赵泽宇

(西安市第89中学,陕西 西安710000)

0 引言

3D打印思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广发展至今,3D打印机的种类也有很多。3D打印技术的类型来看,FDM的原理就像蚕吐丝或挤牙膏一样简单,无需激光系统的搭配,因而在现在的市场上的桌面级3D打印机大多采用这样的工艺。从色彩种类的发展角度来看,分为单色和多色打印。从最初的单色打印变成现在的多色打印,技术一直在不断的更新中。而目前的3D打印技术从工艺方面的主流技术包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。而FDM(Fused Deposition Modeling)是把塑料熔化成半融状态拉成丝,用线来构建面,一层一层堆积起来的。其中,熔化堆积制造技术是将各种热塑性丝状材料由送丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,有选择性地沉积在工作台上,最终堆叠成产品零件,市场大多采用此种类。而选择性激光烧结是SLS法采用红外激光器作能源,使用粉末材料加工,首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度,之后刮平粉末,利用计算机控制下的激光束,根据分层截面信息进行有选择地进行逐层烧结,待全部烧结完毕后再去掉多余的粉末,则就可以得到烧结好的成品零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,使用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺则较为昂贵,一般用于军工或特殊产品制造研发。

由于目前3D打印成形技术设备和材料便宜、运行成本低、操作简单,成形过程无污染,打印速度快,低噪音,且适合办公室环境,尤其可制作结构复杂的部件,民用产品可保证精度在0.1mm～1mm之间,而能够满足大部分的日常需求,因而3D打印技术由于技术的革新和市场的推广,已被普遍运用到我们的日常生活中,甚至扩展至各行各业的制造过程中,而且已基本解决复杂零件的加工制造问题,方法为通过逐层材料堆积的方式,无需机加工或使用模具,可直接通过计算机图形数据生成任何形状的零件,极大地缩短产品的研制周期,提高了研发效率和大大降低了研发成本。

而常见的3D打印机设计方式以相垂直的三轴X、Y、Z轴运动以三正交轴联动达到三维坐标系中某点坐标位置为基础设计,结构不够紧凑,且维修、更换组件较为繁琐,三轴中只要存在任一一轴的打印精度不足,将大大降低打印效果,即普通串联式打印机的驱动和传动系统大部分被放置于活动件上,因而增加了系统的惯性,恶化了打印机的动态性能,而本文使用的并联式Stewart机构则很容易将驱动和传动系统置于机座上,减少了运动件负荷,降低了系统的惯性,提高了系统地动态性能。

因而本文主要以简化而可靠的机械结构,较高的可靠性和实用性,以及可通过算法程序自行补偿打印精度不足,而非调整机械组件提高打印精度的方式为目标,设计出了模块简单,易于更换,可打印其本身主要零部件的Stewart并联连杆机构3D打印机。在应用上,由于Stewart已成为空间机构学的研究热点,且目前Stewart平台并联机构已经在航空、航天、海底作业、地下开采、制造装配等行业有着广泛的应用。因而打印机的Stewart三角并联结构的主构型,保证了打印机末端执行器的刚度和运动的精度。

1 设计软件简介

本文主要使用Solidworks软件完成整体模型的设计和装配,而该三维软件,SolidWorks是以Parasolid为核心(也更加便于与动力学仿真软件ADAMS进行机构优化设计仿真)的实体建模软件,并采用参数化特征的方法来建立零件模型和装配体模型。而参数化指的是通过几何约束确定零件草图形状、三维模型特征和装配体之间相对位置。按照是否键入数字,参数可以分为数值参数和几何参数。数值参数有直线的长度或圆的直径等描述具体尺寸的数值。几何参数,主要包括相切,平行,同心,水平或垂直等可以描述空间平面基本要素之间或装配图零件之间几何关系的约束条件。通过合理使用这些参数,可以按照意愿设计符合尺寸要求的几何物体。

本文中的Solidworks建模,一般从二维草图开始,可以方便地选择自建基准面,特征表面等进行草图绘制,而且由于光标可以智能捕捉到切点,交点,圆心等特征点,绘图时可以很方便的引入一些需要的几何约束。除了这些特点,图形由尺寸驱动,因此绘图前阶段时不必太在意图形的具体位置,画完后输入尺寸值或加入新的几何约束便可以方便的更改图形的位置和大小,而且未完全定义,完全定义,过定义(几何约束太多无法求解)的草图颜色上有区别,使用者可以方便的发现草图中的问题并及时修改。在二维草图建立完成并修改无误后,直接转到三维建模,从最基本的拉伸,切除到阵列,放样,Solid Works提供了强大的三维建模工具集,针对不同零件的一些特有特征,提供一些特定功能。比如加强筋,可以方便的指定斜度;针对车削和铸造的零件提供倒角圆角功能;异型孔向导,可以方便地绘制各种螺纹孔,光孔等。使用toolbox或麦迪工具集等插件,从而可以方便的生成各种标准零件,提升建模设计效率。

