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      一種液體堆積固化3D打印機1*

      2021-08-02 11:27:18馬博代丹丹曹長虹湯寶鑫
      魅力中國 2021年19期
      關(guān)鍵詞:推桿螺桿打印機

      馬博 代丹丹 曹長虹 湯寶鑫

      (新疆工程學(xué)院機電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023)

      一、引言

      由于現(xiàn)有熔融擠出式3D打印技術(shù)存在生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品表面分層明顯不美觀,層間結(jié)合力小強度低等問題,為了提高產(chǎn)品質(zhì)量通常還需后處理,但這樣一來不但增加了成本同時也提高了廢品率。針對以上問題,本文提出了一種液體堆積固化3D打印方案,液體材料以擠壓的方式直接擠出堆積固化成型跳過了熱熔步驟,這樣一來不僅提高了效率,產(chǎn)品表面分層得以改善,同時由于不存在逐層凝結(jié)導(dǎo)致的結(jié)合力過小的現(xiàn)象,所以產(chǎn)品強度會有較大的提升,這也是本方案的最大優(yōu)點。

      液體材料堆積擠出裝置通過3D打印的方法生成,擠出驅(qū)動力由單片機控制步進電機實現(xiàn)。前期實驗通過觀察分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化,后期實驗主要完成配套控制系統(tǒng)對于液體材料擠出速度的優(yōu)化。雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu),但生成產(chǎn)品形體的打印機結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒有改變,非但不會影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸,同時還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

      二、整體結(jié)構(gòu)方案

      對3D打印機的結(jié)構(gòu)來分,主流的形式有兩種:笛卡爾型(XYZ型)和并聯(lián)臂型(三角洲型)。

      XYZ型3D打印機,如下圖1所示。其特點:打印精度較高,安裝過程復(fù)雜,打印物體會隨平臺移動,其機型占地面積大。

      三角洲型3D打印機,如圖2所示。其特點:打印速度快,精度略高,安裝簡單。其機型架構(gòu)穩(wěn)定,空間利用率高,節(jié)省占地面積。

      通過兩種機型結(jié)構(gòu)的特點比較,本文采用三角洲型結(jié)構(gòu),主要通過并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)來控制噴嘴運動,從而提高打印機打印的準(zhǔn)確性,并聯(lián)機構(gòu)會控制打印頭每個方向上的自由度,以保證打印頭的運動軌跡,完成打印。

      三、打印裝置

      本文所設(shè)計的3D打印機,打印材料為液體,因此采用注射形式將打印材料擠出,完成打印任務(wù)。擠出裝置包括注射筒(圖a)和注射推桿(圖b),如圖3所示。注射筒上,在接近于注射筒底部設(shè)計一個進料口,使液體材料可源源不斷的供應(yīng)。擠出裝置作為打印機的主要元件,如下圖4所示。

      擠出裝置由步進電機驅(qū)動,通過聯(lián)軸器聯(lián)接螺桿傳動輸出。螺桿上有螺母配合,特制螺母用彈簧固定于中間板上,對螺桿徑向進行約束,這樣一來,電機傳動就可以使螺桿在螺母的配合下實現(xiàn)液體材料的注推動作。同時,為了防止注射推桿轉(zhuǎn)動,注射推桿與螺桿之間采用軸承支撐,從而使液體材料擠出打印過程中只有推力傳遞到注射桿。在打印過程中為了防止液體材料回流,在注射筒進料口處設(shè)置一個單向閥。電機與傳動裝置跟隨注射筒整體移動,從而完成打印工作。該打印裝置如下圖5所示。

      四、打印機整體建模

      下圖6為本文所設(shè)計的一種液體堆積固化3D打印機的整體結(jié)構(gòu)三維模型,該打印機主要由機架、打印裝置、側(cè)板、中間板、上板、傳動機構(gòu)以及連接件等部分組成。

      該液體堆積固化3D打印機采用三角洲型打印機結(jié)構(gòu),其安裝簡單,打印速度快。打印擠出系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動,由螺母約束螺桿傳遞推力,使注射推桿將液體材料擠出,實現(xiàn)打印。打印過程中,液體材料邊堆積邊固化成型,從而使整體結(jié)構(gòu)層間結(jié)合強度提高,打印物體表面平滑美觀。該打印系統(tǒng)的特點為:

      (一)以熔融式3D打印機的整體框架為基礎(chǔ),將原有的熔融式擠出噴嘴替換為適應(yīng)液體堆積的擠出裝置和控制系統(tǒng)。

      (二)液體材料堆積擠出裝置通過3D打印的方法生成,擠出驅(qū)動力則由單片機控制步進電機實現(xiàn)。

      (三)雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu),但生成產(chǎn)品形體的打印機結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒有改變,非但不會影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸,同時還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

      (四)控制系統(tǒng)可采用STM32系列單片機實現(xiàn)控制過程。該控制系統(tǒng)中,液體材料擠出速度與坐標(biāo)控制需要互相配合。

      (五)通過分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化與配套控制系統(tǒng)對于液體材料擠出速度的優(yōu)化。同時,為了達(dá)到更好的打印效果,可引入機器視覺技術(shù),通過視覺圖像的測量計算實現(xiàn)打印過程的實時反饋,由控制系統(tǒng)修正參數(shù),從而提高產(chǎn)品的尺寸精度。

      五、結(jié)論

      本文所設(shè)計的液體堆積固化3D打印機摒棄原有熔融擠出式3D打印的思路,直接采用液體材料擠出堆積后固化成型。針對液體打印材料專門設(shè)計擠出裝置及其配套的傳動系統(tǒng),理論上其效率高,互溶性好,產(chǎn)品表面細(xì)膩,同時可以較大的提高產(chǎn)品強度。

      該打印機可在食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用。為此打印裝置可采用兩種打印擠出頭,一種打印擠出頭用于食品加工中,如:液體巧克力直接打印到打印板上,打印出個性化的巧克力;另一種打印擠出頭可采用加長型針管,主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如液體硅膠打進“油性”微凝膠中,讓水凝膠起到支撐和固化作用,打印出醫(yī)學(xué)使用的物品。

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