金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

曾齊高，羅飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳518040；3.深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060）

1 引言

為滿足日益苛刻的工業(yè)低成本和高性能要求，結(jié)合快速成型技術(shù)和金屬粉末注射成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，深圳大學(xué)李積彬教授提出了粉末冶金快速成型敏捷制造概念[1]，用金屬粉末材料制造產(chǎn)品樣品零件，從而降低成型機(jī)成本，提高零件機(jī)械性能。

金屬粉末3D打印成型技術(shù)是基于粉末冶金快速成型敏捷制造概念而提出并升級(jí)的新技術(shù)、新工藝[2]，是集金屬粉末注射成型技術(shù)和快速成型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)而提出的一項(xiàng)新工藝[3]。

金屬粉末3D打印裝備的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)金屬粉末3D打印工藝的基本保證，也是驗(yàn)證金屬粉末3D打印工藝可行性的重要保障。金屬粉末3D打印裝備系統(tǒng)開發(fā)可分為4個(gè)層次，最高層為工藝原理層，其次為軟件系統(tǒng)，再其次為控制系統(tǒng)層，最底層為機(jī)械系統(tǒng)層[4]。

本文旨在解決金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)是裝備的關(guān)鍵所在，是裝備功能實(shí)現(xiàn)的保證。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

金屬粉末3D打印機(jī)開發(fā)的本質(zhì)，就是根據(jù)工藝原理的需要構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。裝備總體設(shè)計(jì)是一個(gè)全局性的重要問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)一方面要考慮裝備本身的內(nèi)在因素，另一方面要考慮產(chǎn)品的外部因素，如環(huán)境和人等。另外，它還必須具有外形美觀、比例協(xié)調(diào)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，做到機(jī)器、環(huán)境和人達(dá)到最佳的統(tǒng)一效果。

金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械本體主要包括兩個(gè)部分：一是金屬粉末堆積快速成型裝置——三維快速成型平臺(tái)；二是金屬粉末擠出裝置——單螺桿擠出裝置，如圖1所示。

圖1 金屬粉末3D打印機(jī)機(jī)械本體

3 三維快速成型平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維快速成型平臺(tái)是金屬粉末擠出堆積快速成型裝備的一大核心裝置，是提供金屬成型零件尺寸及形狀精度的保證。成型平臺(tái)從功能上可分為XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)和Z軸滑臺(tái)兩部分。目前，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲桿進(jìn)給系統(tǒng)仍是快速成型伺服系統(tǒng)主要的驅(qū)動(dòng)裝置，如圖2所示，其加速度可以達(dá)到1g，進(jìn)給速度可以達(dá)到40～60m/min，定位精度20～50μm。

3.1 XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)是三維快速成型平臺(tái)一大關(guān)鍵部件，根據(jù)零件模型的每一層輪廓信息，按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)要求，可以插補(bǔ)出任意所需的軌跡，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)如下：

X軸有效行程：300mm；Y軸有效行程：400mm；X軸 負(fù) 載：30kg；Y軸 負(fù)載：15kg；重復(fù) 定 位 精度：0.01mm；最大運(yùn)動(dòng)速度：40mm/s；最大加速度：1g。

圖2 滾珠絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖3 XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)

X、Y滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置是由伺服電機(jī)+滾珠絲桿+直線導(dǎo)軌組成，是一個(gè)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的典型裝置，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中?；_(tái)的側(cè)面均安裝有光電限位開關(guān)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)正負(fù)限位，以及原點(diǎn)定位功能，方便對(duì)其實(shí)行運(yùn)動(dòng)控制及實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。

XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)從結(jié)構(gòu)上由X軸直線滑臺(tái)模塊，Y軸直線滑臺(tái)模塊組成，所以設(shè)計(jì)以及制造裝配的過(guò)程也是按兩個(gè)單獨(dú)的模塊進(jìn)行。直線滑臺(tái)模塊的設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)所承受的負(fù)載選擇伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲桿副、直線導(dǎo)軌副、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)。

