蘇錦奇，張　超，張俊歌

(中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川　750021)

0　引　言

3D打印技術(shù)又稱積層制造(Additive Manufacturing，AM)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)，激光技術(shù)，光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識(shí)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印方式來構(gòu)造三維實(shí)體的技術(shù)[1]。

本設(shè)計(jì)來源于工程實(shí)踐，以Makerbot系列的3D打印機(jī)為基礎(chǔ)，在驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和工作方面進(jìn)行改進(jìn)。Makerbot系列的3D打印機(jī)為目前市面上絕大多數(shù)的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)類型，由于其結(jié)構(gòu)較為成熟，精度較高，速度較快，且穩(wěn)定，可搭載多噴頭，為3D打印制造商的首選。針對(duì)國內(nèi)3D打印機(jī)普遍精度低、速度慢的的問題，本設(shè)計(jì)通過三維Solid Works建模軟件進(jìn)行建模仿真的方法，在Makerbot系列3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引入極坐標(biāo)系打印技術(shù)，解決傳統(tǒng)打印機(jī)在弧狀外形實(shí)體逐層打印上存在的此類問題，縮短打印時(shí)間提高打印精度。

1　雙坐標(biāo)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　雙坐標(biāo)3D打印機(jī)的組成及工作原理

1.1.1雙坐標(biāo)3D打印機(jī)的組成

3D打印機(jī)的主要零件組成如表1所示。

表1　3D打印機(jī)的主要零件組成

1.1.2雙坐標(biāo)3D打印機(jī)的工作原理

3D打印機(jī)在工作時(shí)四角的兩根光杠和滾珠絲杠起到空間支撐和提供打印機(jī)在Z方向上運(yùn)動(dòng)空間的作用。打印機(jī)共有4個(gè)電機(jī)，其中X軸、Y軸和Z軸方向上各一個(gè)電機(jī)，剩余的一個(gè)是傳送打印材料到擠出頭用的。工作臺(tái)支架上裝有一個(gè)電機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)及通過同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的滾珠絲杠螺母帶動(dòng)工作臺(tái)支架沿滾珠絲杠做Z方向運(yùn)動(dòng)。X和Y方向的打印是通過安裝在X和Y方向上的十字滑向塊移動(dòng)完成的，電機(jī)驅(qū)動(dòng)X和Y方向的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，由滾珠絲杠螺母副分別帶動(dòng)X和Y方向光杠沿其方向上的滾珠絲杠做直線運(yùn)動(dòng)，使十字滑向塊帶動(dòng)擠出頭在XY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而完成了雙坐標(biāo)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

1.2　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1整體框架結(jié)構(gòu)布局

打印機(jī)的底座和工作臺(tái)支架主要由標(biāo)準(zhǔn)型材構(gòu)成，Z方向的傳動(dòng)通過兩根光杠和兩根滾珠絲杠來承擔(dān)，光杠和滾珠絲杠與底座支架型材和上端的固定之間均是用連接部件固定連接，周圍通過板材加固以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。X和Y方向的滾珠絲杠固定均是通過滾珠絲杠兩端的連接部件與固定在打印機(jī)板材外殼上的光桿進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)X和Y方向滾珠絲杠在Z方向上的固定和分別在X和Y方向上的移動(dòng)。

1.2.2各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 底座支架和工作臺(tái)支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

底座支架，它的主要作用是固定打印機(jī)的底部結(jié)構(gòu)和固定Z方向的光杠和滾珠絲杠，同時(shí)給打印機(jī)的板材外殼安裝提供固定支架。工作臺(tái)支架它的主要作用是放置加熱板和工作臺(tái)以及電機(jī)位置的固定。

圖1　支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖　　　1.25×25型材　2.絲杠固定支座　3.光杠固定支座　4.型材連接螺釘　5.螺栓　6.螺母　7.緊定螺釘　8.工作臺(tái)支架連接件　9.張緊輪　10.工作臺(tái)支架底板　11.連接螺栓　12.電磁離合器　13.伺服電機(jī)　14.同步帶1　15.同步帶2　16.工作臺(tái)支撐桿

工作臺(tái)支架是構(gòu)建極坐標(biāo)系的關(guān)鍵。圖1所示的結(jié)構(gòu)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，通過電磁離合器帶動(dòng)以連接軸為中心的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)從而形成極坐標(biāo)系，極坐標(biāo)系的引入使得三維模型加工中弧度部分模型的加工變得易于實(shí)現(xiàn)，提了高其加工速度和節(jié)約制造成本，彌補(bǔ)了笛卡爾坐標(biāo)系在此類模型加工中存在的精度低的問題。

(2) X軸、Y軸和Z軸方向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

X軸方向和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)主要靠電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)十字滑塊在XOY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。Z軸方向的運(yùn)動(dòng)主要靠工作臺(tái)下的電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)立著的滾珠絲杠螺母旋轉(zhuǎn)完成的，如圖2所示[2]。

圖2　Z軸方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖　　　1.光杠　2.工作臺(tái)支架連接件　3.光杠　4.滾珠絲杠　5.滾珠絲杠螺母副　6.軸承座　7.滾珠絲杠

2　電機(jī)與傳動(dòng)部件的選用

2.1　驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，結(jié)合3D打印機(jī)的打印要求和成本等多方面因素，選用伺服電機(jī)作為在X、Y和Z方向的傳動(dòng)控制電機(jī)，選用步進(jìn)電機(jī)作為擠出頭部分送絲機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)控制電機(jī)。

2.2　聯(lián)軸器和離合器的選擇

本設(shè)計(jì)選用彈性管聯(lián)軸器為傳動(dòng)構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工、安裝方便，外形尺寸小，質(zhì)量輕，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，小轉(zhuǎn)矩主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)?？捎糜诿}沖或伺服電動(dòng)機(jī)與編碼等小功率控制系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]。Z方向的電機(jī)與工作臺(tái)和滾珠絲杠螺母副之間通過離合器來實(shí)現(xiàn)控制。綜合考慮3D打印機(jī)的體積、機(jī)構(gòu)和控制方式后選用濕式多片電磁離合器最為合適，參考其轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)矩后選用不同規(guī)格的濕式多片電磁離合器。

2.3　同步傳送帶的選用

基于圓弧齒形同步帶輪具有齒根承載能力好、壽命長(zhǎng)、耐磨性高和無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，選用其將會(huì)使Z方向運(yùn)動(dòng)更為平穩(wěn)和精確。

3　雙坐標(biāo)3D打印機(jī)三維建模裝配體及爆炸視圖設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SolidWorks建模軟件對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行三維建模分析。SolidWorks軟件具有龐大的三維設(shè)計(jì)功能，能夠精準(zhǔn)的完成對(duì)三維模型零件的配合、評(píng)估和修正。如圖3所示，分別為雙坐標(biāo)3D打印機(jī)的三維建模裝配體和爆炸視圖[4]。

圖3　3D打印機(jī)三維建模裝配體和爆炸視圖

4　結(jié)　語

本文從最初對(duì)3D打印機(jī)現(xiàn)今的工業(yè)地位和未來的發(fā)展趨勢(shì)的分析，到后來通過對(duì)新型3D打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各驅(qū)動(dòng)和輔助裝置的選取和最后的三維實(shí)體建模和仿真分析最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)了具有雙坐標(biāo)打印功能的創(chuàng)新型3D打印機(jī)，完成了對(duì)傳統(tǒng)打印機(jī)的更新和缺陷上的改進(jìn)，新型雙坐標(biāo)3D打印機(jī)將會(huì)更具有工業(yè)價(jià)值。