阅读说明：本技术 行星齿轮切换的双色三维打印机推料装置 (Double-color three-dimensional printer material pushing device switched by planetary gears ) 是由 罗天珍 吴小平 吴丹丽 于 2020-02-24 设计创作，主要内容包括：行星齿轮切换的双色三维打印机推料装置；属于机械构造领域；本发明主体结构包括：固定在结构板的供料电机、推料齿轮、承载推料齿轮的摆臂、进料孔或过料孔；基本安装关系：供料电机驱动摆臂上的推料齿轮与固定推料齿轮齿合后夹紧而推动料丝；至少1个推料齿轮使用的是行星推料齿轮；摆臂使用的是行星支架,行星推料齿轮被安装在行星支架上的行星轴上；从轴向看去,行星推料齿轮与固定推料齿轮的较小直径的齿部之间的无料丝下的自然空隙使得在2个齿轮轴线所确定的平面的截面齿部区域的内切圆的直径小于料丝的直径可以被广泛用于FDM-3D打印机中。(A pushing device of a double-color three-dimensional printer switched by a planetary gear; belonging to the field of mechanical construction; the main structure of the invention comprises: a feeding motor, a pushing gear, a swing arm for bearing the pushing gear, and a feeding hole or a material passing hole which are fixed on the structural plate; basic installation relation: the feeding motor drives the pushing gear on the swing arm to be meshed with the fixed pushing gear and then clamped tightly to push the material wires; at least 1 pushing gear uses a planetary pushing gear; the swing arm uses a planet support, and a planet pushing gear is arranged on a planet shaft on the planet support; the natural gap without the material wire between the teeth parts with the smaller diameters of the planetary pushing gear and the fixed pushing gear when viewed from the axial direction enables the diameter of an inscribed circle of a section tooth area of a plane determined by 2 gear axes to be smaller than the diameter of the material wire, so that the natural gap can be widely used in FDM-3D printers.)

行星齿轮切换的双色三维打印机推料装置

[技术领域]

本发明属机械制造领域，特别涉及一种单一电机驱动的双通道 FDM--3D打印机挤出装置。

[背景技术]

目前的FDM—3D打印机的挤出机构造：

在FDM-3D打印机中，挤出装置是整个打印机的最关键部件之一，挤出装置决定着打印效果和效率，挤出机装置包括送料组件及挤出组件：

送料组件分为远程送料及近程送料；远程送料是送料电机的齿轮驱动料丝进入铁氟龙软管，该铁氟龙软管经过喉管通向熔融腔部位，铁氟龙软管的2端分别是与喉管及送料电机的支架刚性锁紧的。近程送料与远程送料无本质区别，区别在于送料电机与喉管直接刚性连接而省去了传输作用的铁氟龙导料管。

挤出组件中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。

料丝送料类似于活塞，塑料丝在融化前作为活塞对熔融腔产生压力并由喷嘴被挤出；详细而言：将塑料丝从通过挤出机总成的入口端推入喉管，再通过喉管导向，送入加热铝块的熔料腔部位，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,塑料丝被充分熔化后，在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。

由于齿轮的作用点在料丝单侧并依靠压紧轮压紧，平衡差且压力也有限，而造成压力小出料缓慢等缺点。

FDM—3D打印机的背景技术：

FDM：熔融沉积成型技术是，熔融沉积成型工艺(Fused Deposition Modeling，FDM)。

打印之前FDM-3D打印机内置软件自动读取3D模型数据并将其分层,分层之后，经过高温熔化的液态通过挤出机的喷口挤出，挤出后遇冷迅速凝结固化，然后通过挤出机在平面上的摆动以及打印板向下位移形成立体实物。3D打印需要经过3D扫描、3D建模的过程，最终完成3D打印成品。当然，基于FDM成型技术的3D打印机也不例外。除去3D扫描、3D建模过程，就3D打印本身而言，FDM成型技术一般经过以下环节。首先FDM软件对3D模型数据进行分析、分层，生成打印路径以及支撑路径。其次，挤出机和打印物件承载台会升至 3D模型设置的温度。最后，打印过程中，挤出机在平面上的位移以及打印物件承载台上下位移会形成一个三维空间，挤出机和打印物件承载台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，挤出机完成一个平面上的打印任务后，打印物件承载台自动下降一层，挤出机继续打印。循环往复直至成品的完成。在打印过程中，***挤出机的线材会迅速融化，通过挤出机挤出瞬间凝结。挤出机温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，挤出机的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印物件承载台一般为加热，打印物件承载台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。熔融沉积成型的原理如下：先是向计算机输入切片文件(截面轮廓信息),切片的厚度一般选取为:0.1-0.6毫米之间；加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的(切片)截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm 厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。目前的FDM-3D技术与精雕技术(CNC)的结合还没有一个在成本，效果能尽善尽美的方案。

