宗蒙

(榆林康耐雅新材料技术有限公司,陕西 榆林 718100)

日常办公生活中，我们所使用的打印机可对预先设计的平面形式的物体予以打印成型。而3D打印机和普通打印机之间的工作方式相同，但其打印所选用的耗材不同。普通打印机耗材为墨水以及纸张，3D打印机配有不同的耗材：塑料、陶瓷、砂子以及金属等。计算机和打印机相连接后，通过计算机控制实现打印耗材按照预先设计的立体结构层层囤积和叠加形成三维立体的实物。通俗而言，其可以打印三维实体的玩具车、模型、机器人，甚至是食物立体造型。因其与普通打印机喷墨打印技术原理相近，所以称作立体3D打印技术[1]。

3D打印技术迅猛发展，使其使用要求也愈来愈高，现在采用3D打印技术加工功能性材料已集成为一个新课题，尤其是新型耗材：特种工程塑料以及柔性材料是当前主流。本文所设计的熔融沉积3D高温打印机，可用于特种工程塑料以及柔性材料的加工。本文对3D打印机的械结构中z方向移动系统以及x-y扫描系统两个主要部分，利用分块理念予以设计。

（1）x-y扫描系统

x-y高精度工作台构成了扫描系统核心部分，其驱动光纤以及聚焦镜扫描工件的二维模型。在x-y平面内，滚珠丝杠受到步进电机的驱动带动扫描头开始运动，其扫描范畴为400 mm×400 mm，且定位精度是0.005 mm。为了提高机头的响应敏感度，设计中采用铝质机头以降低其质量，且确保电动机的转矩较高。

步进电机、直线导轨、聚焦透镜、x-y扫描头、计算机等构成了扫描系统。混合步进电机具有工作噪声小、无电力自锁、低频性、转矩大、小体积等特性，所以本设计中x、y、z方向均选择混合式步进机。为了减轻x方向所负载的重量，则连接板和电机均选用铝质材料。

（2）z轴升降系统

升降系统主要功能是支撑工件以及沿z轴方向运动，同时驱动喷头在z轴方向上下移动。在工件加工中固化一层，喷头会上升一层高度，实现零件加工的准确叠加，并使加工过程的定位精度[2]。成型工件的表面平整度以及尺寸精度都会受到定位精度的影响，其中每层间的粘结也受到定位精度的影响[3]。本设计中拟采用步进电机驱动、精密滚珠丝杠传动和精密导轨导向。驱动电机采用混合式步进电机，配合细分驱动电路，直接连接滚珠丝杠来实现高分辨率驱动，消除中间齿轮传动，既减少了尺寸和减少传输误差。工件成型过程中，z轴频繁的作上下运动，为减小运动中所形成的误差，同时为拿去成型工件的便宜性，所以要确保加热板大小适中，且使其表面呈现光滑状态。

本文的3D打印机设计参数拟定为喷头最大运行速度：80 mm/s；最大成型件重量：约为10 kg；z向定位精度：0.01 mm；加热板、丝杠以及直线导轨轴等的总重量：约10 kg；喷头定位精度：0.005 mm；成型空间：400 mm×400 mm×300 mm。

1 传动部分的设计

机械部分的设计主要包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。设计熔融沉积3D打印机的整体部分和其它的设计。主要用于单件小批量零件和功能模型的快速成型制造。

1.1 机械结构传动装置设计

3D打印机的传动装置是整个体系的核心部件。因而，对于传动装置设计的优劣直接影响着整个机械结构的成败。本次的设计从电机到执行部分采取几种解决方案：齿轮传动、普通V带、同步带传动、链传动、丝杠螺母副等。下面将上述几个传输方案比较。

齿轮传动的承载能力和速度范围比较大，传动比恒定，外轮廓尺寸小，运行可靠，效率高，寿命长，制造安装精度要求高，噪音大，成本较高[4]。齿轮齿条传动通常用于行程较大的机床，可以得很大的传动比，容易得到高速直线运动，刚度和机械效率高，传输不够平稳，传输精度不高[5]。

