熔融沉積3D打印機機械結構的設計

宗蒙

(榆林康耐雅新材料技術有限公司,陜西 榆林 718100)

日常辦公生活中，我們所使用的打印機可對預先設計的平面形式的物體予以打印成型。而3D打印機和普通打印機之間的工作方式相同，但其打印所選用的耗材不同。普通打印機耗材為墨水以及紙張，3D打印機配有不同的耗材：塑料、陶瓷、砂子以及金屬等。計算機和打印機相連接后，通過計算機控制實現打印耗材按照預先設計的立體結構層層囤積和疊加形成三維立體的實物。通俗而言，其可以打印三維實體的玩具車、模型、機器人，甚至是食物立體造型。因其與普通打印機噴墨打印技術原理相近，所以稱作立體3D打印技術[1]。

3D打印技術迅猛發展，使其使用要求也愈來愈高，現在采用3D打印技術加工功能性材料已集成為一個新課題，尤其是新型耗材：特種工程塑料以及柔性材料是當前主流。本文所設計的熔融沉積3D高溫打印機，可用于特種工程塑料以及柔性材料的加工。本文對3D打印機的械結構中z方向移動系統以及x-y掃描系統兩個主要部分，利用分塊理念予以設計。

（1）x-y掃描系統

x-y高精度工作臺構成了掃描系統核心部分，其驅動光纖以及聚焦鏡掃描工件的二維模型。在x-y平面內，滾珠絲杠受到步進電機的驅動帶動掃描頭開始運動，其掃描范疇為400 mm×400 mm，且定位精度是0.005 mm。為了提高機頭的響應敏感度，設計中采用鋁質機頭以降低其質量，且確保電動機的轉矩較高。

步進電機、直線導軌、聚焦透鏡、x-y掃描頭、計算機等構成了掃描系統。混合步進電機具有工作噪聲小、無電力自鎖、低頻性、轉矩大、小體積等特性，所以本設計中x、y、z方向均選擇混合式步進機。為了減輕x方向所負載的重量，則連接板和電機均選用鋁質材料。

（2）z軸升降系統

升降系統主要功能是支撐工件以及沿z軸方向運動，同時驅動噴頭在z軸方向上下移動。在工件加工中固化一層，噴頭會上升一層高度，實現零件加工的準確疊加，并使加工過程的定位精度[2]。成型工件的表面平整度以及尺寸精度都會受到定位精度的影響，其中每層間的粘結也受到定位精度的影響[3]。本設計中擬采用步進電機驅動、精密滾珠絲杠傳動和精密導軌導向。驅動電機采用混合式步進電機，配合細分驅動電路，直接連接滾珠絲杠來實現高分辨率驅動，消除中間齒輪傳動，既減少了尺寸和減少傳輸誤差。工件成型過程中，z軸頻繁的作上下運動，為減小運動中所形成的誤差，同時為拿去成型工件的便宜性，所以要確保加熱板大小適中，且使其表面呈現光滑狀態。

本文的3D打印機設計參數擬定為噴頭最大運行速度：80 mm/s；最大成型件重量：約為10 kg；z向定位精度：0.01 mm；加熱板、絲杠以及直線導軌軸等的總重量：約10 kg；噴頭定位精度：0.005 mm；成型空間：400 mm×400 mm×300 mm。

1 傳動部分的設計

機械部分的設計主要包括機械結構傳動裝置和熔融沉積3D打印機的整體布局設計。設計熔融沉積3D打印機的整體部分和其它的設計。主要用于單件小批量零件和功能模型的快速成型制造。

1.1 機械結構傳動裝置設計

3D打印機的傳動裝置是整個體系的核心部件。因而，對于傳動裝置設計的優劣直接影響著整個機械結構的成敗。本次的設計從電機到執行部分采取幾種解決方案：齒輪傳動、普通V帶、同步帶傳動、鏈傳動、絲杠螺母副等。下面將上述幾個傳輸方案比較。

齒輪傳動的承載能力和速度范圍比較大，傳動比恒定，外輪廓尺寸小，運行可靠，效率高，壽命長，制造安裝精度要求高，噪音大，成本較高[4]。齒輪齒條傳動通常用于行程較大的機床，可以得很大的傳動比，容易得到高速直線運動，剛度和機械效率高，傳輸不夠平穩，傳輸精度不高[5]。

