雷 芳，孟鑫沛，張俊平，丘柏?fù)]

（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）

近幾年3D打印行業(yè)發(fā)展迅速，其廣泛的應(yīng)用必然會(huì)帶來(lái)未來(lái)市場(chǎng)關(guān)闊的空間，被譽(yù)為是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的新興產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)完全依賴(lài)于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，使產(chǎn)品的生產(chǎn)不需要機(jī)械加工或模具，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過(guò)打印來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樗俣瓤?、能打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了3D打印在行業(yè)中的廣泛使用和快速發(fā)展。熔融沉積成型法（簡(jiǎn)稱(chēng)FDM），是3D打印的一種工藝，這種工藝通過(guò)將絲狀材料如熱塑性塑料從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。FDM快速成型技術(shù)是最普遍的快速成型技術(shù)，其在整個(gè)行業(yè)市場(chǎng)份額達(dá)80%以上[1]。

隨著FDM型3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印市場(chǎng)涌現(xiàn)出各種新型材料，賦予了產(chǎn)品更多的性能，擴(kuò)大使用范圍。這些新型材料如可溶解的支撐材料、仿木頭、導(dǎo)電材料和柔性材料等，這其中具有較高彈性和柔韌性的柔性材料，在鞋底制造等行業(yè)應(yīng)用比較多。但目前市場(chǎng)上采用遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)的3D打印機(jī)打印柔性材料（比如TPU等）時(shí)，送料會(huì)打滑，打印效果不理想。本文對(duì)FDM型3D打印遠(yuǎn)程送料打印時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出新的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)以解決該問(wèn)題。

1 FDM型3D打印機(jī)送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)是FDM型3D打印機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，包括送絲裝置、步進(jìn)電機(jī)等，主要作用是將3D打印線材均勻的送至熱熔噴頭。送絲裝置提供進(jìn)料以及噴頭擠出融化后材料的壓力，送絲要求穩(wěn)定可靠，以保證噴頭內(nèi)有一定的壓力并且出絲速度與噴頭移動(dòng)速度匹配，主要由擠出輪、導(dǎo)輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。

送料機(jī)構(gòu)有近程送料和遠(yuǎn)程送料兩種方式。采用近程送料時(shí)，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，如圖1所示。送絲裝置和步進(jìn)電機(jī)增加了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性大，加速減速有一定困難，運(yùn)行不穩(wěn)定；笨重的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)導(dǎo)軌有較大的壓力，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使之變形，對(duì)平臺(tái)難以調(diào)平，從未造成打印出來(lái)的產(chǎn)品精度降低。

圖1 近程送料

采用遠(yuǎn)程送料時(shí)，送絲裝置和步進(jìn)電機(jī)安裝在機(jī)器外殼上，遠(yuǎn)程給噴頭送料，如圖2所示。送料裝置與噴頭分離，遠(yuǎn)程給噴頭送料，噴頭重量輕，慣性小，移動(dòng)定位更精準(zhǔn)；噴頭移動(dòng)速度非?？?，因此其打印速度可以非?？?；噴頭和擠出機(jī)分離，方便維護(hù)。

圖2 遠(yuǎn)程送料

2 FDM型3D打印機(jī)遠(yuǎn)程擠出裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)打印雙色材料或兩種不同材料時(shí)采用雙噴頭打印機(jī)，近程送料機(jī)構(gòu)噴頭部分非常笨重，打印速度慢，精度低，適宜采用送絲裝置與打印頭分離的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)，如圖3所示，送絲遠(yuǎn)程給噴頭送料，打印速度快，精度高。但由于送料距離遠(yuǎn)，阻力較大，容易卡線，打印出來(lái)的產(chǎn)品品質(zhì)下降。

圖3 遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)與打印噴頭

遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)中的送絲裝置，如圖4所示，主要由軸承、齒輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。它的基本原理是通過(guò)送料輪與材料之間的摩擦力，由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力對(duì)線材進(jìn)行輸送。從材料進(jìn)入到輸出的通道來(lái)看，齒輪軸承組與出入口之間存在較大空隙，在送料過(guò)程中，由于加壓容易導(dǎo)致線材形變，與送料機(jī)構(gòu)產(chǎn)生更大摩擦甚至斷料，而對(duì)于柔性材質(zhì)則此類(lèi)送料機(jī)無(wú)法完成送料，甚至在打印常規(guī)線材會(huì)出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)噴頭噴絲不均勻，使打印物品出現(xiàn)縫隙甚至斷層從而影響產(chǎn)品的力學(xué)性能性，從而限制了3D打印技術(shù)往柔性材質(zhì)或更多材質(zhì)成型技術(shù)的發(fā)展。

