宗蒙
(榆林康耐雅新材料技術(shù)有限公司,陜西 榆林 718100)
日常辦公生活中,我們所使用的打印機(jī)可對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的平面形式的物體予以打印成型。而3D打印機(jī)和普通打印機(jī)之間的工作方式相同,但其打印所選用的耗材不同。普通打印機(jī)耗材為墨水以及紙張,3D打印機(jī)配有不同的耗材:塑料、陶瓷、砂子以及金屬等。計(jì)算機(jī)和打印機(jī)相連接后,通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)打印耗材按照預(yù)先設(shè)計(jì)的立體結(jié)構(gòu)層層囤積和疊加形成三維立體的實(shí)物。通俗而言,其可以打印三維實(shí)體的玩具車、模型、機(jī)器人,甚至是食物立體造型。因其與普通打印機(jī)噴墨打印技術(shù)原理相近,所以稱作立體3D打印技術(shù)[1]。
3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展,使其使用要求也愈來愈高,現(xiàn)在采用3D打印技術(shù)加工功能性材料已集成為一個(gè)新課題,尤其是新型耗材:特種工程塑料以及柔性材料是當(dāng)前主流。本文所設(shè)計(jì)的熔融沉積3D高溫打印機(jī),可用于特種工程塑料以及柔性材料的加工。本文對(duì)3D打印機(jī)的械結(jié)構(gòu)中z方向移動(dòng)系統(tǒng)以及x-y掃描系統(tǒng)兩個(gè)主要部分,利用分塊理念予以設(shè)計(jì)。
(1)x-y掃描系統(tǒng)
x-y高精度工作臺(tái)構(gòu)成了掃描系統(tǒng)核心部分,其驅(qū)動(dòng)光纖以及聚焦鏡掃描工件的二維模型。在x-y平面內(nèi),滾珠絲杠受到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)掃描頭開始運(yùn)動(dòng),其掃描范疇為400 mm×400 mm,且定位精度是0.005 mm。為了提高機(jī)頭的響應(yīng)敏感度,設(shè)計(jì)中采用鋁質(zhì)機(jī)頭以降低其質(zhì)量,且確保電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩較高。
步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)軌、聚焦透鏡、x-y掃描頭、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成了掃描系統(tǒng)?;旌喜竭M(jìn)電機(jī)具有工作噪聲小、無電力自鎖、低頻性、轉(zhuǎn)矩大、小體積等特性,所以本設(shè)計(jì)中x、y、z方向均選擇混合式步進(jìn)機(jī)。為了減輕x方向所負(fù)載的重量,則連接板和電機(jī)均選用鋁質(zhì)材料。
(2)z軸升降系統(tǒng)
升降系統(tǒng)主要功能是支撐工件以及沿z軸方向運(yùn)動(dòng),同時(shí)驅(qū)動(dòng)噴頭在z軸方向上下移動(dòng)。在工件加工中固化一層,噴頭會(huì)上升一層高度,實(shí)現(xiàn)零件加工的準(zhǔn)確疊加,并使加工過程的定位精度[2]。成型工件的表面平整度以及尺寸精度都會(huì)受到定位精度的影響,其中每層間的粘結(jié)也受到定位精度的影響[3]。本設(shè)計(jì)中擬采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密滾珠絲杠傳動(dòng)和精密導(dǎo)軌導(dǎo)向。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī),配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路,直接連接滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng),消除中間齒輪傳動(dòng),既減少了尺寸和減少傳輸誤差。工件成型過程中,z軸頻繁的作上下運(yùn)動(dòng),為減小運(yùn)動(dòng)中所形成的誤差,同時(shí)為拿去成型工件的便宜性,所以要確保加熱板大小適中,且使其表面呈現(xiàn)光滑狀態(tài)。
本文的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)擬定為噴頭最大運(yùn)行速度:80 mm/s;最大成型件重量:約為10 kg;z向定位精度:0.01 mm;加熱板、絲杠以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量:約10 kg;噴頭定位精度:0.005 mm;成型空間:400 mm×400 mm×300 mm。
