孫正陽(yáng)q

摘要：本文針對(duì)用3D打印機(jī)無(wú)法滿足較大且不可移動(dòng)對(duì)象的修復(fù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了構(gòu)架型3D打印機(jī)。打印機(jī)主體分為上下兩部分結(jié)構(gòu)，上部為打印部件，其中X、Y軸用雙同步帶來(lái)保證往返傳動(dòng)，Z軸采用電動(dòng)推桿，能有效的完成在原有對(duì)象上進(jìn)行修復(fù)工作。下部采用了吸盤(pán)固定支撐，連桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上部機(jī)械裝置的升降和橫移。本機(jī)能夠快速安裝到設(shè)施上并進(jìn)行3D打印快速修復(fù)功能。

關(guān)鍵詞：3D打印;快速成型技術(shù);支架;修復(fù)

0? 引言

3D打印技術(shù)是一種典型的快速成型制造技術(shù)，在物品修復(fù)方面具備較大優(yōu)勢(shì)。如民航飛機(jī)上的在翼維修，比單獨(dú)打印制作的效率提高很多，減少故障飛機(jī)的停飛時(shí)間，直接在打印對(duì)象上進(jìn)行噴漆、圖案設(shè)計(jì)等工作[1-2]。在生物體修復(fù)方面，已經(jīng)取得大量的應(yīng)用[3-4]。在文物修復(fù)方面，可以識(shí)別不完整部分的原始形狀，并將形狀擴(kuò)展到缺失部分，這種可進(jìn)行修復(fù)工作的3D打印機(jī)具有很大的實(shí)用意義[5-6]。本文針對(duì)大型不可移動(dòng)文物等設(shè)施，設(shè)計(jì)了一種能夠快速安裝到設(shè)施上并進(jìn)行修復(fù)打印的3D打印機(jī)。

1? 打印機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

該3D打印機(jī)是一款能夠拆卸移動(dòng)并且能夠進(jìn)行修復(fù)的3D打印機(jī)，其整機(jī)三維模型如圖1所示，主體分為上下兩部分結(jié)構(gòu)，上半部分為打印部件，分為X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、材料擠出機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、噴頭機(jī)構(gòu)、散熱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、緊固機(jī)構(gòu)等。下半部分為可移動(dòng)支架，實(shí)現(xiàn)打印部件移動(dòng)功能。使用時(shí)，僅需將快速安裝機(jī)構(gòu)通過(guò)螺紋等連接方式穩(wěn)定的和需3D打印的原工件待加工部位連接，再把其他模塊化部件安裝到快速安裝機(jī)構(gòu)上，清理工作區(qū)，該設(shè)備便可正常使用。此種結(jié)構(gòu)整體可實(shí)現(xiàn)修復(fù)的特定功能，穩(wěn)定性高，靈活性好，適應(yīng)性強(qiáng)。

2? 打印部件設(shè)計(jì)

2.1 Z軸設(shè)計(jì)

如圖2所示的Z軸采用了電動(dòng)推桿，能有效的完成在原有對(duì)象上進(jìn)行修復(fù)工作，并設(shè)計(jì)了緊固件保持Z軸平穩(wěn)，噴頭設(shè)計(jì)散熱片和渦輪風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行材料的噴涂。其傳動(dòng)原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)減速，大齒輪帶動(dòng)絲杠，絲杠上利用螺母副將轉(zhuǎn)動(dòng)量變?yōu)楣潭ㄔ诮z杠上噴頭的直線位移量。

2.2 同步帶及同步輪的選用

打印機(jī)采用弧齒同步完成了X、Y軸的傳輸。選用傳動(dòng)比為1：1圓弧齒形帶作為XY軸的傳動(dòng)，選用步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，將電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為帶輪上的直線運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)效率可達(dá)到98%，并且對(duì)工作條件要求低。

2.3 噴頭的設(shè)計(jì)

