宋愛利+王海艷++龐敏+王福龍

摘 要：3D打印技術(shù)在我國已發(fā)展數(shù)十年，桌面級(jí)3D打印機(jī)逐漸普及。該文針對(duì)FDM技術(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)存在送絲裝置摩擦力大、不穩(wěn)定等問題，對(duì)內(nèi)、外送絲機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，外部送絲機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊和外伸梁結(jié)構(gòu)，對(duì)支撐架進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)部送絲機(jī)構(gòu)增加輔助微調(diào)裝置，從而改善整個(gè)送絲機(jī)構(gòu)使用性能，降低送絲阻力，確保噴嘴穩(wěn)定噴料，提高打印質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 送絲結(jié)構(gòu) 有限元分析

中圖分類號(hào)：TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0111-03

基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，是將ABS、PLA等絲材加熱至熔融態(tài)，按設(shè)定好的路徑擠出并逐層堆積成實(shí)體。原材料從初始固態(tài)經(jīng)過擠出變成半液態(tài)融料，送絲方式對(duì)半液態(tài)原材料的擠出力影響很大，送絲阻力是影響噴嘴出絲不穩(wěn)定的主要原因。通過對(duì)內(nèi)外送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決送絲裝置摩擦力大、原材料供應(yīng)不穩(wěn)定問題。

1 外部送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

目前桌面級(jí)3D打印機(jī)絲盤主要有0.5kg、1.0kg等規(guī)格，不同重量的絲盤內(nèi)徑尺寸不一致性，設(shè)計(jì)出適應(yīng)不同內(nèi)徑且可調(diào)節(jié)的外部送絲機(jī)構(gòu)，盡可能減少送絲摩擦阻力，設(shè)置主軸支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)合軸承自潤滑，避免因絲料不足引起噴嘴斷絲、產(chǎn)品缺陷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析選用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見圖1。

1.2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 支撐軸的設(shè)計(jì)

支撐軸是外部送絲機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，是主要受力部件。材料選擇普通碳鋼Q200，由于其不與電動(dòng)機(jī)直接連接，扭矩較小，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮其自重，按照擠壓計(jì)算。

初選軸徑7mm、擠壓力50N，計(jì)算得出擠壓應(yīng)力=Pa。材料許用應(yīng)力為=200×106Pa>滿足要求，由于軸上有一處鍵槽，將計(jì)算值加大3%，取8mm。

外部送絲不會(huì)出現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可承受純軸向力，選用深溝球軸承，為使所選軸徑與軸承內(nèi)孔徑相適應(yīng)，選取軸承型號(hào)為6022，相關(guān)參數(shù)為d，B。軸各段直徑與長(zhǎng)度，根據(jù)所選軸承，與軸配合部位的直徑為10mm，軸承寬度B，為了定位精準(zhǔn)，軸承位的長(zhǎng)度應(yīng)比B略短一些，取8mm。

由于考慮軸承軸向定位，應(yīng)該設(shè)計(jì)軸肩滿足要求；軸承端蓋的總寬度為12mm，同時(shí)為了方便裝卸與潤滑，令軸一端面距其為20mm。

1.2.2 支撐架的設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為外伸梁式，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用性廣。根據(jù)原材料絲盤外徑尺寸最大為200mm、最寬尺寸為66mm，設(shè)計(jì)支撐架具體尺寸，見圖2。

由于配合軸承，上部中心孔寬度設(shè)計(jì)為17mm、直徑為30mm，底部尺寸設(shè)計(jì)為95mm×120mm×15mm，上部圓周直徑為50mm。支撐架初始高度尺寸設(shè)計(jì)為155mm，余量較大，足夠不同規(guī)格絲盤進(jìn)行更換，可調(diào)直徑范圍為22.28～83.88mm，支撐最大、最小尺寸見圖3、圖4。