圖4 傳統(tǒng)的送料裝置

3D打印柔性線材最重要的是要求送料裝置能夠有一個(gè)通道，使得線材從離開(kāi)驅(qū)動(dòng)齒輪到進(jìn)入熱端的筒體經(jīng)過(guò)的路徑是固定的，因此本研究在送料機(jī)構(gòu)內(nèi)部插入鐵氟龍導(dǎo)料管對(duì)線材進(jìn)行送料，并對(duì)如圖五所示。鐵氟龍是聚四氟乙烯，熱導(dǎo)率低，耐高溫，摩擦系數(shù)極低，有高的潤(rùn)滑性[2]。齒輪與軸承分布在鐵氟龍導(dǎo)料管切削開(kāi)口兩側(cè)，線材在鐵氟龍導(dǎo)料管中尖齒輪提供切向驅(qū)動(dòng)力，軸承提供線材與尖齒輪之間的壓力，鐵氟龍導(dǎo)料管同時(shí)起到潤(rùn)滑的作用（鐵氟龍材料本身具有很好的潤(rùn)滑效果）。鐵氟龍導(dǎo)料管切削口下端的外側(cè)能有效防止線材被粘附在尖齒輪或者軸承上，讓其順利進(jìn)入送料通道，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的送料裝置

除采用鐵氟龍導(dǎo)料管進(jìn)行導(dǎo)料外，同時(shí)對(duì)送料機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化，如圖6所示，使其比傳統(tǒng)的送料機(jī)構(gòu)更加緊湊，整體尺寸較小，各個(gè)部件連接緊密。通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)壓料設(shè)計(jì)可改變傳動(dòng)輪和轉(zhuǎn)動(dòng)輪之間的夾持力度，有效地減小了固定間距驅(qū)動(dòng)輪的內(nèi)耗，減小了驅(qū)動(dòng)軸承的不必要的內(nèi)應(yīng)力。從而增加送料輪與打印材料之間的摩擦力，避免出現(xiàn)送料打滑現(xiàn)象而使送料間斷，且對(duì)線材的粗細(xì)要求低，能夠保證噴頭均勻吐料，提高了打印質(zhì)量。由于線材的送料與退料都需要送料齒輪才能實(shí)現(xiàn)，因此線材受到足夠大的推力向擠出頭移動(dòng)。線材在兩齒輪之間呈擠壓受力狀態(tài)，從而使線材所受摩擦力增大，使得柔性線材能順利出料。優(yōu)化后的送料裝置能起到降低送料時(shí)的阻力作用，并且能適用多種線型線材尤其是柔性線材。

圖6 鐵氟龍導(dǎo)料管

3 遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)對(duì)噴嘴的影響

FDM型3D打印機(jī)中噴嘴直徑越小，打印的精度越高，對(duì)打印產(chǎn)品的細(xì)節(jié)表達(dá)力越好，但噴嘴越小擠出時(shí)熔體收到阻力越大，容易出現(xiàn)斷絲、堵塞等故障，對(duì)送料系統(tǒng)的要求越高[3]。本研究中采用改進(jìn)后的鐵氟龍導(dǎo)料管遠(yuǎn)程送料裝置，使目前市面上常用的0.4 mm的噴嘴減少為0.2 mm的噴嘴，依然能正常打印，打印的精度提高，在打印零件的細(xì)節(jié)上能更好地打印出來(lái)，而且對(duì)柔性材料也適用。

4 打印實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的送料機(jī)構(gòu)打印柔性材料的效果，分別用傳統(tǒng)的近程送料機(jī)構(gòu)和本研究設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)（如圖7所示）打印如圖8所示樣品零件，各打印ABS、PLA、柔性線材TPU三種線材樣品150次，打印結(jié)果分別如表1和表2所示。從表中可以看出，采用傳統(tǒng)的近程送料機(jī)構(gòu)打印，ABS和PLA的打印成功率較高分別是89.3%和94.7%，但是打印柔性線材TPU的成功率只有8.7%；采用新設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)打印，ABS和PLA的打印成功率有所提高分別是97.3%和98.7%，打印柔性線材TPU的成功率提高到92.7%.由此驗(yàn)證了本研究設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)較傳統(tǒng)的送料機(jī)構(gòu)，打印硬質(zhì)材料ABS和PLA成功率有所提高，打印柔性線材TPU的成功率非常高，由原來(lái)的8.7%提升到92.7%，效果非常好。

圖7 遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)

圖8 樣品零件

表1 傳統(tǒng)的近程送料機(jī)構(gòu)送料打印情況

表2 本研究設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)送料打印情況

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本研究設(shè)計(jì)了3D打印遠(yuǎn)程送料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了送料機(jī)構(gòu)與打印頭的分離，減輕運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，提高了打印速度和打印精度；

（2）通過(guò)在送料機(jī)構(gòu)內(nèi)部插入鐵氟龍導(dǎo)料管，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)柔性線材如TPU的順暢送料。這種機(jī)構(gòu)能使噴嘴從0.4 mm減少為0.2 mm，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，能保證在打印柔性材料時(shí)噴頭能夠不卡絲、不打滑，均勻吐料，提高打印質(zhì)量。