雙噴嘴3D打印機擠出機構的設計與分析

楊 志 宋天麟

（1.蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215000；2.蘇州大學 應用技術學院，昆山 215325）

近年來，先進制造技術一直是主流的研究方向，3D打印技術隨之進入公眾的視野，3D打印在產品設計、產品制造、建筑工程、生物醫(yī)療等領域產生了重大的影響[1]。對于內部結構復雜的產品，3D打印具有加工周期短、加工精度高、能滿足基礎模具要求等優(yōu)勢[2]。在這個個性化的時代，其在私人定制、工藝品方面也有著不凡的成就，在3D打印技術不斷發(fā)展的今天，對于效率和精度的要求越來越高，美國、日本等國家在多噴嘴打印噴頭方面的研究處于領先地位，國內對于這種技術的研究意義重大。

1 噴墨式打印機的工作原理分析及方案設計

1.1 3D噴墨打印機的工作原理

3D噴墨打印和傳統(tǒng)平面打印的工作方法類似，它是利用噴嘴連續(xù)在工作平面點膠，在每層平面點膠完成后，利用激光器照射使其迅速固化的原理。噴墨式打印機是以液態(tài)介質丙烯酸樹脂、丙烯酸酯化的丙烯酸酯樹脂、聚氨酯丙烯酸樹脂等為噴射材料。

目前，國內外3D打印設備大多數采用由點成線、由線成面、最后由面的堆疊形成三維實體[3]。所以，打印機必須擁有至少3個自由度，3D噴墨打印機的基本結構如圖1所示。噴頭部分X方向由伺服電機控制，絲杠帶動噴頭在水平面上左右平動，工作平面由三角形傳送帶在Y軸方向移動，Z方向上由一組伺服電機控制噴頭部分上下移動，如圖2所示。

圖1 MJM型噴墨打印機結構圖

圖2 噴頭剖視圖

1.2 兩噴嘴噴頭設計

傳統(tǒng)的噴頭擠出機構方式有熱發(fā)泡式、壓電式等，驅動機構的選擇決定著打印速度和精度。對于熱發(fā)泡式擠出方式，由于噴頭長期工作于高溫環(huán)境下，噴嘴會嚴重腐蝕，同時容易引起堵塞。壓電式驅動方式比起熱發(fā)泡方式擁有更多優(yōu)勢，壓電噴墨技術對墨滴的控制能力更強，并且墨滴微粒更加規(guī)則、定位更加準確。目前，國內對單噴頭噴射機構的研究已經比較成熟。1988年，清華大學開始研究熔融沉積制造技術；2001年，西安交通大學開始研究壓電式打印噴頭；2006年，華中科技大學利用氣壓作為驅動力，進行噴頭設計。多噴嘴擠出機構目前也處于研究階段，長春工業(yè)大學對三噴嘴擠出機構進行研究[4]。

筆者設計的是單杠兩噴嘴的噴頭系統(tǒng)，只考慮兩噴嘴同時工作的情況下，能夠正常工作的驅動系統(tǒng)，雙噴嘴開閉控制在這里不作詳細敘述。試驗加工制備的噴嘴具體參數如圖2所示。進料腔直徑D=9mm、分流管直徑d=4mm、噴嘴直徑r=0.2mm、噴嘴長度L=0.3mm、合流角α=115°，它們是進行多組試驗得到的參數值。

2 驅動系統(tǒng)

壓電陶瓷在精密設備中應用廣泛，在對壓電陶瓷施加電場時，壓電陶瓷會產生逆壓電效應。本文設計的是以樹脂作為成形材料的噴頭機構，壓電陶瓷相比其他驅動器，有較寬的黏度（1～25mPa·s）和一定張力適應范圍（30～50mN/m）。但壓電元件有一定的局限性，壓電陶瓷變形只有本身長度的千分之一，5cm的壓電陶瓷最大變形只有 0.04～ 0.05mm。

