阅读说明：本技术 一种3d打印机喷头机构的检测装置及方法 (Detection device and method for 3D printer nozzle mechanism ) 是由 蒋铭波 黄宇立 杨振安 罗小帆 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种3D打印机喷头机构的检测装置及方法,所述检测装置包括但不限于以下部件：挤出系统、压力测试机构、控制系统,所述挤出系统用于将打印线材线材输送、熔融、挤出；所述压力测试机构与挤出系统相连,以测量线材挤出压力；所述控制系统与挤出系统和压力测试机构均相连。采用该装置对喷头机构进行检测,可以不同的打印速度、打印温度、回抽距离等参数进行3D打印线材的熔融挤出,测试并表征挤出压力、出口温度、挤出胀大、喷嘴漏料等挤出行为,对测试数据进行统计分析,可以评估测试线材和喷头机构的适配性,找到线材最佳的使用条件。(The invention provides a detection device and a method for a 3D printer nozzle mechanism, wherein the detection device comprises but is not limited to the following components: the system comprises an extrusion system, a pressure testing mechanism and a control system, wherein the extrusion system is used for conveying, melting and extruding printing wire rods; the pressure testing mechanism is connected with the extrusion system to measure the extrusion pressure of the wire; and the control system is connected with the extrusion system and the pressure testing mechanism. Adopt the device to detect shower nozzle mechanism, printing speed that can be different, printing temperature, pumpback distance isoparametric carry out the melting of 3D printing wire rod and extrude, test and the expression extrusion pressure, exit temperature, extrude the action of extruding such as bloated, nozzle hourglass material, carry out statistical analysis to test data, can evaluate the suitability of test wire rod and shower nozzle mechanism, find the best service condition of wire rod.)

一种3D打印机喷头机构的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印机喷头机构的检测装置及方法。

背景技术

FDM(Fused Deposition Modeling)工艺熔融沉积制造是一种常见的3D打印技术，它的材料一般是热塑性材料，如PLA、ABS、尼龙等，以线状供料，材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结成型。

材料是3D打印技术的核心，而喷头是FDM型3D打印机的核心部件，打印温度和打印速度是材料在打印机上工作的核心参数，但是现阶段没有一套成熟的设备和方法可以对材料和喷头结构进行快速的测试以验证参数是否匹配。一般只能通过实际3D打印特定的模型，然后根据模型的打印质量来反馈，这个过程中干扰因素过多，且测试周期较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印机喷头机构的检测装置及方法，该装置可实现当前存在的设备不能测试的方面，包括线材挤出压力的测量、材料从喷嘴处挤出瞬间温度的测量、材料从喷嘴处挤出时“挤出胀大”的测量及材料从喷嘴处挤出停止后“喷嘴溢料”的测量。

本发明是这样实现的：

一种3D打印机喷头机构的检测装置，包括：

挤出系统，所述挤出系统用于将打印线材线材输送、熔融、挤出；

压力测试机构，所述压力测试机构与挤出系统相连、用于支撑挤出系统，以测量线材挤出压力；

控制系统，所述控制系统与挤出系统和压力测试机构相连。

作为一种优选方案，所述挤出系统包括线材输送机构，所述线材输送机构用于输送打印线材。

详细的说，所述线材输送机构为包含齿轮、轴、皮带、辊轮、电机中的一种运动机构或多种；所述电机与控制系统相连。

详细的说，所述挤出系统还包括线材加热机构，所述线材加热机构包括喷嘴和与控制系统相连的加热块，所述加热块位于喷嘴外侧，用于加热并熔融打印线材；所述线材加热机构位于线材输送机构下方，用于承接线材输送机构传输下来的打印线材。

