FDM 3D打印機(jī)成型空間加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張海強(qiáng) ，杜俊斌 ，趙建華 ，陳曉佳

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所，廣東 廣州 510070；2.中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510070）

1 引言

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝是3D打印領(lǐng)域的一種快速成型加工方法，它是沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，絲料在擠出力的作用下再?gòu)囊环N通過噴頭將熱塑性絲狀材料加熱熔化，同時(shí)噴頭噴頭擠出，產(chǎn)生塑性形變后迅速冷卻固化，層層堆疊形成預(yù)設(shè)零件的設(shè)備。其以操作簡(jiǎn)單，成型速度快成為3D打印領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，具有打印設(shè)備成本低、材料成本低、打印過程無污染等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。由于熔融沉積成型技術(shù)發(fā)展較早，憑借其零技能生產(chǎn)、低成本的復(fù)雜多樣化制造、個(gè)性化定制等優(yōu)勢(shì)，已逐步應(yīng)用于制造、醫(yī)療、航空、設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)[4-5]。

目前，F(xiàn)DM工藝使用的成型材料基本以聚合物為主，主要有ABS、PLA、PC（聚碳酸酯）、PEEK（聚醚醚酮）以及碳纖維材料等，這些材料具有良好的熔融擠出特性和機(jī)械強(qiáng)度，打印成型的工件可以直接用于實(shí)際生產(chǎn)。然而由于成型過程中需要經(jīng)過固相-熔融-冷卻-凝固等狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，加熱和冷卻的快速循環(huán)引起工件中不均勻的溫度梯度和殘余應(yīng)力分布[6]，容易引起打印工件的翹曲變形[7]、層間開裂而影響打印的精度和穩(wěn)定性。特別是PC、PEEK以及碳纖維這些高性能復(fù)合材料的打印過程，受成型空間溫度梯度影響更明顯，需要一個(gè)較高的空間溫度才能確保打印成型。因此控制成型空間的溫度，使其保持在一個(gè)穩(wěn)定的高溫狀態(tài)[8]，是減少溫度梯度及殘余應(yīng)力對(duì)成型工件影響的有效方法。FDM工藝的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

圖1 FDM工藝3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural Schematic Diagram of FDM Process 3D Printer

2 成型空間加熱保溫系統(tǒng)

FDM 3D打印機(jī)的成型空間溫度控制對(duì)打印出三維物體的力學(xué)性能及成型精度有非常重要的影響。成型空間溫度如果過高，零件表面會(huì)起皺，對(duì)于小截面的零件會(huì)產(chǎn)生“坍塌”與“拉絲”現(xiàn)象，即前一層的截面還處于軟化狀態(tài)時(shí)后一層就開始在其上堆積，前一層的截面還不足以承受后一層擠出絲的作用力，因而向下凹陷變形，同時(shí)擠出絲被噴頭拉著走。另一方面，成型空間溫度如果太低，從噴頭擠出的絲料驟冷使成型零件內(nèi)應(yīng)力增加，這很容易引起零件翹曲變形，并導(dǎo)致層間粘接不牢固，甚至導(dǎo)致零件開裂[9]。只有適宜的成型空間溫度才能使成型制品的翹曲程度、表面質(zhì)量較好，成型精度保持在一個(gè)較好的水平[10]。

2.1 成型空間加熱系統(tǒng)

目前，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)主要有三種成型空間加熱保溫方案：

（1）打印平臺(tái)加熱，成型空間沒有加熱。打印平臺(tái)熱量輻射加熱成型空間，該方案只能保證打印平臺(tái)表面恒溫，不能保證成型空間的溫度均勻和恒溫，隨著模型打印高度的增加，模型打印面與打印平臺(tái)的溫差也越大，會(huì)導(dǎo)致打印的模型內(nèi)應(yīng)力增大，引起零件的翹邊或開裂。

（2）熱風(fēng)加熱系統(tǒng)設(shè)置在成型空間內(nèi)部。這種方案熱風(fēng)不能循環(huán)，容易造成空間局部高溫，影響模型的打印精度，甚至造成打印失敗。采用這種加熱系統(tǒng)的，一般情況下XYZ運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也都設(shè)置在成型空間內(nèi)，便于空間保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是成型空間的高溫使各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電子元器件故障率大增，壽命大幅降低。

