基于FDM工藝的3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃 蓓

（河南省商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，商丘 476000）

隨著科技的發(fā)展，商品之間的競爭愈演愈烈，不僅要滿足個性化、實時化需求，更需要縮短研發(fā)和生產(chǎn)的時間，迅速搶占市場，同時降低成本，解決復(fù)雜零件加工的困難[1]。3D打印技術(shù)是一種具有劃時代意義的新技術(shù)，能夠通過計算機生成的產(chǎn)品模型滿足用戶需求，同時能及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷并進(jìn)行改進(jìn)。相對于常規(guī)的機械加工，零部件的設(shè)計在很大程度上受限于設(shè)備和工具，而3D打印結(jié)合的增材制造技術(shù)可以在某種意義上解決這些問題，甚至可以解決機械結(jié)構(gòu)非常精密復(fù)雜部件的生產(chǎn)問題[2]。

1 總體設(shè)計

機械系統(tǒng)主要由主機身結(jié)構(gòu)、擠出機構(gòu)、送絲機構(gòu)以及傳動機構(gòu)等組成，主要用于支持軌道及其他零件的裝配。擠出機構(gòu)的作用是加熱打印絲材，其擠壓機理對打印成形的品質(zhì)有很大影響。送絲機構(gòu)是把打印絲材平穩(wěn)送進(jìn)擠壓機構(gòu)，確保在打印工序中輸送連續(xù)的絲線[3]。該驅(qū)動裝置可實現(xiàn)X、Y、Z軸的移動，使打印噴嘴精確定位。

2 三噴嘴擠出機構(gòu)的設(shè)計

柱塞式擠出機結(jié)構(gòu)體積較小，可以達(dá)到臺式型3D打印的需要，因此選用柱塞式擠出機構(gòu)[4]。柱塞式裝置由散熱風(fēng)扇、環(huán)形散熱片、加熱模塊、噴嘴以及測溫電偶組成，利用加熱腔中的固態(tài)絲作為絲材，將熔化后的絲材送到噴口，通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動。它的活塞式擠壓構(gòu)造見圖1。

圖1 柱塞式擠出機構(gòu)

為了縮短沖程和縮短處理時間，采用一字形布置方式。打印時，三噴嘴在X、Y軸配合下完成三噴嘴的位移變換[5]。三噴嘴分別負(fù)責(zé)對被打印模具的外表、內(nèi)部充填和支撐進(jìn)行處理。在確保打印速度的前提下，提高了工件的加工精度。

設(shè)計完成的三噴嘴擠出機構(gòu)的參數(shù)如表1所示。三噴嘴擠出機構(gòu)的長度大于市場上其他單一的3D打印長度，但總體質(zhì)量減輕，主要原因在于選擇的進(jìn)料方法不同。另外，各噴嘴的工作分工不同，但彼此配合，改善了成型零件的打印效果和加工精度。

表1 三噴嘴擠出機構(gòu)參數(shù)

3 送絲機構(gòu)的設(shè)計

在擠壓成形時，送絲機構(gòu)產(chǎn)生的送絲力是否能夠維持較大且穩(wěn)定連續(xù)，是影響打印成形質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]。當(dāng)前3D打印系統(tǒng)中采用熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)，由馬達(dá)驅(qū)動一對摩擦輪，由摩擦輪夾持鋼絲，由步進(jìn)電動機驅(qū)動摩擦輪完成送絲。因此，結(jié)構(gòu)上必須采用三噴嘴擠出機構(gòu)，使擠出機構(gòu)沿導(dǎo)向器移動。擠出機構(gòu)的質(zhì)量愈輕，打印的準(zhǔn)確度越高，越有利于減少工作負(fù)荷。因此，必須將擠出機構(gòu)的自重效應(yīng)納入其中。在送絲裝置上，步進(jìn)馬達(dá)的質(zhì)量大約在0.4 kg，加熱鋁塊、散熱片、噴頭和加熱桿等部件的質(zhì)量大約在0.4 kg。3個噴頭均使用同樣的近程送絲機構(gòu)，質(zhì)量大約為2.4 kg。因此，噴頭在導(dǎo)向裝置上的壓力是原先的3倍，縮短了3D打印整體的使用年限。要想在確保三噴頭的同時盡量不縮短其使用年限，可以通過減少軌道負(fù)荷增大軌道的直徑來實現(xiàn)。簡單增大軌道的直徑可以延長其使用年限，但會對整體的傳動體系產(chǎn)生負(fù)荷。軌道的重量增大將導(dǎo)致導(dǎo)軌的質(zhì)量增大，引發(fā)加速過程中制動不到位問題[7]，造成成型零件4個邊角上的成型品質(zhì)太差。因此，從減少導(dǎo)軌的負(fù)荷出發(fā)，合理布置送絲機構(gòu)。為了解決擠壓機構(gòu)打印的打印效率與打印質(zhì)量之間的沖突，提出了一種降低軌道負(fù)荷的辦法，并介紹了三噴嘴擠壓機構(gòu)的末端進(jìn)料方式。3種擠壓機構(gòu)均使用遠(yuǎn)端送絲裝置完成絲料的輸送，然而因打印品的外表面上的管口只有0.2 mm，在使用遠(yuǎn)端送絲時會因為磨盤與絲線的摩擦力不夠產(chǎn)生打滑、脫絲困難、斷續(xù)等問題，不能滿足所需的準(zhǔn)確率和精度要求[8]。為了降低擠壓機的質(zhì)量，確保具有較大的送絲力，本文采取一種由遠(yuǎn)端送絲和近端送絲組成的進(jìn)料模式，在打印產(chǎn)品的外壁上使用0.2 mm的噴頭擠壓裝置。設(shè)計它為近端送絲，而打印支撐與裝料部分則由遠(yuǎn)端送絲裝置組成。

