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3D打印机头的设计与制造
3D打印机头的设计与制造
(小组题目:
3D打印机研制)
3D打印机头的设计与制造
摘要
3D打印技术是是当今世界上快速发展的一种制造技术,和传统去除材料制造方式不同,3D打印技术采用增加材料制造的方式,利用CAD、Pro/E等三维建模软件制作三维图像,使用金属材料制成的粉末或塑料等材料的粉末或颗粒或线材进行一层一层打印。
熔融堆积(FDM)3D打印技术的基本原理是,熔化ABS塑料、PLA等材料线材,从喷头挤出堆积打印的技术。
喷头是熔融堆积3D打印机最关键的部分,喷头的主要组成部分为推送装置,加热装置喷嘴和冷却风扇,线材被送料齿轮推动送到加热装置中被电阻丝加热,加热液化后从喷头挤出,经过风扇冷却定型,通过多层堆积形成最后成品。
关键词:
3D打印;熔融堆积;数字模型;金属粉末;塑料
英文题目
Designandmanufactureof3Dprinterhead
Abstract
3Dprintingtechnologyisarapidlydevelopingmanufacturingtechnologyintheworld.Differentfromthetraditionalmanufacturingmethodofremovingmaterials,3Dprintingtechnologyadoptsthemethodofincreasingmaterialmanufacturing,using3DmodelingsoftwaresuchasCAD,Pro/Etomake3Dimages,andusingpowderorparticleorwirerodmadeofmetalmaterialssuchaspowderorplastictoprintonelayerbyone.ThebasicprincipleofFDM3DprintingtechnologyistomeltABSplastic,PLAandothermaterialsandwires,andextrudetheprintingtechnologyfromthenozzle.Thesprayheadisthemostcriticalpartofthemeltstacking3Dprinter.Themaincomponentsofthesprayheadarethepushingdevice,theheatingdevicenozzleandthecoolingfan.Thewireispushedbythefeedinggeartotheheatingdeviceandheatedbytheresistancewire.Afterheatingandliquefying,thewireisextrudedfromthesprayhead,cooledandfinalizedbythefan,andthefinalproductisformedthroughmulti-layerstacking.
Keywords:
3Dprinting;additivemanufacturing;digitalmodel;metalpowder;plastic
1前言
1.1序论
随着科技的发展,工业制造模式也逐渐改变,新产品开发的速度越来越快,传统的大规模制造的工业模式已经无法满足人们的需要,3D打印技术应运而生。
传统的大规模制造模式在制造大量产品时可以降低成本,而在制作小批量产品时由于昂贵的开模费用导致成本居高不下,而使用3D打印技术进行开模则可以有效降低成本。
而后三维打印技术被直接应用于制造产品和零部件,如今该技术在首饰制造、鞋类生产、工业方面设计、建筑行业、工程制造和建筑施工、汽车制造、航空航天领域,牙科和医疗业、公立和私立教育、地理位置的导航系统、自然改造工程、兵器制造等其它领域都有应用。
