黃楓杰

（廣州市高級(jí)技工學(xué)校，廣州 510000）

3D打印機(jī)的工作原理與常規(guī)打印機(jī)非常相似。它們由液體或粉末狀材料組成，有時(shí)也稱為快速成型機(jī)。近年來(lái)快速成型技術(shù)在制造技術(shù)領(lǐng)域方面取得一次重大突破。3D打印技術(shù)是一層層的打印起來(lái)變成三維模型的，它的通常術(shù)語(yǔ)是3D數(shù)字模型文件這一類的制造過(guò)程。3D打印機(jī)中的計(jì)算機(jī)可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進(jìn)行打印，最后控制計(jì)算機(jī)藍(lán)圖，打印出一個(gè)三維產(chǎn)品。3d打印技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的集成；是基于“離散/堆積成型”的成型思想，通過(guò)建立三維數(shù)模與計(jì)算機(jī)程序控制，利用疊層加工的方法將材料“堆積”而形成三維實(shí)體。

1 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 引言

3D打印機(jī)的附加技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)十年。該技術(shù)現(xiàn)已非常成熟，目前已廣泛應(yīng)用于民用市場(chǎng)，并最終為人們所認(rèn)可。如今該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了廣闊的發(fā)展前景，在工業(yè)制造中不斷增添了新的色彩，從而看出技術(shù)的進(jìn)步程度。

牙醫(yī)對(duì)患者進(jìn)行牙齒修復(fù)或診斷時(shí)首先使用掃描儀對(duì)患者牙齒輪廓進(jìn)行掃描，隨后使用打印機(jī)打印出適合患者的糾正模具，幫助患者實(shí)現(xiàn)修復(fù)。

1.2 3D打印機(jī)模型設(shè)備的方案分析

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：X/Y軸組成平面掃描運(yùn)動(dòng)框架機(jī)構(gòu)選用：X、Y軸導(dǎo)軌均采用絲杠機(jī)構(gòu)，Z軸光桿則采用絲桿機(jī)構(gòu)。

三回旋軸機(jī)構(gòu)（即工作臺(tái)）伺服電機(jī)——轉(zhuǎn)軸

XYZ這三個(gè)方向的移動(dòng)都是使用絲桿來(lái)傳動(dòng)的，由電機(jī)作為動(dòng)力源，與普通的打印機(jī)相似，控制工作臺(tái)上的三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)一定的角度，系統(tǒng)將根據(jù)打印復(fù)雜模型的需要和控制工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)每次打印完一層，隨后完成下一層信息讀取，隨后根據(jù)讀取的信息進(jìn)行下一層打印，直到所有的模型都打印完畢。每個(gè)自由度的控制驅(qū)動(dòng)都是單獨(dú)的。

（2）系統(tǒng)框架。系統(tǒng)框架組成如表1所示

表1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

1.3 溫度控制回路設(shè)計(jì)

（1）打印耗材的選用。為了實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的功能，所選材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的功能也很重要。需要更低的熔點(diǎn)和更好的粘度。ABS材料是FDM最常用的打印材料。通常以長(zhǎng)絲包裝提供各種顏色，并通過(guò)3D打印噴嘴進(jìn)行熔融和打印。如果ABS的熔點(diǎn)不同，則通常是細(xì)絲包裝。PLA保險(xiǎn)絲是3D打印機(jī)中廣泛使用的材料，并且相對(duì)環(huán)保。通常，它們不需要加熱床，易于使用，并且更適合于低端3D打印機(jī)。綜合考慮我們最終選擇了P L A 、AB S耗材，這種材料即廉價(jià)又穩(wěn)定。

（2）設(shè)計(jì)思路概述。由于PLA/ABS這兩種打印材料的熔點(diǎn)溫度在2300C左右，直到上升到2600C以上就屬于分解溫度，需要成型的溫度應(yīng)該是在2500C以下這樣。控制回路中傳感器的作用很大，它把實(shí)際的溫度返回到反饋控制回路中，并將其溫度進(jìn)行調(diào)整輸出命令，命令由單片機(jī)輸出。

1.4 噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)

（1）噴頭系統(tǒng)的功能要求。噴頭的料絲的岀絲速度應(yīng)與噴頭的掃描速度一致，因?yàn)槭歉鶕?jù)掃描路徑進(jìn)行堆積成型的，所以這兩個(gè)速度要失效高效配合，以期保證打印成型的產(chǎn)品質(zhì)量和效果，使得工件實(shí)體材料堆積均勻，減少毛刺。