（3）熱風(fēng)加熱系統(tǒng)設(shè)置在成型空間外部。目前采用這種方式的較多，熱風(fēng)出口在上部，熱風(fēng)進(jìn)口在側(cè)面的中部或中下部。熱風(fēng)僅能進(jìn)行局部循環(huán)，如果是大尺寸的成型空間，容易造成位于中間的成型平臺(tái)處溫度偏低，影響打印的精度和穩(wěn)定性。另外，保溫問題也沒有較好的解決方案，尤其是大尺寸的3D打印設(shè)備。熱量輻射使整個(gè)設(shè)備都處在高溫下，甚至設(shè)備的外殼溫度都很高，不僅浪費(fèi)了大量的能源，并且使整臺(tái)設(shè)備故障率大增，用戶體驗(yàn)不好。

鑒于現(xiàn)有FDM工藝3D打印機(jī)成型空間加熱系統(tǒng)存在的問題和不足，對(duì)成型空間加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出新的要求：

（1）成型空間加熱系統(tǒng)應(yīng)使熱量均勻充滿整個(gè)成型空間，避免局部溫差過大或瞬時(shí)溫差過大。尤其是成型平臺(tái)處。

（2）成型空間加熱的溫度應(yīng)可調(diào)節(jié)，根據(jù)不同材料的打印特性來調(diào)整空間溫度，一般在室溫到90℃之間調(diào)節(jié)。

（3）加熱系統(tǒng)和打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)全部在成型空間外，以免高溫引起故障。

（4）成型空間應(yīng)具有全方位的的保溫功能，尤其是成型空間頂部，頂部是噴頭的運(yùn)動(dòng)平面，既要保證噴頭能夠自由運(yùn)動(dòng)，又要具有良好的隔熱保溫效果，這就要求頂部的保溫裝置耐高溫可伸縮。

成型空間加熱設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 成型空間加熱設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design Scheme of Heating in Forming Space

本方案設(shè)計(jì)了雙循環(huán)加熱恒溫成型空間，隱藏了成型平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩個(gè)空間加熱器對(duì)稱布置在成型空間的兩側(cè)。在成型空間下方對(duì)稱布置兩個(gè)風(fēng)道，風(fēng)道中安裝一個(gè)高溫貫流風(fēng)扇。通過貫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)空氣經(jīng)過PTC加熱源加熱形成熱風(fēng)，再經(jīng)左右風(fēng)道導(dǎo)入成型空間，熱風(fēng)在成型空間內(nèi)經(jīng)貫流風(fēng)扇的引導(dǎo)由上而下形成紊流，可以均勻充滿整個(gè)成型空間，經(jīng)由布置在成型空間下面的左右風(fēng)道進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

本方案解決了現(xiàn)有技術(shù)問題：（1）本方案可保證整個(gè)大尺寸的成型空間溫度均勻。保證打印模型在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)完成，不會(huì)因材料熔融到固化的內(nèi)應(yīng)力而變形導(dǎo)致翹邊。（2）PTC加熱源帶有溫度傳感器，可精準(zhǔn)的控溫，避免了溫度的過高或過低。再者，采用兩個(gè)熱源，可快速的加熱整個(gè)空間。（3）本方案對(duì)成型空間進(jìn)行了全方位的保溫措施，尤其是設(shè)計(jì)了風(fēng)琴保溫罩，既保證了噴頭的自由運(yùn)動(dòng)，又有效的起到了保溫作用。風(fēng)琴保溫罩的具體設(shè)計(jì)方案見下述。（4）本方案中，所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱風(fēng)循環(huán)裝置均可布置在成型空間外部，確保成型空間內(nèi)的沒有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣元件。

2.2 成型空間保溫裝置

為提高成型空間溫度控制的穩(wěn)定性，減小熱量損失，需對(duì)成型空間進(jìn)行保溫處理。成型空間的四周一般采用橡塑海綿進(jìn)行保溫，而FDM 3D打印機(jī)的保溫裝置中最關(guān)鍵的部件是位于成型空間頂部的風(fēng)琴保溫罩，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)?，F(xiàn)有的FDM 3D打印機(jī)中，與XY運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合的隔熱保溫裝置均采用耐高溫可伸縮的“一字型”結(jié)構(gòu)的風(fēng)琴防護(hù)罩，如圖3所示。

