一種五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姜汝意 李同洲 陳星一 周洋

摘要：三軸3D打印機(jī)打印過程中的支撐會(huì)對打印質(zhì)量造成很多影響，例如，支撐難以去除、表面質(zhì)量不佳、打印時(shí)間長、材料利用率低等問題。為此，我們在三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理基礎(chǔ)上結(jié)合自動(dòng)焊變位機(jī)[1]工作原理，在原有三軸打印機(jī)的基礎(chǔ)上增加A軸（翻轉(zhuǎn)軸）及B軸（旋轉(zhuǎn)軸）設(shè)計(jì)出五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)。可以達(dá)到無支撐打印，提高打印速度，減少材料浪費(fèi)的目的，為3D打印的高效化生產(chǎn)提供了新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng);無支撐打印;3D打印;變位機(jī)構(gòu)

0 ?引言

3D打印（3Dprinting）被認(rèn)為是“一項(xiàng)將要改變世界的技術(shù)”，第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志。由于其在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、高深寬比結(jié)構(gòu)和復(fù)合（多材料）材料結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的潛能和突出優(yōu)勢，而且還具有設(shè)備簡單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩模或模具、直接成形的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過三十多年的發(fā)展已經(jīng)形成了FDM、SLS、SLA等形式3D打印機(jī)[2]。但是目前幾乎所有3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式均為X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)，此三軸3D打印機(jī)的打印質(zhì)量受打印過程中支撐結(jié)構(gòu)的影響，存在支撐結(jié)構(gòu)難以去除、產(chǎn)品表面質(zhì)量不佳、打印時(shí)間長、材料利用率低，容錯(cuò)率低等問題，制約3D打印技術(shù)的發(fā)展。

本文針對上述問題，提出了基于三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理方式的五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)。即在X軸、Y軸、Z軸的基礎(chǔ)上新增了A軸（翻轉(zhuǎn)軸）及B軸（旋轉(zhuǎn)軸），使得被加工工件可在做三維運(yùn)動(dòng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)繞軸旋轉(zhuǎn)和不同工作面的轉(zhuǎn)換，滿足了在不同位向的加工面上打印的需求，實(shí)現(xiàn)無支撐打印。

1 ?工作原理

1.1 三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

三軸3D打印機(jī)是以空間直角坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，通過三個(gè)方向絲杠配以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，構(gòu)建起X、Y、Z三個(gè)互相垂直的運(yùn)動(dòng)方向，分別將噴頭、打印平臺(tái)等放置在不同的軸上以完成打印。如圖1所示，打印平臺(tái)固定在X軸上，在X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿X軸方向運(yùn)動(dòng);打印噴頭與Y軸固定，Y軸再與Z軸固定，在Y、Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)下打印噴頭可以完成Y—Z平面的二維運(yùn)動(dòng)，輔以打印平臺(tái)的X軸向運(yùn)動(dòng)即可完成打印工作。

1.2 五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

本文所述的五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)是在三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理基礎(chǔ)上結(jié)合自動(dòng)焊變位機(jī)工作原理設(shè)計(jì)而成，變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以作為五軸3D打印機(jī)A軸（翻轉(zhuǎn)軸）和B軸（旋轉(zhuǎn)軸）的基礎(chǔ)。

本文所述五軸3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理就是將三軸3D打印機(jī)的X軸、Y軸、Z軸與變位機(jī)的A軸、B軸聯(lián)動(dòng)。當(dāng)待打印制件中存在懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，利用A軸和B軸的翻轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)功能可以使打印平臺(tái)偏轉(zhuǎn)到適合噴頭打印的角度，從而省去支撐。例如待打印工件為一空心圓柱且有上下底面，在X軸、Y軸、Z軸配合運(yùn)動(dòng)下可完成除上底面外其余部件的打印，此后打印平臺(tái)可在A軸和B軸的帶動(dòng)下翻轉(zhuǎn)一定角度，使得上底面材料的堆積方向由X軸方向或Y軸方向轉(zhuǎn)變?yōu)閆軸方向，即可實(shí)現(xiàn)空心圓柱上底面的無支撐打印。

2 ?五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)變位（A、B軸）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于打印物體如何實(shí)現(xiàn)自身的旋轉(zhuǎn)與傾斜，為此本文結(jié)合了焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)原理。A軸（翻轉(zhuǎn)軸）可帶動(dòng)打印平臺(tái)在X軸方向兩側(cè)來回?cái)[動(dòng)，B軸（旋轉(zhuǎn)軸）可帶動(dòng)打印平臺(tái)繞打印平臺(tái)的法線方向旋轉(zhuǎn)。故設(shè)計(jì)打印平臺(tái)置于B軸上，由B軸帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。B軸所在旋轉(zhuǎn)臺(tái)置于A軸擺動(dòng)臺(tái)之上，由A軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)及其上面的打印平臺(tái)完成擺動(dòng)動(dòng)作，如圖2所示。

A軸采用步進(jìn)電機(jī)配合齒輪傳動(dòng)的形式。擺動(dòng)平臺(tái)由Y軸上的U形支撐座支撐，支撐座兩側(cè)側(cè)板裝有軸承座與擺動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)主軸配合，使擺動(dòng)平臺(tái)可自由繞擺動(dòng)平臺(tái)主軸旋轉(zhuǎn)。擺動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力源于U形支撐座支撐兩側(cè)對稱的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪與半圓形齒輪嚙合，半圓形齒輪與擺動(dòng)平臺(tái)固定在一起，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角的控制擺動(dòng)角度。

B軸采用步進(jìn)電機(jī)配合蝸桿的傳動(dòng)形式。由步進(jìn)電機(jī)控制蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的行程，渦輪與打印平臺(tái)相配合，帶動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)。

2.2 五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述的五軸3D打印機(jī)秉承模塊化設(shè)計(jì)理念，總體結(jié)構(gòu)可以分為五個(gè)模塊，分別是X軸模塊、Y軸模塊、Z軸模塊、A（翻轉(zhuǎn)）軸模塊、B（旋轉(zhuǎn)）軸模塊。

X軸模塊負(fù)責(zé)左右方向移動(dòng)，由滑動(dòng)平臺(tái)、擠出頭、步進(jìn)電機(jī)、散熱片、風(fēng)扇、加熱頭等部件組成;Y軸負(fù)責(zé)前后方向移動(dòng)，采用精密鏈條、鏈輪、步進(jìn)電機(jī)、線性滑軌等組成;Z軸帶動(dòng)X軸上下的移動(dòng)，由滾珠絲杠、光杠、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成;A軸負(fù)責(zé)X軸方向左右兩側(cè)的擺動(dòng)，主要由步進(jìn)電機(jī)、翻轉(zhuǎn)臺(tái)以及兩組傳動(dòng)比為3：10的精密齒輪組成，通過控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而控制工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn);B軸負(fù)責(zé)繞打印平臺(tái)法線方向旋轉(zhuǎn)，由步進(jìn)電機(jī)、渦輪蝸桿傳機(jī)構(gòu)、打印平臺(tái)等部件構(gòu)成。

3 ?結(jié)語

本文闡述了一種基于三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)原理和自動(dòng)焊變位機(jī)工作原理的五軸聯(lián)動(dòng)式3D打印的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過X軸、Y軸、Z軸與A軸、B軸聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)懸空部件的無支撐打印，具有打印質(zhì)量高、打印速度快、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，為3D打印機(jī)的高效打印提供了新的發(fā)展思路。

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