唐芷嫻

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002）

0 引言

3D打印技術(shù)的產(chǎn)生的時間大致為20世紀80年代，由于其成本高，當時沒有得到有效的推廣。在社會不斷發(fā)展的過程中，材料成本不斷降低，促進了3D打印的發(fā)展，其已經(jīng)在工業(yè)制造、生物醫(yī)療以及教育教學等各種領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

1 3D打印的優(yōu)勢

3D打印又稱“增材制造”可以在幾乎不增加成本的基礎(chǔ)上制造復(fù)雜物品。在傳統(tǒng)制造過程中，隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的不斷的提升，其成本也會不斷提升，而3D打印針對這種復(fù)雜程度地變化，其成本卻不會出現(xiàn)明顯的提高。在產(chǎn)品多樣性不斷提升的過程中，其成本依舊不會出現(xiàn)明顯增加，也就是說其可以打印出多種形狀，降低對傳統(tǒng)機械人員和設(shè)備增加方面的成本，只需要一臺3D打印機就可以完成多種產(chǎn)品的打印制造。同時，3D打印可以實現(xiàn)不需要組裝的產(chǎn)品一體化成型，以分層制造為基礎(chǔ)，連接配套鉸鏈，縮短供應(yīng)鏈，去除傳統(tǒng)的組裝環(huán)節(jié)，減少運輸環(huán)節(jié)和不必要的勞動力投入，在一定程度上還會減少環(huán)境污染。

此外，3D打印突破傳統(tǒng)受到工匠技術(shù)的產(chǎn)品形狀的局限，具有接近于無限的設(shè)計空間，且在打印過程中只需要遵守設(shè)計文件中的指示，對工作人員的專業(yè)技能要求不高，甚至可以在遠程環(huán)境中進行生產(chǎn)，具有“非技能制造”的特點。并且可以為用戶提供按需打印模式，降低產(chǎn)品庫存，可以隨時根據(jù)產(chǎn)品需求進行制造，為現(xiàn)有的商業(yè)模式提供突破的可能性，從單位生產(chǎn)空間上來看，3D打印機的占據(jù)的物理空間很小，無論是在居家使用還是辦公使用方面都有良好的適應(yīng)性。

2 3D打印機的特點

3D打印屬于新型生產(chǎn)制造手段，集人工智能、數(shù)字化以及新型材料等技術(shù)特點，在速度和精度方面具有其獨特的優(yōu)勢，在一定程度上可以有效提升我國制造行業(yè)在國際上的競爭力。按照其工作原理可以分為FDM（熔融沉積快速成型）、3DP（三維粉末黏接）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）以及SLA（光固化成型），其中FDM的打印成本較低，對材料的要求也不高，操作簡便，具有較快的成型速度，常見的打印材料為PLA、ABS等，基本都是塑料和低熔點樹脂材料；3DP可以完成彩色零件的打印工作，不需要打印支撐結(jié)構(gòu)，具有加快的成型速度，整個流程可以概括為鋪灑粉末－單層印刷－活塞下降的循環(huán)重復(fù)過程，主要的打印材料為金屬粉末；SLS打印的成型零件具有較高的強度，可以打印金屬材料，如合金粉末、銅粉等；SLA在表面精度上有突出的優(yōu)勢，適用于光敏樹脂材料的打印工作。

按照其機械結(jié)構(gòu)可以劃分為MakerBot機型、Reprap機型和Ultimaker機型，其中MakerBot機型的零部件十分標準，可以在相對短時間內(nèi)完成調(diào)試和組裝整機的工作，在需要較長打印時間的情況下依舊可以保證打印位置的精準性和穩(wěn)定性，保證打印精度，但是其價格較為昂貴；Reprap機型便于外出攜帶，重量輕，可以在占用少量空間的基礎(chǔ)上將打印尺寸進行提升，需要較長的安裝時間；而Ultimaker機型的打印區(qū)域更大，打印精密，效率可觀，但是造價較高，可打印的絲材較少。

當前，市場上常見的3D打印機類型主要是FDM，基于直角坐標系的設(shè)備在市場份額中約占70%左右，是FDM打印機的主流，綜合其基本特點和發(fā)展現(xiàn)狀來看，該文主要以當前已有的直角坐標系架構(gòu)的3D打印機為基礎(chǔ)，結(jié)合其當前特點，進行優(yōu)化設(shè)計，明確x軸、y軸、z軸等基本機械結(jié)構(gòu)的情況，探索工藝改進方向。

