蔡 勛，于躍強(qiáng), 2，高 勝, 2，賈光政，蔣 婷，馬廷昂，閆 博，萬德康

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)(2.黑龍江省石油機(jī)械工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318)

3D打印(3D printing)技術(shù)是基于數(shù)字化模型文件，將可熔化材料逐層累加并固化，從而制造出實體零件的快速成型方法[1]。與傳統(tǒng)的減材制造方法相比，3D打印技術(shù)是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法[2-3]。該方法在產(chǎn)品設(shè)計和制造方面具有很高的自由度，可實現(xiàn)個性化定制生產(chǎn)，因此多用于產(chǎn)品的迭代設(shè)計、快速原型制造以及驗證，也可以直接用于制造工業(yè)零件[4-5]。而熔融沉積成型(fused deposition modelling,FDM)技術(shù)作為一種3D打印技術(shù)，最初由美國學(xué)者 Dr. Scott Crump于1988年提出，是一種不使用激光器加工的方法，與其他3D打印技術(shù)相比，因其具有成型設(shè)備構(gòu)造和原理簡單、成本低、運行維護(hù)費用不高、原材料對環(huán)境污染小、適宜在辦公環(huán)境使用等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[6]。

FDM技術(shù)的成型原理是通過齒輪嚙合機(jī)構(gòu)將熱塑性線材傳送到打印噴頭，打印噴頭內(nèi)部的加熱裝置將固態(tài)熱塑性線材熔化為可流動的黏流態(tài)，從噴嘴處不斷被擠出，而噴嘴在系統(tǒng)控制下沿著成型件截面輪廓不斷運動，使熔融的熱塑性線材粘結(jié)并逐層成型[7]。該成型方法易于實現(xiàn)，但成型裝置多為框架式[8]、龍門式[9]以及三角洲式[10]，因而成型裝置的尺寸和結(jié)構(gòu)限制了它的成型空間。對于要打印超出成型空間尺寸的大型成型件、超長成型件，則需要更換更大的成型裝置，或是分段分批進(jìn)行打印，然后將其進(jìn)行組裝粘結(jié)，這會影響成型件的強(qiáng)度、精度以及成型效率。目前FDM 3D打印成型裝置的研究主要集中在大尺寸FDM 3D打印成型裝置上[11-13]。雖然通過加大尺寸能夠緩解上述問題，但是成型裝置依然無法進(jìn)行生產(chǎn)線流水式智能化制造，而且隨著成型裝置結(jié)構(gòu)尺寸增大，不僅成型裝置的制造成本增加，還會降低成型裝置的靈活性。此外為保證成型裝置的成型質(zhì)量，還需要控制好成型裝置的穩(wěn)定性。因此要實現(xiàn)智能化和靈活性強(qiáng)的FDM 3D打印成型裝置仍需時日。

本文結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)線制造模式，針對FDM 3D打印成型裝置成型空間小、成型靈活性差等問題，研制一款多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置。

1 工作原理與方案設(shè)計

本文設(shè)計的多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置的工作原理：通過調(diào)角機(jī)構(gòu)將打印噴頭與打印平臺之間的角度調(diào)節(jié)到合適角度并將其固定，打印噴頭將絲材熔化，并按照成型件當(dāng)前的截面輪廓開始運動，如此反復(fù)層層堆疊成型，最終制造出三維實體成型件。當(dāng)成型件水平面的一個方向上的長度超出打印平臺尺寸時或成型件打印完成時，打印平臺通過傳送帶使成型件在打印平臺邊緣進(jìn)行自動脫模，未脫離打印平臺的成型件或是下一個成型件可以繼續(xù)進(jìn)行打印，即可實現(xiàn)單軸無限打印和自動脫模功能。多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置主要由打印平臺、調(diào)角機(jī)構(gòu)、打印系統(tǒng)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成，其裝置構(gòu)成如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，支撐材料為PLA、ABS、TPU。多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置主要用于制造超長的成型件或是批量成型件。

