邱海飛

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710123)

3D打印技術(shù)在織機(jī)打緯-開口機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

邱海飛

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710123)

為降低復(fù)雜紡織機(jī)械裝備的設(shè)計成本與制造難度，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于紡機(jī)功能模塊比例模型研制。設(shè)計了連桿式打緯-開口機(jī)構(gòu)的數(shù)字化樣機(jī)，并將其轉(zhuǎn)化為STL格式進(jìn)行切片處理和模型包計算，通過分析比較模型的放置方向、材料用量及成型時間等因素，確定最優(yōu)3D打印工藝參數(shù)。借助工業(yè)級3D打印機(jī)制作了比例模型，并通過C語言和單片機(jī)成功開發(fā)了機(jī)電一體化系統(tǒng)控制平臺。利用3D打印一次成型的技術(shù)優(yōu)勢，有利于降低物理樣機(jī)的研發(fā)成本和實驗難度，且為紡織機(jī)械裝備的模型展示、機(jī)構(gòu)驗證、性能評估及可靠性分析等提供了新的思路與參考。

3D打印； 紡織機(jī)械； 連桿式打偉-開口機(jī)構(gòu)； 比例模型； 開發(fā)成本

過去長期以來，我國紡織機(jī)械裝備一直處于引進(jìn)、消化、吸收的傳統(tǒng)研發(fā)模式[1]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和《中國制造2025》的全面推進(jìn)，紡織機(jī)械必須通過采用高新技術(shù)提高裝備自主化水平和市場競爭力，以加快技術(shù)改造與產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)《紡織工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》制定的長遠(yuǎn)目標(biāo)。當(dāng)前，3D打印技術(shù)的興起正在悄然改變制造業(yè)的生產(chǎn)方式，借助3D打印可以很好地實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝，不僅使工業(yè)產(chǎn)品的制造難度降低為零[2]，而且有效擴(kuò)展了工程設(shè)計的自由度和創(chuàng)意空間。

紡織機(jī)械是具有復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)電一體化裝備，借助3D打印制造工藝一次成型的技術(shù)優(yōu)勢，能夠大大簡化紡織機(jī)械裝備設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)的冗繁工作，在降低成本的同時有效提高了研發(fā)效率和質(zhì)量。本文探索驗證了連桿式打緯-開口機(jī)構(gòu)比例模型的3D打印流程及可行性，為自動化紡織機(jī)械裝備的制造工藝提出了新的思路。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)又稱為增材制造，其基本原理是疊層制造，即以計算機(jī)平臺上的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將粉末狀塑料、樹脂及金屬等材料逐層進(jìn)行鋪設(shè)，再通過黏合或光固化等方式來構(gòu)造物體三維制件[2]。

目前市場上存在多種不同類型的3D打印機(jī)，常見且比較成熟的3D打印技術(shù)有熔融堆積成型技術(shù)(FDM)、立體光固化成型技術(shù)(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、激光成型技術(shù)(DLP)、紫外線成型技術(shù)(UV)及3DP技術(shù)等[3]。它們的工作原理都基本相同[4]，首先要設(shè)計出可供切片處理的3D模型，然后通過打印控制軟件、系統(tǒng)固件進(jìn)行分析計算和數(shù)據(jù)傳輸，再由電子器件根據(jù)系統(tǒng)指令驅(qū)動3D打印機(jī)運(yùn)行，最終實現(xiàn)物體的增材制造。

2 數(shù)字樣機(jī)設(shè)計

2.1 子組件模型

織機(jī)具有復(fù)雜的機(jī)械傳動系統(tǒng)，一般由打緯﹑引緯﹑開口﹑送經(jīng)和卷取五大運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。其中，打緯與開口機(jī)構(gòu)在織造過程中處于高速運(yùn)行狀態(tài)，而且開機(jī)生產(chǎn)前需要根據(jù)織物結(jié)構(gòu)(如平紋、緞紋、斜紋等)設(shè)計打緯與開口運(yùn)動的配合關(guān)系及初始相位[5]。采用“自上而下”的設(shè)計模式，首先設(shè)計打緯、開口機(jī)構(gòu)三維子裝配模型，然后再對2種機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合形成總裝模型。