工艺熔融沉积制造技术FDM(FusedDepositionModeling)在1988年被发明,发明人是美国人ScottCrump,熔融堆积三维打印技术打印的材料一般为熔点较低的热塑性塑料,例如PLA材料、尼龙材料、ABS塑料、蜡等热塑性材料,原材料以线材状态在原料盘上被供料,原料被加热装置加热从喷头内被挤出,喷头由点到线,由线到面地在需要制作物品的横截面上移动,熔融状态的材料被从喷头挤出并与附近的材料凝结在一起。
熔融堆积三维打印技术属于较为早期的三维打印技术,经过数十年的发展,已经成为应用最为广泛的三维打印技术之一。
在熔融堆积三维打印技术之后,很多三维打印技术快速发展了起来,例如光固化成型(SLA)三维打印技术、分层实体制造(LOM)三维打印技术、选域激光粉末烧结(SLS)三维打印技术、形状沉积成型(SDM)三维打印技术、基于喷射的三维成型技术(JettingTechnology)、多相喷射沉积(MJD)的三维成型技术等。
光固化成型(SLA)三维打印技术在业内号称最成熟的3D打印技术,从1977年就开始发展,美国Swainson公司在研发过程中发现可以使用紫外线来引发材料相变凝固,用这种方法叠层制造三维物体,但是由于缺少资金资助,这个项目在1980年被叫停。
在巴特尔实验室,时间为1984年,同类项目又被开展并被命名为光化学加工(PhotochemicalMachining)三维打印技术。
虽然当时的执政政府给这个项目提供了经济支持和实验室,但是最终这个项目也没有实现商业化。
美国人CharlesHull在1983年发明了光固化成型三维打印技术并且在1986年申请了专利。
1986年,CharlesHull在加利福尼亚州成立了3DSystems公司,公司主要负责将光固化三维成型技术商业化。
1988年该公司生产的第一台商业3D打印机SLA-250被推出,从这开始光固化成型技术在世界范围内得到广泛的使用。
光固化成型(SLA)三维成型技术主要是利用对光敏感的树脂作为打印原料,由于对光敏感的树脂在紫外线照射下会发生凝固,对光敏感的树脂一般为液态,在紫以外光线的照射下会引起聚合反应完成凝固。
SLA技术首先在一个层面进行铺粉,然后利用紫外线术对该层面切片进行由点到线,由线到面的照射从而完成绘制工作,然后重复该工作,最终得到3D实体。
其基本原理如图1.1所示:
图1.1光固化成型技术原理示意图
光固化成型(SLA)三维打印技术主要优点为:
是较早出现的三维打印制造成型工艺之一,已经非常成熟。
通过CAD或者Pro/E等数字模型直接制成成品,加工的速度很快,产品生产的时间周期较短,不需要切削工具或者加工模具。
打印精度高(在0.1mm左右)、表面质量较好。
光固化成型(SLA)三维打印技术主要缺点:
光固化成型(SLA)三维打印技术的制造价格很高,使用成本和维护成本相对较高。
对工作的环境要求较为苛刻。
打印材料是液体状态的树脂类材料,具有刺鼻气味和毒性,需要在密闭状态下避光保存,同时为防止被紫外线照射提前发生凝固反应,需要避光保存。
成型后的产品大多数为树脂材料类,使得打印成品的结构强度和对热的耐受性较低,不利于在较长时间内保存。
打印出的产品需用浓度为95%的酒精和丙酮进行清洗,并且再次通过紫外线照射进行固化。
分层实体制造(LOM)3D打印技术的应用虽然不是现在最多的,但是具有极其广泛的发展前景,该技术在发展过程中被不断完善,最终会在产品的设计和制造过程中占据越来越重要的作用。
分层实体制造技术主要使用的原料为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶,聚酯类热熔胶,尼龙类热熔胶或者其它热熔胶类混合物。
目前为止EVA材料被应用得最多。
热熔胶的优点为:
加热融化,室温固化,熔融状态下具备良好的粘性,可以对薄片材料进行黏结,黏结强度高,废料容易分离。
