施紹寧，艾致祥，龐學(xué)林

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

熔融沉積成型技術(shù)是將絲狀熱熔型材料加熱熔化，然后通過(guò)打印機(jī)噴嘴擠出，在計(jì)算機(jī)程序數(shù)據(jù)處理下控制打印噴嘴，將材料選擇性地涂布在工作面上并迅速冷卻形成一層三維模型數(shù)據(jù)的橫向截面特征。第一層形成后，控制打印噴頭上升一個(gè)高度(即每層厚度) ，然后形成下一層，直到整個(gè)三維模型形狀形成。其優(yōu)點(diǎn)成本低廉，操作簡(jiǎn)便，原型尺寸穩(wěn)定性高，不會(huì)受潮變形，所用材料無(wú)毒性，不產(chǎn)生異味、粉塵、噪音等污染，適宜在辦公室環(huán)境安裝使用；桌面級(jí)打印機(jī)更多的是面向高校、個(gè)人，制造簡(jiǎn)單小型零件與工藝品?；贔DM工藝考慮桌面級(jí)打印機(jī)的打印精度、運(yùn)行平穩(wěn)性以及成本，筆者提出三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)精確控制打印噴頭在一定空間內(nèi)移動(dòng)，優(yōu)化以往打印機(jī)誤差累計(jì)問(wèn)題，為3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)參考。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 成型原理

FDM熔融層積成型技術(shù)由美國(guó)一名專(zhuān)家Scott Crump在1988年研究成功，其材料主要以石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲等絲狀材料為主[1]。而基于FDM工藝的3D打印主要由三部分組成，即三維處理模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊[2]。三維處理模塊主要是使用3D建模軟件進(jìn)行3D模型構(gòu)建，模型由專(zhuān)業(yè)分層軟件進(jìn)行切片，控制模塊和執(zhí)行模塊由計(jì)算機(jī)及控制芯片根據(jù)每層的截面信息控制打印頭在每層高度加熱和熔化材料，通過(guò)在每層高度內(nèi)控制打印噴頭，打印噴頭根據(jù)3D模型選擇性地將材料通過(guò)噴嘴冷卻擠壓到工作表面，迅速形成一個(gè)逐層的橫截面，逐漸形成整個(gè)實(shí)體，打印實(shí)體可以直接從表面取出。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計(jì)箱式桁架結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，能夠提高打印機(jī)穩(wěn)定性和加工精度。使用2020鋁型材質(zhì)的金屬桁架作為打印機(jī)框架結(jié)構(gòu)材料，底板、側(cè)板及打印工作臺(tái)選用輕質(zhì)亞克力材料，其結(jié)構(gòu)較輕，能夠有效保證桌面級(jí)打印機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，且方便生產(chǎn)制造，降低成本；在平面內(nèi)通過(guò)X軸和Y軸的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)行，其滑塊通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)控制打印頭固定平臺(tái)移動(dòng)，進(jìn)而控制打印噴頭在該平面內(nèi)精確移動(dòng)；在高度上Z軸的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)行，其滑塊通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)控制打印頭固定平臺(tái)在Z軸方向上精確移動(dòng)，打印噴頭在三個(gè)方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)上的共同作用下，就可以在一定空間內(nèi)精確的移動(dòng)，再配合打印噴頭工作，即可達(dá)到3D打印機(jī)工作要求[2]。

1.3 控制方案

利用專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件將3D模型切割成若干層，并將數(shù)據(jù)加工成可由3D打印機(jī)系統(tǒng)識(shí)別的g代碼文件，3D打印機(jī)系統(tǒng)對(duì)代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)打印頭在工作面上打印[3]。 打印一層后，打印頭上升一層高度，然后根據(jù)該層橫截面的特征再次打印，直到打印出模型的所有切片層，然后3D打印機(jī)fdm工藝打印模型即為完成，如圖1所示。

