張佳文　田相克　張學(xué)宇　馬保聰

【摘 要】針對普通3D打印機(jī)通常材料為塑料或樹脂等材料，而水泥材料的3D打印機(jī)較少。本文以在現(xiàn)有FDM技術(shù)進(jìn)行水泥材料的打印機(jī)設(shè)計。首先闡述了3D打印的原理，工作方式，然后從機(jī)身設(shè)計，擠出結(jié)構(gòu)，傳動結(jié)構(gòu)，工作平臺幾個方面對基于FDM的水泥材料3D打印機(jī)設(shè)計進(jìn)行了探討，為大型水泥打印機(jī)的研發(fā)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】FDM；3D打??；機(jī)身設(shè)計；擠出結(jié)構(gòu)；傳動結(jié)構(gòu)；工作平臺

3D打印，又稱作增材制造，作為快速成形領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，目前基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)具有諸多優(yōu)點，其獨特的增材制造技術(shù)降低了復(fù)雜性零件的加工難度，而且支撐材料便于去除，大大縮短了產(chǎn)品制造周期，而且3D打印技術(shù)采用的是層層疊加的制造方式，傳統(tǒng)工藝無法加工復(fù)雜性零件的問題也迎刃而解。然而，目前市面上基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)的引進(jìn)價格較為昂貴，而且技術(shù)服務(wù)難以適應(yīng)我國的需要，設(shè)備使用及維護(hù)成本高。因此，3D打印設(shè)備的國產(chǎn)化研究與開發(fā)對這一先進(jìn)技術(shù)在我國的推廣非常重要。從目前發(fā)展情況來看，3D打印技術(shù)將逐步深入到我國制造業(yè)的發(fā)展與開發(fā)，帶領(lǐng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步[1-2]。本文針對這一現(xiàn)狀，對基于FDM技術(shù)的水泥材料3D打印機(jī)設(shè)計進(jìn)行探討。

1 基于FDM的3D打印機(jī)工作方式

基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)工作方式是采用分層方式進(jìn)行打印。首先，要將工件模型進(jìn)行分層處理得到切片文件再進(jìn)行下一步的打印過程，現(xiàn)有基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)切片方式，打印時內(nèi)部支撐層厚與表面成型層厚均采用同一數(shù)值，在分層算法及軌跡路徑規(guī)劃上易于實現(xiàn)，但控制層厚度的方式通過噴頭擠出材料時給予一定壓力，使得擠出材料被壓至扁平狀，若打印目標(biāo)具有薄壁特征，則3D打印機(jī)難以實現(xiàn)加工要求。本設(shè)計將內(nèi)部支撐與表面成型及輔助支撐采用不同成型層厚，設(shè)外表層厚度為n，輔助支撐層厚度為3n，內(nèi)部支撐層厚度為3n，將模型按此層厚配置進(jìn)行切片，最開始擠出機(jī)構(gòu)按照切片數(shù)據(jù)對外表面進(jìn)行打印，打印層數(shù)為3，然后擠出機(jī)構(gòu)根據(jù)切片數(shù)據(jù)對輔助支撐和內(nèi)部支撐進(jìn)行打印，打印層數(shù)為1，工件按此方式循環(huán)，直至完成加工。

2 水泥3D打印機(jī)的機(jī)身設(shè)計

打印機(jī)機(jī)身是整個打印機(jī)設(shè)備承重基礎(chǔ)，包括滾珠絲杠副、驅(qū)動電機(jī)和相應(yīng)的固定裝置、直線導(dǎo)軌等。打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計為底板固定不動，成型底板采用雙片5mm電木板拼接而成，保證平臺的平面度，機(jī)身機(jī)構(gòu)使用8040鋁型材作為主要承重結(jié)構(gòu)件，成型底板不升高，噴頭進(jìn)行X、Y、Z三軸運(yùn)動，為保證打印精度和打印效果，設(shè)備尺寸Z軸改為雙并聯(lián)絲杠，保證噴頭在X軸運(yùn)動時，運(yùn)動軌跡為同一高度。而承重支架用于支撐Z軸在Y方向上的運(yùn)動。傳統(tǒng)的地面式設(shè)計，雙Z軸除了可以在高度上進(jìn)行升降以外還兼顧Y軸（左右）運(yùn)動，由于受力部分在底部，且Z軸高度較高，因材料固定在噴頭上，重量較大，加上X軸后整體重量更為突出，受力不均，打印一定高度的物體時整體不平衡。兩側(cè)的支架改為實體的墻體或者更為牢固的鋼架結(jié)構(gòu)，采用外接管道輸送材料，外接材料儲存在設(shè)備之外并高于設(shè)備的高度，利用重力和壓力作用，使材料由上而下進(jìn)入噴頭位置，噴頭采用鉸刀式設(shè)計結(jié)構(gòu)，借鑒比較成熟的現(xiàn)有水泥打印機(jī)的噴頭設(shè)計并加以改進(jìn)?？蚣茉O(shè)計如圖1所示。

