基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

葛慶+汪崟

摘 要： 雖然FDM技術(shù)在3D打印機(jī)應(yīng)用很廣泛，但是由于其本質(zhì)的問題會(huì)影響擠出機(jī)構(gòu)過熱而導(dǎo)致打印出的成品表面粗糙甚至精度出錯(cuò)。為了解決此問題，研究一般的擠出機(jī)構(gòu)的構(gòu)造并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種3種擠出機(jī)構(gòu)聯(lián)合使用的三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)。通過添加新的材料到擠出機(jī)構(gòu)中緩解流體對(duì)通道內(nèi)壁的粘度以及對(duì)有變相引起的局部過熱問題，優(yōu)化了3種不同擠出機(jī)構(gòu)聯(lián)合排列使用的效果。通過實(shí)驗(yàn)仿真得到了設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)表現(xiàn)優(yōu)秀并且能夠滿足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞： 3D打印機(jī)； FDM技術(shù)； 三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0100?04

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們已經(jīng)能從簡單打印到紙上的2D圖形進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)為立體的3D模型，其便利性無需多言。當(dāng)壞掉的機(jī)器缺少零件，無需再去匹配尋找該零件，取而代之的是利用圖紙就能快速的打印出具有精確尺寸的零件；除了小型物件，房子，汽車飛機(jī)都能過通過3D打印機(jī)打印出來，為制造業(yè)提供了新的解決方案。其他典型的應(yīng)用如產(chǎn)品批量制造，快速制造模具以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等，3D打印均體現(xiàn)了相比于傳統(tǒng)制造業(yè)的巨大優(yōu)勢，價(jià)格低、出貨快速，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益[1]。3D打印是快速成型設(shè)備。在現(xiàn)有的 3D 打印快速成型技術(shù)還面臨著諸多方面的瓶頸和探索，而當(dāng)前能有效解決這些問題的方法就是熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)[2]。

1 FDM結(jié)構(gòu)構(gòu)成

FDM主要由5個(gè)部分構(gòu)成[3]，包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)，如圖1所示。

其中，噴頭作為FDM的核心組成部分，關(guān)系到3D打印出的物件的質(zhì)量好壞，主要作用是將其內(nèi)部的固相材料加熱至熔融狀態(tài)，然后由相關(guān)機(jī)構(gòu)將熔融狀態(tài)的物料從噴嘴擠出，擠出的材料按照切片數(shù)據(jù)層層粘結(jié)、固化，按照預(yù)定程序不斷地進(jìn)行，最終獲得實(shí)體。在制造懸臂件時(shí)，懸臂部分由于無支撐易產(chǎn)生變形，為了避免懸臂部分變形情況的發(fā)生，需要添加支撐部分，這點(diǎn)與其他快速制造模型時(shí)有所不同[4]。當(dāng)支撐與模型材料為同一種材料，可以采用單噴頭的形式，但現(xiàn)在多用兩個(gè)噴頭且相互之間獨(dú)立加熱的形式，各自用不同的材料制造零件和支撐，由于兩種材料的特性不同，制作完畢后更易進(jìn)行后處理工作。本文對(duì)采用FDM技術(shù)中的3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)中噴頭中存在的問題進(jìn)行分析，并提出一種新的擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案以解決該問題。

2 基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)

目前的基于FDM技術(shù)的擠出機(jī)構(gòu)主要存在的問題是：由于熔融沉積式3D打印的噴頭是使用熱熔噴頭，因此會(huì)存在打印精度和材料噴出不均勻的缺陷[5]。在打印精度上，如圖2所示，噴頭在加熱時(shí)會(huì)由于熱漲而導(dǎo)致變形，這就直接導(dǎo)致了打印精度的降低從而造成打印出的物件在尺寸上有些許誤差。而對(duì)于噴涂材料不均勻的問題，物料在經(jīng)過噴嘴時(shí)，由于中間部分受熱導(dǎo)致相變，而相變過程中進(jìn)絲的壓力也會(huì)受到影響，導(dǎo)致物料之間出現(xiàn)不規(guī)則的空隙，甚至出現(xiàn)斷層。這些就會(huì)導(dǎo)致打印出來的物件表面粗糙不光滑，特別極端的情況下還會(huì)導(dǎo)致打印某些傾斜的表面時(shí)的“階梯效應(yīng)”[6]。針對(duì)這問題，本文構(gòu)建出了兩種擠出機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用的方法來解決這個(gè)問題，其單個(gè)部件的具體設(shè)計(jì)如下。

