一種3D打印機耗材剩余量檢測裝置的研究

摘 要：3D打印作為第三次工業(yè)革命的代表性技術之一，憑借其加工的優(yōu)良特性，在越來越多的領域中被采用。但是，目前最常用的3D打印機采用的是噴口處加熱熔融，它的耗材是按卷出售的，這就導致在實際使用過程中出現(xiàn)耗材用盡時打印機依然處于工作狀態(tài)。目前大多數(shù)3D打印機都不存在余料檢測裝置，無法提醒用戶及時更換材料而帶來麻煩。本論文主要討論一種夾具紅外傳感式耗材檢測報警裝置，以更好地解決這個問題。

關鍵詞：3D打印;耗材剩余量;紅外感應;檢測報警

1 3D打印概述

3D打印技術又被稱為增材制造，是快速成型技術的一種，被廣泛用用于工業(yè)設計、汽車、航空航天、醫(yī)療產業(yè)等眾多領域。3D打印的一般過程為：先通過相關軟件進行構建三維模型或直接掃描實體獲得三維數(shù)據(jù)進而構建三維模型，然后將所得模型經專業(yè)的三維模型分析軟件進行分析，得到模型的每一層截面的信息并指導打印機逐層打印出來。

隨著增材技術的發(fā)展，3D打印技術已經發(fā)展到了幾十種，它主要分為七大類，包括熔融沉積制造、粘結劑噴射、材料噴射、光固化成形、片層壓、選擇性激光燒結和定向能量沉積。其中熔融沉積制造技術最常用的材料為絲狀的PLA，PLA是一種由玉米淀粉合成的高分子材料，是一種環(huán)境友好型材料。熔融沉積制造技術是目前最為常見的3D打印技術，熟練度高而成本低。

2 問題闡述

目前市面上的絕大部分3D打印機采用的是噴口處加熱熔融，步進電機旋轉送料的方式進行3D打印。3D打印在眾多領域中被采用，也逐漸被人們所接受。但是，目前市面上的絕大部分3D打印機，在實際打印過程中，都存在一個問題，就是耗材一般是整卷（每卷1KG）出售的，在實際使用過程中幾乎很難出現(xiàn)打印幾個模型之后恰好完整地用完一整卷材料的情況，經常出現(xiàn)再打印過程中，耗材用盡時打印機依然處于工作狀態(tài)，導致許多的模型打印失敗而浪費材料。但是，市面上絕大多數(shù)消費機桌面打印機，都不存在檢測余料的裝置，當余料不足需要更換材料時打印機無法報警而引起不必要的麻煩。

目前已有的技術當中，有一個實用新型專利，專利號為CN201921018055.X，結構圖如圖1所示。但是此技術存在三個主要問題，第一，因為此發(fā)明通過余量重量來檢測，所使用的A壓力傳感器必須和5繞線棍緊密接觸，這樣在打印機工作過程中，A繞5旋轉，在重力影響下，傳感器工作必定受到影響;第二，整體裝置較為精密，成本較高。如果將此裝置推向材料的生產廠家，目前PLA材料每千克售賣單價為150元左右，此裝置會大大加大材料成本。如果將此裝置賣給用戶，用戶必須將購買來的卷材自行纏繞在此裝置上，增加了用戶的工作量，商業(yè)價值不高;第三，目前市面上3D打印機尺寸規(guī)格不一，一般的打印機會自帶繞線棍，此裝置并不能適配規(guī)格不一的繞線棍，使其保證同心旋轉，這樣這套壓力傳感裝置就無法正常工作。

3 檢測報警裝置

本裝置名為夾具紅外傳感式耗材檢測報警裝置，主要包括內置可充電電池、紅外傳感器（中間的黑色圓圈）、微型控制板（內含控制模塊與通訊模塊）、揚聲器、LED報警燈，如圖2所示。

當3D打印機正在打印時，開啟本裝置，隨著時間的推移耗材將逐漸減少，當耗材減少到一定量時，也就是紅外傳感器感應范圍內無耗材時，紅外傳感器接受到信號并傳遞給通訊模塊，通訊模塊會將指令傳遞給控制模塊，此時控制模塊將會控制揚聲器放出報警聲，并控制LED報警燈閃爍，提醒用戶耗材即將耗盡，以便用戶及時更換耗材，使用戶不用在一旁監(jiān)視等待，為用戶節(jié)省了大量的時間與精力。本裝置采用紅外感應裝置來檢測耗材是否減少，所以只適用于透明耗材框，以便于紅外傳感器正常工作。

本裝置設計相對于其他相關設計有諸多的優(yōu)勢。裝置結構簡單，重量較輕，不會影響打印機工作。當裝置報警時，耗材并未耗盡，還留有一定的材料，給用戶留有充足的準備時間，符合大眾用戶的使用習慣。通訊模塊中含有藍牙模塊，方便與具有藍牙功能的打印機或者是用戶的手機綁定，打印機支持時，當材料耗盡時打印機可自動暫停，更換耗材之后繼續(xù)打印;用戶的手機端裝有相關應用時，可以對用戶發(fā)出報警，這樣當打印機耗材即將耗盡時，用戶不必守在打印機的周圍也能及時了解耗材是否消耗完畢。本裝置采用夾裝的方式，不僅方便安裝，并且適用一定范圍內的多種耗材框，可重復使用，降低用戶的使用成本。

4 總結

3D打印技術作為一種先進的制造技術，為傳統(tǒng)制造技術做了重要的補充，為制造業(yè)帶來了新的解決方案。3D打印技術擁有著廣闊的應用前景，擁有著巨大的優(yōu)勢。但是，他依然是一項新技術，相較于發(fā)展百年的傳統(tǒng)制造技術，它還有很長的路要走，以彌補自身的不足，逐步走向完善。本文結合生產實踐，本文設計了一種基于紅外傳感器的夾式耗材余量檢測報警裝置，為解決耗材余量檢測與報警提供了一種解決方案，可以為使用者解決不必要的問題和麻煩。

參考文獻：

[1] 李小麗，馬劍雄，李萍，等. 3D打印技術及應用趨勢[J]. 自動化儀表，2014，35（1）：1-5. DOI：10.3969/j.issn.1000-0380.2014.01.001.

[2] 張學軍，唐思熠，肇恒躍，等. 3D打印技術研究現(xiàn)狀和關鍵技術[J]. 材料工程，2016，44（2）：122-128. DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.019.

[3] 林少忠. 一種3D打印機余料報警裝置：CN201921018055.X[P]. 2020-06-30.

作者簡介：

趙在勝（1996-），男，漢族，河南省范縣，本科生在讀，方向：機械工程。