FDM工業(yè)機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 樂，馬 睿

（寧夏共享集團(tuán)股份有限公司，寧夏銀川750021）

FDM簡稱為熔融沉積成型，是用高溫將材料熔化成液態(tài)，通過擠出頭擠出后固化，最后在立體空間內(nèi)排列成立體實(shí)物。FDM是3D打印技術(shù)中的一種，所以他的基本原理與3D打印是一樣的，采用層疊堆積方式，將固體顆粒或者固體絲狀物通過一個(gè)裝置進(jìn)行加熱，使其變成液體再從擠出頭擠出冷卻成固體[1]。鋪完第一層以后，第二層剛剛?cè)刍鰜淼墓腆w會(huì)與第一層粘接成型，每成型一次，工作臺下降一個(gè)高度或者打印頭提高一個(gè)高度，繼續(xù)熔融沉積，最終完成整體的實(shí)體造型。市面上最為常見的是FDM桌面機(jī)，因其價(jià)格低廉而被廣泛制作，但其材料成本高，打印效率低，因此，F(xiàn)DM工業(yè)機(jī)被制作，用于模具制造、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多種場所[2]。

1 FDM現(xiàn)有風(fēng)冷的缺點(diǎn)

FDM工業(yè)機(jī)區(qū)別于桌面機(jī)在于使用的是顆粒料，通過把顆粒狀的PLA材料加入到一個(gè)有一定空間的型腔中，通過加熱裝置對型腔加熱，同時(shí)擠壓熔融狀態(tài)的PLA材料，通過打印頭擠出，打印裝置按照程序設(shè)定移動(dòng)，完成模具的一層輪廓后用同樣的方法打印第二層輪廓、第三層輪廓等，最后形成完整的模具，如圖1所示。

圖1 FDM成型原理圖

FDM在打印的過程中由于材料需要盡快散熱，下一層堆積在上一層才不會(huì)塌陷[3]。因此目前市面上常見的FDM都會(huì)安裝吹風(fēng)系統(tǒng)，一般為風(fēng)扇或者電吹風(fēng)，如圖2。但其缺點(diǎn)在于：（1）本體結(jié)構(gòu)大，不利于FDM本身輕巧機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；（2）風(fēng)速不可調(diào)整，無論任何結(jié)構(gòu)都使用同樣的風(fēng)量，不利于產(chǎn)品的成型，造成產(chǎn)品的塌陷或者堆積；（3）單面吹風(fēng)，產(chǎn)品是360°運(yùn)行的，因此會(huì)造成散熱不均勻的現(xiàn)象發(fā)生進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品單邊塌陷單邊支撐，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 現(xiàn)有風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對前面提到的一系列問題，自行設(shè)計(jì)的風(fēng)冷系統(tǒng)主要包括以下幾大結(jié)構(gòu)：環(huán)形風(fēng)嘴；三角接頭；風(fēng)管；自動(dòng)風(fēng)速調(diào)節(jié)閥。

其中，環(huán)形風(fēng)嘴的直徑略大于擠出頭直徑，固定于擠出頭上端，風(fēng)嘴由銅管彎制而成，在銅管底部間隔3mm左右鉆0.5mm～1mm的孔，主要用于壓縮空氣的圓周擴(kuò)散；三角接頭兩端與銅管的兩端首尾相接，另外一端直接和風(fēng)管相接，其作用主要是將壓縮空氣分流至環(huán)形風(fēng)嘴；風(fēng)速自動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝在風(fēng)管中間部位，和程序相對應(yīng)，受程序控制，根據(jù)產(chǎn)品的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品打印過程中風(fēng)速的自動(dòng)控制[4，5]。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 FDM風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 FDM風(fēng)冷系統(tǒng)工作流程

FDM風(fēng)冷系統(tǒng)的工作流程如圖4所示：零件開始打印，底層時(shí)不吹風(fēng)，保證底層與工作臺的粘結(jié)性。第二層開始吹風(fēng)，通過風(fēng)速調(diào)節(jié)閥將風(fēng)速調(diào)至打印完成后上層不會(huì)塌陷即可。在打印完底層開始鋪網(wǎng)格層的時(shí)候，風(fēng)速降低，保證零件不塌陷。到距離頂層1～2層時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)速變大，讓內(nèi)部網(wǎng)格線條充分支撐，以便于封頂。打印頂層的前兩層的時(shí)候，風(fēng)速與上部網(wǎng)格保持相同，保證支撐完全能夠填充整個(gè)模型，頂層的后幾層則需要吹小風(fēng)，保證充分的粘接性。所有風(fēng)速調(diào)節(jié)都通過風(fēng)速調(diào)節(jié)儀完成，風(fēng)速調(diào)節(jié)儀與程序綁定，可通過程序判斷何時(shí)需要吹怎樣的風(fēng)并自動(dòng)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)整體的打印。

4 結(jié)語

圖4 FDM風(fēng)冷系統(tǒng)工作流程

目前，此風(fēng)冷結(jié)構(gòu)已經(jīng)在我公司實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；氖褂茫?60度吹風(fēng)設(shè)計(jì)，僅需要一個(gè)風(fēng)管即可實(shí)現(xiàn)，不占用空間，節(jié)省成本，能有效保證產(chǎn)品在每個(gè)角度都可以得到均勻的風(fēng)速控制，并根據(jù)產(chǎn)品的不同層高進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。使得我們的FDM產(chǎn)品向市場化推廣奠定了新的基礎(chǔ)。