本發(fā)明屬于FDM-3D打印機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種FDM-3D打印機(jī)外接混色器。

背景技術(shù)：

目前3D打印機(jī)正逐步走入人們的視野和生活，其發(fā)展速度和計(jì)算機(jī)的發(fā)展一樣驚人。3D打印機(jī)向著家用化與工業(yè)化兩個(gè)方向發(fā)展，其中家用桌面級(jí)3D打印機(jī)有望成為像手機(jī)、電腦一樣的普及的產(chǎn)品，影響人們的日常生活。目前來(lái)說(shuō)，桌面級(jí)3D打印機(jī)主要面向設(shè)計(jì)師、醫(yī)學(xué)院、大中小學(xué)教育培訓(xùn)單位和創(chuàng)客使用。提升人們的設(shè)計(jì)水平。

隨著3D打印機(jī)逐漸進(jìn)入大眾消費(fèi)，對(duì)3D打印機(jī)的性能要求越來(lái)越高。但大多數(shù)現(xiàn)有桌面打印機(jī)都是單一顏色，單一材料的設(shè)計(jì)模式。打印過(guò)程中必須通過(guò)換絲實(shí)現(xiàn)換色的目的，操作復(fù)雜，并且打印中斷使噴頭堵絲的風(fēng)險(xiǎn)增加。目前解決方案通常有兩種，一種是增加噴頭數(shù)量，從不同噴頭打印不同顏色，其缺點(diǎn)是噴頭容易發(fā)生剮蹭；另一種是將多種顏色在噴頭出經(jīng)調(diào)解后打印，其缺點(diǎn)是容易發(fā)生溢料，形成打印缺陷。以上兩種設(shè)計(jì)方案，都是對(duì)打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后噴頭和送料管等部件都極大地占據(jù)了打印機(jī)上層有限的空間，不利于打印進(jìn)一步向多材打印發(fā)展。目前設(shè)計(jì)思路大多是直接改進(jìn)打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)，從而提高市場(chǎng)對(duì)整機(jī)的銷量。不利于對(duì)打印機(jī)模塊化的發(fā)展。造成了桌面級(jí)FDM打印機(jī)市場(chǎng)產(chǎn)品同質(zhì)化，低價(jià)惡性競(jìng)爭(zhēng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，設(shè)計(jì)一種與現(xiàn)有打印機(jī)直接對(duì)接的外接混色裝置。在現(xiàn)有單噴頭打印機(jī)基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)多彩工件的直接打印，與多噴頭打印機(jī)相比，不僅節(jié)約了打印機(jī)所占空間，同時(shí)也完成了現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)，節(jié)約成本。其中包括混色器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制電路硬件設(shè)計(jì)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種FDM-3D打印機(jī)外接混色器，包括箱架、送絲裝置、融室、出絲裝置和冷卻裝置，所述送絲裝置、融室、出絲裝置和冷卻裝置均設(shè)于箱架內(nèi)，融室的入料流道連接入料喉管，送絲裝置通過(guò)送絲導(dǎo)管連接入料喉管，融室的出料流道通過(guò)出料喉管連接出絲導(dǎo)管，融室通過(guò)固定裝置固定于箱架內(nèi)；

所述冷卻裝置包括水泵、送水管、冷卻管、上水箱和下水箱，上水箱設(shè)于箱架上方，下水箱設(shè)于箱架下方，上水箱、下水箱與兩側(cè)的送水管之間形成閉合回路，水泵設(shè)于送水管和下水箱的連接處，冷卻管纏繞連接于出絲裝置，冷卻管的兩端分別連通水泵和下水箱，水泵將下水箱的水運(yùn)送到冷卻管內(nèi)，且?guī)?dòng)下水箱的水與上水箱的水循環(huán)。

進(jìn)一步，所述送絲裝置包括步進(jìn)電機(jī)、齒輪、輔助輪、控制板、導(dǎo)管和風(fēng)扇，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)支撐架固定于箱架上，風(fēng)扇安裝在電機(jī)支撐架上，控制板和輔助輪安裝在控制板安裝座上，齒輪安裝于步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸上，齒輪和輔助輪之間擠壓絲材，絲材經(jīng)過(guò)齒輪和輔助輪擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲速度及送絲量的控制，絲材從導(dǎo)管經(jīng)過(guò)送絲導(dǎo)管傳送到融室中，導(dǎo)管接頭連接于導(dǎo)管的朝外一端。