4 散熱機構(gòu)的設(shè)計

與散熱量有關(guān)的參數(shù)有散熱區(qū)域、溫度場、流速以及風(fēng)向的長短。最佳的改善導(dǎo)熱系數(shù)的情況是沿空氣流動的方向較短，且沿空氣的側(cè)向較大，確保更大范圍的散熱[9]。當(dāng)前的傳熱設(shè)備由風(fēng)機和散熱片組成。增加風(fēng)機數(shù)目會增加擠壓機的自重，從而對打印的速度產(chǎn)生不利作用，故不采用增設(shè)風(fēng)機的方法。環(huán)狀散熱器的散熱器性能與其本身的構(gòu)造參數(shù)密切相關(guān)，因此必須對其進(jìn)行分析、統(tǒng)計和分析其結(jié)果，找到合理的散熱片配置，以確定選擇的散熱片型號和類型能取得最好的性能。

本文以6個散熱片為參照，結(jié)合實踐和散熱片的構(gòu)造需求，探討散熱片數(shù)目對散熱片性能的作用。

（1）將散熱片的數(shù)目按6～13研究，其他大小和樣品大小相同。散熱片數(shù)目越多，散熱片的容量越大。同時，在散熱片數(shù)目為13的情況下，氣溫下降。

（2）選取不同的厚度0.6～2.0 mm，其他大小與樣品翅片相同，且散熱片間距越大，散熱片的散熱片容積也越大。此外，氣溫在下降，并沒有造成太大的影響。

（3）探討鄰近散熱片間距對散熱片的影響，按實踐和散熱片的構(gòu)造需要，將鄰近的散熱片間距按1.0～2.4 mm的不同值進(jìn)行分析，其余的大小與樣品翅片的大小相同。散熱片間距越大，散熱片的散熱片容積越大，溫度越低。

（4）采用3～10個不同的值來計算散熱片的長度，其他的大小和樣品的散熱片相同。在8個散熱片中，散熱片的溫度是最小的。

5 傳動機構(gòu)設(shè)計

將兩臺步進(jìn)電動機對稱置于主體機身的一端，并分別用X、Y表示。4個緊固槽分別位于主體的4個直角上，其中固定式、步進(jìn)電動機、噴口運動總成通過鉸鏈與同步旋轉(zhuǎn)軸線相連。在x-y平面中，使用同軸傳送[10]。同步皮帶是齒輪與皮帶之間的一種傳動形式，不存在相對滑移，且具有穩(wěn)定、精確、高傳輸速度、降低振動以及降低噪聲的特點。因為皮帶驅(qū)動時會產(chǎn)生一種帶狀松馳，所以每一條皮帶的一端都有一個張緊輪（二者相交的部位是上下兩個平面）。在x-y同步轉(zhuǎn)動的情況下，噴頭組合裝置在x軸正方向上運動，移動部件2位置。在x-y同步轉(zhuǎn)動的情況下，噴頭組合裝置在x軸上的負(fù)向運動，移動部件3位置。隨著x步進(jìn)馬達(dá)的順時針轉(zhuǎn)動和步進(jìn)馬達(dá)的反向轉(zhuǎn)動，噴管的組合裝置沿y軸正向運動。隨著x步進(jìn)馬達(dá)的順時針轉(zhuǎn)動和步進(jìn)馬達(dá)的反向轉(zhuǎn)動，噴頭的組合裝置沿y軸的負(fù)向運動。所以，調(diào)整電流方向即可改變噴頭組件的運動軌跡。傳動機構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳動機構(gòu)設(shè)計