打印機(jī)噴頭（圖3）是3D打印機(jī)中決定成型工件打印精度的關(guān)鍵部件，按照設(shè)計(jì)要求，線材直徑為1.75mm，喉管連接著噴嘴，是輸送線材的管道，但喉管的直徑是大于線材直徑1.75mm，中間存在間隙，加熱后成為熔融態(tài)的線材不僅會(huì)從噴嘴中擠出，還會(huì)進(jìn)入間隙堵住打印噴頭，故為了打印過(guò)程順暢，必須要把噴頭的溫度控制在一個(gè)范圍內(nèi)，喉管散熱（圖4）溫度保持在能使倒流的熔融態(tài)耗材凝固的低溫，對(duì)喉管散熱的措施主要是散熱環(huán)和散熱風(fēng)扇，散熱環(huán)有大的散熱面積，有效降溫，減少倒流。黃銅噴嘴材料：黃銅，尺寸：13mm×7mm，精度0.4mm，螺紋外徑6mm，內(nèi)徑2mm，外螺紋連接。

2.4 擠出機(jī)設(shè)計(jì)

擠出機(jī)結(jié)構(gòu)（圖5）中，絲料通過(guò)送絲孔進(jìn)入嵌入V型軸承中，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的送絲輪推入噴頭，進(jìn)入喉管，再由加熱塊加熱至熔融態(tài)，過(guò)程中還需要溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，從噴嘴中擠出打印工件。擠出機(jī)電機(jī)選擇17HS-6022型步進(jìn)電機(jī)。

2.5 行程控制

行程控制用到的是機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，機(jī)械限位開(kāi)關(guān)就是將彈簧片的變形量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送給微型處理器，再發(fā)給主控電路板停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到行程控制的要求。綜合以上要求，X、Y、Z軸各有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，總共需要6個(gè)。

3? 可移動(dòng)支架設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了這種支架形式（圖1）。對(duì)于支架，運(yùn)用了軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析。

首先，分析了支架連接件，材料為QT400-15，彈性模量為1.62×1011，泊松比為0.3，其三維模型如圖6（a）所示，受力如圖6（b）所示，根據(jù)受力，分析了不同應(yīng)變的等效云圖，探究了不同隨機(jī)變量對(duì)支架可靠性的影響，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分（圖6（c）），選定材料之后，判斷出支架連接部位的危險(xiǎn)系數(shù)最高，所以對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行應(yīng)變分析，分析結(jié)果如圖6（d）和圖6（e）所示，最后對(duì)整個(gè)部件做了應(yīng)變分析（圖6（f）），根據(jù)仿真數(shù)值可知，該部件的承載能力足夠。

其次，在相同的參數(shù)下對(duì)支架座進(jìn)行了相同的有限元分析，可知，材料選擇正確，滿足承載要求。通過(guò)整體分析可知，打印機(jī)支架設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)論

本文利用SoildWorks軟件對(duì)3D打印機(jī)三維模型進(jìn)行搭建，在傳統(tǒng)3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用弧齒同步帶完成了X、Y軸的傳輸，使其在結(jié)構(gòu)上更加合理，適用范圍更加廣泛;使用噴頭喉管散熱結(jié)構(gòu)，保證噴頭送絲的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;更改了傳統(tǒng)3D打印機(jī)升降平臺(tái)通過(guò)絲杠傳動(dòng)，將Z軸的傳動(dòng)方式改為直線電機(jī)帶動(dòng)電推桿，將平臺(tái)的升降變?yōu)閆軸本身的運(yùn)動(dòng)，Z軸考慮精度問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了緊固件保持Z軸平穩(wěn)，保證打印的精確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈婷婷.航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用[J].粘接，2019，40（08）：105-107.

[2]江洪，劉敬儀.3D打印在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用初探[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（02）：21-24.

[3]劉春煦，高靜，趙雨薇，等.一種3D打印定深孔導(dǎo)板引導(dǎo)的精準(zhǔn)牙體預(yù)備技術(shù)[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2020，38（03）：354-359.

[4]劉楊，張嘯，羅春陽(yáng)，等.應(yīng)用3D生物打印的軟骨支架修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損[J].中華骨科雜志，2020（06）：344-352.

[5]劉杰，孫令真，李映.3D打印技術(shù)在文物保護(hù)方面的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2019（06）：86-87.

[6]郭歡磊，王聰華.3D打印技術(shù)在文物保護(hù)方面的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（29）：260-261，264.