3D 打印中FDM 加工技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳 莉

（江西省井岡山經(jīng)貿(mào)學(xué)校， 江西 吉安 343699）

引言

FDM 是熔融成型法的英文縮寫（Fused Deposition Modeling）。作為一款新型工業(yè)制造方法，3D 打印技術(shù)集成了眾多領(lǐng)域中的高端新型技術(shù)，例如人工智能、新材料等。現(xiàn)階段，如果從印刷原理角度對(duì)3D 打印進(jìn)行分類，大致可以分為FDM、SLS、SLA、3DP 四類。其中，F(xiàn)DM 代表的是熔融沉積型3D 打印機(jī)；SLS 代表的是選擇性激光燒結(jié)型3D 打印機(jī)；SLA 代表的是光固化成型3D 打印機(jī)；3DP 代表的是三維粉末黏結(jié)型3D 打印機(jī)。FDM 型3D 打印機(jī)適用于家庭或者辦公室，這是因?yàn)榇祟愋?D 打印機(jī)不僅占用空間少、印刷材料幾乎無污染（特別是其PLA 材料可以降解），而且具有使用成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，F(xiàn)DM 型3D 打印機(jī)可以打印出一些結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品。除此之外，F(xiàn)DM 型3D 打印機(jī)與其他三類3D 打印機(jī)相比，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較低，符合研發(fā)周期短的項(xiàng)目所需[1-3]。

1 基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)工作原理

現(xiàn)階段，機(jī)械制造領(lǐng)域中的新技術(shù)層出不窮，特別是增材制造技術(shù)的出現(xiàn)使得機(jī)械制造跨上了一個(gè)新的臺(tái)階。在這個(gè)技術(shù)前沿領(lǐng)域中，依據(jù)加法原則的3D 打印無疑成為了增材制造技術(shù)的代表性的科技成果。與以往常規(guī)機(jī)械制造工藝相比，此項(xiàng)技術(shù)不僅使得機(jī)械制造產(chǎn)品的空間造型更加獨(dú)特，而且使得工期與成本均有所降低。

本文所涉及的基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)采用的是加法原則，其應(yīng)用分層制造原理，通過不斷地將不同層上的二維輪廓信息依據(jù)規(guī)則疊加，最終制成為三維模型。這是一種快速的3D 打印加工的方法。

FDM 型3D 打印機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的精密工業(yè)制品，擁有眾多零部件，例如工作臺(tái)、送絲機(jī)構(gòu)、加熱器、各類材料噴嘴、支撐、模型等（圖1），具體介紹如下：

圖1 FDM 型3D 打印機(jī)基本運(yùn)行原理圖

1）工作臺(tái)是3D 打印印刷的核心部位。

2）送絲機(jī)構(gòu)為擠出機(jī)構(gòu)提供了送絲裝置，將熔融后的材料擠壓出來，并在加熱室中加熱電線后，就會(huì)熔化并輸送到噴嘴中。

3）擠出機(jī)構(gòu)不僅承載的功能多，而且其結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。擠出機(jī)構(gòu)是材料填充、加熱、擠出必不可少的部分，是印刷材料的疊加的關(guān)鍵配件。

4）FDM 型3D 打印機(jī)的基礎(chǔ)還是依靠噴嘴打印二維平面的路徑的疊加來實(shí)現(xiàn)的。也就是說，在FDM型3D 打印機(jī)控制系統(tǒng)的操控下，工件是通過逐層黏結(jié)打印的，當(dāng)一個(gè)二維平面的路徑被噴嘴打印出來后，噴嘴隨即向上移動(dòng)一個(gè)距離，繼續(xù)下一個(gè)二維平面的路徑的打印工作，依次往復(fù)循環(huán)，直到打印終止命令發(fā)出。在上述過程中，基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)需要完成如下幾個(gè)步驟：一是設(shè)計(jì)；二是建立零件的CAD 模型；三是將零件CAD 模型轉(zhuǎn)換為STL 模型；四是數(shù)據(jù)處理。FDM 型3D 打印機(jī)數(shù)據(jù)處理流程，如下頁圖2 所示。

圖2 FDM 型3D 打印機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

2 基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)核心機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)總體設(shè)計(jì)

總體而言，F(xiàn)DM 型3D 打印機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成（圖3）。其中，軟件系統(tǒng)一般配置于與其相連的計(jì)算機(jī)主機(jī)。軟件系統(tǒng)根據(jù)STL 模型的3D 模型生成打印機(jī)可以讀取和作出相應(yīng)反應(yīng)的G 語言代碼，然后通過串行通信將其傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。在軟件系統(tǒng)中，一般是采用UG 實(shí)現(xiàn)3D 打印建模過程。借助UG 軟件繪制模型圖，并最終存儲(chǔ)為stl 格式的數(shù)據(jù)。