下面以开源软件的版本为例对切片的程序操作进行说明:

将三维模型文件生成导出为STL格式的文件，然后将STL格式文件生成Gcode格式的文件才可以对其进行打印操作的，可以在3ds max 中制作，也可以在Solid Works丶UG丶MAYA等其他的三维模型制作软件中制作。接下来，需要在3ds max中将此方块的模型进行导出，导出为STL格式的文件，并命名为适当的文件名称，值得注意的是命名的时候要使用英文或者拼音命名操作，或者字母加数字两者组合。

接下来打开Cura软件，将导出的STL格式的三维模型文件在 Cura软件中打开。支撑内分为两种类型:第一项为外部支撑:即与打印机平台能有接触的支撑结构第二项Everywhere是指所有出现悬空结构的地方均给予支撑辅助；平台附着类型也是有两个类型:第一项为模型***附加一圈底座帮助模型更牢固的粘附在平台上,第二项为模型整个底部附加底座来帮助模型粘附在平台上这里一般推荐使用第一项即可；线材直径是指3D打印机所使用的耗材的直径大小,这里因为是使用的3MM的耗材,输入2.95即可流量值100％；还需要对其他的两个重要参数进行设置：“机器设置”和“高级设置”。机器设置需要注意的设置选项是“平台大小”及"挤出量"的设置；高级设置一般只需要将这里支撑的填充密度改动即可.

目前双通道挤出机现状及缺陷:

目前的双通道挤出机都是使用各自独立的电机驱动独立的料丝，进入融料腔混合挤出。对于非混合的切换使用的情况下，2路电机轮流工作，就器件的工作效率而言：驱动电机的效能没有被充分发挥。

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本发明目的：

本发明的目的是克服现有技术中的双路需要独立的驱动电机不足，以单电机取代2个独立的电机。

本发明特点：

构造简单成熟、运行可靠。

本发明的技术方案：

该推料装置包括：固定在结构板的供料电机、太阳轴、太阳齿轮、行星支架、行星推料齿轮、固定推料齿轮、行星轴、摩擦片。

基本安装关系：安装在结构板上的供料电机驱动太阳轴带动太阳齿轮，行星支架处于与太阳轴相同的回转中心上，行星推料齿轮绕着固定在行星支架上的行星轴上；在太阳齿轮、行星推料齿轮至少1 个齿轮的端部与行星支架之间安装有摩擦片；固定推料齿轮有2个，进料孔及导料孔也是各有2个，分别安装在太阳轴的2侧；。

基本工作原理：当电机轴兼太阳轴做顺时针转动时，由于弹簧1 的轴向压力所导致的摩擦片的摩擦力的作用，带动行星支架进行同样的顺时针转动，导致行星推料齿轮去齿合固定推料齿轮2，推动料丝) 向上运动完成供料；对料丝的驱动是通过行星推料齿轮与固定推料齿轮的独特构造的齿合来实现，该独特构造是：行星推料齿轮与固定推料齿轮的构造一样：存在沿着轴向排布的较大直径的齿轮部位及较小直径的齿轮部位；较大直径的齿部相互齿合，用于互相传递动力，而较小直径的齿部之间用于夹紧并驱动料丝，当电机轴兼太阳轴做逆时针转动时，情况与顺时针相同，行星推料齿轮去齿合另一侧的固定推料齿轮。总之；推料齿轮包括行星推料齿轮与固定推料齿轮分别与行星轴及固定轴结合，大直径、小直径的齿构造沿着轴向排布，分别加工有相互驱动的齿部构造及驱(动)料(丝)齿部构造，驱(动) 料(丝)的构造是月牙状驱料齿，齿的凸出高度相对较浅，会增加与料丝的接触面积；从轴向看去：互相驱动齿部(最大直径，最凸出的部位)相互紧密齿合时，行星推料齿轮与固定推料齿轮的较小直径的齿部之间的空隙将无法允许料丝顺畅通过(该最小空隙之间截面(2 齿轮轴线所确定的平面)，齿部的内切圆的直径小于料丝的直径)，这样就能夹紧料丝。

