桌面級3D打印機送絲機構設計

宋愛利+王海艷++龐敏+王福龍

摘 要：3D打印技術在我國已發展數十年，桌面級3D打印機逐漸普及。該文針對FDM技術桌面級3D打印機存在送絲裝置摩擦力大、不穩定等問題，對內、外送絲機構分別進行研究設計，外部送絲機構采用曲柄滑塊和外伸梁結構，對支撐架進行有限元分析與優化設計，內部送絲機構增加輔助微調裝置，從而改善整個送絲機構使用性能，降低送絲阻力，確保噴嘴穩定噴料，提高打印質量。

關鍵詞：3D打印技術 送絲結構 有限元分析

中圖分類號：TP33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0111-03

基于FDM技術的3D打印機，是將ABS、PLA等絲材加熱至熔融態，按設定好的路徑擠出并逐層堆積成實體。原材料從初始固態經過擠出變成半液態融料，送絲方式對半液態原材料的擠出力影響很大，送絲阻力是影響噴嘴出絲不穩定的主要原因。通過對內外送絲機構進行改進設計，解決送絲裝置摩擦力大、原材料供應不穩定問題。

1 外部送絲機構設計

1.1 設計方案

目前桌面級3D打印機絲盤主要有0.5kg、1.0kg等規格，不同重量的絲盤內徑尺寸不一致性，設計出適應不同內徑且可調節的外部送絲機構，盡可能減少送絲摩擦阻力，設置主軸支撐結構、結合軸承自潤滑，避免因絲料不足引起噴嘴斷絲、產品缺陷。根據實驗數據分析選用曲柄滑塊結構設計方案，見圖1。

1.2 具體結構設計

1.2.1 支撐軸的設計

支撐軸是外部送絲機構的關鍵結構之一，是主要受力部件。材料選擇普通碳鋼Q200，由于其不與電動機直接連接，扭矩較小，在設計中應綜合考慮其自重，按照擠壓計算。

初選軸徑7mm、擠壓力50N，計算得出擠壓應力=Pa。材料許用應力為=200×106Pa>滿足要求，由于軸上有一處鍵槽，將計算值加大3%，取8mm。

外部送絲不會出現高速轉動，可承受純軸向力，選用深溝球軸承，為使所選軸徑與軸承內孔徑相適應，選取軸承型號為6022，相關參數為d，B。軸各段直徑與長度，根據所選軸承，與軸配合部位的直徑為10mm，軸承寬度B，為了定位精準，軸承位的長度應比B略短一些，取8mm。

由于考慮軸承軸向定位，應該設計軸肩滿足要求；軸承端蓋的總寬度為12mm，同時為了方便裝卸與潤滑，令軸一端面距其為20mm。

1.2.2 支撐架的設計

支撐結構設計為外伸梁式，此結構簡單且適用性廣。根據原材料絲盤外徑尺寸最大為200mm、最寬尺寸為66mm，設計支撐架具體尺寸，見圖2。

由于配合軸承，上部中心孔寬度設計為17mm、直徑為30mm，底部尺寸設計為95mm×120mm×15mm，上部圓周直徑為50mm。支撐架初始高度尺寸設計為155mm，余量較大，足夠不同規格絲盤進行更換，可調直徑范圍為22.28～83.88mm，支撐最大、最小尺寸見圖3、圖4。

1.2.3 支撐架的分析與優化

在進行有限元分析時，將導入的三維模型對象離散化，使其成為有限個微小點，減小計算難度，簡化解算過程。分析模型的離散化，是基于力學特性進行的，需提前定義部件材質，故外部送絲支撐架選用材料為灰鑄鐵。

外部支撐各零部件質量為1.5kg，雖然目前較多使用的原材料質量為2kg，但也有少數情況會使用5kg的原材料，材料質量初步設置為6.5kg，從受力角度分析，該零部件主要受法向垂直力65N。首先設置網格細節，將其全部網格化，結果為：節總數649225，單元總數410048。運行迭代計算，根據應力、應變等云圖分布分析，整體網格化不能滿足分析要求，并且存在應力奇異區域。

經進一步設置網格參數細化網格區域，對出現應力奇異點的區域進行細分，設置網格參數細化單元大小為2，比率為1.1，基本單元為5，自由過渡生成網格。

將圓角半徑尺寸更改為5mm、在拐角處增加一個半徑為10mm的圓角，然后進行迭代計算，運行結果應力、位移云圖見圖5、圖6。

分析應力云圖最大應力為1.962MPa，遠遠小于材料的許用應力200MPa，零部件應力分布離散，沒有應力奇異點堆積現象。分析位移分布云圖最大位移量為0.0232mm，不屬于宏觀變量。

綜上，外部送絲支撐架在正常工作時，能夠承載不同原材料的載荷，不會因為原材料重量的問題而發生重大變形或應力破壞，設計尺寸和原材料滿足正常使用的要求。

2 內部送絲機構設計

內部送絲機構是加熱擠出裝置的主要結構，采用步進電機驅動送絲輪轉動，通過送絲齒輪上齒牙推送固態原材料，與從動輪配合將絲材送至送絲管內，進入加熱裝置。擠出方式有活塞式、滑片泵式、柱塞泵式3種，綜合考慮裝置性能和設計復雜性，采用活塞式擠出裝置，該設計控制精度要求低，整體質量小，加工難度小，加工成本低，開發周期短。改進后的加熱擠出裝置見圖7。

在現有擠出加熱裝置內部送絲機構基礎上增加了輔助微調功能，通過彈簧調節輔助送絲輪、主動送絲齒輪與原材料模型之間的距離，提高主動送絲齒輪與原材料模型的有效接觸，有效解決了絲料進絲無力或者脫絲現象。

電機為擠出加熱裝置提供動力，根據三維模型質量評估，X、Y、Z三軸承重與原材料重量均不超過2kg，且Z軸最大為2kg。綜合考慮選擇電機型號為42HS4013A4，即為雙相42步進電機。

3 結語

本文在充分了解現有原材料重量、絲盤尺寸的基礎上，對外部送絲結構采用曲柄滑塊結構，實現了不同孔徑絲盤自緊配合使用，減小了抽絲阻力，有效避免了原材料供應不連續問題。同時，對內部送絲結構也進行了改進，設置輔助輪微調結構，提高送絲輪與絲材的擠壓力，避免送絲輪磨損造成的壓力減小。希望能引出其他設計者更廣闊的設計思路共同推動3D打印技術的發展。

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