桌面式3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

曾善文，潘亞嘉，陳鵬，李鋒

桌面式3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

曾善文，潘亞嘉，陳鵬，李鋒

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

3D打印技術(shù)是一種全新的制造方式，是各個(gè)系統(tǒng)化技術(shù)的綜合，已逐漸融入到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。選擇其中一類常用的3D打印機(jī)，F(xiàn)DM成形制造工藝，對它的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。通過與core xy定位機(jī)構(gòu)的對比，得知這類打印機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率更高等。

3D打印機(jī)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；FDM

3D打印技術(shù)是21世紀(jì)的一個(gè)最新型的制造加工方式，已經(jīng)慢慢向各個(gè)領(lǐng)域滲透。由于3D技術(shù)的個(gè)體化設(shè)計(jì)優(yōu)勢特點(diǎn)，3D打印在醫(yī)學(xué)上顯得更有價(jià)值。據(jù)報(bào)道以細(xì)胞為制造材料，打印出適合病人的個(gè)性的器官，并臨床應(yīng)用。在高技術(shù)領(lǐng)域，美國曾經(jīng)利用3D打印制造出軍用飛機(jī)，我國也引用3D技術(shù)打印出機(jī)翼。3D打印技術(shù)簡化了傳統(tǒng)的制造過程，很大程度上縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)、改進(jìn)周期。在制造領(lǐng)域，具有一定得優(yōu)勢，成為一種新的制造模式。

3D打印技術(shù)有別于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式[1]。傳統(tǒng)的制造模式主要是：去除材料制造、受迫制造和模具成型制造。去除材料，主要是車、銑、鉆、磨、鏜等以及一些特殊加工例如電火花、激光、水射流等加工工藝。受迫制造主要是鍛造和拉拔工藝。模具成型制造是一次性的鑄造和注塑成型。3D打印技術(shù)主要是增材制造，類似于傳統(tǒng)的焊接工藝。在不需要模具的情況下，利用計(jì)算機(jī)建模軟件數(shù)字化建模，根據(jù)這個(gè)虛擬的“模具”，指導(dǎo)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)確的“走刀”，一層層加工出產(chǎn)品。

3D打印根據(jù)技術(shù)工藝常用主要包括：選擇性激光燒結(jié)SLS（selective laser sintering），光固化成型SLA（stereolithography），分層實(shí)體制造LOM（laminated object manufacturing），粉末粘合成形工藝3DP（powder bed and inkjet head 3d printing），熔融沉積成形FDM（fused deposition modeling）。本文通過對3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，體現(xiàn)了這種同步齒形帶傳動(dòng)方式在桌面小型3D打印機(jī)的優(yōu)勢，效率高，機(jī)構(gòu)簡便等。

1 3 D打印機(jī)簡述

1.1 FDM成形原理

熔融沉積成形工藝是普及推廣的3D打印技術(shù)，主要使用ABS、PLA等材料，其工作原理是將ABS、PLA等材料加熱熔化，再凝固成形。材料通過擠出機(jī)構(gòu)被送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭根據(jù)集成化電路系統(tǒng)，讓噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半熔融狀態(tài)的材料按軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出并沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成形。FDM結(jié)構(gòu)簡單，耗材成本低廉，對環(huán)境清潔無害，可在辦公環(huán)境下進(jìn)行，也是本文研究的主要成形工藝。

1.2 3D打印機(jī)主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3D打印目前主要的運(yùn)動(dòng)方式是X-Y-Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。主要的運(yùn)動(dòng)是噴頭在X-Y水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，生成產(chǎn)品的一個(gè)截面，然后再在Z方向上以一定得厚度層層疊加。這種運(yùn)動(dòng)方式主要是應(yīng)用在笛卡爾坐標(biāo)系中，也有用于極坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。國外的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有英國的Darwin式和Mendel、美國的Cupcake式[2-3]，主要常見的是的delta式和同步帶運(yùn)動(dòng)。本文主要針對同步帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。

2 桌面式3D打印機(jī)

