一种多功能可扩展FDM‑3D打印机外接混合器的制作方法

本发明属于FDM-3D打印机技术领域，尤其是涉及一种多功能可扩展FDM-3D打印机外接混合器。

背景技术：

目前3D打印正在如火如荼的展开，其发展呈现出结构和材料多样化的特点。目前经常采用整体改进的方式对3D打印机整体进行升级从而实现打印材料多样化。这使得3D打印机模块化发展受阻，不利于其向着模块化方向实现。同时3D打印制造技术属于新型制造和生产技术，越来越技术会尝试着添加到3D打印过程当中，这就进一步要求3D打印的模块化发展。

目前FDM-3D打印机占据桌面机的市场主流。其结构简单，加工成本低，所以很受市场欢迎。针对多彩打印多采用多喷头工艺，同时也同采用多进一出工艺。但是都是在打印机整体上改进。并且常常伴有刮蹭，不可扩展性。上述改进同时会带来3D打印机上不设备整体结构更为复杂，不利于进一步开发设计。

技术实现要素：

有鉴于此，设计一种在目前普遍使用的单喷头3D打印机上直接对接的外接混色装置。从而实现打印机多彩多材打印。该设计结构不仅节约了打印机的空间，在完成现有设备升级的同时其兼具可扩展性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多功能可扩展FDM-3D打印机外接混合器，包括机架、进给装置、冷却出料装置、熔混装置和显示控制装置，所述冷却出料装置设于机架的一侧，熔混装置设于机架的上端，进给装置连接于熔混装置的入料端，熔混装置的出料端连接有出料喉管，出料喉管外均布设有散热片，

冷却出料装置包括冷水箱、循环冷却管和水泵，循环冷却管连接于水泵和冷水箱之间，形成循环回路，循环冷却管途径出料喉管并缠绕于出料喉管外的散热片。

进一步，所述熔混装置包括选择阀、超声波混合模块、超声振子、核心板和升降机构，超声振子通过连接杆连接超声波混合模块，选择阀和超声波混合模块均安装于核心板上，选择阀连接有若干个进料导管，选择阀与超声波混合模块之间通过连接流道连通，升降机构连接并控制选择阀，通过控制选择阀来调节不同有色材料的进给量，超声波混合模块的出料导管与出料喉管连通，超声波混合模块连通于进给装置。

进一步，所述选择阀包括至少两个阀块组，升降机构设置的数量与阀块组相同，每个升降装置连接并控制一个阀块组，阀块组之间紧密贴合并随着升降装置而产生相对滑动，阀块组之间配合连通形成流道，并设有截止出料口和选通出料口，通过升降装置调节使暂时不需要混合的有色材料流入到截止出料口停止进给，需要混合的有色材料流入选通出料口并进给到超声波混合模块中，阀块组内设有加热器口和温度传感器口。

进一步，所述阀块组包括左阀块组、中阀块组和右阀块组，中阀块组设于左阀块组和右阀块组之间，每个阀块组均设有一个进料口，每个进料口连接一个进料导管，截止出料口和选通出料口设于中阀块组上，截止出料口和选通出料口设于中阀块组的同一侧。

进一步，所述升降机构包括步进电机、框架和连接块，连接块通过丝杆和导杆连接于框架内，步进电机设于框架下方，步进电机的输出轴连接丝杆，每个阀块组对应连接一个连接块，阀块组下端与连接块上端之间通过推杆固定连接，每个连接块对应由一个步进电机控制升降，步进电机带动丝杆转动从而带动连接块沿着导杆在竖直方向移动，最终带动阀块组在竖直方向移动，通过阀块组之间的相对位移来调节有色材料流向截止出料口或选通出料口。

进一步，所述右阀块组包括竖直方向依次拼接的A阀块、B阀块、C阀块和D阀块，推杆固定连接于A阀块下端，B阀块和C阀块之间形成流道，左阀块组和右阀块组的结构相同；

中阀块组包括竖直方向依次拼接的E阀块、F阀块、G阀块和H阀块，推杆固定连接于E阀块下端，F阀块和G阀块之间形成流道，截止出料口设于G阀块和H阀块之间，选通出料口设于F阀块和G阀块之间；

