葛慶+汪崟

摘 要： 雖然FDM技術在3D打印機應用很廣泛，但是由于其本質的問題會影響擠出機構過熱而導致打印出的成品表面粗糙甚至精度出錯。為了解決此問題，研究一般的擠出機構的構造并在此基礎上設計一種3種擠出機構聯(lián)合使用的三噴嘴擠出機構。通過添加新的材料到擠出機構中緩解流體對通道內壁的粘度以及對有變相引起的局部過熱問題，優(yōu)化了3種不同擠出機構聯(lián)合排列使用的效果。通過實驗仿真得到了設計的擠出機構表現優(yōu)秀并且能夠滿足實際需求。

關鍵詞： 3D打印機； FDM技術； 三噴嘴擠出機構； 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0100?04

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們已經能從簡單打印到紙上的2D圖形進一步實現為立體的3D模型，其便利性無需多言。當壞掉的機器缺少零件，無需再去匹配尋找該零件，取而代之的是利用圖紙就能快速的打印出具有精確尺寸的零件；除了小型物件，房子，汽車飛機都能過通過3D打印機打印出來，為制造業(yè)提供了新的解決方案。其他典型的應用如產品批量制造，快速制造模具以及醫(yī)學領域等，3D打印均體現了相比于傳統(tǒng)制造業(yè)的巨大優(yōu)勢，價格低、出貨快速，極大地提高了經濟效益[1]。3D打印是快速成型設備。在現有的 3D 打印快速成型技術還面臨著諸多方面的瓶頸和探索，而當前能有效解決這些問題的方法就是熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術[2]。

1 FDM結構構成

FDM主要由5個部分構成[3]，包括噴頭、送絲機構、運動機構、加熱工作室、工作臺，如圖1所示。

其中，噴頭作為FDM的核心組成部分，關系到3D打印出的物件的質量好壞，主要作用是將其內部的固相材料加熱至熔融狀態(tài)，然后由相關機構將熔融狀態(tài)的物料從噴嘴擠出，擠出的材料按照切片數據層層粘結、固化，按照預定程序不斷地進行，最終獲得實體。在制造懸臂件時，懸臂部分由于無支撐易產生變形，為了避免懸臂部分變形情況的發(fā)生，需要添加支撐部分，這點與其他快速制造模型時有所不同[4]。當支撐與模型材料為同一種材料，可以采用單噴頭的形式，但現在多用兩個噴頭且相互之間獨立加熱的形式，各自用不同的材料制造零件和支撐，由于兩種材料的特性不同，制作完畢后更易進行后處理工作。本文對采用FDM技術中的3D打印機擠出機構中噴頭中存在的問題進行分析，并提出一種新的擠出機構的設計方案以解決該問題。

2 基于FDM技術的3D打印機擠出機構的優(yōu)化

設計

目前的基于FDM技術的擠出機構主要存在的問題是：由于熔融沉積式3D打印的噴頭是使用熱熔噴頭，因此會存在打印精度和材料噴出不均勻的缺陷[5]。在打印精度上，如圖2所示，噴頭在加熱時會由于熱漲而導致變形，這就直接導致了打印精度的降低從而造成打印出的物件在尺寸上有些許誤差。而對于噴涂材料不均勻的問題，物料在經過噴嘴時，由于中間部分受熱導致相變，而相變過程中進絲的壓力也會受到影響，導致物料之間出現不規(guī)則的空隙，甚至出現斷層。這些就會導致打印出來的物件表面粗糙不光滑，特別極端的情況下還會導致打印某些傾斜的表面時的“階梯效應”[6]。針對這問題，本文構建出了兩種擠出機構串聯(lián)使用的方法來解決這個問題，其單個部件的具體設計如下。

2.1 活塞式擠出機構的優(yōu)化設計

對于一般的活塞式擠出機構的主要零部件包括噴嘴、加熱棒、加熱鉛塊、加熱腔、喉管以及測溫電偶等部分。它的基本機理是采用以固態(tài)物料作為活塞，通過步進電機對物料進行輸送，熔體物料作為被推送的流體，將熔融態(tài)材料經由噴嘴擠出[7?8]。傳統(tǒng)的擠出機構中存在一定缺陷，就在于一般的物料熔融后具有一定的粘性，殘留的物料常會在流道及加熱腔內進行累積，最終也會導致整個擠出機構的堵塞，不僅影響打印質量而且也對機器本身有害。更值得注意的是，由于物料直徑小于喉管內徑，密封性差，容易出現流涎問題。為解決上面提出的這個問題，本文在擠出機構喉管內部插入鐵氟龍軟管對其進行優(yōu)化，其位置如圖3所示。鐵氟龍材料是一種具有耐高溫低溫的物理特性以及自潤滑性與表面不粘性等化學特性的優(yōu)質材料，因此在喉管內加入鐵氟化軟管可以保證物料過程的流暢性，使得擠出機構內材料的堆積、堵塞等問題得到有效解決。