圖3 "一字型"風(fēng)琴防護(hù)罩Fig.3"-"Type Organ Shield

防護(hù)罩正常工作時(shí)僅支撐兩端，中間懸空，由于自重和不間斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，打印過程中極易出現(xiàn)風(fēng)琴保溫罩塌陷等問題，特別是大尺寸3D打印機(jī)的時(shí)候更為明顯，究其原因大多是因?yàn)椤耙蛔中汀苯Y(jié)構(gòu)的風(fēng)琴防護(hù)罩結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致橫向剛性不足。也有通過間隔配以若干支撐骨架以增強(qiáng)橫向剛性的不足，骨架一般為金屬材質(zhì)，這樣會(huì)增大XY運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，噪音增大，壓縮后的最小尺寸增大，影響打印行程，更為重要的是“一字型”防護(hù)罩在伸縮運(yùn)動(dòng)過程中骨架重心會(huì)隨運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏移致使傾倒，嚴(yán)重影響打印機(jī)的保溫效果，甚至?xí)ㄋ繶Y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，存在重大安全隱患。行業(yè)也一直沒有較好的解決這個(gè)問題。當(dāng)打印機(jī)設(shè)計(jì)的最大成型尺寸達(dá)到600mm時(shí)，風(fēng)琴防護(hù)罩的寬度至少應(yīng)為900mm，行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的方案均無法滿足該要求，為了解決該問題，提出了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

圖4 "六邊形"風(fēng)琴防護(hù)罩截面Fig.4 Section of"Hexagon"Organ Shield

該方案設(shè)計(jì)了截面為六邊形的可伸縮保溫防護(hù)罩結(jié)構(gòu)。在使用過程中，六邊形可以壓縮和拉伸?！傲呅巍憋L(fēng)琴防護(hù)罩的上部和下部構(gòu)成一個(gè)V字形和倒V字形的支撐結(jié)構(gòu)，其支撐強(qiáng)度大，剛性好，防傾倒。正六邊形結(jié)構(gòu)在伸縮運(yùn)動(dòng)過程中重心保持在中心不變，正六邊形橫向剛性大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，解決了大跨度使用條件下防護(hù)罩塌陷、傾倒等問題，非常適合應(yīng)用在大尺寸高溫的3D打印機(jī)上。同時(shí)正六邊形結(jié)構(gòu)有上下兩個(gè)密封層，中間為空氣隔熱層，具有良好的保溫隔熱效果。并且制作簡(jiǎn)單，用玻璃纖維布拼接縫制即可，無需另外增加骨架。

2.3 成型空間加熱器的選型計(jì)算

成型空間保溫防護(hù)系統(tǒng)的選型計(jì)算，主要是對(duì)PTC加熱器功率的核算。為了滿足FDM工藝3D打印工藝對(duì)成型空間的升溫曲線要求，PTC加熱器的電性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)最大要求并有一定的安全裕度。

式中：Q總—所需總熱量；Q散—成型空間室體散熱量；Q加—成型空間空氣加熱量。而：

式中：ηn—第n種材料保溫層散熱系數(shù)；Sn—第n種材料保溫層面積之和，n=1，2，3…；ΔT—最高溫度與室溫之差；c—空氣比熱；G—成型空間內(nèi)空氣重量。則PTC加熱器單位時(shí)間內(nèi)使成型空間升溫至最高溫度需產(chǎn)生熱量：

式中：κ—其它損耗系數(shù)；γ—熱量余數(shù)。

選型計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，成型空間溫度從室溫升高到90℃的加熱時(shí)間應(yīng)不超過20min，即不超過1/3h。設(shè)熱能有效利用率為90%，則實(shí)際要求PTC加熱器的功率：

由于PTC加熱器采用2個(gè)相同規(guī)格型號(hào)、左右對(duì)稱安裝的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，選擇2個(gè)功率為0.5kW的加熱器即能滿足實(shí)際要求。

表1 選型計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Table of Calculation Results for Type Selection

單位時(shí)間內(nèi)成型空間升到最高溫度所需的總熱量為：

3 整機(jī)與測(cè)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案制作的3D打印機(jī)實(shí)物，如圖5所示。

圖5 本設(shè)計(jì)方案3D打印機(jī)實(shí)物圖Fig.5 Design Scheme of 3D Printer Physical Drawing

