石瑩瑩 閆普選 盧江榮＊

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

1 概述

3D 打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或者任何模具，也能直接將材料打印生成計(jì)算機(jī)中CAD 圖形的實(shí)物產(chǎn)品[1]。然而FDM 3D 打印技術(shù)的部分局限性同時(shí)也體現(xiàn)在所能使用的材料的局限性上。FDM 型打印機(jī)，就是使用PLA、ABS 等熱塑性的材料進(jìn)行熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling）[2][3]，但是當(dāng)面向打印材料為液態(tài)或者半固態(tài)的材料時(shí)，F(xiàn)DM 3D 打印機(jī)較難使其成型。針對(duì)液態(tài)或半固態(tài)的材料，3D 打印技術(shù)顯示出其瓶頸。且由于3D 打印技術(shù)的發(fā)展還未完善，其打印產(chǎn)品的精度和質(zhì)量問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。

3D 打印機(jī)在高端領(lǐng)域飛速發(fā)展的同時(shí)，桌面化的3D 打印機(jī)的市場(chǎng)也正在被打開(kāi)。現(xiàn)在目前市場(chǎng)上常規(guī)的桌面式FDM3D打印機(jī)占比高達(dá)65%，桌面式光固化3D 打印機(jī)占比可達(dá)29%。論精確度以及打印速度FDM 遠(yuǎn)不及光固化，且由于國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未完全成熟，導(dǎo)致光固化的打印機(jī)造價(jià)要比FDM 的成本高得多，圖1。

圖1

對(duì)于3D 打印所出現(xiàn)的上述問(wèn)題，本文提出一種紫外固化室溫硫化硅3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)。暨針對(duì)FDM3D 打印機(jī)一個(gè)構(gòu)件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其供料方式改為螺旋式輸送可融液，進(jìn)而改進(jìn)FDM 3D 打印機(jī)，并使用液化器代替激光器從而降低光3D 打印的成本。

2 打印原料的選擇

為實(shí)現(xiàn)3D 打印能使用液態(tài)或半固態(tài)的材料，需尋找在室溫下無(wú)需加熱或是加壓即可就地固化的材料。而硫化硅橡膠正好符合需求，其是一種新型的有機(jī)硅彈性體，具有良好的脫模性。對(duì)于螺旋式輸送裝置以及噴頭噴嘴，由于室溫硫化硅橡膠硫化后具有優(yōu)良的防粘性能，且硫化時(shí)收縮率極小，因此使用硫化硅橡膠也不會(huì)出現(xiàn)造成送料管、噴頭或噴嘴堵塞的現(xiàn)象。

3 打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 紫外光固化設(shè)計(jì)要求

為達(dá)到光固化要求，在傳統(tǒng)打印機(jī)結(jié)構(gòu)上做出改裝設(shè)計(jì)，須加裝一個(gè)光照射的裝置，并在打印機(jī)外圍加裝外殼保護(hù)裝置，防止人員受到紫外光的輻射影響。同時(shí)對(duì)打印機(jī)的程序進(jìn)行相應(yīng)編程，做到邊打印邊固化，圖2。

圖2

3.2 螺旋式輸送裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)行熔融材料輸送時(shí)最常用的便是螺桿帶動(dòng)熔融液推進(jìn)，即螺旋式運(yùn)輸，用于3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)中，可解決普通3D 打印機(jī)送料時(shí)的易斷料或卡料的問(wèn)題。螺旋式輸送利用電機(jī)帶動(dòng)螺桿回轉(zhuǎn)，推動(dòng)物料以實(shí)現(xiàn)輸送，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、便于封閉運(yùn)輸，因此可用于3D 打印機(jī)送料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。借鑒模具生產(chǎn)時(shí)的送料方法，其送料口呈現(xiàn)漏斗式，便于送料。以下將改進(jìn)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 是螺旋式輸送裝置，這一裝置為本設(shè)計(jì)紫外固化室溫硫化硅橡膠3D 打印機(jī)的二維圖。輸送方式設(shè)計(jì)的好壞可以直接影響3D 打印機(jī)的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的品質(zhì),因而本設(shè)計(jì)的螺旋式輸送裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

