王大成

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

在現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝的支撐下，早期的2D 打印圖形已在科技研究中逐步實(shí)現(xiàn)向3D 模型遞進(jìn)。在當(dāng)下的科研成果中，基于FDM的擠出機(jī)構(gòu)在使用中存在的不足總結(jié)如下：使用FDM技術(shù)使用的熱熔噴頭造成噴出材料存在不均勻，直接造成噴射打印成果精度低。同時(shí)，噴頭在使用中由于噴頭受熱發(fā)生膨脹導(dǎo)致變形，直接導(dǎo)致打印的物體結(jié)構(gòu)與預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)尺寸方面的誤差。物料由于受熱不均勻出現(xiàn)中間位置的相變，進(jìn)絲壓力也將發(fā)生不規(guī)則變化，甚至?xí)勾蛴〉某晒霈F(xiàn)內(nèi)部孔隙、表面斷層等問題，針對(duì)上述問題，倘若不及時(shí)采取措施進(jìn)行規(guī)避與解決，會(huì)造成擠出材料生成物體的表面具有粗糙缺陷，打印成果表層將出現(xiàn)“階梯效應(yīng)”。綜上所述，有必要采取措施，基于難熔材料FDM工藝角度，進(jìn)行擠出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于難熔材料FDM 工藝的擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在加工制造過程中，由于采用熔融沉浸式的3D 打印技術(shù)制作的噴頭在使用時(shí)是采用熱熔方式加熱，因此無論是在打印精度上，還是在材料配出的均勻情況上都無法滿足實(shí)際擠出機(jī)構(gòu)生產(chǎn)工藝的需要[1]。圖1、2 分別為擠出機(jī)構(gòu)生產(chǎn)加工過程中受熱前后變形示意圖。

圖1 擠出機(jī)構(gòu)生產(chǎn)加工過程中受熱前變形示意圖

從圖1、圖2 中結(jié)構(gòu)對(duì)比可以看出，在加工精度上，噴頭位置在加熱的過程中會(huì)由于熱脹而出現(xiàn)嚴(yán)重的變形現(xiàn)象，造成最終打印精度降低[2]。同時(shí)，由于在相變過程中會(huì)受到壓力的影響，因此會(huì)造成物料之間出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而造成斷層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[3]?；谏鲜鰝鹘y(tǒng)擠出機(jī)構(gòu)工藝存在問題，本文提出三種不同基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，并分別對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

圖2 擠出機(jī)構(gòu)生產(chǎn)加工過程中受熱后變形示意圖

1.1 活塞式擠出機(jī)構(gòu)

基于上述存在問題，針對(duì)活塞式的擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下。這一類型的擠出機(jī)構(gòu)零部件主要包括噴嘴結(jié)構(gòu)、加熱裝置、加熱腔、測(cè)溫電偶等部分。在實(shí)際運(yùn)行過程中，這種類型機(jī)構(gòu)的工作原理是將固態(tài)物料作為其活塞結(jié)構(gòu)，利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)物料進(jìn)行傳輸，并將能夠?qū)崿F(xiàn)熔解的材料作為流體推送到擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部，并將材料從噴嘴位置上擠出[4]。選用的物料通常在熔融之后產(chǎn)生了一定粘性，這一部分材料若殘留在擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部，則會(huì)發(fā)生快速的累計(jì)，并最終造成整個(gè)擠出機(jī)構(gòu)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[5]。針對(duì)這一問題，在對(duì)該類型擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，也應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮材料粘性問題以及殘留材料堆積位置結(jié)構(gòu)的問題。

結(jié)合上述分析，在明確優(yōu)化重點(diǎn)目標(biāo)后，嘗試在該類型機(jī)構(gòu)上的喉管位置增加鐵氟龍材料軟管的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[6]。這種軟管材料在實(shí)際應(yīng)用中具有耐高溫和耐低溫的優(yōu)勢(shì)，并且這種材料本身不具備粘性，因此將該材料應(yīng)用到擠出機(jī)構(gòu)的喉管當(dāng)中能夠有效解決材料堵塞的問題。

1.2 滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)

再針對(duì)滑片泵式擠出機(jī)構(gòu)的應(yīng)用缺陷問題進(jìn)行優(yōu)化，這種類型的擠出機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中與上一種類型相比具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、脈動(dòng)及噪聲小的優(yōu)勢(shì)，并且與一般齒輪泵相比，其運(yùn)行效率更高。根據(jù)這種擠出機(jī)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過利用機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，以此能夠?qū)崿F(xiàn)葉輪的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，這種類型的擠出機(jī)構(gòu)存在物料流量較小的問題，并且泵的流量穩(wěn)定性也需要進(jìn)一步提升。因此，針對(duì)這一問題，結(jié)合滑片泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的流量公式，對(duì)該機(jī)構(gòu)中滑片泵的尺寸大小確定?；玫牧髁坑?jì)算公式為：

