基于FDM 3D打印颗粒挤出机的结构设计研究.pdf
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1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言随着科学技术的发展,对智能化工业生产的需求越来越高,3D 打印已成为当今一种不可或缺的先进生产技术1,多品种、小批量生产模式已成为企业现代经营的一种方式2。3D 打印技术从 20 世纪出现到广泛应用,仅用了 30 余年时间。3D 打印机不仅用于工业生产,也逐渐进入家庭。目前 3D 打印机的机型有熔融成积型(Fused Deposition Modeling,FDM)、光 固 化 成 型(St
2、ereo Lithography Apparatus,SLA)、三 维 印 刷 型(3D Printing,3DP)、选 择 性 激 光 烧 结 型(Selective Laser Sintering,SLS)等,熔融成积型 3D 打印机适应范围广,主要耗材为 PLA、ABS,因无毒无害而受到推崇,可家用。常见的 FDM 打印机的结构有三角洲、COXY 以及比较经典的 I3 结构等。根据中国增材制造产业发展报告(2020年),中国 3D 打印产业规模为 208 亿元,同比增长32.06。伴随着产业发展,也出现了一些问题,如打印精度不够、打印速度不高、材料受限及废料处理等。其中,合理利用打印废料
3、,实现“绿色”打印是问题的重中之重。1 快速成型技术的原理和工艺过程与注塑磨具等传统加工方法不同,3D 打印技术使用多种建模、切片等软件,通过电脑程序控制机器挤出材料,通过多层累积叠加的方法产生新的家用或商用模具。先将用 UG、SolidWorks 等三维建模软件绘制的模型通过上机位以 STL 格式传输到 Cura 等切片软件,然后根据模型大小设置切成不同的“层”,也可根据不同的软件设置不同的支撑材料、支撑方式,不同尺寸的模型需要切片的时间也不同。打印系统模型如图 1 所示。在计算机规doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.017基于 FDM 3D 打印颗粒挤
4、出机的结构设计研究谭富德,王克用,郭根清,张凯,曾人宇(201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院)摘要 3D 打印过程中会出现粒料浪费,从而对环境产生不利影响,需要合理利用打印废料,实现“绿色”打印。根据熔体微分打印的原理,针对现有 FDM 型打印机产生废料无法处理的情况,设计并验证一种新型 FDM 3D 打印颗粒挤出机。对 FDM 3D 打印颗粒挤出机结构进行整体设计研究,并进行实验测试,精准控制喷嘴喷出的数量和挤出速率,提高废弃料的使用率,节约成本,提升了打印效率,实现最大程度的绿色设计,为后续研发具有更高效率、更低成本的颗粒挤出机提供参考。关键词 熔融沉积;3D 打印机
5、;绿色设计;颗粒挤出机 中图分类号 TP391.7 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0079-04引用格式:谭富德,王克用,郭根清,等.基于 FDM 3D 打印颗粒挤出机的结构设计研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):79-82.Research on structure design of 3D printed particle extruder based on FDMTAN Fude,WANG Keyong,GUO Genqing,ZHANG Kai,ZENG Renyu (School of Mechanical and Automotiv
6、e Engineering,Shanghai University of Engineering and Technology,Shanghai 201620,China)Abstract There is waste of granular materials in the 3D printing process,which has adverse effects on the environment.It is necessary to make reasonable use of printing waste to achieve green printing.Based on the
7、principle of melt differential printing,a new type of FDM 3D printing particle extruder was designed and verified to address the issue that the waste generated by existing FDM printers cannot be processed.Overall design and research on the structure of FDM 3D printing particle extruder and experimen
8、tal testing were conducted to accurately control the quantity and extrusion rate of nozzles,improve the utilization rate of waste materials,save costs,improve printing efficiency,and achieve maximum green design.This provides a theoretical basis for the subsequent development of particle extruders w
9、ith higher efficiency and lower costs.Key words molten deposition;3D printer;green design;pellet extruder收稿日期:2022-09-1380农业装备与车辆工程 2023 年定的路径下进行逐层打印,将熔融状态的丝材逐层堆积并与上一层成型部分的丝材粘结在一起,循环此过程,最终实现打印3。不同于减材制造方法,3D 打印是通过喷头、喷嘴进行材料堆积的一种制品加工方法4。打印工艺流程如图 2 所示。2 熔体微分 3D 打印原理及特点熔体微分 3D 打印是基于熔融沉积型方法的一种成型工艺,成型过程包括耗
10、材熔融、按需挤出、堆积成型 3 部分5,基本结构如图 3 所示。粒料在通过漏斗容器进入装置内后,在驱动电机的作用下,由螺杆向下施加一定的压力,推动已经加热的粒料向下运动,通过热流道后,经过阀针驱动装置向下输送给喷嘴,喷嘴在热力、动力、重力的共同作用下输送至喷嘴,最后由喷嘴挤出,实现层层打印。熔化的颗粒体的“微单元”按需填充相关区域,并层层堆积,最终形成三维制品。熔体微分 3D 成型方法有以下特点:(1)采用螺杆式供料装置,可使用一些在生产中出现的废弃材料进行利用,意味着并不一定要用固体丝材进行打印,增加了熔融沉积型打印机所用耗材的使用范围;(2)加入了熔体挤出控制装置,防止出现普通 FDM 3
11、D 打印过程中出现的喷头漏料,甚至溢出的情况;(3)通过一定的切片软件的操作,这种成型方法能够精准控制喷出的流量和挤出速率,提高废弃料的使用率,保护环境,节约成本,提高打印效率。3 颗粒挤出机 3D 打印机的设计 FDM 型颗粒挤出机设计主要包括:颗粒挤出机的组成,颗粒挤出机电机、喷嘴的选择,熔体内部结构设计等。挤出机设计图如图 4 所示。3.1 零部件组成FDM 颗粒挤出头装置由一个 42 步进电机、一个口径0.6 mm的喷头、喉管、特制螺钉、六角螺母、连接件、风扇、热敏、热棒及打印固定件组成。3.2 电机、喷嘴的选择选择电机时应考虑驱动电流和步距精度角等的因素,FDM 颗粒挤出机的驱动电流
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