左阀块组的出口和右阀块组的出口可选择连通于截止出料口或选通出料口。

进一步，所述左阀块组的推杆和右阀块组的推杆均为单圆柱杆，中阀块组的推杆设有三个，且呈三角形排列，推杆上均设有销孔，推杆与连接块之间通过销固定连接。

进一步，所述核心板包括相互键连接的核心上板架板和核心下板架板，核心板上设有超声振动块槽和选择阀槽，超声振动块槽内安装有超声波混合模块，选择阀槽内安装选择阀，超声振动块槽和选择阀槽之间连通设有连接流道，超声振动块槽在远离选择阀槽的一端与核心板的边缘之间设有出料口槽，选择阀槽至核心板边缘之间设有三个进料口槽，分别对应选择阀的三个进料口，选择阀与选择阀槽之间装配有连接环。

进一步，所述超声波混合模块包括竖直方向依次拼接的振动杆推板、振动杆套板、A超声块、B超声块、C超声块和D超声块，连接杆固定于振动杆推板上端，振动杆套板下端固定有若干组超声振动杆，超声振动杆贯穿于A超声块，并止于B超声块下端的流道上，B超声块和C超声块之间形成波浪形流道，阀块组的选通出料口与波浪形流道的一端连通，波浪形流道的另一端连接出料喉管，C超声块和D超声块之间形成用于放置电热丝的电热丝通道；

振动杆推板、振动杆套板、A超声块和B超声块之间通过定位销定位，C超声块和D超声块之间通过相互配合的燕尾槽和燕尾块插接，超声波混合模块内设有温度传感器口，C超声块通过键连接于超声振动块槽内。

进一步，所述熔混装置设有一个或多个，当熔混装置设有多个时，前一个熔混装置的出料端与后一个熔混装置的入料端相接。

相对于现有技术，本发明所述的多功能可扩展FDM-3D打印机外接混合器具有以下优势：设计一种在目前普遍使用的单喷头3D打印机上直接对接的外接混色装置，从而实现打印机多彩多材打印，该设计结构不仅节约了打印机的空间，在完成现有设备升级的同时其兼具可扩展性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明加装扩展模块进给熔混装置的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明用于浆液态进给的结构示意图；