如圖1所示，這是一個(gè)金屬鑄造的外殼，有幾個(gè)面是開得較大的方孔，方便打印過程中時(shí)刻能觀察打印的具體情況，而且也方便拿取打印好的產(chǎn)品，以及手動(dòng)調(diào)零和調(diào)平打印平臺。它的外形尺寸長為27 cm，寬也為27 cm，高為31 cm，放在辦公室也正好合適，相對于普通的噴墨打印機(jī)尺寸相差不大。具體的打印產(chǎn)品的最長為135 mm，最寬為130 mm，最高為110 mm，對于一些小的尺寸可以直接打印，或者對尺寸要求不高的可以在打印時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤s放，再者也能通過一部分、一部分的打印，然后再粘接起來。

圖1 3 D打印機(jī)外觀圖

這款打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)跟大多數(shù)的FDM運(yùn)動(dòng)一樣，在一個(gè)平面和一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，主要的運(yùn)動(dòng)是X-Y水平面的噴頭運(yùn)動(dòng)，其次是打印平臺在Z方向的運(yùn)動(dòng)。它們主要是靠三個(gè)42型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。如圖2所示水平面的X、Y方向運(yùn)動(dòng)主要是兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，通過齒形同步帶牽引噴頭運(yùn)動(dòng)。Z方向主要的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿帶動(dòng)打印平面的垂直方向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還有兩個(gè)平行的導(dǎo)軌阻尼器，以減少運(yùn)動(dòng)沖擊。

圖2 3 D打印機(jī)模型簡圖

3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理分析

3.1Z方向的運(yùn)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，Z方向的運(yùn)動(dòng)每次都是0.1 mm的整數(shù)倍，也就是所設(shè)定的層高，一般設(shè)定的是0.2mm，層高是影響加工工藝精度的重要參數(shù)。而42步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°.假設(shè)螺桿的導(dǎo)程是2 mm，設(shè)定層高0.2 mm，電機(jī)一次則旋轉(zhuǎn)（0.2/2）*360°=36°，36°是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的整數(shù)倍，因此X方向的定位精度可達(dá)到更高。此外步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)的過程中，這段過程引進(jìn)的誤差是不可避免的，可以在這兩段過渡區(qū)間，選擇合適的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟停方式和控制電路，也會(huì)有利于減少打印制造工藝誤差。

3.2 X-Y水平面方向的運(yùn)動(dòng)

3D打印的水平面的運(yùn)動(dòng)是主要運(yùn)動(dòng)，本文選用的3D打印機(jī)的使用齒形同步帶傳動(dòng)方式，具有較高的穩(wěn)定性和打印精度。對于桌面式3D打印機(jī)，對于外形尺寸不宜過大，齒形同步帶可以更好的滿足打印要求。

水平面的運(yùn)動(dòng)主要是依據(jù)圖3所示core xy定位機(jī)構(gòu)[4]改進(jìn)而來，對于此機(jī)構(gòu)的分析與本打印機(jī)的水平面運(yùn)動(dòng)類似。運(yùn)動(dòng)原理是相同的：齒形同步帶的往復(fù)，一端減少的長度，由于皮帶不打滑，通過合適的布局，與另一端增加的長度相等。雖然同步帶的分布有不同，和電動(dòng)機(jī)放置的位置也不同，但運(yùn)動(dòng)的原理是一樣的。

圖3 core xy聯(lián)動(dòng)原理圖

就此對core xy聯(lián)動(dòng)原理進(jìn)行分析：

△X=（△A+△B）/2

△Y=（△A-△B）/2

在X軸方向上的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)牽引同步帶的方向是在執(zhí)行元件的右側(cè)是一致的且向右。而在Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，△A牽引同步帶方向是在執(zhí)行元件的上方且向上的，△B則是向下的。

也由上方的公式可知當(dāng)兩個(gè)同步電機(jī)的速度相等時(shí)，也就是△A與△B相等，方向一致，則△Y為零，噴頭執(zhí)行元件只有X方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向不一致時(shí)，則有△A+△B為零，X方向?yàn)榱?，只有Y方向運(yùn)動(dòng)[5]。

如圖4所示，對于本文3D打印機(jī)的水平面運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析如下：

圖4 3 D打印機(jī)x-y平面運(yùn)動(dòng)原理圖

當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不一致時(shí)，帶動(dòng)Y方向的移動(dòng)，移動(dòng)的距離為△Y=（△A+△B）/2，△Y的正向、負(fù)向的判斷主要依據(jù)兩個(gè)同步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來定。當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，帶動(dòng)X方向的移動(dòng)，移動(dòng)距離△X=△A+△B.

