并聯(lián)混色3D打印機設(shè)計與研究

呂　蒙，可心萌，牛晨旭，李春亞

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南　鄭州　451460)

0　引言

近年來，3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展并得到了廣泛應(yīng)用，它不同于傳統(tǒng)的減材制造方式，是一種通過將材料逐層累加而實現(xiàn)三維物體成型的增材制造技術(shù)[1]。3D打印幾乎涉及材料加工與制造的各大領(lǐng)域，目前可打印材料包括金屬、陶瓷、塑料、混凝土、生物體、食品等。根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”理念，可利用3D打印機直接將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為樣機實物，為未來市場提供了新的機會和商業(yè)模式[2]。

3D打印機從成型方式上分為以下幾種：材料層疊成型(LOM)、層壓制造技術(shù)(LLM)、熔融沉積成型(FDM)、紫外線光固化成型(SLA)等[3]。本文主要研究一種以樹脂和工程塑料為打印材料的FDM型3D打印機 。

1　并聯(lián)3D打印機結(jié)構(gòu)及原理

基于FDM成型原理的并聯(lián)3D打印機主要包括機械本體部分、效應(yīng)器運動結(jié)構(gòu)、噴頭加熱及冷卻部分、擠出機及送料部分、熱床及打印托盤部分。

機械本體由兩個等邊三角形框架和三根立柱共同構(gòu)成一個三角形棱柱，運動結(jié)構(gòu)安裝在三角棱柱的內(nèi)部[4]，如圖1所示。其中步進(jìn)電機帶動安裝在立柱內(nèi)側(cè)的滑塊移動，通過球形連桿機構(gòu)將三個立柱上的豎直位移耦合為效應(yīng)器平臺的三維運動，如圖2所示。這種并聯(lián)式耦合運動方式具有反應(yīng)靈敏、運動速度快的特點[5]。

熱床安裝于三棱柱機械框架的底部，用于對打印零件底部進(jìn)行加熱，防止打印材料冷縮翹曲；擠出噴嘴與加熱塊和散熱器安裝于效應(yīng)器下方，用于產(chǎn)生恒定溫度，使打印材料能夠迅速融化并噴出，同時散熱結(jié)構(gòu)能夠避免加熱頭過熱。擠出機安裝于機身外圍，由步進(jìn)電機、送料齒輪和從動輪組成，使打印材料按照一定的速度進(jìn)入加熱噴頭，完成固定速度和固定體積的材料擠出。

2　并聯(lián)3D打印機的設(shè)計

并聯(lián)式FDM型3D打印機主要包括機身結(jié)構(gòu)框架、動力與傳動機構(gòu)、擠出機與遠(yuǎn)程送料機構(gòu)、打印噴頭組件、打印平臺等部分。圖3為并聯(lián)式FDM型3D打印機整體裝配效果圖。

2.1　機體設(shè)計

機體采用正三角棱柱式并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，上、下框架正三角形邊長為310 mm，立柱高度為640 mm，采用高強度鋁合金型材和角度連接件搭建，設(shè)計打印范圍為Φ200 mm×230 mm圓柱體，框架角部連接如圖4所示。其中限位開關(guān)采用側(cè)位安裝方式，可以在立柱高度保持不變的情況下增大打印高度將近20 mm，增大并聯(lián)打印機的體積利用率[6]。

圖1并聯(lián)3D打印機框架圖2并聯(lián)3D打印機運動結(jié)構(gòu)圖33D打印機整機裝配效果圖圖4角部連接局部裝配圖

為保證打印精度與打印速度，采用臺灣上銀MGN12H直線導(dǎo)軌滑塊作為移動副，安裝于立柱內(nèi)側(cè)立面。直線導(dǎo)軌滑塊上安裝有滑臺，用于固定傳動同步帶與球形連桿，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2　打印頭設(shè)計

打印頭安裝于效應(yīng)器平臺下方，包括雙進(jìn)料管接頭、雙進(jìn)料散熱器、散熱器風(fēng)扇、雙喉管、兩進(jìn)一出混色加熱塊、加熱管、噴嘴、模型冷卻風(fēng)扇、模型冷卻風(fēng)扇風(fēng)嘴，如圖6所示。采用兩進(jìn)一出噴頭模式，支持打印單色、雙色、任意比例混色模型。

