管道內壁3D打印機研究

楊鋒 盧艷 王麗 金禮舒

摘 要： 3D打印技術已取得長足的發展，可以用于實體構件的打印，基于此原理研究出一種能夠對管道內壁進行3D打印的打印機。

關鍵詞： 管道內壁;3D打印;增材制造

1 技術研究背景

3D打印技術利用紙層疊、光固化等技術，它與普通打印的原理相同，通過打印機內部的打印材料，按照相關控制程序打印出實體的結構件。目前，3D打印技術已普遍用于工程制造，尤其是對于非批量制造的產品，3D打印在醫學上也有普遍的應用，可以3D打印人體的牙齒和關節等。南通理工學院3D打印技術研究所依托于增材制造實驗室，成立于2015年9月，主要研究三維數字化建模，3D打印材料、成型工藝及裝備的研發。在成立初期，我們采購了大量的3D打印設備，包括個人級打印設備、專業級打印設備，甚至一臺工業級光固化3D打印設備，在發展過程中已成為江蘇省設備較先進的3D打印中心。除了購買設備外，我們也希望能自主研發一些具有特色的新型3D打印設備，我們在研究過程中發現，現有的打印機，基本上都是對一個平面物體作為基材進行打印的傳統打印機，而對管道內壁等特殊部位進行打印的非傳統打印機很少，故我們研究了一款用于管道內壁的非傳統打印機，該技術已申報發明和實用新型專利，實用新型專利已授權，發明專利已進入實質審查階段[1][2]。該技術一方面可以有一定的應用前景，另一方面也是對傳統3D打印技術的補充，可以開拓學生的思路，起到更好地培養人才的作用。

2 管道內壁3D打印的優勢及機構的行走

管狀物是一種常見的結構，典型結構是管道。讓管道內壁呈現出一定的花紋可以使其更生動，普通的運輸用的管道是不用雕刻的，但一些用于展示的管道則需要雕刻，如肝內管道模型，為了使其更生動，需要在管道內雕刻成實際膽管形狀并涂色[3]，使用3D打印技術也可實現管道內壁產生圖案的功能，而且不用涂色，直接使用所需顏色的3D打印材料進行打印即可。3D打印相對雕刻來說還有一個好處是即使對于很薄的管道也適用，因為雕刻屬于減材制造，對于很薄的管道難以進行有效的處理，會使管道過薄影響強度甚至穿孔，而3D打印屬于增材制造，不會出現這類問題。3D打印還有一個好處是可以在管道內壁打印一些附屬結構，如安裝掛鉤，對于很長的管道直接安裝比較困難，而隨著3D打印技術的成熟打印一個則較為容易。要對管道內壁進行有效的3D打印，需要打印機能夠在管道內壁行走，而管道內壁行走裝置市場上有很多，而且幾乎什么規格的都有，故沒有必要專門制造，可以從市場上購買現成的管道內壁行走裝置進行改裝，以節約成本。能夠在管道內壁行走的行走機構由3個的支架組成，3個直接連接在中間一根中心桿上，每個支架與其余兩個支架的角度均為120°，支架的末端連有2個輪子。市場上的行走機構有兩種，一種本身沒有動力，無法直接行走，需要有人拿著一根繩子在外面拉著;另一種可以主動行走，行走甚至可以受單片機控制，末端的滾輪包括主動輪和從動輪，主動輪與電機連接，受電機驅動，從動輪負責支撐。管道內壁3D打印機應該選用能夠在管道內壁自動行走的，因為3D打印對精度有一定的要求，如果用手工拉動，精度無法保證。

3 管道內壁3D打印機研究

管道內壁3D打印機選用合適的管道內壁行走裝置后，需要在行走裝置的前端安裝3D打印裝置，打印裝置安裝在行走機構的中心桿上，與中心桿直接相連的是一個電機，電機軸從側面伸出一個垂直于電機軸的伸縮桿，電機控制伸縮桿沿著管道內壁做圓周運動，而管道內壁行走裝置控制管道內壁3D打印機在管道內壁進行軸向運動。伸縮桿的頂部安裝有3D打印頭，3D打印頭可以對管道內壁進行3D打印。通過行走裝置的軸向運動和伸縮桿的圓周運動，可以讓3D打印頭移動到管道內壁的任何一個位置并進行3D打印，之所以要設置成伸縮桿是因為在管道內壁打印出的圖形是立體的。3D打印機示意圖如下圖所示。

管道內壁3D打印機

3D打印機的打印方法有很多種，作用在管道內壁用送絲式的3D打印方法比較好，將3D打印材料制成打印絲，再通過送絲裝置將3D打印材料源源不斷地送至3D打印頭中，因為對管道內壁進行3D打印時需要3D打印頭做360°轉動，所以像光固化這種依賴于重力的3D打印方法無法正常使用。為了保證送絲方便，需要在管道內壁行走機構的中心設置用于繞絲的線圈，將3D打印絲纏繞在線圈上，通過放線裝置來實現供絲，否則打印絲容易攪進行走機構并影響打印機的行走。

對管道內壁進行3D打印時需要保證打印的精度，而如果主動輪在管道內壁行走時打滑則打印精度無法保證，防止主動輪打滑有兩種辦法，一種是在主動輪外側安裝防滑橡膠，但這種辦法只能減緩打滑，不一定能完全防止打滑;另一種方法是在3D打印機遠離3D打印頭的端部安裝激光測距儀，激光測距儀正對著獨立設置的激光測距儀擋板。管道內壁3D打印機在管道內壁移動時，它的相對位置會發生改變，激光測距儀與激光測距儀擋板的距離也會發生改變，故通過控制激光測距儀與激光測距儀擋板的距離就可以實現管道內壁3D打印機對管道內壁的精確打印，但激光測距儀的精度必須要滿足要求。

4 結語

管道內壁的3D打印是對打印技術的新的構想，它破除了傳統的3D打印方式，是一種創新。

參考文獻：

[1]楊鋒，姜杰，林盛昌，等.一種管道內壁3D打印機[P].中國專利：201821966126.4，2019-06-25.

[2]楊鋒，姜杰，林盛昌，等.一種管道內壁3D打印機[P].中國專利：201811426030.3，2019-02-15.

[3]湯陳琪，羅小龍，呂潤瀟，等.一種制作肝內管道標本的雕刻涂色法[J].四川解剖學雜志，2013，021（002）：77-79.

基金項目： 南通理工學院中青年科研骨干培養計劃（ZQNGG312）

作者簡介： 楊鋒（1983—），男，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向為金屬表面處理與腐蝕防護、重工業、高等教育。