普通三角皮带传动的承载能力小，传递相同的转矩时结构尺寸比其他形式大，但稳定，可以缓冲振动、噪音低、良好的经济性能[6,7]。

同步带传动确保准确的同步带传动比，传动的优点是速度范围广，传动比大，效率高(高达98%)，预紧力小，轴和轴承负荷小，单位长度质量很小，因此它允许线速度高，但制造和安装精度较高，必须按要求严格中心距[8]。

链传动属于有中间挠性件啮合传动。只能用两个平行轴方向进行回转和传动，不能保证恒定的瞬时传动比；磨损后容易发生跳齿；工作时有噪音；不应该在负载变化大和快速反向传动中应用[9,10]。

丝杠螺母副传动，滚珠丝杆螺母副是滚动摩擦，摩擦损失小，传动效率高，可达到0.90～0.96，丝杠和螺母预紧后，可以完全消除两者之间的间隙，提高传动刚度，摩擦阻力小，几乎与速度无关。能保证平稳的运动，不容易在低速中爬行；不能自锁，可逆性强[11]。

综合比较上述几种方案，最终选择同步带传动方式来连接丝杠和步进电机。

按照质量要求、形状要求、传动关系以及加工尺寸等技术参数，同时结合时间、位移、加速度等完成对熔融沉积3 D打印机总体布局设，最后得到一个可以满足设计要求同时满足各部分之间的相对位置关系。主框架的机械结构：铝合金框架，喷头、x-y方向的传动装置(螺丝、导轨)和辅助装置。

1.2 步进电机的选择

1.2.1 步进电机的简介

电极、步进控制器以及功率放大器构成了步进电机控制系统[12]。控制逻辑、缓冲器以及环形分配器等操控着步进控制器。功率放大器主要对控制环形脉冲予以放大效果，同时使步进电机驱动旋转。其控制系统见图1。

图1 步进电机的控制系统

CPU、单片机产生的脉冲信号，一般脉冲信号的占空比约为0.3～0.4。电机转速愈高，其工作周期就愈大。

对步进电机控制系统的设计中，其重要一点即为使其所产生的脉冲序列具有周期性，见图2。由图2可以观察到，电源开关、脉冲高度以及使用周期被用以表述脉冲。数字元件的电平决定了脉冲高度，如普通TTL 电平为0～5 V，COMS电平为0～10 V等。常用的接口电路，可用0～5 V打开和关闭电源的办法来控制[13]。相应的数据为例，当步进电机数字线送高电平(连接)，步进电机开始一步一步的运动[14]。但是由于步进电机“一步”是需要一定的时间，所以在发送高脉冲应该延长一段时间，使步进电机在指定的位置[15]。所以说，步进电机虽是通过计算机控制的，还不如说是其脉冲波通过计算机所生成的，如图2所示。

对于脉冲波的控制，采用软件程序先输出高电平，随后滞后一点时间，再输出低电平的时间延迟。此处，步进延迟时间的长短由电机频率决定。

所谓的步进电机的方向控制，实际上是在一个特定的方式控制(根据需要选择)中指定的顺序发送脉冲序列，可以达到控制步进电机的目标方向。

图2 脉冲信号的产生

1.2.2 功率放大

步进电机驱动系统内最核心的部件即为功率放大器。平均动态电流决定了步进电机的速度转矩，但静态电流对其却无影响。步进电机的转矩平均电流较大的情况下，则需要克服反电势的平均电流就会较大。不同的使用条件下，可采用不同的驱动模式[16]。驱动模式主要由低高压驱动、恒流细分数以及恒压串联电阻等形式构成。

当步进电机定型后，则驱动电源可决定其使用性能。若步进电机的运转速度较大时，则需要较高的转矩以及电动机电流与之配位，同时会造成驱动电压较大现象。若步距角无法满足步进电机的正常使用时，步进电机的驱动可采用细分驱动程序来完成，其驱动电源见图3。

