管道內(nèi)壁3D打印機(jī)研究

楊鋒 盧艷 王麗 金禮舒

摘 要： 3D打印技術(shù)已取得長足的發(fā)展，可以用于實體構(gòu)件的打印，基于此原理研究出一種能夠?qū)艿纼?nèi)壁進(jìn)行3D打印的打印機(jī)。

關(guān)鍵詞： 管道內(nèi)壁;3D打印;增材制造

1 技術(shù)研究背景

3D打印技術(shù)利用紙層疊、光固化等技術(shù)，它與普通打印的原理相同，通過打印機(jī)內(nèi)部的打印材料，按照相關(guān)控制程序打印出實體的結(jié)構(gòu)件。目前，3D打印技術(shù)已普遍用于工程制造，尤其是對于非批量制造的產(chǎn)品，3D打印在醫(yī)學(xué)上也有普遍的應(yīng)用，可以3D打印人體的牙齒和關(guān)節(jié)等。南通理工學(xué)院3D打印技術(shù)研究所依托于增材制造實驗室，成立于2015年9月，主要研究三維數(shù)字化建模，3D打印材料、成型工藝及裝備的研發(fā)。在成立初期，我們采購了大量的3D打印設(shè)備，包括個人級打印設(shè)備、專業(yè)級打印設(shè)備，甚至一臺工業(yè)級光固化3D打印設(shè)備，在發(fā)展過程中已成為江蘇省設(shè)備較先進(jìn)的3D打印中心。除了購買設(shè)備外，我們也希望能自主研發(fā)一些具有特色的新型3D打印設(shè)備，我們在研究過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的打印機(jī)，基本上都是對一個平面物體作為基材進(jìn)行打印的傳統(tǒng)打印機(jī)，而對管道內(nèi)壁等特殊部位進(jìn)行打印的非傳統(tǒng)打印機(jī)很少，故我們研究了一款用于管道內(nèi)壁的非傳統(tǒng)打印機(jī)，該技術(shù)已申報發(fā)明和實用新型專利，實用新型專利已授權(quán)，發(fā)明專利已進(jìn)入實質(zhì)審查階段[1][2]。該技術(shù)一方面可以有一定的應(yīng)用前景，另一方面也是對傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的補(bǔ)充，可以開拓學(xué)生的思路，起到更好地培養(yǎng)人才的作用。

2 管道內(nèi)壁3D打印的優(yōu)勢及機(jī)構(gòu)的行走

管狀物是一種常見的結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)是管道。讓管道內(nèi)壁呈現(xiàn)出一定的花紋可以使其更生動，普通的運(yùn)輸用的管道是不用雕刻的，但一些用于展示的管道則需要雕刻，如肝內(nèi)管道模型，為了使其更生動，需要在管道內(nèi)雕刻成實際膽管形狀并涂色[3]，使用3D打印技術(shù)也可實現(xiàn)管道內(nèi)壁產(chǎn)生圖案的功能，而且不用涂色，直接使用所需顏色的3D打印材料進(jìn)行打印即可。3D打印相對雕刻來說還有一個好處是即使對于很薄的管道也適用，因為雕刻屬于減材制造，對于很薄的管道難以進(jìn)行有效的處理，會使管道過薄影響強(qiáng)度甚至穿孔，而3D打印屬于增材制造，不會出現(xiàn)這類問題。3D打印還有一個好處是可以在管道內(nèi)壁打印一些附屬結(jié)構(gòu)，如安裝掛鉤，對于很長的管道直接安裝比較困難，而隨著3D打印技術(shù)的成熟打印一個則較為容易。要對管道內(nèi)壁進(jìn)行有效的3D打印，需要打印機(jī)能夠在管道內(nèi)壁行走，而管道內(nèi)壁行走裝置市場上有很多，而且?guī)缀跏裁匆?guī)格的都有，故沒有必要專門制造，可以從市場上購買現(xiàn)成的管道內(nèi)壁行走裝置進(jìn)行改裝，以節(jié)約成本。能夠在管道內(nèi)壁行走的行走機(jī)構(gòu)由3個的支架組成，3個直接連接在中間一根中心桿上，每個支架與其余兩個支架的角度均為120°，支架的末端連有2個輪子。市場上的行走機(jī)構(gòu)有兩種，一種本身沒有動力，無法直接行走，需要有人拿著一根繩子在外面拉著;另一種可以主動行走，行走甚至可以受單片機(jī)控制，末端的滾輪包括主動輪和從動輪，主動輪與電機(jī)連接，受電機(jī)驅(qū)動，從動輪負(fù)責(zé)支撐。管道內(nèi)壁3D打印機(jī)應(yīng)該選用能夠在管道內(nèi)壁自動行走的，因為3D打印對精度有一定的要求，如果用手工拉動，精度無法保證。