圖3

3.2.1 加料機(jī)的制作與物料運(yùn)輸

將加料機(jī)與擠出機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用漏斗式送料口將液態(tài)硫化硅橡膠加入料筒。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)料筒中的螺桿，進(jìn)而使得螺桿推動(dòng)物料將其輸送至噴頭。噴頭加熱達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的規(guī)定的溫度參數(shù)，液化的硫化硅橡膠便從噴嘴中緩緩流出成型。

3.2.2 螺桿結(jié)構(gòu)的選擇

螺桿是擠出材料所需的重要零件之一。螺桿的結(jié)構(gòu)形式可按照線數(shù)設(shè)計(jì)為單線頭、雙線頭和多線頭；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。本設(shè)計(jì)使用最普遍的單線頭恒螺距300梯形截面的螺桿做為3D 打印機(jī)擠出螺旋桿輸送原料[4]。

3.2.3 螺桿的升角選擇

螺桿升角是指螺桿牙側(cè)面螺桿端面所形成的夾角。螺桿升角選擇直接影響著螺桿的輸送能力，是輸送螺桿的重要參數(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(duì)較小。而選擇小的螺桿升角可獲得較大的輸送能力，但會(huì)導(dǎo)致輸送速度降低[4]。因此需要使用設(shè)計(jì)軟件確定所需的螺桿升角，圖4。

圖4

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析

4.1 半熔融半光固化原理

4.1.1 更科學(xué)的固型模式：在打印機(jī)外部裝殼，并在機(jī)身結(jié)構(gòu)上加一個(gè)能夠發(fā)射紫外光的發(fā)射裝置，使可溶液到達(dá)熱床的瞬間便能固化成型。

4.1.2 更優(yōu)越的精確度：相比于常規(guī)的FDM 3D 打印機(jī)，本設(shè)計(jì)采取部分光固化的原理，提高了打印的精確度；擴(kuò)寬了可使用的打印材料的選取方向。

4.2 螺旋式輸送可溶液

4.2.1 更可靠的輸送方式：這種輸送方式可以輸送半固態(tài)或液態(tài)材料。

4.2.2 更人性化的打印模式：螺旋式輸送解決了因?yàn)楣┝蠑嘟z而人員不在現(xiàn)場(chǎng)造成的打印失敗，提高了3D 打印機(jī)的使用方便性；同時(shí)可人為控制螺桿旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)而對(duì)供料量進(jìn)行控制；且實(shí)現(xiàn)了可溶液編輯調(diào)控成型設(shè)計(jì)。

4.2.3 成本更低的耗材模式：對(duì)比于常規(guī)的光固化3D 打印機(jī)，通過(guò)螺旋式輸送，可以控制其打印材料輸送量以保證其消耗程度，減少打印過(guò)程中不必要的浪費(fèi)，降低了耗材成本，圖5。

圖5

建立物料流率模型進(jìn)行CAE 分析，建立管道流體流動(dòng)模型。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，作出以下的假設(shè)：假設(shè)物料體積元素與螺旋面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不考慮滑動(dòng)[5]。且確定了本設(shè)計(jì)使用最普遍的單線頭恒螺距300梯形截面的螺桿做為3D 打印機(jī)擠出螺旋桿輸送原料，那么螺旋軸螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)角為相同的平均螺旋角。排除了螺旋角不同造成的數(shù)值分析干擾。

當(dāng)物料從送料口進(jìn)入螺桿旋轉(zhuǎn)管道，由于螺桿的向前轉(zhuǎn)動(dòng)，物料大部分是向前堆積。但當(dāng)物料的投入逐漸增多，通過(guò)螺桿的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，物料漸漸被均勻的填充在管道中。更加易于熔融材料擠出成型時(shí)的均勻分布。

5 結(jié)論

為達(dá)到使用液態(tài)或半固態(tài)材料進(jìn)行3D 打印成型的目的，提出并設(shè)計(jì)了紫外固化室溫硫化硅橡膠3D 打印機(jī)。采用螺旋式輸送裝置，通過(guò)控制電機(jī)的速度可控制輸送融液的速度，以達(dá)到更好的精度。并通過(guò)加裝紫外線照射裝置及3D 打印機(jī)外殼保護(hù)裝置達(dá)到紫外固化的目的。本設(shè)計(jì)可承受的壓力范圍大、流量范圍更廣，運(yùn)送液態(tài)材料的種類和粘度的適用范圍更大，且流量均勻連續(xù)、振動(dòng)小、噪音低。整體結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，易保養(yǎng)安裝維修。