熔融沉積3D打印機的送絲機構優(yōu)化設計

馬志剛 王會良

摘? 要：3D打印是一種新興的實體制造技術。本文主要是針對送絲機構進行了優(yōu)化分析，對打印機送絲驅動力進行了計算，并分析了送絲機構對熔融態(tài)聚合物絲材在擠出機構內(nèi)部流動行為的影響，利用數(shù)值仿真手段分析了壓力-聚合物流動速度之間的關系，優(yōu)化了聚合物在噴嘴內(nèi)的流動特性，驗證了噴嘴形狀和結構參數(shù)對打印精度的影響。

關鍵詞：3D打印機;熔融沉積（FDM）;噴頭機構

中圖分類號：TP273;TP334.8? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0160-04

Abstract：Three dimensional printing is a new entity manufacturing technology. In this paper，the optimization of wire feeding mechanism is analyzed，the driving force of printer wire feeding is calculated，and the influence of wire feeding mechanism on the flow behavior of molten polymer wire in the extrusion mechanism is analyzed. The relationship between pressure and polymer flow velocity is analyzed by means of numerical simulation，the flow characteristics of polymer in the nozzle are optimized，and the nozzle shape and The influence of structure parameters on printing accuracy.

Keywords：3D printing;Fused Deposition Modeling（FDM）;wire feeder

0? 引? 言

3D打?。═hree Dimensional Printing）將信息技術、材料科學、機械工程、控制技術、生物技術等進行融合，通過數(shù)字化控制打印方式將材料進行逐層疊加，從而實現(xiàn)三維實體的增材制造。在3D打印機各機構中，送絲機構對打印速度和精度起著至關重要的作用。

1? 送絲驅動力分析

FDM技術的3D打印機打印成型關鍵在于兩方面因素：足夠大且穩(wěn)定持續(xù)的送絲驅動力。當下運用的FDM技術的3D打印機的送絲結構原理是夾住絲線的摩擦輪，在步進電機的帶動下工作，摩擦輪轉動從而實現(xiàn)送絲，摩擦送絲機構如圖1所示。

一方面，如果噴頭內(nèi)絲材的阻力大于摩擦輪的送絲驅動力，那么摩擦輪和絲材會產(chǎn)生滑動摩擦，絲材不能順利通行，這將降低噴頭的出絲速度，成型將會受到影響;另一方面，如果沒有穩(wěn)定持續(xù)的送絲驅動力，那么噴頭出絲將會斷斷續(xù)續(xù)，成型的精度也會受到影響。因此，F(xiàn)DM技術的3D打印機打印成型的關鍵在于保證送絲驅動力的穩(wěn)定和力度。因此需要分析這些關鍵因素。一般送絲驅動力會受到下面一些因素影響。

首先，絲材的不均勻性會影響驅動力大小。柱塞式擠出機構加工絲材時存在一個問題。即絲材直徑較小，其制造精度較低，絲材直徑在軸向方向不能保持一致，會出現(xiàn)粗細不均的情況。絲材直徑上的制造誤差會復映到打印之后的模型上面，造成打印結構的制造誤差。通常基于FDM技術的3D打印機對打印材料的精度要求很高，雖然3D打印的絲材直徑僅僅是2mm左右，變化非常小，但是絲材直徑的一點點變化都會帶來誤差，影響打印精度。不能忽視絲材直徑的細小變化帶來的影響，因為沒有結構上缺少外部預壓結構，所以絲材的形變所帶來的力的變化是壓力的主要來源。

其次，噴頭流道的阻力會改變驅動力大小。降低噴頭中的熔融流體的流動阻力就可以提高送絲驅動力。因為絲材借助兩個摩擦輪作用進入擠出機構，在這個過程中，絲材的固體結構類似活塞，把噴頭中熔融的高聚物擠向z軸方向，最終擠出噴嘴。而作用于摩擦輪的阻力來源于噴頭中的熔融流體對絲材的固體部分的作用力。因此，降低噴頭中的熔融流體的流動阻力就可以提高送絲驅動力。為了提高3D打印機的打印精度，需要提高出絲速度，可以維持送絲驅動力為恒定值，此時流道里的熔體的阻力比較小。而熔體本身的流變性質(zhì)和噴頭內(nèi)部流道的尺寸會改變?nèi)垠w在流道內(nèi)部的阻力。

最后，驅動力大小還會受到電機功率的影響。步進電機功率會改變送絲驅動力的大小，步進電機功率越高，送絲驅動力越大。但是需要注意到驅動力不完全等于摩擦輪對絲材的送絲驅動力。所以需按步進電機工作的實際工作轉矩計算求解。

現(xiàn)在3D打印機普遍選擇一般的凹輪作為摩擦輪，這樣的摩擦輪產(chǎn)生的送絲驅動力可以表示為F=fN。這樣送絲輪結構的優(yōu)點是結構簡單，但缺點在于送絲驅動力可能不夠大。本文改用V型輪作為摩擦輪，這樣可以增加摩擦輪的有效送絲驅動力。絲材的受力如圖2所示。

