硅膠3D打印機
作者:段金昊 薛帥 杜伯源 機械工程系
指導(dǎo)老師:邵珠峰 機械工程系
關(guān)鍵詞:硅膠 3D打印 軟體材料
摘要
現(xiàn)有的3D打印機大都無法打印柔性材料,打印硅膠等柔性材料的3D打印機存在體積龐大、流程復(fù)雜、打印效率低等問題。針對現(xiàn)有打印機和打印工藝的優(yōu)勢和不足,本項目在一臺桌面級3D打印機的基礎(chǔ)上開展改裝和打印工藝研究,以Dow Corning 737硅膠為耗材,開發(fā)了一臺桌面級硅膠3D打印機及其對應(yīng)的打印工藝。該打印機打印產(chǎn)品層間粘結(jié)度高、打印缺陷少,具有良好的力學(xué)性能;打印效率高,節(jié)約打印材料;打印機可額外加裝噴頭,以可溶性材料打印支撐結(jié)構(gòu),從而完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的打印。
項目背景
現(xiàn)有柔性材料的制造加工多以模具成型為主,其難以實現(xiàn)高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求,且時效性差。而現(xiàn)有的柔性材料3D打印技術(shù)大規(guī)模商用案例較少,且存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低下、成形效果和力學(xué)性能較差、成本高昂等缺陷。
該款硅膠3D打印機使用水合硅膠作為打印材料,固化方式簡單;采用氣動擠出,結(jié)構(gòu)簡單;在普通桌面3D打印機基礎(chǔ)上改裝實現(xiàn)功能,成本低廉。
機械結(jié)構(gòu)
設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)主要由運動模塊和擠出模塊組成。
運動模塊源于一臺桌面級FDM 3D打印機,包括機架、打印平臺、打印頭模組。打印平臺用導(dǎo)輪安裝于機架上,由一臺步進電機利用同步帶驅(qū)動,實現(xiàn)Y軸方向運動。橫梁和打印頭架組成打印頭模組。鋁型材橫梁通過導(dǎo)輪安裝于機架上,由兩臺步進電機利用絲桿機構(gòu)驅(qū)動,實現(xiàn)Z軸方向運動,打印頭架通過導(dǎo)輪安裝于橫梁上,由安裝于橫梁上的步進電機以及同步帶進行驅(qū)動,實現(xiàn)X軸方向運動。
擠出模塊主要包括高壓氣源、點膠機、點膠針筒、點膠針頭以及相應(yīng)的連接管路。高壓氣源利用引出的軟管,向點膠機供給高壓空氣。點膠機控制和保證輸出空氣的壓強,利用引出的軟管將壓縮空氣輸入點膠針筒。所用點膠機為一臺DLM 983A型點膠機,后續(xù)改裝中可直接用氣閥回路代替。
圖1 系統(tǒng)原理圖
打印工藝探究
對硅膠3D打印機打印工藝的探究,主要圍繞針頭內(nèi)徑、層高、針頭高度、打印速率、擠出速率、環(huán)境溫度與濕度等參數(shù)開展。經(jīng)過具體實驗以及對氣源供氣能力的衡量,后續(xù)打印過程主要選擇22G(內(nèi)徑 0.4mm)的點膠針頭。此外,根據(jù)打印過程中的實驗和觀察,對于22G噴頭而言,選擇層高0.2mm,針頭高度0.2~0.3mm或?qū)痈?span lang="EN-AU">0.3mm,針頭高度0.3~0.4mm時,打印效果較好且不易發(fā)生堵頭現(xiàn)象。同時,在實驗中還初步測試了擠出速率與推動氣壓的關(guān)系,繪制了壓強-打印速率曲線,保證打印速率與擠出速率匹配。
圖2 壓強-擠出速率測試結(jié)果
隨后,還進行了二維和三維流場仿真,探究打印和擠出速率間匹配關(guān)系對噴頭附近流場的影響、噴頭移動對擠出耗材切向受力的影響,驗證了以上參數(shù)選擇的合理性。
圖3 二維和三維流場仿真
打印成果展示
該打印機可實現(xiàn)空心球囊、長薄壁件、外耳模型、氣動手指等物品的打印,證明了該款打印機可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的高精度打印,達到了其高性能、低成本的設(shè)計目標(biāo)。
圖4 打印成果展示