圖1 打印流程圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

打印機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括X軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、Y軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、Z軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、金屬桁架、打印噴頭、打印噴頭固定平臺(tái)、工作面、桁架連接件、調(diào)平裝置以及底板和側(cè)板。如圖2所示，本設(shè)計(jì)以箱式金屬桁架作為打印機(jī)機(jī)架，絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)中X軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)水平固定于桁架背部側(cè)板上方中間；Y軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)于桁架底板右側(cè)中間垂直于側(cè)板固定；Z軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)于桁架背部側(cè)板左側(cè)中間垂直于底板固定；所述三處固定的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的絲杠在空間上始終兩兩垂直；三套連桿機(jī)構(gòu)始端均連接有連桿底座，連桿底座分別固定于絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的滑塊上，隨滑塊沿所在的絲杠方向隨步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠而移動(dòng)，三套連桿機(jī)構(gòu)末端均活動(dòng)連接打印噴頭固定平臺(tái)上三處連桿連接位置，即可保障打印噴頭固定平臺(tái)始終處于水平狀態(tài)；打印噴頭固定平臺(tái)中心靠固定螺栓裝配打印噴頭。

圖2 打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.桁架 2.X軸導(dǎo)軌底座 3.X軸光軸(兩個(gè)) 4.X軸絲杠 5.X軸滑塊 6.X軸連桿底座 7.X軸第一連桿 8.X軸第二連桿 9.X軸聯(lián)軸器 10.X軸步進(jìn)電機(jī) 11.桁架連接件 12.打印噴頭固定平臺(tái) 13.Y軸第二連桿 14.Y軸第一連桿 15.Y軸導(dǎo)軌底座 16.Y軸光軸(兩個(gè)) 17.Y軸絲杠 18.Y軸連桿底座 19.Y軸滑塊 20.Y軸步進(jìn)電機(jī) 21.調(diào)平裝置 22.工作臺(tái) 23.工作面 24.工作臺(tái)連接件 25.Z軸導(dǎo)軌底座 26.Z軸絲杠 27.Z軸光軸(兩個(gè)) 28.Z軸第二連桿 29.Z軸第一連桿 30.Z軸連桿底座 31.Z軸滑塊 32.Z軸聯(lián)軸器 33.Z軸步進(jìn)電機(jī) 46.側(cè)板 47.底板 48.打印噴頭

通過(guò)控制三套絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使其上滑塊沿絲杠方向移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行即可控制打印噴頭固定平臺(tái)上打印頭精確移動(dòng)，三套絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)能使打印噴頭在工作面以上的一定空間內(nèi)精確移動(dòng)，即可滿足3D打印機(jī)打印頭的主要工作要求。

2.2 各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖 3所示，連桿絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)由絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)組成，絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、光軸以及滑塊組成，主要作用是將電機(jī)輸出的角位移轉(zhuǎn)化成滑塊移動(dòng)的線位移并帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)有序的運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)由連桿底座、第一連桿和第二連桿組成，連桿底座連接絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的滑塊與第一連桿之間，第一連桿和第二連桿之間由對(duì)鎖螺絲連接，且它們之間可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，第二連桿末端和打印噴頭固定平臺(tái)連接，其主要控制打印噴頭的運(yùn)動(dòng)。

圖3 Y軸連桿和絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu) 圖4 工作臺(tái)示意圖 34.Y軸聯(lián)軸器 35.M6螺釘螺母 38.調(diào)平螺栓 39.彈簧 36、37.M10對(duì)鎖螺絲 40.調(diào)平螺母

如圖4所示，工作臺(tái)裝置由工作臺(tái)底座、工作臺(tái)連接件、工作面、調(diào)平裝置組成。工作臺(tái)底座由工作臺(tái)連接件通過(guò)螺栓螺母固定在底板上。調(diào)平裝置主要由調(diào)平螺栓、調(diào)平螺母、彈簧組成，其主要保證工作面處于水平狀態(tài)。