普通三角皮帶傳動的承載能力小，傳遞相同的轉矩時結構尺寸比其他形式大，但穩定，可以緩沖振動、噪音低、良好的經濟性能[6,7]。

同步帶傳動確保準確的同步帶傳動比，傳動的優點是速度范圍廣，傳動比大，效率高(高達98%)，預緊力小，軸和軸承負荷小，單位長度質量很小，因此它允許線速度高，但制造和安裝精度較高，必須按要求嚴格中心距[8]。

鏈傳動屬于有中間撓性件嚙合傳動。只能用兩個平行軸方向進行回轉和傳動，不能保證恒定的瞬時傳動比；磨損后容易發生跳齒；工作時有噪音；不應該在負載變化大和快速反向傳動中應用[9,10]。

絲杠螺母副傳動，滾珠絲桿螺母副是滾動摩擦，摩擦損失小，傳動效率高，可達到0.90～0.96，絲杠和螺母預緊后，可以完全消除兩者之間的間隙，提高傳動剛度，摩擦阻力小，幾乎與速度無關。能保證平穩的運動，不容易在低速中爬行；不能自鎖，可逆性強[11]。

綜合比較上述幾種方案，最終選擇同步帶傳動方式來連接絲杠和步進電機。

按照質量要求、形狀要求、傳動關系以及加工尺寸等技術參數，同時結合時間、位移、加速度等完成對熔融沉積3 D打印機總體布局設，最后得到一個可以滿足設計要求同時滿足各部分之間的相對位置關系。主框架的機械結構：鋁合金框架，噴頭、x-y方向的傳動裝置(螺絲、導軌)和輔助裝置。

1.2 步進電機的選擇

1.2.1 步進電機的簡介

電極、步進控制器以及功率放大器構成了步進電機控制系統[12]。控制邏輯、緩沖器以及環形分配器等操控著步進控制器。功率放大器主要對控制環形脈沖予以放大效果，同時使步進電機驅動旋轉。其控制系統見圖1。

圖1 步進電機的控制系統

CPU、單片機產生的脈沖信號，一般脈沖信號的占空比約為0.3～0.4。電機轉速愈高，其工作周期就愈大。

對步進電機控制系統的設計中，其重要一點即為使其所產生的脈沖序列具有周期性，見圖2。由圖2可以觀察到，電源開關、脈沖高度以及使用周期被用以表述脈沖。數字元件的電平決定了脈沖高度，如普通TTL 電平為0～5 V，COMS電平為0～10 V等。常用的接口電路，可用0～5 V打開和關閉電源的辦法來控制[13]。相應的數據為例，當步進電機數字線送高電平(連接)，步進電機開始一步一步的運動[14]。但是由于步進電機“一步”是需要一定的時間，所以在發送高脈沖應該延長一段時間，使步進電機在指定的位置[15]。所以說，步進電機雖是通過計算機控制的，還不如說是其脈沖波通過計算機所生成的，如圖2所示。

對于脈沖波的控制，采用軟件程序先輸出高電平，隨后滯后一點時間，再輸出低電平的時間延遲。此處，步進延遲時間的長短由電機頻率決定。

所謂的步進電機的方向控制，實際上是在一個特定的方式控制(根據需要選擇)中指定的順序發送脈沖序列，可以達到控制步進電機的目標方向。

圖2 脈沖信號的產生

1.2.2 功率放大

步進電機驅動系統內最核心的部件即為功率放大器。平均動態電流決定了步進電機的速度轉矩，但靜態電流對其卻無影響。步進電機的轉矩平均電流較大的情況下，則需要克服反電勢的平均電流就會較大。不同的使用條件下，可采用不同的驅動模式[16]。驅動模式主要由低高壓驅動、恒流細分數以及恒壓串聯電阻等形式構成。

當步進電機定型后，則驅動電源可決定其使用性能。若步進電機的運轉速度較大時，則需要較高的轉矩以及電動機電流與之配位，同時會造成驅動電壓較大現象。若步距角無法滿足步進電機的正常使用時，步進電機的驅動可采用細分驅動程序來完成，其驅動電源見圖3。

圖3 步進電機驅動電源

1.2.3 細分驅動器

當步距角無法達到步進電機的正常使用要求的狀況下，往往步進電機的驅動是采用細分驅動器得以實現。細分驅動器驅動原理為相鄰(A，B)電流大小的改變使合成磁場的夾角發生變化用于實現對步進電機運轉控制[17,18]。其細分驅動原理見圖4。

