用于3D打印机的丝材盒、供给系统及3D打印机的制作方法

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印机的丝材盒、供给系统及3D打印机。

背景技术：

3D打印机又称成三维打印机，是一种以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维实体的设备。在现阶段，3D打印技术快速发展并已逐渐进入各个领域，3D打印机可采用多种材料进行打印，比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚乳酸PLA、聚乙烯醇PVA等材料，这些材料一般以丝材形式存在。

丝材盒作为3D打印机的材料来源，与挤出机构共同承担着3D打印机的丝材供给，是保证打印件的成型精度及成型质量的主要结构。现有3D打印机的丝材盒通过转轴完成打印材料的缠绕，其结构简陋，单靠打印喷头处的挤出机构来进行丝材的输送，难以实现远距离送丝，并影响到打印喷头丝材吐料速度，因此其不能适应于具有较大体积的工业级3D打印机的丝材供给需求。而且，现有的3D打印机的丝材上料和退料过程繁琐，效率较低，易于出错。

此外，丝材盒为全开放结构，在传统方式的3D打印过程中，打印材料暴露在空气中，尤其对于单次打印时间较长的工业级3D打印机来说，这种全开放式的丝材盒结构会使PVA等易吸水材料变性受潮，从而严重降低打印材料的成型性能以及打印件的成型精度和成型质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于3D打印机的丝材盒、供给系统及3D打印机，能够尽量满足工业级3D打印机的使用要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于3D打印机的丝材盒，包括：丝盘、储丝壳和丝材驱动机构，所述丝盘设置在所述储丝壳内的封闭空间内，用于缠绕3D打印用的丝材，所述丝材驱动机构设置在所述丝盘的一侧，能够驱动所述丝盘上的丝材从所述丝盘安装的原始位置到自动上料位置。

进一步的，在所述储丝壳内的封闭空间中设有丝盘轴，用于支撑所述丝盘，所述丝盘能够相对于所述丝盘轴转动。

进一步的，所述丝材驱动机构包括：位于同一平面的主动轮和从动轮，所述主动轮能够由外力进行驱动，所述主动轮与所述从动轮之间形成能够对所述丝材挤压的间隙，通过主动轮的转动来引导所述丝材运动。

进一步的，所述储丝壳上有操作面板，在所述操作面板上设有能够露出所述主动轮部分轮廓的操作窗，能够穿过所述操作窗后推动所述主动轮以使主动轮转动。

进一步的，所述操作窗包括：设置在所述操作面板上的凹入结构，所述凹入结构能够容纳所述主动轮和所述主动轮的轮轴，在所述轮轴的径向上设有弹性元件，通过所述弹性元件对所述轮轴的预紧作用以使所述主动轮部分轮廓露出所述凹入结构，在所述主动轮受到外力的向内挤压作用时，所述轮轴能够压缩所述弹性元件而使所述主动轮向所述凹入结构内部移动。

进一步的，还包括导料件，设置在所述丝盘的一侧，能够在所述丝盘安装到原始位置后形成将所述丝材引导到自动上料位置的引导通道，以便所述丝材驱动机构沿所述引导通道对所述丝材进行驱动。

进一步的，所述导料件包括导料管和导料管位置调整机构，所述导料管用于穿设所述丝材，所述导料管位置调整机构与所述导料管可操作的连接，能够调整所述导料管的位置，以使所述导料管与挤丝装置的进料接头连接或分离。

进一步的，所述导料管位置调整机构包括操作钮、推杆和导槽，所述导槽设置在所述储丝壳上，所述推杆的一端穿过所述导槽与所述导料管连接，另一端安装所述操作钮，通过沿所述导槽的长度方向推动所述操作钮，能够使所述推杆带动所述导料管在与所述挤丝装置的进料接头进行连接的位置和分离位置之间移动。

进一步的，所述导槽上对应于所述导料管与所述挤丝装置的进料接头进行连接的位置设有操作钮孔，通过在所述操作钮孔位置对所述操作钮进行挤压或旋转，能够使所述操作钮被限位在所述操作钮孔内，以使所述导料管维持在与所述挤丝装置的进料接头进行连接的位置。

