針對柔性材料的FDM型3D打印機的遠程送料機構(gòu)研究與設(shè)計

雷 芳，孟鑫沛，張俊平，丘柏揮

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞523808；2.東莞市彩越三維科技有限公司，廣東 東莞523808）

近幾年3D打印行業(yè)發(fā)展迅速，其廣泛的應(yīng)用必然會帶來未來市場關(guān)闊的空間，被譽為是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的新興產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實現(xiàn)，而3D打印機的出現(xiàn)，使產(chǎn)品的生產(chǎn)不需要機械加工或模具，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計均可以通過打印來實現(xiàn)。因為速度快、能打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品等優(yōu)點，促進了3D打印在行業(yè)中的廣泛使用和快速發(fā)展。熔融沉積成型法（簡稱FDM），是3D打印的一種工藝，這種工藝通過將絲狀材料如熱塑性塑料從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。FDM快速成型技術(shù)是最普遍的快速成型技術(shù)，其在整個行業(yè)市場份額達80%以上[1]。

隨著FDM型3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印市場涌現(xiàn)出各種新型材料，賦予了產(chǎn)品更多的性能，擴大使用范圍。這些新型材料如可溶解的支撐材料、仿木頭、導(dǎo)電材料和柔性材料等，這其中具有較高彈性和柔韌性的柔性材料，在鞋底制造等行業(yè)應(yīng)用比較多。但目前市場上采用遠程送料機構(gòu)的3D打印機打印柔性材料（比如TPU等）時，送料會打滑，打印效果不理想。本文對FDM型3D打印遠程送料打印時存在的問題進行分析，提出新的遠程送料機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案進行改進以解決該問題。

1 FDM型3D打印機送料機構(gòu)

送料機構(gòu)是FDM型3D打印機的主要機構(gòu)，包括送絲裝置、步進電機等，主要作用是將3D打印線材均勻的送至熱熔噴頭。送絲裝置提供進料以及噴頭擠出融化后材料的壓力，送絲要求穩(wěn)定可靠，以保證噴頭內(nèi)有一定的壓力并且出絲速度與噴頭移動速度匹配，主要由擠出輪、導(dǎo)輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。

送料機構(gòu)有近程送料和遠程送料兩種方式。采用近程送料時，送絲裝置和步進電機一起安裝在噴頭上，近距離給噴頭送料，如圖1所示。送絲裝置和步進電機增加了運動機構(gòu)的負擔(dān)，運動時慣性大，加速減速有一定困難，運行不穩(wěn)定；笨重的運動機構(gòu)對導(dǎo)軌有較大的壓力，長時間會使之變形，對平臺難以調(diào)平，從未造成打印出來的產(chǎn)品精度降低。

圖1 近程送料

采用遠程送料時，送絲裝置和步進電機安裝在機器外殼上，遠程給噴頭送料，如圖2所示。送料裝置與噴頭分離，遠程給噴頭送料，噴頭重量輕，慣性小，移動定位更精準；噴頭移動速度非常快，因此其打印速度可以非?？欤粐婎^和擠出機分離，方便維護。

圖2 遠程送料

2 FDM型3D打印機遠程擠出裝置優(yōu)化設(shè)計

當打印雙色材料或兩種不同材料時采用雙噴頭打印機，近程送料機構(gòu)噴頭部分非常笨重，打印速度慢，精度低，適宜采用送絲裝置與打印頭分離的遠程送料機構(gòu)，如圖3所示，送絲遠程給噴頭送料，打印速度快，精度高。但由于送料距離遠，阻力較大，容易卡線，打印出來的產(chǎn)品品質(zhì)下降。

圖3 遠程送料機構(gòu)與打印噴頭

遠程送料機構(gòu)中的送絲裝置，如圖4所示，主要由軸承、齒輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。它的基本原理是通過送料輪與材料之間的摩擦力，由步進電機提供動力對線材進行輸送。從材料進入到輸出的通道來看，齒輪軸承組與出入口之間存在較大空隙，在送料過程中，由于加壓容易導(dǎo)致線材形變，與送料機構(gòu)產(chǎn)生更大摩擦甚至斷料，而對于柔性材質(zhì)則此類送料機無法完成送料，甚至在打印常規(guī)線材會出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)噴頭噴絲不均勻，使打印物品出現(xiàn)縫隙甚至斷層從而影響產(chǎn)品的力學(xué)性能性，從而限制了3D打印技術(shù)往柔性材質(zhì)或更多材質(zhì)成型技術(shù)的發(fā)展。

