楊 志 宋天麟

（1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215000；2.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，昆山 215325）

近年來，先進(jìn)制造技術(shù)一直是主流的研究方向，3D打印技術(shù)隨之進(jìn)入公眾的視野，3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、建筑工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大的影響[1]。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，3D打印具有加工周期短、加工精度高、能滿足基礎(chǔ)模具要求等優(yōu)勢(shì)[2]。在這個(gè)個(gè)性化的時(shí)代，其在私人定制、工藝品方面也有著不凡的成就，在3D打印技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對(duì)于效率和精度的要求越來越高，美國(guó)、日本等國(guó)家在多噴嘴打印噴頭方面的研究處于領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)對(duì)于這種技術(shù)的研究意義重大。

1 噴墨式打印機(jī)的工作原理分析及方案設(shè)計(jì)

1.1 3D噴墨打印機(jī)的工作原理

3D噴墨打印和傳統(tǒng)平面打印的工作方法類似，它是利用噴嘴連續(xù)在工作平面點(diǎn)膠，在每層平面點(diǎn)膠完成后，利用激光器照射使其迅速固化的原理。噴墨式打印機(jī)是以液態(tài)介質(zhì)丙烯酸樹脂、丙烯酸酯化的丙烯酸酯樹脂、聚氨酯丙烯酸樹脂等為噴射材料。

目前，國(guó)內(nèi)外3D打印設(shè)備大多數(shù)采用由點(diǎn)成線、由線成面、最后由面的堆疊形成三維實(shí)體[3]。所以，打印機(jī)必須擁有至少3個(gè)自由度，3D噴墨打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴頭部分X方向由伺服電機(jī)控制，絲杠帶動(dòng)噴頭在水平面上左右平動(dòng)，工作平面由三角形傳送帶在Y軸方向移動(dòng)，Z方向上由一組伺服電機(jī)控制噴頭部分上下移動(dòng)，如圖2所示。

圖1 MJM型噴墨打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 噴頭剖視圖

1.2 兩噴嘴噴頭設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的噴頭擠出機(jī)構(gòu)方式有熱發(fā)泡式、壓電式等，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇決定著打印速度和精度。對(duì)于熱發(fā)泡式擠出方式，由于噴頭長(zhǎng)期工作于高溫環(huán)境下，噴嘴會(huì)嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)容易引起堵塞。壓電式驅(qū)動(dòng)方式比起熱發(fā)泡方式擁有更多優(yōu)勢(shì)，壓電噴墨技術(shù)對(duì)墨滴的控制能力更強(qiáng)，并且墨滴微粒更加規(guī)則、定位更加準(zhǔn)確。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)單噴頭噴射機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)比較成熟。1988年，清華大學(xué)開始研究熔融沉積制造技術(shù)；2001年，西安交通大學(xué)開始研究壓電式打印噴頭；2006年，華中科技大學(xué)利用氣壓作為驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行噴頭設(shè)計(jì)。多噴嘴擠出機(jī)構(gòu)目前也處于研究階段，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)對(duì)三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究[4]。

筆者設(shè)計(jì)的是單杠兩噴嘴的噴頭系統(tǒng)，只考慮兩噴嘴同時(shí)工作的情況下，能夠正常工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雙噴嘴開閉控制在這里不作詳細(xì)敘述。試驗(yàn)加工制備的噴嘴具體參數(shù)如圖2所示。進(jìn)料腔直徑D=9mm、分流管直徑d=4mm、噴嘴直徑r=0.2mm、噴嘴長(zhǎng)度L=0.3mm、合流角α=115°，它們是進(jìn)行多組試驗(yàn)得到的參數(shù)值。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

壓電陶瓷在精密設(shè)備中應(yīng)用廣泛，在對(duì)壓電陶瓷施加電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的是以樹脂作為成形材料的噴頭機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷相比其他驅(qū)動(dòng)器，有較寬的黏度（1～25mPa·s）和一定張力適應(yīng)范圍（30～50mN/m）。但壓電元件有一定的局限性，壓電陶瓷變形只有本身長(zhǎng)度的千分之一，5cm的壓電陶瓷最大變形只有 0.04～ 0.05mm。

2.1 放大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于雙噴嘴噴頭對(duì)噴射料量有一定的要求，因而所需驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移明顯大于單噴嘴結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷直接驅(qū)動(dòng)不能達(dá)到行程要求。