圖3 皮帶機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)軟件功能圖

圖3 FDM 型3D 打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系

控制系統(tǒng)不斷向機(jī)械系統(tǒng)輸送控制打印路徑。控制系統(tǒng)包括外部電路、溫度控制系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、工作流控制系統(tǒng)等。將CAD 設(shè)計(jì)出來的圖形，通過Cura 切片軟件以及Pronterface 可視化操作軟件，轉(zhuǎn)化成3D 打印機(jī)能夠執(zhí)行的代碼。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的位置和溫度信息將反饋到計(jì)算機(jī)。

機(jī)械系統(tǒng)主要是執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的各類打印任務(wù)命令。在機(jī)械系統(tǒng)中，成型加工過程容易產(chǎn)生成型件精度誤差問題，主要包括四個(gè)方面，分別是工作臺(tái)引起的誤差、同步帶發(fā)生形變誘發(fā)噴嘴定位誤差、電機(jī)部分結(jié)構(gòu)引起噴嘴定位誤差、擠料速度與掃描速度誤差等。

2.2 基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)入的三維模型切片進(jìn)行分層, 并根據(jù)設(shè)定的處理參數(shù)生成所需的G 代碼。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)框架

主框架現(xiàn)有的擠壓和擠出機(jī)構(gòu)包括主框架其他部分的擠壓機(jī)構(gòu)，用于軸保持傳動(dòng)的X 軸電機(jī)、Y 軸電機(jī)同步帶的印刷框架結(jié)構(gòu)機(jī)身接頭X 軸Y 軸傳遞給FDM 技術(shù)支持，并安裝擠出部件等。其直接影響證書印刷過程的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)Z 軸螺桿傳動(dòng)圖的三維打印和整形。

控制系統(tǒng)的擠壓機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌具有印刷過程中提供的來源。擠壓噴嘴結(jié)構(gòu)的定位印刷噴涂機(jī)系統(tǒng)2、3臺(tái)機(jī)械打印機(jī)采用框圖進(jìn)料機(jī)構(gòu)和擠出機(jī)的質(zhì)量機(jī)構(gòu)。無限進(jìn)料噴嘴的精確進(jìn)料機(jī)構(gòu)由單個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的噴嘴等組成。打印機(jī)構(gòu)用于準(zhǔn)確定位線材。機(jī)械送絲機(jī)的加熱結(jié)構(gòu)噴嘴可以三維打印零件等。

擠出機(jī)構(gòu)將打印線材設(shè)備。傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)線送絲和近送絲。執(zhí)行零件清單打印機(jī)結(jié)構(gòu)、車身結(jié)構(gòu)、負(fù)材料平滑運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和控制等。

2.3 基于FDM 技術(shù)的3D 打印機(jī)三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的FDM 型3D 打印機(jī)的擠出機(jī)構(gòu)在穩(wěn)定性和連續(xù)性方面往往存在一定的不足。為此，對(duì)于三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，以便于打印和成形過程的穩(wěn)定與連續(xù)。

在擠出機(jī)構(gòu)的選型上，本文設(shè)計(jì)選擇的是柱塞擠出機(jī)，原因在于其體積小、節(jié)省空間。在符合3D 打印實(shí)際需求的前提下，盡可能地節(jié)省設(shè)備空間，有利于其他部位的整體設(shè)計(jì)與機(jī)械系統(tǒng)的整合。

柱塞擠出機(jī)構(gòu)包括冷卻風(fēng)扇、環(huán)形散熱器、加熱模塊、噴霧和熱電偶等模塊。其原理是將加熱室中的實(shí)心線用作柱塞，將熔融的導(dǎo)線向前推，以便從噴嘴中擠出熔絲。

在機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的選型上，本設(shè)計(jì)選擇的是步進(jìn)電機(jī)。FDM 型3D 打印機(jī)噴頭在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下規(guī)則運(yùn)動(dòng)。其噴頭在移動(dòng)過程中遵循慣性定律。為此，要使其時(shí)間運(yùn)動(dòng)定位尺寸略大于其設(shè)計(jì)尺寸，用以避免因慣性造成的微量尺寸誤差。

印刷材料是高聚物，在熔融狀態(tài)下具有很強(qiáng)的黏性。有些電線會(huì)在加熱室的通道中積聚，這很容易導(dǎo)致擠壓機(jī)構(gòu)堵塞。為了解決擠壓機(jī)構(gòu)容易被印刷材料堵塞的問題，本設(shè)計(jì)采用了耐高溫且表面不黏的特氟龍軟管。此類軟管有利于提升轉(zhuǎn)輪中焊絲的流動(dòng)性。

4 結(jié)語

如今3D 打印中FDM 加工技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域開始被承認(rèn)與廣泛應(yīng)用。在FDM 型3D 打印機(jī)的輔助下，復(fù)雜零件的制造難度和操作難度均得到了降低。同時(shí)，生產(chǎn)同等規(guī)格復(fù)雜機(jī)械零件的經(jīng)濟(jì)效益也得到了保障。不過，此項(xiàng)技術(shù)仍有很多需要改進(jìn)的地方。