2.1 放大驅動機構

由于雙噴嘴噴頭對噴射料量有一定的要求，因而所需驅動力和驅動位移明顯大于單噴嘴結構，壓電陶瓷直接驅動不能達到行程要求。

受限于壓電片伸縮特性，國內一些高校和研究所開始對噴頭噴射的輔助機構進行了相關研究[5]。張自強提出了活塞式擠出機構和滑片泵擠出機構，前者是通過步進電機將熔融材料通過噴嘴擠出，完成一個噴射過程，后者是通過轉子轉動帶動葉片，利用轉子的偏心放置形成正負壓實現自吸和噴射[4]。張斌提出了柱塞泵擠出機構，利用杠桿原理實現噴嘴噴射[6]。微位移機構一直是精密儀器、航空航天領域研究的重點，柔性鉸鏈的無機械摩擦、無間隙以及運動靈敏度高等優(yōu)點解決了傳統(tǒng)機械結構上的一些缺陷?；趬弘娖纳炜s特性，本文設計的柔性鉸鏈作為放大驅動機構，如圖3所示。

圖3 放大驅動機構

由圖3可以看出，半圓弧節(jié)點處寬度很小，在其中一端受力的情況下會產生變形，所以這種機構可以充當位移放大機構。在運動載荷下，要求材料的屈服強度高和彈性性能好，一般選用鈹青銅或彈簧鋼材料，它們的彈性模量分別為135GPa和210GPa。為了滿足位移輸出要求，所采用的是兩極放大機構，其放大倍數取決于兩極放大倍數的乘積。第一級放大倍數A1=b/a，第二級放大倍數A2=（c+d）/c=1+d/c，總的放大倍數是A=A1A2=（b/a）（1+d/c）。經試驗驗證，要使雙噴嘴同時工作，必須保證放大機構輸出位移在0.4～0.7mm，才能保證噴嘴正常工作。為了結構緊湊，選取的壓電堆棧越小越好，但同時也要考慮與放大機構的配合，故選取壓電堆棧長度為50mm，壓電堆棧位移試驗數據如表1所示。

表1 不同電壓下壓電堆棧的輸出位移

由表1可知，在無載荷的情況下，壓電堆棧輸出位移與輸入電壓呈線性關系，在電壓達到120V時，壓電堆棧的輸出位移已經接近于壓電陶瓷本身長度的千分之一，此時不需要再進行后面的試驗。在120V的工作電壓下，選取放大機構的放大倍數為15倍，桿長為a=3cm，b=9cm，c=3cm，d=12cm。

2.2 放大機構位移損失分析

柔性鉸鏈放大機構采用的是杠桿放大原理，由于柔性鉸鏈在支點處較為薄弱，在受到力的作用下會在支點處產生變形，減小放大機構理論的放大倍數，直接影響輸出端的輸出位移，對噴頭的噴射產生一定的影響。現在對放大機構在負載情況下進行分析，假設放大機構承受的負載為F，支點處會受力產生變形，變形主要是半圓弧變截面處產生的拉壓變形。柔性鉸鏈放大機構支點最薄處厚度t=1mm，圓弧半徑r=1.5mm，軸向厚度b=4mm，m為徑向自變量，其一端中點處定義為坐標軸原點，可以得到變截面處厚度隨徑向m變動的表達式。

因為設計的放大機構是對稱的，水平方向位移損失抵消，所以只用考慮豎直方向的位移損失，基于胡克定律的拉壓關系：

式中，FN為拉力或壓力；l為桿件原長；E為彈性模量；EA為抗拉剛度。

所以，變形量為：

通過計算可得，以上各點的所受拉力和壓力分別為：

選取兩極放大機構中受力最大的支點1、3作為研究對象，來計算位移損失的大小。設1、3支點的變形為Δ1、Δ3，總輸出位移為x1，計算可得：

利用氣壓作為驅動源進噴射試驗的過程中，測出供料的壓強在0.4～0.5MPa。試驗得出放大機構總的輸出位移為0.525mm，放大比約為10.9，可以滿足噴頭噴射要求。

3 結論

本文基于柔性放大機構的模型，根據不同的放大倍數，可以有效控制輸出端的輸出位移，對單噴嘴和多噴嘴機構都有著良好的適用性。柔性放大機構的設計以及變形分析，也為3D打印驅動方式提供了一種參考。