管道内壁3D打印机研究

杨锋 卢艳 王丽 金礼舒

摘 要： 3D打印技术已取得长足的发展，可以用于实体构件的打印，基于此原理研究出一种能够对管道内壁进行3D打印的打印机。

关键词： 管道内壁;3D打印;增材制造

1 技术研究背景

3D打印技术利用纸层叠、光固化等技术，它与普通打印的原理相同，通过打印机内部的打印材料，按照相关控制程序打印出实体的结构件。目前，3D打印技术已普遍用于工程制造，尤其是对于非批量制造的产品，3D打印在医学上也有普遍的应用，可以3D打印人体的牙齿和关节等。南通理工学院3D打印技术研究所依托于增材制造实验室，成立于2015年9月，主要研究三维数字化建模，3D打印材料、成型工艺及装备的研发。在成立初期，我们采购了大量的3D打印设备，包括个人级打印设备、专业级打印设备，甚至一台工业级光固化3D打印设备，在发展过程中已成为江苏省设备较先进的3D打印中心。除了购买设备外，我们也希望能自主研发一些具有特色的新型3D打印设备，我们在研究过程中发现，现有的打印机，基本上都是对一个平面物体作为基材进行打印的传统打印机，而对管道内壁等特殊部位进行打印的非传统打印机很少，故我们研究了一款用于管道内壁的非传统打印机，该技术已申报发明和实用新型专利，实用新型专利已授权，发明专利已进入实质审查阶段[1][2]。该技术一方面可以有一定的应用前景，另一方面也是对传统3D打印技术的补充，可以开拓学生的思路，起到更好地培养人才的作用。

2 管道内壁3D打印的优势及机构的行走

管状物是一种常见的结构，典型结构是管道。让管道内壁呈现出一定的花纹可以使其更生动，普通的运输用的管道是不用雕刻的，但一些用于展示的管道则需要雕刻，如肝内管道模型，为了使其更生动，需要在管道内雕刻成实际胆管形状并涂色[3]，使用3D打印技术也可实现管道内壁产生图案的功能，而且不用涂色，直接使用所需颜色的3D打印材料进行打印即可。3D打印相对雕刻来说还有一个好处是即使对于很薄的管道也适用，因为雕刻属于减材制造，对于很薄的管道难以进行有效的处理，会使管道过薄影响强度甚至穿孔，而3D打印属于增材制造，不会出现这类问题。3D打印还有一个好处是可以在管道内壁打印一些附属结构，如安装挂钩，对于很长的管道直接安装比较困难，而随着3D打印技术的成熟打印一个则较为容易。要对管道内壁进行有效的3D打印，需要打印机能够在管道内壁行走，而管道内壁行走装置市场上有很多，而且几乎什么规格的都有，故没有必要专门制造，可以从市场上购买现成的管道内壁行走装置进行改装，以节约成本。能够在管道内壁行走的行走机构由3个的支架组成，3个直接连接在中间一根中心杆上，每个支架与其余两个支架的角度均为120°，支架的末端连有2个轮子。市场上的行走机构有两种，一种本身没有动力，无法直接行走，需要有人拿着一根绳子在外面拉着;另一种可以主动行走，行走甚至可以受单片机控制，末端的滚轮包括主动轮和从动轮，主动轮与电机连接，受电机驱动，从动轮负责支撑。管道内壁3D打印机应该选用能够在管道内壁自动行走的，因为3D打印对精度有一定的要求，如果用手工拉动，精度无法保证。

3 管道內壁3D打印机研究

管道内壁3D打印机选用合适的管道内壁行走装置后，需要在行走装置的前端安装3D打印装置，打印装置安装在行走机构的中心杆上，与中心杆直接相连的是一个电机，电机轴从侧面伸出一个垂直于电机轴的伸缩杆，电机控制伸缩杆沿着管道内壁做圆周运动，而管道内壁行走装置控制管道内壁3D打印机在管道内壁进行轴向运动。伸缩杆的顶部安装有3D打印头，3D打印头可以对管道内壁进行3D打印。通过行走装置的轴向运动和伸缩杆的圆周运动，可以让3D打印头移动到管道内壁的任何一个位置并进行3D打印，之所以要设置成伸缩杆是因为在管道内壁打印出的图形是立体的。3D打印机示意图如下图所示。

管道内壁3D打印机

3D打印机的打印方法有很多种，作用在管道内壁用送丝式的3D打印方法比较好，将3D打印材料制成打印丝，再通过送丝装置将3D打印材料源源不断地送至3D打印头中，因为对管道内壁进行3D打印时需要3D打印头做360°转动，所以像光固化这种依赖于重力的3D打印方法无法正常使用。为了保证送丝方便，需要在管道内壁行走机构的中心设置用于绕丝的线圈，将3D打印丝缠绕在线圈上，通过放线装置来实现供丝，否则打印丝容易搅进行走机构并影响打印机的行走。

对管道内壁进行3D打印时需要保证打印的精度，而如果主动轮在管道内壁行走时打滑则打印精度无法保证，防止主动轮打滑有两种办法，一种是在主动轮外侧安装防滑橡胶，但这种办法只能减缓打滑，不一定能完全防止打滑;另一种方法是在3D打印机远离3D打印头的端部安装激光测距仪，激光测距仪正对着独立设置的激光测距仪挡板。管道内壁3D打印机在管道内壁移动时，它的相对位置会发生改变，激光测距仪与激光测距仪挡板的距离也会发生改变，故通过控制激光测距仪与激光测距仪挡板的距离就可以实现管道内壁3D打印机对管道内壁的精确打印，但激光测距仪的精度必须要满足要求。

4 结语

管道内壁的3D打印是对打印技术的新的构想，它破除了传统的3D打印方式，是一种创新。

参考文献：

[1]杨锋，姜杰，林盛昌，等.一种管道内壁3D打印机[P].中国专利：201821966126.4，2019-06-25.

[2]杨锋，姜杰，林盛昌，等.一种管道内壁3D打印机[P].中国专利：201811426030.3，2019-02-15.

[3]汤陈琪，罗小龙，吕润潇，等.一种制作肝内管道标本的雕刻涂色法[J].四川解剖学杂志，2013，021（002）：77-79.

基金项目： 南通理工学院中青年科研骨干培养计划（ZQNGG312）

作者简介： 杨锋（1983—），男，江苏南通人，硕士，工程师，研究方向为金属表面处理与腐蚀防护、重工业、高等教育。