針對柔性材料的FDM型3D打印機的遠程送料機構研究與設計

雷 芳，孟鑫沛，張俊平，丘柏揮

（1.東莞職業技術學院，廣東 東莞523808；2.東莞市彩越三維科技有限公司，廣東 東莞523808）

近幾年3D打印行業發展迅速，其廣泛的應用必然會帶來未來市場關闊的空間，被譽為是引領第三次工業革命的新興產業。傳統的產品生產完全依賴于生產工藝能否實現，而3D打印機的出現，使產品的生產不需要機械加工或模具，任何復雜形狀的設計均可以通過打印來實現。因為速度快、能打印結構復雜的產品等優點，促進了3D打印在行業中的廣泛使用和快速發展。熔融沉積成型法（簡稱FDM），是3D打印的一種工藝，這種工藝通過將絲狀材料如熱塑性塑料從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。FDM快速成型技術是最普遍的快速成型技術，其在整個行業市場份額達80%以上[1]。

隨著FDM型3D打印技術的發展，3D打印市場涌現出各種新型材料，賦予了產品更多的性能，擴大使用范圍。這些新型材料如可溶解的支撐材料、仿木頭、導電材料和柔性材料等，這其中具有較高彈性和柔韌性的柔性材料，在鞋底制造等行業應用比較多。但目前市場上采用遠程送料機構的3D打印機打印柔性材料（比如TPU等）時，送料會打滑，打印效果不理想。本文對FDM型3D打印遠程送料打印時存在的問題進行分析，提出新的遠程送料機構優化設計方案進行改進以解決該問題。

1 FDM型3D打印機送料機構

送料機構是FDM型3D打印機的主要機構，包括送絲裝置、步進電機等，主要作用是將3D打印線材均勻的送至熱熔噴頭。送絲裝置提供進料以及噴頭擠出融化后材料的壓力，送絲要求穩定可靠，以保證噴頭內有一定的壓力并且出絲速度與噴頭移動速度匹配，主要由擠出輪、導輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。

送料機構有近程送料和遠程送料兩種方式。采用近程送料時，送絲裝置和步進電機一起安裝在噴頭上，近距離給噴頭送料，如圖1所示。送絲裝置和步進電機增加了運動機構的負擔，運動時慣性大，加速減速有一定困難，運行不穩定；笨重的運動機構對導軌有較大的壓力，長時間會使之變形，對平臺難以調平，從未造成打印出來的產品精度降低。

圖1 近程送料

采用遠程送料時，送絲裝置和步進電機安裝在機器外殼上，遠程給噴頭送料，如圖2所示。送料裝置與噴頭分離，遠程給噴頭送料，噴頭重量輕，慣性小，移動定位更精準；噴頭移動速度非常快，因此其打印速度可以非常快；噴頭和擠出機分離，方便維護。

圖2 遠程送料

2 FDM型3D打印機遠程擠出裝置優化設計

當打印雙色材料或兩種不同材料時采用雙噴頭打印機，近程送料機構噴頭部分非常笨重，打印速度慢，精度低，適宜采用送絲裝置與打印頭分離的遠程送料機構，如圖3所示，送絲遠程給噴頭送料，打印速度快，精度高。但由于送料距離遠，阻力較大，容易卡線，打印出來的產品品質下降。

圖3 遠程送料機構與打印噴頭

遠程送料機構中的送絲裝置，如圖4所示，主要由軸承、齒輪、彈簧、快速接頭等部分共同組成。它的基本原理是通過送料輪與材料之間的摩擦力，由步進電機提供動力對線材進行輸送。從材料進入到輸出的通道來看，齒輪軸承組與出入口之間存在較大空隙，在送料過程中，由于加壓容易導致線材形變，與送料機構產生更大摩擦甚至斷料，而對于柔性材質則此類送料機無法完成送料，甚至在打印常規線材會出現滑絲現象，導致出現噴頭噴絲不均勻，使打印物品出現縫隙甚至斷層從而影響產品的力學性能性，從而限制了3D打印技術往柔性材質或更多材質成型技術的發展。

