岳桂林 蔡小建 顧焱

摘?要：本文分析了工程訓(xùn)練課中3D打印機(jī)常見問題出現(xiàn)的原因，對桌面式FDM型3D打印機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)逐一研究探討，結(jié)合文獻(xiàn)及實踐經(jīng)驗給出了行之有效的解決方案，對于設(shè)備的優(yōu)化以及工程訓(xùn)練課教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要意義。

關(guān)鍵詞：FDM;3D打印;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Abstract：This paper analyzes the causes of common problems based on 3D printer in engineering training course，studies and discusses the key structures of desktop FDM 3D printer one by one，provides effective solutions based on literature and practical experience，which is of great significance for the optimization of the equipment and the improvement of teaching quality in engineering training course。

Key words：FDM;3D printing;structural optimization

快速成型課程是高校工程訓(xùn)練體系中的重要一環(huán)，對于學(xué)生綜合能力的提高以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前應(yīng)用較多的快速成型技術(shù)主要有立體光固化成型技術(shù)（SLA）、分層實體制造成型技術(shù)（LOM）、激光選擇性燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）、三維粉末粘結(jié)技術(shù)（3DP）以及熔融擠壓堆積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。目前江蘇海洋大學(xué)快速成型課程主要采用的是熔融沉積成型技術(shù)，即將絲狀材料加熱至熔融狀態(tài)，從噴嘴擠出沿然后依據(jù)模型切片結(jié)果沿特定路徑逐層成型的技術(shù)。該技術(shù)研發(fā)成本低，材料的利用率高，成型工件表面質(zhì)量好，可以快速構(gòu)建零件。設(shè)備為桌面式3D打印機(jī)，具有輕量化、易操作、安全性高以及學(xué)生上手快等優(yōu)點。但是在打印過程中，該設(shè)備經(jīng)常容易出現(xiàn)噴頭堵塞、翹邊、工件表面粗糙等問題，嚴(yán)重影響了課堂效率以及學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，因此，對課程中該設(shè)備出現(xiàn)頻率較高的問題進(jìn)行分析歸納，探討行之有效的解決方案具有重要的現(xiàn)實意義。

1 問題分析

FDM打印技術(shù)是通過熱熔機(jī)構(gòu)將絲狀材料加熱，送絲機(jī)構(gòu)將絲材送至噴頭，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔融狀態(tài)的材料按照CAD分層數(shù)據(jù)控制的掃描路徑擠出并沉積在指定的位置凝固，逐層堆積成型的技術(shù)[1]。其示意圖如左圖所示。其主要結(jié)構(gòu)包括控制主板、送絲機(jī)構(gòu)、熱熔機(jī)構(gòu)、噴頭、工作平臺、傳動機(jī)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)幾個方面。由于在打印過程中鮮少出現(xiàn)控制或傳動方面的問題，因此，本文結(jié)合工程訓(xùn)練課中出現(xiàn)頻率較高的問題，著重從送絲機(jī)構(gòu)、熱熔機(jī)構(gòu)、噴頭和打印平臺四個方面探討了該3D打印機(jī)常出現(xiàn)的問題以及其癥結(jié)所在。

1.1 送絲機(jī)構(gòu)

其主要負(fù)責(zé)絲材的進(jìn)退。在本設(shè)備中，送絲機(jī)構(gòu)如左圖中虛線方框所示，步進(jìn)電機(jī)帶動左側(cè)主動輪旋轉(zhuǎn)，右側(cè)從動輪輔助絲材從中間擠出。由于兩側(cè)轉(zhuǎn)輪之間的空隙而不可調(diào)節(jié)，因此對絲材的直徑要求較高，當(dāng)絲材直徑發(fā)生變化時，會在該縫隙處卡死，影響送絲，故對材料的通用性低，對絲材質(zhì)量要求較高。同時，當(dāng)打印機(jī)使用時間較長時，從動輪會發(fā)生磨耗，從而導(dǎo)致中間縫隙增加以致進(jìn)絲時打滑或者是絲材在輪間晃動，噴嘴處進(jìn)料量不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致打印模型表面精度降低。因此很多學(xué)者優(yōu)化3D打印設(shè)備時會對其送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造。例如考慮到對于絲材而言，主動輪和從動輪通過擠壓絲材產(chǎn)生摩擦力來實現(xiàn)送絲，那在從動輪的固定側(cè)增加彈簧夾緊機(jī)構(gòu)，通過彈簧的變化來實現(xiàn)對絲材壓力的調(diào)整，首先可以有效保證從動輪對絲材的夾緊以防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，其次可以提高該設(shè)備對不同直徑材料的通用性。有些學(xué)者從主動輪的設(shè)計著手，將主動輪的直線輪更改為V型輪，從而實現(xiàn)主動輪對絲材的壓力控制，提高送絲驅(qū)動力的穩(wěn)定性[2]。