進(jìn)一步，所述步進(jìn)電機(jī)設(shè)有5個(gè)，均布于控制板安裝座的周邊。

進(jìn)一步，所述箱架上設(shè)有顯示屏座，顯示屏座外側(cè)設(shè)有顯示屏。

進(jìn)一步，所述融室內(nèi)設(shè)有若干個(gè)加熱頭槽和若干個(gè)溫度傳感器槽，加熱頭槽內(nèi)插有加熱頭，溫度傳感器槽內(nèi)插有溫度傳感器。

進(jìn)一步，所述融室的縱截面為六邊形，圍繞融室外部固定有支撐環(huán)，融室上連接入料喉管的端面通過(guò)三個(gè)支撐散熱片連接支撐架，支撐架固定于箱架上，融室內(nèi)設(shè)有相連通的入料流道和出料流道，入料流道與入料喉管連通，出料流道與出料喉管連通，入料流道的外端和出料流道的外端均設(shè)有喉管連接處。

進(jìn)一步，所述入料喉管和出料喉管外均布有散熱片，冷卻管纏繞設(shè)于出料喉管的散熱片外。

進(jìn)一步，所述入料喉管設(shè)有五個(gè)，分別通入五種顏色的絲材，出料喉管設(shè)有一個(gè)。

進(jìn)一步，所述融室的外緣處固定有連接支撐片，連接支撐片固定連接于支撐架和融室之間。

進(jìn)一步，所述融室溫度控制范圍為190～280℃，出絲速率為30～60mm/s。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的FDM-3D打印機(jī)外接混色器具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)通過(guò)送絲裝置控制每種顏色絲材的送絲速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)三原色與黑、白色五種顏色絲材的不同送絲量，混合后的五種絲材經(jīng)過(guò)導(dǎo)管送入到融絲與出絲裝置經(jīng)過(guò)加熱融化，實(shí)現(xiàn)共混調(diào)色，由此形成不同的混合色。然后熔融態(tài)材料經(jīng)過(guò)裝置的出絲部分。在冷場(chǎng)的作用下，凝固成具有一定色彩順序的絲材。外接到3D打印機(jī)，可以打印出多彩的作品；

(2)確保打印過(guò)程中不出現(xiàn)斷絲、堆絲現(xiàn)象；

(3)混色裝置出料口裝溫度傳感器，監(jiān)測(cè)出口溫度，當(dāng)出口溫度偏高不足以實(shí)現(xiàn)絲材快速晶體化時(shí)，接通水泵繼電器和散熱風(fēng)扇，使得出口快速降溫；

(4)在現(xiàn)有單噴頭打印機(jī)基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)多彩工件的直接打印，與多噴頭打印機(jī)相比，不僅節(jié)約了打印機(jī)所占空間，同時(shí)也完成了現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)，節(jié)約成本。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A部分的放大示意圖；

圖3為融室、出料喉管和入料喉管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3的右視圖；

圖5為圖1中送絲裝置的右視圖；

圖6為圖1的俯視圖；

圖7為融室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為圖7中A-A面剖視圖；

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1-水泵；2-送水管；3-冷卻管；4-上水箱；5-下水箱；6-出絲導(dǎo)管；7-融室；8-送絲導(dǎo)管；9-步進(jìn)電機(jī)；10-導(dǎo)管；11-風(fēng)扇；12-導(dǎo)管接頭；13-控制板；14-輔助輪；15-絲材；16-齒輪；17-控制板安裝座；18-電機(jī)支撐架；19-顯示屏；20-顯示屏座；22-散熱片；23-支撐散熱片；24-加熱頭；25-支撐架；26-連接支撐片；27-支撐環(huán)；28-箱架；29-出料喉管；30-入料喉管；31-喉管連接處；32-溫度傳感器槽；33-加熱頭槽；34-入料流道；35-出料流道。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以通過(guò)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1～8所示，一種FDM-3D打印機(jī)外接混色器，包括箱架28、送絲裝置、融室7、出絲裝置和冷卻裝置，所述送絲裝置、融室7、出絲裝置和冷卻裝置均設(shè)于箱架28內(nèi)，融室7的入料流道34連接入料喉管30，送絲裝置通過(guò)送絲導(dǎo)管8連接入料喉管30，融室7的出料流道35通過(guò)出料喉管29連接出絲導(dǎo)管6，融室7通過(guò)固定裝置固定于箱架28內(nèi)。

