双喷嘴3D打印机挤出机构的设计与分析

杨 志 宋天麟

（1.苏州大学 机电工程学院，苏州 215000；2.苏州大学 应用技术学院，昆山 215325）

近年来，先进制造技术一直是主流的研究方向，3D打印技术随之进入公众的视野，3D打印在产品设计、产品制造、建筑工程、生物医疗等领域产生了重大的影响[1]。对于内部结构复杂的产品，3D打印具有加工周期短、加工精度高、能满足基础模具要求等优势[2]。在这个个性化的时代，其在私人定制、工艺品方面也有着不凡的成就，在3D打印技术不断发展的今天，对于效率和精度的要求越来越高，美国、日本等国家在多喷嘴打印喷头方面的研究处于领先地位，国内对于这种技术的研究意义重大。

1 喷墨式打印机的工作原理分析及方案设计

1.1 3D喷墨打印机的工作原理

3D喷墨打印和传统平面打印的工作方法类似，它是利用喷嘴连续在工作平面点胶，在每层平面点胶完成后，利用激光器照射使其迅速固化的原理。喷墨式打印机是以液态介质丙烯酸树脂、丙烯酸酯化的丙烯酸酯树脂、聚氨酯丙烯酸树脂等为喷射材料。

目前，国内外3D打印设备大多数采用由点成线、由线成面、最后由面的堆叠形成三维实体[3]。所以，打印机必须拥有至少3个自由度，3D喷墨打印机的基本结构如图1所示。喷头部分X方向由伺服电机控制，丝杠带动喷头在水平面上左右平动，工作平面由三角形传送带在Y轴方向移动，Z方向上由一组伺服电机控制喷头部分上下移动，如图2所示。

图1 MJM型喷墨打印机结构图

图2 喷头剖视图

1.2 两喷嘴喷头设计

传统的喷头挤出机构方式有热发泡式、压电式等，驱动机构的选择决定着打印速度和精度。对于热发泡式挤出方式，由于喷头长期工作于高温环境下，喷嘴会严重腐蚀，同时容易引起堵塞。压电式驱动方式比起热发泡方式拥有更多优势，压电喷墨技术对墨滴的控制能力更强，并且墨滴微粒更加规则、定位更加准确。目前，国内对单喷头喷射机构的研究已经比较成熟。1988年，清华大学开始研究熔融沉积制造技术；2001年，西安交通大学开始研究压电式打印喷头；2006年，华中科技大学利用气压作为驱动力，进行喷头设计。多喷嘴挤出机构目前也处于研究阶段，长春工业大学对三喷嘴挤出机构进行研究[4]。

笔者设计的是单杠两喷嘴的喷头系统，只考虑两喷嘴同时工作的情况下，能够正常工作的驱动系统，双喷嘴开闭控制在这里不作详细叙述。试验加工制备的喷嘴具体参数如图2所示。进料腔直径D=9mm、分流管直径d=4mm、喷嘴直径r=0.2mm、喷嘴长度L=0.3mm、合流角α=115°，它们是进行多组试验得到的参数值。

2 驱动系统

压电陶瓷在精密设备中应用广泛，在对压电陶瓷施加电场时，压电陶瓷会产生逆压电效应。本文设计的是以树脂作为成形材料的喷头机构，压电陶瓷相比其他驱动器，有较宽的黏度（1～25mPa·s）和一定张力适应范围（30～50mN/m）。但压电元件有一定的局限性，压电陶瓷变形只有本身长度的千分之一，5cm的压电陶瓷最大变形只有 0.04～ 0.05mm。

2.1 放大驱动机构

由于双喷嘴喷头对喷射料量有一定的要求，因而所需驱动力和驱动位移明显大于单喷嘴结构，压电陶瓷直接驱动不能达到行程要求。

受限于压电片伸缩特性，国内一些高校和研究所开始对喷头喷射的辅助机构进行了相关研究[5]。张自强提出了活塞式挤出机构和滑片泵挤出机构，前者是通过步进电机将熔融材料通过喷嘴挤出，完成一个喷射过程，后者是通过转子转动带动叶片，利用转子的偏心放置形成正负压实现自吸和喷射[4]。张斌提出了柱塞泵挤出机构，利用杠杆原理实现喷嘴喷射[6]。微位移机构一直是精密仪器、航空航天领域研究的重点，柔性铰链的无机械摩擦、无间隙以及运动灵敏度高等优点解决了传统机械结构上的一些缺陷。基于压电片的伸缩特性，本文设计的柔性铰链作为放大驱动机构，如图3所示。

图3 放大驱动机构

由图3可以看出，半圆弧节点处宽度很小，在其中一端受力的情况下会产生变形，所以这种机构可以充当位移放大机构。在运动载荷下，要求材料的屈服强度高和弹性性能好，一般选用铍青铜或弹簧钢材料，它们的弹性模量分别为135GPa和210GPa。为了满足位移输出要求，所采用的是两极放大机构，其放大倍数取决于两极放大倍数的乘积。第一级放大倍数A1=b/a，第二级放大倍数A2=（c+d）/c=1+d/c，总的放大倍数是A=A1A2=（b/a）（1+d/c）。经试验验证，要使双喷嘴同时工作，必须保证放大机构输出位移在0.4～0.7mm，才能保证喷嘴正常工作。为了结构紧凑，选取的压电堆栈越小越好，但同时也要考虑与放大机构的配合，故选取压电堆栈长度为50mm，压电堆栈位移试验数据如表1所示。

表1 不同电压下压电堆栈的输出位移

由表1可知，在无载荷的情况下，压电堆栈输出位移与输入电压呈线性关系，在电压达到120V时，压电堆栈的输出位移已经接近于压电陶瓷本身长度的千分之一，此时不需要再进行后面的试验。在120V的工作电压下，选取放大机构的放大倍数为15倍，杆长为a=3cm，b=9cm，c=3cm，d=12cm。

2.2 放大机构位移损失分析

柔性铰链放大机构采用的是杠杆放大原理，由于柔性铰链在支点处较为薄弱，在受到力的作用下会在支点处产生变形，减小放大机构理论的放大倍数，直接影响输出端的输出位移，对喷头的喷射产生一定的影响。现在对放大机构在负载情况下进行分析，假设放大机构承受的负载为F，支点处会受力产生变形，变形主要是半圆弧变截面处产生的拉压变形。柔性铰链放大机构支点最薄处厚度t=1mm，圆弧半径r=1.5mm，轴向厚度b=4mm，m为径向自变量，其一端中点处定义为坐标轴原点，可以得到变截面处厚度随径向m变动的表达式。

因为设计的放大机构是对称的，水平方向位移损失抵消，所以只用考虑竖直方向的位移损失，基于胡克定律的拉压关系：

式中，FN为拉力或压力；l为杆件原长；E为弹性模量；EA为抗拉刚度。

所以，变形量为：

通过计算可得，以上各点的所受拉力和压力分别为：

选取两极放大机构中受力最大的支点1、3作为研究对象，来计算位移损失的大小。设1、3支点的变形为Δ1、Δ3，总输出位移为x1，计算可得：

利用气压作为驱动源进喷射试验的过程中，测出供料的压强在0.4～0.5MPa。试验得出放大机构总的输出位移为0.525mm，放大比约为10.9，可以满足喷头喷射要求。

3 结论

本文基于柔性放大机构的模型，根据不同的放大倍数，可以有效控制输出端的输出位移，对单喷嘴和多喷嘴机构都有着良好的适用性。柔性放大机构的设计以及变形分析，也为3D打印驱动方式提供了一种参考。