圖4 傳統的送料裝置

3D打印柔性線材最重要的是要求送料裝置能夠有一個通道，使得線材從離開驅動齒輪到進入熱端的筒體經過的路徑是固定的，因此本研究在送料機構內部插入鐵氟龍導料管對線材進行送料，并對如圖五所示。鐵氟龍是聚四氟乙烯，熱導率低，耐高溫，摩擦系數極低，有高的潤滑性[2]。齒輪與軸承分布在鐵氟龍導料管切削開口兩側，線材在鐵氟龍導料管中尖齒輪提供切向驅動力，軸承提供線材與尖齒輪之間的壓力，鐵氟龍導料管同時起到潤滑的作用（鐵氟龍材料本身具有很好的潤滑效果）。鐵氟龍導料管切削口下端的外側能有效防止線材被粘附在尖齒輪或者軸承上，讓其順利進入送料通道，如圖5所示。

圖5 優化后的送料裝置

除采用鐵氟龍導料管進行導料外，同時對送料機構也進行了優化，如圖6所示，使其比傳統的送料機構更加緊湊，整體尺寸較小，各個部件連接緊密。通過調節點壓料設計可改變傳動輪和轉動輪之間的夾持力度，有效地減小了固定間距驅動輪的內耗，減小了驅動軸承的不必要的內應力。從而增加送料輪與打印材料之間的摩擦力，避免出現送料打滑現象而使送料間斷，且對線材的粗細要求低，能夠保證噴頭均勻吐料，提高了打印質量。由于線材的送料與退料都需要送料齒輪才能實現，因此線材受到足夠大的推力向擠出頭移動。線材在兩齒輪之間呈擠壓受力狀態，從而使線材所受摩擦力增大，使得柔性線材能順利出料。優化后的送料裝置能起到降低送料時的阻力作用，并且能適用多種線型線材尤其是柔性線材。

圖6 鐵氟龍導料管

3 遠程送料機構對噴嘴的影響

FDM型3D打印機中噴嘴直徑越小，打印的精度越高，對打印產品的細節表達力越好，但噴嘴越小擠出時熔體收到阻力越大，容易出現斷絲、堵塞等故障，對送料系統的要求越高[3]。本研究中采用改進后的鐵氟龍導料管遠程送料裝置，使目前市面上常用的0.4 mm的噴嘴減少為0.2 mm的噴嘴，依然能正常打印，打印的精度提高，在打印零件的細節上能更好地打印出來，而且對柔性材料也適用。

4 打印實驗

為了驗證本研究設計的送料機構打印柔性材料的效果，分別用傳統的近程送料機構和本研究設計的遠程送料機構（如圖7所示）打印如圖8所示樣品零件，各打印ABS、PLA、柔性線材TPU三種線材樣品150次，打印結果分別如表1和表2所示。從表中可以看出，采用傳統的近程送料機構打印，ABS和PLA的打印成功率較高分別是89.3%和94.7%，但是打印柔性線材TPU的成功率只有8.7%；采用新設計的遠程送料機構打印，ABS和PLA的打印成功率有所提高分別是97.3%和98.7%，打印柔性線材TPU的成功率提高到92.7%.由此驗證了本研究設計的遠程送料機構較傳統的送料機構，打印硬質材料ABS和PLA成功率有所提高，打印柔性線材TPU的成功率非常高，由原來的8.7%提升到92.7%，效果非常好。

圖7 遠程送料機構

圖8 樣品零件

表1 傳統的近程送料機構送料打印情況

表2 本研究設計的遠程送料機構送料打印情況

5 結束語

（1）本研究設計了3D打印遠程送料機構，實現了送料機構與打印頭的分離，減輕運動機構的負擔，提高了打印速度和打印精度；

（2）通過在送料機構內部插入鐵氟龍導料管，并對其結構優化，實現柔性線材如TPU的順暢送料。這種機構能使噴嘴從0.4 mm減少為0.2 mm，經過多次實驗證明，能保證在打印柔性材料時噴頭能夠不卡絲、不打滑，均勻吐料，提高打印質量。