进一步的，在所述储丝壳上还包括能够与装设所述储丝壳的机壳相对旋转的旋转结构，以便所述储丝壳在装卸所述丝盘的位置和工作位置之间切换。

进一步的，在所述储丝壳上还设有提手结构，通过对所述提手结构的施力作用能够使所述储丝壳相对于所述机壳旋转。

进一步的，所述提手结构为形成在所述储丝壳上的提手孔。

进一步的，在所述储丝壳上还包括磁性吸合结构，能够在所述储丝壳切换到所述工作位置时与所述机壳实现磁性吸合。

为实现上述目的，本发明还提供了一种供给系统，包括前述的丝材盒。

进一步的，还包括设置在所述丝材盒一侧的挤丝装置，能对来自于所述丝材盒的丝材进行持续的挤压和推动，以实现所述丝材的自动上料。

进一步的，所述挤丝装置包括：持续挤丝机构、丝材传感元件和控制元件，所述丝材传感元件能够检测所述丝材是否到达自动上料位置，并向所述控制元件提供传感信号，所述控制元件能够根据所述传感信号在确定所述丝材到达自动上料位置后控制所述持续挤丝机构对所述丝材进行持续的挤压和推动。

进一步的，所述丝材传感元件为接近开关。

为实现上述目的，本发明还提供了一种3D打印机，包括前述的丝材盒或前述的供给系统。

基于上述技术方案，本发明在储丝壳的封闭空间内安装缠绕3D打印的丝材的丝盘，这样在3D打印过程中丝材周围环境能够保持干燥，避免因与外界环境的接触而导致丝材受潮变性，影响打印件成型效果，进而尽量满足工业级3D打印机的使用要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本发明供给系统的一实施例的整体装配示意图。

图2为本发明供给系统的一实施例的爆炸分解示意图。

图3为本发明供给系统实施例中的挤丝装置的爆炸分解示意图。

图4为本发明丝材盒的一实施例的爆炸分解示意图。

图5为本发明丝材盒的一实施例的整体装配示意图。

图6为本发明丝材盒实施例的正视图。

图7为本发明丝材盒实施例中的储丝壳及操作面板的结构示意图。

图8为图7中的位置I的放大示意图。

图9为图6中A-A方向的剖视图。

图10为本发明3D打印机的一实施例的控制原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在前面背景技术部分已经提到，现有的丝材盒为全开放结构，会造成丝材受潮变性的问题。因此为了克服这一问题，本发明设计了一种新型的可用于3D打印机的丝材盒。其中，丝材盒主要包括：丝盘储丝壳和丝材驱动机构，丝盘设置在所述储丝壳内的封闭空间内，用于缠绕3D打印用的丝材，所述丝材驱动机构设置在所述丝盘的一侧，能够驱动所述丝盘上的丝材从所述丝盘安装的原始位置到自动上料位置。由于丝盘设置在储丝壳的封闭空间内，其出丝是通过丝材驱动机构将丝盘上的丝材送到自动上料位置后再进行持续上料的，因此在这个过程中丝材不会与外界的潮湿环境接触，因此不会发生受潮变性的问题，进而提高了3D打印制品的成品质量。

以下将结合图1-图10对本发明的丝材盒、供给系统以及3D打印机进行详细的说明。

如图1所示，为本发明供给系统的一实施例的整体装配示意图。在图1中，供给系统包括机壳3、挤丝装置2和丝材盒5，其中机壳3具有较大的内部空间，用来容纳丝材盒5，机壳3还可以协助丝材盒5实现更为封闭的内部环境。挤丝装置2用于对来自于丝材盒5的丝材1进行持续的挤压和推动，以实现丝材1的自动上料。通过挤丝装置2可以增加丝材1的输送力，以使丝材的输送更加畅通，满足工业级3D打印机的远距离送丝的需求，提高打印件的成型质量和成型效率。

丝材盒5用于容纳缠绕好的丝材1，并作为3D成型的丝材输出源，丝材盒5可装设在机壳3内，并且为了方便丝材盒5中的丝材放入，图2示出了丝材盒5相对于机壳3向外翻转打开的结构，其中丝材盒5和机壳3之间的旋转结构可以为图2所示的丝材盒转轴4。通过这种旋转结构，可以使丝材盒5在装卸丝盘5.2的位置和工作位置之间切换。在其他实施例中，丝材盒5和机壳3之间也可以是其它的相对运动关系，例如抽拉结构，使丝材盒5能够相对于机壳3抽拉出来，并在安装丝盘5.2后，推回到机壳3内。

在丝材盒5和机壳3之间还可以设置磁性吸合结构，能够在所述丝材盒5切换到所述工作位置时与所述机壳3实现磁性吸合。具体来说，可在丝材盒5(具体可在储丝壳5.1)上设置第一磁性体5.9，在机壳3上对应于第一磁性体5.9的位置设有第二磁性体3.4。在其他实施例中，也可以采用卡扣连接、螺栓连接方式等实现丝材盒5和机壳3之间的固定。

