熔融沉積3D打印機(jī)的噴頭機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬志剛

摘 ? 要：3D打印是一種新興的實(shí)體制造技術(shù)。文章主要是針對(duì)噴嘴擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)打印機(jī)X，Y和Z方向上的噴頭位移定位精度進(jìn)行了計(jì)算，并分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)熔融態(tài)聚合物絲材在擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)行為的影響，利用數(shù)值仿真手段分析了壓力—聚合物流動(dòng)速度之間的關(guān)系，優(yōu)化了聚合物在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特性，驗(yàn)證了噴嘴形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)打印精度的影響。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);熔融沉積;噴頭機(jī)構(gòu)

三維打印（Three Dimensional Printing，3D）是一種新興的實(shí)體制造技術(shù)。3D打印將信息技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)械科學(xué)、控制技術(shù)、生物技術(shù)等相融合，通過數(shù)字化控制打印方式將材料進(jìn)行逐層疊加，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的增材制造。在3D打印機(jī)各機(jī)構(gòu)中，噴嘴機(jī)構(gòu)對(duì)打印質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

1 ? ?噴嘴擠出機(jī)構(gòu)擠出方式

在熔融沉積FDM 3D打印機(jī)中，噴嘴擠出機(jī)構(gòu)是所有機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)打印質(zhì)量和打印機(jī)的整機(jī)性能有著直接影響。噴嘴擠出機(jī)構(gòu)主要由噴嘴、送絲機(jī)構(gòu)、加熱結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)等部分組成。

根據(jù)擠出方式的不同，噴嘴擠出機(jī)構(gòu)主要可以分為螺旋式擠出機(jī)構(gòu)和柱塞式擠出機(jī)構(gòu)兩種類型。柱塞式擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，能夠降低擠出機(jī)構(gòu)的重量，隔熱措施容易安裝，但是絲材在打印中容易堵塞;螺旋式擠出機(jī)構(gòu)擠出過程穩(wěn)定，打印速度高，但是體積大、成本高、噴頭重[1]。

對(duì)比兩種噴嘴擠出機(jī)構(gòu)，柱塞式結(jié)構(gòu)簡單、體積小，甚至能滿足桌面級(jí)3D打印機(jī)的要求，所以本設(shè)計(jì)選擇柱塞式擠出機(jī)構(gòu)[2-3]。柱塞式擠出機(jī)構(gòu)組成部分主要包括：加熱模塊、散熱風(fēng)扇、環(huán)形散熱片、測溫電偶以及噴嘴。工作原理是以加熱腔內(nèi)的絲材未熔融的固體部分將被加熱至熔融狀態(tài)的絲材向前推進(jìn)，固體部分作用類似柱塞，從而使熔融狀態(tài)的絲材由噴嘴擠出[4]。

由于打印材料為高聚物，在熔融狀態(tài)下具有很強(qiáng)的黏性，導(dǎo)致加熱腔的流道內(nèi)會(huì)有部分絲材殘留累積，容易堵塞擠出機(jī)構(gòu)，所以為使絲材在加熱腔的流道內(nèi)不出現(xiàn)累積，要求絲材在噴嘴上部不能呈熔融態(tài)?？稍诹鞯纼?nèi)部插入鐵氟龍軟管，利用其表面不黏性、耐高溫等物理特性保證絲材在流道內(nèi)前進(jìn)的流暢性，避免堵塞問題的發(fā)生。

2 ? ?噴嘴擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，對(duì)于不同的打印件的結(jié)構(gòu)，擠出機(jī)構(gòu)需要對(duì)部分打印件進(jìn)行結(jié)構(gòu)填充與支撐部分的打印，有的打印內(nèi)部支撐，有的打印外部填充，還有的兩者同時(shí)打印。填充與支撐的打印雖然能夠提升打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但也會(huì)使成型時(shí)間增加，降低打印效率。所以，在滿足成型條件的情況下，要盡量縮短加工時(shí)間，并且盡量減小支撐結(jié)構(gòu)。這樣既減少材料的消耗，又縮短加工時(shí)間。零件在打印成型以后需要將輔助支撐去除掉一部分，將其內(nèi)部填充在打印件內(nèi)部，所以在支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保證合格的條件下，內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)的噴嘴直徑與用來成型輔助支撐結(jié)構(gòu)，可以大于打印零件模型的噴嘴直徑，這樣，打印效率得以提高。文章中擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將表面成形部分、內(nèi)部填充部分以及外部支撐部分的層厚加以區(qū)分。輔助支撐層的厚度設(shè)置為3n，打印件外表面層的厚度設(shè)置為n，則內(nèi)部填充層的厚度也設(shè)置為3n。

將打印模型按照上述層厚設(shè)置進(jìn)行切片處理，打印機(jī)工作過程中擠出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況有以下幾種。

（1）切片數(shù)據(jù)對(duì)于擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，依據(jù)切片對(duì)打印件表面進(jìn)行打印，打印層的層數(shù)為3。

（2）切片數(shù)據(jù)對(duì)于擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，分別對(duì)內(nèi)部填充和輔助支撐兩部分進(jìn)行打印，打印層的層數(shù)為1。

（3）擠出機(jī)構(gòu)按照上述兩步驟進(jìn)行循環(huán)式打印，直到得到最終的完成品。

根據(jù)以上算法，打印機(jī)的擠出機(jī)構(gòu)噴嘴數(shù)量應(yīng)該為3個(gè)。在這3個(gè)噴嘴中，打印內(nèi)部填充與輔助支撐成型的噴嘴出絲口直徑要大，而打印工件外表面成型的噴嘴的出絲口處的直徑要小，同時(shí)與打印外表面成型的噴嘴出絲口直徑成倍數(shù)關(guān)系。

