3D打印机丝料自动更换装置及3D打印机的制作方法

本发明涉及3D打印技术领域，特别地，涉及一种3D打印机丝料自动更换装置。此外，本发明还涉及一种包括上述3D打印机丝料自动更换装置的3D打印机。

背景技术：

3D打印技术是一种基于三维模型数据，采用材料逐层叠加的来制造实体零件的方法。这项技术在机械、汽车、教育、医疗、建筑行业以及国防等领域获得广泛的应用，并取得显著的经济效益。其中，熔融沉积制造(FDM)凭借其操作简单，成型速度快等诸多优点，成为应用最为广泛的3D打印技术。虽然基于FDM技术的3D打印机在3D打印中应用最广泛，打印技术成熟，但是目前基于FDM技术打印的产品颜色单一，而现实生活中许多产品，如人像、珠宝、服装、玩具、工艺品等都要求能够同时打印多种颜色。因此彩色3D打印在3D打印领域中有广阔的市场前景。

对于彩色3D打印而言，目前的基于熔融沉积成型(FDM)技术的3D打印一般通过手动换料实现彩色打印，不能自动更换不同颜色的丝料，这就导致彩色打印的过程中一直需要人员盯守换料，工作效率低下。

CN 204997998U公开了一种可自动更换打印头的多头3D打印机，包括机架、工作台，工作台以可水平移动的装配方式安装于机架上；打印头组，其包括至少两个卡合定位于机架上的打印头；夹持座，该夹持座通过一升降机构安装于机架上，该夹持座位于打印头组与工作台之间，且该夹持座中形成有与打印头适配的夹持位；所述升降机构驱动夹持座上移动，令夹持座通过夹持位套接于打印头下端并固定，且该夹持座随升降机构向上移动以驱动打印头脱离机架，以形成一打印机头。其通过将打印头装配在夹持座上形成一打印机头，且可快速更换不同类型的打印头，以满足不同的打印需求。但该方案中，夹持座与打印头配合的结构复杂、且可靠性有待提高。参见其图5至图7，夹持座4包括座体41以及一体成型于座体41前端的凸环部42和固定于凸环部42上的金属夹套43，打印头31下端外围需设置磁铁312，当打印头31下端与夹持座4的夹持位40对接后，打印头31通过磁铁312与夹持座4中的金属夹套43吸附固定；由于采用磁铁与金属夹套配合的机构来实现吸附导致其分离时需克服磁性吸力导致不稳定，容易损坏机架上的卡扣，且座体41后端还需成型第一、第二滑套，金属夹套于夹持位内壁成型凸块，打印头下端外围形成凹槽，导致该方案需对现有的打印头进行结构改造，兼容性不好。

技术实现要素：

本发明提供了一种3D打印机丝料自动更换装置及3D打印机，以解决现有的3D打印机丝料更换繁琐或者丝料更换机构结构复杂、可靠性不高的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种3D打印机丝料自动更换装置，包括外框架及设于外框架内且沿高度方向相对外框架可升降移动的内框架；

外框架上设有两个以上用于可拆卸式固定打印喷头的第一定位机构，内框架上设有沿其所在平面移动的喷头固定板，喷头固定板的上表面设有多个沉头螺钉，各沉头螺钉之外套设有用于提供预紧力的弹性部件，弹性部件的一端抵接于喷头固定板上，另一端设有位于沉头螺钉的头部之下的弹簧座，喷头固定板上的沉头螺钉与弹簧座之间形成弹性锁紧定位的夹持空间；

每个打印喷头均设有用于起承载固定作用的连接板，连接板包括用于与喷头固定板可拆卸式连接的底板及与第一定位机构可拆卸式连接的侧板，底板上设有与沉头螺钉配合的第一定位孔，侧板上设有与第一定位机构配合的第二定位孔，底板与侧板呈垂直相交设置，打印喷头经底板与喷头固定板配合形成拼接式打印头，打印喷头经侧板与第一定位机构配合形成备用打印头。

