3D打印機輔助進料裝置的設計

陳金英 張春芝 郭 勇

(北京工業職業技術學院 機電工程學院，北京100042)

0 引言

隨著3D打印技術的不斷發展，3D打印設備越來越多地應用到教學之中，給教學帶來了很多方便。比如，使課程變得更加直觀，在課程的設計中能夠將想法變成現實[1]。將3D打印技術應用到教學中，不但可以培養學生的實際動手操作能力與觀察能力，同時也使設計理論與實踐操作很好地結合，為教學提供了一定程度的幫助。很顯然，3D打印技術已成為各大院校相關專業的必修課程[2]。但是在使用的過程中也發現了許多應用方面的問題，如進料操作不方便、打印機調平困難等等。本文針對桌面級3D打印機的進料問題進行深入分析，提出相應的解決措施，并進行實驗驗證。

1 3D打印機進料裝置存在的問題

1.1 進料裝置的結構

3D打印機進料裝置的結構有多種形式，圖1為常見的一種形式。

圖1 進料裝置的結構

從圖1可以看出，3D打印機進料結構由固定壓板上的進料孔①、惰輪②、齒輪③和喉管④組成[3]。其工作過程為：打印材料由進料孔進入，通過齒輪的旋轉并擠壓材料進入喉管，喉管與打印頭相連，通過打印頭的加熱裝置，將材料加熱到一定溫度，使材料從打印頭的噴嘴流出，即可實現模型的打印[4]。

1.2 存在的問題

在3D打印過程中，容易發生打印材料進料不暢的問題，其主要原因有以下2個方面：

(1)3D打印材料被纏繞在材料軸上，會產生自然彎曲的形狀[5]，因此，3D打印機在進料時通常會遇到不順暢的問題，從而使得進料操作變得異常煩瑣，耗時又費力。(2)3D打印材料進入料孔后，通過齒輪向下擠壓進入喉管，由于材料經常纏繞在材料軸上形成自然彎曲，再加上齒輪擠壓易導致材料彎曲[6]，所以會使材料在接近喉管的地方發生偏離，造成進料困難。具體情形如圖2所示。

圖2 進料時材料發生偏離

為使發生偏離的材料正常進入喉管，需要借助一定的工具，同時還要采用多次進退料的方法，才能使材料慢慢進入喉管。因每次進料都需要借助一定的工具，使得更換材料的操作非常不方便。又由于喉管處的位置狹小，所借助的工具無法正常深入到喉管的位置，此時需要拆卸前面的散熱裝置，所以給進料工作帶來了很大的麻煩。

2 3D打印機輔助進料裝置的設計

2.1 設計思路

針對進料困難的問題，通過對齒輪、惰輪和喉管三者位置的觀察，認為在喉管處增加1個輔助進料裝置，可以縮短喉管與齒輪和惰輪之間的距離，使材料在來不及改變方向的情況下，通過輔助進料裝置，直接進入喉管。該設計思路在不改變機構功能的情況下，通過增加1種輔助進料裝置，使進料變得簡單方便，省時省力。

2.2 建模步驟

2.2.1 喉管配合尺寸分析

經過實際檢測發現，喉管采用的是V6近程，且里面不帶鐵氟龍管。其管子的內孔徑為1.75 mm，外直徑為6 mm，長度為26 mm。

2.2.2 軟件建模

使用SolidWorks軟件對輔助進料裝置進行設計與建模。輔助進料裝置與喉管配合的關鍵點有2點：(1)無縫對接設計。即輔助進料裝置的口徑需要與1.75 mm的孔徑實現無縫對接，因此此處設計成喇叭口的形式。(2)環形凹槽固定。即輔助進料裝置與喉管之間需要完美固定，為此采用環形凹槽的形式。使用SolidWorks軟件進行建模，其模型如圖3所示。