上式中的△A、△B分別表示兩個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步帶移動(dòng)的距離，△X、△Y分別表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者噴頭在X、Y方向的距離。

42步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的同步帶傳動(dòng)：假設(shè)電動(dòng)機(jī)上的齒輪中經(jīng)為d0mm，單個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n（最大轉(zhuǎn)速為800 r/min），則時(shí)間t秒后，同步帶的位移△Lm

在齒形同步帶的布局上，顯然3D打印機(jī)更合理，同步帶沒有交叉區(qū)域，空間更加簡便，效率也更高。同步帶的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)比3D打印機(jī)的delta結(jié)構(gòu)負(fù)載更低；同步帶帶動(dòng)的噴頭主要是在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌支撐起噴頭的重量，減少了電動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，從而具有更高的效率。

4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的打印實(shí)驗(yàn)

3D打印機(jī)在打印工藝上，上文已經(jīng)分析了，采用常用的FDM工藝。3D打印機(jī)噴頭有一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，主要是帶動(dòng)線材進(jìn)料，主要的線材是PLA.線材進(jìn)入噴頭后，通過加熱機(jī)構(gòu)，加熱到線材的熔點(diǎn)200℃，也可以更高，便于熔融體的流動(dòng)，但也不可太高，最后從噴頭擠出。X-Y水平面運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)擠出熔融材料的噴頭運(yùn)動(dòng)，根據(jù)主電路板的信號，驅(qū)動(dòng)X-Y水平面的兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照指定的路線運(yùn)動(dòng)，加工成一個(gè)截面。Z方向上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿絲杠牽引加工平臺向下移動(dòng)一個(gè)層厚，就這個(gè)一個(gè)截面一個(gè)層厚的協(xié)調(diào)加工，完成三維立體打印。在兩個(gè)不同時(shí)刻下，噴頭位置的移動(dòng)如圖5、6所示。

圖5 打印零件前時(shí)刻

圖6 打印零件后時(shí)刻

5 總結(jié)

本文主要對一臺桌面式3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)部分主要是與core xy定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對比性分析，得出該3D打印機(jī)更具有優(yōu)勢，同步帶布局簡便，更加穩(wěn)定，最重要是運(yùn)行效率更高。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，更能體現(xiàn)出這種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)布局的合理性和優(yōu)勢。對于3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)盡管布局上有優(yōu)勢，但是打印的速度和打印產(chǎn)品的質(zhì)量還是有待提高。速度的提高有望新的打印運(yùn)動(dòng)方式提出，例如不再是一層一層的打印，而是像加工中心的機(jī)器手一樣，有更多的自由度。

[1]朱艷青，史繼富，王雷雷，等.3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015（12）：50-56.

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[4]Klaus S.Sollmann.Dynamic Modeling of a Two-Axis，Paral lel，H-Frame-Type XY Positioning System[J].National Geo graphic，2012（6）：132-156.

[5]陰賀生，趙文豪，宋杰，等.基于三臂并聯(lián)結(jié)構(gòu)的桌面3D打印機(jī)[J].機(jī)械，2015，42（2）：36-40.

Based Desktop 3D Printer Movement Mechanism Analysis

ZENG Shan-wen，PAN Ya-jia，CHEN Peng，LI Feng
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Shichuang 610031，China）

The 3D printing technology is a new manufacturing method，is the systematic integration of various technologies，and gradually integrated into various fields.Choose one of the commonly used 3D printers，the FDM process of forming manufacturing，being its movement mechanism of the theoretical analysis and experimental operation.Compared with the core xy positioning mechanism，reflecting the obviously efficiency of such a printer movement mechanism and other advantages.

the 3D printers；movement mechanism；FDM

TB472

A

1672-545X（2017）02-0151-04

2016-11-25

曾善文（1991-），男，湖南人，碩士研究生，從事機(jī)械工程方面的研究。