機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置和熔融沉積3D打印機(jī)的整體布局設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)熔融沉積3D打印機(jī)的整體部分和其它的設(shè)計(jì)。主要用于單件小批量零件和功能模型的快速成型制造。
3D打印機(jī)的傳動(dòng)裝置是整個(gè)體系的核心部件。因而,對(duì)于傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的成敗。本次的設(shè)計(jì)從電機(jī)到執(zhí)行部分采取幾種解決方案:齒輪傳動(dòng)、普通V帶、同步帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、絲杠螺母副等。下面將上述幾個(gè)傳輸方案比較。
齒輪傳動(dòng)的承載能力和速度范圍比較大,傳動(dòng)比恒定,外輪廓尺寸小,運(yùn)行可靠,效率高,壽命長(zhǎng),制造安裝精度要求高,噪音大,成本較高[4]。齒輪齒條傳動(dòng)通常用于行程較大的機(jī)床,可以得很大的傳動(dòng)比,容易得到高速直線運(yùn)動(dòng),剛度和機(jī)械效率高,傳輸不夠平穩(wěn),傳輸精度不高[5]。
普通三角皮帶傳動(dòng)的承載能力小,傳遞相同的轉(zhuǎn)矩時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸比其他形式大,但穩(wěn)定,可以緩沖振動(dòng)、噪音低、良好的經(jīng)濟(jì)性能[6,7]。
同步帶傳動(dòng)確保準(zhǔn)確的同步帶傳動(dòng)比,傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是速度范圍廣,傳動(dòng)比大,效率高(高達(dá)98%),預(yù)緊力小,軸和軸承負(fù)荷小,單位長(zhǎng)度質(zhì)量很小,因此它允許線速度高,但制造和安裝精度較高,必須按要求嚴(yán)格中心距[8]。
鏈傳動(dòng)屬于有中間撓性件嚙合傳動(dòng)。只能用兩個(gè)平行軸方向進(jìn)行回轉(zhuǎn)和傳動(dòng),不能保證恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比;磨損后容易發(fā)生跳齒;工作時(shí)有噪音;不應(yīng)該在負(fù)載變化大和快速反向傳動(dòng)中應(yīng)用[9,10]。
絲杠螺母副傳動(dòng),滾珠絲桿螺母副是滾動(dòng)摩擦,摩擦損失小,傳動(dòng)效率高,可達(dá)到0.90~0.96,絲杠和螺母預(yù)緊后,可以完全消除兩者之間的間隙,提高傳動(dòng)剛度,摩擦阻力小,幾乎與速度無關(guān)。能保證平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng),不容易在低速中爬行;不能自鎖,可逆性強(qiáng)[11]。
綜合比較上述幾種方案,最終選擇同步帶傳動(dòng)方式來連接絲杠和步進(jìn)電機(jī)。
按照質(zhì)量要求、形狀要求、傳動(dòng)關(guān)系以及加工尺寸等技術(shù)參數(shù),同時(shí)結(jié)合時(shí)間、位移、加速度等完成對(duì)熔融沉積3 D打印機(jī)總體布局設(shè),最后得到一個(gè)可以滿足設(shè)計(jì)要求同時(shí)滿足各部分之間的相對(duì)位置關(guān)系。主框架的機(jī)械結(jié)構(gòu):鋁合金框架,噴頭、x-y方向的傳動(dòng)裝置(螺絲、導(dǎo)軌)和輔助裝置。
1.2.1 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介
電極、步進(jìn)控制器以及功率放大器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[12]??刂七壿?、緩沖器以及環(huán)形分配器等操控著步進(jìn)控制器。功率放大器主要對(duì)控制環(huán)形脈沖予以放大效果,同時(shí)使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其控制系統(tǒng)見圖1。
圖1 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)
CPU、單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào),一般脈沖信號(hào)的占空比約為0.3~0.4。電機(jī)轉(zhuǎn)速愈高,其工作周期就愈大。
