多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置结构设计

2022-12-12于跃强贾光政马廷昂万德康

机械设计与制造工程 2022年11期

蔡勋，于跃强, 2，高胜, 2，贾光政，蒋婷，马廷昂，闫博，万德康

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)(2.黑龙江省石油机械工程重点实验室，黑龙江大庆 163318)

3D打印(3D printing)技术是基于数字化模型文件，将可熔化材料逐层累加并固化，从而制造出实体零件的快速成型方法[1]。与传统的减材制造方法相比，3D打印技术是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法[2-3]。该方法在产品设计和制造方面具有很高的自由度，可实现个性化定制生产，因此多用于产品的迭代设计、快速原型制造以及验证，也可以直接用于制造工业零件[4-5]。而熔融沉积成型(fused deposition modelling,FDM)技术作为一种3D打印技术，最初由美国学者 Dr. Scott Crump于1988年提出，是一种不使用激光器加工的方法，与其他3D打印技术相比，因其具有成型设备构造和原理简单、成本低、运行维护费用不高、原材料对环境污染小、适宜在办公环境使用等优点而被广泛应用[6]。

FDM技术的成型原理是通过齿轮啮合机构将热塑性线材传送到打印喷头，打印喷头内部的加热装置将固态热塑性线材熔化为可流动的黏流态，从喷嘴处不断被挤出，而喷嘴在系统控制下沿着成型件截面轮廓不断运动，使熔融的热塑性线材粘结并逐层成型[7]。该成型方法易于实现，但成型装置多为框架式[8]、龙门式[9]以及三角洲式[10]，因而成型装置的尺寸和结构限制了它的成型空间。对于要打印超出成型空间尺寸的大型成型件、超长成型件，则需要更换更大的成型装置，或是分段分批进行打印，然后将其进行组装粘结，这会影响成型件的强度、精度以及成型效率。目前FDM 3D打印成型装置的研究主要集中在大尺寸FDM 3D打印成型装置上[11-13]。虽然通过加大尺寸能够缓解上述问题，但是成型装置依然无法进行生产线流水式智能化制造，而且随着成型装置结构尺寸增大，不仅成型装置的制造成本增加，还会降低成型装置的灵活性。此外为保证成型装置的成型质量，还需要控制好成型装置的稳定性。因此要实现智能化和灵活性强的FDM 3D打印成型装置仍需时日。

本文结合传统生产线制造模式，针对FDM 3D打印成型装置成型空间小、成型灵活性差等问题，研制一款多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置。

1 工作原理与方案设计

本文设计的多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置的工作原理：通过调角机构将打印喷头与打印平台之间的角度调节到合适角度并将其固定，打印喷头将丝材熔化，并按照成型件当前的截面轮廓开始运动，如此反复层层堆叠成型，最终制造出三维实体成型件。当成型件水平面的一个方向上的长度超出打印平台尺寸时或成型件打印完成时，打印平台通过传送带使成型件在打印平台边缘进行自动脱模，未脱离打印平台的成型件或是下一个成型件可以继续进行打印，即可实现单轴无限打印和自动脱模功能。多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置主要由打印平台、调角机构、打印系统等关键结构组成，其装置构成如图1所示，结构参数见表1，支撑材料为PLA、ABS、TPU。多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置主要用于制造超长的成型件或是批量成型件。

图1 多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置

表1 多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置结构参数

2 关键结构设计

2.1 打印平台

打印平台是多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置用于支撑和卸载成型件的机构，同时它还能够控制成型件在Y轴方向上的成型。为实现成型件与打印平台的自动分离，需要将传送带与传统打印平台相结合，构建传送带式打印平台，如图2所示。传送带式打印平台包括传送带、传送带电机、调平底板、加热板、钢化玻璃、主从传送辊以及其他固定连接件。传送带套装在主、从传送辊上并固定在打印平台固定板上，主传送辊一端连接传送带电机带动传送带转动。钢化玻璃处于传送带下面并固定在加热板上，加热板安装在调平底板上，调平底板固定在打印平台固定板上。加热板通电后温度迅速升高，并对钢化玻璃和传送带进行加热，达到预热温度后维持不变，从而达到预热的目的。在调平底板四个角下方设置有调平螺栓，通过调节调平螺栓来控制加热板和底板之间的距离及加热板的水平度，保证成型零件的成型精度。

图2 打印平台结构图

传送带电机所需要负载转矩T可由式(1)算得。

(1)

式中：F为传送带所需牵引力，N；D为传送辊直径，mm；η为传动效率，取值0.9。

传送带所需牵引力F可由式(2)算得。

F=μnmg

(2)

式中：μ为滚动摩擦系数，取值0.1；m为打印零件质量，kg；g为重力加速度，取值10 N/kg；n为辊子个数，取值2。

在打印平台设计中，考虑到辊子自重，取m=10 kg，传送辊直径为36 mm，代入式(1)和式(2)得到步进电机的扭矩为0.4 N/m，据此选取42BYGH34S型步进电机。