成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的相關(guān)功能要求主要包含下述幾個(gè)方面，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行論述：①供應(yīng)功能：把已經(jīng)圈好在絲筒上的絲狀材料，取出并把它通過(guò)其它方法送到指定位置。②熔絲功能和送絲功能：送完成型絲及時(shí)熔化后，熔融絲送入液化器。③流道功能：為熔融材料提供流通通道。④定徑功能：對(duì)噴嘴擠出的材料的最終尺寸，噴嘴孔的直徑確定擠出的絲的直徑，并且絲被堆疊以滿足所需的細(xì)直徑。當(dāng)噴嘴的移動(dòng)停止時(shí)，擠出的長(zhǎng)絲停止的功能也受到控制。根據(jù)掃描路徑控制噴嘴止動(dòng)件，并根據(jù)噴嘴模式控制絲線以確保高質(zhì)量的成型路徑。

Client/Server是一種請(qǐng)求-響應(yīng)模型，在一次完整的通信過(guò)程中，Client與Server之間將完成以下步驟：

（2）噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)。在描述熔融沉積印刷技術(shù)的操作原理之前，首先可以想象這樣一個(gè)場(chǎng)景：在糕點(diǎn)店里壓蛋糕花，將奶油填充到頂部有小孔的錐形塑料中，然后輕敲此錐形的塑料塑料向下滑動(dòng)，按板，按下并移動(dòng)，就像用筆刷一樣，完成收集的第一層后，將其抬起一點(diǎn)，重復(fù)第一層的工作并重復(fù)以上過(guò)程。直到您最終獲得所需的形狀，這才是FDM的基本思想。

熔化的沉積物也具有不同的名稱，稱為備用沉積物。絲狀熔融材料在冷凝器中用于通過(guò)加熱金屬絲以提供熱量并通過(guò)細(xì)噴嘴的噴嘴擠出的熱量而熔化。根據(jù)每層的參數(shù)控制加熱噴嘴。噴嘴可以在X軸和Y軸方向上移動(dòng)。電線被擠出到模具中，噴嘴和金屬絲被印刷在一起，并且層的高度增加，在冷卻形式下的溫度處于外部溫度。熔融沉積成型工藝對(duì)于成型溫度的要求較高，在加工過(guò)程中必須要保持穩(wěn)定，不能產(chǎn)生較大的幅度，絲材和噴頭的溫度需要在一定范圍內(nèi)。因此，需要添加反饋溫度控制電路來(lái)對(duì)液化器溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，減少溫度對(duì)熔融沉積成型工藝的影響。

2 滾珠絲杠螺母的設(shè)計(jì)

（1）工作條件。由于本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為螺母副，其主要功能是對(duì)傳感器承載進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，因而抗扭性能較差，該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)主要受剪切力租用，同時(shí)受彎曲和扭轉(zhuǎn)和特定負(fù)荷影響。

（2）主要的失效形式。滾珠絲桿在工作時(shí)會(huì)受到彎 曲、疲勞、扭 轉(zhuǎn)、沖 擊等主要的幾個(gè)力所影響，在絲桿的接觸處，如轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)的工作表面受到接觸應(yīng)力。工作時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)接觸疲勞破壞，也會(huì)存在機(jī)械損傷與磨損。彎曲比較大時(shí)，絲桿會(huì)承受交變應(yīng)力；磨損也是因?yàn)闈L珠與滾道表面的硬度來(lái)決定的，表面硬度越差，越容易磨損甚至?xí)l(fā)生斷裂。為減少磨損，提高滾珠與滾道的表面硬度或涂抹潤(rùn)滑劑。

（3）材料的性能要求。結(jié)合工作的條件與主要失效形式，屬于高精度、輕載荷滾珠絲桿，一般選擇低合金工具鋼材料制造零件，制造的零件表面需要加熱淬火處理，有的還要把整個(gè)零件整體淬火的，高精度的滾珠絲桿使用滲氮鋼來(lái)制造可以預(yù)防在熱處理時(shí)產(chǎn)生變形，選用的滲氮鋼牌號(hào)如鋼，需經(jīng)處理后使用。

根據(jù)工作條件需要絲桿也可以選用淬火鋼進(jìn)行制造，還有的螺母也可以選擇鑄造錫青銅進(jìn)行鑄造加工，其材料的表面應(yīng)該要具有高硬度及耐磨性好的性能，及綜合機(jī)械性能也需要比較高才滿足要求。

