熔積成型打印耗材接絲機(jī)的開發(fā)及工藝參數(shù)

韓志民，　李景賀，　曲　芳，　趙　燦

(1. 黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心， 哈爾濱 150022；2. 黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心， 哈爾濱 150022)

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熔積成型打印耗材接絲機(jī)的開發(fā)及工藝參數(shù)

韓志民1，李景賀2，曲芳1，趙燦2

(1. 黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心， 哈爾濱 150022；2. 黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心， 哈爾濱 150022)

利用熔融沉積成型(FDM)技術(shù)打印同種耗材的多色產(chǎn)品時，多采用手動更換耗材的方法，存在耗時、費力、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題。為此，研制了FDM打印耗材接絲機(jī)，通過控制器控制加熱塊的耗材粘接溫度，再利用熱電偶將粘接溫度反饋回控制器以保證加熱區(qū)域溫度控制在一定范圍內(nèi)，達(dá)到確保粘接質(zhì)量的目的。該機(jī)可以解決不同顏色、相同材質(zhì)的耗材，如PLA(或ABS)粘接在一起而制造出不同樣式的多色產(chǎn)品問題；解決遠(yuǎn)程送絲FDM3D打印耗材浪費問題；同時，提高了多色產(chǎn)品的打印質(zhì)量和加工效率，解決了任意顏色、同種耗材的連續(xù)打印問題。通過對接絲機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，以及在樣機(jī)上的粘接實驗，結(jié)果表明：開發(fā)的接絲機(jī)完全能夠達(dá)到3D打印耗材的粘接要求，可以確保粘接質(zhì)量，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。

接絲機(jī)； 控制器； 粘接溫度； 接絲管

0　引　言

傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)部件的加工需求， 許多異形結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)工藝很難甚至根本無法加工，3D打印技術(shù)由此而生，3D打印技術(shù)的誕生依托了多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，是新時代信息科技發(fā)展的最新成果，也是人類科技發(fā)展史上的一大進(jìn)步[1]。熔融沉積成型(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，又稱熔絲沉積，是一種快速成型技術(shù)。FDM是將低熔點材料熔化后，通過由計算機(jī)數(shù)控的精細(xì)噴頭按CAD分層截面數(shù)據(jù)進(jìn)行二維填充，噴出的絲材經(jīng)冷卻黏結(jié)固化生成一薄層截面，層層疊加成三維實體[2-3]。3D打印技術(shù)作為一項前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)在文化創(chuàng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

3D 打印溶融沉積成型(FDM)技術(shù)是采用絲狀耗材(如PLA、ABS、PC、尼龍等)作為加工物,用加熱器將其加熱到溶融狀態(tài),擠絲機(jī)構(gòu)從噴頭擠出細(xì)絲材料。噴頭分為近程送絲和遠(yuǎn)程送絲兩種機(jī)構(gòu)。噴頭和擠絲機(jī)構(gòu)直接安裝在一起，成為一體稱為近程送絲機(jī)構(gòu)。其缺點是：噴頭上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法改造成單噴頭自動換料，只能通過增加噴頭和擠出機(jī)的數(shù)量在內(nèi)部控制程序的作用下實現(xiàn)半自動換料。這種方式容易造成打印件的脫層現(xiàn)象，嚴(yán)重影響打印質(zhì)量。擠絲機(jī)構(gòu)安裝在其他部位而與噴頭有一段距離稱為遠(yuǎn)程送絲機(jī)構(gòu)。它的缺點是，當(dāng)一卷耗材用盡時，在擠出機(jī)與噴頭之間會剩余一段耗材無法正常使用，造成耗材浪費。在打印多色產(chǎn)品時，同樣無法實現(xiàn)自動換料，手動換料步驟繁瑣，且打印成功概率低。鑒于此，筆者研制一種新型耗材接絲機(jī)，預(yù)先將兩根或多根相同材質(zhì)的耗材粘接在一起，形成一整根耗材供打印機(jī)使用，以實現(xiàn)3D打印設(shè)備的自動化和智能化。

1　3D打印換絲方法比較

1.1傳統(tǒng)打印方法

在打印多色產(chǎn)品時，傳統(tǒng)的打印方法是采用降低打印速度，或暫停打印機(jī)，手動更換不同顏色的耗材。該方法加工效率低，換料過程復(fù)雜難操作，且換料過程中要嚴(yán)格控制時間，避免在低速，或暫停打印機(jī)時，在長時間換料的情況下造成噴頭下部高溫破壞打印件。

