3D打印机辅助进料装置的设计

陈金英 张春芝 郭 勇

(北京工业职业技术学院 机电工程学院，北京100042)

0 引言

随着3D打印技术的不断发展，3D打印设备越来越多地应用到教学之中，给教学带来了很多方便。比如，使课程变得更加直观，在课程的设计中能够将想法变成现实[1]。将3D打印技术应用到教学中，不但可以培养学生的实际动手操作能力与观察能力，同时也使设计理论与实践操作很好地结合，为教学提供了一定程度的帮助。很显然，3D打印技术已成为各大院校相关专业的必修课程[2]。但是在使用的过程中也发现了许多应用方面的问题，如进料操作不方便、打印机调平困难等等。本文针对桌面级3D打印机的进料问题进行深入分析，提出相应的解决措施，并进行实验验证。

1 3D打印机进料装置存在的问题

1.1 进料装置的结构

3D打印机进料装置的结构有多种形式，图1为常见的一种形式。

图1 进料装置的结构

从图1可以看出，3D打印机进料结构由固定压板上的进料孔①、惰轮②、齿轮③和喉管④组成[3]。其工作过程为：打印材料由进料孔进入，通过齿轮的旋转并挤压材料进入喉管，喉管与打印头相连，通过打印头的加热装置，将材料加热到一定温度，使材料从打印头的喷嘴流出，即可实现模型的打印[4]。

1.2 存在的问题

在3D打印过程中，容易发生打印材料进料不畅的问题，其主要原因有以下2个方面：

(1)3D打印材料被缠绕在材料轴上，会产生自然弯曲的形状[5]，因此，3D打印机在进料时通常会遇到不顺畅的问题，从而使得进料操作变得异常烦琐，耗时又费力。(2)3D打印材料进入料孔后，通过齿轮向下挤压进入喉管，由于材料经常缠绕在材料轴上形成自然弯曲，再加上齿轮挤压易导致材料弯曲[6]，所以会使材料在接近喉管的地方发生偏离，造成进料困难。具体情形如图2所示。

图2 进料时材料发生偏离

为使发生偏离的材料正常进入喉管，需要借助一定的工具，同时还要采用多次进退料的方法，才能使材料慢慢进入喉管。因每次进料都需要借助一定的工具，使得更换材料的操作非常不方便。又由于喉管处的位置狭小，所借助的工具无法正常深入到喉管的位置，此时需要拆卸前面的散热装置，所以给进料工作带来了很大的麻烦。

2 3D打印机辅助进料装置的设计

2.1 设计思路

针对进料困难的问题，通过对齿轮、惰轮和喉管三者位置的观察，认为在喉管处增加1个辅助进料装置，可以缩短喉管与齿轮和惰轮之间的距离，使材料在来不及改变方向的情况下，通过辅助进料装置，直接进入喉管。该设计思路在不改变机构功能的情况下，通过增加1种辅助进料装置，使进料变得简单方便，省时省力。

2.2 建模步骤

2.2.1 喉管配合尺寸分析

经过实际检测发现，喉管采用的是V6近程，且里面不带铁氟龙管。其管子的内孔径为1.75 mm，外直径为6 mm，长度为26 mm。

2.2.2 软件建模

使用SolidWorks软件对辅助进料装置进行设计与建模。辅助进料装置与喉管配合的关键点有2点：(1)无缝对接设计。即辅助进料装置的口径需要与1.75 mm的孔径实现无缝对接，因此此处设计成喇叭口的形式。(2)环形凹槽固定。即辅助进料装置与喉管之间需要完美固定，为此采用环形凹槽的形式。使用SolidWorks软件进行建模，其模型如图3所示。

(a)模型顶部 (b)模型角度图3 模型的顶部及角度

从图3中可以看出，模型上面的口径设计得比较大，并且有25°的角度，这样材料就会顺着带斜度的内壁进入到下面的喉管中。

如果惰轮和齿轮与喉管的空间比较大，则可以根据实际尺寸进行设计，如把直径和角度设计得更大一些。这样一方面可以防止材料跑偏，另一方面角度越大，材料则越能快速地进入喉管中。

模型的底部设计为凹槽的形式，槽的大小就是喉管的大小，进料采用过度配合。由于打印机进料的喉管处与齿轮和惰轮之间的间隙较小，同时为了方便安装，将槽的一侧切掉，这样就可以将辅助进料装置直接推入，与喉管进行很好的固定。模型的底部如图4所示。

图4 模型的底部

2.2.3 虚拟装配

为了验证辅助进料装置设计的合理性，使用SolidWorks的虚拟装配功能，对此进行虚拟装配并验证其是否合格。虚拟装配可以检查部件之间的配合间隙，防止零件安装时间隙过小，导致无法正常装配；同时也防止间隙过大，导致零件不能与喉管进行很好的固定。

通过虚拟装配检测，可以对所设计的模型尺寸进行调试，模型尺寸合格之后就可以使用增材或者减材技术进行生产制造。

3 3D打印机辅助进料装置的打印与装配实验

辅助进料装置的生产制造有2种方式：(1)采用减材制造的方法，使用数控设备进行加工；(2)采用增材制造的方法，使用3D打印技术进行打印。工程技术人员可以结合实际情况，选择合适的方法进行制造，然后进行实际的装配与调试。该设计考虑到辅助进料装置的功能不需要承受太大的力，只要有一定的强度，使材料顺利滑入喉管即可，所以选择使用3D打印，既快捷又方便。

3.1 打印

选择使用FDM打印工艺的3D打印设备，其打印的参数设置如表1所示。

表1 打印参数设置

层高关系到表面质量，故采用0.1 mm的层高以保证有较高的表面精度；填充关系到部件结构的强度，所以使用较高的填充率，即90%；打印的速度会影响到表面的精度，所以使用60 mm/s的速度即可。

设置好切片参数之后，可以通过软件的打印预览模式，观察打印模型是否存在不足之处，比如模型不完整、有漏洞等问题。如果发现问题，可以及时对其尺寸进行调整，如果没有问题，则可以进行打印，打印预览时间为6 min，最终打印完成的进料装置如图5所示。

图5 打印预览及成品件

3.2 装配与实验

将打印完成的辅助进料装置与喉管进行装配，可能会存在与喉管的配合尺寸不合适的问题。因为3D打印不能完全按照机械加工的配合公差进行制造，所以需要根据实际打印的尺寸进行调整，以寻求最佳的公差配合方式，直至满足装配要求为止。所实验的公差配合数据共计4组，如表2所示。

表2 公差配合的数据 单位：mm

根据实际配合情况，最终选择φ6.4 mm的打印部件进行装配。

完成辅助进料装置的安装后，再次进行进料操作，则材料能够顺利进入打印机的喉管中，未出现材料跑偏的现象，如图6所示。

图6 装配与进料

4 结论

3D打印机辅助进料装置的设计项目，从问题的发现，即3D打印机进料困难，到成功的解决该问题，整个过程中运用了许多技术。如，机械零部件的设计、3D建模软件、3D打印技术的制造功能及装配验证，从而使得3D打印机在进料方面更加方便与快捷，大大提高了工作效率，节省了劳动时间。虽然涉及的相关技术比较多，过程比较复杂，但是提供了一个解决问题的可行性思路，为广大爱好者和使用者提供了具有参考价值的技术资料。

在3D打印机的实际操作中，经常会遇到各种各样的问题。只要熟悉和掌握相关技术，结合实际问题进行深入的分析研究，应用相应的技术手段就能使问题迎刃而解。