趙強(qiáng)

摘 要：3D打印技術(shù)是一種采用逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)療、建筑、汽車以及服裝等行業(yè)與領(lǐng)域。研發(fā)了一種用于打印巧克力與奶油等半固態(tài)黏性物質(zhì)的3D打印機(jī)，所研發(fā)的打印機(jī)采用螺旋輸送的方式來擠出原料。對該3D打印機(jī)擠出頭螺旋輸送螺桿的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；擠出頭；輸送螺桿；螺桿升角

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.121

3D打印技術(shù)采用高溫塑料、粉末狀金屬等可黏合材料作為原料，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，通過打印一層層的黏合材料來制造三維物體。筆者與自身的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種用于打印巧克力與奶油等半固態(tài)黏性物質(zhì)的打印機(jī)，其采用螺旋輸送的方式來擠出原料。本文將對該3D打印機(jī)擠出頭螺旋輸送螺桿的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。

1 螺桿結(jié)構(gòu)的選擇

螺桿是擠出頭部分重要的零件之一，配合上步進(jìn)電機(jī)和擠出套筒來完成送料。根據(jù)螺桿的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，螺桿的結(jié)構(gòu)形式按照線數(shù)可以設(shè)計(jì)為單線頭、雙線頭和多線頭的螺桿，按照螺距是否變化可設(shè)計(jì)為恒螺距與變螺距螺桿，按照螺桿截面形狀可設(shè)計(jì)為梯形截面、矩形截面和鋸齒形截面的螺桿。經(jīng)過對比分析，本文采用了最普遍的單線頭恒螺距30°梯形截面的螺桿作為3D打印機(jī)擠出頭螺旋輸送元件。

2 螺桿升角與導(dǎo)程設(shè)計(jì)

螺桿升角是指螺桿牙側(cè)面與螺桿端面所形成的夾角，本文以λ表示。螺桿升角選擇的合適與否直接影響著螺桿的輸送能力，是輸送螺桿的關(guān)鍵參數(shù)。選擇大的螺桿升角可實(shí)現(xiàn)較高的輸送速度，但輸送推出力相對較小。選擇小的螺旋升角可以獲得較大的輸送推力，但輸送速度又會(huì)降低。針對輸送速度和輸送推力的問題，本文根據(jù)所研發(fā)的3D打印機(jī)的使用的具體工況和使用的具體介質(zhì)對輸送螺桿進(jìn)行受力分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了螺桿的升角和導(dǎo)程。

2.1 螺桿升角設(shè)計(jì)

螺桿輸送的方向垂直向下，因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)在螺桿牙下表面的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，所以，在螺桿牙下表面取1個(gè)輸送介質(zhì)單元體。經(jīng)過受力分析，在輸送介質(zhì)單元體上主要存在螺桿牙下表面作用的摩擦力Ff和其他介質(zhì)單元體的反作用力F，由于介質(zhì)單元體比較微小，所以，在受力分析時(shí)忽略了重力的作用。將作用力F沿螺桿牙側(cè)面方向與螺紋牙側(cè)面的垂直方向進(jìn)行分解得到分力FN和F1，由幾何關(guān)系可知，分力FN與F1作用方向的夾角即是螺桿升角λ.為了使螺桿能夠帶動(dòng)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行擠出，則要求摩擦力Ff在數(shù)值上要大于分力F1，具體計(jì)算過程如下：

3 螺桿直徑校核

螺桿設(shè)計(jì)不當(dāng)或非正常操作會(huì)使得螺桿的工作應(yīng)力過大而被破壞。因此，螺桿也應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度要求。螺桿在擠出過程中受力情況為：自重G、克服介質(zhì)阻力所需的扭矩M和物料壓力所產(chǎn)生的軸線力P。螺桿的危險(xiǎn)截面一般在進(jìn)料段螺紋桿徑最小處，由于輸送螺桿的尺寸較小、長度較短，忽略自重G的作用，同時(shí)，軸線力P的軸向擠壓根本不可破壞螺桿，所以，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，本文中的螺桿直接按純扭的方式來校核。

螺桿在實(shí)際工作中承受的最大扭矩M=0.89 N·m，螺桿進(jìn)料段危險(xiǎn)截面直徑d1=10 mm。本文采用45鋼作為輸送螺桿材料，45鋼的屈服極限為353 MPa。因?yàn)椴捎眉兣硇：?，所以，必須了?5鋼的許用切應(yīng)力值。在工程上，對于塑性材料許用切應(yīng)力為0.5～0.6倍的許用正應(yīng)力值，本文選取0.5的倍數(shù)以及選取2的安全系數(shù)，計(jì)算得到45鋼的許用切應(yīng)力為88.25 MPa，根據(jù)材料力學(xué)純扭計(jì)算公式：

（8）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)τmax≤[τ]，所以，本文認(rèn)為螺桿進(jìn)料段危險(xiǎn)截面直徑d1=10 mm是安全的，螺桿滿足使用要求。

4 結(jié)束語

文章選取螺桿輸送結(jié)構(gòu)作為3D打印機(jī)擠出頭的擠出方式，在這種擠出結(jié)構(gòu)中，輸送螺桿是最關(guān)鍵的零件，直接決定著打

印機(jī)擠出的效果。文章選取單線頭恒螺距30°梯形截面的螺桿作為輸送螺桿的基本結(jié)構(gòu)，對輸送介質(zhì)在輸送過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，確定了輸送螺桿的螺旋升角和導(dǎo)程，并且對輸送螺桿進(jìn)料段危險(xiǎn)截面處的直徑進(jìn)行了校核，認(rèn)定本文所設(shè)計(jì)的輸送螺桿直徑是安全可靠的。

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〔編輯：張思楠〕