MIT开发3D桌面打印机比现有对应物快10倍

物体的集合和测试样品印在新的3-D打印机上，包括微型椅子，在麻省理工学院，眼镜框架，螺旋杯和螺旋锥齿轮上建造10的简化模型。图像：切尔西特纳（使用研究人员提供的图像）

麻省理工学院的工程师开发了一种新的桌面3D打印机，比现有的商业对应物快10倍。而最常见的打印机可以在一小时内制造几块乐高型砖块，而新的设计只需几分钟即可在几分钟内打印类似尺寸的物体。

团队灵活设计的关键在于打印机的紧凑型打印头，它包含两个新的速度增强组件：螺杆机构通过高力通过喷嘴馈送聚合物材料;和一个激光，内置在打印头中，快速加热并熔化材料，使其能够通过喷嘴更快地流动。

该团队通过印刷各种详细的手持3D物体，包括小眼镜框架，锥齿轮和MIT圆顶的微型复制品来展示其新设计 - 每分钟开始，从开始完成，从开始完成。

MIT机械工程副教授Anastasios John Hart表示，新的打印机展示了3D打印的可能性，成为一种更加可行的生产技术。

“如果我可以获得原型部分，可能是一个支架或装备，在五到10分钟而不是一个小时，或者在我的午休而不是第二天，我可以更快地进行更大的部分，而不是第二天，我可以更快地测试， “Hart说，他也是麻省理工学院制造业和生产力和机械合作组的实验室主任。“如果我是一个维修技术人员，我可以在我的车辆中有一个快速的3D打印机，我可以在我打破的时候3D打印维修部门。我不必去仓库，把它从库存中取出。“

HART补充说，他设想了“在急诊医学中的应用，以及在远程位置的各种需求。快速3D打印创建有价值的新方法，并实现新的市场机会。“

HART和Jamison Go Sm '15是哈特实验室的前研究生研究员，在杂志上发表了他们的结果。

慢流动

在以前的论文中，HART并开始识别限制最常见的台式3D打印机的速度的潜在原因，该级桌面3D打印机挤出塑料层，层层，在该行业中称为“融合灯丝制造”的过程中。

“现在，每年都有数以万计的桌面打印机使用这个过程在世界各地销售，”哈特说。“3D打印的可行性的关键限制之一是您可以打印某些东西的速度。”

HART和GO先前确定了商用桌面挤出3D打印机，平均，按约20立方厘米的速度打印，或每小时的几个乐高砖的结构。“这真的很慢，”哈特笔记。

该团队确定了限制打印机速度的三个因素：打印机可以移动其打印头的速度，打印头可以将打印头施加多少力以将其推穿喷嘴，并且打印头可以快速地传输热量以熔化材料并制造它流动。

“那么，鉴于我们对这三个变量限制的内容的理解，我们询问我们如何设计新的打印机，可以自己在一个系统中改进所有三个，”哈特说。“现在我们建立了它，它很好地工作。”

得到一个抓住

在大多数桌面3D打印机中，塑料通过喷嘴通过喷嘴送入，其中打印头内的两个小车轮旋转并推动塑料，或灯丝向前推动。这与相对缓慢的速度相对较好，但如果应用更多的力量加速过程，则在某种程度上，车轮将失去对材料的抓地力 - “机械缺点”，哈特把它放置，这限制了速度打印头可以推动材料。

哈特并选择使用捏捏的设计，用螺丝机构取代，螺丝机构在打印头内。该团队将纹理塑料灯丝送到螺钉上，随着螺杆转动，它夹在灯丝的纹理表面上，并能够在较高力和速度下通过喷嘴馈送细丝。

“使用这种螺丝机制，我们在丝网上有很多接触区域，丝状纹理，”HART说。“因此，我们可以获得更高的驱动力，容易提高10倍的力量。”

该团队在螺杆机构的下游添加了激光，在通过喷嘴之前加热并熔化灯丝。以这种方式，与传统的3D打印机相比，塑料更快且熔化，与传统的3D打印机相比，使用传导将喷嘴的壁加热以熔化挤出塑料。

哈特并找到，通过调节激光器的功率并快速转动，它们可以控制输送到塑料的热量。它们将激光器和螺钉机构集成到紧凑，定制的打印头上，了一下电脑鼠标的大小。

最后，它们设计了一个高速龙门机构 - 由两个电动机提供动力的H形框架，连接到保持打印头的运动级。龙门石被设计和编程，以便在多个位置和平面之间采用光纤移动。通过这种方式，整个打印头能够快速移动以跟上挤出塑料的更快的饲料。

“我们设计了打印头具有高力，高加热容量，以及打印机快速移动的能力，比现有台式打印机更快，”Hart说。“所有三个因素使打印机能够比我们基准的商业打印机快10倍。”

3d视图

研究人员用新的打印机打印了几个复杂的零件，每次在五到10分钟内产生，与传统打印机的一个小时相比。然而，他们在速度设计中遇到了一个小故障：挤出塑料在这种高力下通过喷嘴送入，并且在打印机挤出第二层时，印刷层仍然可以稍微熔融。

“我们发现当您完成一层并返回开始下一个图层时，前一层仍然有点太热。所以我们必须在印刷中积极冷却零件，保留部分的形状，以便它不会变形或软化，“哈特说。

这是研究人员目前正在接受的设计挑战，与该数学相结合，可以优化打印头的路径。他们还将探索通过打印机馈送的新材料。

“我们有兴趣将这种技术应用于更先进的材料，如高强度聚合物，复合材料。我们还在研究大规模的3D打印，而不仅仅是打印桌面尺度对象，而是更大的工具结构，甚至是家具，“Hart说。“打印快速的能力打开了许多令人兴奋的机会的门。”

该研究得到了洛克希德马丁公司的支持。

出版物：Jamison Go＆A. John Hart，“快速桌面挤出添加剂制造，”添加剂制造业，2017; DOI：10.1016 / J.addma.2017.10.016