將兩臺步進(jìn)電動機對稱置于主體機身的一端，并分別用X、Y表示。4個緊固槽分別位于主體的4個直角上，其中固定式、步進(jìn)電動機、噴口運動總成通過鉸鏈與同步旋轉(zhuǎn)軸線相連。在x-y平面中，使用同軸傳送。同步帶是一種齒輪與膠條互相嚙合的打印機，其Z軸向采用滾珠螺桿與步進(jìn)馬達(dá)相連的驅(qū)動模式，使打印工作臺在平面上下之間運動。球形絲杠能夠?qū)⑿D(zhuǎn)方向的移動轉(zhuǎn)換成直線移動，自身的承重性能高，且具有穩(wěn)定性、可逆性、定位精度高以及構(gòu)造簡易等優(yōu)點。它的高精度使其能夠在Z軸上進(jìn)行微小的高位移，從而可以改善3D打印機打印的準(zhǔn)確性。對3D打印機構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行改造，提高了其傳輸性能。該打印機構(gòu)的傳動比原有的機械結(jié)構(gòu)更好，提高了總體結(jié)構(gòu)的強度和剛性。該傳動裝置采用雙步進(jìn)電動機進(jìn)行扭力調(diào)節(jié)，可將步進(jìn)電動機的驅(qū)動功率提升一倍。步進(jìn)馬達(dá)與打印擠壓裝置分開，使打印中的步進(jìn)電動機不再占用實際打印的空間，從而減輕了噴頭移動的質(zhì)量，降低了慣性，提高了打印的準(zhǔn)確性。

6 機身結(jié)構(gòu)和工作平臺設(shè)計

機體的構(gòu)造以整個3D打印設(shè)備的基本部件為基礎(chǔ)，由絲杠、三噴嘴擠出機構(gòu)、步進(jìn)電機及直線導(dǎo)軌組成。三噴嘴的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計必須具備高強度、緊湊及低負(fù)載等優(yōu)點，因此在材質(zhì)方面結(jié)合多種要素選擇了金屬板材作為3D打印機的主體，基板厚度3 mm。這種材質(zhì)易于拆解，易于進(jìn)行防腐操作。

工作平臺由Z軸向的滾珠絲杠支撐，由步進(jìn)電動機驅(qū)動，在水平面上上下移動。擠壓式噴射器在x-y平面中沿工件外側(cè)的外形進(jìn)行掃描，最后在工作臺上打印。因此，工作平臺的穩(wěn)定與否直接影響打印產(chǎn)品的品質(zhì)。打印品在成形時，由噴嘴擠壓而成的絲在室溫下遇冷會發(fā)生凝固和收縮，會導(dǎo)致產(chǎn)品翹角。為防止產(chǎn)品高溫快速降低，必須在工作臺上增加一個加熱熱床，避免由于絲的溫度突然降低而引起翹角。該方案使用印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）熱床，并將其加熱到一個較高的溫度，以減輕因打印時冷卻而產(chǎn)生的物料收縮。該熱床由電阻器產(chǎn)生熱量，經(jīng)過電阻器發(fā)熱，發(fā)熱均勻，可添加人工調(diào)節(jié)，工作平穩(wěn)，不易破損。

7 結(jié)語

以改善打印速度和打印品質(zhì)為目標(biāo)，研制了三噴嘴式擠壓裝置，對三噴嘴式擠壓裝置及噴頭的構(gòu)造進(jìn)行研究，并在工件表面使用了各種口徑的噴頭，分別對內(nèi)外部進(jìn)行打印。研究送絲機構(gòu)的布置及摩擦輪的結(jié)構(gòu)，提出了一種利用遠(yuǎn)端送絲和近端送絲布置的方法，以改善打印速度和準(zhǔn)確性。通過對散熱片的模擬實驗，研究各部件的散熱性能，并分析各部件的性能，進(jìn)而優(yōu)化其性能，同時對其傳動方式、主體構(gòu)造等進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計。