进一步：行星支架保持自由的无约束的状态或与固定在结构板之间加装弹簧，起到双稳态的功能，弹簧一端为固定在结构板上的固定支点，另一端则是固定在行星推料齿轮运动支点上，无论弹簧是拉力还是推力，都能使得行星支架在偏离中心的位置状态下获得偏离转矩。

进一步：太阳齿轮或行星推料齿轮与垫片之间是无滑差的驱动连接或有滑差(角)的连接关系，在太阳齿轮或行星推料齿轮与垫片之间加装相对转动的限位构造，使得的相对滑差角度在+/-360度之内；具体而言是在摩擦片与太阳齿轮或行星推料齿轮之间加装垫片；垫片的一面与摩擦片接触。摩擦片的另一面通过垫片端面的触凸与太阳齿轮或行星推料齿轮端面的触凸接触，由于触凸的大小远远小于的太阳齿轮或行星推料齿轮尺度，因而换方向时要相互空转一定的滑差角度，触凸之间才能再次触碰上。

进一步：在进料孔或导料孔或料丝通道中，放置由料丝阻力结构，该结构是：夹紧弹片、小于料丝直径的小孔或开口的弹性材料。

本发明的有益效果：

推料力量巨大且平稳，喷嘴的大大流量增加，且2路供料仅仅使用单一电机。

[附图说明]

图1推料齿轮构造及工作原理示意图。

图2行星齿轮切换的双色供料器示意图。

图3带有行星齿轮切换的双色供料器的挤出机示意图。

图4垫片与太阳齿轮或行星推料齿轮之间触凸触碰示意图。

附图标注：

在图中：1.固定推料齿轮1，2.固定推料齿轮2,3.电机轴兼太阳轴，4.太阳齿轮，5.行星推料齿轮，6.摩擦片，7. 行星支架，8.行星轴，9.驱料齿部构造1，10.驱料齿部构造2,11.弹簧，12.进料孔空间，13.结构板,14.供料电机，15.料丝,16.垫片，17.喷嘴，18.弹簧铰托，19. 弹簧铰托的铰轴，20.喉部导料管，21.固定轴，22.加热铝块，23.加热电阻，24.触凸，25.驱料齿部构造1，26. 驱料齿部构造2，27.进料孔，28.导料孔兼输料软管夹头， 29.互相驱动齿部,30.轴向视图,31.太阳轴孔，32.送料装置及放大图,33.散热体，34.滑孔，35.滑块，36.， 37.挤出料丝，38.轴线

[实施案例]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：

参看图3、图2说明，可以看出：推料齿轮包括行星推料齿轮 (1)与固定推料齿轮(2)的各自轴线为轴线(38)，2者分别与行星轴(8)及固定轴(21)结合；沿着推料齿轮的轴向分别排布有驱料齿部构造1(25)及驱料齿部构造2(26)，该构造是月牙状驱料齿，齿的凸出高度相对较浅，会增加与料丝的接触面积。

图1右边虚线所框的图形为轴向视图(30)，可以看出：互相驱动齿部(29)(凸出的部位)相互紧密齿合时，行星推料齿轮与固定推料齿轮的较小直径的齿部之间的空隙将无法允许料丝(15)顺畅通过(该最小空隙之间截面(2齿轮轴线所确定的平面)，齿部的内切圆的直径小于料丝的直径)；就是较小直径的齿部之间用于夹紧料丝，在力量加载在料丝上的同时，互相驱动齿部(29)又满足齿合状态。

