FDM柔性噴絲系統的結構設計與實現

馬金玉，余勝東（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

FDM柔性噴絲系統的結構設計與實現

馬金玉，余勝東
（溫州職業技術學院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

為提高噴嘴出絲速度的穩定性，滿足較高精度的3D打印要求，設計一種FDM柔性噴絲系統。塑料絲在系統柔性驅動力的控制下，進入漏斗形噴嘴中熔融、噴出；塑料絲在噴嘴中由固態轉變為熔融狀流體，以改善塑料的流動性為目標，對其熱流場特性進行仿真，得出最佳噴嘴形狀。應用實例表明，系統較好地解決了卡絲卡料和噴嘴堵塞等問題，提高了噴嘴出絲的流暢性和穩定性，應用效果良好。

FDM；柔性噴絲系統；噴嘴；熱流場特性

DOI：10.13669/j.cnki.33-1276/z.2015.040

0　引 言

近年來，3D打印技術正以前所未有的速度普及和推廣，而其中目前市場上最熱的當屬熔融沉積（Fused Deposition Modeling，FDM）快速成型技術［1］。3D打印實體造型的流程是：設計師將設計好的三維圖形被計算機按一定的層厚分層，分解為若干二維平面圖形的切片信息，并將切片信息傳輸給FDM成型機；FDM成型機通過加熱方式將固態的熱熔性材料融化并通過該噴嘴將材料噴出來，通過控制噴嘴的移動路徑完成一層二維平面圖形成型后，成型機提升一個層厚再繼續上一層的成型，如此層層堆積，直至完成所有分層切片。噴絲系統包括送絲機構、加熱器及噴嘴等。傳統的FD M成型機都是利用電機驅動一組相互擠壓的驅動輪，驅動輪固定在機架上，塑料絲在驅動輪的驅動下進入噴嘴中［2］。但使用傳統的FDM成型機發現，作為原材料塑料絲的直徑存在一定誤差，導致驅動輪對塑料絲的驅動力不穩定，使得進給速度有波動，進而影響噴嘴的工作，易于造成卡絲卡料和噴嘴堵塞等現象。為提高噴嘴出絲速度的穩定性，結合材料在熔腔內的熱流場特性，本文設計一種F DM柔性夾緊噴絲結構，并在應用中取得了良好的效果。

1　噴嘴結構設計原理

FDM加速成型中，柔性噴絲系統負責將固態絲質材料送入噴嘴中，并將噴嘴中熔融狀流體擠出。熔融狀

熔融性材料具有受熱后呈現半固半液的熔融狀態，在一定的壓力下經特制噴嘴呈絲狀噴出，隨著噴嘴的移動使熔融堆積加工，噴絲直徑決定成型實體的精度。常用的熔融性材料如ABS和PLA塑料等，它們在不同形狀的噴嘴熔腔內具有各自的流動規律［3］。

噴嘴熔腔為漏斗型，直徑D1的等截面圓管和直徑為D2的等截面圓管通過錐形圓管平滑過度，三者的長度分別為L1，L2，L3，如圖1所示。L1，D1為噴嘴存儲熔融流體熔腔的大小，D2為噴嘴所噴絲的直徑，L2為對噴絲進行導向的長度，L3為過渡區域的長度。其中錐形圓管部分避免了不同直徑的兩段圓管引起的阻力突變，以及局部紊流所帶來的影響［4］。熔融流體最終由直徑為D2的圓管經噴嘴噴出用以成型堆積，不同形狀的熔腔內分別呈現不同形態的壓力差，需要進一步分析。

對于等截面圓管，采用柱坐標系，熔融性材料在其中做軸向等溫流動，忽略入口效應并假設流動是充分發展的層流流動，則該流場模型簡化為一維定常層流流動［5］。出口處直徑為D1的等截面圓管壓力差為：

其中，PZ為進口處壓力梯度，Q為體積流量，KP為計算系數。

同理，出口處直徑為D2的等截面圓管壓力差為：

圖1　漏斗型噴嘴熔腔結構

對于錐形圓管，其徑向尺寸d（D2≤d≤D1）隨著軸向坐標l（0≤l≤L3）線性減小，由D1降至D2，軸向坐標為l處直徑對應為d，即。假定D1-D2＜＜L3，即錐角對熔融液體流動性的影響可忽略不計，取任意增量ΔL均可視為等截面圓管中熔融液體的流動，此處的壓力梯度與D成反比［6］，即：

進而對于定常穩態流場，體積流量Q與軸向坐標沒有相關性［7］，則推導出錐形圓管總壓力差為：

綜合分析熔腔內熔融流體流動，以漏斗型噴嘴熔腔（見圖1）為研究對象，包含兩段等截面圓管及一段錐形圓管，經過該熔腔的熔融流體流動總壓力差為：

總壓力差ΔP實際上也是熔融流體在流道中流動時的沿程壓力損失，相應的阻力即為沿程阻力。另外，流道中局部可能存在的紊流會對流動產生附加阻力，固液共存段的特殊形態也會對塑料絲的送入產生阻力，但這些阻力相對于沿程阻力來說非常小，在此忽略不計。據此可認為，與上式計算的壓力差相應的阻力即為流道對塑料絲的全部阻力。（5）式表明在上述假設條件下，總壓力差的大小與噴嘴相關尺寸D1，D2，L1，L2，L3的關系，即過渡區域越長，總壓力差越小，流體的流動性越強。