其中冷卻風(fēng)扇為渦輪風(fēng)扇，其作用是向冷卻風(fēng)嘴提供較低溫度空氣氣流，氣流通過特殊設(shè)計的冷卻風(fēng)嘴快速噴出，從而加速對當(dāng)前打印層的冷卻，提高成型效果和精度。

2.3　打印平臺設(shè)計

打印平臺位于機體框架下部、底座框架上部，用于承載打印模型。圖7為打印平臺剖面圖，包括熱床加熱板、高硼硅玻璃托盤、磨砂托盤、可拆卸金屬薄膜層。

圖5導(dǎo)軌滑塊局部裝配圖圖6打印頭裝配示意圖圖7打印機平臺結(jié)構(gòu)示意圖

最底層熱床加熱板為3D打印機打印平臺提供恒溫?zé)嵩矗谴蛴∑脚_熱床的主要結(jié)構(gòu)部件。熱床加熱板上方安裝一塊圓形高硼硅玻璃板，該層為導(dǎo)熱層和物理支撐層，用于承載打印模型。但考慮到玻璃材料表面較光滑，打印機噴嘴長期接觸或偶爾碰撞易損壞，因此一般不在高硼硅玻璃表面直接打印模型[7]。在高硼硅玻璃表面貼一層磨砂塑料托盤，使打印機噴嘴與平臺誤觸時可以起到緩沖作用。

目前，大多數(shù)3D打印機采用機械式開關(guān)作為調(diào)平傳感器，其精度和穩(wěn)定性較差，調(diào)平效果不理想。為保證較高的調(diào)平精度，采用49點接觸導(dǎo)電式自動調(diào)平機構(gòu)。調(diào)平時，在打印平臺上方平鋪一層金屬薄膜層并接調(diào)平探測端口陰極，同時打印機噴嘴接調(diào)平探測端口陽極，當(dāng)噴嘴與平臺金屬薄膜層接觸時產(chǎn)生調(diào)平信號，調(diào)平結(jié)束后將金屬薄膜層取下即可。

3　并聯(lián)式FDM型3D打印機的優(yōu)化與實驗分析

3.1　打印頭冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

基于FDM成型原理的并聯(lián)3D打印機整機具備三套獨立的強制冷卻系統(tǒng)：主板與驅(qū)動電路冷卻系統(tǒng)、打印噴頭散熱片冷卻系統(tǒng)和模型冷卻系統(tǒng)。

其中主板與驅(qū)動電路冷卻系統(tǒng)主要作用為幫助打印機主板和步進(jìn)電機驅(qū)動芯片散熱降溫[8]。打印噴頭散熱片冷卻系統(tǒng)可以為噴頭散熱片和喉管散熱，防止喉管過熱后打印材料軟化堵塞送料管。模型冷卻系統(tǒng)包括安裝在效應(yīng)器平臺上的渦輪風(fēng)扇和風(fēng)嘴，能夠在打印過程中實時對噴嘴噴出的材料進(jìn)行冷卻，縮短熔融材料的固化時間，提高打印質(zhì)量和打印精度。圖8為具備材料噴出冷卻和不具備材料噴出冷卻的模型成型對比。

3.2　實驗分析

3.2.13D打印實驗

對3D打印機設(shè)備的打印穩(wěn)定性、可靠性和打印質(zhì)量進(jìn)行實驗，實驗過程中打印機最大無故障連續(xù)打印時間超過24 h，打印質(zhì)量穩(wěn)定、工作可靠，圖9為部分打印測試樣件。

3.2.2尺寸精度實驗

使用并聯(lián)3D打印機樣機對3個組次共15個固定尺寸的立方體和圓柱體進(jìn)行打印成型，并對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。由表1可見，打印精度不跟隨尺寸變化而等比例變化，且都為正偏差，打印精度滿足預(yù)期要求。

圖8模型冷卻開啟效果對比圖9打印測試樣件

表1　尺寸測量誤差統(tǒng)計表

4　結(jié)語

通過對并聯(lián)式混色3D打印機的重新設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力傳動部件設(shè)計、打印機效應(yīng)器噴頭設(shè)計、自動調(diào)平硬件優(yōu)化、打印機人機界面優(yōu)化、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅度提高了并聯(lián)3D打印機的穩(wěn)定性、可靠性，提升了3D打印機的易用性、打印質(zhì)量和打印精度，為擴(kuò)展3D打印機的應(yīng)用領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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