黄 海，赵天婵

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞523419）

0 引言

近年来，以3D打印技术为典型代表的新型制造技术将成为引领未来制造业变革的重要技术之一，该技术有可能从根本上改变生产组织方式[1]。其中FDM技术，即熔融沉积快速成型技术，因具有成型速度快、成本低、成型精度高等特点，应用领域十分广泛，是3D打印技术中最具发展前景的成型技术之一。

在对FDM式3D打印机的研究过程中，发现3D打印机的打印平台是比较重要的部分。打印平台又称底板或基板，是为打印件初始层提供粘附和支撑作用的基础平台。如果打印平台不能有效粘附打印件，将会出现打印件底边翘起问题。如果打印平台与打印件粘结太过牢固，打印件将难以拆卸。

1 常见FDM打印平台对比分析

常见的FDM打印平台有以下几种：

（1）玻璃板热床平台：如图1所示，这类平台由热床、玻璃面板和支撑调节机构组成，是目前市面上最常见的打印平台。通过热床加热，使打印材料保持在玻璃态或高弹态，从而使打印材料粘附在玻璃面板上。但由于玻璃表面过于光滑，与打印材料粘附不劳，需要使用胶水或美纹纸等辅助耗材增强粘附力。当总粘附力不足以抵抗打印件收缩力时，会出现打印件底边翘起问题。当总粘附力大于打印件收缩力时，则出现打印件不易拆卸的问题。

图1 玻璃板热床平台

（2）铝基板热床平台：如图2所示，这类平台由铝基板热床和支撑调节机构组成，常用于创客及DIY爱好者自制的3D打印机。通过将热床电路印刷到铝基板上，实现热床与铝合金面板融为一体，简化了结构的同时提高了加热速度。但由于铝基板表面的氧化铝薄膜不易粘附打印材料，也需要使用美纹纸或耐高温胶带等辅助耗材。与玻璃板热床平台情况相同，铝基板热床平台也存在打印件底边翘起和打印件不易拆卸的问题。

图2 铝基板热床平台

（3）亚克力板平台：如图3所示，这类平台由亚克力面板和支撑调节机构组成，常用于国外进口的3D打印机。亚克力材料与打印材料同为塑料材质，经打印机喷头加热后两者之间呈现浸润粘结[2]形式。这种粘结形式下，打印件与亚克力面板粘结十分紧密。当打印件底面积较大时，即使用铲子和锤子也难以拆卸，而且容易损坏打印件和打印平台。因此，适当减小打印件底面与平台的接触面积，可以降低卸料难度。图2中，亚克力板平台上表面的多个圆形凹槽，就是为减小接触面积而设计的。相比另外两种平台，亚克力板平台存在的问题主要是卸料困难。

图3 亚克力板平台

通过对比分析，这三种常见打印平台存在的打印件翘边问题或打印件不易拆卸问题。其中打印件翘边问题，主要是因为打印材料与平台表面的粘附力不足以抵消打印材料收缩力造成的。而亚克力材料的浸润粘结特性，恰好可以有效解决这个问题。因此，只需解决打印件拆卸困难的问题。

本文主要针对打印件拆卸困难问题，进行打印平台的改进研究。主要从以下三方面进行改进：（1）减少打印平台与打印件之间的接触面积；（2）改进平台结构，采用杠杆结构实现省力卸料；（3）通过3D打印机Z轴的驱动电机，实现自动卸料功能。由于自动卸料后，打印件与打印平台仍有部分粘连，需要进行手动拆除，因此称为半自动卸料平台。

2 半自动卸料平台结构介绍及工作原理

半自动卸料平台结构如图4所示，其中板块平台为核心组件。板块平台由两根支撑轴以及多个板块零件、轴承、定位块、定位挡圈等零件组成。为减少平台与打印件之间的接触面积，采用多个板块零件共同组成打印平台。板块零件（如图5所示）为类似“P”形的长条状零件，材料为亚克力，厚度为7 mm.通过轴承连接，将板块零件有孔端与支撑轴装配在一起。板块零件的细长端搭靠在另一根支撑轴上，且末端突出一小段。板块零件之间首尾交错，并排安装在支撑轴上。这些板块零件将打印件与平台的接触面积分割成多个较小的独立接触面积，可以逐一进行拆卸，降低手动拆卸难度。每两个板块零件之间用瓦状定位块定位，确保板块之间有固定的间隙，既可以减少打印件与平台的接触面积，又可以减少板块之间的摩擦。定位挡圈共有4个，用无头螺钉固定在支撑轴上，分别装在板块平台两侧，对整个板块平台位置进行定位。

