雙噴頭增材制造的實現(xiàn)

◇南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 培

本設(shè)計實現(xiàn)了一種雙頭增材制造打印機，為提高打印精度、打印速度和生產(chǎn)效率，提出了一種3-PUU并聯(lián)機構(gòu)的3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計。末端執(zhí)行器采用雙噴嘴結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)單色和雙色打印。互聯(lián)網(wǎng)模塊是為滿足信息生產(chǎn)的需要而設(shè)計的，它實現(xiàn)了自動網(wǎng)絡(luò)訂購和多機協(xié)作。樣機已制作完成性能測試，最大印刷速度200 mm/s，最小印刷厚度0.01 mm。該設(shè)計的低成本為三維打印技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了可能。

1 引言

3D打印是一種增材制造技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。3D打印機已逐漸應(yīng)用于工業(yè)、學(xué)校甚至家庭。三維打印技術(shù)具有三維造型復(fù)雜、操作方便等優(yōu)點，可以使產(chǎn)品設(shè)計周期短、人工成本降低。

作為3D打印技術(shù)的載體，3D打印機今年也取得了長足的進(jìn)步。在國內(nèi)市場，主流的3D打印機結(jié)構(gòu)仍以串行機制為主。這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，末端執(zhí)行器運動范圍大，但開環(huán)結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生累積誤差，影響印刷精度，印刷速度慢，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本研究采用3-PUU并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計3D打印機結(jié)構(gòu)并用雙噴頭實現(xiàn)雙色打印。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，云制造的概念被提出。云制造最重要的特點是實現(xiàn)了制造資源的集成和廣泛共享。云制造與3D打印技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了從數(shù)字化設(shè)計到數(shù)字化制造的無縫集成，實現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)和模式從設(shè)計部門到制造部門的快速高效傳遞[1]，國外一些廠商已經(jīng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于3D打印機。本研究在并聯(lián)打印機上設(shè)計了Internet模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸、在線下訂單和多機協(xié)同工作。訂貨、設(shè)計、制造的數(shù)據(jù)集中在同一個平臺上，既適用于分散生產(chǎn)，也適用于批量生產(chǎn)。

2 打印機結(jié)構(gòu)

并聯(lián)機構(gòu)具有慣性小、承載能力強、定位精度高、剛度高等優(yōu)點[2]。因此，它在微動機構(gòu)、并聯(lián)機床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。3-PUU構(gòu)型需要的部件相對較少，有利于結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)和維護(hù)，故本打印機采用了此構(gòu)型，如圖1所示。并聯(lián)機構(gòu)的每個分支由導(dǎo)軌、同步帶、滑塊和一對定長桿組成。導(dǎo)軌與固定平臺固定，電機帶動同步帶移動滑塊。靜平臺2為打印平臺，動平臺1實現(xiàn)平移運動。

圖1 并聯(lián)式打印機結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)雙色打印，在噴頭位置并排安裝兩個噴頭，如圖2所示。

圖2 雙噴頭結(jié)構(gòu)

3 電氣控制

工作前，打印機初始化，打印前需要對噴嘴預(yù)熱。當(dāng)噴嘴達(dá)到預(yù)熱溫度時，打印機開始正常打印。在工件打印過程中，溫度監(jiān)測和反饋系統(tǒng)—雙向熱敏電阻（100K NTC）對打印機的工作溫度進(jìn)行實時采樣，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)組CU（微控制器單元，STM32F103）處理[4]。單片機對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷后發(fā)送至熱敏電阻觸摸屏顯示。

為了防止單個噴嘴未充分預(yù)熱及縮短預(yù)熱時間，系統(tǒng)同時預(yù)熱兩個噴嘴。同時，MCU將熱敏電阻采集的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)置的預(yù)熱值進(jìn)行比較。當(dāng)噴嘴達(dá)到所需的預(yù)熱溫度時，電機驅(qū)動器開關(guān)打開，電機啟動，擠出機執(zhí)行首次出絲補償。補償值由MCU發(fā)送的脈沖數(shù)決定，可由操作員定義。

4 互聯(lián)網(wǎng)模塊

Wi-Fi模塊連接到打印機并與上位機一起使用，以完全自動化調(diào)整、切片、打印和移除。本設(shè)計采用的Wi-Fi模塊采用UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，具有多模安全功能。Wi-Fi模塊具有內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和IEEE 802.11協(xié)議棧。通過基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個或多個路由器的中轉(zhuǎn)下，用戶串口和機器串口可以在局域網(wǎng)內(nèi)相互轉(zhuǎn)換。該模塊是一個無源串行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在每次數(shù)據(jù)交換之前，打印機主板上的串行Wi-Fi模塊設(shè)備處于等待狀態(tài)。用戶計算機發(fā)起連接邀請并最終執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。

5 打印數(shù)據(jù)測試

打印機樣機制造完成后，對該雙噴頭打印機進(jìn)行打印測試。發(fā)現(xiàn)該打印機可實現(xiàn)高精度、快速的三維打印。雙噴嘴配置可實現(xiàn)雙色打印，增加打印的美觀外觀。觸摸板的設(shè)計使控制更容易。通過Wi-Fi模塊的加入，可以實現(xiàn)客戶的在線交付和數(shù)據(jù)模型的傳輸，大大增加了工業(yè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)的可能性。

經(jīng)測試，該打印機最小打印厚度為0.01 mm（對應(yīng)打印速度為60 mm/s），最大打印速度為200 mm/s。結(jié)果表明，雖然并行3D打印機具有較大的外觀尺寸，但可以獲得較高的打印精度。與其它打印機相比，它具有打印速度快、工作穩(wěn)定可靠、制造成本低等優(yōu)點。與10000級XYZ軸打印機相比，采用相同的噴嘴尺寸和相同的打印精度，打印出了尺寸為40 mm×40 mm×10 mm的五邊形星形試樣。XYZ軸打印機需要8小時，而這款并行3D打印機只需要16分鐘。

6 結(jié)語

本研究設(shè)計了一臺3-PUU并聯(lián)式雙噴頭打印機。這種配置可以在提高打印速度的前提下實現(xiàn)高精度打印，使3D打印機技術(shù)更適合大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品。雙噴嘴設(shè)計，可打印兩種顏色的印刷品，外觀更美觀實用。觸摸板可方便打印操作。互聯(lián)網(wǎng)模塊的設(shè)計將信息技術(shù)引入到3D打印機中，實現(xiàn)了在線訂單、數(shù)據(jù)傳輸和多機協(xié)作，使3D打印技術(shù)能夠更好地服務(wù)于生產(chǎn)行業(yè)和我們的生活。