FDM柔性噴絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬金玉，余勝東（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

FDM柔性噴絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬金玉，余勝東
（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

為提高噴嘴出絲速度的穩(wěn)定性，滿足較高精度的3D打印要求，設(shè)計(jì)一種FDM柔性噴絲系統(tǒng)。塑料絲在系統(tǒng)柔性驅(qū)動(dòng)力的控制下，進(jìn)入漏斗形噴嘴中熔融、噴出；塑料絲在噴嘴中由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔盍黧w，以改善塑料的流動(dòng)性為目標(biāo)，對其熱流場特性進(jìn)行仿真，得出最佳噴嘴形狀。應(yīng)用實(shí)例表明，系統(tǒng)較好地解決了卡絲卡料和噴嘴堵塞等問題，提高了噴嘴出絲的流暢性和穩(wěn)定性，應(yīng)用效果良好。

FDM；柔性噴絲系統(tǒng)；噴嘴；熱流場特性

DOI：10.13669/j.cnki.33-1276/z.2015.040

0　引 言

近年來，3D打印技術(shù)正以前所未有的速度普及和推廣，而其中目前市場上最熱的當(dāng)屬熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）快速成型技術(shù)［1］。3D打印實(shí)體造型的流程是：設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)好的三維圖形被計(jì)算機(jī)按一定的層厚分層，分解為若干二維平面圖形的切片信息，并將切片信息傳輸給FDM成型機(jī)；FDM成型機(jī)通過加熱方式將固態(tài)的熱熔性材料融化并通過該噴嘴將材料噴出來，通過控制噴嘴的移動(dòng)路徑完成一層二維平面圖形成型后，成型機(jī)提升一個(gè)層厚再繼續(xù)上一層的成型，如此層層堆積，直至完成所有分層切片。噴絲系統(tǒng)包括送絲機(jī)構(gòu)、加熱器及噴嘴等。傳統(tǒng)的FD M成型機(jī)都是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)一組相互擠壓的驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪固定在機(jī)架上，塑料絲在驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入噴嘴中［2］。但使用傳統(tǒng)的FDM成型機(jī)發(fā)現(xiàn)，作為原材料塑料絲的直徑存在一定誤差，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪對塑料絲的驅(qū)動(dòng)力不穩(wěn)定，使得進(jìn)給速度有波動(dòng)，進(jìn)而影響噴嘴的工作，易于造成卡絲卡料和噴嘴堵塞等現(xiàn)象。為提高噴嘴出絲速度的穩(wěn)定性，結(jié)合材料在熔腔內(nèi)的熱流場特性，本文設(shè)計(jì)一種F DM柔性夾緊噴絲結(jié)構(gòu)，并在應(yīng)用中取得了良好的效果。

1　噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

FDM加速成型中，柔性噴絲系統(tǒng)負(fù)責(zé)將固態(tài)絲質(zhì)材料送入噴嘴中，并將噴嘴中熔融狀流體擠出。熔融狀

熔融性材料具有受熱后呈現(xiàn)半固半液的熔融狀態(tài)，在一定的壓力下經(jīng)特制噴嘴呈絲狀噴出，隨著噴嘴的移動(dòng)使熔融堆積加工，噴絲直徑?jīng)Q定成型實(shí)體的精度。常用的熔融性材料如ABS和PLA塑料等，它們在不同形狀的噴嘴熔腔內(nèi)具有各自的流動(dòng)規(guī)律［3］。

噴嘴熔腔為漏斗型，直徑D1的等截面圓管和直徑為D2的等截面圓管通過錐形圓管平滑過度，三者的長度分別為L1，L2，L3，如圖1所示。L1，D1為噴嘴存儲熔融流體熔腔的大小，D2為噴嘴所噴絲的直徑，L2為對噴絲進(jìn)行導(dǎo)向的長度，L3為過渡區(qū)域的長度。其中錐形圓管部分避免了不同直徑的兩段圓管引起的阻力突變，以及局部紊流所帶來的影響［4］。熔融流體最終由直徑為D2的圓管經(jīng)噴嘴噴出用以成型堆積，不同形狀的熔腔內(nèi)分別呈現(xiàn)不同形態(tài)的壓力差，需要進(jìn)一步分析。