細分驅動器使用特性以及使用條件

圖4 細分驅動器的原理

LX19系列開關用于交流50 Hz或60 Hz，控制電路的電壓220～380 V的電路中，機械信號變成電信號，控制運動機構和轉換方向度用[19]。LX19系列開關采用雙斷點瞬動式結構，安置在一個金屬外殼構成的保護式。殼上裝有各種機械零件的方法。組成的單輪、雙旋轉動，沒有線性運動形式的行程開關，等等。

反應式、永磁式、混合式以及單相式等四種步進電機一般比較常見。永磁性步進電機的體積以及轉矩都較小，且其分為兩相構成，步進角可劃分為7.5°或15°兩種。反應式步進電機能夠大轉矩輸出，其由三相構成，步進角為1.5°，同時存在噪聲以及振動較大的缺陷。對于反應式步進電機，由軟磁材料制成了轉子磁路，而位于定子上的多相勵磁繞組，可因磁導改變而產生轉矩。

步進電機相關使用特性：

(1)步進電機的步進角精密最大誤差允許在3%～5%，但不不累積。

(2)步進電機使用過程中，外殼存在最高使用溫度限制。

步進電機溫度太高會使磁性材料退磁，所以電機外殼允許最高溫度應該取決于不同的退磁磁性材料。大部分磁性材料正常使用溫度在130 ℃以上，特殊的磁性材料在200 ℃以上使用也不會發生退磁現象。而本設計中步進電機的正常使用溫度在80～90 ℃間，所以一般的磁性材料完全滿足其使用條件。

1.3 絲杠的選型

（1）公稱直徑。即絲杠的外徑，常見規格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不過請注意，這些規格中，各廠家一般只備16～50的貨，也就是說，其他直徑大部分都是期貨。公稱直徑和負載基本成正比，直徑越大的負載越大，具體數值可以查閱廠家產品樣本。這里只說明兩個概念：動額定負荷與靜額定負荷，前者指運動狀態下的額定軸向負載，后者是指靜止狀態下的額定軸向負載。設計時參考前者即可。需要注意的是，額定負荷并非最大負荷，實際負荷與額定負荷的比值越小，絲杠的理論壽命越高[19]。推薦：直徑盡量選16～63。

（2）導程。也稱螺距，即螺桿每旋轉一周螺母直線運動的距離，常見導程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小導程現貨產品一般只有5、10，大導程一般有1616、2020、2525、3232、404 0(4位數前兩位指直徑，后兩位指導程)，其他規格多數廠家見單生產。導程與直線速度有關，在輸入轉速一定的情況下，導程越大速度越快。推薦：導程盡量選5和10[20]。

（3）長度。長度有兩個概念，一個是全長，另一個是螺紋長度。有些廠家只計算全長，但有些廠家需要提供螺紋長度。螺紋長度中也有兩個部分，一個是螺紋全長，一個是有效行程。前者是指螺紋部分的總長度，后者是指螺母直線移動的理論最大長度，螺紋長度=有效行程+螺母長度+設計裕量(如果需要安裝防護罩，還要考慮防護罩壓縮后的長度，一般按防護罩最大長度的1/8計算)。在設計繪圖時，絲杠的全長大致可以按照一下參數累加：絲杠全長=有效行程+螺母長度+設計余量+兩端支撐長度(軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量)+動力輸入連接長度（如果使用聯軸器則大致是聯軸器長度的一半+裕量）。特別需要注意的是，如果你的長度超長(大于3 m)或長徑比很大(大于70)，最好事先咨詢廠家銷售人員可否生產，總體的情況是，國內廠家常規品最大長度3 m，特殊品16 m，國外廠家常規品6 m，特殊品22 m。當然不是說國內廠家就不能生產更長的，只是定制品的價格比較離譜。推薦：長度盡量選6 m以下，超過的用齒輪齒條更劃算了[21]。

（4）螺母形式。各廠家的產品樣本上都會有很多種螺母形式，一般型號中的前幾個字母即表示螺母形式。按法蘭形式分大約有圓法蘭、單切邊法蘭、雙切邊法蘭和無法蘭幾種。按螺母長度分有單螺母和雙螺母。在安裝尺寸和性能允許的情況下，設計者在選用時應盡量選擇常規形式，以避免維護時備件的貨期問題。推薦：頻繁動作、高精度維持場合選雙螺母，其他場合選雙且邊單螺母[22]。推薦：螺母形式盡量選內循環雙切邊法蘭單螺母。