2.1 活塞式擠出機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于一般的活塞式擠出機(jī)構(gòu)的主要零部件包括噴嘴、加熱棒、加熱鉛塊、加熱腔、喉管以及測溫電偶等部分。它的基本機(jī)理是采用以固態(tài)物料作為活塞，通過步進(jìn)電機(jī)對(duì)物料進(jìn)行輸送，熔體物料作為被推送的流體，將熔融態(tài)材料經(jīng)由噴嘴擠出[7?8]。傳統(tǒng)的擠出機(jī)構(gòu)中存在一定缺陷，就在于一般的物料熔融后具有一定的粘性，殘留的物料常會(huì)在流道及加熱腔內(nèi)進(jìn)行累積，最終也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)擠出機(jī)構(gòu)的堵塞，不僅影響打印質(zhì)量而且也對(duì)機(jī)器本身有害。更值得注意的是，由于物料直徑小于喉管內(nèi)徑，密封性差，容易出現(xiàn)流涎問題。為解決上面提出的這個(gè)問題，本文在擠出機(jī)構(gòu)喉管內(nèi)部插入鐵氟龍軟管對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，其位置如圖3所示。鐵氟龍材料是一種具有耐高溫低溫的物理特性以及自潤滑性與表面不粘性等化學(xué)特性的優(yōu)質(zhì)材料，因此在喉管內(nèi)加入鐵氟化軟管可以保證物料過程的流暢性，使得擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)材料的堆積、堵塞等問題得到有效解決。

另外，在設(shè)計(jì)過程中，除鐵氟龍軟管外，擠出機(jī)構(gòu)各零部件均通過螺紋連接的方式彼此連接，構(gòu)成擠出機(jī)構(gòu)整體?？紤]到流道、加熱腔的尺寸問題，在以尺寸小型化為目的的基礎(chǔ)上，初選喉管與噴嘴的螺紋尺寸為6 mm，喉管選用材料為碳鋼，其抗拉強(qiáng)度值為5 MPa，噴嘴材料的選料為銅，其抗拉強(qiáng)度可以表示為σ1，現(xiàn)在再對(duì)所涉及的螺紋連接部分進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，由于選用的兩相步進(jìn)電機(jī)在滿載情況的扭矩為7.8 kg·m，且存在送死摩擦輪的齒頂圓直徑為10 mm。那么可以計(jì)算得到抽送物料所需要的最小拉力為F=65 N。由于推送與抽送都需要通過送絲摩擦輪才能實(shí)現(xiàn)，這種情況下，物料受到大小為65 N的推力向噴嘴移動(dòng)。由于鐵氟龍軟管具有自潤滑性，那么在擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部的成型材料以及流道、加熱腔壁面不會(huì)發(fā)生摩擦行為。

而在物料作用下，螺紋部分所受的拉力可以表示為F1=65 N；并通過材料固有的拉伸強(qiáng)度與流體模型方程得出結(jié)論，添加的鐵氟龍軟管在喉管以及噴嘴部分的強(qiáng)度均能滿足螺紋連接強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過研究3D打印中滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)滑片式自吸聚也具備很多的優(yōu)點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)相比柱塞式的擠出機(jī)構(gòu)而言更加緊湊，而且整體外形尺寸較小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、脈動(dòng)及噪聲較小，工作時(shí)流量較為均勻，其效率相對(duì)于一般齒輪泵的效率而言也比較高[9?10]。

根據(jù)滑片式自吸泵的優(yōu)點(diǎn)以及它的基本工作原理，本文在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了滑片式擠出機(jī)構(gòu)，其大致工作原理和一般的滑片式自吸泵相類似。通過利用傳動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的方式，使轉(zhuǎn)子來帶動(dòng)葉片實(shí)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子偏心放置在泵體腔內(nèi)存在的正負(fù)壓差從而實(shí)現(xiàn)自吸。并且，葉片通過彈黃與轉(zhuǎn)子連接的方式可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，而利用轉(zhuǎn)子使葉片頂端時(shí)刻與定子圈接觸，通過葉片帶動(dòng)流體可以實(shí)現(xiàn)傳輸和穩(wěn)定流速流量的功能。