图7为图1中熔混装置的结构示意图；

图8为图7的主视图；

图9为图7的右视立体结构示意图；

图10为图9中A部分的放大示意图；

图11为图7的仰视立体结构示意图；

图12为图8中核心板、选择阀和超声波混合模块的装配图；图13为图12的俯视图；

图14为图12的立体结构示意图；

图15为图14的仰视立体结构示意图；

图16为图7中核心板的结构示意图；

图17为图16的组装图；

图18为图16的仰视立体示意图；

图19为选择阀的立体示意图；

图20为图19的后视立体图；

图21为图19的主视图；

图22为图19的后视图；

图23为图20的俯视图；

图24为图20的仰视图；

图25为右阀块组的结构示意图；

图26为图25的组装图；

图27为图25的左视立体图；

图28为图27的组装图；

图29为中阀块组的结构示意图；

图30为图29的组装图；

图31为图29的右视立体图；

图32为图31的组装图；

图33为图7中超声波混合模块的结构示意图；

图34为图33的组装图；

图35为图33的仰视立体图；

图36为图35的组装图；

附图标记说明：

1-冷水箱；2-循环冷却管；3-散热片；4-水泵；5-出料喉管；6-遮盖板；7-熔混装置；8-进给装置；9-显示控制装置；10-液浆态进给机械装置；11-控制板；12-进给电机；13-注射器加热套；14-保温导管；15-超声振子；16-超声波混合模块；17-选择阀；18-连接环；19-核心板；20-步进电机；21-框架；22-导杆；23-丝杆；24-连接块；25-连接杆；26-核心上板架板；27-核心下板架板；28-进料导管；29-出料口槽；30-选择阀槽；31-超声振动块槽；32-连接流道；33-进料口槽；34-左阀块组；35-中阀块组；36-右阀块组；37-进料口；38-截止出料口；39-选通出料口；40-温度传感器口；41-加热器口；42-推杆；43-销孔；44-D阀块；45-C阀块；46-B阀块；47-A阀块；48-定位销；49-出口；50-H阀块；51-G阀块；52-F阀块；53-E阀块；54-振动杆推板；55-振动杆套板；56-A超声块；57-B超声块；58-C超声块；59-D超声块；60-加热丝口；61-波浪形流道；62-键；63-电热丝通道；64-出料导管；65-超声振动杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1～36所示，一种多功能可扩展FDM-3D打印机外接混合器，包括机架、进给装置8、冷却出料装置、熔混装置7和显示控制装置9，所述冷却出料装置设于机架的一侧，熔混装置7设于机架的上端，进给装置连接于熔混装置7的入料端，熔混装置7的出料端连接有出料喉管5，出料喉管5外均布设有散热片3。

本发明的进给装置8可分为送丝进给装置和浆液态进给装置，通过送丝进给装置可以实现对不同丝材送丝速度的控制，以及可以通过浆液态进给装置控制不同浆液态物质的进给量，从而实现对不同丝材或者液浆态材料的配比控制。

送丝进给装置具体的技术方案是：对于固态丝材进给系统采用42步进电机，为送丝进给装置提供动力。电机带动齿轮转动，丝材经过齿轮和辅助轮挤压，实现对送丝速度及送丝量的控制，丝材经过送丝导管传送到熔混装置7中。对于浆液态的材料，进给装置8与熔混装置7之间通过保温导管14连接，保温导管14和进给装置8之间连接有注射器加热套13，首先将其放在经过注射器加热套13加热的注射器中，操作控制板11控制液浆态进给机械装置10，通过进给电机12推进注射器，经由保温导管14输送到熔混装置7中。

通过冷却出料装置可以使经由熔混装置7混合后熔融态材料降温。对于熔点较高的材料可以直接变为固态。对于浆态材料可以改变其混合后的粘稠度，从而有利于运输和打印。

冷却出料装置包括冷水箱1、循环冷却管2和水泵4，循环冷却管2连接于水泵4和冷水箱1之间，形成循环回路，循环冷却管2途径出料喉管5并缠绕于出料喉管5外的散热片3。

混合后材料的热量经由散热片3带入到循环冷却管2。在冷水箱1中水的部分热量被空气自然对流带走，从而水温降低。利用水泵4低温水被抽到循环冷却管2，最终又回到散热片3进一步带走热量。从而使混合后材料的温度快速降低。

所述熔混装置包括选择阀17、超声波混合模块16、超声振子15、核心板19和升降机构，超声振子15通过连接杆25连接超声波混合模块16，选择阀17和超声波混合模块16均安装于核心板19上，选择阀17连接有若干个进料导管28，选择阀17与超声波混合模块16之间通过连接流道32连通，升降机构连接并控制选择阀17，通过控制选择阀17来调节不同有色材料的进给量，超声波混合模块16的出料导管64与出料喉管5连通，超声波混合模块16连通于进给装置8。

所述选择阀17包括至少两个阀块组，升降机构设置的数量与阀块组相同，每个升降装置连接并控制一个阀块组，阀块组之间紧密贴合并随着升降装置而产生相对滑动，阀块组之间配合连通形成流道，并设有截止出料口38和选通出料口39，通过升降装置调节使暂时不需要混合的有色材料流入到截止出料口38停止进给，需要混合的有色材料流入选通出料口39并进给到超声波混合模块16中，阀块组内设有加热器口41和温度传感器口40。加热器口41用于放置加热器，温度传感器口40用于放置温度传感器，分别用来加热和测量所在阀块的温度。