3 管道內(nèi)壁3D打印機(jī)研究

管道內(nèi)壁3D打印機(jī)選用合適的管道內(nèi)壁行走裝置后，需要在行走裝置的前端安裝3D打印裝置，打印裝置安裝在行走機(jī)構(gòu)的中心桿上，與中心桿直接相連的是一個電機(jī)，電機(jī)軸從側(cè)面伸出一個垂直于電機(jī)軸的伸縮桿，電機(jī)控制伸縮桿沿著管道內(nèi)壁做圓周運(yùn)動，而管道內(nèi)壁行走裝置控制管道內(nèi)壁3D打印機(jī)在管道內(nèi)壁進(jìn)行軸向運(yùn)動。伸縮桿的頂部安裝有3D打印頭，3D打印頭可以對管道內(nèi)壁進(jìn)行3D打印。通過行走裝置的軸向運(yùn)動和伸縮桿的圓周運(yùn)動，可以讓3D打印頭移動到管道內(nèi)壁的任何一個位置并進(jìn)行3D打印，之所以要設(shè)置成伸縮桿是因為在管道內(nèi)壁打印出的圖形是立體的。3D打印機(jī)示意圖如下圖所示。

管道內(nèi)壁3D打印機(jī)

3D打印機(jī)的打印方法有很多種，作用在管道內(nèi)壁用送絲式的3D打印方法比較好，將3D打印材料制成打印絲，再通過送絲裝置將3D打印材料源源不斷地送至3D打印頭中，因為對管道內(nèi)壁進(jìn)行3D打印時需要3D打印頭做360°轉(zhuǎn)動，所以像光固化這種依賴于重力的3D打印方法無法正常使用。為了保證送絲方便，需要在管道內(nèi)壁行走機(jī)構(gòu)的中心設(shè)置用于繞絲的線圈，將3D打印絲纏繞在線圈上，通過放線裝置來實現(xiàn)供絲，否則打印絲容易攪進(jìn)行走機(jī)構(gòu)并影響打印機(jī)的行走。

對管道內(nèi)壁進(jìn)行3D打印時需要保證打印的精度，而如果主動輪在管道內(nèi)壁行走時打滑則打印精度無法保證，防止主動輪打滑有兩種辦法，一種是在主動輪外側(cè)安裝防滑橡膠，但這種辦法只能減緩打滑，不一定能完全防止打滑;另一種方法是在3D打印機(jī)遠(yuǎn)離3D打印頭的端部安裝激光測距儀，激光測距儀正對著獨立設(shè)置的激光測距儀擋板。管道內(nèi)壁3D打印機(jī)在管道內(nèi)壁移動時，它的相對位置會發(fā)生改變，激光測距儀與激光測距儀擋板的距離也會發(fā)生改變，故通過控制激光測距儀與激光測距儀擋板的距離就可以實現(xiàn)管道內(nèi)壁3D打印機(jī)對管道內(nèi)壁的精確打印，但激光測距儀的精度必須要滿足要求。

4 結(jié)語

管道內(nèi)壁的3D打印是對打印技術(shù)的新的構(gòu)想，它破除了傳統(tǒng)的3D打印方式，是一種創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鋒，姜杰，林盛昌，等.一種管道內(nèi)壁3D打印機(jī)[P].中國專利：201821966126.4，2019-06-25.

[2]楊鋒，姜杰，林盛昌，等.一種管道內(nèi)壁3D打印機(jī)[P].中國專利：201811426030.3，2019-02-15.

[3]湯陳琪，羅小龍，呂潤瀟，等.一種制作肝內(nèi)管道標(biāo)本的雕刻涂色法[J].四川解剖學(xué)雜志，2013，021（002）：77-79.

基金項目： 南通理工學(xué)院中青年科研骨干培養(yǎng)計劃（ZQNGG312）

作者簡介： 楊鋒（1983—），男，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向為金屬表面處理與腐蝕防護(hù)、重工業(yè)、高等教育。