如圖5所示，打印噴頭包括送料裝置、加熱裝置、擠出裝置、噴嘴。送料裝置是將材料輸送給加熱裝置，加熱裝置則將加熱材料融化，擠出裝置將融化的材料輸送給擠出噴嘴，噴嘴噴出進(jìn)行打印。

圖5 打印噴頭示意圖

3 系統(tǒng)方案

從FDM型3D打印機(jī)工作流程可以看出，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)決定了3D打印系統(tǒng)的性能，一個(gè)合理的3D打印控制系統(tǒng)，對(duì)提升 3D打印機(jī)的整體性能具有決定性的作用[4]。通過(guò)三維切片軟件將三維模型分層切片，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維打印機(jī)可識(shí)別的g代碼，由打印機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和處理，將各部分的信息指令發(fā)送到絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)各部分的步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行定位和校準(zhǔn)信息處理，以及初始化，聯(lián)合控制打印噴嘴在工作面上的精確定位，然后通過(guò)X、Y軸、Z軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與操作控制打印平臺(tái)的打印頭定位打印。

創(chuàng)建3D模型，將3D模型導(dǎo)出到stl文件，使用stl文件作為3D模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，然后使用3D模型數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，生成gcode文件，打印機(jī)系統(tǒng)識(shí)別gcode文件進(jìn)行打印，將stl文件處理成不同的層，通過(guò) usb 連接3D打印機(jī)和cura 實(shí)現(xiàn)在線打印功能，通過(guò)專(zhuān)業(yè)性切片軟件導(dǎo)出gcode文件，并將gcode文件導(dǎo)入3D打印系統(tǒng)的存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)離線打印。如圖6所示。

圖6 成型過(guò)程框架

4 應(yīng)用效果

此設(shè)計(jì)采用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要通過(guò)三臺(tái)空間內(nèi)相互垂直的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合來(lái)控制打印頭準(zhǔn)確移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)打印，其中：X軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)可以控制打印頭在X軸方向上移動(dòng)；Y軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)可以控制打印頭在Y軸方向上移動(dòng)；Z軸絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)可以控制打印頭在Z軸方向上移動(dòng)；通過(guò)三組不同方向上的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)將步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移轉(zhuǎn)化成各個(gè)方向上的線位移(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)，在通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)輸送給打印噴頭，打印噴頭在三個(gè)方向上的共同作用下，就可以在一定空間內(nèi)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的基本效果圖如圖7所示。

圖7 主要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效果圖

此設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在3D打印機(jī)上，通過(guò)絲杠導(dǎo)軌和連桿相結(jié)合的運(yùn)行方式可以降低打印頭的打印誤差，整個(gè)裝置適用范圍廣，原理簡(jiǎn)單，操作方便，即使沒(méi)有技術(shù)背景的用戶也可以很快熟悉該3D打印機(jī)的使用，同時(shí)具有很大的創(chuàng)作空間，絲杠導(dǎo)軌與連桿的結(jié)合靈活性高，對(duì)于創(chuàng)意非凡的3D打印愛(ài)好者以及其他使用者，是很大的創(chuàng)意施展平臺(tái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

FDM工藝3D打印機(jī)適用領(lǐng)域廣闊，使用簡(jiǎn)單，但FDM作為一種綜合性技術(shù)，影響其打印質(zhì)量和精度原因特點(diǎn)有很多，在成型過(guò)程中，優(yōu)化工藝參數(shù)，針對(duì)制件大小、形狀等不同，得出不同的工藝參數(shù)能更好地提高成型件的精度和質(zhì)量[5]。只有將軟件，控制系統(tǒng)，以及工藝打印設(shè)備相互結(jié)合起來(lái)才能提高整體打印效果。此基于FDM技術(shù)的桌面級(jí) 3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用三條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈控制打印頭移動(dòng)，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為方便，通過(guò)對(duì)整體零部件的選材，降低了制造成本，較為適于教育、科研人員使用。