印刷技术

3D打印在印刷设计包装印刷设备 模型制作中的应用

来源:《印刷技术》作者:马 杰 刘琳琳等时间:2017/10/13 点击:

  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设计印刷数据,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打印整合产品设计印刷及制造于一体,大大缩短了产品设计印刷周期,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,南彩上海印刷厂www.aituwo.com小编将以模切机模切单元为研究原型,详细介绍3D打印应用于印刷设计包装印刷设备模型的制作,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,南彩上海印刷厂www.aituwo.com小编还分析总结了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。

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  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.模切单元方案设计印刷

  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,需要设计印刷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印刷要求。具体设计印刷包含:减速箱设计印刷、墙板与模切平台设计印刷、六杆机构设计印刷、模切刀支架设计印刷、带轮设计印刷等。图2所示为减速箱与六杆机构。

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  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印刷,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

  本设计印刷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印刷打印。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。设计印刷时要考虑拆卸是否方便的问题,弥补设计印刷缺陷可通过打磨扩孔的方法来解决,要尽量在设计印刷时减小这种误差,以减少打磨扩孔的时间。模切单元整体效果如图3所示。

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  3D打印常见问题与解决方案

  南彩上海印刷厂www.aituwo.com小编在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。

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  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打印应用于印刷设计包装印刷设备模型的制作,简化了模型的设计印刷与加工过程,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。