設(shè)計完成的四連桿打緯和六連桿開口機(jī)構(gòu)子裝配模型如圖1、2所示。分析可知，這2種機(jī)構(gòu)均為雙側(cè)傳動形式，機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)通過傳動軸相連，這樣不僅保證了機(jī)構(gòu)本身的剛度和強(qiáng)度，而且實現(xiàn)了動力的雙側(cè)傳遞[6]。建模和裝配過程中要保證各桿件尺寸符合機(jī)構(gòu)學(xué)要求，而且需要提前考慮各運(yùn)動構(gòu)件的裝配精度、順序及初始相位等[7]，以使兩側(cè)桿件的運(yùn)動保持一致，避免出現(xiàn)干涉、碰撞等問題。

圖1 四連桿打緯機(jī)構(gòu)Fig.1 Four-bar beating-up mechanism

圖2 六連桿開口機(jī)構(gòu)Fig.2 Six-bar shedding mechanism

2.2 樣機(jī)總成

四連桿打緯和六連桿開口機(jī)構(gòu)以織機(jī)幅寬中間面呈對稱分布，左右兩側(cè)各構(gòu)件通過一些安裝在墻板上的傳動軸(如打緯曲軸﹑開口曲軸等)實現(xiàn)運(yùn)動傳遞[8]。綜合分析子裝配模型結(jié)構(gòu)與配合關(guān)系，確定其運(yùn)動狀態(tài)、約束類型及安裝位置等，最終建立打緯-開口機(jī)構(gòu)總裝模型，如圖3所示。

圖3 樣機(jī)裝配總成Fig.3 Assembly of prototype model

為了滿足裝配件3D打印工藝，要求子裝配和總裝模型在設(shè)計過程中預(yù)留0.5～0.7 mm的裝配間隙，以保證打印出的運(yùn)動零部件能夠?qū)崿F(xiàn)相對運(yùn)動[9]。另外，需要對打緯-開口機(jī)構(gòu)總裝模型進(jìn)行相位設(shè)定和參數(shù)調(diào)試，完成約束設(shè)定、材料加載、布爾運(yùn)算、模型驗證及自由度計算等工作。

3 工藝流程

3.1 打印設(shè)備

圖5 切片處理與軌跡計算Fig.5 Slice deal and path calculation. (a) Wallboard slice (0.254 mm)； (b) Crankshaft component slice (0.178 mm)

利用美國Stratasys公司生產(chǎn)的Dimension Elite 3D打印機(jī)制作打緯-開口機(jī)構(gòu)的比例模型，如圖4所示。該設(shè)備為工業(yè)級雙噴頭3D快速成型機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括封閉式打印腔室、模型材料盒、支撐材料盒、操控面板、開關(guān)電源、計算機(jī)、固件及電氣控制系統(tǒng)等。Dimension Elite系統(tǒng)采用熔融堆積(FDM)成型方式構(gòu)造物體三維制件，打印過程由模型材料和支撐材料交替疊加鋪層，能夠打印具有復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)的零部件和一般組件模型。機(jī)器成型精度為80 μm，成型尺寸為203 mm×203 mm×305 mm，層厚為0.178～0.254 mm。

圖4 Dimension Elite 3D打印機(jī)Fig.4 3D printer of Dimension Elite

3.2 工藝分析與優(yōu)化

3.2.1 切片處理與模型包

3D打印是逐層疊加材料的制造過程，打印前首先要對3D模型進(jìn)行切片處理(即分層計算)，切片過程會確定模型的材料用量、打印時間、層厚及噴頭運(yùn)動軌跡等工藝參數(shù)[10]?？紤]到打緯-開口機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，先根據(jù)結(jié)構(gòu)功能對三維總裝模型進(jìn)行分解，然后再其轉(zhuǎn)化為STL格式，并送入打印控制軟件Catalyst EX進(jìn)行打印工藝處理。

