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3D打印在印刷包装设备 模型制作中的应用

时间:2018-01-24 08:41:08来源:科印网作者:马 杰 刘琳琳等

  3D打印技术又称增材制造技术(Additive Manufacturing,AM),与传统的减材制造技术有很大区别。3D打印依据三维CAD设计数据,采用离散材料(液体、粉末、丝、片、板、块等)逐层累加、分层制造的方式来成型物体。相比传统减材制造技术,3D打印整合产品设计及制造于一体,大大缩短了产品设计周期,并且具有几乎零耗损的材料利用率,极大降低了原料成本;另外,3D打印机可以在一定程度上取代车、铣和钻等传统工艺及机床,降低了设备成本。而且3D打印所需的技术人员及技术要求相较传统工艺门槛更低,可节约人力成本。

  3D打印自20世纪80年代开始逐步发展,现已被广泛应用于各个领域。本文,笔者将以模切机模切单元为研究原型,详细介绍3D打印应用于印刷包装设备模型的制作,打印模型可用于教学演示及产品宣传,同时也对模切机构的加工制造起到了方案验证的作用,另外,笔者还分析总结了3D打印过程中的常见问题,并提出解决方案,同时对3D打印产品与传统制造产品进行了比较。

  3D打印用于工业模型制作

  1.3D打印基本原理

  通常使用CAD软件建模,并将建立的数字化三维模型进行分层处理,即分割为一个个层片信息,按照分层方法可分为等层厚切片和适应性切片,之后对每一层的数据信息进行读取,制定相对应的控制程序,生成填充路径信息,和3D打印机通讯进行层片的加工、堆积,最终可得到按照自己设定的参数与之相对应的功能零件。图1所示为3D打印流程图。

  本研究所采用的3D打印机型号为极光尔沃Z-603S型FDM打印机,这是一款家用桌面型小幅面3D打印机,成型尺寸为280mm×180mm×180mm,打印速度为50~60mm/min,吐丝直径为0.1~0.2mm。

  2.模切单元方案设计

  模切机模切单元的零件繁多,并且要求其可以装配并具备演示功能,需要设计者确保每个零件的三维数据模型与打印实物模型相一致,且保证零件符合设计要求。具体设计包含:减速箱设计、墙板与模切平台设计、六杆机构设计、模切刀支架设计、带轮设计等。图2所示为减速箱与六杆机构。

  由于3D打印机的打印幅面有限,故采用分割制造的方式。对于分割打印的零件,在后期粘合时,采用打桩定位的方式来确保粘合精度;用实际的轴承、电机等部件,实现了模切速度可调;同时模型外壳采用了透明件设计,并对里面的各个零部件采取了分色处理,以方便人员观察模切机内部的蜗轮蜗杆机构,便于教学演示。

  3.模切单元打印装配

  本设计以模切机模切单元为原型,对模切单元的减速箱、墙板、模切平台、六杆机构、模切刀支架、带轮等零部件进行设计打印。采用1∶4的比例兼顾打印机工作尺寸及模型的细节。

  在打印完模型零件后,需要将模型进行装配,通过装配可以直观检测建模时的数据是否准确。装配过程完全模拟工业装配,各个零部件要满足可装配的条件,圆柱销直接与杆配合的部位采用过盈配合,圆柱销与套筒配合的部位则采用间隙配合,这样既保证了圆柱销不会从孔中滑出,也可以使各连杆之间实现相互润滑的转动。设计时要考虑拆卸是否方便的问题,弥补设计缺陷可通过打磨扩孔的方法来解决,要尽量在设计时减小这种误差,以减少打磨扩孔的时间。模切单元整体效果如图3所示。

  3D打印常见问题与解决方案

  笔者在3D打印过程中遇到了诸如翘曲变形、喷头堵塞、输料机故障等问题(如图4所示),以下将遇到的问题进行总结与分析,并提出解决方案。

  1.翘曲变形

  从打印的众多零件中可看出,当打印尖锐角、大尺寸零件时,容易出现翘曲变形,表现为四角向上翘起,使模型产生形变。根据分析,产生翘曲变形的影响因素有以下几点。

  (1)热床温度

  热床温度过低或过高都会产生翘曲变形。在垂直于成型平台方向上,由于成型的每一层之间存在温度差异,导致上下两层之间收缩不一致。

  (2)模型填充密度

  模型填充密度是导致模型翘曲变形的重要因素。在不同模型填充密度下,零件的变形量不同,而且随着模型填充密度的增加,变形量总体上呈上升趋势。

  (3)模型填充类型

  模型填充类型同样影响着成型速度和成型片层的结构特点。不同的模型,填充类型所能达到的零件性能也不尽相同。

  对于翘曲变形可以采取以下措施减小变形量。首先,热床温度越高成型效果越好,60℃时达到最佳。其次,成型零件的翘曲变形随着模型填充密度的增大而变大,为了减少翘曲变形,尽可能设置较小的模型填充密度。最后,采用曲线填充的总体变形量最小,拥有更复杂的抗变形特性,能够有效抑制变形。

  2.喷头堵塞

  3D打印机喷头可能会用几种不同颜色的料替换着使用。如果第一次的残料还剩余在喷头里,新料就开始融化,就会导致融化的混合料堆积沉淀,最终导致喷头堵塞。喷头堵塞可造成模型填充未能有效地贴合在一起,从而出现断层,使得模型强度不能达到使用要求,同时打印出的模型质地松软且易碎。

  3.输料机故障

  输料机为输料提供动力,如果其停止工作,则喷头就不能再吐出丝来。输料机损坏的最显著现象就是输料机中的齿轮不再转动。这时,使用者就需检查输料机连接线是否断路,以及输料机电机是否损坏。

  3D打印产品与传统制造产品对比

  3D打印的工艺种类很多,本次实验中模切机构的3D打印模型所用到的是熔融沉积成型(FDM)工艺。FDM的机械结构较为简单,日常维护成本较低,打印耗材(如聚乳酸、PLA)也相对便宜。3D打印产品由于自身技术和材料的限制,导致其大多数产品未能达到传统制造产品的性能,因此3D打印产品与传统制造产品还存在着较大差别,主要体现在工艺水平和材料种类这两个方面。

  1.工艺水平

  在工艺水平方面,传统制造工艺发展相对成熟很多,可制造出性能优良的产品。而3D打印目前处于发展初期,其工艺水平还有待提高,设备设施也有待完善。3D打印工艺水平的成熟还需要一个漫长的历程。

  2.材料种类

  目前应用于3D打印的材料非常有限,与传统金属材料制造产品差距较大。传统机械加工产品都以金属材料进行减材制造,其机械性能和制造精度都高于实验模型。但3D打印的塑料产品制作迅速,制造成本低廉,将和传统制造形成良好的配合。目前,金属3D打印的产品也处于发展初期,但随着技术的进一步突破,其产品性能必然会逐步接近或超越传统制造的产品。

  3D打印可实现产品CAD模型的快速实物化,是一种全新概念的、数字化的新型快速制造技术。将3D打印应用于印刷包装设备模型的制作,简化了模型的设计与加工过程,实现了模切机构的运动轨迹和工作流程的准确还原;能够满足个性化制造,不受批量化制造的限制,制造成本低廉;较传统制造,少了制作模具等流程,缩短了制造周期,可实现材料使用的可控化,减少材料的不必要浪费,更加环保。


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