所述阀块组包括左阀块组34、中阀块组35和右阀块组36，中阀块组35设于左阀块组34和右阀块组36之间，每个阀块组均设有一个进料口37，每个进料口37连接一个进料导管28，截止出料口38和选通出料口39设于中阀块组35上，截止出料口38和选通出料口39设于中阀块组35的同一侧。

所述升降机构包括步进电机20、框架21和连接块24，连接块24通过丝杆23和导杆22连接于框架21内，步进电机20设于框架21下方，步进电机20的输出轴连接丝杆23，每个阀块组对应连接一个连接块24，阀块组下端与连接块24上端之间通过推杆42固定连接，每个连接块24对应由一个步进电机20控制升降，步进电机20带动丝杆23转动从而带动连接块24沿着导杆22在竖直方向移动，最终带动阀块组在竖直方向移动，通过阀块组之间的相对位移来调节有色材料流向截止出料口38或选通出料口39。每个连接块24连接有两个导杆22，使连接块24在移动过程中保持平衡和平稳。

所述右阀块组36包括竖直方向依次拼接的A阀块47、B阀块46、C阀块45和D阀块44，推杆42固定连接于A阀块47下端，B阀块46和C阀块45之间形成流道，左阀块组34和右阀块组36的结构相同；

中阀块组35包括竖直方向依次拼接的E阀块53、F阀块52、G阀块51和H阀块50，推杆42固定连接于E阀块53下端，F阀块52和G阀块51之间形成流道，截止出料口38设于G阀块51和H阀块50之间，选通出料口39设于F阀块52和G阀块51之间；

左阀块组34的出口49和右阀块组36的出口49可选择连通于截止出料口38或选通出料口39。

所述左阀块组34的推杆42和右阀块组36的推杆42均为单圆柱杆，中阀块组35的推杆42设有三个，且呈三角形排列，推杆42上均设有销孔43，推杆42与连接块24之间通过销固定连接。

所述核心板，采取板式复合层结构，通过研磨加工成型，采用螺栓固定装配，核心板包括相互键连接的核心上板架板26和核心下板架板27，核心板上设有超声振动块槽31和选择阀槽30，超声振动块槽31内安装有超声波混合模块16，选择阀槽30内安装选择阀17，超声振动块槽31和选择阀槽30之间连通设有连接流道32，超声振动块槽31在远离选择阀槽30的一端与核心板的边缘之间设有出料口槽29，选择阀槽30至核心板边缘之间设有三个进料口槽33，分别对应选择阀17的三个进料口37，选择阀17与选择阀槽30之间装配有连接环18。连接环18容易进行调整加工，以便于核心板与选择阀17之间装配。

所述超声波混合模块16包括竖直方向依次拼接的振动杆推板54、振动杆套板55、A超声块56、B超声块57、C超声块58和D超声块59，连接杆25固定于振动杆推板54上端，振动杆套板55下端固定有若干组超声振动杆65，超声振动杆65贯穿于A超声块56，并止于B超声块57下端的流道上，B超声块57和C超声块58之间形成波浪形流道61，阀块组的选通出料口39与波浪形流道61的一端连通，波浪形流道61的另一端连接出料喉管5，C超声块58和D超声块59之间形成用于放置电热丝的电热丝通道63。

振动杆推板54、振动杆套板55、A超声块56和B超声块57之间通过定位销48定位，C超声块58和D超声块59之间通过相互配合的燕尾槽和燕尾块插接，超声波混合模块16内设有温度传感器口40，C超声块58通过键62连接于超声振动块槽31内。

所述熔混装置7设有一个或多个，当熔混装置7设有一个时，实现“三进一出”的混合效果，即熔混装置7连接三个进给装置8。通过熔混装置7对接也可以实现扩展，从而增加入料口。当熔混装置7设有两个时，前一个熔混装置7的出料端与后一个熔混装置7的入料端相接，通过双模块装置可以实现“五进一出”的混合效果，从而实现功能扩展。

