3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作分析

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1、3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作分析 針對(duì)目前開源型桌面級(jí)3D打印機(jī)成本較高的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種新型懸臂式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了打印機(jī)的設(shè)計(jì)方案以及電機(jī)選型與材料選擇方面的分析。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算且與傳統(tǒng)制作工藝相比較分析后，選用42HS02步進(jìn)電機(jī)，由PLA材料制成的連接件替代金屬零部件，解決了傳統(tǒng)打印機(jī)維修繁瑣、裝配復(fù)雜、占地面積大等問(wèn)題。當(dāng)今人們的生活需求提速較快，已不滿足于此時(shí)代的技術(shù)水平。而3D打印機(jī)的出現(xiàn)在很大程度上緩解了這一現(xiàn)狀。3D打印技術(shù)現(xiàn)在作為快速成型技術(shù)的一種，它與傳統(tǒng)打印機(jī)相比最大的區(qū)別在于可以使用非液體材料來(lái)進(jìn)行打印，且介質(zhì)種類也多種多樣。該技術(shù)現(xiàn)在在教育，建筑，珠寶

2、，工業(yè)設(shè)計(jì)，航空航天，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，土木工程，軍事以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。針對(duì)于3D打印機(jī)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，業(yè)內(nèi)常規(guī)的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)于單一，常見的3D打印機(jī)為龍門式三坐標(biāo)的3D打印機(jī)，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及長(zhǎng)期性一直被廣泛應(yīng)用，但是因?yàn)辇堥T式3D打印機(jī)通過(guò)三個(gè)導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行三坐標(biāo)的定位，所占空間較大，重量較重，打印速度慢，同時(shí)需要的動(dòng)力能源較多，無(wú)法達(dá)到更好的節(jié)能效果以及滿足人類對(duì)空間的需求性。箱體式結(jié)構(gòu)也是目前市面上較為流行的，但它結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易裝配，維修繁瑣，而且零件精度要求較高，整個(gè)機(jī)型的成本高。Delta三角洲機(jī)型相比較于其他結(jié)構(gòu)占地面積較小，但是由于打印機(jī)需要給3個(gè)并聯(lián)臂留出移動(dòng)空間，這

3、就直接限制了打印機(jī)在空間上的利用。除此之外由于其坐標(biāo)定位采用的是一種特殊的插值算法，對(duì)于一些弧形結(jié)構(gòu)只能采用多個(gè)直線段逼近的方法，導(dǎo)致其打印精度稍有不足。傳統(tǒng)的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，制作成本高，而且操作不易掌握。不適用于人手一臺(tái)去了解并學(xué)習(xí)，因此設(shè)計(jì)了一種新型懸臂式結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳統(tǒng)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、不利于教學(xué)演示的技術(shù)問(wèn)題。 1懸臂式3D打印機(jī)結(jié)構(gòu) 懸臂式3D打印機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，大致可以分為四個(gè)部分，分別是水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、材料擠出機(jī)構(gòu)。該四部分之間均由打印而成的零件進(jìn)行連接，

4、且這四部分各自用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，圖中均有標(biāo)出。X軸底座上與擠出機(jī)相連安裝的步進(jìn)電機(jī)，利用PLA材料在擠出機(jī)滾輪與電機(jī)齒輪軸之間的咬合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印材料的進(jìn)給與撤出；其余三個(gè)步進(jìn)電機(jī)則是來(lái)對(duì)噴頭在打印位置上的確定，Z軸方向上由步進(jìn)電機(jī)固定的給定量算出所需的步進(jìn)角，先將三維打印轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印，接著Y軸方向也由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，致使每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條直線上的一維打印，最終由X軸上的步進(jìn)電機(jī)來(lái)確定最終的位置。X軸、Y軸、Z軸各裝設(shè)有限位開關(guān)，在這三個(gè)軸向上機(jī)構(gòu)運(yùn)行的極限位置處設(shè)置有擋塊，當(dāng)限位開關(guān)接觸到相對(duì)應(yīng)的擋塊時(shí)，實(shí)現(xiàn)作用使其運(yùn)動(dòng)停止或返回初始運(yùn)行狀態(tài)，以此

5、來(lái)避免某些零件因打印機(jī)在運(yùn)行時(shí)超出其極限位置時(shí)所導(dǎo)致的損壞，極大概率上保護(hù)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性與安全性。 1.1懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)即打印機(jī)的X軸平面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。X軸打印行程為X=140mm，理論精度為0.01mm。X軸底座、打印頭座、X軸端座等連接件均由3D打印制作，材質(zhì)PLA，強(qiáng)度重量均滿足使用條件。打印頭座與傳動(dòng)滑塊采用一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)直線軸承與X軸光桿直接連接，減輕了懸臂的受力，保證了打印機(jī)的打印速度和精度。中間同步帶采用內(nèi)嵌設(shè)計(jì)，保證了打印機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，與X軸的底座和端座相連并由X軸底座上的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印噴頭的左右移動(dòng)。以及

6、X軸底座上與擠出機(jī)相連安裝的步進(jìn)電機(jī)，利用PLA材料在擠出機(jī)滾輪與電機(jī)齒輪軸之間的咬合的方式，將料送至打印噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印材料的進(jìn)給與撤出。這樣構(gòu)成了該打印機(jī)的懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 1.2水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，Y軸打印行程為Y=120mm，理論精度為0.01mm。采用兩個(gè)2020鋁型材、一個(gè)2040鋁型材和兩個(gè)3D打印而成的端座搭建成了整個(gè)打印機(jī)的底座框架。載物臺(tái)通過(guò)四個(gè)直線軸承與兩跟光杠相連，中間同步帶依舊采用內(nèi)嵌設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)與載物臺(tái)連接的同步帶壓板實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，保證了打印機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。載物臺(tái)上放置玻璃板以便于噴頭在上打印零件，