更详细的说，所述线材加热机构还包括与控制系统相连的热电偶、加热棒和温控器，所述热电偶和加热棒设置在加热棒并与温控器相连。

进一步的，所述挤出系统还包括与控制系统相连的计米机构，所述计米机构设置在线材输送机构上方，用于测量打印线材移动的长度。

进一步的，所述计米机构为电子计米器。

更进一步的，所述检测装置还包括与控制系统相连的光学影像系统。

作为一种优选方案，所述光学影像系统为可见光影像系统或/和红外光影像系统，其与喷嘴相邻、以对喷嘴的出口进行拍摄。

作为一种优选方案，还包括与控制系统相连的喷头擦嘴机构，所述喷头擦嘴机构与喷嘴相邻，用于擦拭喷嘴的出口。

作为一种优选方案，所述喷头擦嘴机构包括步进电机和喷头擦块，步进电机带动喷头擦块往复转动，使喷头擦快擦拭喷嘴；所述步进电机与控制系统相连。

作为一种优选方案，所述压力测试机构包括至少含一个拉压力传感器，与所有拉压力传感器相连的读取压力数值的拉压力传感器仪表；其中拉压力传感器一端固定，另一端悬空、以支撑喷嘴；压力传感器及拉压力传感器仪表均与控制系统相连。

作为一种优选方案，，所述拉压力传感器包括但不限于S型拉压力传感器、L型高拉压力传感器、U型拉压力传感器。

作为一种优选方案，所述线材输送机构位于拉压力传感器上方，且线材输送机构上设有供打印线材通行的管道。

作为一种优选方案，所述线材加热机构中设有与线材输送机构中管道同轴的输送管道，两管道间距不大于10mm；当线材尺寸为1.75mm时，两管道内径为1.75mm～2.5mm；当线材尺寸为2.85mm时，两管道内径为2.85mm～3.5mm。

同时，本发明还提供了了使用上述检测装置来对3D打印机喷头机构进行检测的方法。

本方法是这样实现的：

一种利用上述装置检测3D打印机喷头机构参数的方法，包括以下步骤：

A、安装好检测装置并预热，将3D打印线材穿过线材输送机构的管道后***喷嘴中；

B、启动装置，对线材进行熔融挤出；

C、测试和表征材料的在设备上的挤出行为。

作为一种优选方案，所述挤出行为包括挤出压力、挤出胀大、出口温度和喷嘴漏料中的一种或多种。

详细的说，具体包括以下步骤：

A、手动将打印线材穿过计米机构，***线材输送机构；打印线材运动时带动计米机构上的轮子旋转，该机构记录线材被输送的实际长度；

B、线材输送机构输送线材进入喷嘴，被线材加热机构加热熔融后从喷嘴出口被挤出；过程中，线材会向下压迫喷嘴，使拉压力传感器工作，测得“挤出压力”；

C、稳定挤出过程中，线材在喷嘴处被挤出成更细的丝状线材；通过光学影像系统拍摄挤出的材料，得到挤出胀大和喷嘴漏料的影像；

D、稳定挤出过程中，所述红外影像系统可测得材料在喷嘴处被挤出后瞬间的出口温度。

采用本发明的检测装置对3D打印机挤出机构参数进行检测的的方法和原理如下：

1.手动将线材穿过计米机构，***线材输送机构。线材运动时带动计米机构上的轮子旋转，该机构记录线材被输送的实际长度。

2.由控制系统控制线材输送机构，输送线材进入线材加热机构，线材在线材加热机构内部加热熔融后从喷嘴被挤出。过程中，线材会向下压迫喷嘴，压力传递至压力测试机构，测得的该压力就是线材的“挤出压力”。

3.稳定挤出过程中，线材在喷嘴处被挤出成更细的丝状线材，由于高分子材料的本身特性，一些材料在经过一个小孔中被熔融挤出时，挤出后的线材的尺寸一般会大于这个小孔的尺寸，在该处表现为丝状线材的直径会比喷嘴出口的内径偏大，这个就是“挤出胀大”行为。

4.在某一设定时刻，控制系统控制喷头擦嘴机构对喷嘴处挤出的材料进行清除，同时线材输送机构停止输送。

5.停留在线材加热机构中的线材，因受持续加热的作用，线材粘度降低甚至降解，外加材料本身受热膨胀和重力作用等因素的多重影响，材料会从喷嘴漏出，这就是“喷嘴漏料”行为。

6.整个测试过程中光学影像系统对喷嘴区域进行可见光影像和红外光影像的记录。

7.用软件对可见光影像进行处理。1)测得“挤出胀大”行为中丝状线材的直径，用该直径表征“挤出胀大”的程度。2)测得“喷嘴漏料”行为中从清除喷嘴处挤出的材料开始到“喷嘴漏料”行为发生的时间，用该段无漏料时间表征“喷嘴漏料”的程度。

