曲凱，徐波，李輝宇

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一種便捷式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲凱，徐波，李輝宇

（山東省臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

針對個(gè)性化3D打印的需求，以便捷、實(shí)用、成本低為目的，設(shè)計(jì)一款便捷式3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，包含整體框架、打印噴頭行走機(jī)構(gòu)、工作臺行走機(jī)構(gòu)，并對機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行三維建模。

3D打印機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；智能制造；三維模型

3D打印成為了設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種潮流，它引領(lǐng)了新型制造技術(shù)的發(fā)展，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，軟件技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更加提升了3D打印技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用價(jià)值。為了使3D打印走進(jìn)千家萬戶，本文設(shè)計(jì)了一種便捷式3D打印機(jī)，主要對打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了3D打印機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、強(qiáng)度可靠、使用方便的特點(diǎn)。

1 3D打印的基本原理

常見的3D打印是以三維數(shù)字軟件模型為基礎(chǔ)，使用可熔化的塑料線材為原料，采用熔融擠壓堆積成型（FDM）技術(shù)制作產(chǎn)品的方法。其基本工作原理是逐層打印，先將打印頭加熱，塑料線材軟化，再根據(jù)三維模型的分層信息逐層燒結(jié)，固化堆積成型。FDM打印工作原理如圖1所示。

圖1 FDM打印工作原理

2 3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了促進(jìn)3D打印機(jī)使用領(lǐng)域家庭化、平民化，要求3D打印機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)簡單、微型、便攜。因此，對傳統(tǒng)的3D打印機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該打印機(jī)主要分為機(jī)體框架、打印噴頭行走機(jī)構(gòu)、工作臺行走機(jī)構(gòu)、原料驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四大部分。具體三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3D打印機(jī)機(jī)體框架采用鋁型材制造，鋁型材質(zhì)量輕、硬度韌性好、價(jià)格便宜，不用進(jìn)行二次加工。本次設(shè)計(jì)采用的鋁型材尺寸為20 mm×20 mm，鋁型材的橫截面如圖3所示。整個(gè)機(jī)體框架的尺寸為350 mm×350 mm，正方體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖2 便攜式3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

圖3 鋁型材橫截面（單位：mm）

圖4 便攜式3D打印機(jī)機(jī)體框架（單位：mm）

打印噴頭行走機(jī)構(gòu)主要由方向和方向行走機(jī)構(gòu)組成，傳動(dòng)部分主要采用弧形齒同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，弧形齒同步帶的齒可以平滑準(zhǔn)確地嚙合在帶輪的齒槽中，沒有空隙，保證了較高的傳動(dòng)精度，弧形齒同步帶步距小，使得打印噴頭行走精度高，打印產(chǎn)品質(zhì)量可靠。噴頭行走可以單獨(dú)在方向或者方向，也可以同時(shí)在和方向行走。噴頭行走依靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每步1.8°，通過控制器發(fā)出的步進(jìn)角脈沖保證了步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的精度運(yùn)行。噴頭的支撐依靠高精度的光軸，同時(shí)，光軸也起到導(dǎo)向功能，打印噴頭行走機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 打印噴頭行走機(jī)構(gòu)

方向的行走由工作臺執(zhí)行，噴頭部分在方向上沒有移動(dòng)行程，因此，依靠工作臺帶動(dòng)工件在方向行走，該部分的驅(qū)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過彈性聯(lián)軸器與直線軸承聯(lián)接，帶動(dòng)工作臺上下移動(dòng)，直線軸承安裝簡單，占用結(jié)構(gòu)空間小，運(yùn)動(dòng)阻力非常小，可以應(yīng)用于高速直線運(yùn)動(dòng)場合，直線軸承采用法蘭豎直安裝，對安裝基礎(chǔ)要求低，非常適合3D打印機(jī)。工作臺行走機(jī)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，可以滿足普通家庭的需求，其成本低、使用方便，其工作在，，三維空間，工作行程不大于180 mm，符合小型化的要求。噴頭的移動(dòng)精度為毫米級，提高了產(chǎn)品的打印精度。

圖6 工作臺行走機(jī)構(gòu)

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2095－6835（2019）03－0053－02

TP334.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.053

徐波（1975—），男，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