3D 打印中FDM 加工技術在機械制造領域中的應用

陳 莉

（江西省井岡山經(jīng)貿學校， 江西 吉安 343699）

引言

FDM 是熔融成型法的英文縮寫（Fused Deposition Modeling）。作為一款新型工業(yè)制造方法，3D 打印技術集成了眾多領域中的高端新型技術，例如人工智能、新材料等。現(xiàn)階段，如果從印刷原理角度對3D 打印進行分類，大致可以分為FDM、SLS、SLA、3DP 四類。其中，F(xiàn)DM 代表的是熔融沉積型3D 打印機；SLS 代表的是選擇性激光燒結型3D 打印機；SLA 代表的是光固化成型3D 打印機；3DP 代表的是三維粉末黏結型3D 打印機。FDM 型3D 打印機適用于家庭或者辦公室，這是因為此類型3D 打印機不僅占用空間少、印刷材料幾乎無污染（特別是其PLA 材料可以降解），而且具有使用成本相對較低的優(yōu)勢。與此同時，F(xiàn)DM 型3D 打印機可以打印出一些結構上相對復雜的工業(yè)產品。除此之外，F(xiàn)DM 型3D 打印機與其他三類3D 打印機相比，設計難度相對較低，符合研發(fā)周期短的項目所需[1-3]。

1 基于FDM 技術的3D 打印機工作原理

現(xiàn)階段，機械制造領域中的新技術層出不窮，特別是增材制造技術的出現(xiàn)使得機械制造跨上了一個新的臺階。在這個技術前沿領域中，依據(jù)加法原則的3D 打印無疑成為了增材制造技術的代表性的科技成果。與以往常規(guī)機械制造工藝相比，此項技術不僅使得機械制造產品的空間造型更加獨特，而且使得工期與成本均有所降低。

本文所涉及的基于FDM 技術的3D 打印機采用的是加法原則，其應用分層制造原理，通過不斷地將不同層上的二維輪廓信息依據(jù)規(guī)則疊加，最終制成為三維模型。這是一種快速的3D 打印加工的方法。

FDM 型3D 打印機是一個非常復雜的精密工業(yè)制品，擁有眾多零部件，例如工作臺、送絲機構、加熱器、各類材料噴嘴、支撐、模型等（圖1），具體介紹如下：

圖1 FDM 型3D 打印機基本運行原理圖

1）工作臺是3D 打印印刷的核心部位。

2）送絲機構為擠出機構提供了送絲裝置，將熔融后的材料擠壓出來，并在加熱室中加熱電線后，就會熔化并輸送到噴嘴中。

3）擠出機構不僅承載的功能多，而且其結構最為復雜。擠出機構是材料填充、加熱、擠出必不可少的部分，是印刷材料的疊加的關鍵配件。

4）FDM 型3D 打印機的基礎還是依靠噴嘴打印二維平面的路徑的疊加來實現(xiàn)的。也就是說，在FDM型3D 打印機控制系統(tǒng)的操控下，工件是通過逐層黏結打印的，當一個二維平面的路徑被噴嘴打印出來后，噴嘴隨即向上移動一個距離，繼續(xù)下一個二維平面的路徑的打印工作，依次往復循環(huán)，直到打印終止命令發(fā)出。在上述過程中，基于FDM 技術的3D 打印機需要完成如下幾個步驟：一是設計；二是建立零件的CAD 模型；三是將零件CAD 模型轉換為STL 模型；四是數(shù)據(jù)處理。FDM 型3D 打印機數(shù)據(jù)處理流程，如下頁圖2 所示。

圖2 FDM 型3D 打印機數(shù)據(jù)處理流程

2 基于FDM 技術的3D 打印機核心機構及結構設計

2.1 基于FDM 技術的3D 打印機總體設計

總體而言，F(xiàn)DM 型3D 打印機由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成（圖3）。其中，軟件系統(tǒng)一般配置于與其相連的計算機主機。軟件系統(tǒng)根據(jù)STL 模型的3D 模型生成打印機可以讀取和作出相應反應的G 語言代碼，然后通過串行通信將其傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。在軟件系統(tǒng)中，一般是采用UG 實現(xiàn)3D 打印建模過程。借助UG 軟件繪制模型圖，并最終存儲為stl 格式的數(shù)據(jù)。