1.2 熱熔機(jī)構(gòu)

熱熔機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)絲材的加熱。熱熔機(jī)構(gòu)由加熱棒、測溫電偶和加熱塊組成。加熱棒充當(dāng)熱源角色，測溫電偶為反饋調(diào)控角色，加熱塊起傳熱作用。加熱溫度主要影響絲材擠出過程中的粘度。溫度過低，會導(dǎo)致擠出速度變慢，導(dǎo)致噴頭擠出壓力增加，甚至堵塞噴頭;若溫度過高，絲材過軟，不利于擠出，甚至導(dǎo)致絲材碳化，依然容易引起噴頭堵塞。因此熱熔機(jī)構(gòu)中需要注意的是根據(jù)不同絲材進(jìn)行合適的溫度設(shè)定。對于加熱塊材質(zhì)的選擇也在工程訓(xùn)練課中，均采用低熔點樹脂，一般為ABS和PLA材料等低熔點單一聚合物。其中ABS材料的性能較為穩(wěn)定，超過240℃時容易分解，一般設(shè)置的加熱溫度控制在230℃左右。但PLA材料熔點較低，高溫熔融時易附著，容易在噴頭處殘留，加熱溫度設(shè)置為200℃左右。熱熔機(jī)構(gòu)在打印過程中不易損壞，產(chǎn)生問題主要是由于加熱溫度設(shè)置與絲材不匹配造成，因此針對不同材料，應(yīng)該合理設(shè)置加熱溫度。加熱塊能夠有效傳遞熱量也是保證熱熔機(jī)構(gòu)正常工作的重要一環(huán)。為了保證熱傳導(dǎo)效果，加熱塊必須與噴嘴的外表面充分接觸。在本訓(xùn)練課的設(shè)備中，因為噴嘴的外表面為圓柱面，加熱塊為正方體，中間開圓孔，噴頭直接插入，從而與加熱塊連接在一起，但隨著使用時間增加，由于噴頭熱脹冷縮以及外表面氧化的作用，加熱塊與噴頭之間的縫隙會增加，從而無法有效實現(xiàn)熱量的傳導(dǎo)，影響絲材的熔化。對于該結(jié)構(gòu)部分設(shè)備嘗試將加熱塊與熱熔噴頭以螺紋連接的方式連接在一起，以保證熱量的有效傳遞。也有一些產(chǎn)品通過利用在加熱塊外側(cè)增加鎖緊結(jié)構(gòu)，以保證與噴嘴外層的無間隔接觸，導(dǎo)熱過程穩(wěn)定[3]。

