趙澤宇

(西安市第89中學(xué),陜西 西安710000)

0 引言

3D打印思想起源于19世紀(jì)末的美國,并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣發(fā)展至今,3D打印機的種類也有很多。3D打印技術(shù)的類型來看,FDM的原理就像蠶吐絲或擠牙膏一樣簡單,無需激光系統(tǒng)的搭配,因而在現(xiàn)在的市場上的桌面級3D打印機大多采用這樣的工藝。從色彩種類的發(fā)展角度來看,分為單色和多色打印。從最初的單色打印變成現(xiàn)在的多色打印,技術(shù)一直在不斷的更新中。而目前的3D打印技術(shù)從工藝方面的主流技術(shù)包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。而FDM(Fused Deposition Modeling)是把塑料熔化成半融狀態(tài)拉成絲,用線來構(gòu)建面,一層一層堆積起來的。其中,熔化堆積制造技術(shù)是將各種熱塑性絲狀材料由送絲機構(gòu)送至熱熔噴頭,并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài),有選擇性地沉積在工作臺上,最終堆疊成產(chǎn)品零件,市場大多采用此種類。而選擇性激光燒結(jié)是SLS法采用紅外激光器作能源,使用粉末材料加工,首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度,之后刮平粉末,利用計算機控制下的激光束,根據(jù)分層截面信息進行有選擇地進行逐層燒結(jié),待全部燒結(jié)完畢后再去掉多余的粉末,則就可以得到燒結(jié)好的成品零件。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉,使用金屬粉或陶瓷粉進行燒結(jié)的工藝則較為昂貴,一般用于軍工或特殊產(chǎn)品制造研發(fā)。

由于目前3D打印成形技術(shù)設(shè)備和材料便宜、運行成本低、操作簡單,成形過程無污染,打印速度快,低噪音,且適合辦公室環(huán)境,尤其可制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件,民用產(chǎn)品可保證精度在0.1mm～1mm之間,而能夠滿足大部分的日常需求,因而3D打印技術(shù)由于技術(shù)的革新和市場的推廣,已被普遍運用到我們的日常生活中,甚至擴展至各行各業(yè)的制造過程中,而且已基本解決復(fù)雜零件的加工制造問題,方法為通過逐層材料堆積的方式,無需機加工或使用模具,可直接通過計算機圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的零件,極大地縮短產(chǎn)品的研制周期,提高了研發(fā)效率和大大降低了研發(fā)成本。

而常見的3D打印機設(shè)計方式以相垂直的三軸X、Y、Z軸運動以三正交軸聯(lián)動達到三維坐標(biāo)系中某點坐標(biāo)位置為基礎(chǔ)設(shè)計,結(jié)構(gòu)不夠緊湊,且維修、更換組件較為繁瑣,三軸中只要存在任一一軸的打印精度不足,將大大降低打印效果,即普通串聯(lián)式打印機的驅(qū)動和傳動系統(tǒng)大部分被放置于活動件上,因而增加了系統(tǒng)的慣性,惡化了打印機的動態(tài)性能,而本文使用的并聯(lián)式Stewart機構(gòu)則很容易將驅(qū)動和傳動系統(tǒng)置于機座上,減少了運動件負荷,降低了系統(tǒng)的慣性,提高了系統(tǒng)地動態(tài)性能。

因而本文主要以簡化而可靠的機械結(jié)構(gòu),較高的可靠性和實用性,以及可通過算法程序自行補償打印精度不足,而非調(diào)整機械組件提高打印精度的方式為目標(biāo),設(shè)計出了模塊簡單,易于更換,可打印其本身主要零部件的Stewart并聯(lián)連桿機構(gòu)3D打印機。在應(yīng)用上,由于Stewart已成為空間機構(gòu)學(xué)的研究熱點,且目前Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)已經(jīng)在航空、航天、海底作業(yè)、地下開采、制造裝配等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。因而打印機的Stewart三角并聯(lián)結(jié)構(gòu)的主構(gòu)型,保證了打印機末端執(zhí)行器的剛度和運動的精度。

1 設(shè)計軟件簡介

本文主要使用Solidworks軟件完成整體模型的設(shè)計和裝配,而該三維軟件,SolidWorks是以Parasolid為核心(也更加便于與動力學(xué)仿真軟件ADAMS進行機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計仿真)的實體建模軟件,并采用參數(shù)化特征的方法來建立零件模型和裝配體模型。而參數(shù)化指的是通過幾何約束確定零件草圖形狀、三維模型特征和裝配體之間相對位置。按照是否鍵入數(shù)字,參數(shù)可以分為數(shù)值參數(shù)和幾何參數(shù)。數(shù)值參數(shù)有直線的長度或圓的直徑等描述具體尺寸的數(shù)值。幾何參數(shù),主要包括相切,平行,同心,水平或垂直等可以描述空間平面基本要素之間或裝配圖零件之間幾何關(guān)系的約束條件。通過合理使用這些參數(shù),可以按照意愿設(shè)計符合尺寸要求的幾何物體。

