雙材料擠出式光固化打印機設(shè)計

李漢華

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，伴隨著個性化產(chǎn)品需求的增加和產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，對3D打印技術(shù)的需求越來越大。光固化3D打印技術(shù)是目前3D打印技術(shù)中最成熟、市場占有率最高的技術(shù)。但由于現(xiàn)代光固化3D打印機技術(shù)的局限性，在使用過程中出現(xiàn)了一些問題。兩種方法各有優(yōu)點，提高成型效率和表面質(zhì)量。近幾年來，3D打印技術(shù)在打印精度、打印速度和打印材料方面都有了長足的發(fā)展?，F(xiàn)在，3D打印技術(shù)在各個生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為滿足陶瓷材料與感光聚合物材料同時用于3D打印的需要，需要設(shè)計一款雙材料擠出式 3D 打印機。

關(guān)鍵詞：3D打印;光固化;SLA技術(shù);DLP技術(shù)

第一章 ?優(yōu)化設(shè)計

1.1 機械安裝

為使雙原理成型設(shè)備工作，將兩個成型設(shè)備分開安裝，DLP成型設(shè)備安裝在前，用激光反射器將水平圖像向上反射。激光和振動鏡系統(tǒng)被安裝在右邊，另外用來將激光向上反射。水平位置上的兩個裝置發(fā)出的光能垂直穿過兩個鏡子。該機是一種采用倒印法、樹脂槽底成象的小型設(shè)備，通過上述兩個鏡面，可將兩套設(shè)備發(fā)出的紫外線照射到槽底，使兩套成型設(shè)備同時工作。

1.2 兩種成型裝置圖案校準(zhǔn)

為確保兩種工作模式的匹配，對設(shè)備進行了多次調(diào)整。①每臺激光投影儀均配有校正裝置和固定裝置，調(diào)節(jié)激光鏡的位置和傾斜角度;②DLP投影機可執(zhí)行尺寸校正、畸變調(diào)整、光強調(diào)整、網(wǎng)格顯示等功能;③激光可進行光強調(diào)節(jié)和激光探測?？烧{(diào)整角度。我們做了一個測試程序，用激光生成一個特殊的網(wǎng)格。激光振鏡的畸變可通過調(diào)整激光振鏡的激勵功率電位器來調(diào)節(jié)振鏡的電壓值。

使用該裝置可使兩個投影裝置產(chǎn)生的圖像重疊。一般情況下，機組安裝后可一次調(diào)節(jié)。假如圖片沒有對齊，需要再次調(diào)整。裝置的調(diào)整采用以下方法：

①調(diào)節(jié) DLP裝置的圖象失真，采用尺法測量圖象的四邊和對角長度;

②通過軟件傳送網(wǎng)格，可以說是用尺子測量出網(wǎng)格的大小，DLP圖像的大小可以調(diào)節(jié);

③開啟激光振鏡系統(tǒng)，編寫程序使激光形成方形并與中心線相交，調(diào)節(jié)鏡片使激光形中心與 DLP像中心相交;

④激光式網(wǎng)格尺測量，調(diào)整電位器，使測量值與程序設(shè)定值匹配;⑤鎖定調(diào)整裝置，保留調(diào)整參數(shù)。

第二章 ?各系統(tǒng)工作原理

2.1 單螺桿泵

單螺桿泵（helical rotor pump）是由單螺桿和雙端蝸殼組成的轉(zhuǎn)子式容積泵。單螺桿泵的工作原理是：單螺桿泵的螺桿與套管相互作用，通過電機帶動螺桿的旋轉(zhuǎn)，進而不斷地改變吸入腔和排出腔的容積，實現(xiàn)物料的輸送。單螺桿泵螺桿的螺紋為單頭。具有相同直徑的圓的圓心位于同一條螺旋線上，并且與螺桿軸線之間有一個固定的偏心距。單螺桿泵的螺桿正是由這樣的圍繞軸線旋轉(zhuǎn)并沿軸向移動的圓面形成的。頭數(shù)比是螺桿的一個重要參數(shù)。單螺桿泵的轉(zhuǎn)子頭數(shù)與定子頭數(shù)之比即為單螺桿泵的轉(zhuǎn)子頭數(shù)比。螺旋泵可按頭數(shù)分為單頭和多頭等。機頭比越大，泵轉(zhuǎn)速越低，扭矩越大。而速度越高，輸出轉(zhuǎn)矩就越小。當(dāng)螺桿和套管相互配合時，在螺桿和套管的表面之間會形成一系列密封的孔洞，并且每個孔洞也在螺桿和套管上分成兩個孔洞。螺旋式旋轉(zhuǎn)時，靠近吸料端的吸料量逐漸增大，吸料量也隨之增加。隨著螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在吸入室體積繼續(xù)增大到最大之后，吸入室關(guān)閉，液體沿著軸向被推到排出室。通過這樣交替地不斷吸入和排出流體，最終實現(xiàn)液體被不斷地排出。