进一步地，设于底板上的第一定位孔的位置与喷头固定板上多个沉头螺钉的位置对应设置，第一定位孔为葫芦形孔，其大头端孔径大于沉头螺钉的头部外径，小头端孔径大于沉头螺钉的螺钉直径。

进一步地，葫芦形孔的小头端上方倒角，且倒角部位的外径与沉头螺钉的头部匹配。

进一步地，第一定位机构包括与外框架固接的挂板及设于挂板上的多个挂钩，设于侧板上的第二定位孔的位置与挂板上的多个挂钩的位置对应设置，挂钩的末端设有凸出的台阶部，第二定位孔为与挂钩匹配的梯形孔，梯形孔包括与台阶部外径匹配的大孔端及与挂钩杆身外径匹配的小孔端。

进一步地，内框架上设有供喷头固定板沿水平横向移动时起导向作用的横向导杆，内框架上还设有沿纵向设置的滑轨，横向导杆经滑块沿滑轨移动，还包括驱动喷头固定板沿水平横向移动的第一驱动机构及驱动滑块带动喷头固定板水平纵向移动的第二驱动机构。

进一步地，第一驱动机构包括设置于喷头固定板上带动其沿水平横向移动的同步带，同步带连接驱动同步带移动的步进电机。

进一步地，外框架上沿其高度方向设置起导向作用的多个纵向导杆，内框架经第三驱动机构驱动后沿纵向导杆上下位移。

进一步地，打印喷头包括与底板固接的安装块，安装块内自下至上依次设置用于喷出丝料喷嘴、用于加热丝料的热电偶、用于工作时散热的散热器，散热器的顶部经压块固定至安装块上。

进一步地，安装块的前端侧壁上设有散热风扇，安装块的后端侧壁设有供热电偶走线的开口。

根据本发明的另一方面，还提供一种3D打印机，包括工作台板，工作台板之上设置上述的3D打印机丝料自动更换装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明3D打印机丝料自动更换装置及3D打印机，通过在内框架上设置可在其所处平面移动的喷头固定板，且内框架可相对外框架上下移动，实现喷头固定板在三维方向上的自由移动，且喷头固定板上设置多个沉头螺钉及与沉头螺钉配合的弹性部件、弹簧座，形成多个弹性锁紧定位的夹持空间，打印喷头经连接板的底板与喷头固定板配合形成拼接式打印头，经连接板的侧板与外框架上的第一定位机构配合形成备用打印头，实现了打印喷头的工作与备用间的自由切换，且底板与侧板呈垂直相交设置，使得打印喷头入备用库、打印喷头加载的定位方向偏离并互不干涉，避免了采用磁铁与金属夹套导致的入库及出库方向干涉且容易导致冲击，损坏机架附件等缺陷，进而提高了自动换丝的可靠性及稳定性，且该拼接式结构适于不同类型/尺寸的打印喷头，兼容性广，推广应用价值高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请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是本发明优选实施例3D打印机丝料自动更换装置的立体结构示意图；

