一種液體堆積固化3D打印機(jī)1*

馬博 代丹丹 曹長(zhǎng)虹 湯寶鑫

（新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023）

一、引言

由于現(xiàn)有熔融擠出式3D打印技術(shù)存在生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品表面分層明顯不美觀，層間結(jié)合力小強(qiáng)度低等問(wèn)題，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量通常還需后處理，但這樣一來(lái)不但增加了成本同時(shí)也提高了廢品率。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種液體堆積固化3D打印方案，液體材料以擠壓的方式直接擠出堆積固化成型跳過(guò)了熱熔步驟，這樣一來(lái)不僅提高了效率，產(chǎn)品表面分層得以改善，同時(shí)由于不存在逐層凝結(jié)導(dǎo)致的結(jié)合力過(guò)小的現(xiàn)象，所以產(chǎn)品強(qiáng)度會(huì)有較大的提升，這也是本方案的最大優(yōu)點(diǎn)。

液體材料堆積擠出裝置通過(guò)3D打印的方法生成，擠出驅(qū)動(dòng)力由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。前期實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化，后期實(shí)驗(yàn)主要完成配套控制系統(tǒng)對(duì)于液體材料擠出速度的優(yōu)化。雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu)，但生成產(chǎn)品形體的打印機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒(méi)有改變，非但不會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸，同時(shí)還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

二、整體結(jié)構(gòu)方案

對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)分，主流的形式有兩種：笛卡爾型（XYZ型）和并聯(lián)臂型（三角洲型）。

XYZ型3D打印機(jī)，如下圖1所示。其特點(diǎn)：打印精度較高，安裝過(guò)程復(fù)雜，打印物體會(huì)隨平臺(tái)移動(dòng)，其機(jī)型占地面積大。

三角洲型3D打印機(jī)，如圖2所示。其特點(diǎn)：打印速度快，精度略高，安裝簡(jiǎn)單。其機(jī)型架構(gòu)穩(wěn)定，空間利用率高，節(jié)省占地面積。

通過(guò)兩種機(jī)型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)比較，本文采用三角洲型結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)來(lái)控制噴嘴運(yùn)動(dòng)，從而提高打印機(jī)打印的準(zhǔn)確性，并聯(lián)機(jī)構(gòu)會(huì)控制打印頭每個(gè)方向上的自由度，以保證打印頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成打印。

三、打印裝置

本文所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)，打印材料為液體，因此采用注射形式將打印材料擠出，完成打印任務(wù)。擠出裝置包括注射筒（圖a）和注射推桿（圖b），如圖3所示。注射筒上，在接近于注射筒底部設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)料口，使液體材料可源源不斷的供應(yīng)。擠出裝置作為打印機(jī)的主要元件，如下圖4所示。

擠出裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接螺桿傳動(dòng)輸出。螺桿上有螺母配合，特制螺母用彈簧固定于中間板上，對(duì)螺桿徑向進(jìn)行約束，這樣一來(lái)，電機(jī)傳動(dòng)就可以使螺桿在螺母的配合下實(shí)現(xiàn)液體材料的注推動(dòng)作。同時(shí)，為了防止注射推桿轉(zhuǎn)動(dòng)，注射推桿與螺桿之間采用軸承支撐，從而使液體材料擠出打印過(guò)程中只有推力傳遞到注射桿。在打印過(guò)程中為了防止液體材料回流，在注射筒進(jìn)料口處設(shè)置一個(gè)單向閥。電機(jī)與傳動(dòng)裝置跟隨注射筒整體移動(dòng)，從而完成打印工作。該打印裝置如下圖5所示。

四、打印機(jī)整體建模

下圖6為本文所設(shè)計(jì)的一種液體堆積固化3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)三維模型，該打印機(jī)主要由機(jī)架、打印裝置、側(cè)板、中間板、上板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及連接件等部分組成。

該液體堆積固化3D打印機(jī)采用三角洲型打印機(jī)結(jié)構(gòu)，其安裝簡(jiǎn)單，打印速度快。打印擠出系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由螺母約束螺桿傳遞推力，使注射推桿將液體材料擠出，實(shí)現(xiàn)打印。打印過(guò)程中，液體材料邊堆積邊固化成型，從而使整體結(jié)構(gòu)層間結(jié)合強(qiáng)度提高，打印物體表面平滑美觀。該打印系統(tǒng)的特點(diǎn)為：

（一）以熔融式3D打印機(jī)的整體框架為基礎(chǔ)，將原有的熔融式擠出噴嘴替換為適應(yīng)液體堆積的擠出裝置和控制系統(tǒng)。

（二）液體材料堆積擠出裝置通過(guò)3D打印的方法生成，擠出驅(qū)動(dòng)力則由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

（三）雖然改換了3D打印材料的擠出方式及擠出結(jié)構(gòu)，但生成產(chǎn)品形體的打印機(jī)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)并沒(méi)有改變，非但不會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸，同時(shí)還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

（四）控制系統(tǒng)可采用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。該控制系統(tǒng)中，液體材料擠出速度與坐標(biāo)控制需要互相配合。

（五）通過(guò)分析堆積效果完成擠出裝置的優(yōu)化與配套控制系統(tǒng)對(duì)于液體材料擠出速度的優(yōu)化。同時(shí)，為了達(dá)到更好的打印效果，可引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)視覺(jué)圖像的測(cè)量計(jì)算實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋，由控制系統(tǒng)修正參數(shù)，從而提高產(chǎn)品的尺寸精度。

五、結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的液體堆積固化3D打印機(jī)摒棄原有熔融擠出式3D打印的思路，直接采用液體材料擠出堆積后固化成型。針對(duì)液體打印材料專門設(shè)計(jì)擠出裝置及其配套的傳動(dòng)系統(tǒng)，理論上其效率高，互溶性好，產(chǎn)品表面細(xì)膩，同時(shí)可以較大的提高產(chǎn)品強(qiáng)度。

該打印機(jī)可在食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用。為此打印裝置可采用兩種打印擠出頭，一種打印擠出頭用于食品加工中，如：液體巧克力直接打印到打印板上，打印出個(gè)性化的巧克力；另一種打印擠出頭可采用加長(zhǎng)型針管，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如液體硅膠打進(jìn)“油性”微凝膠中，讓水凝膠起到支撐和固化作用，打印出醫(yī)學(xué)使用的物品。