图1和图2示出的机壳上设有两组丝材盒5和挤丝装置2，在其他实施例中可以只采用一组丝材盒5和挤丝装置2，或者更多数量的丝材盒5和挤丝装置2，具体数量可根据实际需要减少或增设。一个丝材盒5可由不止一个挤丝装置2进行丝材驱动，例如在挤丝装置2出现故障时进行轮换。而一个挤丝装置2也可以对应于多个丝材盒5，以便在一个丝材盒5供丝完毕后，将另一个丝材盒5接到该挤丝装置2上即可持续出丝。

在机壳3上可设置多个安装、导向或过丝用的通孔，图2中通孔3.1用于提供用于引导丝材运行的导料件通过的通道，通孔3.2用于在机壳3的上方平面安装挤丝装置2，通孔3.3用于将机壳3的底脚安装在地面或稳定的安装平面上。

在本发明的供给系统和3D打印机中，挤丝装置2能够对来自于丝材盒5的丝材1进行持续的挤压和推动，以实现所述丝材1的自动上料。图3示出了挤丝装置2的一个具体实现结构例，但并不仅限于此例。具体来说，挤丝装置2可具体包括：持续挤丝机构、丝材传感元件和控制元件，所述丝材传感元件能够检测所述丝材1是否到达自动上料位置，并向所述控制元件提供传感信号，所述控制元件能够根据所述传感信号在确定所述丝材1到达自动上料位置后控制所述持续挤丝机构对所述丝材1进行持续的挤压和推动。

其中持续挤丝机构可以包括挤丝主动轮2.2、驱动挤丝主动轮2.2的驱动机构(例如伺服电机2.4等)和挤丝从动轮2.3，丝材1穿过挤丝主动轮2.2和挤丝从动轮2.3之间的间隙，通过驱动机构的驱动使得挤丝主动轮2.2转动，利用挤丝主动轮2.2和丝材1之间的摩擦力将丝材1向远离丝材盒5一侧的方向输送，挤丝从动轮2.3能够协助挤丝主动轮2.2向丝材1施加挤压力，以产生能够使丝材1运动的摩擦力。

丝材传感元件用于检测丝材1的到位情况，图3中示出的丝材传感元件为接近开关2.8，通过检测丝材1是否接近的方式来产生相应的电平信号。在其他实施例中，丝材传感元件还可以采用光电对射管等其他可行的传感元件。控制元件可以为各种现有的控制器，例如单片机控制芯片等，其可以控制挤丝主动轮2.2的驱动机构的运行和停止。

为了安装上述持续挤丝机构和丝材传感元件的具体部件，在挤丝装置中还可以进一步设置第一外壳2.1、第二外壳2.6和支架2.5，第一外壳2.1和第二外壳2.6可以安装在支架2.5上，形成内部的安装空间，该支架2.5可形成为“工”字形结构，在支架2.5的一侧通过从动轮安装轴2.10在第一外壳2.1和支架2.5之间安装挤丝从动轮2.3，在在挤丝从动轮2.3的同侧还设有挤丝主动轮2.2，其通过安装在支架2.5另一侧的驱动机构(例如伺服电机2.4等)的输出轴进行支撑。

接近开关2.8和用于引导丝材1运行的丝材引导结构2.7也安装在与挤丝主动轮2.2和挤丝从动轮2.3同侧的支架2.5上。在支架2.5上还可设置多个起安装、通过或导向作用的通孔，例如在支架2.5的底座位置设有将支架2.5固定在机壳3上的安装孔2.14，在支架2.5的竖立的支撑板上设有用于支撑从动轴安装轴2.10的通孔2.12，在支架2.5的上下平面上可设置供丝材通过的通孔和2.13，在下方的通孔2.13中可以安装进料接头2.9，在上方的通孔中可以安装出料接头2.11。

丝材引导结构2.7可设置在挤丝主动轮2.2和挤丝从动轮2.3的下方，其可以形成为L型结构，其中下侧可设有贯通的孔，以供丝材1通过，通过的丝材1可以在丝材引导结构2.7靠上位置的侧平面的引导下顺利地插入到挤丝主动轮2.2和挤丝从动轮2.3之间。接近开关2.8同样可设在丝材引导结构2.7靠上位置的侧平面的对侧，以便在丝材1插入到挤丝主动轮2.2和挤丝从动轮2.3之间时能够被有效检测到。