分层实体制造技术主要分为3个制造过程。
第一步首先要使用3D制图软件绘制产品的三维模型,然后将模型转化为STL格式,然后将STL三维文件导入负责切片软件进行切片。
第二步要制作底部支撑结构,由于制作成品体积较大,直接制作会不稳定,所以要制作基底,先在底部制作三五层材料,必要时进行加热使材料固化得更加完全。
第三步为加工的主要部分,利用热熔胶铺棍和激光进行产品的加工,在这个过程中,激光的移动速度,激光的功率,铺棍的移动速度等都会对产品的精度和牢固程度造成巨大的影响。
第四步为后处理部分,去除产品的预料,并且进行表面处理。
分层实体制造的基本原理如图1.2所示:
图1.2分层实体制造技术原理简图
在分层实体制造过程中,有若干因素会导致加工出现误差,首先3D模型在转换格式的时候会产生误差,不是所有3D格式都可以完美转换成STL格式。
在将STL格式文件输入切片软件的时候,也会产生一定的误差,切片软件由于设置不同,对同一STL格式文件的识别会产生误差。
设备在机械结构上存在一定的误差,从而导致加工过程中形成误差。
成型前后温度的不一致还会导致材料热胀冷缩形成误差。
选域激光粉末烧结(SLS)三维加工技术是最近30年以来快速发展的一种三维加工技术,选域激光粉末烧结三维加工技术可以加工多种材料,从金属乃至非金属都可加工,制造原理较为简单,不同加工材料切换时不用对设备进行大的改动,加工精度高,只要激光光束聚焦程度高,就可加工出精度极高的产品,不需要支撑结构,可以直接烧结制作零部件,不需要前后复杂的工艺支持。
众多优点使SLS技术成为当今在工业领域发展最快的3D打印技术。
SLS技术的基本原理是,利用co2激光作为能量源,在数字技术打的控制下,对区域内粉末状原材料进行扫描,扫描成型完一层之后,重新进行铺粉,再扫描下一层,最后形成成型件。
其基本原理如图1.3所示。
最后进行打磨和烘干等后期处理,得到最终的产品。
图1.3选域激光粉末烧结技术原理示意图
由斯坦福大学的AmonC.H等人合作研发,形状沉积成型技术主要特点在于与CNC数控加工技术的结合。
SDM技术将传统的CNC去除材料加工的技术与堆积增加材料的加工技术相结合,基本不受产品复杂程度限制,加工时可以先将熔融材料沉积到工件的成型表面上,然后通过机床刀具对工件表面进行加工的到工整的表面,最后进行喷丸等表面处理增加工件表面精度并且去除工件内部应力。
SDM技术相对于SLS技术的优势在于,对沉积成型时的精度依赖较低,可通过后期数控机床去除材料加工获得高精度的表面,同时加工过程中可对沉积技术和去除材料加工技术进行灵活结合,提高了加工效率。
形状沉积成型技术可以直接制造一些形状复杂的零件,也可以将多种材料融合在同一零件的制作中,提高零件的物理性能。
也可以在制造过程中就把复杂零部件结合在一起,形成一个无法拆分的活动部件,在达到功能的同时提高产品的强度和可靠性。
多相喷射沉积(MJD)是从90年代开始快速发展的一种成型技术,该技术使用熔融状态的金属雾化液滴直接制作毛坯或者成品。
在制造过程中,可以先喷射形成初步的产品,再进行轧制或者锻造,也可以通过离心原理在空管内部制造无缝钢管,也可以使用该技术和喷丸技术相结合,制作热喷涂涂层,该涂层由于在加热状态被喷丸所以没有应力,具备较好的物理性能和机械性能。
喷射沉积三维加工技术的技术构成是,熔化状态的加工原料从喷嘴流出,被喷口喷出的高压气体雾化并且喷向成型面表面,在此过程中较小的颗粒冷却成为固体,较大的颗粒保持液体状态并且裹挟较小颗粒在成型表面凝结沉积,形成毛坯。
在沉积过程中不同层面带来的温度积累不同,所以需要控制喷射速率,并且对基板和工件进行散热,来控制沉积的速度。
多相喷射沉积技术的基本原理见图1.4:
图1.4多相喷射沉积技术原理示意图
但是FDM3D打印技术相较于其它3D打印技术,具备如下优点:
1.机械和电子结构相对简单,维护成本低,设备可靠性高,运行安全。
