针对柔性材料的FDM型3D打印机的远程送料机构研究与设计

雷 芳，孟鑫沛，张俊平，丘柏挥

（1.东莞职业技术学院，广东 东莞523808；2.东莞市彩越三维科技有限公司，广东 东莞523808）

近几年3D打印行业发展迅速，其广泛的应用必然会带来未来市场关阔的空间，被誉为是引领第三次工业革命的新兴产业。传统的产品生产完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，使产品的生产不需要机械加工或模具，任何复杂形状的设计均可以通过打印来实现。因为速度快、能打印结构复杂的产品等优点，促进了3D打印在行业中的广泛使用和快速发展。熔融沉积成型法（简称FDM），是3D打印的一种工艺，这种工艺通过将丝状材料如热塑性塑料从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。FDM快速成型技术是最普遍的快速成型技术，其在整个行业市场份额达80%以上[1]。

随着FDM型3D打印技术的发展，3D打印市场涌现出各种新型材料，赋予了产品更多的性能，扩大使用范围。这些新型材料如可溶解的支撑材料、仿木头、导电材料和柔性材料等，这其中具有较高弹性和柔韧性的柔性材料，在鞋底制造等行业应用比较多。但目前市场上采用远程送料机构的3D打印机打印柔性材料（比如TPU等）时，送料会打滑，打印效果不理想。本文对FDM型3D打印远程送料打印时存在的问题进行分析，提出新的远程送料机构优化设计方案进行改进以解决该问题。

1 FDM型3D打印机送料机构

送料机构是FDM型3D打印机的主要机构，包括送丝装置、步进电机等，主要作用是将3D打印线材均匀的送至热熔喷头。送丝装置提供进料以及喷头挤出融化后材料的压力，送丝要求稳定可靠，以保证喷头内有一定的压力并且出丝速度与喷头移动速度匹配，主要由挤出轮、导轮、弹簧、快速接头等部分共同组成。

送料机构有近程送料和远程送料两种方式。采用近程送料时，送丝装置和步进电机一起安装在喷头上，近距离给喷头送料，如图1所示。送丝装置和步进电机增加了运动机构的负担，运动时惯性大，加速减速有一定困难，运行不稳定；笨重的运动机构对导轨有较大的压力，长时间会使之变形，对平台难以调平，从未造成打印出来的产品精度降低。

图1 近程送料

采用远程送料时，送丝装置和步进电机安装在机器外壳上，远程给喷头送料，如图2所示。送料装置与喷头分离，远程给喷头送料，喷头重量轻，惯性小，移动定位更精准；喷头移动速度非常快，因此其打印速度可以非常快；喷头和挤出机分离，方便维护。

图2 远程送料

2 FDM型3D打印机远程挤出装置优化设计

当打印双色材料或两种不同材料时采用双喷头打印机，近程送料机构喷头部分非常笨重，打印速度慢，精度低，适宜采用送丝装置与打印头分离的远程送料机构，如图3所示，送丝远程给喷头送料，打印速度快，精度高。但由于送料距离远，阻力较大，容易卡线，打印出来的产品品质下降。

图3 远程送料机构与打印喷头

远程送料机构中的送丝装置，如图4所示，主要由轴承、齿轮、弹簧、快速接头等部分共同组成。它的基本原理是通过送料轮与材料之间的摩擦力，由步进电机提供动力对线材进行输送。从材料进入到输出的通道来看，齿轮轴承组与出入口之间存在较大空隙，在送料过程中，由于加压容易导致线材形变，与送料机构产生更大摩擦甚至断料，而对于柔性材质则此类送料机无法完成送料，甚至在打印常规线材会出现滑丝现象，导致出现喷头喷丝不均匀，使打印物品出现缝隙甚至断层从而影响产品的力学性能性，从而限制了3D打印技术往柔性材质或更多材质成型技术的发展。

图4 传统的送料装置

3D打印柔性线材最重要的是要求送料装置能够有一个通道，使得线材从离开驱动齿轮到进入热端的筒体经过的路径是固定的，因此本研究在送料机构内部插入铁氟龙导料管对线材进行送料，并对如图五所示。铁氟龙是聚四氟乙烯，热导率低，耐高温，摩擦系数极低，有高的润滑性[2]。齿轮与轴承分布在铁氟龙导料管切削开口两侧，线材在铁氟龙导料管中尖齿轮提供切向驱动力，轴承提供线材与尖齿轮之间的压力，铁氟龙导料管同时起到润滑的作用（铁氟龙材料本身具有很好的润滑效果）。铁氟龙导料管切削口下端的外侧能有效防止线材被粘附在尖齿轮或者轴承上，让其顺利进入送料通道，如图5所示。

图5 优化后的送料装置

除采用铁氟龙导料管进行导料外，同时对送料机构也进行了优化，如图6所示，使其比传统的送料机构更加紧凑，整体尺寸较小，各个部件连接紧密。通过调节点压料设计可改变传动轮和转动轮之间的夹持力度，有效地减小了固定间距驱动轮的内耗，减小了驱动轴承的不必要的内应力。从而增加送料轮与打印材料之间的摩擦力，避免出现送料打滑现象而使送料间断，且对线材的粗细要求低，能够保证喷头均匀吐料，提高了打印质量。由于线材的送料与退料都需要送料齿轮才能实现，因此线材受到足够大的推力向挤出头移动。线材在两齿轮之间呈挤压受力状态，从而使线材所受摩擦力增大，使得柔性线材能顺利出料。优化后的送料装置能起到降低送料时的阻力作用，并且能适用多种线型线材尤其是柔性线材。

图6 铁氟龙导料管

3 远程送料机构对喷嘴的影响

FDM型3D打印机中喷嘴直径越小，打印的精度越高，对打印产品的细节表达力越好，但喷嘴越小挤出时熔体收到阻力越大，容易出现断丝、堵塞等故障，对送料系统的要求越高[3]。本研究中采用改进后的铁氟龙导料管远程送料装置，使目前市面上常用的0.4 mm的喷嘴减少为0.2 mm的喷嘴，依然能正常打印，打印的精度提高，在打印零件的细节上能更好地打印出来，而且对柔性材料也适用。

4 打印实验

为了验证本研究设计的送料机构打印柔性材料的效果，分别用传统的近程送料机构和本研究设计的远程送料机构（如图7所示）打印如图8所示样品零件，各打印ABS、PLA、柔性线材TPU三种线材样品150次，打印结果分别如表1和表2所示。从表中可以看出，采用传统的近程送料机构打印，ABS和PLA的打印成功率较高分别是89.3%和94.7%，但是打印柔性线材TPU的成功率只有8.7%；采用新设计的远程送料机构打印，ABS和PLA的打印成功率有所提高分别是97.3%和98.7%，打印柔性线材TPU的成功率提高到92.7%.由此验证了本研究设计的远程送料机构较传统的送料机构，打印硬质材料ABS和PLA成功率有所提高，打印柔性线材TPU的成功率非常高，由原来的8.7%提升到92.7%，效果非常好。

图7 远程送料机构

图8 样品零件

表1 传统的近程送料机构送料打印情况

表2 本研究设计的远程送料机构送料打印情况

5 结束语

（1）本研究设计了3D打印远程送料机构，实现了送料机构与打印头的分离，减轻运动机构的负担，提高了打印速度和打印精度；

（2）通过在送料机构内部插入铁氟龙导料管，并对其结构优化，实现柔性线材如TPU的顺畅送料。这种机构能使喷嘴从0.4 mm减少为0.2 mm，经过多次实验证明，能保证在打印柔性材料时喷头能够不卡丝、不打滑，均匀吐料，提高打印质量。