兩種五軸3D打印機模型研究

李同洲 姜汝意 周洋 陳星一

摘 要：針對目前3D打印技術由三軸向五軸發展的新趨勢，本文就五軸3D打印機的實現形式進行了研究，依據A軸和B軸的位置關系，提出了雙擺式、旋擺式兩種五軸3D打印機模型。同時，針對這兩種模型，從運動、精度、適用范圍三個角度進行比較分析，綜合各個因素明確了兩種方案的適用情景，為五軸3D打印技術實現提供更加清晰的發展方向。

關鍵詞：機構比較分析;五軸聯動;3D打印機

Abstract： Aiming at the new trend of the development of 3D printing technology from three axis to five axis， this paper studied the realization form of the five axis 3D printer， and proposed two five-axis 3D printer models of double pendulum and rotary pendulum according to the positional relationship between A-axis and B-axis. At the same time， for these two models， comparative analysis was carried out from the three perspectives of motion， accuracy， and scope of application， and the application scenarios of the two schemes are clarified by integrating various factors， which provides a clearer development direction for the realization of five-axis 3D printing technology.

Keywords： mechanism comparative analysis;five axis linkage;3D printer

當前，市場上的3D打印機多采用三軸打印技術。顧名思義，其通過三個軸的配合在空間中實現三維模型的構建。三軸打印機雖然具有構造簡單、操作方便的優點，但是在生產中還存在一些短板，如存在大量支撐、打印效率低、材料利用率低等，從而限制了3D打印技術的發展。五軸打印機即在原有的三軸基礎上增加了A軸和B軸，使得打印過程中，待打印工件可沿某一方向擺動和繞打印平臺中心旋轉，以此來改變打印面的位向。2014年，英國一家3D打印設備制造商推出一款名為5AxisMaker的五軸加工平臺。2015年2月，德國一家制造企業把3D打印機與五軸數控機床相結合，將五軸與3D打印設備相結合的設計理念再度加強。2016年5月，日本造出該國首臺5軸混合制造3D打印機，此后，日本工業巨頭三菱也宣布著手研發五軸3D打印技術。

本文針對五軸打印機的機械結構提出了兩種方案，依據旋轉軸與翻轉軸[1]的位置關系，將五軸3D打印機分為雙擺式和旋擺式。同時，針對這兩種方案，分別從運動、精度及適用范圍三個方面進行簡要分析。

1 機械結構

五軸3D打印機就是在常見的三軸3D打印機的基礎上增加A軸和B軸，從而改變待打印件與噴頭的角度。A軸和B軸的相對位置以及運動方式影響著打印機的穩定性和精度，以至于兩種方案的適用范圍不盡相同。

1.1 雙擺式五軸3D打印機

如圖1所示，雙擺式五軸3D打印機主要由X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸組成，其中，A軸和B軸都是擺動軸。通過新增的兩個擺動軸能夠較好地改變噴頭和打印面的角度，提高打印質量。

X軸、Y軸主要由步進電機、傳動軸、導軌組成，在其作用下打印平臺可沿X軸或Y軸方向做水平運動。Z軸由傳動軸和步進電機組成，與噴頭相連，帶動噴頭在Z軸方向豎直運動。A軸主要由蝸輪蝸桿機構、步進電機和噴頭組成，噴頭通過連接塊與蝸輪蝸桿機構連接，連接塊與蝸輪嚙合，在蝸輪的作用下，帶動噴頭在X軸兩側擺動。B軸由步進電機、蝸輪蝸桿和擺動臺組成。擺動臺與蝸輪固定連接，在蝸輪帶動下與Y軸、X軸和打印平臺在Y軸傳動軸兩側同步擺動。

1.2 旋擺式五軸3D打印機

如圖2所示，旋擺式五軸打印機同樣由X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸組成，與雙擺式五軸3D打印機不同的是，A軸為擺動軸，B軸為旋轉軸。

X軸、Y軸和Z軸主要由步進電機和轉動軸組成。Z軸帶動X軸在垂直方向運動，X軸帶動噴頭在X軸方向運動，Y軸帶動A軸和B軸在Y軸方向移動。A軸（擺動軸）由步進電機、行星齒輪、擺動平臺和雙側人字架組成，置于Y軸之上。雙側人字架在頂端內置步進電機，擺動平臺兩側焊接行星齒輪組（見圖3）的齒圈，步進電機帶動主動輪轉動，齒圈在主動輪和從動輪的共同作用下帶動擺動平臺繞X軸兩側擺動。B軸（旋轉軸）由旋轉臺與步進電機組成，置于A軸之上。旋轉臺在步進電機的驅動下繞其中心軸旋轉。

2 兩種方案分析

2.1 運動分析

對于雙擺式五軸打印機來說，由于A軸和B軸分離，A軸位于Z軸上，B軸在X、Y軸下面，重量分配在不同部分，使得A、B軸啟停時慣性小、穩定性較高、響應速度快。同時，雙擺式結構采用兩個翻轉軸的方式，較旋擺結構，可以在兩個方向上擺動，能夠更好更穩定地調整噴頭與打印平面的角度，對打印質量有較大的提升。

旋擺式五軸打印機B軸（旋轉軸）位于A軸（擺動軸）上，B軸重量分布在A軸上，使得A軸啟停慣性大，穩定性較差，但在旋轉平臺翻轉平臺的配合下，待打印工件的方向切換快，打印效率較高。

2.2 精度分析

雙擺式五軸打印機將A軸與噴頭結合，齒輪及噴頭架增加噴頭的重量。在大角度擺動時，噴頭重心會發生改變，電機所需的驅動力增大，發生悶車概率高、噴頭轉動精度下降。B軸整體結構較輕，質量分布均勻，即使發生大角度轉動，對精度的影響也很小。

旋擺式五軸打印機噴頭始終保持垂直狀態，無須完成擺動動作，噴頭精度高。但是B軸和A軸一體，整體結構較大，重量較重，對步進電機的要求較高，同時，較大重量的A軸和B軸會引起齒輪組加速磨損，從而影響打印精度。

2.3 適用范圍分析

雙擺式五軸3D打印機結構簡單，各個模塊之間連接緊湊，使得打印空間的利用率較高。但是，X軸、Y軸都采用導軌承重，這就限制了待打印工件的重量，為保證打印精度，其目前僅適合打印輕型制件。其噴頭比較靈活，有利于不規則部件細微處打印，適合結構精密的打印件。因此，雙擺式五軸打印機在打印結構精細的輕型打印件方面更有優勢，它是桌面級[2]五軸打印機的代表形式。

旋擺式五軸打印機的A軸、B軸部分所占空間較大，導致打印空間減小，其中對Z軸方向的影響較大，限制了待打印工件的寬高比。但A軸、B軸由Y軸的雙傳動軸帶動，人字架下可增加承重導軌或滾輪，承重能力較高，適合于重型打印件，由于噴頭靈活差，所以在細微結構處力有未逮，旋擺式五軸打印機在寬高比較大且細微結構少的大型打印件方面更有優勢。

3 結論

本文對五軸3D打印機的實現模型進行了研究，依據A軸與B軸的位置關系進行了分類，從運動、精度和適用范圍三個方面進行了分析。雙擺式五軸打印機適合打印結構精細的輕型打印件，而旋擺式五軸打印機更適合打印寬高比較大且細微結構少的大型打印件。

參考文獻：

[1]成果，榮佳誠.一種五軸3D打印機的設計與研究[J].福建電腦，2018（2）：142-143.

[2]黃翔，湯鼎，武澤孟，等.桌面級五軸+3D打印一體機設計[J].電子測試，2019（10）：114-115.