2.2 光固化燈

光敏樹脂是一種由齊聚物、稀釋劑、光引發(fā)劑等高分子組成的膠狀物，目前已廣泛應(yīng)用于光固化快速成型等領(lǐng)域。一般情況下，那些大分子亂糟糟地排列在一起，像柵欄的碎片。這些聚合物經(jīng)紫外線照射后結(jié)合形成交聯(lián)聚合物，液體感光樹脂變成固體。近幾年光敏樹脂由于其優(yōu)異的性能，在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

在設(shè)計中，為加速光敏樹脂的固化，加快打印機的生產(chǎn)效率，在擠出裝置上設(shè)計并安裝了一個光固化燈。光固化燈是一種通過發(fā)射紫外線光線，從而加快光敏材料的固化的設(shè)備。目前，氣體放電燈是工業(yè)上最常用的光固化燈。其中，高壓氣體放電等為目前在工業(yè)生產(chǎn)中常用的光固化燈。

2.3 滾珠絲杠

滾珠絲杠副（ball screw）是一種主要由絲杠和絲杠螺母裝配而成的螺旋傳動元件。目前，滾珠絲杠副是在進行傳動時精度最高，最常用的機械裝置。把一種特殊的鋼球加入到滾珠絲杠和滾珠螺母中，使旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，或使直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此，滾珠絲杠既是實現(xiàn)線性運動和旋轉(zhuǎn)運動之間的相互轉(zhuǎn)換的元 件，也是傳動原件。

第三章 ?電機方案的選擇及選型

3.1 所驅(qū)動的負載類型

3.1.1直流電機

DC電機的優(yōu)點是，通過改變電壓，可以方便地調(diào)整速度，并能提供更大的轉(zhuǎn)矩。用于需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的負荷，如鋼廠軋鋼機，礦山提升機等。而如今，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機也可以通過變頻來實現(xiàn)調(diào)速。然而，盡管變頻電機的價格比普通電機要高很多，但變頻電機的價格卻是設(shè)備的大件，所以直流電機還有一個優(yōu)勢。

3.1.2異步電機

異步電機的優(yōu)點是設(shè)計簡單、運行穩(wěn)定、維護方便、價格低廉。制作 I也是這項藝術(shù)中最簡單的。一位年長的技術(shù)員告訴我，裝配一臺直流電動機的工作時間可以是兩臺同步電動機，也可以是四臺幾乎同樣功率的感應(yīng)電動機。看得出來吧所以，異步電動機在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1.3同步電動機

同步電機依靠勵磁電流運行;無勵磁時電機不同步運行。該激勵系統(tǒng)為直流系統(tǒng)，與轉(zhuǎn)子相連。其速度和極性與定子相同。如果勵磁出現(xiàn)問題，電機就會失去步頻，無法進行調(diào)整，從而觸發(fā)保護“勵磁故障”電機跳閘。所以，同步電機的第二個缺點就是需要增加勵磁裝置，以前是直接用直流電機，現(xiàn)在則主要用硅整流器來驅(qū)動。俗話說的好，復(fù)雜的設(shè)計，需要更多的硬件，故障率會更高。

3.2 額定功率

電動機的額定功率是指電動機的輸出功率，即軸功率，也就是電動機的特性參數(shù)。常有人問及電動機的尺寸，通常不是指電動機的尺寸，而是指其額定功率。它是衡量電機容許負荷的最重要指標(biāo)，也是選擇電機時必須考慮的參數(shù)要求。

發(fā)動機功率的正確選擇原則應(yīng)是在發(fā)動機能夠滿足機械負荷要求時，以最經(jīng)濟合理的方式確定發(fā)動機功率。若選用功率過大，會增加設(shè)備投資，造成電機損耗，電機負荷頻繁運行，電機效率和功率因數(shù)均較低;反之，若選用功率過小，則會過早損壞電機。

第四章 ?結(jié)論

通過對此項技術(shù)的深入研究，開發(fā)的雙組份擠壓式光固化3D打印機能滿足相關(guān)要求，初步地實現(xiàn)了以陶瓷材料為主體，光敏樹脂為支撐的實體的打印。但是與現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展相對較為成熟的3D打印技術(shù)相比，此次設(shè)計的雙材料擠出式光固化3D打印機仍有很多不足，比如精度不夠，打印速度較低，整體體積較大等?？梢酝ㄟ^不斷地設(shè)計、改動來完善此次設(shè)計。

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