7、載物臺(tái)下方有四個(gè)螺母，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母來(lái)調(diào)節(jié)載物臺(tái)上玻璃板的水平，以便更好地打印零件。其中一個(gè)端座上固定有一個(gè)主控板，這塊主控板通過(guò)已經(jīng)處理好的3D模型文件的G代碼來(lái)進(jìn)行4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的電路進(jìn)行控制，分別作用于水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、材料擠出機(jī)構(gòu)，控制其輸出的速度，讓高溫噴頭將原材料融化后精確的打印在水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的載物臺(tái)上，形成最終的實(shí)體模型。1.3垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為連接懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橋梁，雖然結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但是依舊是不可或缺的一環(huán)。Z軸打印行程為Z=120mm，理論精度為0.005mm。Z軸上驅(qū)動(dòng)電機(jī)為42步進(jìn)電機(jī)，考慮到應(yīng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下位移

8、，因此步進(jìn)電機(jī)與絲杠的銜接處裝設(shè)了一個(gè)聯(lián)軸器，該零件可以起到承上啟下的作用有著承載能力大、效率高、拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)。絲杠通過(guò)連接X軸上X軸底座內(nèi)部的T8法蘭螺母帶動(dòng)Z平面移動(dòng)。 2步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選取及計(jì)算 在打印機(jī)的初步設(shè)計(jì)中，考慮到打印機(jī)整體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了一系列的計(jì)算來(lái)最終確定了作為驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。作為混合式步進(jìn)電機(jī)，它結(jié)合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，選用步進(jìn)角為1.8的兩相步進(jìn)電機(jī)。從垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)入手，采用滾軸絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)的懸臂，使其實(shí)現(xiàn)垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1.3垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為連接懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橋梁，雖然結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但是依舊

9、是不可或缺的一環(huán)。Z軸打印行程為Z=120mm，理論精度為0.005mm。Z軸上驅(qū)動(dòng)電機(jī)為42步進(jìn)電機(jī)，考慮到應(yīng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下位移，因此步進(jìn)電機(jī)與絲杠的銜接處裝設(shè)了一個(gè)聯(lián)軸器，該零件可以起到承上啟下的作用有著承載能力大、效率高、拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)。絲杠通過(guò)連接X軸上X軸底座內(nèi)部的T8法蘭螺母帶動(dòng)Z平面移動(dòng)。 3材料選擇 對(duì)于科技產(chǎn)品而言，金屬是不可缺少的一種材料，在傳統(tǒng)的制造業(yè)當(dāng)中，金屬材料在生產(chǎn)過(guò)程中所需時(shí)間周期較長(zhǎng)，且造成的廢棄材料再經(jīng)回爐重造后也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成本。在某些非必要的條件下，這些利用金屬材料產(chǎn)生的零件也可用另一種材料來(lái)進(jìn)行替代，若采用3D

10、打印這種快速成型技術(shù)則上述問(wèn)題可在實(shí)際中得到一定程度上的解決。針對(duì)本文中3D打印機(jī)的制作過(guò)程，由于連接件數(shù)量較多，形狀各異，在市場(chǎng)上幾乎很難見到，因此我們對(duì)這部分零件只能進(jìn)行“定制”。若要選用傳統(tǒng)的金屬制造業(yè)來(lái)制作這部分零件，則需要投入大量財(cái)力來(lái)進(jìn)行制作。在投入生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，不論是利用人力還是自動(dòng)化的流水線來(lái)用各種工藝的制作方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行制造，都需要考慮因不合格產(chǎn)品所造成利潤(rùn)的降低。而生產(chǎn)出來(lái)的零件只針對(duì)于這一種打印機(jī)來(lái)進(jìn)行使用，也體現(xiàn)出了生產(chǎn)的局限性。若使用打印金屬材料的3D打印機(jī)來(lái)進(jìn)行該部分零件的的制作，可除去不必要的人力和物力資源，但還是避免不了金屬材料造價(jià)的昂貴性。而對(duì)于面向初學(xué)者的桌

11、面級(jí)3D打印機(jī)來(lái)說(shuō)，在確保打印精度的前提下，可以適當(dāng)減輕該打印機(jī)的重量，那么我們就可以從上述討論的金屬連接件著手來(lái)進(jìn)行考慮。RepRap打印機(jī)最常用的材料為的PLA材料，它是一種綠色高分子材料，由PLA材料打印出來(lái)的部件平均單拉強(qiáng)度為56.6MPa，平均彈性模量值為3368MPa，從而表明RepRap打印機(jī)的部件可以得到相當(dāng)水平的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。而且由PLA打印出產(chǎn)品的手感、光澤度以及耐熱性都很好，還具有一定的耐菌性和阻燃性，質(zhì)量與金屬相比更為輕便，價(jià)格也在承受范圍內(nèi)。該3D打印機(jī)的打印材料在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮利用PLA材料，可使打印機(jī)在某些連接件磨損后由自身打印出另外一個(gè)一模一樣的零件來(lái)進(jìn)行更換，也可以復(fù)制出另一套自己的零件。節(jié)約了大量的人力物力財(cái)力。 結(jié)束語(yǔ)： 最后，該打印機(jī)部分結(jié)構(gòu)件由3D打印制作而成，因此可以每個(gè)人都可以動(dòng)手去設(shè)計(jì)這部分零件并自行更換，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸較為方便，更有利于面向于初學(xué)者進(jìn)行教學(xué)演示，極大的提高了人們的創(chuàng)新思維能力與動(dòng)手能力。