根據(jù)機(jī)器空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)出絲的長度可以估算通道的流量范圍為0.001～0.09 mL/s，通過多次實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)的原始數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)泵體的尺寸大小。

由于噴口所需求的物料流量很小且對(duì)泵的流量的穩(wěn)定性也有很高的要求，因此，選用內(nèi)表面為等加速等減速曲面。并且根據(jù)相應(yīng)的滑片泵計(jì)算的公式來對(duì)滑片泵的尺寸大小進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。其具體參數(shù)如下，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的滑片泵腔內(nèi)曲面示意圖如圖4所示，流量計(jì)算公式為：

[Q=160πbnηpvR2-r2] （1）

式中：n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；b為寬度；[η]為容積效率；R為泵體內(nèi)部的曲線最大圓弧半徑，如圖4中的CD段所示，r為泵體內(nèi)部曲線的最小圓半徑，如圖4中AB段所示。

由于一般的擠出機(jī)構(gòu)所需要的流量都比較少，因此，原動(dòng)機(jī)必須配備一個(gè)減速器來限制和降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。綜合加工能力與加工精度方面以及體積小型化方面的因素，一般而言，選取定子直徑為D=20 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=60 r/min，流量q=0.09 mL/s。當(dāng)考慮到流量脈動(dòng)的問題時(shí)，葉片數(shù)量Z=15，葉片寬度b=8 mm。綜合上述所有的參數(shù)代入式（1）進(jìn)行計(jì)算，最終可以得出各部分尺寸參數(shù)，滑片擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.3 柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)的主體部分為以斜盤式柱塞泵[11]為原型設(shè)計(jì)的。

柱塞泵的主要缸體部分作為轉(zhuǎn)子，經(jīng)由傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)做單向的旋轉(zhuǎn)，其柱塞位于油腔內(nèi)部并與缸體同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。值得注意的是，柱塞非油壓端面的球狀關(guān)節(jié)是與滑靴以鉸接的形式進(jìn)行連接的，它可以在滑靴上做繞軸運(yùn)動(dòng)。并且在接觸點(diǎn)和缸體端面軸向距離會(huì)發(fā)生變化的情況下，可以使得柱塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到改變油腔體積的目的來實(shí)現(xiàn)吸油和排油的過程。本文根據(jù)這種運(yùn)動(dòng)的原理以及方式來對(duì)柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)里面的擠出泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。

對(duì)于柱塞泵的排列[qb]，即全部柱塞腔所排出的油液的體積存在：

[qb=FZSmaxZ=π4d2ZSmaxZ] （2）

式中：[dZ]為柱塞的外徑；[FZ]為柱塞的橫截面積；[Smax]為柱塞可實(shí)現(xiàn)的最大行程；Z為柱塞數(shù)目。通過泵缸體轉(zhuǎn)速60 r/min，柱塞最大行程[Smax]為2 mm代入式（2）進(jìn)行求解，可以得到柱塞外徑[dZ=5.35]mm。通過這些參數(shù)可以設(shè)計(jì)出符合容積要求的柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)。

2.4 三種擠出機(jī)構(gòu)的組合方案設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的3個(gè)獨(dú)立的小擠出機(jī)構(gòu)之后，本文進(jìn)一步通過對(duì)三種擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效排列來提高它們之間協(xié)同工作的效率。本文中利用三種擠出機(jī)構(gòu)在不同方面的表現(xiàn)性能不同的特點(diǎn)，將活塞式擠出機(jī)構(gòu)和滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)以及柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行并列組合形成三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

其原因在于：對(duì)于活塞式擠出機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度較低且整體質(zhì)量小，加工的精度與難度都較低，但是缺點(diǎn)是物料受熱不均勻且排量不穩(wěn)定，易于出現(xiàn)流涎和溢出的問題；對(duì)于滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)以及泵式擠出機(jī)構(gòu)而言，其共同優(yōu)點(diǎn)是物料的受熱均勻且排量穩(wěn)定，能夠有效緩解流涎和溢出，柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)還有能夠穩(wěn)定整個(gè)通道內(nèi)物料流動(dòng)速率的優(yōu)點(diǎn)，而相同的缺點(diǎn)則是加工精度與難度較高且控制精度要求也高。發(fā)現(xiàn)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)恰好能夠互補(bǔ)，因此提出了三個(gè)擠出機(jī)構(gòu)組合一起的三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。兩者通過圖5中的并聯(lián)形式形成三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

