紫外固化室溫硫化硅橡膠3D 打印機

石瑩瑩 閆普選 盧江榮＊

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

1 概述

3D 打印作為一項新興技術，不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機床或者任何模具，也能直接將材料打印生成計算機中CAD 圖形的實物產(chǎn)品[1]。然而FDM 3D 打印技術的部分局限性同時也體現(xiàn)在所能使用的材料的局限性上。FDM 型打印機，就是使用PLA、ABS 等熱塑性的材料進行熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling）[2][3]，但是當面向打印材料為液態(tài)或者半固態(tài)的材料時，F(xiàn)DM 3D 打印機較難使其成型。針對液態(tài)或半固態(tài)的材料，3D 打印技術顯示出其瓶頸。且由于3D 打印技術的發(fā)展還未完善，其打印產(chǎn)品的精度和質(zhì)量問題也逐漸顯現(xiàn)。

3D 打印機在高端領域飛速發(fā)展的同時，桌面化的3D 打印機的市場也正在被打開。現(xiàn)在目前市場上常規(guī)的桌面式FDM3D打印機占比高達65%，桌面式光固化3D 打印機占比可達29%。論精確度以及打印速度FDM 遠不及光固化，且由于國內(nèi)技術尚未完全成熟，導致光固化的打印機造價要比FDM 的成本高得多，圖1。

圖1

對于3D 打印所出現(xiàn)的上述問題，本文提出一種紫外固化室溫硫化硅3D 打印機設計。暨針對FDM3D 打印機一個構件的創(chuàng)新設計，使其供料方式改為螺旋式輸送可融液，進而改進FDM 3D 打印機，并使用液化器代替激光器從而降低光3D 打印的成本。

2 打印原料的選擇

為實現(xiàn)3D 打印能使用液態(tài)或半固態(tài)的材料，需尋找在室溫下無需加熱或是加壓即可就地固化的材料。而硫化硅橡膠正好符合需求，其是一種新型的有機硅彈性體，具有良好的脫模性。對于螺旋式輸送裝置以及噴頭噴嘴，由于室溫硫化硅橡膠硫化后具有優(yōu)良的防粘性能，且硫化時收縮率極小，因此使用硫化硅橡膠也不會出現(xiàn)造成送料管、噴頭或噴嘴堵塞的現(xiàn)象。

3 打印機機械結(jié)構設計

3.1 紫外光固化設計要求

為達到光固化要求，在傳統(tǒng)打印機結(jié)構上做出改裝設計，須加裝一個光照射的裝置，并在打印機外圍加裝外殼保護裝置，防止人員受到紫外光的輻射影響。同時對打印機的程序進行相應編程，做到邊打印邊固化，圖2。

圖2

3.2 螺旋式輸送裝置設計

進行熔融材料輸送時最常用的便是螺桿帶動熔融液推進，即螺旋式運輸，用于3D 打印機結(jié)構中，可解決普通3D 打印機送料時的易斷料或卡料的問題。螺旋式輸送利用電機帶動螺桿回轉(zhuǎn)，推動物料以實現(xiàn)輸送，其結(jié)構簡單、密封性好、便于封閉運輸，因此可用于3D 打印機送料結(jié)構的改進。借鑒模具生產(chǎn)時的送料方法，其送料口呈現(xiàn)漏斗式，便于送料。以下將改進的方案進行設計。

圖3 是螺旋式輸送裝置，這一裝置為本設計紫外固化室溫硫化硅橡膠3D 打印機的二維圖。輸送方式設計的好壞可以直接影響3D 打印機的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的品質(zhì),因而本設計的螺旋式輸送裝置的優(yōu)化設計就顯得尤為重要。

圖3

3.2.1 加料機的制作與物料運輸

將加料機與擠出機結(jié)構相結(jié)合，用漏斗式送料口將液態(tài)硫化硅橡膠加入料筒。通過電機帶動料筒中的螺桿，進而使得螺桿推動物料將其輸送至噴頭。噴頭加熱達到系統(tǒng)設置的規(guī)定的溫度參數(shù)，液化的硫化硅橡膠便從噴嘴中緩緩流出成型。