所述冷卻裝置包括水泵1、送水管2、冷卻管3、上水箱4和下水箱5，上水箱4設(shè)于箱架28上方，下水箱5設(shè)于箱架28下方，上水箱4、下水箱5與兩側(cè)的送水管2之間形成閉合回路，水泵1設(shè)于送水管2和下水箱5的連接處，冷卻管3纏繞連接于出絲裝置，冷卻管3的兩端分別連通水泵1和下水箱5，水泵1將下水箱5的水運(yùn)送到冷卻管3內(nèi)，且?guī)?dòng)下水箱5的水與上水箱4的水循環(huán)。

冷卻裝置的冷卻過(guò)程為冷卻水帶走出料喉管29外的散熱片22的熱量，在水泵1的作用下，首先經(jīng)過(guò)下水箱5進(jìn)行初步散熱，然后經(jīng)過(guò)更為扁平的上水箱4進(jìn)行進(jìn)一步冷卻。通過(guò)水泵1把冷卻水再次送到散熱片22中循環(huán)冷卻。

所述送絲裝置包括步進(jìn)電機(jī)9、齒輪16、輔助輪14、控制板13、導(dǎo)管10和風(fēng)扇11，步進(jìn)電機(jī)9采用42步進(jìn)電機(jī)，為送絲裝置提供動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)9通過(guò)電機(jī)支撐架18固定于箱架28上，風(fēng)扇11安裝在電機(jī)支撐架18上，風(fēng)扇11朝向步進(jìn)電機(jī)9和散熱片22吹風(fēng)，加快入料喉管30和出料喉管29外的散熱片22的冷卻。

控制板13和輔助輪14安裝在控制板安裝座17上，通過(guò)支撐桿形成一個(gè)與電機(jī)支撐架18平行的控制板安裝座17，方便電源開(kāi)關(guān)等電器元件與其相連。

齒輪16安裝于步進(jìn)電機(jī)9的電機(jī)軸上，齒輪16和輔助輪14之間擠壓絲材15，絲材15經(jīng)過(guò)齒輪16和輔助輪14擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲速度及送絲量的控制，絲材15從導(dǎo)管10經(jīng)過(guò)送絲導(dǎo)管8傳送到融室7中，導(dǎo)管接頭12連接于導(dǎo)管10的朝外一端。

所述步進(jìn)電機(jī)9設(shè)有5個(gè)，均布于控制板安裝座17的周邊。

所述箱架28上設(shè)有顯示屏座20，顯示屏座20外側(cè)設(shè)有顯示屏19。

通過(guò)設(shè)計(jì)一種特殊的融室7，使融室7具備入料口、出料口低溫，融室7中心高溫的特性。絲材15經(jīng)融室7加熱開(kāi)始融化膨脹，絲材15膨脹與入料喉管30和出料喉管29形成了類似活塞密閉的結(jié)構(gòu)。這樣通過(guò)給進(jìn)絲材15，壓力增大，出料口的融料向外移動(dòng)，冷卻后體積收縮，形成固體絲材15。入料口、出料口分別通過(guò)喉管相連，喉管外設(shè)有散熱片22，其中散熱片22是為了提高出料口的冷卻效率，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的出料口的散熱片22外接水冷裝置。

所述融室7內(nèi)設(shè)有若干個(gè)加熱頭槽33和若干個(gè)溫度傳感器槽32，加熱頭槽33內(nèi)插有加熱頭24，溫度傳感器槽32內(nèi)插有溫度傳感器。

所述融室7的縱截面為六邊形，圍繞融室7外部固定有支撐環(huán)27，融室7上連接入料喉管30的端面通過(guò)三個(gè)支撐散熱片23連接支撐架25，支撐架25固定于箱架28上，融室7內(nèi)設(shè)有相連通的入料流道34和出料流道35，入料流道34與入料喉管30連通，出料流道35與出料喉管29連通，入料流道34的外端和出料流道35的外端均設(shè)有喉管連接處31。

