特種工程塑料3D打印設(shè)備設(shè)計及優(yōu)化,提出了雙腔室臺式打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,包括打印頭、移動機構(gòu)、外框架、輔助機構(gòu)的設(shè)計和簡介。針對噴嘴出絲不流暢的問題進行了有限元模擬,得出了影響因素最大的噴嘴直徑,并提出了改進方案,具體如下:
整個打印機從高溫性和保溫性來設(shè)計,雙腔室保護。設(shè)計了兩種打印頭結(jié)構(gòu),一種用于工程塑料的遠程進料,一種用于柔性材料的近程進料,區(qū)別在于喉管部分的保護。
選用Corexy型移動機構(gòu),避免電機和熱源直接接觸,同時采用耐高溫同步帶。外框架總體由8塊鈑金件(304不銹鋼)裝配而成,并保證足夠的密封性。輔助機構(gòu)主要包括環(huán)境加熱裝置,采用PTC加熱+熱輻射燈結(jié)合的方式,保證打印腔室內(nèi)長時與短時的熱量。主控板選用ChiTuPro系列,溫度由獨立的溫度控制模塊控制。
有限元分析了噴嘴出絲不暢問題,在不同打印條件比較下,加熱溫度(630/640/650K),進絲速度(0.5/1/1.5mms-1),噴嘴直徑(0.3/0.4/0.5mm),發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑對熔體阻力影響最大,其次是打印速度,最后是加熱溫度,提出了實驗條件下最佳0.4mm的噴嘴結(jié)構(gòu)。
設(shè)計好的聚醚醚酮3D打印設(shè)備需要進行功能測試,用于驗證作為試驗機的可靠性。由于PEEK成型工藝受溫度變化明顯,而且加工條件苛刻,一旦不符合材料成型的工藝指標就會出現(xiàn)翹曲、層間分離、結(jié)晶差等失效形式,因此成型工藝尤為重要。之前研究人員已經(jīng)從熱處理工藝和強度變化等方面對PEEK打印做了研究,也得出非常寶貴的工藝參數(shù),但還沒有涉及到填充效果方面的研究。由于FDM成型的是絲料堆疊的過程,盡管設(shè)定的打印件填充率為1OO%,但實際卻不到,而填充效果影響著打印件表面質(zhì)量以及強度,因此有必要對填充效果進行研究。
主要從PEEK的打印成型工藝入手,選取了填充率這個指標作為打印質(zhì)量的體現(xiàn),這一點在之前的研究過程中還沒有涉及到。在完成了打印試驗機的搭建后,我們進行了打印工藝試驗,探索了打印層厚、擠出溫度和進料速度對填充效果的影響,并用光學(xué)顯微鏡觀察了微觀狀態(tài)的絲料的排布和間隙產(chǎn)生的原因,最后確定了適合的打印參數(shù)范圍,為特種工程塑料3D打印機的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考。同時,在PEEK的3D打印過程中要注意加熱器的溫度,保證環(huán)境溫度是打印效果的重要參數(shù)。
3D打印資訊拓展
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