2.成型速度快,用FDM技术打印的部件可直接使用,可以不经过再加工,节省时间。
3.可以使用石蜡打印部件模型,用于铸造,将蜡部件做进砂模中,浇灌金属进行铸造。
4.可以打印内部结构多样化的零件,如有复杂腔室和孔洞的零件。
5.原料在加工成型过程中无化学变化,形变量小。
6.原材料浪费少,几乎无材料损耗,寿命较长。
FDM3D打印技术也有如下缺点:
1.成型零件表面有条纹,表面精度较低,需要后期加工以提高表面精度。
2.沿成型轴垂直方向强度较低,需要通过交叉打印的方式来提高强度。
3.打印零件角度过大时需要制作支撑结构,在打印完成后去除支撑。
4.需要对整个零件进行填充涂覆,成型时间较长。
图1.5熔融沉积制造技术原理简图
1.2本设计的目的、意义及应达到的技术要求
3D打印机形式繁多,但大多数都应用于工业领域,由于大多数3D打印机成本较高,长期以来个人很难拥有一台3D打印机,如果在日常生活和DIY的过程中需要使用到一些异形件和非标件,需要进行定制,而传统的CNC数控加工虽然可以满足需求,但是成本较高,CNC需要为单一工件的加工单独设计夹具,并且需要多个步骤和夹具才能实现加工,费时费力。
而FDM3D打印技术可以在较低成本的情况下实单件零件的制造,对于家庭、个人DIY、工厂快速原型验证有着很大的帮助。
当产品上某个对精度要求不高的塑料件损坏后,不用苦于寻找替换配件而能通过一台平价的FDM3D打印机进行低成本制作,将损坏的产品复原功能。
在个人进行DIY作品时,如果需要制作复杂零部件或者非标件的时候,无需费尽心思设计工艺路线寻找厂商制作,只需要建模并用软件切片导入3D打印机中,只需等待零件打印完毕。
在工厂制造产品原型的时候,3D打印技术也能提供很大的便利,在制作对精度和强度要求不高的外观件时,可以直接打印使用,如果对外观要求较高,则可以在打印后进行表面处理、喷涂油漆等解决。
在需要制造金属零部件时,可以通过失蜡铸造法,先打印欲制造部件的蜡模,再进行铸造,铸造完成后进行表面处理得到成品。
本设计旨在制造一台价格低廉、人人都用的起的、可以满足生活中大多数物品所需精度的并联臂FDM3D打印机,可以打印一般的生活用品和一些空调、风扇等家用电器的损坏零件,花少量成本足不出户修复这些家电,使其恢复功能,也可以制作一些由塑料制成的玩具给孩子玩,锻炼小孩的创造力,甚至也可以打印蜡模,在家铸造一些低熔点金属制品。
图1.6利用熔融沉积技术打印的宫殿模型
本设计的意义在于可以以较低的价格实现以个人或家庭为单位拥有一台3D打印机,以解决生活中的问题。
3D打印机的缺点在于大规模生产速度较慢,适合用于制造原型和定制生产。
而个人和家庭则对多样化定制的需求比较强烈,每个人都需要解决不同的问题,则需要不同的产品,而且每个人对于同种产品的尺码和形状需求也不同,进行大规模生产不同尺寸将会提高成本,降低生产效率,而且即便可以生产不同尺码,也无法完全适配每个人。
如果大规模生产3D打印机,以个人为单位进行生产所需用品就可以解决这个问题,相关单位只需要根据个人需求不同进行建模,个人下载模型便可以打印自己所需的物品,随着时间的推移,3D打印热度的提升,相关的提供定制建模服务的行业也会越来越多,经过学习之后个人也可以通过相关建模软件进行建模,自己设计出理想的产品。
本设计的定位为家用和DIY级别3D打印机,用于打印热塑性塑料等低熔点加热可塑的材料,精度满足一般家用产品的需求,在无需进行后期处理的情况下可以直接投入使用,或者在进行简单的切除支撑后可以投入使用。
该设计要求能实现脱机打印,打印精度0.1mm,打印面积200mm*200mm*200mm,打印耗材为1.75mmPLA或1.75mmABS线材如图1.7所示。
图1.7PLA和ABS材料线材
1.3本设计在国内外的发展概况及存在的问题
随着现代工业的发展,加工技术不断升级,市场需求不断转变,制造业从传统他制造向全球化制造转变,智能制造技术不断发展,制造业响应市场需求速度越来越快,只要市场需要某种产品,工厂就能快速生产。