下面结合图4到图9详细的说明一下本发明的丝材盒5的一种具体实现结构和各部件的功能及运行关系。

在本实施例中，丝材盒5包括：丝盘5.2、储丝壳5.1和丝材驱动机构，所述丝盘5.2设置在所述储丝壳5.1内的封闭空间内，用于缠绕3D打印用的丝材1，所述丝材驱动机构设置在所述丝盘5.2的一侧，能够驱动丝盘5.2上的丝材1从所述丝盘5.2安装的原始位置到自动上料位置。

在储丝壳5.1内的封闭空间中可设置丝盘轴5.4，用于支撑丝盘5.2，丝盘5.2能够相对于所述丝盘轴5.4转动。从图4中可以看到，储丝壳5.1中可形成有一个中空凹入结构5.3，在丝盘5.2之外还可以另设扣在储丝壳外的结构以形成储丝壳5.1内的封闭空间，或者利用机壳3的内部来配合储丝壳5.1形成其内部的封闭空间。通过丝盘5.2的转动能够使缠绕在丝盘5.2上的丝材1不断地向外送出，从而实现持续的丝材输送。

丝材驱动机构可以有很多种不同的实现形式，图9的剖视图中清楚地示出了一种基于主从动轮配合的驱动方式实例，即丝材驱动机构包括：位于同一平面的主动轮5.5和从动轮5.6，所述主动轮5.5能够由外力进行驱动，主动轮5.5与所述从动轮5.6之间形成能够对所述丝材1挤压的间隙，通过主动轮5.5的转动来引导所述丝材1运动。也就是说，通过主动轮5.5和从动轮5.6共同对丝材1的挤压和摩擦力的作用，利用主动轮5.5的旋转使丝材1从丝盘5.2向往输送。

主动轮5.5可以通过人力驱动或者电机等驱动机构进行驱动。从动轮5.6可以安装在图4中储丝壳5.1上的从动轮安装孔5.1.1。储丝壳5.1上可以有操作面板5.7，以便操作人员在该操作面板5.7上进行操作。为了使操作人员能够直接对主动轮5.5进行驱动，可以在操作面板5.7上设置能够露出主动轮5.5部分轮廓的操作窗5.7.4，操作人员能够穿过操作窗5.7.4后，向内推动主动轮5.5以压向丝材1，在压紧了丝材1后进一步拨动主动轮5.5来使之转动，进而带动丝材1向外运动。

在图4-图8中，操作窗5.7.4可以具体包括：设置在所述操作面板5.7上的凹入结构，凹入结构能够容纳主动轮5.5和所述主动轮5.5的轮轴，在轮轴的径向上设有弹性元件5.7.6，通过弹性元件5.7.6对轮轴的预紧作用以使所述主动轮5.5部分轮廓露出所述凹入结构，并且利用弹性元件5.7.6的作用使得主动轮5.5在未操作时远离从动轮5.6，从而避免丝材1通过时因为主从动轮之间的间隙过小而难以通过。在主动轮5.5受到外力的向内挤压作用时，轮轴能够压缩所述弹性元件5.7.6而使所述主动轮5.5向所述凹入结构内部移动。

为了使主动轮5.5维持在凹入结构的位置，还可以在凹入结构内增加挡板5.7.5和螺钉5.7.7，通过挡板5.7.5来挡住主动轮5.5的轮轴，并露出主动轮5.5的轮身部分。为了安设主动轮5.5的轮轴，在凹入结构内可以设置对应于轮轴位置的凹槽5.7.4.4，在该凹槽5.7.4.4的底面内可设置用来安装弹性元件5.7.6的安装槽5.7.4.2，在凹入结构的内侧还设有用来安装从动轮5.6的轮轴的安装孔5.7.4.1，在凹入结构还设有螺栓孔5.7.4.3，用来安装螺钉5.7.7。

考虑到丝材1从储丝壳5取出后可通过挤丝装置2进行持续的出丝过程，因此在丝材盒还可以进一步包括导料件，将其设置在丝盘5.2的一侧，能够在丝盘5.2安装到原始位置后形成将丝材1引导到自动上料位置的引导通道，以便所述丝材驱动机构沿所述引导通道对所述丝材1进行驱动。

参考图4-图9所示的导料件，该导料件可以包括导料管5.8.3和导料管位置调整机构，所述导料管5.8.3用于穿设所述丝材1，所述导料管位置调整机构与所述导料管5.8.3可操作的连接，能够调整所述导料管5.8.3的位置，以使所述导料管5.8.3与挤丝装置2的进料接头2.9连接或分离。导料管5.8.3可以在储丝壳5.1上设置的导料孔5.1.3中上下运动。

