一种能自动换料的3D打印装置设计

（基本项目：2024年校级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202410107251）

摘要：本团队设计的自动换料3D打印装置是一款创新的3D打印设备，该装置除了具有3D打印机的一切常规功能，它还能够自动处理耗材的连接和裁切问题，确保耗材相接处直径与原耗材一致。该装置通过热熔裁剪机构进行自动化耗材处理和打印过程的无缝对接，从而避免因粗细不同而影响打印质量的问题。此外，其独特的设计还包括散热风扇的使用以及自动化流程减少人工干预，降低了劳动强度并提高了操作精度。此装置在医学、建筑、航空航天等多个领域都有广泛的应用前景，有望改变相关行业的工作方式和生活质量。

关键词：3D打印 自动换料 热熔裁剪机构 自动化流程

1.项目背景

1.1技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种能自动换料的3D打印装置。

1.2产品背景

3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。然而有些较大的3D打印件往往都需要几十个小时的时间来进行打印，往往一卷3D打印的耗材料盘并不够使用或者是一卷在打印过其他打印件只剩下一小部分耗材时不够后续的打印，所以需要一款更加合理，能够保持耗材相接处直径与耗材直径一致的一款能自动换料的3D打印机。[1]

2.产品概述

2.1产品介绍

产品一共是由四个部分组成，分别是由准备过程、裁剪部分、耗材更换、热熔裁剪四个部分。

工作原理：

① 准备过程

压力传感器：当耗材重量降低到预设阈值时，压力传感器会检测到这一变化。

电动推杆：传感器触发电动推杆上升，由于喷嘴仍在工作，会拉出更多的耗材。

② 裁剪部分

电机和裁剪刀片：电机驱动裁剪刀片下降，将即将耗尽的耗材剪断。

③ 耗材更换

升降板和限位板：电机驱动升降板整体升降，使限位板离开耗材盘，便于耗材盘的平移。

④ 热熔裁剪

加热管：在裁剪旧耗材时，加热管开始加热，准备新旧耗材的粘合。

步进电机：步进电机间歇驱动，使新耗材逐步进入加热管，确保两段耗材在加热管中充分粘合。

散热风扇和裁剪齿刀：一段时间后，散热风扇进行降温，在耗材尚未完全冷却时，裁剪齿刀进入将耗材粘结处打磨至与新耗材半径相同。

2.2 自动换料系统

在自动换料的3D打印机的自动换料系统中，我们可以用（如泵、阀门、法兰等）协同工作，以实现自动换料的功能。

当3D打印机检测到耗材即将耗尽时，它会发送一个信号给控制系统。控制系统接收到信号后，会启动自动换料程序。根据预设的指令，控制系统可能会打开某个阀门。同时，控制系统可能会关闭与即将耗尽的耗材相关的阀门，以防止耗材的浪费。当新的耗材进入耗材仓后，泵可能会开始工作，确保耗材能够顺畅地流向打印头。[2]

2.3精准控制系统

自动换料的3D打印机的精确控制系统主要负责确保耗材的精确更换、打印参数的准确设置以及打印过程的稳定性。以下是一个可能的控制系统工作方式：

控制系统通过传感器监测耗材的剩余量。这些传感器可能是安装在耗材容器内的重量传感器或光学传感器，用于实时检测耗材的使用情况。在打印过程中，控制系统会不断监控打印机的状态，包括温度、压力、运动状态等。用户可以通过控制系统提供的界面查看错误详情并进行相应的操作。

2.4高效冷却系统 由步进电机间歇驱动，使得新耗材逐步进入加热管（加热管在裁剪旧耗材时开始加热），使得两耗材在加热管中充分粘合。

2.5自动裁剪系统 自动裁剪系统首先识别所需的打印材料，这可能包括塑料丝、金属粉末或其他类型的3D打印耗材。裁剪完成后，自动裁剪系统将裁剪好的材料输送到3D打印机的打印头或其他相关部件。[3]