本装置的使用过程为：通过熔混装置7可以实现对材料的融化、混合，有超声振子15和选择阀电机组提供动力。在熔混装置7中，材料经由进给装置8进入到熔混装置7中的选择阀17中加热到指定温度。通过升降装置调节使暂时不需要混合的有色材料流入到截止出料口38停止进给，需要混合的有色材料流入选通出料口39并进给到超声波混合模块16中。超声波混合模块16保持适当的温度和超声功率，从而材料混合均匀。

超声振子选用40khz、50w的规格，为超声波混合模块16提供动力。选择阀17的步进电机20选用20BYJ微型步进电机，驱动选择阀17提供动力。

超声振动杆包括超声1型振动杆和超声2型振动杆，在B超声块57的流道上留有1型、2型振动杆孔组，用以连接超声1型、2型振动杆组，超声振动杆组通过振动杆推板54和振动杆套板55固定与定位。通过振动杆推板54上的连接杆25连接超声振子15，从而传递振动。

超声波混合模块的D超声块底部设有两个加热丝口60，连通电热丝通道63。电热丝经由加热丝口60在C超声块58和D超声块59间形成电热丝通道63中加热超声块体。

在左阀块组和右阀块组中，温度传感器口40分布于A阀块47、B阀块46和D阀块44，温度传感器放置于这3个温度传感器口40中，反馈温度。在中阀块组中，温度传感器口40分布于E阀块、F阀块和H阀块中，温度传感器放置于这3个温度传感器口40中，反馈温度。各阀块体间通过键锁紧，通过定位销48定位。

熔混装置7上设有遮盖板6，用于防止落入灰尘。

本装置采用研合工艺加工选择阀17。

显示控制装置9的具体方案是，控制系统包括arduino2560及开发扩展板、电源，连接被控电机、超声振子15、加热器和温度传感器。所述控制方案包括：

(1)以arduino2560及开发扩展板为控制核心，与上位机切片软件通讯获取3D打印机的打印速度。为了确保打印过程中不出现断丝、堆丝现象，所设计进给装置8的进给速度与打印机的打印速度保持一致，其出丝速度由送丝速度控制。

(2)熔混装置7装有温度传感器和加热器，实时监测融室温度，当融室温度低于设定值时接通加热装置；当温度高于设定值时，断开加热装置。由于温度控制存在滞后性，需采用合适算法实现融室的恒温控制。当混合材料相对粘稠时，接通超声振子15，进行超声混和，使混合更均匀。当出口温度过高，不利于材料的凝固，采用接通水泵继电器和散热风扇，使得出料喉管5快速降温。

(3)通过控制选择阀电机组，实现入口处进料的通断。当入口材料当前不需要混合时，选择阀17在选择阀电机组的作用关闭，阻止暂不混合材料参与混合，影响混合效果。

应用实施例1：

PLA材料混色时，加热融室中心温度控制在190-200℃，3个进料阀门打开，进出料口温度小于50℃。其中红色、蓝色送丝速度分别为20mm/s。其余颜色丝材停止送丝。最终形成混色紫色，出丝速率40mm/s。

应用实施例2：

ABS材料混色时，加热融室中心温度控制在220-230℃，3个进料阀门打开，进出料口温度60-50℃。其中红色送丝速度20mm/s、黄色送丝速度10mm/s。其余颜色丝材停止送丝。最终形成混色红橙色，出丝速率30mm/s。

应用实施例3：

巧克力材料混色时，加热融室中心温度控制在35-39℃，进出料口温度30-35℃。2个进料阀门打开，中黑巧克力进给速度0.05ml/s、白巧克力进给速度为0.05mm/s，持续时间1min。然后关闭黑巧克力阀门，停止黑巧克力进给、白巧克力进给速度为0.1mm/s，持续时间为1min。然后关闭白巧克力阀门，停止白巧克力进给、黑巧克力进给速度为0.1mm/s，持续时间为1min。之后恢复到2个进料阀门打开的初始状态和材料进给量进给时间一次重复。最终形成灰黑白有规律变化的颜色。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。