2.2 调角机构

调角机构是多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置用于支撑X轴和Z轴运动部件的机构。为实现超长成型件的打印成型，需要将打印喷头与打印平台设置成一定角度。本文构建的可以进行角度调节的调角机构如图3所示。调角机构包括底部框架、角度调节板、锁紧丝、斜梁和支座。斜梁的一端与支座铰接，斜梁的另一端与锁紧丝连接，锁紧丝安装在角度调节板一端的长孔中，角度调节板的另一端与底部框架铰接，锁紧丝可沿角度调节板的长孔运动，以实现角度的调整和锁紧。通过调节调角机构，使得打印喷头与成型平台之间的角度可以在30°到60°之间变化，从而可以进行多角度打印成型，用于制造超长成型件。

图3 调角结构

2.3 打印系统

为实现丝材的供给、打印喷头的运动以及挤出成型，打印系统主要由挤出机、X向进给机构、Z向进给机构和打印喷头组成，如图4所示。

X向进给机构采用同步带、同步轮、直线导轨以及步进电机驱动实现X向的进给。控制系统控制步进电机旋转并通过联轴器带动同步轮旋转，同步带与同步轮一起做旋转运动，进而带动安装在同步带上的打印喷头运动，其中打印喷头的往复运动通过控制步进电机正转或反转来实现。因为X向同步带与Y向传送带速度一致，所以同步带轮的线速度为带速，即v=0.112 m/s。小带轮直径d1的计算公式为：

d1=mz1

(3)

式中：m为小带轮模数；z1为小带轮齿数。

初选小带轮齿数为20，模数为2，代入式(3)中得到小带轮直径为40 mm。

带轮带速v的计算公式为：

(4)

由式(4)得小带轮的转速n1=53.5 r/min。

由传动比为1，可得大带轮的齿数z2=20、直

图4 打印系统结构图

径d2=40 mm，大带轮的转速n2=53.5 r/min。

传递的功率P的计算公式为：

Pd=KAP

(5)

式中：KA为工况系数；Pd为额定功率，kW。

查表得KA=1.6，Pd取0.003 7 kW，代入式(5)计算得功率为0.005 92 kW。

带长L0的计算公式为：

(6)

取轴向间距a0=350 mm，代入式(6)得带长为825.7 mm。

L0=825.7 mm与m=2已知，选取齿数zb=290、节线长Lp=3 644.25 mm的同步带，根据需要将其宽度切为6 mm，即带宽bs=6 mm。

电机输出扭矩Td的计算公式为：

(7)

将Pd和n1代入式(7)可得电机的输出扭矩为1.06 N·m。综合考虑，查表选择42BYGH34S型步进电机。

Z向进给机构是打印喷头在Z向运动的机构。因为Z向进给机构负载X轴横梁、电机和喷头等重物，是整个打印机承载最大的轴，所以采用双Z轴设计。Z向进给机构主要由步进电机、丝杠、滑动导轨等组成，步进电机带动丝杠旋转，丝杠与丝杠螺母配合传动，带动X轴横梁沿着Z轴运动。为确保该运动平台运动的平稳性，采用导程为1 mm、直径为8 mm的丝杠螺母副并选择油脂进行润滑。考虑到丝杠螺母传动精度要求较高，承受载荷较大，要求使用寿命较长，故取螺纹升角φ=4°。

当量摩擦角φv的计算公式为：

(8)

式中：f为摩擦系数；β为牙侧角。

查《机械设计手册》得f=0.1、β=2，代入式(8)得当量摩擦角φv=6.71°>φ，可知螺母丝杠满足自锁条件。

挤出机是打印成型所需线材的供给机构，它通常连接在挤出机电机的输出端，而挤出机电机连接板固定在带连接板支座上，带连接板支座固定在底框架上，送丝管的一端与挤出机的输出口连接，送丝管的另一端与打印喷头连接。

打印喷头是打印系统的挤出成型机构，它固定在打印喷头连接板上，打印喷头连接板固定在X轴滑块上。通过挤出机电机转动带动挤出机运行，将丝材通过送丝管送入打印喷头，丝材在打印喷头中加热至熔融状态，随丝材的继续送入，熔融的丝材从打印喷头的喷头处挤出，实现零件的打印成型。

3 样机试制

根据上述关键结构分析与设计，制造出一种多角度单轴无限FDM 3D打印成型装置样机，如图5所示。为了实现角度可调节，在结构上将垂直放置的Z轴设计成倾斜放置，并与角度调节板连接，组成调角机构。喷头组件则垂直于Z轴所在的平面，零件的成型方式也由原来的水平面的堆叠转变成倾斜面的堆叠。机身结构主要采用铝型材架构，其不但易于加工，还具有质量轻、强度高、结构稳定等优点，能够满足喷头长时间高速打印需求。