2 子装配体模块化设计

本文使用了SolidWorks中提供的零件设计、装配功能,将建立好的零件依次导入装配体,添加同心,共面等几何约束,便可生成装配体,还可以通过干涉检查,发现零件设计存在的问题,进而返回修改,避免了零件生产出来无法装配的情况,大大缩短了产品生产周期,节约成本。此外,由于由于该3D打印机零件设计要求精简耐用,因而采用了模块化设计。该并联臂3D打印机的模块可分为上、中、下三个模块。最上面的模块承载了3台24V的直流电机,通过连杆带动连杆的方式将运动直接传递到打印机头,通过3个电机的协同作用,实现打印机头在三维空间内的移动,其移动范围类似于网状结构。中部模块为多并行的连杆机构,机构的连接点位置均装配有轴承,因而连杆部件之间连接紧密,保证了运动精度。下部模块即为打印模块,由打印机头,下平台和连杆连接零件构成,同其他民用3D打印机相同的是其使用了普通打印机热熔机头,因而可方便地使用PLA或光敏树脂为打印型材,连接部件的原理同上平台类似而不再赘述。

除可能因使用情况会出现变动的固定用连接机架未被建模和列入之外,其所有组件名称、特征和数量如下表1所示：

表1 并联臂3D打印机组件

3 总体装配及说明

在完成上述中的模块化子装配后,即可完成3D打印机的总装配,即利用SolidWorks中提供的装配功能,将自装配导入后进行约束设置,在定义完成个子装配体装配约束后,完成的精简版并联臂3D打印机的总装,如图1所示。

此外,根据打印件的大小和复杂程度,可考虑将模型一次性打印,整体装配打印(需考虑装配体组件中连接位置预留的缝隙大小),以及需要后续进行粘合处理的分块打印,一般打印需要几分钟到几个小时甚至几十小时不等。

由于3D打印机采用的模块化设计,而且由于Stewart平台并联机构具有刚度大、承载能力强、位置误差无累计等特点,因而即便其模块经过多次更换后仍能通过内部打印机头定位算法的不断更新和矫正来保证其打印精度,从而大大延长了其正常使用寿命。

图1 并联臂3D打印机结构总装

此外,由于本文主要以机械结构设计为主要目标,因而该3D打印机的后续模块还包括电路部分的电机驱动设计、接口转换设计、稳定性分析与设计、反馈设计等(可采用现国外市场上常用的RaspBerry Pi开发板进行驱动设计和调试);软件开发的3D打印机的嵌入式设计、软件编写实现设备实时观测和远程控制功能设计,即还需要进行与相应的打印机头部分配套的挤料装置,模型自定义吊装平台和温控设备型材的支架,以及电控和软件部分模块的开发和调试。

4 结论

本文主要采用Solidworks完成了简装版并联臂3D打印机的主体结构的总装设计,该3D打印机结构紧凑、简单、实用,可通过采购打印机所需电机、热熔打印机头、轴承和螺栓等市场内现有材料,结合本打印机自行打印的机构组件或子装配体,从而实现自我复制、再生产的可能性,大大降低了生产民用3D打印机所需的成本。同时其结构的模块化设计使得其自行维修、更换零部件的耗费的总成本也仅为3D打印常用PLA型材成本,实现了民用化3D打印机的精简、低成本设计。

此外,由于Solid Works软件中,还集成有三维建模分析系统SolidWorks Simulation。因而日后可以在该软件内部直接实现本文中3D打印机机构零件或装配体的应力分析、扭曲分析、频率分析和优化分析等多种分析,凭借着快速求解器的有力支持,同时可使用其自带的内部优化设计、分析、模拟制造等仿真模块外,还可输出接口其他软件的文件,与其他有限元或多体动力学等CAE、CAM仿真软件协同使用,从而在日后可以使用计算机快速方便解决各机械类工程的设计、制造及可靠性分析问题,以节省在传统设计、分析中所花费的大量时间和精力。

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