另外，在設計過程中，除鐵氟龍軟管外，擠出機構各零部件均通過螺紋連接的方式彼此連接，構成擠出機構整體?？紤]到流道、加熱腔的尺寸問題，在以尺寸小型化為目的的基礎上，初選喉管與噴嘴的螺紋尺寸為6 mm，喉管選用材料為碳鋼，其抗拉強度值為5 MPa，噴嘴材料的選料為銅，其抗拉強度可以表示為σ1，現在再對所涉及的螺紋連接部分進行強度計算，由于選用的兩相步進電機在滿載情況的扭矩為7.8 kg·m，且存在送死摩擦輪的齒頂圓直徑為10 mm。那么可以計算得到抽送物料所需要的最小拉力為F=65 N。由于推送與抽送都需要通過送絲摩擦輪才能實現，這種情況下，物料受到大小為65 N的推力向噴嘴移動。由于鐵氟龍軟管具有自潤滑性，那么在擠出機構內部的成型材料以及流道、加熱腔壁面不會發(fā)生摩擦行為。

而在物料作用下，螺紋部分所受的拉力可以表示為F1=65 N；并通過材料固有的拉伸強度與流體模型方程得出結論，添加的鐵氟龍軟管在喉管以及噴嘴部分的強度均能滿足螺紋連接強度的標準要求。

2.2 滑片泵式擠出機構的優(yōu)化設計

通過研究3D打印中滑片泵式擠出機構的相關資料發(fā)現滑片式自吸聚也具備很多的優(yōu)點，它的結構相比柱塞式的擠出機構而言更加緊湊，而且整體外形尺寸較小，運轉平穩(wěn)、脈動及噪聲較小，工作時流量較為均勻，其效率相對于一般齒輪泵的效率而言也比較高[9?10]。

根據滑片式自吸泵的優(yōu)點以及它的基本工作原理，本文在其基礎上設計了滑片式擠出機構，其大致工作原理和一般的滑片式自吸泵相類似。通過利用傳動軸帶動轉子的方式，使轉子來帶動葉片實現葉輪轉動，轉子偏心放置在泵體腔內存在的正負壓差從而實現自吸。并且，葉片通過彈黃與轉子連接的方式可以實現復位，而利用轉子使葉片頂端時刻與定子圈接觸，通過葉片帶動流體可以實現傳輸和穩(wěn)定流速流量的功能。

根據機器空轉狀態(tài)時出絲的長度可以估算通道的流量范圍為0.001～0.09 mL/s，通過多次實驗獲取相關的原始數據來設計泵體的尺寸大小。

由于噴口所需求的物料流量很小且對泵的流量的穩(wěn)定性也有很高的要求，因此，選用內表面為等加速等減速曲面。并且根據相應的滑片泵計算的公式來對滑片泵的尺寸大小進行科學的設計。其具體參數如下，根據計算數據，設計的滑片泵腔內曲面示意圖如圖4所示，流量計算公式為：

[Q=160πbnηpvR2-r2] （1）

式中：n為步進電機轉速；b為寬度；[η]為容積效率；R為泵體內部的曲線最大圓弧半徑，如圖4中的CD段所示，r為泵體內部曲線的最小圓半徑，如圖4中AB段所示。

由于一般的擠出機構所需要的流量都比較少，因此，原動機必須配備一個減速器來限制和降低轉子轉速。綜合加工能力與加工精度方面以及體積小型化方面的因素，一般而言，選取定子直徑為D=20 mm，轉子轉速為n=60 r/min，流量q=0.09 mL/s。當考慮到流量脈動的問題時，葉片數量Z=15，葉片寬度b=8 mm。綜合上述所有的參數代入式（1）進行計算，最終可以得出各部分尺寸參數，滑片擠出機構的設計參數如表1所示。

2.3 柱塞泵式擠出機構優(yōu)化設計

柱塞泵式擠出機構的主體部分為以斜盤式柱塞泵[11]為原型設計的。

柱塞泵的主要缸體部分作為轉子，經由傳動齒輪帶動做單向的旋轉，其柱塞位于油腔內部并與缸體同時轉動。值得注意的是，柱塞非油壓端面的球狀關節(jié)是與滑靴以鉸接的形式進行連接的，它可以在滑靴上做繞軸運動。并且在接觸點和缸體端面軸向距離會發(fā)生變化的情況下，可以使得柱塞進行往復運動，從而達到改變油腔體積的目的來實現吸油和排油的過程。本文根據這種運動的原理以及方式來對柱塞泵式擠出機構里面的擠出泵進行優(yōu)化設計[12]。

