李同洲 姜汝意 周洋 陈星一

摘 要：针对目前3D打印技术由三轴向五轴发展的新趋势，本文就五轴3D打印机的实现形式进行了研究，依据A轴和B轴的位置关系，提出了双摆式、旋摆式两种五轴3D打印机模型。同时，针对这两种模型，从运动、精度、适用范围三个角度进行比较分析，综合各个因素明确了两种方案的适用情景，为五轴3D打印技术实现提供更加清晰的发展方向。

关键词：机构比较分析;五轴联动;3D打印机

Abstract： Aiming at the new trend of the development of 3D printing technology from three axis to five axis， this paper studied the realization form of the five axis 3D printer， and proposed two five-axis 3D printer models of double pendulum and rotary pendulum according to the positional relationship between A-axis and B-axis. At the same time， for these two models， comparative analysis was carried out from the three perspectives of motion， accuracy， and scope of application， and the application scenarios of the two schemes are clarified by integrating various factors， which provides a clearer development direction for the realization of five-axis 3D printing technology.

Keywords： mechanism comparative analysis;five axis linkage;3D printer

当前，市场上的3D打印机多采用三轴打印技术。顾名思义，其通过三个轴的配合在空间中实现三维模型的构建。三轴打印机虽然具有构造简单、操作方便的优点，但是在生产中还存在一些短板，如存在大量支撑、打印效率低、材料利用率低等，从而限制了3D打印技术的发展。五轴打印机即在原有的三轴基础上增加了A轴和B轴，使得打印过程中，待打印工件可沿某一方向摆动和绕打印平台中心旋转，以此来改变打印面的位向。2014年，英国一家3D打印设备制造商推出一款名为5AxisMaker的五轴加工平台。2015年2月，德国一家制造企业把3D打印机与五轴数控机床相结合，将五轴与3D打印设备相结合的设计理念再度加强。2016年5月，日本造出该国首台5轴混合制造3D打印机，此后，日本工业巨头三菱也宣布着手研发五轴3D打印技术。

本文针对五轴打印机的机械结构提出了两种方案，依据旋转轴与翻转轴[1]的位置关系，将五轴3D打印机分为双摆式和旋摆式。同时，针对这两种方案，分别从运动、精度及适用范围三个方面进行简要分析。

1 机械结构

五轴3D打印机就是在常见的三轴3D打印机的基础上增加A轴和B轴，从而改变待打印件与喷头的角度。A轴和B轴的相对位置以及运动方式影响着打印机的稳定性和精度，以至于兩种方案的适用范围不尽相同。

1.1 双摆式五轴3D打印机

如图1所示，双摆式五轴3D打印机主要由X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴组成，其中，A轴和B轴都是摆动轴。通过新增的两个摆动轴能够较好地改变喷头和打印面的角度，提高打印质量。

X轴、Y轴主要由步进电机、传动轴、导轨组成，在其作用下打印平台可沿X轴或Y轴方向做水平运动。Z轴由传动轴和步进电机组成，与喷头相连，带动喷头在Z轴方向竖直运动。A轴主要由蜗轮蜗杆机构、步进电机和喷头组成，喷头通过连接块与蜗轮蜗杆机构连接，连接块与蜗轮啮合，在蜗轮的作用下，带动喷头在X轴两侧摆动。B轴由步进电机、蜗轮蜗杆和摆动台组成。摆动台与蜗轮固定连接，在蜗轮带动下与Y轴、X轴和打印平台在Y轴传动轴两侧同步摆动。

1.2 旋摆式五轴3D打印机

如图2所示，旋摆式五轴打印机同样由X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴组成，与双摆式五轴3D打印机不同的是，A轴为摆动轴，B轴为旋转轴。

X轴、Y轴和Z轴主要由步进电机和转动轴组成。Z轴带动X轴在垂直方向运动，X轴带动喷头在X轴方向运动，Y轴带动A轴和B轴在Y轴方向移动。A轴（摆动轴）由步进电机、行星齿轮、摆动平台和双侧人字架组成，置于Y轴之上。双侧人字架在顶端内置步进电机，摆动平台两侧焊接行星齿轮组（见图3）的齿圈，步进电机带动主动轮转动，齿圈在主动轮和从动轮的共同作用下带动摆动平台绕X轴两侧摆动。B轴（旋转轴）由旋转台与步进电机组成，置于A轴之上。旋转台在步进电机的驱动下绕其中心轴旋转。

2 两种方案分析

2.1 运动分析

对于双摆式五轴打印机来说，由于A轴和B轴分离，A轴位于Z轴上，B轴在X、Y轴下面，重量分配在不同部分，使得A、B轴启停时惯性小、稳定性较高、响应速度快。同时，双摆式结构采用两个翻转轴的方式，较旋摆结构，可以在两个方向上摆动，能够更好更稳定地调整喷头与打印平面的角度，对打印质量有较大的提升。

旋摆式五轴打印机B轴（旋转轴）位于A轴（摆动轴）上，B轴重量分布在A轴上，使得A轴启停惯性大，稳定性较差，但在旋转平台翻转平台的配合下，待打印工件的方向切换快，打印效率较高。

2.2 精度分析

双摆式五轴打印机将A轴与喷头结合，齿轮及喷头架增加喷头的重量。在大角度摆动时，喷头重心会发生改变，电机所需的驱动力增大，发生闷车概率高、喷头转动精度下降。B轴整体结构较轻，质量分布均匀，即使发生大角度转动，对精度的影响也很小。

旋摆式五轴打印机喷头始终保持垂直状态，无须完成摆动动作，喷头精度高。但是B轴和A轴一体，整体结构较大，重量较重，对步进电机的要求较高，同时，较大重量的A轴和B轴会引起齿轮组加速磨损，从而影响打印精度。

2.3 适用范围分析

双摆式五轴3D打印机结构简单，各个模块之间连接紧凑，使得打印空间的利用率较高。但是，X轴、Y轴都采用导轨承重，这就限制了待打印工件的重量，为保证打印精度，其目前仅适合打印轻型制件。其喷头比较灵活，有利于不规则部件细微处打印，适合结构精密的打印件。因此，双摆式五轴打印机在打印结构精细的轻型打印件方面更有优势，它是桌面级[2]五轴打印机的代表形式。

旋摆式五轴打印机的A轴、B轴部分所占空间较大，导致打印空间减小，其中对Z轴方向的影响较大，限制了待打印工件的宽高比。但A轴、B轴由Y轴的双传动轴带动，人字架下可增加承重导轨或滚轮，承重能力较高，适合于重型打印件，由于喷头灵活差，所以在细微结构处力有未逮，旋摆式五轴打印机在宽高比较大且细微结构少的大型打印件方面更有优势。

3 结论

本文对五轴3D打印机的实现模型进行了研究，依据A轴与B轴的位置关系进行了分类，从运动、精度和适用范围三个方面进行了分析。双摆式五轴打印机适合打印结构精细的轻型打印件，而旋摆式五轴打印机更适合打印宽高比较大且细微结构少的大型打印件。

参考文献：

[1]成果，荣佳诚.一种五轴3D打印机的设计与研究[J].福建电脑，2018（2）：142-143.

[2]黄翔，汤鼎，武泽孟，等.桌面级五轴+3D打印一体机设计[J].电子测试，2019（10）：114-115.