3 基于直角坐標系設(shè)計3D打印機械結(jié)構(gòu)分析

3.1 明確設(shè)計原則

基于直角坐標系，想要保證3D打印機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，需要先制定整體性的設(shè)計原則。首先，應(yīng)當堅持明確原則，即詳細制定設(shè)計方案，明確各個環(huán)節(jié)的設(shè)計制造重點，保證機械機構(gòu)的功能設(shè)計合理，整體結(jié)構(gòu)具有緊湊性特點，層次清晰。同時，以市場為導(dǎo)向，對價格、技術(shù)特點等進行合理控制，保證滿足市場需求，強化設(shè)計價值，促進3D打印的進一步發(fā)展。其次，堅持簡單的原則，即在保證性能良好的基礎(chǔ)上，盡可能地簡化并縮短3D打印的動力傳遞路線，提升傳遞效率，并方便后續(xù)的使用、安裝、操作和維修保養(yǎng)等工作。最后，堅持安全原則，優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)各零部件的位置，合理安排其實際安裝點，保證操作人員的安全。在此基礎(chǔ)上，明確3D打印的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 3D打印機模型圖

3D 打印機械結(jié)構(gòu)主要包括控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)可以細化為溫控模塊（包括環(huán)境溫度、擠出頭外表溫度、外部支撐擠出頭溫度以及內(nèi)部支撐擠出頭溫度）、普通輸出輸入模塊（外部支撐擠出頭電機、內(nèi)部支撐擠出頭電機以及擠出頭外表電機）和高速輸出輸入模塊（x軸電機、y軸電機、z軸電機）；機械系統(tǒng)可以劃分為主機身結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)（同步帶傳動的x軸和y軸、絲杠傳動的z軸）、擠出機構(gòu)（噴嘴結(jié)構(gòu)、加熱結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)）和送絲機構(gòu)（近端送絲、遠端送絲）。

3.2 x-y運動機構(gòu)組件的設(shè)計

3.2.1 基礎(chǔ)分析

3D打印機中控制結(jié)構(gòu)鋼架的主要機構(gòu)就是x-y運動機構(gòu)，利用馬達可以控制多個軸向運動，通過其和膠頭組件的結(jié)構(gòu)可以合理地控制基于平面位置的運動情況，保證軸向面積的合理性，進而控制物體運行軌跡，運動機構(gòu)的傳動精度、穩(wěn)定性以及剛度等都直接影響了最終打印產(chǎn)品的質(zhì)量，其基本原理體現(xiàn)流程為控制馬達控制軸運動－擠膠頭組件達到平面位置－直角分布x軸和y軸－形成物體形狀軌跡。x-y運動機構(gòu)的運動形式為先從y步達到馬達，經(jīng)過傳送帶使y聯(lián)動軸可以被帶動起來，然后由y聯(lián)動軸帶動其他部分，驅(qū)動傳動帶，帶動打印頭連接器的運動，x軸同樣經(jīng)過聯(lián)動式的帶動方式實現(xiàn)整體性的驅(qū)動，使連接器在導(dǎo)向軸上進行運動。

3.2.2 設(shè)計方案

設(shè)計目標為在保證x-y運動機構(gòu)原有性能的基礎(chǔ)上，提升其在動力傳動過程中的穩(wěn)定性，進而保證打印產(chǎn)品的平整性?；诖?，選擇單同步帶纏繞式模式，設(shè)計雙xy平面，運用單條驅(qū)動方式驅(qū)動每個方向的同步帶，提升其對邊同步能力，實現(xiàn)雙邊同步，構(gòu)建功能相同的雙層結(jié)構(gòu)，進行x-y運動機構(gòu)一體化設(shè)計。

首先，設(shè)計U型架構(gòu)，上層側(cè)重于y軸向的驅(qū)動方式，下層則側(cè)重于x軸向的驅(qū)動方式，利用軸承轉(zhuǎn)向、同步帶輪，向雙邊施加同步驅(qū)動力，提高傳動效率，盡量避免傳統(tǒng)部分3D打印機的運動裝置可能出現(xiàn)的較大的噪聲和較強烈的震動效果。通過這種設(shè)計實現(xiàn)以下效果：提升運動機構(gòu)傳動的準確性，實現(xiàn)傳動比的恒定性，保證運行過程中不會出現(xiàn)預(yù)期之外的滑動現(xiàn)象；擴大3D打印機的速比范圍，提升功率傳遞范圍，參照市場上這種設(shè)計方式的3D打印機，正常情況下，其速比為10，線速度為50 m/s，功率為幾瓦到幾百瓦，可以實現(xiàn)長距離的傳動；提升傳動效率，減少能量消耗，提升其節(jié)能效果，降低噪聲，提升其綜合效益。