1.3 噴頭

噴頭負(fù)責(zé)將熱熔結(jié)構(gòu)加熱的絲材順滑擠出至打印平臺，從而實現(xiàn)堆積成型。其中噴嘴直徑大小對模型成型精度有重要影響，噴嘴直徑越小，擠出的絲材越細(xì)，成型時精度越高。但噴嘴直接過小時，噴射出來的熔融絲材過細(xì)，打印過程中易產(chǎn)生斷絲且易堵塞。但噴嘴直徑過大，打印工件表面粗糙且易變形，無法保證表面精度。因此，噴嘴直徑應(yīng)根據(jù)工件需求選擇合理的大小。部分研究學(xué)者還對噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如噴嘴前端延長，增大熔融材料向下運(yùn)動時的阻力，保障絲材順利擠出的同時改善拉絲現(xiàn)象[4]。有的學(xué)者將噴頭改為螺旋擠壓結(jié)構(gòu)，通過理論計算以及實驗證明了螺旋擠壓噴頭對于出絲速度以及穩(wěn)定性有較大提高，打印機(jī)的工作效率可以提高5-10倍。有的學(xué)者對噴頭的材料進(jìn)行改進(jìn)，對于噴頭不僅要求較高的導(dǎo)熱性能同時對保溫性能與抗氧化性能也有一定要求，通過在噴頭外側(cè)涂抹保溫層，以減少噴頭的散熱和氧化。由于一般打印材料為高聚物，加熱溫度較高時易在噴嘴部位殘留累積，當(dāng)打印機(jī)使用較長時間后，噴嘴部位易積碳堵塞，因此需要定期對其進(jìn)行清理，以保障噴嘴的通暢。

1.4 打印平臺

打印平臺用于X-Y方向驅(qū)動以及承接噴頭擠出的材料在其上面的堆積成型。部分同學(xué)打印時會出現(xiàn)工件從打印平臺脫離的現(xiàn)象，也就是翹邊，導(dǎo)致后續(xù)無法正常打印。出現(xiàn)這一問題的主要原因有三個：（1）打印時噴頭與平臺之間距離過大，導(dǎo)致打印第一層時，熔融的材料無法更好地與平臺結(jié)合再一起，此時需手動調(diào)整打印機(jī)噴嘴位置以及打印平臺的水平調(diào)節(jié)螺母，縮短噴頭與平臺的距離，確保距離合適，從而提高工件基底與平臺之間的結(jié)合能力，但不可距離過小，距離過小會導(dǎo)致材料在打印平臺過度堆積，工件底部粗糙且難以從打印平臺剝離。（2）打印平臺溫度過低。當(dāng)外界溫度較低或者是打印平臺溫度設(shè)置不合理時，會導(dǎo)致噴頭擠出的熔融液體接觸到打印平臺時冷卻過快，從而導(dǎo)致黏結(jié)力不夠，后期模型打印過程中，隨著打印層數(shù)的增加，材料固化程度增加，由于冷卻收縮作用導(dǎo)致收縮力量加大，從而使得與打印平臺結(jié)合力本就薄弱的工件從打印平臺剝離。此時需提高打印平臺溫度，同時保證打印室溫度不可過低。（3）打印平臺使用時間過久，表面黏結(jié)力度不夠，此時可以在打印平臺粘貼耐高溫貼紙從而提高工件與打印平臺的黏結(jié)力度。

2 結(jié)語與展望

本文詳細(xì)分析總結(jié)了目前快速成型課程中3D打印設(shè)備出現(xiàn)頻率較高的問題，同時結(jié)合實踐經(jīng)驗參閱文獻(xiàn)給予了一定的整改意見，對于該課程教學(xué)質(zhì)量的提高起到積極作用。但是隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)也日益突飛猛進(jìn)，無論在日常生活還是科研工作等方面都與人們聯(lián)系越來越密切，學(xué)生對于快速成型技術(shù)的需求也日新月異，因此，目前的桌面式FDM型3D打印機(jī)已經(jīng)不能滿足學(xué)生工程訓(xùn)練課的需求，光固化型3D打印機(jī)、SLS型3D打印機(jī)等不同成型方式的打印技術(shù)亦應(yīng)在該課程中不斷引進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，切實提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]任汪洋.基于FDM成型工藝的桌面級3D打印機(jī)優(yōu)化設(shè)計.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士，2017.

[2]楊志.FDM 3D打印機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的改進(jìn)及其試驗研究.蘇州：蘇州大學(xué)碩士，2018.

[3]張洋.基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)研究.長春：長春工業(yè)大學(xué)碩士，2017.

[4]閔暢，李錦，沈新明，劉佳麗，劉洋.FDM型3D打印機(jī)噴頭優(yōu)化設(shè)計.黑龍江科學(xué)，2017，8（21）：10-15.

基金項目：省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“3D打印機(jī)的改裝及性能優(yōu)化”（201811641115X）

作者簡介：岳桂林（1987—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，講師，主要研究方向：材料加工。