这一过程可能涉及材料的传输、定位和固定等步骤，以确保材料在打印过程中能够稳定、准确地供给。

2.6产品未来发展方向

3D打印机的应用领域非常广泛。在医学领域，3D打印机可以用来打印出人体器官，帮助病人植入假肢、义肢等。在建筑领域，3D打印机可以用来打印出建筑模型，帮助建筑师更好地展示设计方案。在航空航天领域，3D打印机可以用来打印出航天器部件和发动机零件，提高航天器的性能和可靠性。3D打印机还可以用在汽车制造、消费品制造等领域。从而满足人们的需求，为人们带来便利。

2.7产品设计理念

2.7.1核心理念

实现自动化耗材处理和打印过程的无缝对接，解决手动换料的不便性，引入热熔裁剪机构，自动处理耗材的连接和裁切问题，确保耗材相接处直径与原耗材一致，避免因粗细不同导致的打印质量问题，提升打印效率和成品质量。[4]

2.7.2期待产品设计

支持更多种类的打印材料，提高材料的兼容性与多样性；进一步减少人工参与的程度。探索使用更高性能的电机和传动系统，或者优化打印路径算法来缩短打印时间，提高打印效率。

2.8产品优势

2.8.1产品创新特色

（1）自动换料系统的设计，能够解决传统3D打印中手动换料的不便性。

（2）热熔裁剪机构的引入，确保相接处直径与原耗材一致，避免因粗细不同导致的问题。[5]

（3）散热风扇的使用在加热后对相接处进行冷却，有助于保持耗材的一致性并减少可能由温度引起的材料性质变化。

（4）自动化流程减少了人工干预，降低了劳动强度并提高了操作精度。

（5）设备设计考虑了用户使用体验，通过自动化减少了停机时间，提高了生产效率。

2.8.2产品对比

目前市场上常用的打印机，需要手动换料，消耗时间且效率低下，在耗材相接处可能会出现直径不一致的问题，存在不兼容的风险。而本产品样机完美的解决了这些问题

2.8.3工作过程

初始状态：电动推杆处于收缩状态，料盘限位板之间放置有料盘，并将耗材从料盘中拉出插入摩擦轮中。

自动换料过程：当打印进行到耗材即将耗尽时，压力传感器检测到料盘重量降低到某一阈值，启动电动推杆上升。

裁剪与更换耗材：电机驱动刀片下降进行耗材裁剪，并利用夹持板将耗材拉引至传感器感应范围外。

平移耗材盘：电动机再带动耗材盘进行平移，使耗尽材料的盘空出，切换为下一盘。各组件复位。

热熔粘合耗材：通过电动机带动齿轮进行耗材运输至加热管，使两段耗材进行充分的粘合。

冷却与裁切：散热风扇降温后，在耗材软化的情况下使用裁剪齿刀进行裁切，使粘合处半径与之后的耗材一致。

完成熔接：完成两个耗材的熔接，保持了打印的连贯性。[6]

2.8.4应用前景

自动换料的3D打印装置具有广阔的应用前景，因为它能够显著提高3D打印的效率和灵活性。随着技术的发展，这种装置有望在多个领域得到广泛应用，从而推动制造业、医疗健康、建筑、航空航天等行业的创新和变革。

参考文献

[1]蒋铭波.一种FDM型3D打印机用的耗材自动续料系统[P].江苏省：CN202411599996.2，2025-02-11.

[2]田开望.用于3D打印机的换料机构及3D打印系统[P].广东省：CN202420942562.7，2025-02-07.

[3]钟雁明.3D打印机打出出口精彩世界[J].中国海关，2024，（12）：66-67.

[4]吴珈辛，蔡建臣，蒋金云，等.复合喷头-多材料FDM 3D打印机研究进展[J].塑料工业，2024，52（10）：1-7.

[5]刘旭，吴卫萍，刘松.3D打印机换料装置设计[J].造纸装备及材料，2024，53（01）：7-9.

[6]刘夏，张世宏.大幅面三喷嘴3D打印机设计[J].机械设计，2024，41（08）：53-61.DOI：10.13841/j.cnki.jxsj.2024.08.01