所述入料喉管30和出料喉管29外均布有散熱片22，冷卻管3纏繞設(shè)于出料喉管29的散熱片22外。

所述入料喉管30設(shè)有五個(gè)，分別通入五種顏色的絲材15，出料喉管29設(shè)有一個(gè)。

所述融室7的外緣處固定有連接支撐片26，連接支撐片26固定連接于支撐架25和融室7之間。

所述融室7溫度控制范圍為190～280℃，出絲速率為30～60mm/s。

本裝置通過(guò)送絲裝置控制每種顏色絲材15的送絲速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)三原色與黑、白色五種顏色絲材15的不同送絲量的控制，混合后的五種絲材15經(jīng)過(guò)導(dǎo)管10送入到融室7中經(jīng)過(guò)加熱融化，實(shí)現(xiàn)共混調(diào)色，由此形成不同的混合色。然后熔融態(tài)材料經(jīng)過(guò)出絲裝置。在冷場(chǎng)的作用下，凝固成具有一定色彩順序的絲材15。將本裝置外接到3D打印機(jī)，可以打印出多彩的作品。

控制硬件的具體方案是，控制系統(tǒng)包括arduino2560及開(kāi)發(fā)擴(kuò)展板、5個(gè)步進(jìn)電機(jī)9、1個(gè)水泵1、一個(gè)繼電器、3個(gè)溫度傳感器、觸控顯示器?？刂品桨赴ǎ?/p>

步驟a，送絲、出絲速度控制。以arduino2560及開(kāi)發(fā)擴(kuò)展板為控制核心，與上位機(jī)切片軟件通訊獲取3D打印機(jī)的打印速度。為了確保打印過(guò)程中不出現(xiàn)斷絲、堆絲現(xiàn)象，所設(shè)計(jì)混色裝置的出絲速度與打印機(jī)的打印速度保持一致?；焐b置的出絲速度由送絲速度控制，通過(guò)arduino2560控制步進(jìn)電機(jī)9，進(jìn)一步控制五種顏色絲材15的送絲速度。

步驟b，混色比例控制。讀取目標(biāo)顏色的混色數(shù)據(jù)庫(kù)，得到五種顏色絲材的配色比例，將配色比例換算成絲材15的送絲速度比，利用步進(jìn)電機(jī)9實(shí)現(xiàn)送絲速度的控制。

步驟c，融室7、出入料口溫度控制。融室7腔內(nèi)裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)融室7溫度，當(dāng)融室7溫度低于設(shè)定值時(shí)接通加熱裝置；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，斷開(kāi)加熱裝置。由于溫度控制存在滯后性，需采用合適算法實(shí)現(xiàn)融室的恒溫控制。混色裝置出料口裝溫度傳感器，監(jiān)測(cè)出口溫度，當(dāng)出口溫度偏高不足以實(shí)現(xiàn)絲材15快速晶體化時(shí)，接通水泵1繼電器和散熱風(fēng)扇11，使得出口快速降溫。

步驟d，溫度梯度的控制。在融室7與出口的中間位置裝溫度傳感器，與融室7溫度傳感器和出口溫度傳感器，配合實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，將溫度數(shù)據(jù)送到arduino2560處理芯片，形成溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步通過(guò)控制加熱裝置、水泵1、風(fēng)扇11得到理想的溫度場(chǎng)。

實(shí)施例1：

PLA材料混色時(shí)，加熱融室7中心溫度控制在190-200℃，進(jìn)出料口溫度小于50℃。其中紅色、藍(lán)色送絲速度分別為20mm/s。其余顏色絲材停止送絲。最終形成混色紫色，出絲速率40mm/s。

實(shí)施例2：

ABS材料混色時(shí)，加熱融室7中心溫度控制在220-230℃，進(jìn)出料口溫度60-50℃。其中紅色送絲速度20mm/s、黃色送絲速度10mm/s。其余顏色絲材停止送絲。最終形成混色紅橙色，出絲速率30mm/s。

實(shí)施例3：

PA材料混色時(shí)，加熱融室7中心溫度控制在250-280℃，進(jìn)出料口溫度75-65℃。其中黃色送絲速度30mm/s、藍(lán)色送絲速度分別為20mm/s、黑色送絲速度分別為10mm/s。其余顏色絲材15停止送絲。最終形成混色深黃綠色，出絲速率60mm/s。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。