8.用软件对红外光影响进行处理，测得材料在喷嘴处被挤出后瞬间的实际温度。这就是“出口温度”。

9.对测得的“挤出压力”、“挤出胀大”程度、“喷嘴漏料”程度、“出口温度”进行统计分析，评估线材和喷头机构是否适配。

本发明的有益效果是：

(1)采用本发明的检测装置及方法，可以实现当前存在的设备不能测试的方面，如通过压力测试机构实现对线材挤出压力的测量，通过红外影像系统实现材料从喷嘴处挤出瞬间温度的测量，通过光学影像系统实现材料从喷嘴处挤出时“挤出胀大”及从喷嘴处挤出停止后“喷嘴溢料”的测量。

(2)本发明装置可用于在线监测并记录打印温度、挤出压力、流量、材料挤出瞬间温度等数据，来反应线材的挤出情况。如：线材在本装置上进行挤出，挤出过程中可测试挤出的压力、线径数据。将数据进行统计分析后，可评估当前的温度、速度是否适合该材料，还可以通过调整温度及线材输送机构的挤出速度，判断出某一材料最合适的打印温度和打印速度，相对于传统方法而言，测试效率更高。

(3)通过对本发明装置的测量得到的数据进行分析，也可以对喷头的设计提供反馈意见，指导3D打印机厂家对喷头机构的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明喷头机构的安装示意图；

图3是本发明喷头机构的安装细节图；

图4是本发明的喷头擦嘴机构结构示意图。

图标：

1-喷头机构，11-线材输送机构，12-喷嘴，13-线材加热机构，14-线材加热机构固定梁，15-喷嘴固定板，2-喷头擦嘴机构，21-擦嘴机构安装台，22-喷头擦块，23-步进电机安装座，24-步进电机，3-仪器台架，4-拉压力传感器仪表，5-温控器，51-加热块，52-加热棒，53-热电偶，6-光学影像系统，7-处理器，8-喷头安装板，9-打印线材。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

在现有技术中，3D打印前通常会设定某一个加热温度和打印速度，线状材料在喷嘴内被熔融挤出，而从喷嘴中挤出的材料实际温度(即出口温度)一般会低于设定值，这个实际温度受到设定的加热温度和打印速度的双重影响，目前没有专门测试上述实际温度的方法。同时，材料的实际温度对材料的粘度会有很大的影响，一般来说，温度越低，材料的粘度越高，这就需要喷头机构的挤出机能提供很强的挤出压力把线状材料从喷嘴中挤出，当前没有仪器可以测试和方法专门测试这个挤出压力。此外，在材料停止挤出后，会存在“喷头溢料”问题，当前没有设备可以定量测试溢料的程度。

为此，本实施例特提供了一种3D打印机喷头机构的检测装置及方法，其主要目的是为了对3D打印机的材料和喷头结构进行快速的测试，以验证参数是否匹配。避免上述问题的出现。其整个装置中的电气元器件均与控制系统(为3D打印机本身自带的电控系统，或者实施例指出的处理器7)相连，其具体的电路及工作原理与现有技术相同，除连接关系外，其他均非是本发明改进的发明点，在此不赘述。

具体来说，参见图1，本实施例的检测装置主要包括挤出系统(计米机构、线材输送机构11和线材加热机构13)、喷头擦嘴机构2、仪器台架3、压力测试机构、光学影像系统6和处理器7；其主要目的是对目前常规的3D打印机配置的喷头机构1及其打印线材9(线性材料)进行检测。一般来说，所述打印线材从线材输送机构挤出后，进入线材加热机构加热融化后再挤出。

本申请为了检测该过程中涉及的参数，设计了本实施例装置。首先，所述线材输送机构11为一组有减速比的齿轮组，齿轮上设有螺丝孔，通过紧定螺丝与步进电机电机的轴硬紧固连接，当电机转动时，带动齿轮组旋转，将线状材料卷入挤出机构并向下输送。整个线材输送机构11安装于仪器台架3上，不对线材加热机构造成压力。而线材加热机构13包括喷嘴12和与控制系统相连的加热块51、加热棒52、温控器5，所述线材加热机构位于线材输送机构下方，用于承接线材输送机构传输下来的打印线材9，喷嘴出口即为熔融线材出料口；所述加热块设置在喷嘴外侧，加热棒设置在加热块内，并通过热电偶与温控器5相连，用于加热并熔融打印线材；所述温控器与喷嘴相连。