圖1 多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置

表1 多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 打印平臺

打印平臺是多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置用于支撐和卸載成型件的機(jī)構(gòu)，同時它還能夠控制成型件在Y軸方向上的成型。為實現(xiàn)成型件與打印平臺的自動分離，需要將傳送帶與傳統(tǒng)打印平臺相結(jié)合，構(gòu)建傳送帶式打印平臺，如圖2所示。傳送帶式打印平臺包括傳送帶、傳送帶電機(jī)、調(diào)平底板、加熱板、鋼化玻璃、主從傳送輥以及其他固定連接件。傳送帶套裝在主、從傳送輥上并固定在打印平臺固定板上，主傳送輥一端連接傳送帶電機(jī)帶動傳送帶轉(zhuǎn)動。鋼化玻璃處于傳送帶下面并固定在加熱板上，加熱板安裝在調(diào)平底板上，調(diào)平底板固定在打印平臺固定板上。加熱板通電后溫度迅速升高，并對鋼化玻璃和傳送帶進(jìn)行加熱，達(dá)到預(yù)熱溫度后維持不變，從而達(dá)到預(yù)熱的目的。在調(diào)平底板四個角下方設(shè)置有調(diào)平螺栓，通過調(diào)節(jié)調(diào)平螺栓來控制加熱板和底板之間的距離及加熱板的水平度，保證成型零件的成型精度。

圖2 打印平臺結(jié)構(gòu)圖

傳送帶電機(jī)所需要負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可由式(1)算得。

(1)

式中：F為傳送帶所需牽引力，N；D為傳送輥直徑，mm；η為傳動效率，取值0.9。

傳送帶所需牽引力F可由式(2)算得。

F=μnmg

(2)

式中：μ為滾動摩擦系數(shù)，取值0.1；m為打印零件質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取值10 N/kg；n為輥子個數(shù)，取值2。

在打印平臺設(shè)計中，考慮到輥子自重，取m=10 kg，傳送輥直徑為36 mm，代入式(1)和式(2)得到步進(jìn)電機(jī)的扭矩為0.4 N/m，據(jù)此選取42BYGH34S型步進(jìn)電機(jī)。

2.2 調(diào)角機(jī)構(gòu)

調(diào)角機(jī)構(gòu)是多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置用于支撐X軸和Z軸運動部件的機(jī)構(gòu)。為實現(xiàn)超長成型件的打印成型，需要將打印噴頭與打印平臺設(shè)置成一定角度。本文構(gòu)建的可以進(jìn)行角度調(diào)節(jié)的調(diào)角機(jī)構(gòu)如圖3所示。調(diào)角機(jī)構(gòu)包括底部框架、角度調(diào)節(jié)板、鎖緊絲、斜梁和支座。斜梁的一端與支座鉸接，斜梁的另一端與鎖緊絲連接，鎖緊絲安裝在角度調(diào)節(jié)板一端的長孔中，角度調(diào)節(jié)板的另一端與底部框架鉸接，鎖緊絲可沿角度調(diào)節(jié)板的長孔運動，以實現(xiàn)角度的調(diào)整和鎖緊。通過調(diào)節(jié)調(diào)角機(jī)構(gòu)，使得打印噴頭與成型平臺之間的角度可以在30°到60°之間變化，從而可以進(jìn)行多角度打印成型，用于制造超長成型件。

圖3 調(diào)角結(jié)構(gòu)

2.3 打印系統(tǒng)

為實現(xiàn)絲材的供給、打印噴頭的運動以及擠出成型，打印系統(tǒng)主要由擠出機(jī)、X向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和打印噴頭組成，如圖4所示。

X向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用同步帶、同步輪、直線導(dǎo)軌以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)X向的進(jìn)給。控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過聯(lián)軸器帶動同步輪旋轉(zhuǎn)，同步帶與同步輪一起做旋轉(zhuǎn)運動，進(jìn)而帶動安裝在同步帶上的打印噴頭運動，其中打印噴頭的往復(fù)運動通過控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。因為X向同步帶與Y向傳送帶速度一致，所以同步帶輪的線速度為帶速，即v=0.112 m/s。小帶輪直徑d1的計算公式為：

d1=mz1

(3)

式中：m為小帶輪模數(shù)；z1為小帶輪齒數(shù)。

初選小帶輪齒數(shù)為20，模數(shù)為2，代入式(3)中得到小帶輪直徑為40 mm。

帶輪帶速v的計算公式為：

(4)

