桌面三維打印機(jī)的設(shè)計

□ 麥恒嘉 □ 周志軍 □ 劉 軼

共享智能裝備有限公司 銀川 750021

1 設(shè)計背景

三維打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、教育、醫(yī)療等諸多方面。三維打印最突出的優(yōu)點在于可快速打印復(fù)雜產(chǎn)品,縮短研發(fā)驗證周期。當(dāng)前,三維打印機(jī)設(shè)備多用于工業(yè)鑄造領(lǐng)域,能夠滿足工業(yè)上高效低成本生產(chǎn)的要求,但涉及消費(fèi)者、教育等領(lǐng)域的三維打印機(jī)設(shè)備較少。市面上針對消費(fèi)者、教育領(lǐng)域的三維打印機(jī)主要以熔融沉積技術(shù)、立體光固化成型技術(shù)為主,這些設(shè)備成本低,可滿足部分需求,但是受限于材料?；诋?dāng)前情況,面向消費(fèi)者、教育、創(chuàng)客等領(lǐng)域的桌面三維小型打印設(shè)備急需被設(shè)計應(yīng)用?；谧烂嫒S打印機(jī)設(shè)備設(shè)計上需要綜合考慮打印速度、精度、可靠性、成本等問題,需要設(shè)計并完善控制系統(tǒng)和核心結(jié)構(gòu)。

2 成型原理

一個完整的三維打印成型流程如圖1所示。打印前需要先利用軟件建模,然后將建立好的模型進(jìn)行部分修改優(yōu)化,增加一些定位、測量、抓取等方便操作的輔助特征。接著,用布圖軟件將多個模型合理放置在有效打印空間中,最后進(jìn)行切片并打印。打印時,先由鋪粉器沿一定方向運(yùn)動,在打印平臺上形成一層平整的粉料。打印頭根據(jù)模型截面形狀選擇性地噴射液料到平整的粉料平面上,然后打印平臺下降一定高度,重復(fù)進(jìn)行鋪粉、打印、平臺下降工作,最終完成整個模型的成型。噴射到液料的模型截面會固化,未噴射到液料的粉料對模型成型起到支撐作用。待模型固化后,取出固化的模型進(jìn)行后續(xù)處理,回收并利用未被粘接的粉料。

▲圖1 三維打印成型流程

3 設(shè)計要求

3.1 功能滿足要求

為了滿足打印功能,桌面三維打印機(jī)的運(yùn)動系統(tǒng)需要包括X軸、Y軸、Z軸、鋪粉部件、打印部件。X軸、Y軸用于驅(qū)動打印部件,使其在平整的粉末平面上選擇性地噴射液料。Z軸用于驅(qū)動工作平臺上升或者下降,實現(xiàn)三維立體模型的打印成型。鋪粉部件用于將粉末材料一層層鋪在工作平臺上。

3.2 安裝及維護(hù)便捷

由于桌面三維打印機(jī)定位面向教育、創(chuàng)客、個人等,因此設(shè)備安裝、維護(hù)便捷性顯得十分重要。當(dāng)前應(yīng)用于工業(yè)鑄造的三維打印設(shè)備維護(hù)工作量相對較大,需要對設(shè)備定期保養(yǎng),更換關(guān)鍵零部件,而這些維護(hù)操作有嚴(yán)格的要求,需要專業(yè)人員完成。如果桌面三維打印機(jī)依然需要這些維護(hù)保養(yǎng)操作,顯然是不合理的,不僅會造成后期成本增加,而且會使設(shè)備競爭力減小,受眾范圍變窄。

3.3 鋪粉方式簡單

鋪粉機(jī)構(gòu)是桌面三維打印機(jī)核心部件,鋪粉質(zhì)量的好壞直接決定最終打印產(chǎn)品的質(zhì)量。鋪粉主要有供料、抹平兩個基本動作組成,供料方式主要有振動連續(xù)供料、星形輪連續(xù)供料、供粉缸集中間歇供料,抹平方式則采用刮板或者輥子形式對供給的粉料抹平在工作平臺上,最終形成平整的粉料平面。桌面三維打印機(jī)采用供粉缸供料、輥子抹平的方式,這樣避免了振動產(chǎn)生的噪聲,并且可以簡化供料結(jié)構(gòu)。

