F DM型并聯(lián)機(jī)構(gòu)式3D打印機(jī)的單擠出頭雙噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷 芳，孟鑫沛，張俊平，鄭銳濤

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.東莞市彩越三維科技有限公司，廣東 東莞 523808）

0 引言

3D打印是增材制造技術(shù)的一種，它使產(chǎn)品的生產(chǎn)流程縮短，能成型形狀復(fù)雜的零件。已在各行各業(yè)逐漸擴(kuò)大其影響力，改變著產(chǎn)業(yè)模式，作為當(dāng)今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ纳a(chǎn)技術(shù)之一，它逐漸進(jìn)入公眾視野，未來數(shù)年內(nèi)也將走進(jìn)千家萬戶[1]。熔融沉積成型（簡稱FDM）是3D打印的一種，因?yàn)槌尚驮O(shè)備簡單和能成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件等特點(diǎn)，在行業(yè)市場份額達(dá)80%以上，并在未來數(shù)年類將長期保持這一占比。在成型懸臂零件時，懸臂部分由于沒有支撐零件易產(chǎn)生變形，因此為了避免懸臂部分發(fā)生變形，需要添加支撐，如果支撐為同一種材料，成型后去除容易留下痕跡表面較粗糙，如果支撐與模型材料為不同材料，由于兩種材料的特性不同，打印完成后可以用溶劑去除支撐零件表面光潔[2]，這種情況需要用兩個噴嘴打印。另外隨著對產(chǎn)品美觀和多色材料的追求，單材質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決這些問題，可以用兩個噴嘴打印兩種顏色材料。本文主要研究FDM快速成型設(shè)備中單擠出雙噴嘴機(jī)構(gòu)用來成型兩種材質(zhì)或兩種顏色材料。

1 雙擠出頭雙噴嘴結(jié)構(gòu)

FDM打印技術(shù)是根據(jù)材料熔融堆積成型的快速成型過程，先使用計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品的建模，再使用軟件將三維模型處理成逐層的截面，打印機(jī)根據(jù)每層截面逐層打印得到所需產(chǎn)品，成型原理如圖1所示。FDM成型設(shè)備的擠出頭是一個關(guān)鍵組件，主要作用是將線材加熱由固態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，然后將熔融狀態(tài)的物料從噴嘴擠出，擠出的材料按層堆積，最終獲得實(shí)體[3]。噴頭送料的穩(wěn)定性以及加熱效率往往直接影響設(shè)備的成型效果，關(guān)系到3D打印出的物件的質(zhì)量好壞。

圖1 F DM成型原理

目前市場上很多FDM設(shè)備打印采用近程擠出，送絲裝置和步進(jìn)電機(jī)一起安裝在噴頭上，近距離給噴頭送料。雖然有良好的擠絲性能，但是送絲裝置、步進(jìn)電機(jī)和風(fēng)扇等裝置增加了機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，運(yùn)動過程中慣性大，加速減速有困難，運(yùn)行不夠穩(wěn)定；長時間會使機(jī)構(gòu)變形，對平臺難以調(diào)平，造成打印出來的產(chǎn)品精度降低。尤其是并聯(lián)機(jī)構(gòu)式3D打印機(jī)，由三組并聯(lián)壁協(xié)作帶動末端運(yùn)動，對末端重量非常敏感，當(dāng)采用雙擠出雙噴頭打印時，重量增加，加速減速相對困難，要用較低的打印速度以保證精度，隨著末端重量的增加會直接導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷加重，從而會大大降低其運(yùn)行速度、精度以及壽命，因此噴頭減重成為首要任務(wù)。

另外采用雙擠出頭雙噴嘴時，如圖2所示，雙擠出頭雙噴嘴占用了打印機(jī)內(nèi)空間，與單擠出頭單噴嘴比較，有效行程范圍大幅減小，打印工作區(qū)域減小。

圖2 雙擠出頭雙噴嘴結(jié)構(gòu)有效行程

2 單擠出頭雙噴嘴結(jié)構(gòu)