如果采用传统的加工模式,则在生产产品之前,需要准备工作用具,设计生产装夹用具,制定工艺路线等,使产品从设计到生产的时间边长。
三维打印技术的逐步发展,一直到大规模应用,可以促进制造行业的发展,并且已经极大地推动了新产品的研发模式。
图1.8Stratasys工业级3D打印机
FDM3D打印技术主要是将热塑性材料的线材如PLA、ABS、蜡等,由送料机构通过齿轮送入喷头,在熔化腔内熔化并从喷头喷出,同时喷头由点到线,由线到面,根据要加工部件的切片横截面绘制,材料被喷射到指定位置之后,随之时间的推移很快就冷却成为固体,与之前已经成为固体的材料相结合,最终形成产品模型。
工作原理见图1.5。
FDM3D打印技术可以快速实现三维模型和实体的转换,为设计师提供了极大的便利,可以快速验证产品结构的合理性、装配干涉、美观度等,便于设计师快速完善产品设计,使设计制造结合得更加紧密。
在模具设计和开发过程中,由于模具结构形状复杂,包括复杂曲面、筋和槽等结构,设计难度较高且容易失误,如果将模具成品加工出来以后再进行问题的检验则工期较长、成本较高。
用FDM3D打印技术则可以方便地验证产品合理性而且工期较短、成本较低。
图1.9工程师正在使用3D打印机验证设计合理性
FDM3D打印技术摒弃了传统去除材料的加工方式,采用低熔点热塑性材料或金属进行直接成型,原料浪费小,可以快速实现数十到数百件不同零件的小批量制造,在达成同样目的的同时,省去了传统工业模具和装夹用具的设计制造费用。
例如丰田公司利用3D打印技术在Avalon汽车4个门把手上就省下了30万美元,在太空环境下宇航员可利用3D打印技术打印所需的工具和零配件,减少了所需要携带的材料的总重量。
熔融堆积三维打印技术相对于传统加工工艺有很多好处,所以现在在加工制造业已经被经常用到,在制作人体古代替品、复制古代文物、三维打印食品等方面也得到了极大的应用。
在人体古复原方面,医生通过打印患者需要做手术部位器官的3D模型进行模拟手术,来降低手术的风险性,通过打印患者的骨模型来最大程度地代替患者因手术移除的骨如图1.10所示。
图1.10利用熔融堆积三维打印技术制作的下颚骨
3DSystems公司和好时巧克力公司合作,通过将巧克力熔化挤压成型的方式制作巧克力,实现巧克力的多样化生产,大大节省了模具费用如图1.11所示。
图1.11三维打印设备正在打印巧克力
熔融堆积三维打印技术是现在用得很多的一种三维打印技术,国内很对学者和国外不少研究人员都对其进行了很多学习和探究,并且在结果方面也是非常不错的。
开始是在原材料选取方面,熔融堆积三维打印机一般选用低熔点的线材,例如PLA塑料、ABS塑料、蜡等,只需将材料推入喷头内通过电阻丝加热即可进入熔融状态并且被挤出成型。
但是此类材料通过3D打印制成的产品在硬度、韧性、强度等方面都不如传统铸造制成的产品,因此国内外研发人员针对材料方面也在不断开发新材料,例如ABS-M30、ABS-M60、PC-ABS等材料,在原有材料的基础上进行了改进,增加了强度和FDM3D打印的适用性。
由于FDM3D打印技术在打印形状复杂、角度较大的材料时需要使用支撑,在打印完成后进行去除支撑,但是有时候模型过于复杂,导致支撑很难去除或者无法去除,为解决该问题,使用遇到水就会溶解的材料制作三维打印模型的支撑,例如聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)等。
随着环境问题的日益凸显和石油的消耗,科学家开始了环保材料的开发聚乳酸从玉米木薯等作物的淀粉中提取,具有可再生的有点,被认为是21世纪新型生态材料,将安全、绿色、低碳和3D打印技术结合起来,是3D打印技术和时代发展主题结合起来。
