洪騰蛟, 丁鳳娟, 孟凡盛，陳康迪，陳 豐

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100；2. 安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

洪騰蛟1, 丁鳳娟1, 孟凡盛1，陳康迪2，陳 豐1*

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100；2. 安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

針對(duì)3D打印機(jī)的使用成本高、打印效率低的弊端，提出3D打印機(jī)的低成本、多頭高效打印的生產(chǎn)模式。依據(jù)熔融沉積成型原理設(shè)計(jì)了多打印頭3D打印機(jī),并與單打印頭3D打印機(jī)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明據(jù)此設(shè)計(jì)的多頭3D打印機(jī)，能夠3～5倍提高工作效率和設(shè)備利用率，快速完成產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，為3D打印機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的高效快捷生產(chǎn)提供了研究方向。

3D打印機(jī)；快速成型；打印機(jī)設(shè)計(jì)；高效打印

3D打印(3D Printing)，屬于快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱RP)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電、教育、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，并已取得了諸多成就。大力發(fā)展3D打印技術(shù)已成為各界共識(shí)，并將其譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的引發(fā)劑，將會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)變革[1]。美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)相繼出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策，從政府層面推動(dòng)3D打印事業(yè)的前進(jìn)與發(fā)展。

從1986年第一臺(tái)3D打印機(jī)面世以來(lái)[2]，經(jīng)過(guò)30年的快速發(fā)展，各種高新技術(shù)的不斷融入，現(xiàn)已發(fā)展出了熔融沉積成型 (FDM)、數(shù)字光處理成型(DLP)、立體平板印刷成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)成型(SLS)[3]以及人體活細(xì)胞生物3D打印機(jī)[4]等多種類型。其中，熔融沉積成型 (FDM)3D 打印機(jī)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉和易于操作的人機(jī)界面等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了目前3D 打印機(jī)的主流市場(chǎng)[5]。但其也有著工作效率低、打印產(chǎn)品強(qiáng)度和表面質(zhì)量差等缺陷[6]?，F(xiàn)今大多通過(guò)高速打印和使用易于成型的材料來(lái)提高工作效率，對(duì)打印機(jī)結(jié)構(gòu)的研究較少。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探索和驗(yàn)證多頭FDM型3D打印機(jī)的可行性，以及對(duì)打印效率的影響。

1 多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)原理與數(shù)字化建模

1.1 原理簡(jiǎn)述

該多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)的多組打印頭并列位于X軸上[7]，工作步調(diào)一致，同啟同停，采用自下而上(bottom-up)逐層打印熔融沉積成型原理[8]，將多組打印頭內(nèi)的熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)打印頭沿模型截面輪廓和填充軌跡噴射至工作臺(tái)冷卻固化，層層堆積而得到實(shí)體產(chǎn)品。利用三維軟件繪制出三維模型，通過(guò)分層切片軟件將繪制好的三維模型切片處理成為若干個(gè)能夠控制打印頭運(yùn)行的二維平面數(shù)據(jù)，并設(shè)置好模型懸臂部位的打印支撐類型和模型的打印比例，將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)中，利用打印機(jī)芯片讀取該二維平面數(shù)據(jù)，同步驅(qū)動(dòng)多組打印頭的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行逐層堆積打印。每打印完一層，Z軸帶動(dòng)打印頭上升一定高度(即分層厚度，可通過(guò)切片軟件設(shè)置)，進(jìn)行下一層打印，以此類推，直至形成整個(gè)實(shí)體模型[9]。與傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造相比，3D打印(增材制造)具有節(jié)約性，同時(shí)也降低了制造工藝的復(fù)雜程度，具有較強(qiáng)的推廣實(shí)用性。

1.2 數(shù)字化建模

打印機(jī)采用工作穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔耐用的定梁式龍門(mén)架結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)軸選用高精度的滾珠絲杠副和高頻淬火的導(dǎo)軌傳動(dòng)，保證運(yùn)行精度和使用壽命；X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)行程均達(dá)到600 mm以上，面向工業(yè)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；各軸均采用步進(jìn)電機(jī)加編碼器驅(qū)動(dòng)，實(shí)行閉環(huán)控制，數(shù)字化設(shè)置運(yùn)動(dòng)量，適時(shí)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)偏差；先進(jìn)的可觸彩色TFT屏幕，擁有數(shù)顯和終端輸入功能。

該多頭3D打印機(jī)可根據(jù)產(chǎn)量要求適時(shí)增減打印頭數(shù)量，各打印頭與床身之間采用便于安裝和拆卸的卡槽結(jié)構(gòu)，便于逐個(gè)調(diào)平，多組打印頭可以同時(shí)工作，可以打印不同色澤的耗材，增加色彩多樣性，同時(shí)能夠成倍提高工作效率；采用遠(yuǎn)程送料模式，為打印頭的安裝與調(diào)試提供足夠的空間，有效避免擠出電機(jī)工作時(shí)的共振效應(yīng)；打印頭安裝支架上標(biāo)有刻度，便于調(diào)整打印頭的間距，無(wú)需借助于外界標(biāo)尺，減小累積誤差，提高調(diào)節(jié)精度。打印機(jī)整機(jī)圖和多頭布局圖見(jiàn)圖1。

a.多頭FDM型3D打印機(jī)整機(jī)圖

b.多頭FDM型3D打印機(jī)打印頭系統(tǒng)布局

圖1 多頭3D打印機(jī)數(shù)字化模型

Fig.1 The digital model of 3D Printer with a Multiple print head Fused Deposition Modeling