對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,其重要一點(diǎn)即為使其所產(chǎn)生的脈沖序列具有周期性,見圖2。由圖2可以觀察到,電源開關(guān)、脈沖高度以及使用周期被用以表述脈沖。數(shù)字元件的電平?jīng)Q定了脈沖高度,如普通TTL 電平為0~5 V,COMS電平為0~10 V等。常用的接口電路,可用0~5 V打開和關(guān)閉電源的辦法來控制[13]。相應(yīng)的數(shù)據(jù)為例,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)數(shù)字線送高電平(連接),步進(jìn)電機(jī)開始一步一步的運(yùn)動(dòng)[14]。但是由于步進(jìn)電機(jī)“一步”是需要一定的時(shí)間,所以在發(fā)送高脈沖應(yīng)該延長(zhǎng)一段時(shí)間,使步進(jìn)電機(jī)在指定的位置[15]。所以說,步進(jìn)電機(jī)雖是通過計(jì)算機(jī)控制的,還不如說是其脈沖波通過計(jì)算機(jī)所生成的,如圖2所示。
對(duì)于脈沖波的控制,采用軟件程序先輸出高電平,隨后滯后一點(diǎn)時(shí)間,再輸出低電平的時(shí)間延遲。此處,步進(jìn)延遲時(shí)間的長(zhǎng)短由電機(jī)頻率決定。
所謂的步進(jìn)電機(jī)的方向控制,實(shí)際上是在一個(gè)特定的方式控制(根據(jù)需要選擇)中指定的順序發(fā)送脈沖序列,可以達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目標(biāo)方向。
圖2 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生
1.2.2 功率放大
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)最核心的部件即為功率放大器。平均動(dòng)態(tài)電流決定了步進(jìn)電機(jī)的速度轉(zhuǎn)矩,但靜態(tài)電流對(duì)其卻無影響。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平均電流較大的情況下,則需要克服反電勢(shì)的平均電流就會(huì)較大。不同的使用條件下,可采用不同的驅(qū)動(dòng)模式[16]。驅(qū)動(dòng)模式主要由低高壓驅(qū)動(dòng)、恒流細(xì)分?jǐn)?shù)以及恒壓串聯(lián)電阻等形式構(gòu)成。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)定型后,則驅(qū)動(dòng)電源可決定其使用性能。若步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較大時(shí),則需要較高的轉(zhuǎn)矩以及電動(dòng)機(jī)電流與之配位,同時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電壓較大現(xiàn)象。若步距角無法滿足步進(jìn)電機(jī)的正常使用時(shí),步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序來完成,其驅(qū)動(dòng)電源見圖3。
圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源
1.2.3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器
當(dāng)步距角無法達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的正常使用要求的狀況下,往往步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器得以實(shí)現(xiàn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理為相鄰(A,B)電流大小的改變使合成磁場(chǎng)的夾角發(fā)生變化用于實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制[17,18]。其細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理見圖4。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)器使用特性以及使用條件
圖4 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理
LX19系列開關(guān)用于交流50 Hz或60 Hz,控制電路的電壓220~380 V的電路中,機(jī)械信號(hào)變成電信號(hào),控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換方向度用[19]。LX19系列開關(guān)采用雙斷點(diǎn)瞬動(dòng)式結(jié)構(gòu),安置在一個(gè)金屬外殼構(gòu)成的保護(hù)式。殼上裝有各種機(jī)械零件的方法。組成的單輪、雙旋轉(zhuǎn)動(dòng),沒有線性運(yùn)動(dòng)形式的行程開關(guān),等等。