本文中的Solidworks建模,一般從二維草圖開始,可以方便地選擇自建基準(zhǔn)面,特征表面等進行草圖繪制,而且由于光標(biāo)可以智能捕捉到切點,交點,圓心等特征點,繪圖時可以很方便的引入一些需要的幾何約束。除了這些特點,圖形由尺寸驅(qū)動,因此繪圖前階段時不必太在意圖形的具體位置,畫完后輸入尺寸值或加入新的幾何約束便可以方便的更改圖形的位置和大小,而且未完全定義,完全定義,過定義(幾何約束太多無法求解)的草圖顏色上有區(qū)別,使用者可以方便的發(fā)現(xiàn)草圖中的問題并及時修改。在二維草圖建立完成并修改無誤后,直接轉(zhuǎn)到三維建模,從最基本的拉伸,切除到陣列,放樣,Solid Works提供了強大的三維建模工具集,針對不同零件的一些特有特征,提供一些特定功能。比如加強筋,可以方便的指定斜度;針對車削和鑄造的零件提供倒角圓角功能;異型孔向?qū)?可以方便地繪制各種螺紋孔,光孔等。使用toolbox或麥迪工具集等插件,從而可以方便的生成各種標(biāo)準(zhǔn)零件,提升建模設(shè)計效率。

2 子裝配體模塊化設(shè)計

本文使用了SolidWorks中提供的零件設(shè)計、裝配功能,將建立好的零件依次導(dǎo)入裝配體,添加同心,共面等幾何約束,便可生成裝配體,還可以通過干涉檢查,發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計存在的問題,進而返回修改,避免了零件生產(chǎn)出來無法裝配的情況,大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期,節(jié)約成本。此外,由于由于該3D打印機零件設(shè)計要求精簡耐用,因而采用了模塊化設(shè)計。該并聯(lián)臂3D打印機的模塊可分為上、中、下三個模塊。最上面的模塊承載了3臺24V的直流電機,通過連桿帶動連桿的方式將運動直接傳遞到打印機頭,通過3個電機的協(xié)同作用,實現(xiàn)打印機頭在三維空間內(nèi)的移動,其移動范圍類似于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。中部模塊為多并行的連桿機構(gòu),機構(gòu)的連接點位置均裝配有軸承,因而連桿部件之間連接緊密,保證了運動精度。下部模塊即為打印模塊,由打印機頭,下平臺和連桿連接零件構(gòu)成,同其他民用3D打印機相同的是其使用了普通打印機熱熔機頭,因而可方便地使用PLA或光敏樹脂為打印型材,連接部件的原理同上平臺類似而不再贅述。

除可能因使用情況會出現(xiàn)變動的固定用連接機架未被建模和列入之外,其所有組件名稱、特征和數(shù)量如下表1所示：

表1 并聯(lián)臂3D打印機組件

3 總體裝配及說明

在完成上述中的模塊化子裝配后,即可完成3D打印機的總裝配,即利用SolidWorks中提供的裝配功能,將自裝配導(dǎo)入后進行約束設(shè)置,在定義完成個子裝配體裝配約束后,完成的精簡版并聯(lián)臂3D打印機的總裝,如圖1所示。

此外,根據(jù)打印件的大小和復(fù)雜程度,可考慮將模型一次性打印,整體裝配打印(需考慮裝配體組件中連接位置預(yù)留的縫隙大小),以及需要后續(xù)進行粘合處理的分塊打印,一般打印需要幾分鐘到幾個小時甚至幾十小時不等。

由于3D打印機采用的模塊化設(shè)計,而且由于Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、承載能力強、位置誤差無累計等特點,因而即便其模塊經(jīng)過多次更換后仍能通過內(nèi)部打印機頭定位算法的不斷更新和矯正來保證其打印精度,從而大大延長了其正常使用壽命。

圖1 并聯(lián)臂3D打印機結(jié)構(gòu)總裝

此外,由于本文主要以機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要目標(biāo),因而該3D打印機的后續(xù)模塊還包括電路部分的電機驅(qū)動設(shè)計、接口轉(zhuǎn)換設(shè)計、穩(wěn)定性分析與設(shè)計、反饋設(shè)計等(可采用現(xiàn)國外市場上常用的RaspBerry Pi開發(fā)板進行驅(qū)動設(shè)計和調(diào)試);軟件開發(fā)的3D打印機的嵌入式設(shè)計、軟件編寫實現(xiàn)設(shè)備實時觀測和遠程控制功能設(shè)計,即還需要進行與相應(yīng)的打印機頭部分配套的擠料裝置,模型自定義吊裝平臺和溫控設(shè)備型材的支架,以及電控和軟件部分模塊的開發(fā)和調(diào)試。

4 結(jié)論

本文主要采用Solidworks完成了簡裝版并聯(lián)臂3D打印機的主體結(jié)構(gòu)的總裝設(shè)計,該3D打印機結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、實用,可通過采購打印機所需電機、熱熔打印機頭、軸承和螺栓等市場內(nèi)現(xiàn)有材料,結(jié)合本打印機自行打印的機構(gòu)組件或子裝配體,從而實現(xiàn)自我復(fù)制、再生產(chǎn)的可能性,大大降低了生產(chǎn)民用3D打印機所需的成本。同時其結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計使得其自行維修、更換零部件的耗費的總成本也僅為3D打印常用PLA型材成本,實現(xiàn)了民用化3D打印機的精簡、低成本設(shè)計。

此外,由于Solid Works軟件中,還集成有三維建模分析系統(tǒng)SolidWorks Simulation。因而日后可以在該軟件內(nèi)部直接實現(xiàn)本文中3D打印機機構(gòu)零件或裝配體的應(yīng)力分析、扭曲分析、頻率分析和優(yōu)化分析等多種分析,憑借著快速求解器的有力支持,同時可使用其自帶的內(nèi)部優(yōu)化設(shè)計、分析、模擬制造等仿真模塊外,還可輸出接口其他軟件的文件,與其他有限元或多體動力學(xué)等CAE、CAM仿真軟件協(xié)同使用,從而在日后可以使用計算機快速方便解決各機械類工程的設(shè)計、制造及可靠性分析問題,以節(jié)省在傳統(tǒng)設(shè)計、分析中所花費的大量時間和精力。

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