該方案設(shè)計(jì)的成型空間加熱保溫系統(tǒng)提升了成型空間內(nèi)溫度的一致性與穩(wěn)定性，有利于3D打印機(jī)的穩(wěn)定性和打印精度提高，對(duì)一些受溫度梯度影響較大的打印材料，如PC、PEEK、碳纖維復(fù)合材料，該方案制作的3D打印機(jī)也能夠很好的打印成型，增加了打印機(jī)對(duì)不同成型材料的兼容性。

加熱效果測(cè)試：將成型空間的溫度從室溫加熱至設(shè)定的90℃，監(jiān)測(cè)成型空間上、中、下三個(gè)位置的溫度隨時(shí)間的變化，得到成型空間升溫曲線，如圖6所示。

圖6 成型空間升溫曲線圖Fig.6 Temperature Curve of Forming Space

由圖6的成型空間升溫曲線圖可知，加熱16min時(shí)，成型空間上部溫度已達(dá)到90℃，18min時(shí)，中部溫度達(dá)到90℃，20min時(shí)，下部溫度達(dá)到90℃，整個(gè)成型空間溫度基本均勻。20min的開機(jī)預(yù)熱時(shí)間能滿足成型空間溫升設(shè)計(jì)要求。

保溫效果測(cè)試：成型空間溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度90℃時(shí)，停止熱風(fēng)加熱，噴頭系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)，成型平臺(tái)回到零點(diǎn)。因?yàn)槌尚涂臻g上部靠近風(fēng)琴防護(hù)罩，保溫是最難控制、最薄弱的地方，僅監(jiān)測(cè)成型空間上部位置的溫度隨時(shí)間的變化，其保溫曲線，如圖7所示。

圖7 成型空間上部保溫曲線圖Fig.7 Thermal Insulation Curve of Upper Forming Space

由圖7的保溫曲線圖可知：成型空間上部的溫度從95℃冷卻到室溫用時(shí)50min左右，保溫效果良好，可使打印的模型的內(nèi)應(yīng)力緩慢釋放。

而現(xiàn)有同類型3D打印機(jī)成型空間的加熱保溫系統(tǒng)均采用單向加熱和“一字型”風(fēng)琴防護(hù)罩保溫，如圖8所示。依靠單向加熱系統(tǒng)加熱后溫度自由傳遞，空間溫度的均勻性不佳，同樣是加熱到90℃，成型空間中部需要18min，上部需要22min，而下部則需要27min，遠(yuǎn)大于本設(shè)計(jì)方案的20min開機(jī)預(yù)熱時(shí)間。采用“一字型”風(fēng)琴防護(hù)罩保溫，成型空間上部的溫度從90℃冷卻到室溫用時(shí)35min左右，保溫能力僅為本設(shè)計(jì)方案的70%左右。

圖8 現(xiàn)有3D打印機(jī)加熱保溫系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Physical Drawing of Heating and Insulation System of Existing 3D Printer

打印效果測(cè)試：如圖9所示。是為某公司打印的1：1的冰箱抽屜模型，尺寸為：（370×90×45×2）mm，該零件的特點(diǎn)是空間曲面復(fù)雜，有卡扣位，均為薄壁結(jié)構(gòu)，打印時(shí)還需添加支撐。要求表面光滑，最大誤差不超過0.5mm。采用合適參數(shù)進(jìn)行打印，如表2所示。打印的模型表面光滑，最大誤差0.35mm，裝配效果良好，得到客戶好評(píng)。

圖9 1：1抽屜模型Fig.9 1:1 Drawer Model

表2 部分打印參數(shù)Tab.2 Printing Parameters

4 結(jié)論

通過對(duì)直接決定FDM工藝3D打印機(jī)打印模型精度和成型穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題：成型空間加熱保溫系統(tǒng)的行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，研究分析了以下解決方案：（1）分析了成型空間加熱保溫系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了熱風(fēng)雙循環(huán)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了適用于大尺寸設(shè)備的“六邊形”風(fēng)琴防護(hù)罩，該系統(tǒng)不僅可以均勻加熱大尺寸成型空間，還能有效的進(jìn)行保溫。（2）給出了成型空間保溫防護(hù)系統(tǒng)的選型計(jì)算框架，對(duì)關(guān)鍵元件加熱器的電性能進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，為加熱器的選型提供科學(xué)依據(jù)。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用和測(cè)試，證明了研究方案是可行的。具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也為后續(xù)的大尺寸工業(yè)級(jí)3D打印的工藝研究提供實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。