透明耗材框，以便于紅外傳感器正常工作。

本裝置設(shè)計(jì)相對于其他相關(guān)設(shè)計(jì)有諸多的優(yōu)勢。裝置結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，不會影響打印機(jī)工作。當(dāng)裝置報(bào)警時(shí)，耗材并未耗盡，還留有一定的材料，給用戶留有充足的準(zhǔn)備時(shí)間，符合大眾用戶的使用習(xí)慣。通訊模塊中含有藍(lán)牙模塊，方便與具有藍(lán)牙功能的打印機(jī)或者是用戶的手機(jī)綁定，打印機(jī)支持時(shí)，當(dāng)材料耗盡時(shí)打印機(jī)可自動暫停，更換耗材之后繼續(xù)打印;用戶的手機(jī)端裝有相關(guān)應(yīng)用時(shí)，可以對用戶發(fā)出報(bào)警，這樣當(dāng)打印機(jī)耗材即將耗盡時(shí)，用戶不必守在打印機(jī)的周圍也能及時(shí)了解耗材是否消耗完畢。本裝置采用夾裝的方式，不僅方便安裝，并且適用一定范圍內(nèi)的多種耗材框，可重復(fù)使用，降低用戶的使用成本。

4 總結(jié)

3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，為傳統(tǒng)制造技術(shù)做了重要的補(bǔ)充，為制造業(yè)帶來了新的解決方案。3D打印技術(shù)擁有著廣闊的應(yīng)用前景，擁有著巨大的優(yōu)勢。但是，他依然是一項(xiàng)新技術(shù)，相較于發(fā)展百年的傳統(tǒng)制造技術(shù)，它還有很長的路要走，以彌補(bǔ)自身的不足，逐步走向完善。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外傳感器的夾式耗材余量檢測報(bào)警裝置，為解決耗材余量檢測與報(bào)警提供了一種解決方案，可以為使用者解決不必要的問題和麻煩。

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作者簡介：

趙在勝（1996-），男，漢族，河南省范縣，本科生在讀，方向：機(jī)械工程。