為了能夠有效驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的擠出結(jié)構(gòu)的效果，通過利用FLUENT軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)的模型中內(nèi)部流體速度和溫度場進(jìn)行分析，并將所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果、圖譜結(jié)果與現(xiàn)有3D打印機(jī)中對(duì)應(yīng)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)擠出機(jī)構(gòu)可行性，為下一步控制程序的開發(fā)以及機(jī)械加工提供參考依據(jù)。通過仿真器可以得到如圖6所示的擠出機(jī)構(gòu)分別在初始狀態(tài)和加熱狀態(tài)中的溫度分布圖。

由圖6可知，初始時(shí)，擠出機(jī)構(gòu)各部分均為室溫，溫度300 K（26.85 ℃），經(jīng)過加熱，溫度穩(wěn)定后，加熱塊、噴嘴溫度均穩(wěn)定在304 K（30.85 ℃），符合ABS物料煉熔的要求。在散熱系統(tǒng)的作用下，喉管露出部分平均溫度為340 K（約67 ℃），散熱效果較好。

而由圖6（b）可以得到，設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)加熱部分溫度分布比較均勻，這將保證物料在加熱腔體內(nèi)部能夠均勻受熱，熔融物料品質(zhì)巧?，F(xiàn)有的3D打印機(jī)，當(dāng)成型材料為ABS時(shí)，其擠出機(jī)構(gòu)加熱部分默認(rèn)工作溫度為30 ℃，而所設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)，其加熱部分溫度穩(wěn)定在30.85 ℃，與現(xiàn)有擠出機(jī)構(gòu)加熱部分工作時(shí)溫度基本一致。

圖7為使用設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部的流域部分流速分布云圖。為了方便用作分析，將流道內(nèi)的熔融物料流動(dòng)簡化為管道內(nèi)粘性流體流動(dòng)的問題進(jìn)行分析。通過對(duì)比圖7（a）和圖7（b）可得到，靠近壁面熔融物料因?yàn)槭茏陨碚承缘挠绊戄^小，其流動(dòng)的速度很快，而流體內(nèi)部因?yàn)榇中宰饔脤?dǎo)致流速較慢，但軸向各部分流速穩(wěn)定，不存在滯后問題。通過應(yīng)用現(xiàn)有產(chǎn)品測試，其流速應(yīng)該穩(wěn)定在0.09 mL/s以內(nèi)比較可觀。由圖7（b）可知，當(dāng)設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作時(shí)，內(nèi)部流域流速最大值約為0.067 mL/s，穩(wěn)定后流速約為0.062 mL/s，符合流速要求。因此，可以得出結(jié)論：設(shè)計(jì)的擠出機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，其熔融物料流動(dòng)穩(wěn)定，流速與實(shí)際要求相吻合，可以滿足正常工作需要。

而對(duì)于物料在流道內(nèi)的溫度分布狀態(tài)如圖8所示，分別為初始狀態(tài)下和擠出機(jī)構(gòu)在內(nèi)部穩(wěn)定工作時(shí)的溫度場分布圖。通過圖8（a）可以知道，物料的溫度分布狀況同擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部的溫度狀況分布一致。結(jié)合圖8（b）可知，加熱腔部分和噴嘴部分的溫度較高外，其他的部分溫度都較低且未能達(dá)到熔融所需要的溫度，即低于500 K。因此，物料不會(huì)在喉管中熔融，從而避免了喉管堵塞的問題。在正常工作的時(shí)候，ABS的加熱溫度需要在240 ℃以內(nèi)才能夠避免材料變形，而從圖8中可知，當(dāng)加熱裝置正常工作時(shí)，ABS材料的溫度可以穩(wěn)定在226.8 ℃以下，是符合對(duì)材料的溫度要求的。所以，可以得出結(jié)論，擠出機(jī)構(gòu)整體的加熱部分能夠滿足實(shí)際3D打印過程中的溫度分布需求，既不會(huì)影響到物料的熔融，也不會(huì)由于出口溫度過高而導(dǎo)致成品材料的變形。