對于等截面圓管，采用柱坐標(biāo)系，熔融性材料在其中做軸向等溫流動(dòng)，忽略入口效應(yīng)并假設(shè)流動(dòng)是充分發(fā)展的層流流動(dòng)，則該流場模型簡化為一維定常層流流動(dòng)［5］。出口處直徑為D1的等截面圓管壓力差為：

其中，PZ為進(jìn)口處壓力梯度，Q為體積流量，KP為計(jì)算系數(shù)。

同理，出口處直徑為D2的等截面圓管壓力差為：

圖1　漏斗型噴嘴熔腔結(jié)構(gòu)

對于錐形圓管，其徑向尺寸d（D2≤d≤D1）隨著軸向坐標(biāo)l（0≤l≤L3）線性減小，由D1降至D2，軸向坐標(biāo)為l處直徑對應(yīng)為d，即。假定D1-D2＜＜L3，即錐角對熔融液體流動(dòng)性的影響可忽略不計(jì)，取任意增量ΔL均可視為等截面圓管中熔融液體的流動(dòng)，此處的壓力梯度與D成反比［6］，即：

進(jìn)而對于定常穩(wěn)態(tài)流場，體積流量Q與軸向坐標(biāo)沒有相關(guān)性［7］，則推導(dǎo)出錐形圓管總壓力差為：

綜合分析熔腔內(nèi)熔融流體流動(dòng)，以漏斗型噴嘴熔腔（見圖1）為研究對象，包含兩段等截面圓管及一段錐形圓管，經(jīng)過該熔腔的熔融流體流動(dòng)總壓力差為：

總壓力差ΔP實(shí)際上也是熔融流體在流道中流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失，相應(yīng)的阻力即為沿程阻力。另外，流道中局部可能存在的紊流會對流動(dòng)產(chǎn)生附加阻力，固液共存段的特殊形態(tài)也會對塑料絲的送入產(chǎn)生阻力，但這些阻力相對于沿程阻力來說非常小，在此忽略不計(jì)。據(jù)此可認(rèn)為，與上式計(jì)算的壓力差相應(yīng)的阻力即為流道對塑料絲的全部阻力。（5）式表明在上述假設(shè)條件下，總壓力差的大小與噴嘴相關(guān)尺寸D1，D2，L1，L2，L3的關(guān)系，即過渡區(qū)域越長，總壓力差越小，流體的流動(dòng)性越強(qiáng)。

2噴嘴中熔融狀流體的流場仿真分析

選取不同噴嘴尺寸仿真計(jì)算CFD（Computational Fluid Dynamics）流場，以改善塑料的流動(dòng)性為目標(biāo)，模擬出最佳噴嘴形狀。為保證數(shù)據(jù)的可比性，保持D1= 5mm，D2=0.3mm，L1=6mm，L2=4mm，L3分別選取為10mm、6mm、0mm。

采用CFD方法計(jì)算噴嘴中熔融狀流體，借助于ANSYS CFX軟件的強(qiáng)大仿真分析能力，可獲取溫度、壓強(qiáng)等多物理場的整體解決方案。在ANSYS CFX軟件計(jì)算過程中，綜合計(jì)算效率及計(jì)算精度，采用計(jì)算效率較高的Euler網(wǎng)格劃分方法，設(shè)置邊界條件為噴嘴入口壓強(qiáng)1.5× 105Pa，開氏溫度393.15K；出口壓強(qiáng)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，開氏溫度293.15K，得到噴嘴中不同過渡區(qū)域的熔融流體溫度場、壓強(qiáng)分布云，如圖2～圖3所示。

由圖2可知，在L1處的熔融流體的開氏溫度400K，通過三種不同的過渡區(qū)域，熔融流體到達(dá)L2出口處的開氏溫度390K左右，其溫度降低了2.5%。可見，不同過渡區(qū)域?qū)囟葓龅挠绊懖淮螅廴诹黧w的性質(zhì)未發(fā)生變化。

