馬博 代丹丹 曹長(zhǎng)虹 湯寶鑫
(新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023)
由于現(xiàn)有熔融擠出式3D打印技術(shù)存在生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品表面分層明顯不美觀,層間結(jié)合力小強(qiáng)度低等問(wèn)題,為了提高產(chǎn)品質(zhì)量通常還需后處理,但這樣一來(lái)不但增加了成本同時(shí)也提高了廢品率。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種液體堆積固化3D打印方案,液體材料以擠壓的方式直接擠出堆積固化成型跳過(guò)了熱熔步驟,這樣一來(lái)不僅提高了效率,產(chǎn)品表面分層得以改善,同時(shí)由于不存在逐層凝結(jié)導(dǎo)致的結(jié)合力過(guò)小的現(xiàn)象,所以產(chǎn)品強(qiáng)度會(huì)有較大的提升,這也是本方案的最大優(yōu)點(diǎn)。
液體材料堆積擠出裝置通過(guò)3D打印的方法生成,擠出驅(qū)動(dòng)力由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。前期實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化,后期實(shí)驗(yàn)主要完成配套控制系統(tǒng)對(duì)于液體材料擠出速度的優(yōu)化。雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu),但生成產(chǎn)品形體的打印機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒(méi)有改變,非但不會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸,同時(shí)還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)分,主流的形式有兩種:笛卡爾型(XYZ型)和并聯(lián)臂型(三角洲型)。
XYZ型3D打印機(jī),如下圖1所示。其特點(diǎn):打印精度較高,安裝過(guò)程復(fù)雜,打印物體會(huì)隨平臺(tái)移動(dòng),其機(jī)型占地面積大。
三角洲型3D打印機(jī),如圖2所示。其特點(diǎn):打印速度快,精度略高,安裝簡(jiǎn)單。其機(jī)型架構(gòu)穩(wěn)定,空間利用率高,節(jié)省占地面積。
通過(guò)兩種機(jī)型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)比較,本文采用三角洲型結(jié)構(gòu),主要通過(guò)并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)來(lái)控制噴嘴運(yùn)動(dòng),從而提高打印機(jī)打印的準(zhǔn)確性,并聯(lián)機(jī)構(gòu)會(huì)控制打印頭每個(gè)方向上的自由度,以保證打印頭的運(yùn)動(dòng)軌跡,完成打印。
本文所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī),打印材料為液體,因此采用注射形式將打印材料擠出,完成打印任務(wù)。擠出裝置包括注射筒(圖a)和注射推桿(圖b),如圖3所示。注射筒上,在接近于注射筒底部設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)料口,使液體材料可源源不斷的供應(yīng)。擠出裝置作為打印機(jī)的主要元件,如下圖4所示。
擠出裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接螺桿傳動(dòng)輸出。螺桿上有螺母配合,特制螺母用彈簧固定于中間板上,對(duì)螺桿徑向進(jìn)行約束,這樣一來(lái),電機(jī)傳動(dòng)就可以使螺桿在螺母的配合下實(shí)現(xiàn)液體材料的注推動(dòng)作。同時(shí),為了防止注射推桿轉(zhuǎn)動(dòng),注射推桿與螺桿之間采用軸承支撐,從而使液體材料擠出打印過(guò)程中只有推力傳遞到注射桿。在打印過(guò)程中為了防止液體材料回流,在注射筒進(jìn)料口處設(shè)置一個(gè)單向閥。電機(jī)與傳動(dòng)裝置跟隨注射筒整體移動(dòng),從而完成打印工作。該打印裝置如下圖5所示。
下圖6為本文所設(shè)計(jì)的一種液體堆積固化3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)三維模型,該打印機(jī)主要由機(jī)架、打印裝置、側(cè)板、中間板、上板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及連接件等部分組成。
該液體堆積固化3D打印機(jī)采用三角洲型打印機(jī)結(jié)構(gòu),其安裝簡(jiǎn)單,打印速度快。打印擠出系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),由螺母約束螺桿傳遞推力,使注射推桿將液體材料擠出,實(shí)現(xiàn)打印。打印過(guò)程中,液體材料邊堆積邊固化成型,從而使整體結(jié)構(gòu)層間結(jié)合強(qiáng)度提高,打印物體表面平滑美觀。該打印系統(tǒng)的特點(diǎn)為:
(一)以熔融式3D打印機(jī)的整體框架為基礎(chǔ),將原有的熔融式擠出噴嘴替換為適應(yīng)液體堆積的擠出裝置和控制系統(tǒng)。
(二)液體材料堆積擠出裝置通過(guò)3D打印的方法生成,擠出驅(qū)動(dòng)力則由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
(三)雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu),但生成產(chǎn)品形體的打印機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒(méi)有改變,非但不會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸,同時(shí)還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
(四)控制系統(tǒng)可采用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。該控制系統(tǒng)中,液體材料擠出速度與坐標(biāo)控制需要互相配合。
(五)通過(guò)分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化與配套控制系統(tǒng)對(duì)于液體材料擠出速度的優(yōu)化。同時(shí),為了達(dá)到更好的打印效果,可引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù),通過(guò)視覺(jué)圖像的測(cè)量計(jì)算實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋,由控制系統(tǒng)修正參數(shù),從而提高產(chǎn)品的尺寸精度。
本文所設(shè)計(jì)的液體堆積固化3D打印機(jī)摒棄原有熔融擠出式3D打印的思路,直接采用液體材料擠出堆積后固化成型。針對(duì)液體打印材料專門設(shè)計(jì)擠出裝置及其配套的傳動(dòng)系統(tǒng),理論上其效率高,互溶性好,產(chǎn)品表面細(xì)膩,同時(shí)可以較大的提高產(chǎn)品強(qiáng)度。
該打印機(jī)可在食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用。為此打印裝置可采用兩種打印擠出頭,一種打印擠出頭用于食品加工中,如:液體巧克力直接打印到打印板上,打印出個(gè)性化的巧克力;另一種打印擠出頭可采用加長(zhǎng)型針管,主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如液體硅膠打進(jìn)“油性”微凝膠中,讓水凝膠起到支撐和固化作用,打印出醫(yī)學(xué)使用的物品。