图2是本发明优选实施例3D打印机丝料自动更换装置的另一立体结构示意图；

图3是本发明优选实施例中喷头固定板的俯视示意图；

图4是本发明优选实施例中喷头固定板局部剖面侧视示意图；

图5是本发明优选实施例中打印喷头的局部剖视示意图；

图6是本发明优选实施例中打印喷头的俯视示意图；

图7是本发明优选实施例中喷头库的局部剖面侧视示意图；

图8是本发明优选实施例中喷头库的正视示意图。

附图标记说明：

1、外框架；11、挂板；12、挂钩；13、挂板沉头螺栓；14、喷头连接板螺栓；

15、喷头连接板；16、纵向导杆；

2、内框架；21、横向导杆；22、滑块；23、滑轨；

3、喷头固定板；31、基座；32、直线轴承；33、弹性部件；

34、沉头螺钉；35、弹簧座；36、第一压块；37、第一压块锁紧螺钉；

4、打印喷头；41、连接板；411、底板；412、侧板；

413、第一定位孔；414、第二定位孔；42、安装块；43、喷嘴；

44、热电偶；45、散热器；46、第二压块；47、散热风扇；

48、安装块螺钉；49、第二压块锁紧螺钉；

5、工作台板；6、喷头库。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的优选实施例提供了一种3D打印机丝料自动更换装置，参照图1及图2，本实施例装置包括外框架1及设于外框架1内且沿高度方向相对外框架1可升降移动的内框架2；外框架1上设有两个以上用于可拆卸式固定打印喷头4的第一定位机构，内框架2上设有沿其所在平面移动的喷头固定板3，喷头固定板3的上表面设有多个沉头螺钉34，各沉头螺钉34之外套设有用于提供预紧力的弹性部件33，弹性部件33的一端抵接于喷头固定板3上，另一端设有位于沉头螺钉34的头部之下的弹簧座35，喷头固定板3上的沉头螺钉34与弹簧座35之间形成弹性锁紧定位的夹持空间；每个打印喷头4均设有用于起承载固定作用的连接板41，连接板41包括用于与喷头固定板3可拆卸式连接的底板411及与第一定位机构可拆卸式连接的侧板412，底板411上设有与沉头螺钉34配合的第一定位孔413，侧板412上设有与第一定位机构配合的第二定位孔414，底板411与侧板412呈垂直相交设置，打印喷头4经底板411与喷头固定板3配合形成拼接式打印头，打印喷头4经侧板412与第一定位机构配合形成备用打印头。

本实施例中，外框架1上设置不同颜色丝料的三个打印喷头(如，红、绿、蓝三个打印喷头)，从而构成喷头库6，且各打印喷头在外框架1上呈“一”字形排列，能够根据彩色打印的需求，自动更换不同颜色的丝料。

为了便于说明，先对丝料自动更换装置建立三维坐标系：参照图1，以3D打印机打印头初始位置O为中心建立X-Y-Z绝对三维坐标系。本实施例装置中的可拼接式打印头由打印喷头和喷头固定板两部分构成。喷头库由装载不同颜色丝料的三个打印喷头组成。喷头固定板安装在X轴双光杆上，同时X轴双光杆安装在打印机的内框架2上，在电机的驱动下可以实现喷头固定板在XYZ三个方向上的运动。且本实施例喷头固定板上设置多个沉头螺钉及与沉头螺钉配合的弹性部件、弹簧座，形成多个弹性锁紧定位的夹持空间，打印喷头经连接板的底板与喷头固定板配合形成拼接式打印头，经连接板的侧板与外框架上的第一定位机构配合形成备用打印头，实现了打印喷头的工作与备用间的自由切换，且底板与侧板呈垂直相交设置，使得打印喷头入备用库、打印喷头加载的定位方向偏离并互不干涉，避免了采用磁铁与金属夹套导致的入库及出库方向干涉且容易导致冲击，损坏机架附件等缺陷，进而提高了自动换丝的可靠性及稳定性，且该拼接式结构适于不同类型/尺寸的打印喷头，而传统的采用磁铁与金属夹套对接时，金属夹套需与打印喷头底端的外径尺寸匹配，故对于不同尺寸的打印喷头需设置不同规格的金属夹套来实现自动更换的夹持定位，本实施例自动更换装置由于采用拼接式打印头实现更换，能够兼容不同规格尺寸的打印喷头，导致兼容性广，推广应用价值高。此外，本实施例喷头固定板由于能够实现在XYZ三个方向上的运动，故而在加载打印喷头后，在处理器的控制下，根据预置程序可以实现在工作台板5上自动进行3D打印的需求，无需再对工作台板5设置附加的驱动机构，精简了机构设置，降低了3D打印的成本。