（a）普通型凹輪

（b）絲材在V型輪中的受力

對受力進行分析：Fz=2F1=2fN′

根據(jù)余弦定理得：

如果a的角度大于60°就不能增加送絲驅動力，因此角度取值要小于或者等于60°，本文選取角度值為60°，那么Fz=2fNz。

綜上，對比送絲驅動力的變化，在增加送絲驅動力方面，V型輪比普通凹輪更具優(yōu)勢，驅動力增加了1倍左右。

本文的絲材使用的是高分子聚合物ABS，當處于熔融狀態(tài)的時候，這種聚合物是處于非牛頓流體狀態(tài)，管徑的結構會影響送絲驅動力。熔融段流道圖如圖3所示。

從上述分析中我們知道在柱塞式擠出機結構中，對固體絲材的擠壓能夠使絲材向前運動，即驅動力來自于對固體絲材的擠壓，絲材的截面面積就是力的作用面，所以驅動力為： 。

因為3D打印機使用的材料屬于非牛頓流體，并且n=? ，因此，送絲的驅動力的計算公式可以簡化為：F=P×S =。不同進絲速度下的非牛頓流體材料所需的送絲驅動力如表1所示。

用FZ代表摩擦輪提供的送絲驅動力，用F表示當處于熔融狀態(tài)時，非牛頓流體材料想要穩(wěn)定前進所需的驅動力。若FZ大于F，那么絲材會順利地通過噴嘴，打印可以順利完成;若FZ小于F，那么可能發(fā)生斷絲等問題，打印會受到影響。

2? 送絲結構設計

本文使用的擠出機構是三噴嘴結構，因此，輸送絲材要有三個送絲機構。一般擠出機構重量越輕越好，因為擠出機構所受重力會對打印精度有影響，另外擠出機構重量也會影響打印機的壽命。送絲機構中的主要部件包括步進電機、噴頭、加熱部件和散熱片等的重量約0.8kg。如果采用三個噴頭，那么重量約為2.4kg，也就是說，在重量方面三噴頭結構沒有優(yōu)勢，比單噴頭結構擴大了3倍。這種情況下，打印機噴頭對導軌處的壓力將增大，導軌的疲勞強度比之前增加了3倍，這將影響打印機的整體使用壽命。所以為了達到延長三噴頭打印機的使用壽命而又保證打印速度的目的，可以采取的方法是減輕導軌負擔或者增加導軌直徑。

如果只是使導軌的直徑增大，雖然能夠達到延長機器使用壽命的目的，但是副作用是導軌質(zhì)量變重，會增加整個機械運動系統(tǒng)的負擔。另外，導軌重量過大也會使得加速時不能及時停下來，這種情況會影響零件成型質(zhì)量。所以本文選擇合適的送絲機構布局，在不改變導軌直徑的情況下減少導軌的負擔。

采用三噴嘴擠出機構遠端送絲，這種方法可以減輕導軌負擔。但是采用遠端送絲可能會有出絲困難或者出絲不連續(xù)的問題，影響打印精度。因為要打印零件的噴嘴直徑大概0.2mm，相對來說比較小，摩擦輪和絲材兩者的摩擦力可能不夠。為了既保證打印速度又不損失打印精度，就需要在保持足夠大送絲力的同時減少擠出機構質(zhì)量。因此，本文集合遠端送絲和近端送絲的優(yōu)勢，0.2mm噴嘴擠出機構使用近端送絲的方法，而另外的打印支撐和填充結構使用遠端送絲的方式。近端和遠端送絲將結合的機構布局有兩種情況，如圖4所示。

圖4（a）中處于中間位置的是0.2mm的噴嘴擠出機構，它使用的是近端送絲方式，而處于兩端位置的是0.4mm噴嘴擠出機構，它使用的是遠端送絲方式。圖4（b）中處于左端位置的是0.2mm噴嘴送絲機構，它使用的是近端送絲方式，而位于右端的是0.4mm噴嘴擠出機構，它使用的是遠端送絲方法。

本文采用日本AUGO拉力儀對送絲力進行了測量。實驗表明，噴嘴直徑為0.4mm的噴嘴擠出機構送絲力為7.6±1.8N，直徑為0.2mm的噴嘴擠出機構送絲力為13.4± 2.3N。可以看出，噴嘴直徑越大，其所需送絲力就越小。這是因為熔融聚合物粘度高，不容易從噴嘴處流出，噴嘴越小，聚合物越難流出，所需的送絲力就越大。故相比直徑為0.2mm噴嘴擠出機構，本文將直徑為0.4mm的噴嘴擠出機構放置的位置更遠。因為0.4mm噴嘴擠出機構比0.2mm噴嘴擠出機構需要的送絲驅動力更小一些，所以0.4mm噴嘴擠出機構比0.2mm噴嘴擠出機構離步進電機位置更遠。故第二種方案會更合理一些，本文采用圖4（b）圖的布局。

3? 結? 論

本文針對熔融沉積3D打印機的送絲機構從兩方面進行了優(yōu)化分析，一是對送絲驅動力的影響因素，如絲材特性、噴頭流道阻力、電機功率以及摩擦輪結構進行了分析，二是對送絲機構的布局進行了優(yōu)化設計，采用遠端送絲和近端送絲相結合方式來進行送絲，有效提高了送絲機構的穩(wěn)定性和可靠性。

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作者簡介：馬志剛（1979-），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，在讀碩士研究生，研究方向：機械工程。