分解后的模型包括左右墻板、空心主軸、導(dǎo)架組件、曲軸組件、搖軸組件及開口組件。在Catalyst EX軟件環(huán)境下進(jìn)行切片處理及模型包計算，這個過程需要分析和設(shè)定多個打印工藝參數(shù)，如方向設(shè)置、比例控制、層厚選擇及材料密度等。墻板模型和曲軸組件的切片計算結(jié)果如圖5所示。

圖5中切片層厚分別為0.178、0.254 mm，其中深黑色部分為模型材料，灰白色部分為打印過程所需的支撐材料。切片完成后通過計算將數(shù)據(jù)添加至模型包，如圖6所示，分別為曲軸組件、開口組件及導(dǎo)架組件的3D打印模型包。Dimension Elite系統(tǒng)可以直接讀取模型包數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印，此外，保存后的模型包還可供系統(tǒng)反復(fù)調(diào)用，大大提高了模型工藝分析與3D打印的運(yùn)行效率。

圖6 模型包計算Fig.6 Calculation of model packages. (a) Crankshaft component; (b) Shedding component; (c) Guide bracket component

3.2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

工藝處理過程中要考慮模型的切片厚度、放置方向及打印精度的影響，因為這些因素不僅會影響到模型材料和支撐材料的消耗量，而且還決定著模型的打印時間，所以應(yīng)對打印對象進(jìn)行不同方式的切片處理和模型包計算[10]，并根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特征確定最優(yōu)的3D打印工藝參數(shù)。優(yōu)化的基本原則是：在滿足模型裝配精度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提下，盡量要求材料用量最少，打印時間最短。

Dimension Elite系統(tǒng)可以打印2種層厚的3D模型分別為0.178 mm和0.254 mm切片厚度下計算出的打印工藝參數(shù)。對于墻板、導(dǎo)架組件及曲軸組件，其放置方向會對打印工藝參數(shù)產(chǎn)生較大影響，所以分別從不同放置方向計算模型的打印參數(shù)，如表1、2所示。

表1 3D打印工藝參數(shù)分析表(層厚為0.178 mm)Tab.1 Analysis table of 3D printing process parameters (slice thickness is 0.178 mm)

表2 3D打印工藝參數(shù)分析表(層厚為0.254 mm)Tab.2 Analysis table of 3D printing process parameters (slice thickness is 0.254 mm)

根據(jù)工藝優(yōu)化原則，當(dāng)打印層厚為0.178 mm時，最優(yōu)打印工藝參數(shù)為墻板-方向3、導(dǎo)架組件-方向2、曲軸組件-方向2；當(dāng)打印層厚為0.254 mm時，最優(yōu)打印工藝參數(shù)為墻板-方向3、導(dǎo)架組件-方向2、曲軸組件-方向1。綜合考慮材料用量、打印時間、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度等因素，實際打印時墻板選用0.254 mm層厚，導(dǎo)架組件與曲軸組件選用0.178 mm層厚。

對于搖軸組件、開口組件及空心主軸，根據(jù)實際3D打印工藝經(jīng)驗，只有將模型沿軸向放置才能獲得良好的打印質(zhì)量，所以只設(shè)定一種放置方向。比較表1、2可知，這3類模型在0.178 mm層厚下的打印時間明顯長于0.254 mm層厚，而在模型材料和支撐材料用量方面則差異較小，考慮到軸類模型的強(qiáng)度和剛度要求較高，選擇0.178 mm層厚進(jìn)行打印。

3.3 模型打印及后處理

根據(jù)最優(yōu)打印工藝參數(shù)對各模型進(jìn)行切片處理和模型包計算，啟動機(jī)器并將模型包數(shù)據(jù)送入Dimension Elite系統(tǒng)。為了實現(xiàn)絲狀材料的熱熔堆積成型，打印前需要對機(jī)器進(jìn)行預(yù)加熱，即使封閉腔室環(huán)境溫度達(dá)到70 ℃左右，擠出機(jī)噴頭溫度達(dá)到220 ℃左右。

打印結(jié)束后將托盤從封閉腔室取出，如圖7所示。此時三維成型制件由模型材料(白色)和支撐材料(黑色)構(gòu)成，其中模型材料為ABS工程塑料，支撐材料為可溶解的酸性材料。