1.2雙噴頭打印方法

雙噴頭打印比單噴頭打印在換料方面要方便很多。在打印多色產(chǎn)品時，只有一個噴頭正常工作，當(dāng)需要更換耗材顏色時，原先工作的噴頭暫停，另一個噴頭開始工作。雙噴頭打印存在的問題是，在換料過程，需要另一個噴頭提前預(yù)熱，提前預(yù)熱時間難以控制。在預(yù)熱時，不可避免地產(chǎn)生耗材滴落現(xiàn)象，對打印層之間的粘接產(chǎn)生影響。且該方法只能打印兩種顏色的耗材，同時增加噴頭和擠出機(jī)的數(shù)量，也增加了打印機(jī)成本。

1.3文中研究的打印方法

文中開發(fā)FDM 3D打印耗材接絲機(jī)，是獨立的接絲裝置，與3D打印機(jī)無關(guān)。方法是預(yù)先將兩根或多根耗材粘接在一起，形成一整根耗材供打印機(jī)使用。采用加熱塊對兩種耗材在接絲管內(nèi)加熱對接，通過控制器控制加熱溫度，使兩種耗材粘接在一起?？梢杂脝螄婎^打印機(jī)或雙噴頭打印機(jī)實現(xiàn)任意耗材的連續(xù)打印，打印過程中打印機(jī)無須降低打印速度，提高了打印效率；由于無須降低打印速度，所以不會出現(xiàn)打印層之間粘接不良的現(xiàn)象或者打印件表面的燙化現(xiàn)象?？梢詫崿F(xiàn)近程送絲和遠(yuǎn)程送絲打印機(jī)自動化換料，減少打印工作人員的配置，節(jié)約勞動成本，也降低了因手動換料出現(xiàn)打印機(jī)故障概率。

2　接絲機(jī)工作原理與粘接流程

2.1接絲機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

接絲機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。接絲機(jī)工作原理如圖2所示。由圖1可見，接絲機(jī)主要由加熱塊、熱電偶、加熱棒、風(fēng)扇、控制器、接絲管等組成。其工作原理是通過控制器控制加熱塊的耗材粘接溫度，通過熱電偶將粘接溫度反饋回控制器，以保證加熱區(qū)域溫度控制在一定范圍內(nèi)，確保粘接質(zhì)量。

2.2接絲機(jī)工作流程

接絲機(jī)的工作流程主要分為六個步驟：

(1)接通電源。

(2)按設(shè)置鍵進(jìn)行溫度設(shè)置，點動加號鍵增加溫度、點動減號鍵減少溫度，當(dāng)溫度設(shè)置到設(shè)定溫度后，按確認(rèn)鍵完成溫度設(shè)置，此時溫度顯示屏顯示所設(shè)置當(dāng)前溫度，加熱棒開始加熱。

(3)當(dāng)溫度顯示屏顯示達(dá)到溫度設(shè)定值時，將欲粘接的兩根耗材從兩端穿入置于加熱塊上部凹槽內(nèi)的接絲管內(nèi)對接。

(4)粘接完成后，啟動風(fēng)扇引入對流風(fēng)使加熱塊迅速降溫。

1上蓋； 2機(jī)殼； 3下蓋； 4加熱塊； 5阻熱支桿； 6熱電偶 ；7加熱棒； 8風(fēng)扇；

圖2　接絲機(jī)工作原理

(5)加熱過程中，熱電偶開始工作，將加熱塊的溫度實時反饋給控制器內(nèi)溫控器，溫控器根據(jù)反饋溫度實時輸出繼電器通、斷加熱棒的電源，以確保加熱塊的溫度持續(xù)保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。當(dāng)加熱溫度超過設(shè)定溫度的正負(fù)偏差或加熱棒出現(xiàn)故障時，控制器報警并自動切斷電源。

(6)取下粘接好的耗材退出接絲管，如果粘接后的耗材太長，可不用退掉接絲管，在打印時接絲管被擋在擠絲機(jī)的前面并不影響打印。

3　接絲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1對耗材接絲效果的要求

為使粘接后的耗材能順利通過送絲管，要求粘接處應(yīng)無痂點，以直徑φ2 mm耗材為例，直徑不應(yīng)大于φ2 mm。由于送絲管有彎曲部位，所以粘接處應(yīng)能承受一定的彎曲壓力。同時，為保證粘接后的強度，粘接處應(yīng)無虛接、汽泡等瑕疵。

3.2加熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗

加熱塊選用熱傳導(dǎo)性能較好且價格適中的鋁合金材料，可提高接絲效率和節(jié)能。為減少加熱塊溫度損失，將加熱塊固定在四根導(dǎo)熱性差的支桿上。加熱處選用凹槽結(jié)構(gòu)，局部加熱效果好；耗材粘接后采用風(fēng)扇冷卻易于取出，提高效率。

