无断料3D打印机的结构设计与创新

2020-06-06祝国庆王海宇朱芝俊张海录

黑龙江科学 2020年10期

关键词：挤出机限位融化

祝国庆，王海宇，朱芝俊，张海录

(黑龙江科技大学机械工程学院，哈尔滨 150022)

随着科技的不断发展，3D打印技术也逐渐成熟起来。作为现代化机械设备之一，3D打印技术日新月异，不仅推动了新材料、新技术、新工艺的发展，而且还创新了各种功能。

1 无断料3D打印机装置的设计背景

1.1 3D打印机的发展背景

随着科技的发展与进步，如今，工作和生活中很多方面都离不开打印机，因此，打印机的不断改进已成为科技发展的一个重要方面。3D打印机(FDM)是由一定的打印原料加热融化、随后在一定条件下变为成品。打印过程中，材料不足时存在打印中断问题；材料快要耗尽时需要人为更换材料浪费时间；打印材料不足以打印成成品。根据人们在工作和生活中对3D打印机的要求，需要研究和设计出一种省时、精确换材、无断料的3D打印机，以此解决以上存在的问题。

1.2 3D打印机在国内外的发展前景

1.2.1 国际上的发展情况

经过多年的探索，打印技术在国际上有了飞速发展。目前，已经可以在0.01 mm的层厚上打印，并且可以形成24位色彩打印。在世界3D打印机行业中，USA的3D Systems与Stratasys两家集团的产品占有大部分市场份额。其中，3D Systems企业的实力最强，基本上代表了3D打印技术当下的技术水准和以后的发展方向，其还可以为专业人士及相应消费者提供3D打印系统。在西方发达国家，3D打印技术早就开始了商业模式，如在消耗电子产品业、宇航业和汽车建造业等领域，3D打印技术可以以较小的成本、较高的效率产出少量的特定构件，从而完成复杂而精准的组装。如今，各国3D打印机制作行业均处在急剧的购买与合并过程中，行业巨擎正快速崛起。

1.2.2 国内的发展情况

近年来，我国开始主动研发3D打印技术。国内快速成型技术的研发工作始于20世纪80年代末，在时间点上和国际上保持一致，已经形成了北航、华中科大、西安交大、清华大学四大研发中心，在科研水平上已经达到了国际一流水准。五道口在今代成型学说、分层实体制作、FDMT艺等方向拥有很好的科学研究方向。在分层实体制作工艺方向上，华中科大有不俗的成绩，并已公布了HRP系列成形机器和成型材料。

当前，国内拥有3D打印设备进行贸易运作的实业公司有：光韵达、金运激光、中航重机等，这些集团基本形成了3D打印机的集体制作与出售团队。但是，由于我国近年才引入3D打印技术，与发达国家相比较，还有很大差距，主要体现在技术和市场应用方面，研发水平不高，与市场衔接度较低，目前还未产生较大的经济效益。有专家预测，打开市场后，2020年，我国的打印市场有望突破2000亿元，前景无限广阔。

2 无断料3D打印机

2.1 无断料3D打印机的结构设计

由图1可见，知限位开关(1)、(1′)和挤出机连接在一起，挤出机(4)、(4′)由压力调节(2)、(2′)和主力支架(3)、(3′)构成，挤出机和步进电机(5)、(5′)铰链在一起，使材料在输料管(6)、(6′)中运输，经过三向转接头(7)，通过喉管到达(8)中的加热块加热融化，经过外面的散热扇散热，在喷嘴处挤出来，在步进电机和螺丝杠杆(11)、(11′)(控制X轴、Z轴既左右和上下的运动)和热床(9)(在Y轴既前后移动)的运行下，最终在热床(9)上成型，3D打印机的整体效果在(10)的固定下保持稳定状态。

图1 无断料3D打印机结构Fig.1 Structure of continuous feeding 3D printer device

2.2 无断料3D打印机装置的工作过程

插通电源，输入需打印的文件信息，在步进电机和挤出机的作用下，打印材料从左边的限位开关进入，随后进入输料管中，经过三向输料管进入竖直方向的输料管，之后，在(8)处的加热块处加热融化，并在风扇和散热管的作用下散热以防损坏，随后在喷嘴处挤出融化的线条，在步进电机和螺丝杠杆的控制下，完成三维打印。若在打印途中，打印材料缺失，此时限位开关(1)不被材料挤压从而发出信号。设此时限位开关到挤出机底部的距离为X，由cura上的挤出速度V计算T：

主板接收到信号后，在T时间内启动步进电机(2′)，随后把打印材料送入输料管(6′)中继续打印，最终完成模型打印。

3 无断料3D打印机装置的创新点

此装置在原3D打印机的基础上，新增加了一对限位开关、一个步进电机和挤出机。当需要打印一个比较大的物件、并且现有打印机上剩余材料不足的时候，可以充分利用剩余的材料继续打印。另外，在打印过程中，若出现打印材料缺失、管理人员不在现场(不能手动送料)、模型紧急需要的情况下，此装置的出现解决了这一困难，并且可以连续打印耗材量较大的模型，且操作简单，打印机可自动处理。