如图2所示：

图2中的(32)为送料装置及放大图；固定在结构板(13)的供料电机(14)的电机轴兼太阳轴(3)驱动太阳齿轮(4)相对太阳轴孔(31)自由转动；在行星支架(7)的约束下，行星推料齿轮(5) 绕着行星轴(8)转动，而行星轴(8)又绕着电机轴兼太阳轴(3) 作公转运动；当电机轴兼太阳轴(3)做顺时针转动时，由于弹簧(11) 的轴向压力所导致的摩擦片(6)提供行星支架(7)与齿轮之间的的摩擦力的作用，带动行星支架(7)进行同样的顺时针转动，导致行星推料齿轮(5)去齿合固定推料齿轮1(1)及固定推料齿轮2(2)，推动料丝(15)向上运动完成供料；对料丝(15)的驱动是通过行星推料齿轮与固定推料齿轮的独特构造的齿合来实现，该独特构造是：行星推料齿轮与固定推料齿轮的构造一样：存在沿着轴向排布的较大直径的齿轮部位及较小直径的齿轮部位；较大直径的齿部相互齿合，用于互相传递动力，而较小直径的齿部之间用于夹紧并驱动料丝，这就要求当行星推料齿轮与固定推料齿轮的较大直径的；弹簧(11)起到(双稳态)的功能，一端为固定在结构板(13)上的固定支点，另一端则是固定在行星推料齿轮(5)运动支点上。无论弹簧是拉力还是推力，都能使得行星支架(7)的获得转矩；弹簧铰托的铰轴(19) 会使得弹簧铰托(18)托住弹簧的端部并随着行星支架的转向而改变方向，其弹簧中心的柱状物起到稳定弹簧防止侧弯曲的作用。

进料孔(27)作为料丝的导引孔，相应的进料孔空间(12)内部，可以放置填充带有小孔(小于料丝直径)的胶皮，起到对料丝抽送的阻力作用；导料孔兼输料软管夹头(28)用于锁紧输料软管。

如图3所示：

主体结构与图2一致；固定在结构板(13)的供料电机(14) 的电机轴兼太阳轴(3)驱动太阳齿轮(4)相对太阳轴孔自由转动；在行星支架(7)的约束下，行星推料齿轮(5)绕着行星轴转动，而行星轴又绕着电机轴兼太阳轴(3)作公转运动；当电机轴兼太阳轴 (3)做顺时针转动时，由于弹簧(11)的轴向压力所导致的摩擦片的摩擦力的作用，带动行星支架(7)进行同样的顺时针转动，导致行星推料齿轮(5)去齿合固定推料齿轮1(1)及固定推料齿轮2(2)，推动料丝(15)向上运动完成供料；对料丝(15)的驱动是通过行星推料齿轮与固定推料齿轮的独特构造的齿合来实现，该独特构造是：行星推料齿轮与固定推料齿轮的构造一样：存在沿着轴向排布的较大直径的齿轮部位及较小直径的齿轮部位；较大直径的齿部相互齿合，用于互相传递动力，而较小直径的齿部之间用于夹紧并驱动料丝，这就要求当行星推料齿轮与固定推料齿轮的较大直径的；弹簧(11)起到(双稳态)的功能，一端为固定在结构板(13)上的固定支点，另一端则是固定在行星推料齿轮(5)运动支点上。无论弹簧是拉力还是推力，都能使得行星支架(7)的获得转矩；弹簧铰托的铰轴(19) 会使得弹簧铰托(18)托住弹簧的端部并随着行星支架的转向而改变方向，其弹簧中心的柱状物起到稳定弹簧防止侧弯曲的作用。

经过行星齿轮切换的双色供料器，将料丝经过喉部导料管(20) 送入加热铝块(22)，由喷嘴(17)挤出；加热电阻(23)对铝块进行加热，温度传感器感知铝块的温度；散热体(33)保持导料管 (36)内部料丝的冷却状态，滑块(35)上的滑孔(34)穿过X或 Y方向的水平光轴而导引挤出机运行。

如图4所示：

在太阳齿轮(4)或行星推料齿轮的端面加工有触凸(24)；也在垫片(16)的相对的端面上加工有触凸(24)；这样当在太阳齿轮 (4)或行星推料齿轮的反向相对转动时，也就是换方向时要相互空转一定的滑差角度，触凸之间才能再次触碰上。