参照图2，本实施例中，内框架2上设有供喷头固定板3沿水平横向移动时起导向作用的横向导杆21，内框架2上还设有沿纵向设置的滑轨23，横向导杆21经滑块22沿滑轨23移动，还包括驱动喷头固定板3沿水平横向移动的第一驱动机构及驱动滑块22带动喷头固定板3水平纵向移动的第二驱动机构。优选地，第一驱动机构包括设置于喷头固定板3上带动其沿水平横向移动的同步带，同步带连接驱动同步带移动的步进电机。本实施例中，参照图3，同步带夹在喷头固定板3的基座与第一压块36中间，通过第一压块锁紧螺钉37锁紧，在电机的驱动下同步带带动整个喷头固定板在X轴方向运动。

本实施例中，外框架1上沿其高度方向设置起导向作用的多个纵向导杆16，内框架2经第三驱动机构驱动后沿纵向导杆16上下位移。

本实施例的喷头固定板3包括基座31、直线轴承32、圆柱螺旋弹簧(即弹性部件33)、沉头螺钉34、弹簧座35、第一压块36、第一压块紧锁螺钉37，参照图3及图4，基座31下部装有四个直线轴承32，用于使整个喷头固定板在X轴光杆上的运动，基座31上表面装有四颗沉头螺钉34，圆柱螺旋弹簧套在沉头螺钉34外部，且基座31的上表面在沉头螺钉对应处开设有环形凹槽，圆柱螺旋弹簧下端安装在基座上的环形凹槽内，上端通过弹簧座35固定。圆柱螺旋弹簧的高度可以通过沉头螺钉34的旋入深度进行调节，从而改变压缩弹簧预紧力的大小。第一压块36用于锁紧同步带，同步带夹在基座31与第一压块36中间，通过第一压块紧锁螺钉37锁紧，在电机的驱动下同步带带动整个喷头固定板在X轴方向运动。

本实施例中，优选地，连接板为底板411与侧板412形成的L形板，该L形板优选一体成型或者分立成型后固接成一体。设于底板411上的第一定位孔413的位置与喷头固定板3上多个沉头螺钉34的位置对应设置，第一定位孔413为葫芦形孔，其大头端孔径大于沉头螺钉34的头部外径，小头端孔径大于沉头螺钉34的螺钉直径。优选地，位于沉头螺钉的头部之下的弹簧座35的外径尺寸大于葫芦形孔的大头端孔径，使得该弹簧座35能起到在竖直高度方向定位的作用。优选地，葫芦形孔的小头端上方倒角，且倒角部位的外径与沉头螺钉34的头部匹配，便于形成拼接式打印头时，喷头固定板上的沉头螺钉经葫芦形孔的大头端滑入并在小头端的倒角处卡入，同时弹簧座的上表面与底板的下表面接触，经弹簧预紧力实现锁紧定位，保证了打印过程中打印喷头的定位可靠。本实施例中，底板411上开设有四个葫芦形孔，相应地，喷头固定板上设有四个沉头螺钉，通过沉头螺钉与葫芦形孔的配合实现喷头固定板可靠加载打印喷头并锁紧定位。优选地，葫芦形孔的大头端孔径略大于沉头螺钉头部直径，小头端孔径略大于螺钉直径，同时葫芦形孔小头端的上方进行倒角，利于提高打印喷头和喷头固定板的拼接和固定确定位置的可靠性。

本实施例中，参照图5及图6，打印喷头4包括与底板411固接的安装块42，安装块42内自下至上依次设置用于喷出丝料喷嘴43、用于加热丝料的热电偶44、用于工作时散热的散热器45，散热器45的顶部经第二压块46固定至安装块42上。本实施例中，安装块42的底部经四个安装块螺钉48紧固在底板411上，底板411在安装块42对应处开设用于露出喷嘴43的开孔，安装块42内自下而上依次安装喷嘴43、热电偶44及圆形散热器，且三者间通过螺纹连接为一体，其中，圆形散热器的高度略高于安装块，通过第二压块46压紧，第二压块46经第二压块锁紧螺钉49下压使得圆形散热器固定在安装块上。优选地，安装块42的前端侧壁上设有散热风扇47，安装块42的后端侧壁设有供热电偶44走线的开口，从而进一步改善打印工作时的散热效果，且走线便利，结构紧凑。

