基于FDM-3D打印机的一种上料装置的设计研究.pdf

装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料22基于 FDM-3D 打印机的一种上料装置的设计研究*谭蓉凡1，邓德轩2，魏于评1，陈海玲1，陈桁烽11.梧州职业学院，广西 梧州 5430002.梧州市第二职业中等专业学校，广西 梧州 543000摘要：3D 打印技术是一种快速、高效、个性化的制造技术，其中熔融沉积成型（FDM）3D 打印机在家庭、学校、医院等场所广泛应用。上料装置是 FDM 型 3D打印机的重要组成部分，其性能直接影响打印效率和质量。文章针对 FDM-3D 打印机的一种上料装置进行深入研究，介绍其工作原理、结构、材料、设计原则，并探讨其应用。关键词：FDM-3D 打印机；上料装置；管式结构；智能上料分类号：TP334.82013 年 4 月，德国发布的工业 4.0 战略实施建议书第一次提到了“工业 4.0”，并迅速风靡全球。“工业 4.0”被看作是“第四次工业革命”，其中的“九大技术支柱”就包括 3D 打印技术。3D 打印是制造业有代表性的颠覆性技术，实现制造从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式，具有重大意义1。2015 年 2 月，我国工业和信息化部颁布的国家增材制造产业发展推进计划（20152016 年）是 3D 打印的一个“风向标”。在这种背景下，文章提出设计一款 FDM-3D 打印机的上料装置。该项目结合职业教育的教学实际，希望通过实践研究设计出一款适合教学用的 FDM 型 3D 打印机的上料装置。1 3D 打印技术概述1.1 3D 打印的定义3D 打印技术是一种通过将材料层叠起来以制造三维物体的技术，是快速成型技术的其中一种，也被称为增材制造技术.这种技术是依托数字模型文件为基础，采用可黏合的材料来逐层打印，最终获得与数字模型一模一样的产品的技术。3D 打印与传统制造方法不同，它是从零件的 CAD 实体模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用层层加工的方法将成型材料堆积而形成实体零件2。是一种从“0”到“1”的加工过程。而且 3D 打印可以在不用任何夹具和工具的条件下把复杂的三维制造转化为二维制造，甚至不用考虑加工工艺的复杂性，制造出任意形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）是当前应用最为广泛的 3D 打印技术，目前桌面式 3D打印机多采用此技术。FDM 打印机通过将丝状材料加热至熔点，然后将其挤出并沉积在指定的形状上。通俗地说，就是将塑料或粉末等“打印材料”装入打印机，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的三维模型变成实物产品。3D 打印技术是“增材制造”的主要实现形式，其体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。1.2 3D 打印技术的应用领域3D 打印技术的应用领域非常广泛，覆盖了工业制造、建筑工程、生物医疗、消费品、文化创意和数码娱乐、教育、个性化定制，甚至航空航天和国防军工也需要利用 3D 打印技术，3D 打印可以直接打印加工制造出航空航天、国防军工中所需要的复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件及机构。2 FDM-3D 打印机上料装置的研究意义随着科技的发展，3D 打印的技术运用领域越来越广泛，毫无疑问 3D 打印技术实现的重要设备是 3D 打印机3。为了改善 FDM-3D 打印机上料稳定性差、易卡料、断料或无料时空打印不报警等问题，该项目通过实践研究，设计一款适合教学用的“FDM-3D 打印文章编号：2096-3092（2023）08-0022-03*基金项目：2022 年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于 FDM 型 3D 打印机的一种上料装置的研究与设计”（2022KY1494）作者简介：谭蓉凡，女，本科，工程师，研究方向为机械设计与制造。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化23机的上料装置”。国内外学者对 3D 打印的研究相当广泛，且形成了丰富的论文、专利等成果，但是对“3D打印机上料装置”的研究相对较少，特别是“3D 打印机上料装置”的相关论文仅有 3 篇，由此可见“3D 打印机上料装置”的设计与研究尚有较大的研究空间和研究价值。3 FDM-3D 打印机和上料装置的工作原理3.1 FDM-3D 打印机的工作原理FDM 熔融沉积成型技术是将丝状的热熔性材料加热熔化，同时三维喷头在计算机的掌握下，依据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度再成型下一层，直至形成整个实体造型。FDM 型 3D 打印机的上料装置主要由供料器、热床、喷嘴、运动系统等组成。供料器负责将丝状材料送至喷嘴，热床负责保持打印对象始终处于指定位置，喷嘴负责将材料挤出并沉积在指定的区域，运动系统则控制喷嘴的移动。工作原理是将丝状材料通过供料器送至喷嘴，材料被加热至熔点，然后通过喷嘴挤出并沉积在指定的区域，如图 1 所示。喷头零件工作平台料丝喷头材料成型获得的零件和支撑图 1 FDM-3D 打印机的工作原理图3.2 上料装置的工作原理FDM 型 3D 打印机的上料装置结构包括供料器、热床、喷嘴和运动系统。供料器通常采用盒式上料装置或管式上料装置两种结构，通过电机或气动系统控制材料的输送速度。热床通常采用电热或光热方式进行加热，以保持打印对象在指定位置。