图3 步进电机驱动电源

1.2.3 细分驱动器

当步距角无法达到步进电机的正常使用要求的状况下，往往步进电机的驱动是采用细分驱动器得以实现。细分驱动器驱动原理为相邻(A，B)电流大小的改变使合成磁场的夹角发生变化用于实现对步进电机运转控制[17,18]。其细分驱动原理见图4。

细分驱动器使用特性以及使用条件

图4 细分驱动器的原理

LX19系列开关用于交流50 Hz或60 Hz，控制电路的电压220～380 V的电路中，机械信号变成电信号，控制运动机构和转换方向度用[19]。LX19系列开关采用双断点瞬动式结构，安置在一个金属外壳构成的保护式。壳上装有各种机械零件的方法。组成的单轮、双旋转动，没有线性运动形式的行程开关，等等。

反应式、永磁式、混合式以及单相式等四种步进电机一般比较常见。永磁性步进电机的体积以及转矩都较小，且其分为两相构成，步进角可划分为7.5°或15°两种。反应式步进电机能够大转矩输出，其由三相构成，步进角为1.5°，同时存在噪声以及振动较大的缺陷。对于反应式步进电机，由软磁材料制成了转子磁路，而位于定子上的多相励磁绕组，可因磁导改变而产生转矩。

步进电机相关使用特性：

(1)步进电机的步进角精密最大误差允许在3%～5%，但不不累积。

(2)步进电机使用过程中，外壳存在最高使用温度限制。

步进电机温度太高会使磁性材料退磁，所以电机外壳允许最高温度应该取决于不同的退磁磁性材料。大部分磁性材料正常使用温度在130 ℃以上，特殊的磁性材料在200 ℃以上使用也不会发生退磁现象。而本设计中步进电机的正常使用温度在80～90 ℃间，所以一般的磁性材料完全满足其使用条件。

1.3 丝杠的选型

（1）公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16～50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念：动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高[19]。推荐：直径尽量选16～63。

（2）导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、404 0(4位数前两位指直径，后两位指导程)，其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。推荐：导程尽量选5和10[20]。

（3）长度。长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长，但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量(如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1/8计算)。在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度(轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量)+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。特别需要注意的是，如果你的长度超长(大于3 m)或长径比很大(大于70)，最好事先咨询厂家销售人员可否生产，总体的情况是，国内厂家常规品最大长度3 m，特殊品16 m，国外厂家常规品6 m，特殊品22 m。当然不是说国内厂家就不能生产更长的，只是定制品的价格比较离谱。推荐：长度尽量选6 m以下，超过的用齿轮齿条更划算了[21]。

（4）螺母形式。各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。推荐：频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母[22]。推荐：螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。

（5）精度。滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0～C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7(任意300行程内定位误差±0.05)或以下，高精度数控机械选C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下，光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就是说，螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差，出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度[23]。这是个可靠性的问题，与生产商的生产工艺有关。推荐：精度尽量选C7。

1.4 初选导轨型号

直线滚动导轨,根据最大动载荷C=613 N垂直，水平最大动载荷C=483.9 N。通过检查(机电一体化系统设计手册)表2.9-3.8，其参数长度：650 mm，最终确定使用直径D=8 mm的导轨最合适。

图5 精度C7号丝杠(d=8 mm）

图6 d=8 mm号导轨

2 传动部分总体设计的计算

2.1 丝杠的受力计算

目前，市场中滚珠丝杠副已完全标准化，故只要选择的型号合适便可。设计中选取滚珠丝杠应注意粉料重力所造成的负荷，以及由摩擦所形成的阻力。同时，设计任务中指出其使用寿命为15 000 h，丝杠螺距为4 mm，且按照设计要求Z轴最大下降速度为0.048 m/min。

所以丝杠转速n=1 000vmax/t=1 000×0.048/4=12 r/min。取丝杠转速n=12 r/min，所 以L=60×12×15 000/106=10.8转。

