雙坐標3D打印機設計*

蘇錦奇，張　超，張俊歌

(中國礦業(yè)大學銀川學院，寧夏 銀川　750021)

0　引　言

3D打印技術又稱積層制造(Additive Manufacturing，AM)，它是一種以數字模型文件為基礎，綜合應用了CAD/CAM技術，激光技術，光化學以及材料科學等諸多方面的技術和知識，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印方式來構造三維實體的技術[1]。

本設計來源于工程實踐，以Makerbot系列的3D打印機為基礎，在驅動、傳動和工作方面進行改進。Makerbot系列的3D打印機為目前市面上絕大多數的3D打印機的結構類型，由于其結構較為成熟，精度較高，速度較快，且穩(wěn)定，可搭載多噴頭，為3D打印制造商的首選。針對國內3D打印機普遍精度低、速度慢的的問題，本設計通過三維Solid Works建模軟件進行建模仿真的方法，在Makerbot系列3D打印機的基礎上，重點引入極坐標系打印技術，解決傳統(tǒng)打印機在弧狀外形實體逐層打印上存在的此類問題，縮短打印時間提高打印精度。

1　雙坐標3D打印機的結構設計

1.1　雙坐標3D打印機的組成及工作原理

1.1.1雙坐標3D打印機的組成

3D打印機的主要零件組成如表1所示。

表1　3D打印機的主要零件組成

1.1.2雙坐標3D打印機的工作原理

3D打印機在工作時四角的兩根光杠和滾珠絲杠起到空間支撐和提供打印機在Z方向上運動空間的作用。打印機共有4個電機，其中X軸、Y軸和Z軸方向上各一個電機，剩余的一個是傳送打印材料到擠出頭用的。工作臺支架上裝有一個電機，帶動工作臺的旋轉及通過同步帶傳動驅動兩側的滾珠絲杠螺母帶動工作臺支架沿滾珠絲杠做Z方向運動。X和Y方向的打印是通過安裝在X和Y方向上的十字滑向塊移動完成的，電機驅動X和Y方向的滾珠絲杠旋轉，由滾珠絲杠螺母副分別帶動X和Y方向光杠沿其方向上的滾珠絲杠做直線運動，使十字滑向塊帶動擠出頭在XY平面內運動，從而完成了雙坐標的基礎設計。

1.2　機械結構設計

1.2.1整體框架結構布局

打印機的底座和工作臺支架主要由標準型材構成，Z方向的傳動通過兩根光杠和兩根滾珠絲杠來承擔，光杠和滾珠絲杠與底座支架型材和上端的固定之間均是用連接部件固定連接，周圍通過板材加固以增加結構的穩(wěn)定性。X和Y方向的滾珠絲杠固定均是通過滾珠絲杠兩端的連接部件與固定在打印機板材外殼上的光桿進行連接，以實現X和Y方向滾珠絲杠在Z方向上的固定和分別在X和Y方向上的移動。

1.2.2各部分結構設計

(1) 底座支架和工作臺支架結構的設計

底座支架，它的主要作用是固定打印機的底部結構和固定Z方向的光杠和滾珠絲杠，同時給打印機的板材外殼安裝提供固定支架。工作臺支架它的主要作用是放置加熱板和工作臺以及電機位置的固定。

圖1　支架結構設計圖　　　1.25×25型材　2.絲杠固定支座　3.光杠固定支座　4.型材連接螺釘　5.螺栓　6.螺母　7.緊定螺釘　8.工作臺支架連接件　9.張緊輪　10.工作臺支架底板　11.連接螺栓　12.電磁離合器　13.伺服電機　14.同步帶1　15.同步帶2　16.工作臺支撐桿

工作臺支架是構建極坐標系的關鍵。圖1所示的結構中，電機驅動主軸旋轉，通過電磁離合器帶動以連接軸為中心的工作臺旋轉從而形成極坐標系，極坐標系的引入使得三維模型加工中弧度部分模型的加工變得易于實現，提了高其加工速度和節(jié)約制造成本，彌補了笛卡爾坐標系在此類模型加工中存在的精度低的問題。

(2) X軸、Y軸和Z軸方向運動的設計

X軸方向和Y軸方向的運動主要靠電機通過聯軸器驅動滾珠絲杠帶動十字滑塊在XOY平面內運動。Z軸方向的運動主要靠工作臺下的電機通過同步帶傳動驅動兩側立著的滾珠絲杠螺母旋轉完成的，如圖2所示[2]。

圖2　Z軸方向運動結構圖　　　1.光杠　2.工作臺支架連接件　3.光杠　4.滾珠絲杠　5.滾珠絲杠螺母副　6.軸承座　7.滾珠絲杠

2　電機與傳動部件的選用

2.1　驅動電機的選擇

交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機，結合3D打印機的打印要求和成本等多方面因素，選用伺服電機作為在X、Y和Z方向的傳動控制電機，選用步進電機作為擠出頭部分送絲機構的傳動控制電機。

2.2　聯軸器和離合器的選擇

本設計選用彈性管聯軸器為傳動構件。其結構簡單，加工、安裝方便，外形尺寸小，質量輕，傳動精度高，結構緊湊，小轉矩主要用于傳遞運動?？捎糜诿}沖或伺服電動機與編碼等小功率控制系統(tǒng)傳動結構[3]。Z方向的電機與工作臺和滾珠絲杠螺母副之間通過離合器來實現控制。綜合考慮3D打印機的體積、機構和控制方式后選用濕式多片電磁離合器最為合適，參考其轉速范圍和轉矩后選用不同規(guī)格的濕式多片電磁離合器。

2.3　同步傳送帶的選用

基于圓弧齒形同步帶輪具有齒根承載能力好、壽命長、耐磨性高和無噪聲等優(yōu)點，選用其將會使Z方向運動更為平穩(wěn)和精確。

3　雙坐標3D打印機三維建模裝配體及爆炸視圖設計

本設計采用SolidWorks建模軟件對3D打印機進行三維建模分析。SolidWorks軟件具有龐大的三維設計功能，能夠精準的完成對三維模型零件的配合、評估和修正。如圖3所示，分別為雙坐標3D打印機的三維建模裝配體和爆炸視圖[4]。

圖3　3D打印機三維建模裝配體和爆炸視圖

4　結　語

本文從最初對3D打印機現今的工業(yè)地位和未來的發(fā)展趨勢的分析，到后來通過對新型3D打印機的整體結構設計、各部件結構設計、各驅動和輔助裝置的選取和最后的三維實體建模和仿真分析最終實現設計了具有雙坐標打印功能的創(chuàng)新型3D打印機，完成了對傳統(tǒng)打印機的更新和缺陷上的改進，新型雙坐標3D打印機將會更具有工業(yè)價值。