由式(4)得小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=53.5 r/min。

由傳動比為1，可得大帶輪的齒數(shù)z2=20、直

圖4 打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

徑d2=40 mm，大帶輪的轉(zhuǎn)速n2=53.5 r/min。

傳遞的功率P的計算公式為：

Pd=KAP

(5)

式中：KA為工況系數(shù)；Pd為額定功率，kW。

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

帶長L0的計算公式為：

(6)

取軸向間距a0=350 mm，代入式(6)得帶長為825.7 mm。

L0=825.7 mm與m=2已知，選取齒數(shù)zb=290、節(jié)線長Lp=3 644.25 mm的同步帶，根據(jù)需要將其寬度切為6 mm，即帶寬bs=6 mm。

電機(jī)輸出扭矩Td的計算公式為：

(7)

將Pd和n1代入式(7)可得電機(jī)的輸出扭矩為1.06 N·m。綜合考慮，查表選擇42BYGH34S型步進(jìn)電機(jī)。

Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)是打印噴頭在Z向運動的機(jī)構(gòu)。因為Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)負(fù)載X軸橫梁、電機(jī)和噴頭等重物，是整個打印機(jī)承載最大的軸，所以采用雙Z軸設(shè)計。Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、滑動導(dǎo)軌等組成，步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠與絲杠螺母配合傳動，帶動X軸橫梁沿著Z軸運動。為確保該運動平臺運動的平穩(wěn)性，采用導(dǎo)程為1 mm、直徑為8 mm的絲杠螺母副并選擇油脂進(jìn)行潤滑?？紤]到絲杠螺母傳動精度要求較高，承受載荷較大，要求使用壽命較長，故取螺紋升角φ=4°。

當(dāng)量摩擦角φv的計算公式為：

(8)

式中：f為摩擦系數(shù)；β為牙側(cè)角。

查《機(jī)械設(shè)計手冊》得f=0.1、β=2，代入式(8)得當(dāng)量摩擦角φv=6.71°>φ，可知螺母絲杠滿足自鎖條件。

擠出機(jī)是打印成型所需線材的供給機(jī)構(gòu)，它通常連接在擠出機(jī)電機(jī)的輸出端，而擠出機(jī)電機(jī)連接板固定在帶連接板支座上，帶連接板支座固定在底框架上，送絲管的一端與擠出機(jī)的輸出口連接，送絲管的另一端與打印噴頭連接。

打印噴頭是打印系統(tǒng)的擠出成型機(jī)構(gòu)，它固定在打印噴頭連接板上，打印噴頭連接板固定在X軸滑塊上。通過擠出機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動擠出機(jī)運行，將絲材通過送絲管送入打印噴頭，絲材在打印噴頭中加熱至熔融狀態(tài)，隨絲材的繼續(xù)送入，熔融的絲材從打印噴頭的噴頭處擠出，實現(xiàn)零件的打印成型。

3 樣機(jī)試制

根據(jù)上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，制造出一種多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置樣機(jī)，如圖5所示。為了實現(xiàn)角度可調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)上將垂直放置的Z軸設(shè)計成傾斜放置，并與角度調(diào)節(jié)板連接，組成調(diào)角機(jī)構(gòu)。噴頭組件則垂直于Z軸所在的平面，零件的成型方式也由原來的水平面的堆疊轉(zhuǎn)變成傾斜面的堆疊。機(jī)身結(jié)構(gòu)主要采用鋁型材架構(gòu)，其不但易于加工，還具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠滿足噴頭長時間高速打印需求。

4 結(jié)論

1)采用傳送帶式打印平臺，通過傳送帶可使成型件能夠與打印平臺自動分離，從而實現(xiàn)多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置打印成型智能化。

圖5 多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置樣機(jī)

2)采用調(diào)角機(jī)構(gòu)使打印噴頭與打印平臺之間的角度可以在30°～60°調(diào)節(jié)，進(jìn)行多角度打印成型，使得多角度單軸無限FDM 3D打印成型裝置具有很強(qiáng)的靈活性。

3)通過傳送帶式打印平臺和調(diào)角機(jī)構(gòu)結(jié)合，能夠進(jìn)行多角度無限打印，從而實現(xiàn)超長件一次性打印成型或是零件的批量化打印成型。同時該裝置的研制，也為擴(kuò)展3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍提供了一種有效的解決方案。