3.4 設(shè)備質(zhì)量輕、體積小

桌面三維打印機(jī)面向教育等機(jī)構(gòu),其占用空間不能過大。一般教室門寬標(biāo)準(zhǔn)為86 cm,因此設(shè)備寬度不能超過86 cm,才能保證順利搬入室內(nèi)。此外,為了搬運(yùn)方便,設(shè)備質(zhì)量不能超過50 kg。

3.5 設(shè)備運(yùn)行精度

桌面三維打印機(jī)設(shè)計時需要綜合考慮設(shè)備成本、設(shè)備效率、設(shè)備精度?；谧烂嫒S打印機(jī)的X、Y軸運(yùn)動系統(tǒng)采用同步帶傳動形式,可以兼顧精度及成本。Z軸運(yùn)動系統(tǒng)采用同步帶結(jié)合絲杠形式。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 總體結(jié)構(gòu)

整個桌面三維打印機(jī)由框架、打印頭、鋪粉機(jī)構(gòu)、成型箱、供粉箱,以及X、Y、Z軸運(yùn)動系統(tǒng)組成。

框架需要支撐整個設(shè)備,框架在設(shè)計上需要考慮強(qiáng)度、可裝配性以及其加工制作成本。框架的穩(wěn)定性直接影響設(shè)備的精度,其設(shè)計尤為重要。為了在一定程度上節(jié)約成本,框架采用成品鋁型材制成,鋁型材具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、加工組裝簡單的特點。

運(yùn)動系統(tǒng)如圖2所示。將X軸安裝在Y軸運(yùn)動系統(tǒng)上,Y軸運(yùn)動系統(tǒng)分布在X軸兩側(cè),對X軸運(yùn)動系統(tǒng)起支撐作用。打印頭安裝在X軸運(yùn)動系統(tǒng)上,沿X方向運(yùn)動。Y軸運(yùn)動系統(tǒng)安裝在鋁型材框架上。鋪粉系統(tǒng)在X軸導(dǎo)軌下部,由電機(jī)驅(qū)動鋪粉輥轉(zhuǎn)動。Z軸運(yùn)動系統(tǒng)分別位于成型箱以及供粉箱下部,分別驅(qū)動成型箱與供粉箱底板上升、下降。

▲圖2 運(yùn)動系統(tǒng)

成型箱及供粉箱的設(shè)計需要綜合考慮精度與成本,由于桌面三維打印機(jī)體積小,可以考慮采用一整塊材料加工出兩個箱體,也可以采用幾個零件組裝而成。

4.2 各部分結(jié)構(gòu)

框架所使用的鋁型材屬于韌性材料,對于韌性材質(zhì)梁,當(dāng)其危險截面上的最大正應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時,即發(fā)生失效。校核強(qiáng)度時,先計算型材上的最大彎矩,再計算出最大應(yīng)力,將最大應(yīng)力與許用應(yīng)力對比,即可判斷鋁型材強(qiáng)度是否滿足使用要求。另外,也可以采用相關(guān)分析工具進(jìn)行模擬仿真,用以校核鋁型材框架的強(qiáng)度。使用靜應(yīng)力仿真模型,對模型施加對應(yīng)的材質(zhì)、載荷等,劃分網(wǎng)格后模擬應(yīng)力及變形情況,最終仿真情況如圖3所示。對比最大應(yīng)力與許用應(yīng)力,其設(shè)計符合要求。