3.2.1加熱塊粘接實驗

將加熱塊設(shè)計成凹槽結(jié)構(gòu)，將欲粘接的兩根耗材置于凹槽內(nèi)對接，如圖3所示。

圖3　凹槽結(jié)構(gòu)的加熱部分

凹槽結(jié)構(gòu)的加熱溫度θ及加熱時間t實驗結(jié)果見表1。從表1可見，粘接適宜溫度為140 ～180 ℃，粘接溫度較低。但實驗結(jié)果存在三個問題：第一，粘接后的耗材易與凹槽粘連，試件取出困難。其二，粘接處有飛邊痂點、直徑大于φ2 mm；粘接后的耗材不能順利通過擠出設(shè)備及送絲管。第三，在拉伸實驗時，粘接良好的耗材不出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，但在彎曲實驗時，所有的粘接良好的試件都會斷裂。上述結(jié)果顯示，采用將欲粘接耗材直接放在凹槽結(jié)構(gòu)的加熱塊內(nèi)接絲工藝不可行。

表1凹槽結(jié)構(gòu)的加熱溫度、加熱時間與粘接效果

Table 1Grooves of structure of effect of heating temperature, heating time and adhesive

實驗件號θ/℃t/s粘接狀況能否彎曲1/2110無法粘接否3/4120粘接較差否5/6130可粘接否7/814016.1粘接良好能9/1015015.3粘接良好能11/1216013.2粘接良好能13/1417012.6粘接良好能15/1618010.4粘接良好能17/18190有汽泡否

3.2.2接絲管優(yōu)化設(shè)計及實驗

接絲管是接絲機(jī)的核心部件之一，采用將欲粘接耗材從兩端插入接絲管內(nèi)，再放入加熱塊的凹槽內(nèi)加熱，圖4所示為接絲管結(jié)構(gòu)的加熱部分，接絲管內(nèi)徑φ2 mm外徑φ4 mm的聚四氟乙烯的圓管。

圖4　接絲管結(jié)構(gòu)的加熱部分

Fig. 4Heating section showing connections wire tube structure

接絲管結(jié)構(gòu)加熱溫度及加熱時間實驗結(jié)果見表2。從表2可見，用接絲管粘接適宜溫度為190～220 ℃。由于是在接絲管內(nèi)進(jìn)行粘接，既能限制飛邊痂點又能增加強度，滿足了拉伸實驗要求和彎曲實驗要求，冷卻收縮后試件粘接處圓滑過渡，直徑在φ1.87～φ1.92 mm，能夠順利通過擠出設(shè)備及送絲管。

表1、表2可以看出，隨著粘接溫度升高，粘接時間在縮短，雖然采用接絲管粘接溫度比無接絲管粘接溫度高，但能更好的保證粘接效果。結(jié)果顯示：采用接絲管接絲工藝可行。

表2凹槽結(jié)構(gòu)的加熱溫度、加熱時間與粘接效果

Table 2Grooves of structure of effect of heating temperature, heating time and adhesive

實驗件號θ/℃t/s粘接狀況能否彎曲1/2160無法粘接否3/4170粘接點較脆,易斷否5/618020.1粘接良好否7/819018.2粘接良好能9/1020017.9粘接良好能11/1221016.5粘接良好能13/1422015.3粘接良好能15/16230有汽泡否

3.2.3接絲管材料的分析與選擇

由于實驗溫度達(dá) 230 ℃，所以要求接線管材質(zhì)應(yīng)具有一定的耐高溫性能，在高溫下不變形。為保證耗材粘接后能順利從接絲管中取出，要求接絲管材質(zhì)摩擦系數(shù)低，同時有與其他材料不粘接性能。

通過大量的分析與實驗，采用聚四氟乙烯管材最為理想。聚四氟乙烯(PTFE)，一般稱作“不黏涂層”或“易清潔物料”。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數(shù)極低，可作潤滑作用之余，亦成為了易清潔水管內(nèi)層的理想涂料。該材質(zhì)在文中實驗中具有六大優(yōu)點：

(1)摩擦系數(shù)小。由于PTFE大分子間的相互引力小, 且表面對其他分子的吸引力也很小, 因此其摩擦系數(shù)非常小, 是已知固體工程材料中最低的, 靜摩擦系數(shù)僅為0.04。

(2)極佳的化學(xué)穩(wěn)定性。PTFE不與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng), 能承受大部分強酸(包括王水、氫氟酸、濃鹽酸、發(fā)煙硫酸、有機(jī)酸等)、強堿、強氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的作用。