3 水泥3D打印機(jī)的擠出結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計增添一款熟料擠出裝置，可實現(xiàn)自動更換噴頭，把水泥材料擠出機(jī)與塑料材料擠出機(jī)相互結(jié)合。利用改進(jìn)3D打印噴頭出口截面形狀控制出絲截面，提高材料層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，改善打印產(chǎn)品表面光潔度，提高產(chǎn)品整體強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用類似數(shù)控車床的自動換刀原理，避免一種刀具無法處理某種工序。該結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過軟件實現(xiàn)噴頭部件的更換，不同的疊加方式或者斜面傾斜角度都會對打印件產(chǎn)生影響。目前的FDM 3D打印機(jī)的噴頭截面形狀均為圓孔型，可以對任何角度進(jìn)行過度，每層之間都能實現(xiàn)重疊堆積。

由于水泥材料顆粒過于粗大，本設(shè)計采用增加噴頭數(shù)量，使每個噴頭出絲通孔截面形狀不同，適用于各類零部件不同表面打印要求。采用57大扭矩步進(jìn)電機(jī)，下接鉸刀，使用金屬殼將鉸刀包裹在內(nèi)，周邊留有空隙，通過頂端固定鉸刀與外殼的相對位置，保證鉸刀在工作過程中不會發(fā)生位置偏移。金屬殼上方開有入料口，外接輸料管道，水泥材料通過管道被空氣壓縮入噴頭內(nèi)，電機(jī)工作，鉸刀旋轉(zhuǎn)帶動材料下移，通過下端小口擠出，完成出料工作。金屬外殼外設(shè)有三個固定卡扣，便于與X軸橫梁固定夾緊，卡扣可上下滑移，移動到合適位置后可以固定，三種位置可以改變噴頭和成型底板的距離，適合打印不同材料或不同層厚的模型。

4 水泥3D打印機(jī)傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，要求整體運(yùn)動速度平穩(wěn)、可控。3D打印機(jī)進(jìn)行打印工作時，要求在Z軸方向上對打印對象逐層堆積，以最終獲得與打印對象相似度高的宏觀幾何形體。擠出機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計有兩種，一種是單傳動機(jī)構(gòu)，還有一種是雙向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，從成本和研發(fā)時間上考慮，本設(shè)計采用單向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。在傳動過程中，擠出機(jī)構(gòu)在XOY平面上的運(yùn)動將采用同步齒形帶傳動的方式。控制擠出機(jī)構(gòu)的位移，通過電機(jī)帶動帶輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒形帶轉(zhuǎn)化為擠出機(jī)構(gòu)的位移量，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的控制精度，決定位移精度。步進(jìn)電機(jī)可以將產(chǎn)生的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或者線位移的，屬于開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)。正常工作時電機(jī)轉(zhuǎn)速和停止位置由脈沖信號的頻率以及脈沖數(shù)決定，與負(fù)載變化無關(guān)，而且具有良好的起停響應(yīng)和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。步進(jìn)電機(jī)由于速度和脈沖頻率成正比，因此通過控制脈沖頻率便可以實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度的調(diào)控，轉(zhuǎn)速范圍較寬。并且在設(shè)計擠出機(jī)構(gòu)時，需結(jié)合輸料機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案來進(jìn)行設(shè)計。在擠出機(jī)構(gòu)中，由于57步進(jìn)電機(jī)重量為0.7kg，水泥噴頭重0.3 kg，最終所設(shè)計的擠出機(jī)構(gòu)整體重量為1kg。當(dāng)材料流入噴頭部分時，在材料和輸料管道重量的作用下，光杠承受的壓力會急劇增大，因此普通光杠無法滿足設(shè)計使用要求，故將X軸路線承重部件改為2020鋁型材，取消皮帶光杠設(shè)計改為皮帶滾珠導(dǎo)軌，以提高承重能力，降低因重量帶來變形，從而提高了打印質(zhì)量[3]。

5 水泥3D打印機(jī)工作平臺的設(shè)計

水泥材料質(zhì)量較重，水泥3D打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)較大，打印平臺大，為保證打印平臺的平面度和強(qiáng)度，采用質(zhì)量和密度較大的電木板。若按照傳統(tǒng)設(shè)計，電機(jī)帶動平臺升高，然后逐層下降，需要極大輔助固定裝置，且?guī)痈哔|(zhì)量平臺需要的電機(jī)扭矩太大，耗電多，噪音大，效率低，易振動，本設(shè)計把打印平臺固定在地面，不加熱、不運(yùn)動，一次性調(diào)平后可長期打印。傳統(tǒng)成型底板通常無法同時滿足粘合強(qiáng)度以及快速取模型兩大要求。平臺清理復(fù)雜繁瑣，清理不凈，影響后期打印質(zhì)量。本設(shè)計采用復(fù)合式3D打印成型平臺設(shè)計，滿足粘合強(qiáng)度高，模型拆卸便捷要求。

6 結(jié)論

本文對基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行分析，從機(jī)身設(shè)計，擠出結(jié)構(gòu)，傳動結(jié)構(gòu)，送料結(jié)構(gòu)，工作平臺幾個方面對基于FDM的水泥材料3D打印機(jī)外形設(shè)計進(jìn)行了探討。為后期水泥材料3D打印設(shè)備研發(fā)提供一定理論參考，促進(jìn)3D打印技術(shù)在我國的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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