详细的说，所述计米机构采用常规计米器即可，主要用于计算进入整个装置的线材的长度。其可通过7字形架固定在仪器台架3上。所述压力测试机构包括拉压力传感器仪表4和两个拉压力传感器41。其中，处理器7可以选用51单片机或ARM处理器等常规处理器，其安装位置可任选。所述仪器台架3呈长方体形，并纵向放置在地面或其他平台上，仪器台架3的上方从前往后以此设置有挤出系统安装槽和其他测试组件的安装槽。其中，其他测试组件的安装槽即用于安装拉压力传感器仪表4和温控器5，且二者分别与处理器7相连。并且，所述其他测试组件的安装槽处的仪器台架3上还设有悬臂，所述光学影像系统6即设置在悬臂上、并朝向喷嘴的出料口，以实时拍摄喷头的出料情况、擦料情况，并通过摄像间隔或录像等来判断溢料时间等，同时，由于线材被加热融化，从喷嘴处挤出成更细的丝状材料，光学影像系统的镜头对准喷嘴处，可对挤出的丝状材料进行光学测径和探测其温度。光学影像系统为可见光或红外光影像系统，可直接选用市面上常用的可见光和红外光双识别分析智能一体机。

参见图2，所述喷头机构安装槽还上设置有一个门形的喷头安装板8，所述线材输送机构的电机部分即固定在喷头安装板8上方，而线材输送机构的挤线部分(一般是齿轮组挤线，所述挤线部分即为齿轮组部分。本实施例并未对其改进，在此不赘述)悬于仪器台架3右侧。所述两个拉压力传感器41与拉压力传感器仪表4电性连接，且二者的一端均固定在喷头安装板8的下方，而另一端则悬于挤线部分下方；与挤线部分出线的一端对应位置的两个拉压力传感器41上方设置有线材加热机构固定梁14，所述喷嘴12上方通过散热套管15固定在线材加热机构固定梁14上。线材加热机构固定梁支撑线材加热机构，即代表拉压力传感器41支撑线材加热机构，将拉压力传感器41的测量部位对应线材加热机构固定梁，即可通过拉压力传感器实现线材挤出压力的测量。在此，线材加热机构进料的端口应当与挤线部分出线的端口位于同一垂直线上，以避免给喷嘴水平方向的力，影响测量结果。应当注意的是，参见图3，此处的线材加热机构与线材输送机构之间仅通过打印线材相接上而已，应避免两个机构相接触。

参见图4，所述喷头擦嘴机构2位于喷嘴下方、用于擦拭挤料后的喷头机构出料口。具体的说，所述擦嘴机构2包括擦嘴机构安装台21、喷头擦块22、步进电机安装座23和步进电机24。所述擦嘴机构安装台21呈长方体形块状，其左侧通过螺栓固定在仪器台架3上，右侧纵向设有两条滑槽，滑槽内设有螺丝孔。所述步进电机安装座设为中空的块状，其右侧面上设有与滑槽对应的凸块，且凸块上也设有对应螺丝孔的通孔，在固定步进电机安装座时，只需通过螺栓***通孔和螺丝孔内即可。如此设置，可在一定范围内调整步进电机安装座的高度。所述步进电机设置在步进电机安装座内，步进电机上端面与步进电机安装座上表面螺栓固定。步进电机安装座上表面中部设有圆形通孔，所述步进电机的输出端从圆形通孔内朝上伸出，然后与喷头擦块相连，以带动喷头擦块在水平面转动，进而对喷嘴的出料口进行擦拭。

为了对本申请的检测装置及方法具有更好的理解，以下以几个测试实验为例来进行详细的描述。

一、《材料挤出条件测试》

测试目的：找到材料最佳的打印温度和打印速度。

测试条件：直径0.4mm的喷嘴，材料代号为F1。

测试方案：如材料F1在不同的温度、速度下，在喷嘴处挤出时会有不同的挤出行为，实验过程中通过记录打印温度、打印速度、挤出压力三个数值和影像系统拍摄记录的喷嘴处挤出丝材的表面质量，来综合判断当前的温度速度条件是否符合该材料的挤出。