额定动载荷：设计其精度为3级，可靠性为90%。则由

其中可查出精度系数fa=1，可靠性系数fc=1，荷性质系数fw=1.2，且已知F=1 572 N，Lh=15 000，n=12 r/min。

上述数据代入公式后，可得Cam=4 169.7 N。取滚珠丝杠的直径d0=6 mm，选用滚珠丝杠螺母副型号为3206-3，其额定负荷为6 766 N，足够用。

2.2 导轨的选型及计算

2.2.1 导轨刚度检验

滚珠丝杠受工作负荷P引起的导程L0的变化量

其 中FN=1574，L=0.4 cm，E=20.6×106 N/cm2，A=πR2=8.04 cm2。所以

导轨因受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。所以导程总误差

查表知6级精度的丝杠允许误差13 μm，故刚度足够。所选丝杠符合要求。

2.3 丝杠和螺母自锁校核计算

螺纹升角：

其中：L—导程；

d2—螺纹中径(一般而言，d2=d-0.5p)。

螺纹摩擦角：

其中：f—静摩擦系数；

α—螺纹牙型角。

若Ψ≤β，则传动螺纹具有自锁特性。

2.3.1 电机转矩的选择计算

同步齿形带与加热板速度一致，所以同步齿形带轮的线速度为：带速v=0.112 m/s。初选小带轮齿数为z1=14，模数m=4。所以小带轮直径：

根据公式：

得小带轮的转速n1=35.3 r/min。

因为传动比为1所以大带轮的齿数和直径分别为：

大带轮的转速n2=35.3 r/min

Pd=Ka×P=1.6×0.003 7=0.005 92 kw(Ka-工况系数)

取轴向间距a0=1 450 mm。

则带长：

由L0与m=4可取Zb=290，Lp=3644.25的同步带，根据需要将他的宽度切为28 mm。即带宽bs=28 mm。

电机的输出转距为：

综合考虑，查表选择57BYG096型步进电机，如图7所示。

图7 步进电机外形尺寸

2.3.2 加热板材料的选择

耐高温材料分为耐火材料以及耐热材料等两种，其为有机高分子材料以及无机化合物材料。通常可耐温度超过1 580 ℃的无机材料被称为耐火材料，其是一般燃烧室或者窑炉等具有高温条件的地方所需要的材料。广义上讲，熔点超过1 500 ℃，且具有耐腐蚀性、硬度高以及脆性好的材料谓之耐热材料，分为非金属化合物材料和金属材料，其一般作为硬质材料使用和耐腐蚀性材料应用。耐热性高的高分子材料一般可应用于绝缘薄膜、耐热纤维、耐热粘粘剂以及耐热涂料等领域。依据耐高温时间长短，将其分为长时间以及瞬间高温材料。瞬间高温材料是指其在1 000～10 000 ℃高温条件下可以坚持几秒或者几分钟内材料不发生化学、物理结构变化，其中耐高温材料还包含烧蚀材料。烧蚀材料一般在300～600 ℃温度条件下，并在空气氛围内可长时间保持其力学性能以及耐化学腐蚀性。

综合上述耐高温材料选择方案3种：PPS塑料(聚苯硫醚)、LCP(高性能特种工程塑料)和高温尼龙。PPS可耐温度为260 ℃；LCP可耐温度高的为300～350 ℃；高温尼龙可耐温度为260～290 ℃；最终选择LCP特种工程材料。如图8、图9所示。

3 D打印机的送丝机构

3.1 送丝机构的简介

图8 加热板正面

图9 加热板反面

3D打印机的送料机构，包括：用于输送待加工的物料的送料组件；用于为待加工的物料进行熔融的熔融组件；熔融组件包括熔炉、喷嘴及用于为熔炉加热的感应组件；所述喷嘴与熔炉固定连接；感应组件套设在熔炉的外周[23,24]。本次设计的3D打印机的送料机构的安全性高，且适用范围较广泛。