本实施例中，参照图7及图8，第一定位机构包括与外框架1固接的挂板11及设于挂板11上的多个挂钩12，设于侧板412上的第二定位孔414的位置与挂板11上的多个挂钩12的位置对应设置，挂钩12的末端设有凸出的台阶部，第二定位孔414为与挂钩12匹配的梯形孔，梯形孔包括与台阶部外径匹配的大孔端及与挂钩12杆身外径匹配的小孔端。可选地，本实施例中，第一定位机构还包括喷头连接板15，喷头连接板15通过喷头连接板螺栓14固定在外框架1上，用于挂板11与打印机的外框架1的连接；挂板11通过挂板沉头螺栓13固定在连喷头连接板15的另一端，挂板上有呈三角形分布的三个挂钩12，用于挂住打印喷头。

根据本发明的另一方面，还提供一种3D打印机，包括工作台板5，工作台板5之上设置上述实施例的3D打印机丝料自动更换装置。

本实施例彩色3D打印机自动换料装置的具体换料过程如下，以红色换黄色为例说明：

当红色丝料打印完成后，需要把装载有红色丝料的打印喷头卸下入喷头库，卸载打印喷头入喷头库包含以下过程：

(1)当打印头完成红色丝料的打印，打印头从工作位置回到初始位置0，准备开始卸载打印喷头。拼接式打印头在步进电机的带动下按照预设路径从起始位置0沿着XYZ三方向依次运动到喷头库前方，使打印头刚好处在喷头库中刚好挂红色打印头的喷头挂板处，并确保挂钩与连接板上梯形孔Y轴方向重合。

(2)到达喷头库前方后，拼接式打印头沿着Y轴方向运动，使挂钩穿过侧板上的大孔，直至侧板侧面与挂板接触。然后打印头继续沿着X轴方向运动，使挂钩进入连接板上梯形孔小孔端，实现打印喷头与挂板之间的位置固定。

(3)打印喷头挂上喷头库后，喷头固定板沿着Z轴方向稍微向上运动，使沉头螺钉头部脱离葫芦孔小头端上端倒角，然后喷头固定板沿着Y轴方向运动至沉头螺钉中心线与葫芦形孔大头端中心线对齐，此时打印喷头虽然还受到弹簧预紧力，但是喷头挂钩顶住连接板上梯形孔，使之不能随着喷头固定板沿Y方向运动，从而使可拼接打印头实现初步分离。

(4)喷头固定板沿着Z轴方向向下运动，沉头螺钉离开连接板的葫芦形孔。至此，打印喷头卸下入喷头库，喷头固定板和打印喷头实现完全分离。

卸下红色打印头后，喷头固定板从喷头库取黄色印喷头打印，包含以下过程：

(5)卸下打印头后，喷头固定板先回到起始位置O，准备开始装载黄色打印喷头。喷头固定板从起始位置O沿着XY方运动到喷头库黄色打印喷头的下方，并确保喷头固定板的沉头螺钉中心线与该打印喷头连接板上葫芦形孔大头中心线对齐，准备开始实施拼接动作。

(6)喷头固定板沿Z轴方向向上运动，四个沉头螺钉头部穿过连接板上葫芦形孔大头，使圆柱螺旋弹簧处于压缩状态。然后使喷头固定板沿着Y轴方向运动，使沉头螺钉中心线与葫芦孔小头中心线重合。然后喷头固定板稍微向下运动，使沉头螺钉头部刚好卡入葫芦形孔小头上端倒角中，同时弹簧座上表面与连接板下表面接触。通过弹簧的预紧力，喷头固定板与打印喷头拼接在一起，形成拼接式打印头。

(7)喷头固定板和打印喷头完成拼接后，喷头固定板沿着X轴方向运动就带动整个拼接式打印头沿着X轴方向运动，使挂钩对准连接板上梯形孔大端。然后拼接式打印喷头向Y轴方向运动，使打印喷头通过连接板上的梯形孔离开喷头挂钩，完成打印喷头与喷头库脱离，从而实现了黄色丝料的装载。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。