1.线材穿过计米器，手动***线材输送机构管道中；

2.设置好温度，线材加热机构的加热块部分开始加热；

3.加热至设定温度后，线材输送机构以一定的速度向线材加热机构入料口输送线材；

4.线材通过线材加热机构(本申请并未对该流程进行改进，因此并未对此进行详细说明，可直接参照现有的喷头机构结构图)最终到达喷嘴处，此时由于线材输送机构的持续输送，线材会对喷嘴造成一个向下的挤压，压力传递至压力传感器，处理器读取压力数值；同时，线材熔融挤出，从喷嘴处挤出成更细的丝状材料，影像系统对其进行拍摄。通过使用软件对影响进行处理，由此可测得挤出材料的直径。

5.该过程中的打印温度、打印速度、挤出压力、丝材直径数据会由处理器记录下来，用于后续的分析处理。

结果分析：

如，在温度T₁,速度S₁参数下进行测试，压力数值测得平均值为10N,标准差为±3N,线径为0.6mm。

一般情况下根据挤出压力的波动幅度，可首先判断为压力不稳定；结合挤出的丝状线材直径测得为0.6mm，而喷嘴直径直径只有0.4mm，有明显的“挤出胀大”行为，可进一步判断为材料熔融不充分,需要提高打印温度或降低打印速度。

根据分析结果，将温度提高5℃(或降低一定速度)重复该测试，直至压力稳定，并且挤出丝线径接近0.4mm时，可判断为当前的温度T₂,速度S₂为材料的最佳参数。

测试结果：打印温度T₁、打印速度S₁条件下，线材与喷头机构不适配。

最佳打印温度为T₂，打印速度为S₂。

二、《喷嘴漏料测试》

测试目的：表征材料漏料的程度，找到最佳的温度和回抽距离等参数。

测试条件：直径0.4mm的喷嘴，材料代号为F₂

测试方案：材料在不同的打印温度、回抽距离参数下，在喷嘴漏料会有不同的表现，实验过程中通过测试无漏料时间，来表征材料的漏料程度。

测试流程：

1.线材穿过计米器，手动***线材输送机构管道中

2.设置好温度，喷头机构的加热块部分开始加热；

3.加热至设定温度后，控制系统控制线材输送机构以一定的速度向喷嘴端输送线材；

4.线材持续挤出，当线材挤出结束后瞬间，清除机构电机旋转，擦块将刚挤出的丝状材料进行擦除；同时，影像系统记录了整个测试过程。使用软件对影响进行处理，测得过程中无漏料的时间。

5.该过程中的打印温度、打印速度、挤出压力、丝材直径、无漏料时间等数据会记录下来，用于后续的分析处理。

结果分析：

如，在温度T₁,速度S₁,回抽距离D₁参数下进行测试，测得无漏料时间t₁为3s，挤出压力10±0.5N,线径为0.4mm。

对于材料F₂，一般情况下可以认为挤出压力稳定、“挤出胀大”行为不明显，先判断打印温度T₁和打印速度S₁参数在合适范围内。

结合无漏料时间t₁为3s，一般情况下可判断为漏料程度较为严重，回抽距离D₁较短。根据分析结果，应该将回抽距离增加2mm，重复该测试，直至漏料时间t₂有明显缩短(减小50％以上)，可判断为此时的回抽距离D₂为最佳参数。

测试结果：回抽距离D₁条件下，线材与喷嘴机构不适配

合适的条件为：打印温度为T₁，速度S₁，回抽距离D₂，无漏料时间t₂。

由此可见，本实施例设备可用于在线监测并记录打印温度、打印速度、挤出压力、出口温度、挤出胀大、喷嘴漏料等数据，来反应线材与喷头机构的适配性。并且当打印参数不允许改变时，还可以通过检测数据的分析结果，来对喷头的设计提供反馈意见，为3D打印机厂家对喷头机构的设计提供意见，如加热功率是否足够，线材输送机构极限能提供多大的力。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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。