為了減輕噴頭的重量，擴(kuò)大雙噴頭的有效工作行程，本研究改變每個擠出頭一個噴嘴的設(shè)計(jì)，將雙噴嘴及其加熱擠出結(jié)構(gòu)集成在同一個擠出頭上，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)減輕了噴頭的重量，大幅縮減噴嘴之間的距離，最大限度利用設(shè)備空間，打印的有效行程增加，如圖4所示。

圖3 單擠出頭雙噴嘴結(jié)構(gòu)

圖4 單擠出頭雙噴嘴有效行程

3 單擠出頭雙噴嘴結(jié)構(gòu)各零件材料的選擇

擠出頭主要由散熱片、兩個不銹鋼喉管、兩個內(nèi)置聚四氟乙烯管、兩個噴嘴、電熱器、溫度傳感器等十個零件組成，如圖5所示。散熱片要求材質(zhì)具有良好導(dǎo)熱性和低密度特征，首選材質(zhì)為鋁，它將電熱器所產(chǎn)生的熱量均勻傳導(dǎo)至噴嘴及溫度傳感器。

圖5 單擠出頭雙噴嘴

送料通道材料采用聚四氟乙烯管，可起到隔熱和對通道內(nèi)材料潤滑的作用。通道內(nèi)溫度范圍在0～130℃，而聚四氟乙烯耐熱溫度高達(dá)250℃，有突出的不粘性能，管內(nèi)壁不易粘附膠體，能保證材料受熱融化后能不因阻力過大而在管道內(nèi)堵塞[4]，以保證送料過程的流暢性，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，聚四氟乙烯管有優(yōu)異的耐老化和抗輻射性能，使用壽命長，故滿足使用要求。

加熱采用熱電偶，溫度檢測采用100 K熱敏電阻，由于此處溫度控制允許5℃的誤差范圍，故溫度控制精準(zhǔn)度能達(dá)到要求。

喉管連接鋁身與導(dǎo)熱鋁塊，同時盡量減少導(dǎo)熱鋁塊的熱量向鋁身傳遞，要求材料導(dǎo)熱率不能過高，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于其它金屬，且具有較高的強(qiáng)度，溫度達(dá)200℃時材料依然有化學(xué)穩(wěn)定性和物理強(qiáng)度。經(jīng)綜合考慮，喉管采用不銹鋼材質(zhì)，能滿足使用要求。

噴嘴的最佳材質(zhì)為銅，主要利用銅的優(yōu)良導(dǎo)熱性能和耐磨性能。

4 單擠出頭雙噴嘴打印機(jī)有效行程范圍測試

常溫下分別對雙頭雙噴3D打印機(jī)（型號三角洲G2s）的擠出頭，如圖6a）所示，和單頭雙噴3D打印機(jī)（自制）的擠出頭，如圖6b）所示，進(jìn)行稱重，重量如表1所示，單頭雙噴打印機(jī)的機(jī)頭重量要輕0.2 kg。打印如圖7所示雙色產(chǎn)品，雙頭雙噴打印機(jī)和單頭雙噴打印機(jī)最大運(yùn)行范圍相同，分別對雙頭雙噴打印機(jī)和單頭雙噴打印機(jī)的有效行程范圍進(jìn)行計(jì)算，得到如表1所示，可以看出單頭雙噴打印機(jī)噴嘴的有效行程范圍增加20mm。

圖6 擠出頭

圖7 單頭雙噴打印機(jī)打印雙色產(chǎn)品

表1 噴嘴有效行程范圍

5 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)兩種材質(zhì)或兩種顏色材料打印，克服并聯(lián)機(jī)構(gòu)式3D打印機(jī)雙擠出頭較重、有效行程減少的難題，研究了單個擠出頭雙噴嘴技術(shù)使擠出頭重量減輕，使有效行程增加，并對單擠出雙噴嘴機(jī)構(gòu)各零件材料進(jìn)行了選擇，可以在較高速度下打印雙材質(zhì)或雙顏色材料，應(yīng)用前景十分廣闊。