(a)模型頂部 (b)模型角度圖3 模型的頂部及角度

從圖3中可以看出，模型上面的口徑設計得比較大，并且有25°的角度，這樣材料就會順著帶斜度的內壁進入到下面的喉管中。

如果惰輪和齒輪與喉管的空間比較大，則可以根據實際尺寸進行設計，如把直徑和角度設計得更大一些。這樣一方面可以防止材料跑偏，另一方面角度越大，材料則越能快速地進入喉管中。

模型的底部設計為凹槽的形式，槽的大小就是喉管的大小，進料采用過度配合。由于打印機進料的喉管處與齒輪和惰輪之間的間隙較小，同時為了方便安裝，將槽的一側切掉，這樣就可以將輔助進料裝置直接推入，與喉管進行很好的固定。模型的底部如圖4所示。

圖4 模型的底部

2.2.3 虛擬裝配

為了驗證輔助進料裝置設計的合理性，使用SolidWorks的虛擬裝配功能，對此進行虛擬裝配并驗證其是否合格。虛擬裝配可以檢查部件之間的配合間隙，防止零件安裝時間隙過小，導致無法正常裝配；同時也防止間隙過大，導致零件不能與喉管進行很好的固定。

通過虛擬裝配檢測，可以對所設計的模型尺寸進行調試，模型尺寸合格之后就可以使用增材或者減材技術進行生產制造。

3 3D打印機輔助進料裝置的打印與裝配實驗

輔助進料裝置的生產制造有2種方式：(1)采用減材制造的方法，使用數控設備進行加工；(2)采用增材制造的方法，使用3D打印技術進行打印。工程技術人員可以結合實際情況，選擇合適的方法進行制造，然后進行實際的裝配與調試。該設計考慮到輔助進料裝置的功能不需要承受太大的力，只要有一定的強度，使材料順利滑入喉管即可，所以選擇使用3D打印，既快捷又方便。

3.1 打印

選擇使用FDM打印工藝的3D打印設備，其打印的參數設置如表1所示。

表1 打印參數設置

層高關系到表面質量，故采用0.1 mm的層高以保證有較高的表面精度；填充關系到部件結構的強度，所以使用較高的填充率，即90%；打印的速度會影響到表面的精度，所以使用60 mm/s的速度即可。

設置好切片參數之后，可以通過軟件的打印預覽模式，觀察打印模型是否存在不足之處，比如模型不完整、有漏洞等問題。如果發現問題，可以及時對其尺寸進行調整，如果沒有問題，則可以進行打印，打印預覽時間為6 min，最終打印完成的進料裝置如圖5所示。

圖5 打印預覽及成品件

3.2 裝配與實驗

將打印完成的輔助進料裝置與喉管進行裝配，可能會存在與喉管的配合尺寸不合適的問題。因為3D打印不能完全按照機械加工的配合公差進行制造，所以需要根據實際打印的尺寸進行調整，以尋求最佳的公差配合方式，直至滿足裝配要求為止。所實驗的公差配合數據共計4組，如表2所示。

表2 公差配合的數據 單位：mm

根據實際配合情況，最終選擇φ6.4 mm的打印部件進行裝配。

完成輔助進料裝置的安裝后，再次進行進料操作，則材料能夠順利進入打印機的喉管中，未出現材料跑偏的現象，如圖6所示。

圖6 裝配與進料

4 結論

3D打印機輔助進料裝置的設計項目，從問題的發現，即3D打印機進料困難，到成功的解決該問題，整個過程中運用了許多技術。如，機械零部件的設計、3D建模軟件、3D打印技術的制造功能及裝配驗證，從而使得3D打印機在進料方面更加方便與快捷，大大提高了工作效率，節省了勞動時間。雖然涉及的相關技術比較多，過程比較復雜，但是提供了一個解決問題的可行性思路，為廣大愛好者和使用者提供了具有參考價值的技術資料。

在3D打印機的實際操作中，經常會遇到各種各樣的問題。只要熟悉和掌握相關技術，結合實際問題進行深入的分析研究，應用相應的技術手段就能使問題迎刃而解。