3.2.2 螺桿結(jié)構的選擇

螺桿是擠出材料所需的重要零件之一。螺桿的結(jié)構形式可按照線數(shù)設計為單線頭、雙線頭和多線頭；按照螺距是否變化可設計為恒螺距與變螺距螺桿；按照螺桿截面形狀可設計為梯形截面、矩形截面和鋸齒形截面的螺桿。本設計使用最普遍的單線頭恒螺距300梯形截面的螺桿做為3D 打印機擠出螺旋桿輸送原料[4]。

3.2.3 螺桿的升角選擇

螺桿升角是指螺桿牙側(cè)面螺桿端面所形成的夾角。螺桿升角選擇直接影響著螺桿的輸送能力，是輸送螺桿的重要參數(shù)。選擇大的螺桿升角可實現(xiàn)較高的輸送速度，但輸送推出力相對較小。而選擇小的螺桿升角可獲得較大的輸送能力，但會導致輸送速度降低[4]。因此需要使用設計軟件確定所需的螺桿升角，圖4。

圖4

4 創(chuàng)新點分析

4.1 半熔融半光固化原理

4.1.1 更科學的固型模式：在打印機外部裝殼，并在機身結(jié)構上加一個能夠發(fā)射紫外光的發(fā)射裝置，使可溶液到達熱床的瞬間便能固化成型。

4.1.2 更優(yōu)越的精確度：相比于常規(guī)的FDM 3D 打印機，本設計采取部分光固化的原理，提高了打印的精確度；擴寬了可使用的打印材料的選取方向。

4.2 螺旋式輸送可溶液

4.2.1 更可靠的輸送方式：這種輸送方式可以輸送半固態(tài)或液態(tài)材料。

4.2.2 更人性化的打印模式：螺旋式輸送解決了因為供料斷絲而人員不在現(xiàn)場造成的打印失敗，提高了3D 打印機的使用方便性；同時可人為控制螺桿旋轉(zhuǎn)的速度進而對供料量進行控制；且實現(xiàn)了可溶液編輯調(diào)控成型設計。

4.2.3 成本更低的耗材模式：對比于常規(guī)的光固化3D 打印機，通過螺旋式輸送，可以控制其打印材料輸送量以保證其消耗程度，減少打印過程中不必要的浪費，降低了耗材成本，圖5。

圖5

建立物料流率模型進行CAE 分析，建立管道流體流動模型。為簡化問題，作出以下的假設：假設物料體積元素與螺旋面的相對運動不考慮滑動[5]。且確定了本設計使用最普遍的單線頭恒螺距300梯形截面的螺桿做為3D 打印機擠出螺旋桿輸送原料，那么螺旋軸螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)角為相同的平均螺旋角。排除了螺旋角不同造成的數(shù)值分析干擾。

當物料從送料口進入螺桿旋轉(zhuǎn)管道，由于螺桿的向前轉(zhuǎn)動，物料大部分是向前堆積。但當物料的投入逐漸增多，通過螺桿的不斷轉(zhuǎn)動，物料漸漸被均勻的填充在管道中。更加易于熔融材料擠出成型時的均勻分布。

5 結(jié)論

為達到使用液態(tài)或半固態(tài)材料進行3D 打印成型的目的，提出并設計了紫外固化室溫硫化硅橡膠3D 打印機。采用螺旋式輸送裝置，通過控制電機的速度可控制輸送融液的速度，以達到更好的精度。并通過加裝紫外線照射裝置及3D 打印機外殼保護裝置達到紫外固化的目的。本設計可承受的壓力范圍大、流量范圍更廣，運送液態(tài)材料的種類和粘度的適用范圍更大，且流量均勻連續(xù)、振動小、噪音低。整體結(jié)構結(jié)實，易保養(yǎng)安裝維修。