1.3 電氣控制系統(tǒng)硬件選型

電氣控制采用STM32微處理器，精準(zhǔn)控制打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)、溫控和進(jìn)給系統(tǒng)；傳動(dòng)軸使用輸出力矩為1.8 Nm的57BYG250C步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，TB6600驅(qū)動(dòng)器，3200細(xì)分?jǐn)?shù)；行程限位采用高靈敏度光電式感應(yīng)開(kāi)關(guān)；并將擠出電機(jī)信號(hào)線接口并聯(lián)，以保證多打印頭工作時(shí)的擠出量一致。主程序控制流程圖，參見(jiàn)圖2。

圖2 主程序控制流程圖

圖3 測(cè)試模型切片處理

2 測(cè)試模型構(gòu)建與打印

設(shè)置外形尺寸為50 mm×50 mm，高度為5 mm，中間開(kāi)有直徑Φ 20 mm通孔的正方形模型，對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研發(fā)的多頭3D打印機(jī)進(jìn)行打印效率和尺寸精度測(cè)試。采用Cura分層軟件對(duì)模型按照1 ∶1比例進(jìn)行切片處理，并將處理好的G代碼保存到SD卡中導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印。參見(jiàn)圖3。

本實(shí)驗(yàn)機(jī)型選用兩組打印頭同時(shí)打印，分別編號(hào)為3D001、3D002。并設(shè)置單頭3D打印機(jī)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，編號(hào)為3D003。實(shí)驗(yàn)選用1.75 mm±0.02 mm直徑粘滯性能較好的并可以生物降解材料聚乳酸(PLA)[10]按照表1參數(shù)設(shè)定進(jìn)行打印。

表1 參數(shù)設(shè)定

對(duì)比打印試驗(yàn)參見(jiàn)圖4。

a.多頭3D打印機(jī)打印測(cè)試

b.單頭3D打印機(jī)打印測(cè)試

圖4 對(duì)比試驗(yàn)

Fig.4 Comparative test

3 產(chǎn)品檢測(cè)

本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所選用多頭3D打印機(jī)和單頭3D打印機(jī)分別打印五組測(cè)試模型，通過(guò)對(duì)模型的外觀目視和觸摸檢測(cè),多頭3D打印機(jī)兩組打印頭所打印的模型表面階梯效應(yīng)i[11]明顯優(yōu)于單頭3D打印機(jī)打印的模型。使用得力牌0～130 mm游標(biāo)卡尺和上海恒量牌0～25 mm外徑千分尺對(duì)模型長(zhǎng)、寬、高、孔徑四個(gè)元素進(jìn)行尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果參見(jiàn)表2。

表2 尺寸檢測(cè)

圖5為各元素測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，由圖可知多頭3D打印機(jī)的兩組打印頭所打印的3D001號(hào)模型和3D002號(hào)模型的長(zhǎng)、寬、高、直徑的公差跳動(dòng)均在0.2 mm以內(nèi)，小于單頭3D打印機(jī)所打印的3D003號(hào)模型的0.4 mm，達(dá)到了FDM型3D打印機(jī)的較高水平，尺寸精度更高，更能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。由對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研發(fā)的多頭3D打印機(jī)的工作效率和設(shè)備利用率是單頭3D打印機(jī)的兩倍，且其生產(chǎn)的產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精度明顯優(yōu)于現(xiàn)今通用的單頭FDM型3D打印機(jī)。

圖5 各元素測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

Fig.5 Measurement data contrast of each element

4 結(jié)論

綜上所述，多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)可根據(jù)產(chǎn)量要求適時(shí)增減打印頭數(shù)量，考慮到機(jī)床X軸的尺寸與運(yùn)行空間限制，可增加3～5組打印頭，提高3～5倍打印效率，節(jié)省了大量時(shí)間，提高了設(shè)備利用率，適應(yīng)于不同批量的生產(chǎn)要求；可使用不同色澤線材，打印不同顏色的產(chǎn)品，增加色彩多樣性；多組打印頭之間的間距可根據(jù)打印頭安裝板上的刻度尺準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，不需使用外界測(cè)量工具，減少累積誤差。本文提出的多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)的研究思路，對(duì)提高3D打印機(jī)的工作效率具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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[2]信息時(shí)報(bào).全球第一臺(tái)3D打印機(jī)最早出現(xiàn)在1986年[EB/OL]. http://finance.takungpao.com/tech/q/2013/0705/1740353.html, 2013-07-05.

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(責(zé)任編輯：李孟良)

Design for 3D Printer of a Multiple Print Head Fused Deposition Modeling

HONG Teng-jiao1,DING Feng-juan1,MENG Fan-sheng1,CHEN Kang-di2,CHEN Feng1*

(1. College of Mechanical Engineering, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China)

The production pattern with low cost and high efficiency of 3 dimensions(3 D) printer was put forward to solve the present penalty of high cost and low efficiency. According to fused deposition molding, a multiple head 3 D printer was designed and compared with the single head one. The experimental results suggested that a multiple head 3 D printer could heighten work efficiency by three to five times, heighten more equipment performance and offer more quick copying than the single head, which provided a research direction for high-efficient and fast production in the industrial production of 3 D printer.

3D Printer; Rapid prototyping; Printer design; High efficiency to print

2016-05-23

安徽省教育廳省級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A080)；安徽科技學(xué)院自然科學(xué)一般項(xiàng)目(ZRC2014414)；安徽科技學(xué)院穩(wěn)定人才博士啟動(dòng)基金(LS0995)。

洪騰蛟(1988-)，男，安徽省合肥市人，在讀碩士研究生，主要從事機(jī)械技術(shù)研究。*通訊作者：陳豐，教授，E-mail:fengchen_12@126.com。

TP23

A

1673-8772(2016)06-0094-05