经过30多年的发展,目前FDM3D打印技术的发展方向是低成本、高精度方向,FDM3D打印机的价格一般在几千元至几十万元不等,近几年由于FDM3D打印技术的普及和平民化,出现了百元级的3D打印机,主要用于家用和DIY玩家制作零件,精度较低但是使FDM3D打印机走进了普通人的视野。
2013年3月,Stratasys公司发布了超大型快速打印成型系统Fortus900mc,成型尺寸高达914.4mm*696mm*914.4mm,精度为0.0015~0.0089mm,打印最小厚度为0.178mm,如图1.12所示:
图1.12大型快速打印成型系统Fortus900mc
国内企业太尔时代在吸收了清华大学的快速三维打印技术后,完成研发了Inspire系列的工业级熔融堆积三维打印机和UP系列的桌面级熔融堆积三维打印机如图1.13所示,其中UPPlus2的成型尺寸为140mm*140mm*135mm,打印最低厚度为0.15mm。
目前国际上先进的熔融堆积三维打印技术已经可以实现在一个丝的厚度层面达到600dpi的分辨率,多数熔融堆积三维打印机的垂直打印速度已经达到每小时25mm及以上,许多已经可以实现彩色打印。
2010年,Stratasys公司和惠普公司合并工作,由惠普公司OEM代工生产Stratasys公司的三维打印机,品牌使用惠普品牌。
2011年Stratasys公司收购了Solidscape公司,2012年Stratasys公司和以色列公司Object合并,Stratasys公司正在一步步成为行业巨头。
最近30年以来,国内许多高等院校已经开始开展三维打印机的自主研发,到目前为止已经取得不小的进步。
港台地区对于3D打印机的应用较早,但自主研发能力不足。
目前国产3D打印机与外国同类产品还存在较大差距,距离大规模工业应用还需时日,东南沿海城市的许多企业已经使用3D打印技术进行商业化运作,涉及到模具制作、样品开发、辅助涉及等多个领域。
图1.13UP系列的桌面级FDM3D打印机
全球3D打印业产值从1988年到2010年每年平均增长26.2%,并且从这以后还将持续增速增长。
估计到2020年为止三维打印行业的总价值将达到52亿美元。
但是目前3D打印技术在发展过程中仍有许多瓶颈,从成本上来看,虽然现在3D打印机已经大规模降低成本,甚至出现百元级别的FDM3D打印机,但是精度较差,不能满足工业应用的需求,而现在工业使用的三维打印机制造价格还是比较高。
从打印物品的材料来源种类来看,目前熔融堆积三维打印机打印的材料大多数都是有机塑料、聚合物材料等,大多数FDM3D打印机无法打印金属部件,而塑料部件的强度相对于模具铸造的部件来说强度较差,难以满足使用需求。
由于FDM3D打印的原理限制,使熔融堆积三维打印时,在打印精度方面,还有打印速度方面需要作出取舍,如果提高打印精度则打印速度就会降低,如果提高打印速度,打印精度就会降低。
最后3D打印技术的普及会使企业机密变得容易泄露,只需要有3D模型,就能打印出成品,而按照传统工业体系则需要一整套图纸、工艺路线图和夹具图纸等,安全性较高。
1.4本设计应解决的主要问题
目前,FDM3D打印机价格呈现下降趋势,但售价仍然很高,本设计试图以较低的价格制作出一台可以打印热塑性有机材料的3D打印机。
本设计以并联臂结构制作,将X、Y、Z三轴的移动转化为Z轴一轴的移动,则喷头步进电机控制的挤出量要和并联臂步进电机的移动量相匹配。
加热装置熔化材料的速度要和挤出速度一致,并且液化器内的温度要保持严格稳定,过高和过低的温度都将导致成型质量受到影响,所以需要加入温控反馈系统来控制液化器和喷嘴温度。
温度过高则降低电阻丝功率,提高散热风扇的转速,温度过低则提高电阻丝发热功率,降低散热风扇转速。
本设计FDM3D打印机头不仅挤出速度要和摇臂步进移动速率相匹配,还要能速率可调,以满足在拐角处打印以及中断式和跳跃式打印。
2本设计
2.1打印机头概
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