構(gòu)架型3D打印機創(chuàng)新設計

孫正陽q

摘要：本文針對用3D打印機無法滿足較大且不可移動對象的修復問題，設計了構(gòu)架型3D打印機。打印機主體分為上下兩部分結(jié)構(gòu)，上部為打印部件，其中X、Y軸用雙同步帶來保證往返傳動，Z軸采用電動推桿，能有效的完成在原有對象上進行修復工作。下部采用了吸盤固定支撐，連桿傳動，實現(xiàn)上部機械裝置的升降和橫移。本機能夠快速安裝到設施上并進行3D打印快速修復功能。

關鍵詞：3D打印;快速成型技術(shù);支架;修復

0? 引言

3D打印技術(shù)是一種典型的快速成型制造技術(shù)，在物品修復方面具備較大優(yōu)勢。如民航飛機上的在翼維修，比單獨打印制作的效率提高很多，減少故障飛機的停飛時間，直接在打印對象上進行噴漆、圖案設計等工作[1-2]。在生物體修復方面，已經(jīng)取得大量的應用[3-4]。在文物修復方面，可以識別不完整部分的原始形狀，并將形狀擴展到缺失部分，這種可進行修復工作的3D打印機具有很大的實用意義[5-6]。本文針對大型不可移動文物等設施，設計了一種能夠快速安裝到設施上并進行修復打印的3D打印機。

1? 打印機整機設計

該3D打印機是一款能夠拆卸移動并且能夠進行修復的3D打印機，其整機三維模型如圖1所示，主體分為上下兩部分結(jié)構(gòu)，上半部分為打印部件，分為X、Y、Z軸運動機構(gòu)、材料擠出機構(gòu)、送絲機構(gòu)、噴頭機構(gòu)、散熱機構(gòu)、傳動機構(gòu)、緊固機構(gòu)等。下半部分為可移動支架，實現(xiàn)打印部件移動功能。使用時，僅需將快速安裝機構(gòu)通過螺紋等連接方式穩(wěn)定的和需3D打印的原工件待加工部位連接，再把其他模塊化部件安裝到快速安裝機構(gòu)上，清理工作區(qū)，該設備便可正常使用。此種結(jié)構(gòu)整體可實現(xiàn)修復的特定功能，穩(wěn)定性高，靈活性好，適應性強。

2? 打印部件設計

2.1 Z軸設計

如圖2所示的Z軸采用了電動推桿，能有效的完成在原有對象上進行修復工作，并設計了緊固件保持Z軸平穩(wěn)，噴頭設計散熱片和渦輪風扇來進行材料的噴涂。其傳動原理是電機驅(qū)動小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合實現(xiàn)減速，大齒輪帶動絲杠，絲杠上利用螺母副將轉(zhuǎn)動量變?yōu)楣潭ㄔ诮z杠上噴頭的直線位移量。

2.2 同步帶及同步輪的選用

打印機采用弧齒同步完成了X、Y軸的傳輸。選用傳動比為1：1圓弧齒形帶作為XY軸的傳動，選用步進電機提供動力，將電機軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為帶輪上的直線運動，其傳動效率可達到98%，并且對工作條件要求低。

2.3 噴頭的設計

打印機噴頭（圖3）是3D打印機中決定成型工件打印精度的關鍵部件，按照設計要求，線材直徑為1.75mm，喉管連接著噴嘴，是輸送線材的管道，但喉管的直徑是大于線材直徑1.75mm，中間存在間隙，加熱后成為熔融態(tài)的線材不僅會從噴嘴中擠出，還會進入間隙堵住打印噴頭，故為了打印過程順暢，必須要把噴頭的溫度控制在一個范圍內(nèi)，喉管散熱（圖4）溫度保持在能使倒流的熔融態(tài)耗材凝固的低溫，對喉管散熱的措施主要是散熱環(huán)和散熱風扇，散熱環(huán)有大的散熱面積，有效降溫，減少倒流。黃銅噴嘴材料：黃銅，尺寸：13mm×7mm，精度0.4mm，螺紋外徑6mm，內(nèi)徑2mm，外螺紋連接。

2.4 擠出機設計

擠出機結(jié)構(gòu)（圖5）中，絲料通過送絲孔進入嵌入V型軸承中，由步進電機驅(qū)動的送絲輪推入噴頭，進入喉管，再由加熱塊加熱至熔融態(tài)，過程中還需要溫度傳感器監(jiān)測溫度，從噴嘴中擠出打印工件。擠出機電機選擇17HS-6022型步進電機。

2.5 行程控制

行程控制用到的是機械限位開關，機械限位開關就是將彈簧片的變形量轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給微型處理器，再發(fā)給主控電路板停止電機轉(zhuǎn)動，從而達到行程控制的要求。綜合以上要求，X、Y、Z軸各有兩個限位開關，總共需要6個。

3? 可移動支架設計

根據(jù)設計要求，確定了這種支架形式（圖1）。對于支架，運用了軟件ANSYS進行有限元分析。

首先，分析了支架連接件，材料為QT400-15，彈性模量為1.62×1011，泊松比為0.3，其三維模型如圖6（a）所示，受力如圖6（b）所示，根據(jù)受力，分析了不同應變的等效云圖，探究了不同隨機變量對支架可靠性的影響，對實體模型進行了網(wǎng)格劃分（圖6（c）），選定材料之后，判斷出支架連接部位的危險系數(shù)最高，所以對這個部位進行應變分析，分析結(jié)果如圖6（d）和圖6（e）所示，最后對整個部件做了應變分析（圖6（f）），根據(jù)仿真數(shù)值可知，該部件的承載能力足夠。

其次，在相同的參數(shù)下對支架座進行了相同的有限元分析，可知，材料選擇正確，滿足承載要求。通過整體分析可知，打印機支架設計合理，滿足設計要求。

4? 結(jié)論

本文利用SoildWorks軟件對3D打印機三維模型進行搭建，在傳統(tǒng)3D打印機的基礎上進行了改進，采用弧齒同步帶完成了X、Y軸的傳輸，使其在結(jié)構(gòu)上更加合理，適用范圍更加廣泛;使用噴頭喉管散熱結(jié)構(gòu)，保證噴頭送絲的準確性和穩(wěn)定性;更改了傳統(tǒng)3D打印機升降平臺通過絲杠傳動，將Z軸的傳動方式改為直線電機帶動電推桿，將平臺的升降變?yōu)閆軸本身的運動，Z軸考慮精度問題，并設計了緊固件保持Z軸平穩(wěn)，保證打印的精確性。

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