圖2　噴嘴中不同過渡區(qū)域的熔融流體溫度場分布云

圖3　噴嘴中不同過渡區(qū)域的熔融流體壓強(qiáng)分布云

由圖3可知，在L1處的熔融流體的壓強(qiáng)，表示塑料絲在柔性驅(qū)動(dòng)力的控制下，固態(tài)塑料絲對熔融流體的壓強(qiáng)為1.5×105Pa。在L3=10mm過渡區(qū)域中，熔融流體流動(dòng)到達(dá)出口處的壓強(qiáng)為1.0×105Pa；在L3=6mm過渡區(qū)域中，熔融流體流動(dòng)到達(dá)出口處的壓強(qiáng)為9.9× 104Pa；在無過渡區(qū)域中，熔融流體流動(dòng)到達(dá)出口處的壓強(qiáng)為-5×106Pa。可見，過渡區(qū)域越長，其壓強(qiáng)損失越小，熔融流體在噴嘴中的流動(dòng)性越強(qiáng)。如果無過渡區(qū)域，出口處的壓強(qiáng)顯示為負(fù)壓，表示在初始壓強(qiáng)下，熔融流體無法從出口處噴出。采用C FD方法對噴嘴中熔融流體進(jìn)行仿真分析，與（5）式推導(dǎo)的結(jié)果相吻合。

過渡區(qū)域越長，熔融流體的流出越流暢。但過長的過渡區(qū)域會帶來機(jī)械制造上的困難。在L3=10mm過渡區(qū)域出口處的壓強(qiáng)與L3=6mm過渡區(qū)域出口處的壓強(qiáng)基本相等。因此，在實(shí)際制造中，取L3=6mm過渡區(qū)域，熔融流體可獲得良好的流動(dòng)性。

3　基于柔性送絲機(jī)構(gòu)的FDM柔性噴絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為提高送絲效率，改善成型質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的FDM柔性噴絲系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)為：由送絲電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)小齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與小齒輪相嚙合的大齒輪同時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與大齒輪同軸的滾輪保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并與塑料絲相接觸，塑料絲從支架上方穿過，經(jīng)過導(dǎo)柱送入噴嘴中，噴嘴呈漏斗形，其外部設(shè)置有熱電偶，熱電偶對塑料絲進(jìn)行加熱，使噴嘴保持所需的溫度，同時(shí)根據(jù)噴腔的液體流動(dòng)性計(jì)算，適當(dāng)減小噴嘴出口段長度以減小噴嘴綜合流阻，壓緊板通過螺栓連接在壓緊輪上，在螺栓和壓緊板中間設(shè)置有彈簧，壓緊輪與塑料絲為彈性接觸，塑料絲在滾輪和壓緊輪的共同作用下被柔性夾緊，并由滾輪帶動(dòng)，經(jīng)過導(dǎo)柱輸送到噴嘴中，如圖4所示。

塑料絲通過拉絲工藝制備，使得塑料絲的直徑存在一定的誤差。正常塑料絲的直徑為2mm±0.2mm。本文提出的柔性送絲機(jī)構(gòu)，滾輪和壓緊輪驅(qū)動(dòng)塑料絲進(jìn)給，自動(dòng)適應(yīng)塑料絲直徑的變化，塑料絲獲得穩(wěn)定、均衡的推動(dòng)力。傳統(tǒng)的送絲機(jī)構(gòu)在工作中，驅(qū)動(dòng)輪無法對塑料絲進(jìn)行柔性送絲。如果塑料絲的直徑太小，驅(qū)動(dòng)輪對塑料絲的正壓力不足而發(fā)生打滑；如果塑料絲的直徑太大，塑料絲則容易堵在驅(qū)動(dòng)輪處。塑料絲的送絲效率直接關(guān)系到噴嘴的出絲品質(zhì)。

基于柔性送絲機(jī)構(gòu)而開發(fā)的F D M柔性噴絲系統(tǒng)，即使在長時(shí)間工作情況下，柔性送絲機(jī)構(gòu)對塑料絲仍保持柔性夾緊，不會造成塑料絲打滑、走絲緩慢、擠出力不均等問題，保證機(jī)器打印精度和工件強(qiáng)度。此外，通過導(dǎo)柱將塑料絲送到噴嘴中，保證了定位精度，避免了因絲料經(jīng)加熱后膨脹造成的退料時(shí)絲料卡在出料口的現(xiàn)象。同時(shí)將該系統(tǒng)溫控部分設(shè)計(jì)為溫度可調(diào)型，使其實(shí)際工作熱效率為最大工作效率的5～6倍，可最大限度地縮短成型預(yù)熱時(shí)間。