反應(yīng)式、永磁式、混合式以及單相式等四種步進(jìn)電機(jī)一般比較常見。永磁性步進(jìn)電機(jī)的體積以及轉(zhuǎn)矩都較小,且其分為兩相構(gòu)成,步進(jìn)角可劃分為7.5°或15°兩種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)能夠大轉(zhuǎn)矩輸出,其由三相構(gòu)成,步進(jìn)角為1.5°,同時(shí)存在噪聲以及振動(dòng)較大的缺陷。對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),由軟磁材料制成了轉(zhuǎn)子磁路,而位于定子上的多相勵(lì)磁繞組,可因磁導(dǎo)改變而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電機(jī)相關(guān)使用特性:
(1)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角精密最大誤差允許在3%~5%,但不不累積。
(2)步進(jìn)電機(jī)使用過程中,外殼存在最高使用溫度限制。
步進(jìn)電機(jī)溫度太高會(huì)使磁性材料退磁,所以電機(jī)外殼允許最高溫度應(yīng)該取決于不同的退磁磁性材料。大部分磁性材料正常使用溫度在130 ℃以上,特殊的磁性材料在200 ℃以上使用也不會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象。而本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)的正常使用溫度在80~90 ℃間,所以一般的磁性材料完全滿足其使用條件。
(1)公稱直徑。即絲杠的外徑,常見規(guī)格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120,不過請(qǐng)注意,這些規(guī)格中,各廠家一般只備16~50的貨,也就是說,其他直徑大部分都是期貨。公稱直徑和負(fù)載基本成正比,直徑越大的負(fù)載越大,具體數(shù)值可以查閱廠家產(chǎn)品樣本。這里只說明兩個(gè)概念:動(dòng)額定負(fù)荷與靜額定負(fù)荷,前者指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的額定軸向負(fù)載,后者是指靜止?fàn)顟B(tài)下的額定軸向負(fù)載。設(shè)計(jì)時(shí)參考前者即可。需要注意的是,額定負(fù)荷并非最大負(fù)荷,實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷的比值越小,絲杠的理論壽命越高[19]。推薦:直徑盡量選16~63。
(2)導(dǎo)程。也稱螺距,即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺母直線運(yùn)動(dòng)的距離,常見導(dǎo)程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40,中小導(dǎo)程現(xiàn)貨產(chǎn)品一般只有5、10,大導(dǎo)程一般有1616、2020、2525、3232、404 0(4位數(shù)前兩位指直徑,后兩位指導(dǎo)程),其他規(guī)格多數(shù)廠家見單生產(chǎn)。導(dǎo)程與直線速度有關(guān),在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下,導(dǎo)程越大速度越快。推薦:導(dǎo)程盡量選5和10[20]。
(3)長(zhǎng)度。長(zhǎng)度有兩個(gè)概念,一個(gè)是全長(zhǎng),另一個(gè)是螺紋長(zhǎng)度。有些廠家只計(jì)算全長(zhǎng),但有些廠家需要提供螺紋長(zhǎng)度。螺紋長(zhǎng)度中也有兩個(gè)部分,一個(gè)是螺紋全長(zhǎng),一個(gè)是有效行程。前者是指螺紋部分的總長(zhǎng)度,后者是指螺母直線移動(dòng)的理論最大長(zhǎng)度,螺紋長(zhǎng)度=有效行程+螺母長(zhǎng)度+設(shè)計(jì)裕量(如果需要安裝防護(hù)罩,還要考慮防護(hù)罩壓縮后的長(zhǎng)度,一般按防護(hù)罩最大長(zhǎng)度的1/8計(jì)算)。