其中，导料管位置调整机构可以具体包括操作钮5.8.1、推杆5.8.2和导槽5.7.3，所述导槽5.7.3设置在所述储丝壳5.1上，所述推杆5.8.2的一端穿过所述导槽5.7.3与所述导料管5.8.3连接，另一端安装所述操作钮5.8.1，通过沿所述导槽5.7.3的长度方向推动所述操作钮5.8.1，能够使所述推杆5.8.2带动所述导料管5.8.3在与挤丝装置2的进料接头2.9进行连接的位置和分离位置之间移动。操作钮5.8.1、推杆5.8.2和导槽5.7.3可以设置在操作面板5.7上，以便操作人员在操作面板一侧进行丝材的驱动和导料管的位置调整。

前面提到丝盘5.2上的丝材1可通过丝材驱动机构引出并向挤丝装置2输送，而导料管5.8.3能够与丝材1的轮廓相配合，而导料管5.8.3可以在不需要输送丝材1的时候可以退到导槽5.7.3下方，而当需要输送时，可以利用操作钮5.8.1和推杆5.8.2将导料管5.8.3向上推到挤丝装置2的进料接头2.9上进行连接。

考虑到输送时需要维持导料管5.8.3的位置，因此优选在导槽5.7.3上对应于所述导料管5.8.3与所述挤丝装置2的进料接头2.9进行连接的位置设有操作钮孔5.7.8，通过在操作钮孔5.7.8位置对所述操作钮5.8.1进行挤压或旋转，能够使所述操作钮5.8.1被限位在所述操作钮孔5.7.8内，以使所述导料管5.8.3维持在与所述挤丝装置2的进料接头2.9进行连接的位置。

前面提到丝材盒5能够相对于机壳3旋转，为了方便操作人员的操作，在储丝壳5.1上可以设置提手结构，通过对提手结构的施力作用能够使所述储丝壳5.1相对于所述机壳3旋转。提手结构可以设设置在储丝壳5.1上的凸起结构，也可以是在储丝壳5.1上形成的提手孔5.7.2。在储丝壳5.1的下角位置可以设置转轴孔5.1.2，以便穿设丝材盒转轴4。

上述说明的本发明丝材盒实施例或者供给系统实施例可适用于各种3D打印机，因此本发明还进一步提供了一种3D打印机，包括前述的丝材盒5或前述的供给系统。图10示出了一种3D打印机的一个实施例的原理示意图。结合图1-图9，下面进一步对丝材盒5的一个实例的出料和退料过程进行说明。

丝材上料：通过提手孔5.7.2从机壳3中拉出储丝壳5.1，将丝盘5.2通过丝盘轴5.4放置于储丝壳5.1的中空凹入结构5.3中，将丝材1穿入导料管5.8.3。然后沿着丝材盒转轴4将储丝壳5.1旋转闭合，使第一磁性体5.9与第二磁性体3.4吸合，完成丝盘放置过程。

向上推动操作钮5.8.1使导料管5.8.3与进料接头2.9配合，按下操作钮5.8.1使其进入操作钮孔5.7.8，然后按压并转动主动轮5.5，使主动轮5.5和从动轮5.6挤压移动丝材1，使丝材1进入丝材引导结构2.7。

丝材1在主动轮5.5和从动轮5.6啮合挤压下，不断进给，直到接近开关2.8检测到丝材1经过，接近开关2.8发送电平信号给单片机6，单片机6输出驱动信号，驱动伺服电机2.8转动，以便带动挤丝主动轮2.2持续转动，进而使得挤丝装置2能够将丝材盒5内的丝材取出并输送到需要用丝的位置。在这个过程中，操作人员可以通过手动方式进行丝材的上料，并利用单片机、伺服电机等进行丝材的持续输送，从而实现半自动化的送丝过程，如果丝材上料也通过控制器、电机等设备完成，则可以实现全自动化的送丝过程。

丝材退料：向下推动操作钮5.8.1使导料管5.8.3与进料接头2.9分离，然后用剪刀将导料管5.8.1与进料接头2.9分离部分的丝材1剪断；再通过提手孔5.7.2打开储丝壳5.1，将丝盘5.2从储丝壳5.1中取出，然后沿着丝材盒转轴4将储丝壳5.1旋转闭合，使第一磁性体5.9与第二磁性体3.4吸合，将丝盘5.2包裹后置于干燥环境；然后通过挤丝装置2中的伺服电机反转，来引导剩余的丝材1从提手孔中自动退出，完成丝材盒退料过程。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。