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        無(wú)斷料3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

        2020-06-06 00:30:36祝國(guó)慶王海宇朱芝俊張海錄
        黑龍江科學(xué) 2020年10期

        祝國(guó)慶,王海宇,朱芝俊,張海錄

        (黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

        隨著科技的不斷發(fā)展,3D打印技術(shù)也逐漸成熟起來(lái)。作為現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備之一,3D打印技術(shù)日新月異,不僅推動(dòng)了新材料、新技術(shù)、新工藝的發(fā)展,而且還創(chuàng)新了各種功能。

        1 無(wú)斷料3D打印機(jī)裝置的設(shè)計(jì)背景

        1.1 3D打印機(jī)的發(fā)展背景

        隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,如今,工作和生活中很多方面都離不開(kāi)打印機(jī),因此,打印機(jī)的不斷改進(jìn)已成為科技發(fā)展的一個(gè)重要方面。3D打印機(jī)(FDM)是由一定的打印原料加熱融化、隨后在一定條件下變?yōu)槌善?。打印過(guò)程中,材料不足時(shí)存在打印中斷問(wèn)題;材料快要耗盡時(shí)需要人為更換材料浪費(fèi)時(shí)間;打印材料不足以打印成成品。根據(jù)人們?cè)诠ぷ骱蜕钪袑?duì)3D打印機(jī)的要求,需要研究和設(shè)計(jì)出一種省時(shí)、精確換材、無(wú)斷料的3D打印機(jī),以此解決以上存在的問(wèn)題。

        1.2 3D打印機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展前景

        1.2.1 國(guó)際上的發(fā)展情況

        經(jīng)過(guò)多年的探索,打印技術(shù)在國(guó)際上有了飛速發(fā)展。目前,已經(jīng)可以在0.01 mm的層厚上打印,并且可以形成24位色彩打印。在世界3D打印機(jī)行業(yè)中,USA的3D Systems與Stratasys兩家集團(tuán)的產(chǎn)品占有大部分市場(chǎng)份額。其中,3D Systems企業(yè)的實(shí)力最強(qiáng),基本上代表了3D打印技術(shù)當(dāng)下的技術(shù)水準(zhǔn)和以后的發(fā)展方向,其還可以為專業(yè)人士及相應(yīng)消費(fèi)者提供3D打印系統(tǒng)。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家,3D打印技術(shù)早就開(kāi)始了商業(yè)模式,如在消耗電子產(chǎn)品業(yè)、宇航業(yè)和汽車建造業(yè)等領(lǐng)域,3D打印技術(shù)可以以較小的成本、較高的效率產(chǎn)出少量的特定構(gòu)件,從而完成復(fù)雜而精準(zhǔn)的組裝。如今,各國(guó)3D打印機(jī)制作行業(yè)均處在急劇的購(gòu)買與合并過(guò)程中,行業(yè)巨擎正快速崛起。

        1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況

        近年來(lái),我國(guó)開(kāi)始主動(dòng)研發(fā)3D打印技術(shù)。國(guó)內(nèi)快速成型技術(shù)的研發(fā)工作始于20世紀(jì)80年代末,在時(shí)間點(diǎn)上和國(guó)際上保持一致,已經(jīng)形成了北航、華中科大、西安交大、清華大學(xué)四大研發(fā)中心,在科研水平上已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際一流水準(zhǔn)。五道口在今代成型學(xué)說(shuō)、分層實(shí)體制作、FDMT藝等方向擁有很好的科學(xué)研究方向。在分層實(shí)體制作工藝方向上,華中科大有不俗的成績(jī),并已公布了HRP系列成形機(jī)器和成型材料。