图4 半自动卸料平台结构图

图5 板块零件图

顶拆板截面呈倒T形，固定安装在底板上。自动卸料时，板块零件突出的一小段将与顶拆板凸脊接触，实现杠杆结构。

Z轴传导机构连接支撑轴与3D打印机Z轴运动机构，将Z轴电机的驱动力传递到板块平台上，为自动卸料提供驱动力。

半自动卸料平台工作原理如下：

（1）打印开始前，3D打印机各轴回零。在Z轴回零过程中，板块平台沿Z轴向上运动，板块零件依靠自身的重力自动复位，使平台上表面恢复平整。

（2）打印期间板块平台上表面一直保持水平。

（3）当模型打印完成后，整个打印平台一直向下运动，下降到设定的位置才停止。平台下降过程中，板块零件突出的部分与顶拆板凸脊逐渐接触并被顶起，打印平台上表面由平面逐渐变成了V字形（如图6所示）。粘附在平台上的打印件，其底面与平台逐渐剥离，从而实现自动卸料。

图6 半自动自卸料平台（卸料状态）

（4）打印平台停止下降后，自动卸料步骤结束。此时，打印件底面大部分已经与平台分离，但仍有部分未分离，需要手动将打印件拆下。

3 自动卸料时的受力分析

为验证半自动卸料平台在自动卸料时的省力效果，根据平台结构作受力情况简图，如图7所示。图中两条斜线段表示两个板块零件；两个三角形表示顶拆板；两个小圆表示两根支撑轴，两个小圆的圆心为板块零件的旋转中心；F1、F2表示打印机的自动卸料所需的拆卸力。

图7 自动卸料受力情况简图

以底面为30 mm×30 mm的打印件为例，令打印件在平台正中心。故两个板块零件受力情况相同，取其一作受力分析图，如图8所示。L=300 mm为单个板块零件的臂长；l=30 mm为打印件底边长度；l1=（300+30）/2=165 mm为有效拆卸臂长；R为打印件与平台的粘结强度；F1为单个板块零件所需的拆卸力。为测得粘结强度R，在相同亚克力材料的平台上，使用相同打印材料打印一个底面为30 mm×30 mm的打印件。然后用粘结强度检测仪测量打印件从平台剥离瞬间所需的最大力值，即为粘结力X值。经多次测量，取最大粘结力X值为0.265 kN.

根据粘结强度公式：

即打印件与平台的接触面，每平方毫米需要0.294 N才能拆卸。

根据杠杆原理可以近似得出：

注，S为打印件与单个板块零件的接触面积；7为板块零件宽度。

则，拆卸整个打印件需要的力：

注：0.5为板块零件直接的固定间隙值0.5 mm.

若在相同粘结强度情况下，普通亚克力平台拆卸该打印件所需的拆卸力：

图8 打印件拆卸时受力分析图

根据式（3）和式（4）可以得省力比 P：

即同样拆卸底面为30 mm×30 mm的打印件，半自动卸料平台只需要普通平台拆的0.17倍拆卸力即可拆卸，省力效果明显。

4 半自动卸料平台拆卸效果

目前半自动卸料平台已经制作完成（如图9所示），经过实际打印测试，半自动卸料效果良好。由于加工工艺不完善，导致实际制作的打印平台上的表面不平整。为了避免打印件底面不平整，所以需要打印底板（如图10箭头所指部分）。模型打印完成后半自动卸料的效果如图10（a）所示，此时模型底板大部分已经与板块平台分离，仅一根板块零件与模型底板粘连。手动拆卸效果如图10（b）所示，徒手就能将模型取下，然后将底板撕下来即可。可以看到拆卸后的底板保持完好，没有残留在打印平台，方便下次打印。模型底面比较容易与底板分离，且模型底面很平整。总体拆卸效果符合预期。

图9 半自动卸料平台

图10 打印件拆卸后效果图

5 结语

研制的3D打印机半自动卸料平台，采用亚克力材料板块零件组成的杠杆机构平台，解决了常见平台存在的卸料困难问题，并实现了半自动卸料。后续可以完善平台加工工艺，以提高3D打印效率。