◇南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 培

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種雙頭增材制造打印機(jī)，為提高打印精度、打印速度和生產(chǎn)效率，提出了一種3-PUU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。末端執(zhí)行器采用雙噴嘴結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單色和雙色打印?；ヂ?lián)網(wǎng)模塊是為滿足信息生產(chǎn)的需要而設(shè)計(jì)的，它實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訂購(gòu)和多機(jī)協(xié)作。樣機(jī)已制作完成性能測(cè)試，最大印刷速度200 mm/s，最小印刷厚度0.01 mm。該設(shè)計(jì)的低成本為三維打印技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了可能。

1 引言

3D打印是一種增材制造技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅速。3D打印機(jī)已逐漸應(yīng)用于工業(yè)、學(xué)校甚至家庭。三維打印技術(shù)具有三維造型復(fù)雜、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短、人工成本降低。

作為3D打印技術(shù)的載體，3D打印機(jī)今年也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，主流的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)仍以串行機(jī)制為主。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)范圍大，但開環(huán)結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生累積誤差，影響印刷精度，印刷速度慢，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本研究采用3-PUU并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)并用雙噴頭實(shí)現(xiàn)雙色打印。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，云制造的概念被提出。云制造最重要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了制造資源的集成和廣泛共享。云制造與3D打印技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字化設(shè)計(jì)到數(shù)字化制造的無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)和模式從設(shè)計(jì)部門到制造部門的快速高效傳遞[1]，國(guó)外一些廠商已經(jīng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于3D打印機(jī)。本研究在并聯(lián)打印機(jī)上設(shè)計(jì)了Internet模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸、在線下訂單和多機(jī)協(xié)同工作。訂貨、設(shè)計(jì)、制造的數(shù)據(jù)集中在同一個(gè)平臺(tái)上，既適用于分散生產(chǎn)，也適用于批量生產(chǎn)。

2 打印機(jī)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有慣性小、承載能力強(qiáng)、定位精度高、剛度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，它在微動(dòng)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。3-PUU構(gòu)型需要的部件相對(duì)較少，有利于結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，故本打印機(jī)采用了此構(gòu)型，如圖1所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的每個(gè)分支由導(dǎo)軌、同步帶、滑塊和一對(duì)定長(zhǎng)桿組成。導(dǎo)軌與固定平臺(tái)固定，電機(jī)帶動(dòng)同步帶移動(dòng)滑塊。靜平臺(tái)2為打印平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)1實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)。

圖1 并聯(lián)式打印機(jī)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)雙色打印，在噴頭位置并排安裝兩個(gè)噴頭，如圖2所示。

圖2 雙噴頭結(jié)構(gòu)

3 電氣控制

工作前，打印機(jī)初始化，打印前需要對(duì)噴嘴預(yù)熱。當(dāng)噴嘴達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)，打印機(jī)開始正常打印。在工件打印過(guò)程中，溫度監(jiān)測(cè)和反饋系統(tǒng)—雙向熱敏電阻（100K NTC）對(duì)打印機(jī)的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)組CU（微控制器單元，STM32F103）處理[4]。單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷后發(fā)送至熱敏電阻觸摸屏顯示。

為了防止單個(gè)噴嘴未充分預(yù)熱及縮短預(yù)熱時(shí)間，系統(tǒng)同時(shí)預(yù)熱兩個(gè)噴嘴。同時(shí)，MCU將熱敏電阻采集的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)置的預(yù)熱值進(jìn)行比較。當(dāng)噴嘴達(dá)到所需的預(yù)熱溫度時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開關(guān)打開，電機(jī)啟動(dòng)，擠出機(jī)執(zhí)行首次出絲補(bǔ)償。補(bǔ)償值由MCU發(fā)送的脈沖數(shù)決定，可由操作員定義。

4 互聯(lián)網(wǎng)模塊

Wi-Fi模塊連接到打印機(jī)并與上位機(jī)一起使用，以完全自動(dòng)化調(diào)整、切片、打印和移除。本設(shè)計(jì)采用的Wi-Fi模塊采用UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，具有多模安全功能。Wi-Fi模塊具有內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和IEEE 802.11協(xié)議棧。通過(guò)基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個(gè)或多個(gè)路由器的中轉(zhuǎn)下，用戶串口和機(jī)器串口可以在局域網(wǎng)內(nèi)相互轉(zhuǎn)換。該模塊是一個(gè)無(wú)源串行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在每次數(shù)據(jù)交換之前，打印機(jī)主板上的串行Wi-Fi模塊設(shè)備處于等待狀態(tài)。用戶計(jì)算機(jī)發(fā)起連接邀請(qǐng)并最終執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。

5 打印數(shù)據(jù)測(cè)試

打印機(jī)樣機(jī)制造完成后，對(duì)該雙噴頭打印機(jī)進(jìn)行打印測(cè)試。發(fā)現(xiàn)該打印機(jī)可實(shí)現(xiàn)高精度、快速的三維打印。雙噴嘴配置可實(shí)現(xiàn)雙色打印，增加打印的美觀外觀。觸摸板的設(shè)計(jì)使控制更容易。通過(guò)Wi-Fi模塊的加入，可以實(shí)現(xiàn)客戶的在線交付和數(shù)據(jù)模型的傳輸，大大增加了工業(yè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)的可能性。

經(jīng)測(cè)試，該打印機(jī)最小打印厚度為0.01 mm（對(duì)應(yīng)打印速度為60 mm/s），最大打印速度為200 mm/s。結(jié)果表明，雖然并行3D打印機(jī)具有較大的外觀尺寸，但可以獲得較高的打印精度。與其它打印機(jī)相比，它具有打印速度快、工作穩(wěn)定可靠、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。與10000級(jí)XYZ軸打印機(jī)相比，采用相同的噴嘴尺寸和相同的打印精度，打印出了尺寸為40 mm×40 mm×10 mm的五邊形星形試樣。XYZ軸打印機(jī)需要8小時(shí)，而這款并行3D打印機(jī)只需要16分鐘。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)3-PUU并聯(lián)式雙噴頭打印機(jī)。這種配置可以在提高打印速度的前提下實(shí)現(xiàn)高精度打印，使3D打印機(jī)技術(shù)更適合大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品。雙噴嘴設(shè)計(jì)，可打印兩種顏色的印刷品，外觀更美觀實(shí)用。觸摸板可方便打印操作?；ヂ?lián)網(wǎng)模塊的設(shè)計(jì)將信息技術(shù)引入到3D打印機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了在線訂單、數(shù)據(jù)傳輸和多機(jī)協(xié)作，使3D打印技術(shù)能夠更好地服務(wù)于生產(chǎn)行業(yè)和我們的生活。