對于柱塞泵的排列[qb]，即全部柱塞腔所排出的油液的體積存在：

[qb=FZSmaxZ=π4d2ZSmaxZ] （2）

式中：[dZ]為柱塞的外徑；[FZ]為柱塞的橫截面積；[Smax]為柱塞可實現的最大行程；Z為柱塞數目。通過泵缸體轉速60 r/min，柱塞最大行程[Smax]為2 mm代入式（2）進行求解，可以得到柱塞外徑[dZ=5.35]mm。通過這些參數可以設計出符合容積要求的柱塞泵式擠出機構。

2.4 三種擠出機構的組合方案設計

在本文設計的3個獨立的小擠出機構之后，本文進一步通過對三種擠出機構進行有效排列來提高它們之間協(xié)同工作的效率。本文中利用三種擠出機構在不同方面的表現性能不同的特點，將活塞式擠出機構和滑片泵式擠出機構以及柱塞泵式擠出機構進行并列組合形成三噴嘴擠出機構的設計。

其原因在于：對于活塞式擠出機構，其優(yōu)點是控制精度較低且整體質量小，加工的精度與難度都較低，但是缺點是物料受熱不均勻且排量不穩(wěn)定，易于出現流涎和溢出的問題；對于滑片泵式擠出機構以及泵式擠出機構而言，其共同優(yōu)點是物料的受熱均勻且排量穩(wěn)定，能夠有效緩解流涎和溢出，柱塞泵式擠出機構還有能夠穩(wěn)定整個通道內物料流動速率的優(yōu)點，而相同的缺點則是加工精度與難度較高且控制精度要求也高。發(fā)現兩者的優(yōu)缺點恰好能夠互補，因此提出了三個擠出機構組合一起的三噴嘴擠出機構的設計。兩者通過圖5中的并聯(lián)形式形成三噴嘴擠出機構。

3 實驗仿真

為了能夠有效驗證本文設計的擠出結構的效果，通過利用FLUENT軟件對所設計的擠出機構的模型中內部流體速度和溫度場進行分析，并將所得到的數據結果、圖譜結果與現有3D打印機中對應的實際參數進行比對，驗證所設計擠出機構可行性，為下一步控制程序的開發(fā)以及機械加工提供參考依據。通過仿真器可以得到如圖6所示的擠出機構分別在初始狀態(tài)和加熱狀態(tài)中的溫度分布圖。

由圖6可知，初始時，擠出機構各部分均為室溫，溫度300 K（26.85 ℃），經過加熱，溫度穩(wěn)定后，加熱塊、噴嘴溫度均穩(wěn)定在304 K（30.85 ℃），符合ABS物料煉熔的要求。在散熱系統(tǒng)的作用下，喉管露出部分平均溫度為340 K（約67 ℃），散熱效果較好。

而由圖6（b）可以得到，設計的擠出機構加熱部分溫度分布比較均勻，這將保證物料在加熱腔體內部能夠均勻受熱，熔融物料品質巧?，F有的3D打印機，當成型材料為ABS時，其擠出機構加熱部分默認工作溫度為30 ℃，而所設計的擠出機構，其加熱部分溫度穩(wěn)定在30.85 ℃，與現有擠出機構加熱部分工作時溫度基本一致。

圖7為使用設計的擠出機構內部的流域部分流速分布云圖。為了方便用作分析，將流道內的熔融物料流動簡化為管道內粘性流體流動的問題進行分析。通過對比圖7（a）和圖7（b）可得到，靠近壁面熔融物料因為受自身粘性的影響較小，其流動的速度很快，而流體內部因為粗性作用導致流速較慢，但軸向各部分流速穩(wěn)定，不存在滯后問題。通過應用現有產品測試，其流速應該穩(wěn)定在0.09 mL/s以內比較可觀。由圖7（b）可知，當設計的擠出機構穩(wěn)定工作時，內部流域流速最大值約為0.067 mL/s，穩(wěn)定后流速約為0.062 mL/s，符合流速要求。因此，可以得出結論：設計的擠出機構在工作時，其熔融物料流動穩(wěn)定，流速與實際要求相吻合，可以滿足正常工作需要。

而對于物料在流道內的溫度分布狀態(tài)如圖8所示，分別為初始狀態(tài)下和擠出機構在內部穩(wěn)定工作時的溫度場分布圖。通過圖8（a）可以知道，物料的溫度分布狀況同擠出機構內部的溫度狀況分布一致。結合圖8（b）可知，加熱腔部分和噴嘴部分的溫度較高外，其他的部分溫度都較低且未能達到熔融所需要的溫度，即低于500 K。因此，物料不會在喉管中熔融，從而避免了喉管堵塞的問題。在正常工作的時候，ABS的加熱溫度需要在240 ℃以內才能夠避免材料變形，而從圖8中可知，當加熱裝置正常工作時，ABS材料的溫度可以穩(wěn)定在226.8 ℃以下，是符合對材料的溫度要求的。所以，可以得出結論，擠出機構整體的加熱部分能夠滿足實際3D打印過程中的溫度分布需求，既不會影響到物料的熔融，也不會由于出口溫度過高而導致成品材料的變形。