在設(shè)計(jì)繪圖時(shí),絲杠的全長(zhǎng)大致可以按照一下參數(shù)累加:絲杠全長(zhǎng)=有效行程+螺母長(zhǎng)度+設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長(zhǎng)度(軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量)+動(dòng)力輸入連接長(zhǎng)度(如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長(zhǎng)度的一半+裕量)。特別需要注意的是,如果你的長(zhǎng)度超長(zhǎng)(大于3 m)或長(zhǎng)徑比很大(大于70),最好事先咨詢廠家銷售人員可否生產(chǎn),總體的情況是,國(guó)內(nèi)廠家常規(guī)品最大長(zhǎng)度3 m,特殊品16 m,國(guó)外廠家常規(guī)品6 m,特殊品22 m。當(dāng)然不是說國(guó)內(nèi)廠家就不能生產(chǎn)更長(zhǎng)的,只是定制品的價(jià)格比較離譜。推薦:長(zhǎng)度盡量選6 m以下,超過的用齒輪齒條更劃算了[21]。
(4)螺母形式。各廠家的產(chǎn)品樣本上都會(huì)有很多種螺母形式,一般型號(hào)中的前幾個(gè)字母即表示螺母形式。按法蘭形式分大約有圓法蘭、單切邊法蘭、雙切邊法蘭和無法蘭幾種。按螺母長(zhǎng)度分有單螺母和雙螺母。在安裝尺寸和性能允許的情況下,設(shè)計(jì)者在選用時(shí)應(yīng)盡量選擇常規(guī)形式,以避免維護(hù)時(shí)備件的貨期問題。推薦:頻繁動(dòng)作、高精度維持場(chǎng)合選雙螺母,其他場(chǎng)合選雙且邊單螺母[22]。推薦:螺母形式盡量選內(nèi)循環(huán)雙切邊法蘭單螺母。
(5)精度。滾珠絲杠按GB分類有P類和T類,即傳動(dòng)類和定位類,精度等級(jí)有1、2、3、4.....幾種,國(guó)外產(chǎn)品一般不分傳動(dòng)還是定位,一律以C0~C10或具體數(shù)值表示,一般來說,通用機(jī)械或普通數(shù)控機(jī)械選C7(任意300行程內(nèi)定位誤差±0.05)或以下,高精度數(shù)控機(jī)械選C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下,光學(xué)或檢測(cè)機(jī)械選C3以上。特別需要注意的是,精度和價(jià)格關(guān)聯(lián)性很大,并且,精度的概念是組合和維持,也就是說,螺桿的導(dǎo)程誤差不能說明整套絲杠的誤差,出廠精度合格不能說明額定使用壽命內(nèi)都維持這個(gè)精度[23]。這是個(gè)可靠性的問題,與生產(chǎn)商的生產(chǎn)工藝有關(guān)。推薦:精度盡量選C7。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌,根據(jù)最大動(dòng)載荷C=613 N垂直,水平最大動(dòng)載荷C=483.9 N。通過檢查(機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè))表2.9-3.8,其參數(shù)長(zhǎng)度:650 mm,最終確定使用直徑D=8 mm的導(dǎo)軌最合適。
圖5 精度C7號(hào)絲杠(d=8 mm)
圖6 d=8 mm號(hào)導(dǎo)軌
目前,市場(chǎng)中滾珠絲杠副已完全標(biāo)準(zhǔn)化,故只要選擇的型號(hào)合適便可。設(shè)計(jì)中選取滾珠絲杠應(yīng)注意粉料重力所造成的負(fù)荷,以及由摩擦所形成的阻力。同時(shí),設(shè)計(jì)任務(wù)中指出其使用壽命為15 000 h,絲杠螺距為4 mm,且按照設(shè)計(jì)要求Z軸最大下降速度為0.048 m/min。
所以絲杠轉(zhuǎn)速n=1 000vmax/t=1 000×0.048/4=12 r/min。取絲杠轉(zhuǎn)速n=12 r/min,所 以L=60×12×15 000/106=10.8轉(zhuǎn)。
額定動(dòng)載荷:設(shè)計(jì)其精度為3級(jí),可靠性為90%。則由
其中可查出精度系數(shù)fa=1,可靠性系數(shù)fc=1,荷性質(zhì)系數(shù)fw=1.2,且已知F=1 572 N,Lh=15 000,n=12 r/min。
上述數(shù)據(jù)代入公式后,可得Cam=4 169.7 N。取滾珠絲杠的直徑d0=6 mm,選用滾珠絲杠螺母副型號(hào)為3206-3,其額定負(fù)荷為6 766 N,足夠用。
2.2.1 導(dǎo)軌剛度檢驗(yàn)
滾珠絲杠受工作負(fù)荷P引起的導(dǎo)程L0的變化量
其 中FN=1574,L=0.4 cm,E=20.6×106 N/cm2,A=πR2=8.04 cm2。所以
導(dǎo)軌因受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小,可忽略。所以導(dǎo)程總誤差
查表知6級(jí)精度的絲杠允許誤差13 μm,故剛度足夠。所選絲杠符合要求。
螺紋升角:
其中:L—導(dǎo)程;
d2—螺紋中徑(一般而言,d2=d-0.5p)。
螺紋摩擦角:
其中:f—靜摩擦系數(shù);
α—螺紋牙型角。
若Ψ≤β,則傳動(dòng)螺紋具有自鎖特性。
2.3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇計(jì)算
同步齒形帶與加熱板速度一致,所以同步齒形帶輪的線速度為:帶速v=0.112 m/s。初選小帶輪齒數(shù)為z1=14,模數(shù)m=4。所以小帶輪直徑:
根據(jù)公式:
得小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=35.3 r/min。
因?yàn)閭鲃?dòng)比為1所以大帶輪的齒數(shù)和直徑分別為:
大帶輪的轉(zhuǎn)速n2=35.3 r/min
Pd=Ka×P=1.6×0.003 7=0.005 92 kw(Ka-工況系數(shù))
取軸向間距a0=1 450 mm。
則帶長(zhǎng):
由L0與m=4可取Zb=290,Lp=3644.25的同步帶,根據(jù)需要將他的寬度切為28 mm。即帶寬bs=28 mm。
電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距為:
綜合考慮,查表選擇57BYG096型步進(jìn)電機(jī),如圖7所示。
圖7 步進(jìn)電機(jī)外形尺寸
2.3.2 加熱板材料的選擇
耐高溫材料分為耐火材料以及耐熱材料等兩種,其為有機(jī)高分子材料以及無機(jī)化合物材料。通??赡蜏囟瘸^1 580 ℃的無機(jī)材料被稱為耐火材料,其是一般燃燒室或者窯爐等具有高溫條件的地方所需要的材料。廣義上講,熔點(diǎn)超過1 500 ℃,且具有耐腐蝕性、硬度高以及脆性好的材料謂之耐熱材料,分為非金屬化合物材料和金屬材料,其一般作為硬質(zhì)材料使用和耐腐蝕性材料應(yīng)用。耐熱性高的高分子材料一般可應(yīng)用于絕緣薄膜、耐熱纖維、耐熱粘粘劑以及耐熱涂料等領(lǐng)域。依據(jù)耐高溫時(shí)間長(zhǎng)短,將其分為長(zhǎng)時(shí)間以及瞬間高溫材料。瞬間高溫材料是指其在1 000~10 000 ℃高溫條件下可以堅(jiān)持幾秒或者幾分鐘內(nèi)材料不發(fā)生化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)變化,其中耐高溫材料還包含燒蝕材料。燒蝕材料一般在300~600 ℃溫度條件下,并在空氣氛圍內(nèi)可長(zhǎng)時(shí)間保持其力學(xué)性能以及耐化學(xué)腐蝕性。
綜合上述耐高溫材料選擇方案3種:PPS塑料(聚苯硫醚)、LCP(高性能特種工程塑料)和高溫尼龍。PPS可耐溫度為260 ℃;LCP可耐溫度高的為300~350 ℃;高溫尼龍可耐溫度為260~290 ℃;最終選擇LCP特種工程材料。如圖8、圖9所示。
圖8 加熱板正面
圖9 加熱板反面
3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu),包括:用于輸送待加工的物料的送料組件;用于為待加工的物料進(jìn)行熔融的熔融組件;熔融組件包括熔爐、噴嘴及用于為熔爐加熱的感應(yīng)組件;所述噴嘴與熔爐固定連接;感應(yīng)組件套設(shè)在熔爐的外周[23,24]。本次設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)的送料機(jī)構(gòu)的安全性高,且適用范圍較廣泛。
3D打印機(jī)同步送絲機(jī)構(gòu)(如圖10),其包括機(jī)架、設(shè)置在機(jī)架的打印機(jī)構(gòu),打印機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在機(jī)架上的安裝座、卡絲輪組、設(shè)置在卡絲輪組下方的導(dǎo)入熱熔絲的導(dǎo)料管,卡絲輪組包括第一卡絲輪和第二卡絲輪,同步傳動(dòng)裝置同步驅(qū)動(dòng)第一卡絲輪和第二卡絲輪,采用了驅(qū)動(dòng)輪,能使得左右兩邊的卡絲輪根據(jù)需要來滾動(dòng),增大了送絲推力,保證送絲可靠,同時(shí)采用彈性將熱熔絲壓緊,進(jìn)一步減小了熱熔絲打滑的可能性,提高了3D打印機(jī)打印可靠性。
圖10 送絲機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)
3.3.1 打印機(jī)框架
采用鋁合金架構(gòu),重量?jī)H為不銹鋼的1/3,但是強(qiáng)度是亞克力的5倍,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以保證噴頭長(zhǎng)時(shí)間高速的打印,強(qiáng)韌的合金可以滿足彈性需要,讓打印變得高質(zhì)。據(jù)今年的金屬市場(chǎng)價(jià)格鋁合金比不銹鋼平均便宜人民幣10元左右,如圖11所示。