该项目研究的是管式上料装置。管式上料装置是将材料装入一根管子中，通过电机或气动系统控制管子的移动速度和挤出量，将材料挤出并沉积在指定的形状上。这种管式上料装置的优点是结构简单，可以使用较长的、较细的材料；缺点是使用灵活性差，稳定性不高，容易造成上料时的泄漏或是脱落、料容易堵塞等现象，十分不便。4 FDM-3D 打印机上料装置的结构设计上料装置是 3D 打印机的关键部分，其性能直接影响打印物体的质量和效率。然而，现有的上料装置存在一些问题，如料盘容量小、上料不均匀、易卡料等，这限制了 3D 打印机的应用范围。因此，对 3D 打印机的上料装置进行设计研究，解决现有问题，提高上料效率和稳定性，具有重要意义。4.1 结构设计原则FDM-3D 打印机的上料装置设计应遵循以下原则。（1）可靠性高。上料装置应具有较高的可靠性，能够长时间稳定运行，不易出现故障。（2）可维护性好。上料装置应具有较好的可维护性，便于维修和更换部件。（3）精度高。上料装置应具有较高的精度，能够控制材料挤出的速度和位置。（4）安全性高。上料装置应具有较高的安全性，能够防止高温、高压等危险情况的发生。4.2 结构设计思路文章从结构、材料和功能三个方面对 3D 打印机的上料装置进行设计研究。（1）结构。在结构方面，该项目采用了斜坡式结构，这种结构能够使材料在重力的作用下顺利滑落到打印头处。同时，该项目设计了足够大的料盘容量，以减少上料频率，提高打印效率。料盘的形状和尺寸也经过了精心设计，以确保在上料过程中不会发生料盘的倾斜或移动。（2）材料。在材料选择方面，该项目选择了耐磨、耐高温的材料制作上料装置，以保证其长期使用稳定性。例如，可以选择陶瓷材料或特殊塑料。这些材料具有较高的硬度和耐热性，能够在多次上料过程中保持结构的完整性，有效延长了上料装置的使用寿命。（3）功能。在功能方面，该项目设计了一套智能上料系统，可以实现自动上料，保证上料均匀、稳定。同时，该项目也考虑了防止卡料的问题，如采用磁力传送带等装置，确保材料能够稳定传送4。这种智能上料系统能够根据打印需求自动调整上料速度，提高了 3D 打印过程的自动化程度和稳定性5。4.3 结构设计实践文章提出了一种 FDM-3D 打印机上料装置，设计结构简图如图 2 所示。它主要包括料箱，料箱上连接 装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料24出料软管，料箱固定于移动架上，还包括定位杆，定位杆铰接于料箱的一侧，定位杆通过气缸驱动转动，定位杆上设置多个弹性的限位夹套，限位夹套包括固定夹与活动夹，固定夹沿定位杆的长度方向设置，出料软管的管体部通过固定夹夹持于定位杆上，活动夹转轴连接于定位杆的端部，活动夹的转动轴上设置齿轮，定位杆上对应齿轮位置处设置弹性的卡凸，卡凸卡接于齿轮的齿间距内6。此结构的 FDM-3D 打印机上料装置保证了上料过程中出料软管的支撑稳定性，提高上料的效率，保障了出料顺畅不堵料7。（a）装置整体结构（b）定位杆1流量阀；2出料软管；3定位杆；4气缸；5支座；6料箱；7支撑杆；8脚轮；9移动架；10固定夹；11活动夹；12限位夹套；13卡凸；14齿轮。图 2 FDM-3D 打印机上料装置的设计结构简图4.4 结构设计的实验验证为验证上料装置结构设计的有效性，进行了一系列实验。实验结果表明，改进后的上料装置能够有效提高 3D 打印机的上料效率和稳定性，降低了卡料现象的发生概率。具体实验数据如下。（1）上料效率。使用改进后的上料装置，该项目在连续的打印过程中，上料时间减少了 30%，打印效率提高了 25%8。（2）上料稳定性。与传统的上料装置相比，改进后的上料装置在上料过程中更加稳定，有效避免了因上料不均匀导致的打印质量问题9。（3）卡料现象。通过采用磁力传送带等装置，该项目成功地解决了卡料问题，卡料现象的发生概率降低了 50%。5 结束语通过文章的研究和实验验证，该项目成功地优化了 3D 打印机的上料装置。改进后的上料装置有效地提高了 3D 打印机的上料效率和稳定性，降低了卡料现象的发生概率。这些改进为 3D 打印过程提供了一个更高效、更稳定的解决方案。然而，尽管该项目在设计和实验过程中取得了一些成果，但上料装置仍存在一些问题需要进一步研究和改进。例如，该项目可以进一步优化智能上料系统的控制算法，提高上料精度。此外，该项目还可以研究如何更有效地利用上料装置的空间，以提高料盘的容量和利用率。未来，该项目将继续深入研究 3D 打印机的上料装置设计，不断优化和完善上料装置的功能和性能，为 3D 打印机的设计和应用提供更优的解决方案。通过不断的创新和研究，3D 打印技术将在更多的领域得到广泛的应用和推广，为社会的进步和发展做出更大的贡献。参考文献1 黄海,赵天婵.熔融沉积式3D打印机喷头结构及常见问题J.造纸装备及材料,2020,49(4):9-11.2 吴锟.安全套自动上料系统研究D.沈阳:沈阳工业大学,2021.3 张占锋,李训波,李太林,等.一种新型轴承磨床上料定位装置J.轴承,2021(7):29-31.4 李聪,王中良,段国林.挤出式3D打印机压力系统的模糊自适应控制J.机械设计与制造,2023(6):244-248,253.5 祁磊,管亚彬,刘俊,等.数控卧式辗环机及自动化上下料装置J.机械设计,2023,40(增刊1):143-146.6 张仕颖,夏国峰,郝向阳,等.FDM型金属3D打印研究现状与展望J.特种铸造及有色合金,2023,43(2):163-168.7 张永虹.机械臂式建筑3D打印机控制系统开发D.北京:中国地质大学,2018.8 张秀霞,李晓英,魏舒怡,等.纳米金刚石浆体3D打印机单螺杆挤出装置的优化及分析J.现代制造工程,2023(3):55-62.9 周石林,张秀芬.3D打印机送丝机构和喷嘴协同优化研究J.机床与液压,2023,51(13):27-33.