圖7 去除支撐材料前的3D打印模型Fig.7 3D printing model before support removal. (a)Rockshaft and guide bracket; (b) Crankshaft component; (c) Shedding component

為了去除支撐材料，需將打印完成的模型置于氫氧化鈉溶液，并在超聲波清洗機(jī)中加熱至30～40 ℃浸泡一段時間，便可逐漸溶解掉附著在模型上的黑色支撐材料。溶解完成后取出打印模型并晾干，然后對其進(jìn)行一系列工藝處理，如打磨、膠合、攻絲、擴(kuò)孔及噴色等，成品模型如圖8所示。

4 比例模型及再開發(fā)

根據(jù)四連桿打緯與六連桿開口機(jī)構(gòu)的數(shù)字樣機(jī)結(jié)構(gòu)，對工藝處理完成的3D打印模型進(jìn)行組裝。由于打印機(jī)成型尺寸的限制，打印過程對模型進(jìn)行了1∶6的比例縮放，故組裝完成的機(jī)構(gòu)與數(shù)字樣機(jī)具有相同功能的比例模型。

為了驗證數(shù)字樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，在打緯曲軸和開口曲軸處安裝2個驅(qū)動電動機(jī)，通過控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動。利用C語言進(jìn)行控制程序開發(fā)，并將編譯成功的程序上傳至電氣控制平臺，同時將比例模型與控制模塊相連，建立打緯-開口機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化比例樣機(jī)研究平臺，如圖9所示。該平臺主要由3D打印組件模型、單片機(jī)、適配器、智能控制器及相關(guān)電子器件搭建而成。

這種基于3D打印的機(jī)電一體化模型，不僅功能完整、拆卸方便、成本低廉，而且為紡織機(jī)械的模型展示和實驗研究提供了一個有效平臺。例如可通過電動機(jī)調(diào)速來研究打緯運(yùn)動與開口運(yùn)動的配合關(guān)系，同時還可用來驗證數(shù)字樣機(jī)的結(jié)構(gòu)功能與運(yùn)動狀態(tài)是否合理可行。

5 結(jié) 語

3D打印不僅已成為當(dāng)前生產(chǎn)模式和先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的一種趨勢，而且將對未來科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。通過將3D打印技術(shù)與紡織機(jī)械的設(shè)計制造相結(jié)合，成功研制了連桿式打緯-開口機(jī)構(gòu)的機(jī)電一體化比例模型，探索和驗證了復(fù)雜連桿機(jī)械傳動系統(tǒng)的3D打印流程及可行性，有效降低了以往物理樣機(jī)的研制成本和實驗難度。FZXB

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Application of 3D printing in beating-up and shedding mechanism of loom

QIU Haifei

(CollegeofMechanicalEngineering,XijingUniversity,Xi′an,Shaanxi710123,China)

In order to reduce the design cost and manufacturing difficulty of complicated textile machinery and equipment, 3D printing technology was applied to develop scale model of its function module.Digital prototype link beating-up and shedding mechanism was designed, and the model was translated into STL format for slice processing and model package calculating, and then the optimal parameters of its 3D printing process were confirmed by analyzing and comparing some factors, such as placement direction of the model, material dosage and molding time. Scale model of the mechanism was manufactured by industrial-grade 3D printer (Dimension Elite), and a control platform of electromechanical integration system of it was successfully developed C language and single chip microcomputer. The technology advantages of 3D printing in one-step shaping not only reduce development costs and experimental difficulty of physical prototype, but also provide a new idea and reference for model display, mechanism validation, performance evaluation and reliability analysis of the textile machinery and equipment.

3D printing; textile machinery; bar beating-up and shedding mechanism scale model

10.13475/j.fzxb.20160304006

2016-03-21

2016-07-17

陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK2177)；西京學(xué)院科研基金項目(XJ150216)

邱海飛(1983—)，男，講師，碩士。研究方向為紡織機(jī)械設(shè)計、機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與開發(fā)。E-mail：qhf8386@163.com。

TS 04；TP 103

A