該方式能夠在保證成型精度的同時(shí)，按照成型部分不同，設(shè)定不同層厚，減少成型所需時(shí)間。

據(jù)此，在設(shè)計(jì)擠出機(jī)構(gòu)時(shí)，對(duì)于噴嘴有以下兩個(gè)要求：（1）負(fù)責(zé)打印工件外表面的噴嘴直徑大于負(fù)責(zé)打印外部支撐和內(nèi)部填充的噴嘴直徑。（2）需要對(duì)不同的尺寸組合進(jìn)行優(yōu)化，選取效果最好的一組。

熔融態(tài)絲材的運(yùn)動(dòng)特性受會(huì)到噴嘴內(nèi)部加熱器尺寸參數(shù)的影響，并且與噴嘴外徑及內(nèi)徑尺寸、錐形過度圓角等因素有關(guān)?？梢岳糜邢拊浖?duì)已建立好的不同加熱腔流道模型進(jìn)行分析，并對(duì)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。加熱腔內(nèi)部直徑固定為2 mm，錐形過度角度始終保持60°，使打印速度保持恒定，流道外部直徑為變量[5]。

在加熱腔內(nèi)徑保持不變的情況下，絲材在內(nèi)部的融化時(shí)間越長，所用的加熱噴嘴外部直徑尺寸越大，融化段的長度越長。但是，當(dāng)加熱腔噴嘴直徑太小時(shí)，會(huì)致使熱腔內(nèi)壁與絲材的表面接觸部分的區(qū)太小，通過這樣的參數(shù)制造出來的加熱腔壁面結(jié)構(gòu)過薄，會(huì)使給絲材提供的熱量不充足。當(dāng)打印速度保持不變，加熱腔外部直徑保持6 mm不變，錐形過度角度恒為60°，而使加熱腔內(nèi)徑為變量，研究絲材受到加熱腔內(nèi)徑的影響。

絲材在內(nèi)部的融化時(shí)間越短，所用的加熱噴嘴內(nèi)部直徑尺寸越大，融化段的長度越短[6]。加熱腔的漸變角對(duì)融化段長度影響較大，如果想要建立不同大小的模型進(jìn)行模擬分析，就要改變漸變角的角度大小，軟件分析出在不同漸變角下絲材完全熔融下的融化段長度。將錐形過度圓角采用不同數(shù)值，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持相同，發(fā)現(xiàn)加熱腔內(nèi)漸變角度大小會(huì)影響熔融段的長度。漸變角越大，絲材融化時(shí)間越長，熔融段長度越小。

3 ? ?噴嘴擠出機(jī)構(gòu)空間布局形式設(shè)計(jì)

噴嘴擠出機(jī)構(gòu)在空間上有3種布局形式：（1）直線型布局。（2）等邊三角形布局。（3）直角三角形型布局。其中，兩種三角形布局結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，占用空間較大，同時(shí)在控制策略及算法上較為繁瑣，很大程度上增加了熔融沉積3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)成本和制造成本。因此，為了降低成本，縮短打印周期，提高打印效率，本設(shè)計(jì)選擇直線型結(jié)構(gòu)作為噴嘴擠出機(jī)構(gòu)的空間布局形式。在實(shí)際打印過程中，通過對(duì)X，Y軸導(dǎo)軌的控制使其協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同噴嘴的位置變換。通過噴嘴間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可對(duì)打印模型進(jìn)行外殼打印、內(nèi)部填充、輔助支撐打印。該結(jié)構(gòu)既能夠保證打印速度，也能夠提高零件的打印精度。

三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)為：長130 mm，寬90 mm，高75 mm，質(zhì)量1 500 g，表面粗糙度100 μm，打印速度125 mm/s。

三噴嘴擠出結(jié)構(gòu)和其他單噴嘴3D打印機(jī)對(duì)比來說，它的擠出結(jié)構(gòu)長度大，但重量輕，送絲方式的差別是主要原因。三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于3個(gè)噴嘴之間既有分工又有協(xié)作。所以，產(chǎn)品的打印精度得到了提升，同時(shí)表面精度也得到了相應(yīng)改善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]杜文軍，劉軼，杜銀學(xué)，等.大型FDM三維打印機(jī)的研制[J].金屬加工（熱加工），2016（5）：50-52.

[2]AW Y Y，YEOH C K，IDRIS M A，et al.Effect of printing parameters on tensile， dynamic mechanical， and thermoelectric properties of FDM 3D Printed CABS/ZnO composites[J].Materials，2018（4）：23-25.

[3]BENWOOD C，ANSTEY A，ANDRZEJEWSKI J，et al.Improving the impact strength and heat resistance of 3D printed models：structure， property， and processing correlationships during fused deposition modeling（FDM）of Poly（lactic acid）[J].Acs Omega，2018（4）：4400-4411.

[4]蔡馮杰.基于3D打印技術(shù)的滌綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備及其力學(xué)性能研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2018.

[5]陳繼民，王文椿，姜繆文，等.柱坐標(biāo)式FDM 3D打印機(jī)的研制[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（6）：814-818.

[6]HAIDIEZUL A H M，AIMAN A F，et al. Surface finish effects using coating method on 3D printing （FDM）parts[C].Malacca：Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology，2017.