1.2.3 支撐架的分析與優(yōu)化

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，將導(dǎo)入的三維模型對(duì)象離散化，使其成為有限個(gè)微小點(diǎn)，減小計(jì)算難度，簡(jiǎn)化解算過程。分析模型的離散化，是基于力學(xué)特性進(jìn)行的，需提前定義部件材質(zhì)，故外部送絲支撐架選用材料為灰鑄鐵。

外部支撐各零部件質(zhì)量為1.5kg，雖然目前較多使用的原材料質(zhì)量為2kg，但也有少數(shù)情況會(huì)使用5kg的原材料，材料質(zhì)量初步設(shè)置為6.5kg，從受力角度分析，該零部件主要受法向垂直力65N。首先設(shè)置網(wǎng)格細(xì)節(jié)，將其全部網(wǎng)格化，結(jié)果為：節(jié)總數(shù)649225，單元總數(shù)410048。運(yùn)行迭代計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變等云圖分布分析，整體網(wǎng)格化不能滿足分析要求，并且存在應(yīng)力奇異區(qū)域。

經(jīng)進(jìn)一步設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域，對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力奇異點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)細(xì)化單元大小為2，比率為1.1，基本單元為5，自由過渡生成網(wǎng)格。

將圓角半徑尺寸更改為5mm、在拐角處增加一個(gè)半徑為10mm的圓角，然后進(jìn)行迭代計(jì)算，運(yùn)行結(jié)果應(yīng)力、位移云圖見圖5、圖6。

分析應(yīng)力云圖最大應(yīng)力為1.962MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力200MPa，零部件應(yīng)力分布離散，沒有應(yīng)力奇異點(diǎn)堆積現(xiàn)象。分析位移分布云圖最大位移量為0.0232mm，不屬于宏觀變量。

綜上，外部送絲支撐架在正常工作時(shí)，能夠承載不同原材料的載荷，不會(huì)因?yàn)樵牧现亓康膯栴}而發(fā)生重大變形或應(yīng)力破壞，設(shè)計(jì)尺寸和原材料滿足正常使用的要求。

2 內(nèi)部送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)部送絲機(jī)構(gòu)是加熱擠出裝置的主要結(jié)構(gòu)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)送絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過送絲齒輪上齒牙推送固態(tài)原材料，與從動(dòng)輪配合將絲材送至送絲管內(nèi)，進(jìn)入加熱裝置。擠出方式有活塞式、滑片泵式、柱塞泵式3種，綜合考慮裝置性能和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，采用活塞式擠出裝置，該設(shè)計(jì)控制精度要求低，整體質(zhì)量小，加工難度小，加工成本低，開發(fā)周期短。改進(jìn)后的加熱擠出裝置見圖7。

在現(xiàn)有擠出加熱裝置內(nèi)部送絲機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了輔助微調(diào)功能，通過彈簧調(diào)節(jié)輔助送絲輪、主動(dòng)送絲齒輪與原材料模型之間的距離，提高主動(dòng)送絲齒輪與原材料模型的有效接觸，有效解決了絲料進(jìn)絲無力或者脫絲現(xiàn)象。

電機(jī)為擠出加熱裝置提供動(dòng)力，根據(jù)三維模型質(zhì)量評(píng)估，X、Y、Z三軸承重與原材料重量均不超過2kg，且Z軸最大為2kg。綜合考慮選擇電機(jī)型號(hào)為42HS4013A4，即為雙相42步進(jìn)電機(jī)。

3 結(jié)語

本文在充分了解現(xiàn)有原材料重量、絲盤尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)外部送絲結(jié)構(gòu)采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了不同孔徑絲盤自緊配合使用，減小了抽絲阻力，有效避免了原材料供應(yīng)不連續(xù)問題。同時(shí)，對(duì)內(nèi)部送絲結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)置輔助輪微調(diào)結(jié)構(gòu)，提高送絲輪與絲材的擠壓力，避免送絲輪磨損造成的壓力減小。希望能引出其他設(shè)計(jì)者更廣闊的設(shè)計(jì)思路共同推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

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