2噴嘴中熔融狀流體的流場仿真分析

選取不同噴嘴尺寸仿真計算CFD（Computational Fluid Dynamics）流場，以改善塑料的流動性為目標，模擬出最佳噴嘴形狀。為保證數據的可比性，保持D1= 5mm，D2=0.3mm，L1=6mm，L2=4mm，L3分別選取為10mm、6mm、0mm。

采用CFD方法計算噴嘴中熔融狀流體，借助于ANSYS CFX軟件的強大仿真分析能力，可獲取溫度、壓強等多物理場的整體解決方案。在ANSYS CFX軟件計算過程中，綜合計算效率及計算精度，采用計算效率較高的Euler網格劃分方法，設置邊界條件為噴嘴入口壓強1.5× 105Pa，開氏溫度393.15K；出口壓強設置為標準大氣壓，開氏溫度293.15K，得到噴嘴中不同過渡區域的熔融流體溫度場、壓強分布云，如圖2～圖3所示。

由圖2可知，在L1處的熔融流體的開氏溫度400K，通過三種不同的過渡區域，熔融流體到達L2出口處的開氏溫度390K左右，其溫度降低了2.5%。可見，不同過渡區域對溫度場的影響不大，熔融流體的性質未發生變化。

圖2　噴嘴中不同過渡區域的熔融流體溫度場分布云

圖3　噴嘴中不同過渡區域的熔融流體壓強分布云

由圖3可知，在L1處的熔融流體的壓強，表示塑料絲在柔性驅動力的控制下，固態塑料絲對熔融流體的壓強為1.5×105Pa。在L3=10mm過渡區域中，熔融流體流動到達出口處的壓強為1.0×105Pa；在L3=6mm過渡區域中，熔融流體流動到達出口處的壓強為9.9× 104Pa；在無過渡區域中，熔融流體流動到達出口處的壓強為-5×106Pa。可見，過渡區域越長，其壓強損失越小，熔融流體在噴嘴中的流動性越強。如果無過渡區域，出口處的壓強顯示為負壓，表示在初始壓強下，熔融流體無法從出口處噴出。采用C FD方法對噴嘴中熔融流體進行仿真分析，與（5）式推導的結果相吻合。

過渡區域越長，熔融流體的流出越流暢。但過長的過渡區域會帶來機械制造上的困難。在L3=10mm過渡區域出口處的壓強與L3=6mm過渡區域出口處的壓強基本相等。因此，在實際制造中，取L3=6mm過渡區域，熔融流體可獲得良好的流動性。

3　基于柔性送絲機構的FDM柔性噴絲系統的結構設計與實現

為提高送絲效率，改善成型質量，本文設計的FDM柔性噴絲系統機械結構為：由送絲電機的輸出軸帶動小齒輪作旋轉運動，與小齒輪相嚙合的大齒輪同時作旋轉運動，與大齒輪同軸的滾輪保持同步轉動，并與塑料絲相接觸，塑料絲從支架上方穿過，經過導柱送入噴嘴中，噴嘴呈漏斗形，其外部設置有熱電偶，熱電偶對塑料絲進行加熱，使噴嘴保持所需的溫度，同時根據噴腔的液體流動性計算，適當減小噴嘴出口段長度以減小噴嘴綜合流阻，壓緊板通過螺栓連接在壓緊輪上，在螺栓和壓緊板中間設置有彈簧，壓緊輪與塑料絲為彈性接觸，塑料絲在滾輪和壓緊輪的共同作用下被柔性夾緊，并由滾輪帶動，經過導柱輸送到噴嘴中，如圖4所示。

塑料絲通過拉絲工藝制備，使得塑料絲的直徑存在一定的誤差。正常塑料絲的直徑為2mm±0.2mm。本文提出的柔性送絲機構，滾輪和壓緊輪驅動塑料絲進給，自動適應塑料絲直徑的變化，塑料絲獲得穩定、均衡的推動力。傳統的送絲機構在工作中，驅動輪無法對塑料絲進行柔性送絲。如果塑料絲的直徑太小，驅動輪對塑料絲的正壓力不足而發生打滑；如果塑料絲的直徑太大，塑料絲則容易堵在驅動輪處。塑料絲的送絲效率直接關系到噴嘴的出絲品質。