公式（1）中，Q 為滑片泵的流量；b 為滑片泵寬度；n 為擠出機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度；η 為容積；L 為滑片泵內(nèi)部圓弧最大半徑；l 為滑片泵內(nèi)部圓弧最小半徑。圖3 為滑片泵擠出機(jī)構(gòu)腔結(jié)構(gòu)曲面結(jié)構(gòu)圖。

圖3 滑片泵擠出機(jī)構(gòu)腔結(jié)構(gòu)曲面結(jié)構(gòu)圖

圖3 中，AB 點(diǎn)連接的線段為滑片泵內(nèi)部圓弧最小半徑；CD點(diǎn)連接的線段為滑片泵內(nèi)部圓弧最大半徑。通常情況下擠出機(jī)構(gòu)需要的流量較少，因此為滿足運(yùn)行需要，在上述優(yōu)化機(jī)構(gòu)當(dāng)中引入一個(gè)減速裝置，用于限制并降低轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度。考慮到一般工藝加工需要，在打印過程中，將擠出機(jī)構(gòu)的定子直徑設(shè)置為18.5mm，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)置為55r/min，將流量大小設(shè)置為0.09，進(jìn)一步推算得出機(jī)構(gòu)中滑片泵葉片數(shù)量應(yīng)為14個(gè)，每個(gè)葉片結(jié)構(gòu)的寬度應(yīng)為7.5mm。

1.3 柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)

在對(duì)柱塞泵式擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮柱塞泵的排列問題，以及其與柱塞腔結(jié)構(gòu)中油液體積的關(guān)系，如公式（2）所示。

公式（2）中，q 為柱塞腔的排列；F 為柱塞結(jié)構(gòu)橫截面面積；Smax為柱塞結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的最大行程；Z 為柱塞泵中的柱塞數(shù)量。根據(jù)上述公式（2）可計(jì)算求出符合容積需要的柱塞泵，進(jìn)而確定擠出機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種類型的擠出機(jī)構(gòu)球狀關(guān)節(jié)與滑靴之間通常是采用鉸接的方式進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)在滑靴上的繞軸協(xié)調(diào)運(yùn)作。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，通過距離上的變化實(shí)現(xiàn)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過油腔當(dāng)中體積不斷變化的方式實(shí)現(xiàn)吸油與排油動(dòng)作的產(chǎn)生，達(dá)到機(jī)構(gòu)運(yùn)行目的。

1.4 基于難熔材料FDM工藝的三種擠出機(jī)構(gòu)組合

根據(jù)上述論述，完成對(duì)三種類型的擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，為了進(jìn)一步提高擠出機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效率，并實(shí)現(xiàn)三種擠出機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作，引入難熔材料FDM工藝對(duì)三種擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。圖4 為難熔材料FDM工藝基本裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖4 難熔材料FDM 工藝基本裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 中，A 為裝置模型材料的噴嘴結(jié)構(gòu)；B 為模型主體；C為裝置底部支撐結(jié)構(gòu)；D 為可升降工作平臺(tái)；E 為送絲機(jī)構(gòu)；F為加熱裝置；G 為支持材料噴嘴結(jié)構(gòu)。噴頭結(jié)構(gòu)是FDM工藝的核心，直接關(guān)系到打印質(zhì)量是否能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中可將其顳部的固相材料加熱到熔融狀態(tài)，再通過擠出機(jī)構(gòu)將材料擠出，通過預(yù)定程序進(jìn)行不斷擠出，最終得到所需實(shí)體。在引入圖4 所示的裝置后，將上述三種擠出機(jī)構(gòu)組合成為一個(gè)三噴嘴形式的機(jī)構(gòu)。將該機(jī)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印精度的有效控制，并且進(jìn)一步降低加工的難度。

2 擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)化效果

實(shí)現(xiàn)中要先進(jìn)行生產(chǎn)構(gòu)件的選擇或設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的構(gòu)件不僅要滿足實(shí)驗(yàn)需要，還需要具備較高的經(jīng)濟(jì)性與易于測(cè)量性。此次實(shí)驗(yàn)評(píng)估優(yōu)化后的擠出機(jī)構(gòu)是否能在使用中實(shí)現(xiàn)對(duì)成型構(gòu)件不同方位尺寸精度的提升，并確定對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)件可能造成影響的多個(gè)顯著性因子。

