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        桌面級(jí)3D打印機(jī)送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2018-02-03 04:23:45宋愛利王海艷龐敏王福龍
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年30期
        關(guān)鍵詞:支撐架打印機(jī)原材料

        宋愛利+王海艷++龐敏+王福龍

        摘 要:3D打印技術(shù)在我國(guó)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(guò)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(guò)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(rùn)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(rùn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(yǔ)

        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。

        參考文獻(xiàn)

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        [2] 牛晰.桌面3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)分析及機(jī)體設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì),2015(4):94-96.

        [3] 張自強(qiáng).基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2015.

        [4] 劉欣靈.3D打印機(jī)及其工作原理[J].網(wǎng)絡(luò)與信息,2012(2): 30.

        [5] 丁朝景,張亞.基于SolidWork Simulation的機(jī)器人大臂優(yōu)化分析[J].通信與廣播電視,2015(4):54-62.endprint

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