        當(dāng)前,國(guó)內(nèi)擁有3D打印設(shè)備進(jìn)行貿(mào)易運(yùn)作的實(shí)業(yè)公司有:光韻達(dá)、金運(yùn)激光、中航重機(jī)等,這些集團(tuán)基本形成了3D打印機(jī)的集體制作與出售團(tuán)隊(duì)。但是,由于我國(guó)近年才引入3D打印技術(shù),與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較,還有很大差距,主要體現(xiàn)在技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用方面,研發(fā)水平不高,與市場(chǎng)銜接度較低,目前還未產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。有專家預(yù)測(cè),打開(kāi)市場(chǎng)后,2020年,我國(guó)的打印市場(chǎng)有望突破2000億元,前景無(wú)限廣闊。

        2 無(wú)斷料3D打印機(jī)

        2.1 無(wú)斷料3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        由圖1可見(jiàn),知限位開(kāi)關(guān)(1)、(1′)和擠出機(jī)連接在一起,擠出機(jī)(4)、(4′)由壓力調(diào)節(jié)(2)、(2′)和主力支架(3)、(3′)構(gòu)成,擠出機(jī)和步進(jìn)電機(jī)(5)、(5′)鉸鏈在一起,使材料在輸料管(6)、(6′)中運(yùn)輸,經(jīng)過(guò)三向轉(zhuǎn)接頭(7),通過(guò)喉管到達(dá)(8)中的加熱塊加熱融化,經(jīng)過(guò)外面的散熱扇散熱,在噴嘴處擠出來(lái),在步進(jìn)電機(jī)和螺絲杠桿(11)、(11′)(控制X軸、Z軸既左右和上下的運(yùn)動(dòng))和熱床(9)(在Y軸既前后移動(dòng))的運(yùn)行下,最終在熱床(9)上成型,3D打印機(jī)的整體效果在(10)的固定下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖1 無(wú)斷料3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of continuous feeding 3D printer device

        2.2 無(wú)斷料3D打印機(jī)裝置的工作過(guò)程

        插通電源,輸入需打印的文件信息,在步進(jìn)電機(jī)和擠出機(jī)的作用下,打印材料從左邊的限位開(kāi)關(guān)進(jìn)入,隨后進(jìn)入輸料管中,經(jīng)過(guò)三向輸料管進(jìn)入豎直方向的輸料管,之后,在(8)處的加熱塊處加熱融化,并在風(fēng)扇和散熱管的作用下散熱以防損壞,隨后在噴嘴處擠出融化的線條,在步進(jìn)電機(jī)和螺絲杠桿的控制下,完成三維打印。若在打印途中,打印材料缺失,此時(shí)限位開(kāi)關(guān)(1)不被材料擠壓從而發(fā)出信號(hào)。設(shè)此時(shí)限位開(kāi)關(guān)到擠出機(jī)底部的距離為X,由cura上的擠出速度V計(jì)算T:

        主板接收到信號(hào)后,在T時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(2′),隨后把打印材料送入輸料管(6′)中繼續(xù)打印,最終完成模型打印。

        3 無(wú)斷料3D打印機(jī)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

        此裝置在原3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上,新增加了一對(duì)限位開(kāi)關(guān)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和擠出機(jī)。當(dāng)需要打印一個(gè)比較大的物件、并且現(xiàn)有打印機(jī)上剩余材料不足的時(shí)候,可以充分利用剩余的材料繼續(xù)打印。另外,在打印過(guò)程中,若出現(xiàn)打印材料缺失、管理人員不在現(xiàn)場(chǎng)(不能手動(dòng)送料)、模型緊急需要的情況下,此裝置的出現(xiàn)解決了這一困難,并且可以連續(xù)打印耗材量較大的模型,且操作簡(jiǎn)單,打印機(jī)可自動(dòng)處理。

        4 結(jié)語(yǔ)

        無(wú)斷料3D打印機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中,解決了打印材料缺失、且緊急需要的情況下的打印問(wèn)題,方便對(duì)模型的打印,節(jié)約了打印時(shí)間,提高了工作效率。此裝置的研發(fā)前景廣闊,具有較大的潛在市場(chǎng)。

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