構架型3D打印機創新設計

孫正陽q

摘要：本文針對用3D打印機無法滿足較大且不可移動對象的修復問題，設計了構架型3D打印機。打印機主體分為上下兩部分結構，上部為打印部件，其中X、Y軸用雙同步帶來保證往返傳動，Z軸采用電動推桿，能有效的完成在原有對象上進行修復工作。下部采用了吸盤固定支撐，連桿傳動，實現上部機械裝置的升降和橫移。本機能夠快速安裝到設施上并進行3D打印快速修復功能。

關鍵詞：3D打印;快速成型技術;支架;修復

0? 引言

3D打印技術是一種典型的快速成型制造技術，在物品修復方面具備較大優勢。如民航飛機上的在翼維修，比單獨打印制作的效率提高很多，減少故障飛機的停飛時間，直接在打印對象上進行噴漆、圖案設計等工作[1-2]。在生物體修復方面，已經取得大量的應用[3-4]。在文物修復方面，可以識別不完整部分的原始形狀，并將形狀擴展到缺失部分，這種可進行修復工作的3D打印機具有很大的實用意義[5-6]。本文針對大型不可移動文物等設施，設計了一種能夠快速安裝到設施上并進行修復打印的3D打印機。

1? 打印機整機設計

該3D打印機是一款能夠拆卸移動并且能夠進行修復的3D打印機，其整機三維模型如圖1所示，主體分為上下兩部分結構，上半部分為打印部件，分為X、Y、Z軸運動機構、材料擠出機構、送絲機構、噴頭機構、散熱機構、傳動機構、緊固機構等。下半部分為可移動支架，實現打印部件移動功能。使用時，僅需將快速安裝機構通過螺紋等連接方式穩定的和需3D打印的原工件待加工部位連接，再把其他模塊化部件安裝到快速安裝機構上，清理工作區，該設備便可正常使用。此種結構整體可實現修復的特定功能，穩定性高，靈活性好，適應性強。

2? 打印部件設計

2.1 Z軸設計

如圖2所示的Z軸采用了電動推桿，能有效的完成在原有對象上進行修復工作，并設計了緊固件保持Z軸平穩，噴頭設計散熱片和渦輪風扇來進行材料的噴涂。其傳動原理是電機驅動小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合實現減速，大齒輪帶動絲杠，絲杠上利用螺母副將轉動量變為固定在絲杠上噴頭的直線位移量。

2.2 同步帶及同步輪的選用

打印機采用弧齒同步完成了X、Y軸的傳輸。選用傳動比為1：1圓弧齒形帶作為XY軸的傳動，選用步進電機提供動力，將電機軸的轉動轉化為帶輪上的直線運動，其傳動效率可達到98%，并且對工作條件要求低。

2.3 噴頭的設計

打印機噴頭（圖3）是3D打印機中決定成型工件打印精度的關鍵部件，按照設計要求，線材直徑為1.75mm，喉管連接著噴嘴，是輸送線材的管道，但喉管的直徑是大于線材直徑1.75mm，中間存在間隙，加熱后成為熔融態的線材不僅會從噴嘴中擠出，還會進入間隙堵住打印噴頭，故為了打印過程順暢，必須要把噴頭的溫度控制在一個范圍內，喉管散熱（圖4）溫度保持在能使倒流的熔融態耗材凝固的低溫，對喉管散熱的措施主要是散熱環和散熱風扇，散熱環有大的散熱面積，有效降溫，減少倒流。黃銅噴嘴材料：黃銅，尺寸：13mm×7mm，精度0.4mm，螺紋外徑6mm，內徑2mm，外螺紋連接。

2.4 擠出機設計

擠出機結構（圖5）中，絲料通過送絲孔進入嵌入V型軸承中，由步進電機驅動的送絲輪推入噴頭，進入喉管，再由加熱塊加熱至熔融態，過程中還需要溫度傳感器監測溫度，從噴嘴中擠出打印工件。擠出機電機選擇17HS-6022型步進電機。

2.5 行程控制

行程控制用到的是機械限位開關，機械限位開關就是將彈簧片的變形量轉換成電信號發送給微型處理器，再發給主控電路板停止電機轉動，從而達到行程控制的要求。綜合以上要求，X、Y、Z軸各有兩個限位開關，總共需要6個。

3? 可移動支架設計

根據設計要求，確定了這種支架形式（圖1）。對于支架，運用了軟件ANSYS進行有限元分析。

首先，分析了支架連接件，材料為QT400-15，彈性模量為1.62×1011，泊松比為0.3，其三維模型如圖6（a）所示，受力如圖6（b）所示，根據受力，分析了不同應變的等效云圖，探究了不同隨機變量對支架可靠性的影響，對實體模型進行了網格劃分（圖6（c）），選定材料之后，判斷出支架連接部位的危險系數最高，所以對這個部位進行應變分析，分析結果如圖6（d）和圖6（e）所示，最后對整個部件做了應變分析（圖6（f）），根據仿真數值可知，該部件的承載能力足夠。

其次，在相同的參數下對支架座進行了相同的有限元分析，可知，材料選擇正確，滿足承載要求。通過整體分析可知，打印機支架設計合理，滿足設計要求。

4? 結論

本文利用SoildWorks軟件對3D打印機三維模型進行搭建，在傳統3D打印機的基礎上進行了改進，采用弧齒同步帶完成了X、Y軸的傳輸，使其在結構上更加合理，適用范圍更加廣泛;使用噴頭喉管散熱結構，保證噴頭送絲的準確性和穩定性;更改了傳統3D打印機升降平臺通過絲杠傳動，將Z軸的傳動方式改為直線電機帶動電推桿，將平臺的升降變為Z軸本身的運動，Z軸考慮精度問題，并設計了緊固件保持Z軸平穩，保證打印的精確性。

參考文獻：

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[3]劉春煦，高靜，趙雨薇，等.一種3D打印定深孔導板引導的精準牙體預備技術[J].華西口腔醫學雜志，2020，38（03）：354-359.

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[5]劉杰，孫令真，李映.3D打印技術在文物保護方面的應用[J].科技風，2019（06）：86-87.

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