以X軸滑臺(tái)模塊設(shè)計(jì)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入：X軸行程為300mm，負(fù)載為30kg，最大速度要求40mm/s，最大加速度要求1g，重復(fù)定位精度0.01mm。根據(jù)計(jì)算后選擇電機(jī)為松下400W伺服電機(jī)，型號(hào)為：MHMD042P1C；采用威遠(yuǎn)滾珠絲桿副，型號(hào)為：LL2005-3-P5-520X605；HIWIN直線導(dǎo)軌，型號(hào)為：HGW15CA2R700ZAH+DD/E2。根據(jù)所選的標(biāo)準(zhǔn)件然后設(shè)計(jì)其他一些零部件，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。為了減輕整個(gè)裝備的重量，并且由于滑臺(tái)模塊負(fù)載較小，所以除標(biāo)準(zhǔn)件外的一些其他零件的材料均選用鋁合金。

圖4 直線滑臺(tái)模塊

由于Y軸滑臺(tái)模塊與X軸滑臺(tái)模塊設(shè)計(jì)思路一致，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)也是相差無(wú)幾，所以其設(shè)計(jì)過(guò)程不再贅述。

3.2 Z軸滑臺(tái)

三維快速成型平臺(tái)中另一關(guān)鍵部件即為Z軸滑臺(tái)模塊，擠出裝置經(jīng)噴嘴擠出的熔融狀絲材在成型臺(tái)面上成型完一層后，擠出裝置需沿Z軸向上移動(dòng)一個(gè)單位的行程，此過(guò)程即需要Z軸滑臺(tái)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于整個(gè)螺桿擠出裝置安裝在Z軸滑臺(tái)上，所以其負(fù)載較大，并且行程要求不高。其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Z軸行程：150mm；Z軸負(fù)載：80kg；重復(fù)定位精度：0.01mm；最大運(yùn)動(dòng)速度：40mm/s；最大加速度：1g。

Z軸滑臺(tái)模塊驅(qū)動(dòng)裝置同樣采用伺服電機(jī)+滾珠絲桿+直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，所以其設(shè)計(jì)過(guò)程同X、Y軸滑臺(tái)模塊相似，但是由于負(fù)載較大，并且為垂直方向，因此根據(jù)計(jì)算選擇電機(jī)為松下400W伺服電機(jī)，型號(hào)為MHMD042P1C（帶抱閘）；由于其行程較短，選擇滾珠絲桿副型號(hào)為威遠(yuǎn)LLZD2005-3-P5-270X400，直線導(dǎo)軌副型號(hào)為HGW25CA2R580ZAH+DD/E2。為了保證Z軸滑臺(tái)模塊的剛度要求，其大部分零件材料采用45鋼，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 Z軸滑臺(tái)模塊

4 單螺桿擠出裝置

金屬3D打印機(jī)中核心部分即為單螺桿擠出裝置，它是熔融絲材制備裝置，堆積快速成型的前提保證。單螺桿擠出裝置主要由螺桿、料筒、噴嘴、螺桿驅(qū)動(dòng)裝置、支承裝置等幾大部分組成，詳細(xì)設(shè)計(jì)見曾齊高的《金屬3D打印機(jī)的擠出裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[5]。

5 裝備機(jī)架

裝備機(jī)架主要包括大理石平臺(tái)，龍門架，電控箱組成。如圖6所示，大理石采用1級(jí)精度，龍門架主體采用槽鋼焊接，電控箱采用方通焊接。

圖6 裝備機(jī)架

6 結(jié)論

本文闡述了金屬粉末擠出堆積快速成型裝備機(jī)械系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中主要包括三維快速成型平臺(tái)、單螺桿擠出裝置和裝備機(jī)架三部分的設(shè)計(jì)。

三維快速成型平臺(tái)包括XY聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，Z軸滑臺(tái)兩部分組成，是擠出堆積快速成型工藝實(shí)現(xiàn)的保證。單螺桿擠出裝置的核心零件螺桿，料筒，噴嘴，螺桿驅(qū)動(dòng)裝置以及螺桿支承裝置，軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及壽命計(jì)算。裝備機(jī)架的大理石平臺(tái)，龍門架結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)。