一種展示3D打印原理的機電裝置設計

朱云龍 孫業(yè)中 胡 品

（合肥探奧自動化有限公司，安徽合肥230022）

0 引言

3D打印技術是基于三維CAD模型數據，通過增加材料進行逐層制造的。3D打印技術涵蓋了產品快速原型和快速制造相關的技術、設備和應用，已在機械、教育、醫(yī)療、航空等領域有了極其廣泛的應用[1]。當前，3D打印技術正越來越多地在科技館等場所向公眾進行展示。本文設計了一種機電裝置，用于展示3D打印的原理和過程，區(qū)別于以往的展示，該裝置更加直觀和形象。

1 技術調研

針對3D打印技術的科普展示，目前較多地采用圖文和多媒體視頻，或采購3D打印機設備在科技館內進行展示。圖文和多媒體視頻缺少互動性，而3D打印機打印模型通常要耗費較長時間，不適應科技館場所內觀眾參觀體驗的需求。目前尚無機電裝置模擬展示3D打印原理的產品，本文的研究有較大創(chuàng)新性。

2 裝置組成

裝置由打印展示系統(tǒng)、顯示屏、異形模型、模型識別區(qū)、搖桿、按鈕、顆粒、回收漏斗、臺體等組成。顆粒的粒度小于0.2 mm，異形模型為5個打印參考模型。打印展示系統(tǒng)包含16層有機玻璃板組件、打印噴頭組件、翻轉回收機構等結構。

3 裝置操作互動流程

觀眾從異形模型中選擇一個模型，放入識別區(qū)，顯示屏中顯示該模型的16層截面軌跡，并顯示“自動模式”和“手動模式”選項。

自動模式：打印展示系統(tǒng)中最下面一層有機玻璃板轉出，打印噴頭在有機玻璃板上按照該層截面軌跡投放顆粒；完成后，噴頭上移，轉出第二層有機玻璃板，再按照相應軌跡投放顆粒；如此重復，直至16層有機玻璃板都投放完成。觀眾對比觀看有機玻璃板中顆粒形成的造型與選擇的模型。

手動模式中，觀眾可以通過搖桿選擇一層或多層進行打印，觀看打印結果。

4 裝置關鍵結構設計

4.1 有機玻璃板組件及翻轉回收機構設計

裝置中的有機玻璃板長270 mm、寬180 mm、厚3 mm，無色透明，相鄰兩層有機玻璃板下表面之間的間距為17.5 mm。有機玻璃板通過一塊碳纖維板固定在一根轉動軸上，碳纖維板與一個分度圓直徑φ=60 mm、齒數Z=120的大齒輪固定連接，與電機輸出軸相連的齒輪選用了分度圓直徑φ=7.5 mm、齒數Z=15的小齒輪。

有機玻璃板旋轉時，不要求高轉速和大扭矩，但由于每層有機玻璃板之間的間距會影響成像效果，所以對動力的尺寸有一定要求。故選用一種微型蝸輪蝸桿減速直流電機，減速箱輸出軸與馬達軸垂直布置，不帶電時能自鎖，電機額定轉速17 r/min，額定扭矩0.6 kg·cm，額定電壓直流12 V。電機長、寬、高為36 mm×19 mm×17 mm，兩層電機交錯90°布置。

裝置在每次展示完成后，還需回收顆粒，以便進行下一次展示。本文采用了分離設計方案，即將16層有機玻璃板及其運動組件設計為一個整體，再與翻轉回收機構相連。

翻轉回收機構的動力選用了電動推桿，電壓直流12 V，行程50 mm。電動推桿末端與一根旋轉軸相連，旋轉軸再與有機玻璃板組件安裝架固定，通過電動推桿的伸縮運動，推動旋轉軸旋轉，從而使有機玻璃板組件傾斜一定角度，顆粒從有機玻璃板上落下，掉入回收漏斗中。經過測試，有機玻璃板組件及翻轉回收機構運行良好，結構示意圖如圖1所示。

圖1 有機玻璃板組件及翻轉機構示意圖

4.2 打印噴頭組件設計

本裝置中的打印載體是微小顆粒，不用考慮材料的熱熔問題，但要保證顆粒能夠均勻平穩(wěn)投放到有機玻璃板上。要實現(xiàn)顆粒的平穩(wěn)下落，需要特殊設計打印噴頭。本裝置中，打印噴頭主要由漏斗、落料頭、蝸桿、貫穿電機等組成。漏斗通過一個不銹鋼管子與落料頭相連，貫穿電機與蝸桿相連。顆粒從漏斗中沿管子落入落料頭，不投料時，貫穿電機不運動，蝸桿抵住落料頭出口；投料時，貫穿電機旋轉，帶動蝸桿運動，蝸桿中的螺旋齒帶動顆粒往下投放。

目前市場上的3D打印機多采用步進電機、同步帶、絲桿的組合方式實現(xiàn)打印噴頭沿XY軸和沿Z軸的運動[2-3]。本裝置中，打印噴頭固定在一個光桿十字架結構上，十字架末端各固定一個滑塊，每個滑塊與一根絲桿連接，通過步進電機、同步輪、同步帶驅動絲桿旋轉，以此實現(xiàn)噴頭XY軸的運動。同時，將打印噴頭、絲桿、電機等零部件固定在一個框架上，框架末端通過兩個螺母與Z軸方向的絲桿連接，并在框架的上下和兩端各增加一個滑塊，滑塊再與光桿相連。Z軸絲桿與一個伺服電機相連，電機驅動絲桿旋轉，以此實現(xiàn)打印噴頭沿Z軸的穩(wěn)定運動。結構示意圖如圖2所示。

圖2 打印噴頭組件結構示意圖

4.3 模型識別

模型與識別區(qū)分離，采用非接觸式近場通信的方案，目前主要有RFID、藍牙、NFC紅外等方式。NFC發(fā)展于RFID，其相比RFID傳輸范圍小、能耗低、帶寬高，相比紅外更簡單可靠，不用像紅外那樣必須嚴格對齊才能傳輸數據；藍牙適用于較長距離數據通信，彌補了NFC傳輸距離上的不足[4]。

本文綜合考慮，選用NFC技術，在識別區(qū)下方安裝讀卡器，5個異形模型底部安裝識別卡，當觀眾將模型放入識別區(qū)，系統(tǒng)即可判斷出放置的模型。

5 結語

該裝置目前已由項目組織單位捐贈給國內某科技館，運行良好，其采用在16層有機玻璃板上按照實物模型截面軌跡投放微小顆粒，直觀、快速地模擬展示3D打印原理和過程，展示效果較真實的3D打印機或更為形象、有趣的純多媒體視頻，且效果有了較大提升。