圖11 框架基本結(jié)構(gòu)
3.3.2 噴頭的設(shè)計(jì)
先熱熔性ABS或者PLA絲材纏繞于供料輥?zhàn)由?,隨后步進(jìn)電機(jī)對(duì)輥?zhàn)舆M(jìn)行驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),ABS或者PLA絲材會(huì)因主動(dòng)輥和從動(dòng)輥之間相互的摩擦力作用下從擠出機(jī)的噴頭中擠送出。導(dǎo)向套處于供料輥與噴頭間,低摩擦阻尼材料所制成的導(dǎo)向套,可以使絲材從供料輥中順利準(zhǔn)確的送到噴頭內(nèi)腔內(nèi)[25]。
將電阻絲加熱器架設(shè)在噴頭上方,當(dāng)絲材被電阻絲加熱器加熱至熔融狀態(tài)后,再采用擠出機(jī)把熔融態(tài)絲材擠壓至工作臺(tái)上,當(dāng)材料冷卻、硬化后,在工作臺(tái)上會(huì)出現(xiàn)工件的截面輪廓。
本設(shè)計(jì)中擬選擇FDM工藝用于懸空結(jié)構(gòu)制件原型的制作,所以必須配套支撐結(jié)構(gòu)用以制件的支持。另外,為降低材料的成本以及確保成型效率較高,在所設(shè)計(jì)的FDM設(shè)備中選用了雙噴頭形式(如圖12~圖13)。雙噴頭配置的選擇,可以使其中一個(gè)噴頭用于成型材料的擠出,則另外一噴頭用于支撐材料的擠出。
一般而言,采用雙噴頭的成型方式時(shí),絲材的要求更為精致,且其價(jià)位不低,沉積效率不高。同時(shí),會(huì)采用粗糙較大的絲材用以制作支撐材料,且該成型材料成本不高,另外其沉積效率很高。一般選擇相對(duì)于成型材料的熔點(diǎn)較低的材料或者水溶性材料作為支撐材料的原料,這種材料的選取可在成型后期,經(jīng)過相應(yīng)的化學(xué)或者物理方式輕易的將支撐結(jié)構(gòu)處理干凈。
圖12 雙噴頭簡(jiǎn)圖
圖13 雙噴頭UG圖
本文針對(duì)融熔沉積3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),開展對(duì)打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究,針對(duì)家庭型小型熔融沉積3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核、對(duì)比驗(yàn)證。家庭型小型打印機(jī)成本較低,也可以應(yīng)用學(xué)校教學(xué),對(duì)今后3D打印機(jī)的普及起到很大作用,主要結(jié)論如下:
(1)首先根據(jù)熔融沉積3D打印機(jī)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平,闡述了軟件開發(fā)的難度,分析了其原因,國(guó)內(nèi)的軟件開發(fā)的進(jìn)程和突破。表明了我國(guó)在這方面的研究雖然是自己開發(fā)、自成體系,但不是相對(duì)封閉。
(2)首先明確了本次設(shè)計(jì)的主要工作,確定了設(shè)計(jì)工作參數(shù),把設(shè)計(jì)思路清晰的分為了四個(gè)大步驟,為了后面的設(shè)計(jì)作了很好的準(zhǔn)備。
(3)然后決定了機(jī)械部分的設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置和熔融沉積3D打印機(jī)的整體布局設(shè)計(jì)。解決了從電機(jī)到執(zhí)行部分采取幾種解決方案,通過各個(gè)方案的比較最終確定了傳動(dòng)裝置選擇同步帶傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,通過對(duì)反應(yīng)型步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合型步進(jìn)電機(jī)以及單相式步進(jìn)電機(jī)等的對(duì)比和驗(yàn)證,確定使用57BYG096電機(jī)型號(hào)。輔助傳動(dòng)裝置確定了導(dǎo)軌、絲杠的型號(hào)以及噴頭和打印機(jī)整體框架的設(shè)計(jì)。
(4)再次對(duì)機(jī)械部分總體設(shè)計(jì)的計(jì)算,針對(duì)前面對(duì)導(dǎo)軌、絲杠、步進(jìn)電機(jī)、噴頭等再一次進(jìn)行了核對(duì)、校核、驗(yàn)證、對(duì)它們的受力、額定壽命、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩以及傳動(dòng)效率進(jìn)行了再一次的計(jì)算,最后要保證他們?cè)诤侠矸秶畠?nèi)。
(5)最后對(duì)簡(jiǎn)單送絲機(jī)構(gòu)作了介紹并闡述了它的結(jié)構(gòu)最終確定了應(yīng)用同步送絲機(jī)構(gòu)。