ギアポンプを備えた渦流ノズルとダイヤフラムノズル: 3D プリントのより良い方法?

熱溶解積層法 (FDM) 3D プリントは、加熱した材料をノズルから堆積させて部品やコンポーネントを作成する技術です。押し出し機のローラーは、材料が半液体または液体に溶けてノズルから押し出され、ビルドプラットフォームまたは以前に押し出された層と接触して固化してフィラメントを形成する前に、材料を液化装置に押し込むのに十分な圧力を生成します。気づかないかもしれませんが、使用する 3D プリントノズルの種類は、3D プリントの品質に大きな影響を与えます。フロリダ大学機械航空工学部の研究者チームは最近、FDM 3D 印刷プロセスに適している可能性のある 2 種類のノズルの詳細を説明した論文を発表しました。

オープンアクセスのMATEC Web of Conferences出版シリーズに掲載された「FDMプロセスに基づくパラメータ調整可能な積層製造プロセスの基礎研究」と題された論文の中で、研究者らは、3Dプリント部品の重要な要素は、各材料押し出しサポートの小さな断面積によってもたらされる解像度であると従来考えられてきたと説明しています。ただし、断面積が小さいフィラメントは押し出し速度が遅くなり、構築時間が長くなります。

この問題に対処するために、各層に最大許容厚さを適用したり、シェルのような構造を配置するためにより低いサポートボリュームを使用したりといった多くの試みがなされています。しかし、研究者らは、FDM プロセス中に、解像度を制御するために押し出しパラメータが広範囲に調整されることを指摘しています。
概要には次のように書かれています。「熱溶解積層法（FDM）プロセスでは、高い生産性と高品質の製品の間に矛盾があります。製品の解像度は加熱された材料の押し出しの流量に比例し、それが造形時間に直接影響します。許容できる解像度で造形時間を短縮するために、パラメータ調整可能な印刷プロセスのアイデアが導入されました。制御可能な押し出し機が改良され、直径が可変のノズルが2つ設計されています。この研究では、FDMプロセスで部品の形状に基づいて異なる解像度の造形を実装し、生産性を向上させながら製品の品質を効果的に保証できます。」

FDM 3D プリンターのノズルの直径は、材料が押し出される速度だけでなく、3D プリントの解像度にも影響します。解像度が決定されると、それに対応する押し出しパラメータを正常に計算して、パラメータと部品の形状との関係を決定できます。「この論文では、ノズルの直径が主な可変押出パラメータとして選択された」と研究者らは説明した。「プリンターの押し出し機は、新しいプロセスに対応するために改造され、特定の解像度での押し出しパラメータが決定されました。部品の形状と望ましい解像度の関係が導き出され、プロセス用に 2 つの可変直径ノズルが設計されました。」粘性流体の流れは通常、容積式ギアポンプを使用して計測されるため、研究者は研究に 3D プリンターの押し出し機のポンプを使用しました。「信頼性の高い解像度を得るために、ノズルは材料の押し出し速度と同じ速度で動くと想定されている」と研究者らは述べた。

絞り開口部品の形状: (A) ベース、(B) 湾曲ブレード、(C) 回転ディスク

ノズルの最大直径 (A) と最小直径 (B) の上面図。虹彩絞りと呼ばれる光学部品には、円形の開口部を形成するように配置された複数の薄くて滑らかなブレードがあります。絞りは制御可能なため、カメラのシャッター内のイメージセンサーに伝達される光の量を制限するためによく使用されます。そのため、3D プリンターのノズルの直径を変更できるコンポーネントに最適です。「従来の押し出し印刷ノズルと比較して、虹彩形状のノズルは直径を簡単に調整でき、印刷プロセス中に可変直径を実現できます」と研究者らは論文で説明している。「虹彩絞りの複数のブレードにより、ノズルの断面形状が円形になります。電子制御システムを使用して、ノズルの直径を正確かつ迅速に変更できます。」

ローリングノズルの形状ただし、絞りの形状によってノズルの直径が変わる場合もありますが、円形の穴の周囲に隙間ができ、材料の押し出し中に漏れが発生する場合があります。また、高温によってブレードが柔らかくなり、印刷に損傷が発生する場合もあります。そのため、研究者たちは「ノズルに追加の平面を設置することなく」機能するローリングモデルを構想した。巻物からヒントを得たローリングノズルの丸いベースは、形状が回転するにつれて小さくなりますが、円形のままです。このため、可変の開口部形状ではなく、可変の直径を持つ 3D プリンターのノズルには、直径を簡単に制御できるスクロールモデルの方が適している可能性があります。

研究者らは次のように結論付けている。「これまでに、パラメータ調整可能な FDM プロセスの理論モデルが確立されました。プリンターの押し出し機は、回転速度を変更することで流量を制御するために容積式ギアポンプを使用して改造されており、これにより、フィラメントの直径で表される解像度は、特定の最適な押し出し速度での押し出しプロセス中に流量によって調整できます。」

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

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すごいですね。同僚の皆さんもこの3Dプリントの展示会を見に来られたと聞きました。

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