3.2.3 配套設(shè)計

Z運動機構(gòu)的運動形式具有垂直性特點，負責驅(qū)動3D打印機的z向運動主要由導(dǎo)向軸、傳動絲桿、馬達、直線軸承以及載物臺組件構(gòu)成，在其位移量小的情況下，可以有效地保證打印產(chǎn)品的表面質(zhì)量，但是相應(yīng)的效率為較低；在位移量大的情況下，其表面質(zhì)量相對較低，但是效率較好。在其設(shè)計上需要保證其和xy方式相同，都是往復(fù)式的直線運動，采用帶傳動模式，1個主動輪對應(yīng)1個從動輪，且其齒輪和同步帶之間的齒嚙合數(shù)量不能少于6個，避免出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，并做好傳動皮帶的選擇。在整體傳動部件的選擇上需要考慮好各個影響因素，保證所選部件的質(zhì)量，以步進電機為例，部分不同型號步進電機的數(shù)據(jù)信息，見表1。在建設(shè)設(shè)計效果的過程中，結(jié)合具體部件匹配度選擇合適的步進電機。

表1 部分步進電機數(shù)據(jù)

3.3 載物臺組件的設(shè)計

3.3.1 基本分析

3D打印機在運用過程中起承載物體作用的結(jié)構(gòu)就是載物臺，其可以有效地保證3D打印機運行的安全性，會影響熱熔材料的使用。以FDM工藝為例，在運用FDM類型3D打印機的過程中，工作人員結(jié)合實際情況可能需要加熱載物臺才能保證將底層熔料充分和熱床進行具有結(jié)，提升對打印材料的凝結(jié)力。在正常情況下，針對其中加熱板需要將加熱溫度維持在80℃左右，并加熱涉及的銅蝕電路板，在加熱過程中選擇熱敏電阻，檢測好溫度。同時，做好載物臺的清理工作，保證其平整度，結(jié)合3D打印機可以打印的范圍，選取最大打印范圍設(shè)計臺面尺寸[1]。

3.3.2 設(shè)計方案

基于直角坐標，在載物臺和z軸連接時可以采用直角連接板，盡可能地將連接強度進行提升，并保證其垂直度的良好，將直線軸承作為垂直導(dǎo)向裝置，保證在直角連接板（基于雙邊）都可以安裝直線軸承，有效連接z軸導(dǎo)向軸，對z軸的移動方向起到良好的控制作用，并可以滿足載物臺彎矩需求。考慮到效率和載荷的問題，在設(shè)計和選擇過程中主要研究其最合適的剛度情況，校核移動平臺的情況。

3.3.3 配套設(shè)計

在支撐載物臺的實際上，不可缺少的是水平調(diào)節(jié)彈簧，使其和直角連接板、垂直導(dǎo)向裝置形成有機的整體，保證載物臺質(zhì)量。需要彈簧可以保證熱床和擠出頭有一致性，也就是具備調(diào)節(jié)水平面的功能，同時，在z軸操作出現(xiàn)問題的情況下，彈簧可以干預(yù)其感應(yīng)位置，起到阻尼緩沖的作用，防止擠出頭受到不必要的損傷。此外，改進整體的機身結(jié)構(gòu)，將機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理地整合，提升設(shè)計效果和設(shè)計價值[2]。

3.4 噴頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.4.1 基本分析

結(jié)合3D打印機的噴頭結(jié)構(gòu)，利用直角坐標系，分別設(shè)計擠出機、噴嘴結(jié)構(gòu)和送絲結(jié)構(gòu)。其中，擠出機屬于該結(jié)構(gòu)中的核心部分，擠出動力直接影響了送料的流暢程度和準確情況，進而影響了打印產(chǎn)品的質(zhì)量，3D打印機的擠出機部分主要由熱敏電阻、送料喉管以及噴嘴等部分構(gòu)成，基本運行原理就是將物料進行加熱和輸送，通過噴嘴和加熱塊遞送材料，通過齒輪和驅(qū)動桿的作用施加作用力，將已經(jīng)經(jīng)過加熱熔化處理的物料流出到固定位置進行凝固處理。而送絲結(jié)構(gòu)和噴嘴結(jié)構(gòu)基本屬于運行層面的整體，在步進電機的作用下，可以將線狀耗材送入送絲結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將線狀耗材進行加熱熔斷處理，然后將其擠出。在此過程中，噴頭結(jié)構(gòu)會根據(jù)實際運行需求呈現(xiàn)x-y或x-z的運行軌跡。