3.2 送丝机构的设计

3D打印机同步送丝机构（如图10），其包括机架、设置在机架的打印机构，打印机构包括设置在机架上的安装座、卡丝轮组、设置在卡丝轮组下方的导入热熔丝的导料管，卡丝轮组包括第一卡丝轮和第二卡丝轮，同步传动装置同步驱动第一卡丝轮和第二卡丝轮，采用了驱动轮，能使得左右两边的卡丝轮根据需要来滚动，增大了送丝推力，保证送丝可靠，同时采用弹性将热熔丝压紧，进一步减小了热熔丝打滑的可能性，提高了3D打印机打印可靠性。

图10 送丝机构基本结构

3.3 打印机框架及喷头的设计

3.3.1 打印机框架

采用铝合金架构，重量仅为不锈钢的1/3，但是强度是亚克力的5倍，结构稳定以保证喷头长时间高速的打印，强韧的合金可以满足弹性需要，让打印变得高质。据今年的金属市场价格铝合金比不锈钢平均便宜人民币10元左右，如图11所示。

图11 框架基本结构

3.3.2 喷头的设计

先热熔性ABS或者PLA丝材缠绕于供料辊子上，随后步进电机对辊子进行驱动旋转，ABS或者PLA丝材会因主动辊和从动辊之间相互的摩擦力作用下从挤出机的喷头中挤送出。导向套处于供料辊与喷头间，低摩擦阻尼材料所制成的导向套，可以使丝材从供料辊中顺利准确的送到喷头内腔内[25]。

将电阻丝加热器架设在喷头上方，当丝材被电阻丝加热器加热至熔融状态后，再采用挤出机把熔融态丝材挤压至工作台上，当材料冷却、硬化后，在工作台上会出现工件的截面轮廓。

本设计中拟选择FDM工艺用于悬空结构制件原型的制作，所以必须配套支撑结构用以制件的支持。另外，为降低材料的成本以及确保成型效率较高，在所设计的FDM设备中选用了双喷头形式（如图12～图13）。双喷头配置的选择，可以使其中一个喷头用于成型材料的挤出，则另外一喷头用于支撑材料的挤出。

一般而言，采用双喷头的成型方式时，丝材的要求更为精致，且其价位不低，沉积效率不高。同时，会采用粗糙较大的丝材用以制作支撑材料，且该成型材料成本不高，另外其沉积效率很高。一般选择相对于成型材料的熔点较低的材料或者水溶性材料作为支撑材料的原料，这种材料的选取可在成型后期，经过相应的化学或者物理方式轻易的将支撑结构处理干净。

图12 双喷头简图

图13 双喷头UG图

4 结论

本文针对融熔沉积3D打印机机械结构的设计，开展对打印机机械结构的优化研究，针对家庭型小型熔融沉积3D打印机的机械结构进行校核、对比验证。家庭型小型打印机成本较低，也可以应用学校教学，对今后3D打印机的普及起到很大作用，主要结论如下：

（1）首先根据熔融沉积3D打印机国内外现有技术水平，阐述了软件开发的难度，分析了其原因，国内的软件开发的进程和突破。表明了我国在这方面的研究虽然是自己开发、自成体系，但不是相对封闭。

（2）首先明确了本次设计的主要工作，确定了设计工作参数，把设计思路清晰的分为了四个大步骤，为了后面的设计作了很好的准备。

（3）然后决定了机械部分的设计包括机械结构传动装置和熔融沉积3D打印机的整体布局设计。解决了从电机到执行部分采取几种解决方案，通过各个方案的比较最终确定了传动装置选择同步带传动。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，通过对反应型步进电机、永磁式步进电机、混合型步进电机以及单相式步进电机等的对比和验证，确定使用57BYG096电机型号。辅助传动装置确定了导轨、丝杠的型号以及喷头和打印机整体框架的设计。

（4）再次对机械部分总体设计的计算，针对前面对导轨、丝杠、步进电机、喷头等再一次进行了核对、校核、验证、对它们的受力、额定寿命、等效转动惯量、转动力矩以及传动效率进行了再一次的计算，最后要保证他们在合理范围之内。

（5）最后对简单送丝机构作了介绍并阐述了它的结构最终确定了应用同步送丝机构。