(3)從- 250 ℃到260 ℃寬廣的使用溫度。

(4)具有突出的表面不粘性和良好的自潤滑性。PTFE表面張力小0.019 N /m, 是目前表面能最小的一種固體材料, 幾乎所有的固體材料都不能粘附在其表面。

(5)極好的熱穩(wěn)定性，PTFE熔點327 ℃。

(6)優(yōu)異的電絕緣性能。

不適合于文中的缺點是導(dǎo)熱性差, 易造成熱膨脹、熱疲勞和熱變形[4-5]。為解決導(dǎo)熱性差的問題，在接絲管外纏繞一層石墨紙，以提高其導(dǎo)熱性。

3.3控制器設(shè)計及優(yōu)化

控制器也是接絲機(jī)的核心部件之一，它具有溫度設(shè)定，溫度自動調(diào)節(jié)，過熱保護(hù)，溫度顯示的功能?？刂破髟O(shè)計方案對比如下：

(1)采用Arduino開發(fā)板作為控制中心[6,7]，通過熱敏電阻反饋信號給Arduino開發(fā)板的處理器，從而達(dá)到控制加熱棒加熱溫度的目的。此方案編程設(shè)計比較復(fù)雜，控溫精度一般。

(2)采用PID溫度控制器來設(shè)計整個控制電路，PID屬于通過比例、積分、微分結(jié)合在一起的一個整體來進(jìn)行模糊控制溫度。通過熱電偶反饋信號給溫控器，溫控器輸出端通過輸出繼電器觸點的閉合與斷開，從而達(dá)到控制加熱棒加熱溫度的目的，此方案控制精度高，穩(wěn)定性好[8-10]。

(3)采用機(jī)械溫度控制器來設(shè)計整個控制電路，通過感溫泡控制加熱棒加熱溫度,此方案控制精度效果較差。

通過以上分析對比，使用PID溫控器最合理，性價比高，實用性強。

PID系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

圖5　PID控制系統(tǒng)原理

由圖5可見，接通電源后，電流經(jīng)過PID溫度控制器的常閉觸點給加熱棒進(jìn)行供電，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值，熱電偶探測到的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柗答伣oPID溫度控制儀，PID溫度控制儀進(jìn)行相應(yīng)的計算后控制輸出繼電器動作，使常閉觸點斷開，加熱棒斷電，隨之加熱塊溫度降低；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，PID溫度控制儀輸出繼電器常閉觸點閉合繼續(xù)給加熱棒供電，加熱棒加熱升溫。從而使溫度維持在一定的溫度范圍內(nèi)。若當(dāng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障時導(dǎo)致加熱塊繼續(xù)升溫時，系統(tǒng)會自動報警并自動切斷電源。

4　結(jié)束語

筆者通過對熔融沉積成型(FDM)打印耗材接絲機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，工藝參數(shù)的實驗，研究表明，該接絲機(jī)完全能夠達(dá)到對3D打印耗材的粘接工藝要求。制造的樣品外觀精美，體積小，重量輕，操作簡單，成本低廉，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。研發(fā)高性能的接絲機(jī)是目前3D打印技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，可以為3D打印設(shè)備的自動化、智能化打下堅實的基礎(chǔ)。

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(編輯徐巖)

Development of fused deposition modeling printing consumables wire connecting machine and study on its process parameters

HANZhimin1,LIJinghe2,QUFang1,ZHAOCan2

(1. Center for Engineering Training & Basic Experiment, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022，China;2.Morden Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022，China)

This paper proposes a specially developed printing consumables wire connecting machine as a viable alternative to fused deposition modeling (FDM) technology notorious for time consumption, greater efforts and poor product quality due to manually changing consumables, a drawback evident when FDM is used to print the same kind of multi color products. The machine works by controlling the bonding temperature of heating block using a controller; realizing bonding temperature feedback to the controller using thermocouple to ensure controlling the temperature of the heating area within a certain range; and thereby achieving the purpose of ensuring bonding quality. The machine features a demonstrated ability to eliminate multi color products of a different style resulting from bonding together of consumables of different colors and the same material, such as PLA (or ABS); overcome the long-distance feeding (FDM) 3D printing consumables waste; improve the printing quality and processing efficiency of multi color products; and ensure the continuous printing of the same consumables of any colors. The optimization design of the structure and process parameters and the bonding test on the prototype verify that the machine fully up to the bonding requirements of the 3D printing consumables could ensure the bonding quality and promises a wider application.

wire connecting machine; controller; bonding temperature; wire tube

2015-12-07

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目(2014FX1CJ028)

韓志民( 1963-)，男，黑龍江省哈爾濱人，高級工程師，研究方向: 智能化機(jī)械設(shè)計，E-mail: 380578463@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.015

TH16

2095-7262(2016)01-0063-05

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