圖4　FDM柔性噴絲系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

4　應(yīng)用實(shí)例

將本文設(shè)計(jì)的F D M柔性噴絲系統(tǒng)應(yīng)用于自主開發(fā)的小型3D打印機(jī)中。3D打印機(jī)機(jī)體框架采用矩形結(jié)構(gòu)以獲得更好的剛性，三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直角坐標(biāo)系，其中XY軸由步進(jìn)電機(jī)及同步帶控制定位，Z軸升降則由滾珠絲杠控制。3 D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 D打印機(jī)打印前先通過三維設(shè)計(jì)軟件建模并輸出，設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件。STL文件采用三角面近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高，成型質(zhì)量相對更好?？谏诘娜S模型如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)低成本打印，采用Arduino主板芯片，它具有成本低、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，滿足了3D打印機(jī)低成本打印的需求。該主板芯片連接所有的周邊擴(kuò)展，用來驅(qū)動(dòng)整個(gè)3D打印機(jī)，其中包含3個(gè)步進(jìn)電機(jī)接口和4個(gè)RJ45接口，用于連接擠壓控制電路板，該電路板用于控制打印頭；配備一個(gè)SD卡插槽及ATX電源接口。另外，同時(shí)采用兩塊基于Allegro A3982步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板。

圖6　口哨的三維模型

根據(jù)分析及多次試驗(yàn)，將噴嘴溫度設(shè)置為開氏溫度400K，將工作臺溫度設(shè)置為開氏溫度350K，3D打印機(jī)打印出的口哨產(chǎn)品如圖7所示。對于口哨模型等簡單的零部件，無需進(jìn)行打磨、拋光等后處理工序，其產(chǎn)品表面均勻無缺陷，相較于常用的送絲系統(tǒng)，精度有了明顯的改善，能夠一次性獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖7　3D打印機(jī)及口哨產(chǎn)品

5　結(jié) 論

本文對熔融性材料在等截面及變截面熔腔中的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，進(jìn)一步推算出噴絲系統(tǒng)熔腔中熔融液體的流動(dòng)特性，并據(jù)此設(shè)計(jì)一種具有柔性及溫控特性的FDM柔性噴絲系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于小型3D打印機(jī)中，可滿足較高精度的3D打印要求。目前，此項(xiàng)技術(shù)已授權(quán)實(shí)用新型專利（ZL.201420123182.7），并轉(zhuǎn)讓給瑞安市某網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，該公司利用該技術(shù)生產(chǎn)的3 D打印機(jī)已成功推向市場。

［1］楊家林，王洋，陳楊.快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.新技術(shù)新工藝，2003（1）：28-29.

［2］徐鋒.三維打印技術(shù)研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015（1）：98-101.

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［責(zé)任編輯：吳百中］

Design and Practice on FDM Flexible Wire Feeding System

MA Jinyu， YU Shengdong
（Electric and Electronic Engineering Department， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou， 325035， China）

To improve the stability of the spinning speed of feeding nozzle and meet the requirement of accuracy of 3D printing， a FDM flexible wire feeding system was designed. With the control of the flexible driver，plastic threads went into the nozzle to melt and eject， and plastic threads changed from solid to liquid. With the objective of improving the flowability of plastic， its heat flux characteristic was imitated to get the best nozzle shape. It is shown that the system solve the problems of stuck feeding wire and nozzle clogging， which improves the flexibility and stability of spinning of nozzle and has a good efficiency.

FDM； Flexible wire feeding system； Feeding nozzle； Heat flux characteristics

TH165+.1

A

1671-4326（2015）02-0071-05

2015-02-26

溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（WZY2014037）

馬金玉（1988—），女，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系助教，碩士；

余勝東（1984—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，助理研究員，碩士.流體在噴嘴中的流動(dòng)阻力越小、壓力損失越小，將使打印效果更加流暢。由于溫度對材料的性能影響較大，熱量平衡的系統(tǒng)才能均勻噴出等直徑的絲，因而應(yīng)考慮熱平衡性，并選擇恰當(dāng)?shù)臏囟纫蕴岣咚徒z穩(wěn)定性。