圖4 傳統(tǒng)的送料裝置

3D打印柔性線材最重要的是要求送料裝置能夠有一個通道，使得線材從離開驅(qū)動齒輪到進入熱端的筒體經(jīng)過的路徑是固定的，因此本研究在送料機構(gòu)內(nèi)部插入鐵氟龍導(dǎo)料管對線材進行送料，并對如圖五所示。鐵氟龍是聚四氟乙烯，熱導(dǎo)率低，耐高溫，摩擦系數(shù)極低，有高的潤滑性[2]。齒輪與軸承分布在鐵氟龍導(dǎo)料管切削開口兩側(cè)，線材在鐵氟龍導(dǎo)料管中尖齒輪提供切向驅(qū)動力，軸承提供線材與尖齒輪之間的壓力，鐵氟龍導(dǎo)料管同時起到潤滑的作用（鐵氟龍材料本身具有很好的潤滑效果）。鐵氟龍導(dǎo)料管切削口下端的外側(cè)能有效防止線材被粘附在尖齒輪或者軸承上，讓其順利進入送料通道，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的送料裝置

除采用鐵氟龍導(dǎo)料管進行導(dǎo)料外，同時對送料機構(gòu)也進行了優(yōu)化，如圖6所示，使其比傳統(tǒng)的送料機構(gòu)更加緊湊，整體尺寸較小，各個部件連接緊密。通過調(diào)節(jié)點壓料設(shè)計可改變傳動輪和轉(zhuǎn)動輪之間的夾持力度，有效地減小了固定間距驅(qū)動輪的內(nèi)耗，減小了驅(qū)動軸承的不必要的內(nèi)應(yīng)力。從而增加送料輪與打印材料之間的摩擦力，避免出現(xiàn)送料打滑現(xiàn)象而使送料間斷，且對線材的粗細要求低，能夠保證噴頭均勻吐料，提高了打印質(zhì)量。由于線材的送料與退料都需要送料齒輪才能實現(xiàn)，因此線材受到足夠大的推力向擠出頭移動。線材在兩齒輪之間呈擠壓受力狀態(tài)，從而使線材所受摩擦力增大，使得柔性線材能順利出料。優(yōu)化后的送料裝置能起到降低送料時的阻力作用，并且能適用多種線型線材尤其是柔性線材。

圖6 鐵氟龍導(dǎo)料管

3 遠程送料機構(gòu)對噴嘴的影響

FDM型3D打印機中噴嘴直徑越小，打印的精度越高，對打印產(chǎn)品的細節(jié)表達力越好，但噴嘴越小擠出時熔體收到阻力越大，容易出現(xiàn)斷絲、堵塞等故障，對送料系統(tǒng)的要求越高[3]。本研究中采用改進后的鐵氟龍導(dǎo)料管遠程送料裝置，使目前市面上常用的0.4 mm的噴嘴減少為0.2 mm的噴嘴，依然能正常打印，打印的精度提高，在打印零件的細節(jié)上能更好地打印出來，而且對柔性材料也適用。

4 打印實驗

為了驗證本研究設(shè)計的送料機構(gòu)打印柔性材料的效果，分別用傳統(tǒng)的近程送料機構(gòu)和本研究設(shè)計的遠程送料機構(gòu)（如圖7所示）打印如圖8所示樣品零件，各打印ABS、PLA、柔性線材TPU三種線材樣品150次，打印結(jié)果分別如表1和表2所示。從表中可以看出，采用傳統(tǒng)的近程送料機構(gòu)打印，ABS和PLA的打印成功率較高分別是89.3%和94.7%，但是打印柔性線材TPU的成功率只有8.7%；采用新設(shè)計的遠程送料機構(gòu)打印，ABS和PLA的打印成功率有所提高分別是97.3%和98.7%，打印柔性線材TPU的成功率提高到92.7%.由此驗證了本研究設(shè)計的遠程送料機構(gòu)較傳統(tǒng)的送料機構(gòu)，打印硬質(zhì)材料ABS和PLA成功率有所提高，打印柔性線材TPU的成功率非常高，由原來的8.7%提升到92.7%，效果非常好。

圖7 遠程送料機構(gòu)

圖8 樣品零件

表1 傳統(tǒng)的近程送料機構(gòu)送料打印情況

表2 本研究設(shè)計的遠程送料機構(gòu)送料打印情況

5 結(jié)束語

（1）本研究設(shè)計了3D打印遠程送料機構(gòu)，實現(xiàn)了送料機構(gòu)與打印頭的分離，減輕運動機構(gòu)的負擔(dān)，提高了打印速度和打印精度；

（2）通過在送料機構(gòu)內(nèi)部插入鐵氟龍導(dǎo)料管，并對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)柔性線材如TPU的順暢送料。這種機構(gòu)能使噴嘴從0.4 mm減少為0.2 mm，經(jīng)過多次實驗證明，能保證在打印柔性材料時噴頭能夠不卡絲、不打滑，均勻吐料，提高打印質(zhì)量。