受限于壓電片伸縮特性，國(guó)內(nèi)一些高校和研究所開始對(duì)噴頭噴射的輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究[5]。張自強(qiáng)提出了活塞式擠出機(jī)構(gòu)和滑片泵擠出機(jī)構(gòu)，前者是通過步進(jìn)電機(jī)將熔融材料通過噴嘴擠出，完成一個(gè)噴射過程，后者是通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)葉片，利用轉(zhuǎn)子的偏心放置形成正負(fù)壓實(shí)現(xiàn)自吸和噴射[4]。張斌提出了柱塞泵擠出機(jī)構(gòu)，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)噴嘴噴射[6]。微位移機(jī)構(gòu)一直是精密儀器、航空航天領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，柔性鉸鏈的無機(jī)械摩擦、無間隙以及運(yùn)動(dòng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)解決了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的一些缺陷。基于壓電片的伸縮特性，本文設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈作為放大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 放大驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由圖3可以看出，半圓弧節(jié)點(diǎn)處寬度很小，在其中一端受力的情況下會(huì)產(chǎn)生變形，所以這種機(jī)構(gòu)可以充當(dāng)位移放大機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)載荷下，要求材料的屈服強(qiáng)度高和彈性性能好，一般選用鈹青銅或彈簧鋼材料，它們的彈性模量分別為135GPa和210GPa。為了滿足位移輸出要求，所采用的是兩極放大機(jī)構(gòu)，其放大倍數(shù)取決于兩極放大倍數(shù)的乘積。第一級(jí)放大倍數(shù)A1=b/a，第二級(jí)放大倍數(shù)A2=（c+d）/c=1+d/c，總的放大倍數(shù)是A=A1A2=（b/a）（1+d/c）。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，要使雙噴嘴同時(shí)工作，必須保證放大機(jī)構(gòu)輸出位移在0.4～0.7mm，才能保證噴嘴正常工作。為了結(jié)構(gòu)緊湊，選取的壓電堆棧越小越好，但同時(shí)也要考慮與放大機(jī)構(gòu)的配合，故選取壓電堆棧長(zhǎng)度為50mm，壓電堆棧位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同電壓下壓電堆棧的輸出位移

由表1可知，在無載荷的情況下，壓電堆棧輸出位移與輸入電壓呈線性關(guān)系，在電壓達(dá)到120V時(shí)，壓電堆棧的輸出位移已經(jīng)接近于壓電陶瓷本身長(zhǎng)度的千分之一，此時(shí)不需要再進(jìn)行后面的試驗(yàn)。在120V的工作電壓下，選取放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)為15倍，桿長(zhǎng)為a=3cm，b=9cm，c=3cm，d=12cm。

2.2 放大機(jī)構(gòu)位移損失分析

柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)采用的是杠桿放大原理，由于柔性鉸鏈在支點(diǎn)處較為薄弱，在受到力的作用下會(huì)在支點(diǎn)處產(chǎn)生變形，減小放大機(jī)構(gòu)理論的放大倍數(shù)，直接影響輸出端的輸出位移，對(duì)噴頭的噴射產(chǎn)生一定的影響?，F(xiàn)在對(duì)放大機(jī)構(gòu)在負(fù)載情況下進(jìn)行分析，假設(shè)放大機(jī)構(gòu)承受的負(fù)載為F，支點(diǎn)處會(huì)受力產(chǎn)生變形，變形主要是半圓弧變截面處產(chǎn)生的拉壓變形。柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)支點(diǎn)最薄處厚度t=1mm，圓弧半徑r=1.5mm，軸向厚度b=4mm，m為徑向自變量，其一端中點(diǎn)處定義為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，可以得到變截面處厚度隨徑向m變動(dòng)的表達(dá)式。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的放大機(jī)構(gòu)是對(duì)稱的，水平方向位移損失抵消，所以只用考慮豎直方向的位移損失，基于胡克定律的拉壓關(guān)系：

式中，F(xiàn)N為拉力或壓力；l為桿件原長(zhǎng)；E為彈性模量；EA為抗拉剛度。

所以，變形量為：

通過計(jì)算可得，以上各點(diǎn)的所受拉力和壓力分別為：

選取兩極放大機(jī)構(gòu)中受力最大的支點(diǎn)1、3作為研究對(duì)象，來計(jì)算位移損失的大小。設(shè)1、3支點(diǎn)的變形為Δ1、Δ3，總輸出位移為x1，計(jì)算可得：

利用氣壓作為驅(qū)動(dòng)源進(jìn)噴射試驗(yàn)的過程中，測(cè)出供料的壓強(qiáng)在0.4～0.5MPa。試驗(yàn)得出放大機(jī)構(gòu)總的輸出位移為0.525mm，放大比約為10.9，可以滿足噴頭噴射要求。

3 結(jié)論

本文基于柔性放大機(jī)構(gòu)的模型，根據(jù)不同的放大倍數(shù)，可以有效控制輸出端的輸出位移，對(duì)單噴嘴和多噴嘴機(jī)構(gòu)都有著良好的適用性。柔性放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及變形分析，也為3D打印驅(qū)動(dòng)方式提供了一種參考。