一种3D打印机耗材剩余量检测装置的研究

摘 要：3D打印作为第三次工业革命的代表性技术之一，凭借其加工的优良特性，在越来越多的领域中被采用。但是，目前最常用的3D打印机采用的是喷口处加热熔融，它的耗材是按卷出售的，这就导致在实际使用过程中出现耗材用尽时打印机依然处于工作状态。目前大多数3D打印机都不存在余料检测装置，无法提醒用户及时更换材料而带来麻烦。本论文主要讨论一种夹具红外传感式耗材检测报警装置，以更好地解决这个问题。

关键词：3D打印;耗材剩余量;红外感应;检测报警

1 3D打印概述

3D打印技术又被称为增材制造，是快速成型技术的一种，被广泛用用于工业设计、汽车、航空航天、医疗产业等众多领域。3D打印的一般过程为：先通过相关软件进行构建三维模型或直接扫描实体获得三维数据进而构建三维模型，然后将所得模型经专业的三维模型分析软件进行分析，得到模型的每一层截面的信息并指导打印机逐层打印出来。

随着增材技术的发展，3D打印技术已经发展到了几十种，它主要分为七大类，包括熔融沉积制造、粘结剂喷射、材料喷射、光固化成形、片层压、选择性激光烧结和定向能量沉积。其中熔融沉积制造技术最常用的材料为丝状的PLA，PLA是一种由玉米淀粉合成的高分子材料，是一种环境友好型材料。熔融沉积制造技术是目前最为常见的3D打印技术，熟练度高而成本低。

2 问题阐述

目前市面上的绝大部分3D打印机采用的是喷口处加热熔融，步进电机旋转送料的方式进行3D打印。3D打印在众多领域中被采用，也逐渐被人们所接受。但是，目前市面上的绝大部分3D打印机，在实际打印过程中，都存在一个问题，就是耗材一般是整卷（每卷1KG）出售的，在实际使用过程中几乎很难出现打印几个模型之后恰好完整地用完一整卷材料的情况，经常出现再打印过程中，耗材用尽时打印机依然处于工作状态，导致许多的模型打印失败而浪费材料。但是，市面上绝大多数消费机桌面打印机，都不存在检测余料的装置，当余料不足需要更换材料时打印机无法报警而引起不必要的麻烦。

目前已有的技术当中，有一个实用新型专利，专利号为CN201921018055.X，结构图如图1所示。但是此技术存在三个主要问题，第一，因为此发明通过余量重量来检测，所使用的A压力传感器必须和5绕线棍紧密接触，这样在打印机工作过程中，A绕5旋转，在重力影响下，传感器工作必定受到影响;第二，整体装置较为精密，成本较高。如果将此装置推向材料的生产厂家，目前PLA材料每千克售卖单价为150元左右，此装置会大大加大材料成本。如果将此装置卖给用户，用户必须将购买来的卷材自行缠绕在此装置上，增加了用户的工作量，商业价值不高;第三，目前市面上3D打印机尺寸规格不一，一般的打印机会自带绕线棍，此装置并不能适配规格不一的绕线棍，使其保证同心旋转，这样这套压力传感装置就无法正常工作。

3 检测报警装置

本装置名为夹具红外传感式耗材检测报警装置，主要包括内置可充电电池、红外传感器（中间的黑色圆圈）、微型控制板（内含控制模块与通讯模块）、扬声器、LED报警灯，如图2所示。

当3D打印机正在打印时，开启本装置，随着时间的推移耗材将逐渐减少，当耗材减少到一定量时，也就是红外传感器感应范围内无耗材时，红外传感器接受到信号并传递给通讯模块，通讯模块会将指令传递给控制模塊，此时控制模块将会控制扬声器放出报警声，并控制LED报警灯闪烁，提醒用户耗材即将耗尽，以便用户及时更换耗材，使用户不用在一旁监视等待，为用户节省了大量的时间与精力。本装置采用红外感应装置来检测耗材是否减少，所以只适用于透明耗材框，以便于红外传感器正常工作。

本装置设计相对于其他相关设计有诸多的优势。装置结构简单，重量较轻，不会影响打印机工作。当装置报警时，耗材并未耗尽，还留有一定的材料，给用户留有充足的准备时间，符合大众用户的使用习惯。通讯模块中含有蓝牙模块，方便与具有蓝牙功能的打印机或者是用户的手机绑定，打印机支持时，当材料耗尽时打印机可自动暂停，更换耗材之后继续打印;用户的手机端装有相关应用时，可以对用户发出报警，这样当打印机耗材即将耗尽时，用户不必守在打印机的周围也能及时了解耗材是否消耗完毕。本装置采用夹装的方式，不仅方便安装，并且适用一定范围内的多种耗材框，可重复使用，降低用户的使用成本。

4 总结

3D打印技术作为一种先进的制造技术，为传统制造技术做了重要的补充，为制造业带来了新的解决方案。3D打印技术拥有着广阔的应用前景，拥有着巨大的优势。但是，他依然是一项新技术，相较于发展百年的传统制造技术，它还有很长的路要走，以弥补自身的不足，逐步走向完善。本文结合生产实践，本文设计了一种基于红外传感器的夹式耗材余量检测报警装置，为解决耗材余量检测与报警提供了一种解决方案，可以为使用者解决不必要的问题和麻烦。

参考文献：

[1] 李小丽，马剑雄，李萍，等. 3D打印技术及应用趋势[J]. 自动化仪表，2014，35（1）：1-5. DOI：10.3969/j.issn.1000-0380.2014.01.001.

[2] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等. 3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 材料工程，2016，44（2）：122-128. DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.019.

[3] 林少忠. 一种3D打印机余料报警装置：CN201921018055.X[P]. 2020-06-30.

作者简介：

赵在胜（1996-），男，汉族，河南省范县，本科生在读，方向：机械工程。