圖3 皮帶機變頻節(jié)能控制系統(tǒng)軟件功能圖

圖3 FDM 型3D 打印機系統(tǒng)結構關系

控制系統(tǒng)不斷向機械系統(tǒng)輸送控制打印路徑?？刂葡到y(tǒng)包括外部電路、溫度控制系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、工作流控制系統(tǒng)等。將CAD 設計出來的圖形，通過Cura 切片軟件以及Pronterface 可視化操作軟件，轉化成3D 打印機能夠執(zhí)行的代碼。同時，步進電機的位置和溫度信息將反饋到計算機。

機械系統(tǒng)主要是執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的各類打印任務命令。在機械系統(tǒng)中，成型加工過程容易產生成型件精度誤差問題，主要包括四個方面，分別是工作臺引起的誤差、同步帶發(fā)生形變誘發(fā)噴嘴定位誤差、電機部分結構引起噴嘴定位誤差、擠料速度與掃描速度誤差等。

2.2 基于FDM 技術的3D 打印機控制系統(tǒng)設計

該軟件系統(tǒng)負責對導入的三維模型切片進行分層, 并根據(jù)設定的處理參數(shù)生成所需的G 代碼。控制系統(tǒng)的結構如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)框架

主框架現(xiàn)有的擠壓和擠出機構包括主框架其他部分的擠壓機構，用于軸保持傳動的X 軸電機、Y 軸電機同步帶的印刷框架結構機身接頭X 軸Y 軸傳遞給FDM 技術支持，并安裝擠出部件等。其直接影響證書印刷過程的運動，從而實現(xiàn)了機械機構Z 軸螺桿傳動圖的三維打印和整形。

控制系統(tǒng)的擠壓機構和導軌具有印刷過程中提供的來源。擠壓噴嘴結構的定位印刷噴涂機系統(tǒng)2、3臺機械打印機采用框圖進料機構和擠出機的質量機構。無限進料噴嘴的精確進料機構由單個驅動機構的噴嘴等組成。打印機構用于準確定位線材。機械送絲機的加熱結構噴嘴可以三維打印零件等。

擠出機構將打印線材設備。傳動系統(tǒng)的結構是遠線送絲和近送絲。執(zhí)行零件清單打印機結構、車身結構、負材料平滑運動機構、結構和控制等。

2.3 基于FDM 技術的3D 打印機三噴嘴擠出機構的設計

現(xiàn)有的FDM 型3D 打印機的擠出機構在穩(wěn)定性和連續(xù)性方面往往存在一定的不足。為此，對于三噴嘴擠出機構的設計需要優(yōu)化，以便于打印和成形過程的穩(wěn)定與連續(xù)。

在擠出機構的選型上，本文設計選擇的是柱塞擠出機，原因在于其體積小、節(jié)省空間。在符合3D 打印實際需求的前提下，盡可能地節(jié)省設備空間，有利于其他部位的整體設計與機械系統(tǒng)的整合。

柱塞擠出機構包括冷卻風扇、環(huán)形散熱器、加熱模塊、噴霧和熱電偶等模塊。其原理是將加熱室中的實心線用作柱塞，將熔融的導線向前推，以便從噴嘴中擠出熔絲。

在機械動力設備的選型上，本設計選擇的是步進電機。FDM 型3D 打印機噴頭在步進電機的驅動下規(guī)則運動。其噴頭在移動過程中遵循慣性定律。為此，要使其時間運動定位尺寸略大于其設計尺寸，用以避免因慣性造成的微量尺寸誤差。

印刷材料是高聚物，在熔融狀態(tài)下具有很強的黏性。有些電線會在加熱室的通道中積聚，這很容易導致擠壓機構堵塞。為了解決擠壓機構容易被印刷材料堵塞的問題，本設計采用了耐高溫且表面不黏的特氟龍軟管。此類軟管有利于提升轉輪中焊絲的流動性。

4 結語

如今3D 打印中FDM 加工技術在機械制造領域開始被承認與廣泛應用。在FDM 型3D 打印機的輔助下，復雜零件的制造難度和操作難度均得到了降低。同時，生產同等規(guī)格復雜機械零件的經(jīng)濟效益也得到了保障。不過，此項技術仍有很多需要改進的地方。