▲圖3 框架仿真

打印頭是決定打印產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵部件。打印頭要求能夠連續(xù)穩(wěn)定噴射液料,否則可能出現(xiàn)打印的產(chǎn)品質(zhì)量不合格的情況。桌面三維打印機(jī)選擇當(dāng)前主流數(shù)字噴碼機(jī)上使用的打印頭,該噴頭得到廣泛驗證并大量推廣使用,具有良好的噴墨穩(wěn)定性。此外,為了維護(hù)方便,將打印頭設(shè)計為可拆裝結(jié)構(gòu)形式。打印頭部件主要有打印頭卡夾、打印頭及打印頭連接鈑金。打印頭卡夾上有彈簧及卡扣組件,可以實現(xiàn)快速安裝、拆卸打印頭。桌面三維打印機(jī)選用熱發(fā)泡噴墨原理的噴頭,集成墨盒,可以省去供墨系統(tǒng)及負(fù)壓系統(tǒng)。打印頭連接鈑金與X軸滑塊進(jìn)行連接,可以實現(xiàn)打印頭掃描運(yùn)動。

X軸包括X軸型材橫梁,橫梁上安裝有滑軌,滑軌上的滑塊與打印頭組件固定,同時滑軌上部有同步帶。將同步帶與滑塊固定,即可實現(xiàn)同步帶帶動X軸滑塊沿X方向運(yùn)動。

Y軸驅(qū)動系統(tǒng)采用一側(cè)驅(qū)動、一側(cè)從動的方式。兩側(cè)分別安裝導(dǎo)向光軸與直線軸承,導(dǎo)向光軸對X軸起支撐以及導(dǎo)向作用。在一側(cè)導(dǎo)向光軸旁邊安裝同步帶傳動系統(tǒng),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶運(yùn)動,進(jìn)而帶動X軸運(yùn)動。

Z軸升降機(jī)構(gòu)如圖4所示,分為供粉箱、成型箱兩個升降機(jī)構(gòu),兩個機(jī)構(gòu)組成相同。供粉箱與成型箱通過中間隔板分開,四周側(cè)壁直接使用成品鋁板組合而成。兩個箱體中間有活動底板,活動底板沿著四周側(cè)壁上升或者下降。固定底板位于兩個箱體的底部,固定底板上安裝同步帶傳動系統(tǒng)及絲杠傳動系統(tǒng)。同步帶傳動系統(tǒng)末端的從動輪通過絲母座與絲杠螺母連接,絲杠螺母與絲杠配合,絲杠螺母可以旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動絲杠上下移動。同時,在絲桿兩側(cè)設(shè)計導(dǎo)桿進(jìn)行導(dǎo)向。供粉箱和成型箱的位移速度要求較低,故在設(shè)計時選擇不同齒數(shù)的主動輪與從動輪,主動輪齒數(shù)少于從動輪齒數(shù),在同步帶傳動下實現(xiàn)減速,增大輸出力矩。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動主動輪旋轉(zhuǎn),經(jīng)過減速后,從動輪帶動絲杠螺母轉(zhuǎn)動,絲杠進(jìn)而帶動活動底板上升或者下降。為避免因為鋪粉過程中粉料散落在成型箱外,造成粉料供應(yīng)不足的問題,供粉箱的最大容積大于成型箱的最大容積。

▲圖4 Z軸升降機(jī)構(gòu)

鋪粉機(jī)構(gòu)安裝在X軸型材橫梁下部,在沿Y軸運(yùn)動的同時自轉(zhuǎn),對供粉箱推出的粉料進(jìn)行鋪平、緊實。

5 結(jié)束語

桌面三維打印機(jī)成本較低,更適合面向大眾推廣,是三維打印機(jī)發(fā)展的一種趨勢。當(dāng)前市場上的三維打印設(shè)備主要面向工業(yè)鑄造,缺少面向教育等消費(fèi)者的桌面三維打印機(jī)。具有體積小、成本低、布局靈活方便等特點的桌面三維打印機(jī)尤其適用于高校、家庭等,可以推動三維打印機(jī)走向更廣闊的市場,促進(jìn)三維打印行業(yè)的發(fā)展。