一般情況下，構(gòu)件的成型方向是由X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸確定，在確定實(shí)驗(yàn)構(gòu)件在三個(gè)不同方向上的精準(zhǔn)尺寸后，即可將物料放在擠出機(jī)構(gòu)的進(jìn)入口進(jìn)行擠出成型設(shè)計(jì)。此次實(shí)驗(yàn)為了方便操作、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本與操作時(shí)間，直接選擇一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=10.0mm×50.0mm×5.0mm 的長(zhǎng)方體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。對(duì)應(yīng)構(gòu)件的三維實(shí)體化圖像需要使用PROE 軟件繪制并生成，將生成后的三維圖像在計(jì)算機(jī)終端轉(zhuǎn)換成STL 文件，并按照預(yù)設(shè)的尺寸進(jìn)行FDM控制軟件參數(shù)的調(diào)整與加工設(shè)計(jì)。所選實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及其放置方位見圖5。

圖5 所選實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及其放置方位

按照上述圖5 所示的方式，進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)件的擺放，考慮到擠出機(jī)構(gòu)成型室內(nèi)的溫度可能存在不均勻的問題，而在不同位置上加工成型的構(gòu)件可能存在尺寸方面的誤差，為了避免或消除此種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的影響，需要在每次成型實(shí)驗(yàn)中，將構(gòu)件擺放在一個(gè)相同的位置。

實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，選擇九個(gè)可控因子作為影響因子，對(duì)應(yīng)的因子與參數(shù)設(shè)計(jì)為：ABS 物料、勾勒構(gòu)件邊緣輪廓的線條寬度為0.25mm、擠出機(jī)構(gòu)噴嘴直徑為0.30mm、設(shè)計(jì)構(gòu)件外形的掃描次數(shù)為1.0、物料填充的角度在35.0°～130.0°之間、成型室內(nèi)部作業(yè)溫度預(yù)設(shè)60.0℃、擠出機(jī)構(gòu)主噴嘴溫度預(yù)設(shè)232.0℃、擠出機(jī)構(gòu)副噴嘴溫度預(yù)設(shè)230.0℃。

按照上述預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后擠出機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)構(gòu)件在X、Y、Z 三個(gè)方向的尺寸精度誤差為△C、△K、△G。按照上述圖5 所示的構(gòu)件尺寸，使用優(yōu)化后的擠出機(jī)構(gòu)，與未優(yōu)化的擠出結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件的隨機(jī)生成，每個(gè)機(jī)構(gòu)隨機(jī)生成的數(shù)量為10.0 個(gè)。完成對(duì)構(gòu)件的加工設(shè)計(jì)后，將生成的成果放置在干燥通風(fēng)的環(huán)境中，將其靜置24.0 個(gè)小時(shí)，確保擠出機(jī)構(gòu)生成的構(gòu)件完全成型后，使用精密的測(cè)量尺，對(duì)每個(gè)構(gòu)件在X、Y、Z 三個(gè)方面上的尺寸進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)構(gòu)件測(cè)量三次，并對(duì)三次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行求取平均值的計(jì)算。對(duì)比測(cè)量結(jié)果與上述圖5 中預(yù)設(shè)的構(gòu)件尺寸，計(jì)算三個(gè)方向的尺寸精度誤差△C、△K、△G，將誤差結(jié)果進(jìn)行整理后繪制成折線圖，見圖6。

圖6 擠出機(jī)構(gòu)生成構(gòu)件尺寸精度誤差對(duì)比結(jié)果

根據(jù)上述圖6 可以較為直觀地看出，優(yōu)化后的擠出機(jī)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)將生成構(gòu)件在X、Y、Z 三個(gè)方面上的尺寸精度誤差△C、△K、△G 控制在一個(gè)相對(duì)較低的水平。反觀優(yōu)化前的擠出機(jī)構(gòu)，生成的構(gòu)件在X、Y、Z 三個(gè)方面上的尺寸精度誤差△C、△K、△G 數(shù)值相對(duì)較大，由此可見，本文此次研究設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，可以起到構(gòu)件尺寸精度的作用。

3 結(jié)論

本文研究從不同方面，進(jìn)行了基于難熔材料FDM工藝的擠出機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了本文此次研究部設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，可以起到構(gòu)件尺寸精度的作用。但要在真正意義上對(duì)此方法的使用在市場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行推廣，還需要在后續(xù)的研究中，基于仿真角度，進(jìn)行不同物料在擠出機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的研究。并設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)形式的物體構(gòu)件，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)生成應(yīng)用。雖然本次研究提出了多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，但此次研究由于時(shí)間受到限制，未能實(shí)現(xiàn)從多個(gè)角度進(jìn)行成果的考察，因此，在我院進(jìn)一步的科研中，還會(huì)將此項(xiàng)目作為科學(xué)研究的重點(diǎn)，從多個(gè)角度對(duì)此次設(shè)計(jì)成果進(jìn)行優(yōu)化，為我國(guó)3D打印成型技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)層面的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代化研究成果的優(yōu)化。