3.4.2 設(shè)計方案

在設(shè)計擠出機時，設(shè)計雙噴頭模式，分別負責不同耗材的打印工作，結(jié)合經(jīng)濟性和實用性的要求，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。其中一個噴頭可以沿用傳統(tǒng)3D打印機中的活塞式擠出機，另一個擠出機設(shè)計為曲桿扭轉(zhuǎn)式，在螺旋曲桿上連接步進電機，通過步進電機讓軸轉(zhuǎn)動帶動相應(yīng)部分順時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)送料凹槽和連桿齒輪之間的同步轉(zhuǎn)動，保證順利進行進料。其中需要保證結(jié)構(gòu)的緊湊性，提升運行平穩(wěn)性，保證流量的合理性，表2是2種擠出機類型的優(yōu)缺點。

在噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，主要考慮加熱塊部件對其的影響，在優(yōu)化其使用壽命的同時兼顧對耗材的消耗率，需要結(jié)合不同材料的導(dǎo)熱率，在正常情況下，金剛石的導(dǎo)熱率為1300 W/m·K～2400 W/m·K，硅為611 W/m·K，金為317 W/m·K，銀為429 W/m·K，鋁為240 W/m·K，鋅為110 W/m·K，鐵為84 W/m·K～90 W/m·K，綜合其經(jīng)濟效益和導(dǎo)熱率，設(shè)計選擇鋁材制作加熱塊。結(jié)合當前部分3D打印機會出現(xiàn)耗材拉絲和堵料的問題，設(shè)計在傳統(tǒng)構(gòu)件的基礎(chǔ)上，增設(shè)耐高溫四氯軟管，保證工作的流暢性。

在送絲結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，雙噴頭結(jié)構(gòu)的重量基本都在x軸上，會增加其載荷，增加直線光軸的壓強和壓力。基于此，需要將光桿的直徑進行一定程度地增加，進而提升機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體荷載力，在遠程進料上選擇送料結(jié)構(gòu)和噴嘴結(jié)構(gòu)相分離的模式，提升其相對獨立性，進而減少x軸向的載荷，提升擠出機的基礎(chǔ)能力。

3.5 設(shè)計結(jié)果實驗

將以上的設(shè)計方案進行整合，在不考慮控制系統(tǒng)的情況下，設(shè)計3D打印機，將基于直角坐標系的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)化為實踐，分析設(shè)計情況。實驗材料選擇PLA耗材，選取性能標準為2.8～3.0的介電常數(shù)、127 ℃的熱變形溫度、161 ℃的玻璃化溫度、0.0005～0.0006的耗散因子等，準備好相應(yīng)的切片軟件，該文采用的切片軟件為CUPA。在此基礎(chǔ)上，明確3D打印的工藝參數(shù)包括但不限于層高、支撐類型、打印速度、熱床溫度、填充密度、移動速凍、回抽長度、流量、外殼厚度以及底部厚度。

設(shè)計打印模型如圖2所示，觀察3D打印機的打印轉(zhuǎn)臺，分析其是否具有部分打印機的翹曲變形等問題，經(jīng)過多次實踐驗證，打印結(jié)果滿足設(shè)計要求，具有一定的可行性，與設(shè)計前原3D打印機相比，精度有所提升，打印后將零件進行拆卸觀察，其中絲材并沒有殘留在其中，實踐效果較為理想，各部件運行正常且流暢。

圖2 打印模型

4 結(jié)語

綜上所述，由于3D打印機的使用具有特殊性的影響，其機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要立足于傳統(tǒng)機械機構(gòu)圖形，結(jié)合現(xiàn)代社會對其的需求情況，進行一定程度地創(chuàng)新，延伸和規(guī)范創(chuàng)作路線，改良其適應(yīng)性，為其奠定良好的結(jié)構(gòu)形態(tài)基礎(chǔ)，保證其性能滿足使用需求，從而提升打印產(chǎn)品的質(zhì)量，促進相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。