3 絲桿螺旋傳動(dòng)的類型、特點(diǎn)與應(yīng)用

絲桿傳動(dòng)裝置的主要部件包括螺桿和螺母。螺母和螺釘一起工作后，螺釘開(kāi)始移動(dòng)，變速箱由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。它主要傳遞運(yùn)動(dòng)和力，分為兩種：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.1 滾珠絲桿的特點(diǎn)

（1）傳動(dòng)效率更高：普通滾珠絲杠的滾珠與絲杠之間的接觸點(diǎn)很小，因此摩擦力也很低，螺母與滾珠之間的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，但是傳動(dòng)效率可以達(dá)到90-98%。與其他滑動(dòng)螺旋相比，摩擦力小，可以由直線轉(zhuǎn)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即使絲桿在很小的扭矩之下轉(zhuǎn)動(dòng)，其推力也是很大（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成直線運(yùn)動(dòng)），甚至對(duì)于其它傳統(tǒng)的螺桿系統(tǒng)要強(qiáng)上2-4倍的效果。

（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性：滾珠絲桿工作起來(lái)摩擦阻力是很小的，也沒(méi)有任何的顫動(dòng)，十分流暢，在低速運(yùn)動(dòng)是滾珠沒(méi)有打滑現(xiàn)象還可以進(jìn)行微量進(jìn)給的控制，是很靈敏的，是傳統(tǒng)典型的點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

（3）精度高：滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的溫度低，熱脹冷縮、軸向間隙拉伸等問(wèn)題這些效果都不大，對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)影響還具有較高的定位精度。

滾珠絲桿有三種不同的支撐方式，如下圖所示：

圖1 滾珠絲桿的四種支撐方式

選用不同的滾珠絲杠支撐方式，其軸向載荷和轉(zhuǎn)速也有所差異。該設(shè)計(jì)采用第二種類型，一端固定另一端支持，適用中速和高精度。

3.2 滾珠絲桿螺母的潤(rùn)滑和防塵隔離

（1）油潤(rùn)滑。礦物油適用于大多數(shù)的滾動(dòng)軸承，高轉(zhuǎn)速時(shí)滾珠絲桿副的溫度也是比較小的，油還可以降低其溫度，對(duì)滾珠絲桿而言油潤(rùn)滑比脂潤(rùn)滑好。如果使用油潤(rùn)滑補(bǔ)充潤(rùn)滑油的時(shí)間間隔八小時(shí)之后，在重新潤(rùn)滑都可以。

（2）脂潤(rùn)滑。如采用脂潤(rùn)滑可以使用很長(zhǎng)時(shí)間后，在進(jìn)行補(bǔ)充脂潤(rùn)滑，與油潤(rùn)滑相比相隔的時(shí)間也長(zhǎng)。但是脂潤(rùn)滑使用太久了，要進(jìn)行清理上面的雜物和舊的潤(rùn)滑脂清理干凈，才能更換新的潤(rùn)滑脂，一般是半年到一年換一次脂。廠家生產(chǎn)脂的時(shí)候裝脂的罐子上面都會(huì)有使用說(shuō)明和提示，應(yīng)按照上面的說(shuō)明進(jìn)行使用。

（3）防塵與隔離。由于異物和灰塵是造成滾珠絲杠和滾子軸承快速磨損和損壞的重要因素，因此需要采取防護(hù)措施，并且通過(guò)安裝防塵圈預(yù)防產(chǎn)生灰塵。

滾珠絲杠副設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意下述問(wèn)題：①安裝滾珠絲杠時(shí)，請(qǐng)確保螺母均勻地加載，并且作用在螺母上的總力會(huì)流過(guò)滾珠絲杠軸，這樣可以提高使用壽命和精度。②防逆轉(zhuǎn)：盡管滾珠絲杠傳動(dòng)的效率很高，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有必要防止預(yù)期的傳動(dòng)，在電機(jī)帶動(dòng)絲桿，電機(jī)停下來(lái)時(shí)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)部件的自重慣性引起的逆?zhèn)鲃?dòng)現(xiàn)象，為了防止出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，可采用離合器或停電自鎖電機(jī)等方式。③防護(hù)：滾珠絲杠副在行程兩個(gè)方向要裝有行程開(kāi)關(guān)，限制行程起到保護(hù)作用，以防超程撞壞其它東西及影響其精度和壽命。④防止熱變形：滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生的熱量以及其他組件產(chǎn)生的熱量，這對(duì)滾柱絲杠的定位精度有重要影響，并且熱量會(huì)使絲杠膨脹和伸長(zhǎng)。因而分析各種熱源因素采取措施控制熱源。