基于柔性送絲機構而開發的F D M柔性噴絲系統，即使在長時間工作情況下，柔性送絲機構對塑料絲仍保持柔性夾緊，不會造成塑料絲打滑、走絲緩慢、擠出力不均等問題，保證機器打印精度和工件強度。此外，通過導柱將塑料絲送到噴嘴中，保證了定位精度，避免了因絲料經加熱后膨脹造成的退料時絲料卡在出料口的現象。同時將該系統溫控部分設計為溫度可調型，使其實際工作熱效率為最大工作效率的5～6倍，可最大限度地縮短成型預熱時間。

圖4　FDM柔性噴絲系統的機械結構

4　應用實例

將本文設計的F D M柔性噴絲系統應用于自主開發的小型3D打印機中。3D打印機機體框架采用矩形結構以獲得更好的剛性，三軸運動機構采用直角坐標系，其中XY軸由步進電機及同步帶控制定位，Z軸升降則由滾珠絲杠控制。3 D打印機的機械結構如圖5所示。

圖5　3D打印機的機械結構

3 D打印機打印前先通過三維設計軟件建模并輸出，設計軟件和3D打印機之間協作的標準文件格式是STL文件。STL文件采用三角面近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高，成型質量相對更好。口哨的三維模型如圖6所示。

為實現3D打印機低成本打印，采用Arduino主板芯片，它具有成本低、功能強大的特點，滿足了3D打印機低成本打印的需求。該主板芯片連接所有的周邊擴展，用來驅動整個3D打印機，其中包含3個步進電機接口和4個RJ45接口，用于連接擠壓控制電路板，該電路板用于控制打印頭；配備一個SD卡插槽及ATX電源接口。另外，同時采用兩塊基于Allegro A3982步進電機驅動控制板。

圖6　口哨的三維模型

根據分析及多次試驗，將噴嘴溫度設置為開氏溫度400K，將工作臺溫度設置為開氏溫度350K，3D打印機打印出的口哨產品如圖7所示。對于口哨模型等簡單的零部件，無需進行打磨、拋光等后處理工序，其產品表面均勻無缺陷，相較于常用的送絲系統，精度有了明顯的改善，能夠一次性獲得較高的產品質量。

圖7　3D打印機及口哨產品

5　結 論

本文對熔融性材料在等截面及變截面熔腔中的流動特性進行分析，進一步推算出噴絲系統熔腔中熔融液體的流動特性，并據此設計一種具有柔性及溫控特性的FDM柔性噴絲系統。將該系統應用于小型3D打印機中，可滿足較高精度的3D打印要求。目前，此項技術已授權實用新型專利（ZL.201420123182.7），并轉讓給瑞安市某網絡科技有限公司，該公司利用該技術生產的3 D打印機已成功推向市場。

［1］楊家林，王洋，陳楊.快速成型技術研究現狀與發展趨勢［J］.新技術新工藝，2003（1）：28-29.

［2］徐鋒.三維打印技術研究［J］.機械制造與自動化，2015（1）：98-101.

［3］劉斌，吳明星.塑料熔體微型擠出流變行為及形態演變［J］.塑料工業，2010（1）：4-7.

［4］王韜，顏悅，厲蕾.透明塑料熔體流變性能研究［J］.工程塑料應用，2013（4）：71-74.

［5］裴士輕，曹陽根，李晉昇，等.基于時差和壓差的塑料熔體流變性能測試方法研究［J］.工程塑料應用，2014（2）：84-88.

［6］楊瓊方，王永生，李翔.噴水推進泵通用特性曲線的計算流體動力學分析［J］.清華大學學報：自然科學版，2010（8）：1311-1315.

［7］李凌豐，茅旭飛，管靈波，等.螺槽內塑料熔體傳熱及溫度的數值模擬［J］.機械工程學報，2013（14）：23-30.

［責任編輯：吳百中］

Design and Practice on FDM Flexible Wire Feeding System

MA Jinyu， YU Shengdong
（Electric and Electronic Engineering Department， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou， 325035， China）

To improve the stability of the spinning speed of feeding nozzle and meet the requirement of accuracy of 3D printing， a FDM flexible wire feeding system was designed. With the control of the flexible driver，plastic threads went into the nozzle to melt and eject， and plastic threads changed from solid to liquid. With the objective of improving the flowability of plastic， its heat flux characteristic was imitated to get the best nozzle shape. It is shown that the system solve the problems of stuck feeding wire and nozzle clogging， which improves the flexibility and stability of spinning of nozzle and has a good efficiency.

FDM； Flexible wire feeding system； Feeding nozzle； Heat flux characteristics

TH165+.1

A

1671-4326（2015）02-0071-05

2015-02-26

溫州職業技術學院科研項目（WZY2014037）

馬金玉（1988—），女，浙江瑞安人，溫州職業技術學院電氣電子工程系助教，碩士；

余勝東（1984—），男，浙江瑞安人，溫州職業技術學院電氣電子工程系，助理研究員，碩士.流體在噴嘴中的流動阻力越小、壓力損失越小，將使打印效果更加流暢。由于溫度對材料的性能影響較大，熱量平衡的系統才能均勻噴出等直徑的絲，因而應考慮熱平衡性，并選擇恰當的溫度以提高送絲穩定性。