（5）精度。滾珠絲杠按GB分類有P類和T類，即傳動類和定位類，精度等級有1、2、3、4.....幾種，國外產品一般不分傳動還是定位，一律以C0～C10或具體數值表示，一般來說，通用機械或普通數控機械選C7(任意300行程內定位誤差±0.05)或以下，高精度數控機械選C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下，光學或檢測機械選C3以上。特別需要注意的是，精度和價格關聯性很大，并且，精度的概念是組合和維持，也就是說，螺桿的導程誤差不能說明整套絲杠的誤差，出廠精度合格不能說明額定使用壽命內都維持這個精度[23]。這是個可靠性的問題，與生產商的生產工藝有關。推薦：精度盡量選C7。

1.4 初選導軌型號

直線滾動導軌,根據最大動載荷C=613 N垂直，水平最大動載荷C=483.9 N。通過檢查(機電一體化系統設計手冊)表2.9-3.8，其參數長度：650 mm，最終確定使用直徑D=8 mm的導軌最合適。

圖5 精度C7號絲杠(d=8 mm）

圖6 d=8 mm號導軌

2 傳動部分總體設計的計算

2.1 絲杠的受力計算

目前，市場中滾珠絲杠副已完全標準化，故只要選擇的型號合適便可。設計中選取滾珠絲杠應注意粉料重力所造成的負荷，以及由摩擦所形成的阻力。同時，設計任務中指出其使用壽命為15 000 h，絲杠螺距為4 mm，且按照設計要求Z軸最大下降速度為0.048 m/min。

所以絲杠轉速n=1 000vmax/t=1 000×0.048/4=12 r/min。取絲杠轉速n=12 r/min，所 以L=60×12×15 000/106=10.8轉。

額定動載荷：設計其精度為3級，可靠性為90%。則由

其中可查出精度系數fa=1，可靠性系數fc=1，荷性質系數fw=1.2，且已知F=1 572 N，Lh=15 000，n=12 r/min。

上述數據代入公式后，可得Cam=4 169.7 N。取滾珠絲杠的直徑d0=6 mm，選用滾珠絲杠螺母副型號為3206-3，其額定負荷為6 766 N，足夠用。

2.2 導軌的選型及計算

2.2.1 導軌剛度檢驗

滾珠絲杠受工作負荷P引起的導程L0的變化量

其 中FN=1574，L=0.4 cm，E=20.6×106 N/cm2，A=πR2=8.04 cm2。所以

導軌因受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略。所以導程總誤差

查表知6級精度的絲杠允許誤差13 μm，故剛度足夠。所選絲杠符合要求。

2.3 絲杠和螺母自鎖校核計算

螺紋升角：

其中：L—導程；

d2—螺紋中徑(一般而言，d2=d-0.5p)。

螺紋摩擦角：

其中：f—靜摩擦系數；

α—螺紋牙型角。

若Ψ≤β，則傳動螺紋具有自鎖特性。

2.3.1 電機轉矩的選擇計算

同步齒形帶與加熱板速度一致，所以同步齒形帶輪的線速度為：帶速v=0.112 m/s。初選小帶輪齒數為z1=14，模數m=4。所以小帶輪直徑：

根據公式：

得小帶輪的轉速n1=35.3 r/min。

因為傳動比為1所以大帶輪的齒數和直徑分別為：

大帶輪的轉速n2=35.3 r/min

Pd=Ka×P=1.6×0.003 7=0.005 92 kw(Ka-工況系數)

取軸向間距a0=1 450 mm。

則帶長：

由L0與m=4可取Zb=290，Lp=3644.25的同步帶，根據需要將他的寬度切為28 mm。即帶寬bs=28 mm。

電機的輸出轉距為：

綜合考慮，查表選擇57BYG096型步進電機，如圖7所示。

圖7 步進電機外形尺寸

2.3.2 加熱板材料的選擇

耐高溫材料分為耐火材料以及耐熱材料等兩種，其為有機高分子材料以及無機化合物材料。通常可耐溫度超過1 580 ℃的無機材料被稱為耐火材料，其是一般燃燒室或者窯爐等具有高溫條件的地方所需要的材料。廣義上講，熔點超過1 500 ℃，且具有耐腐蝕性、硬度高以及脆性好的材料謂之耐熱材料，分為非金屬化合物材料和金屬材料，其一般作為硬質材料使用和耐腐蝕性材料應用。耐熱性高的高分子材料一般可應用于絕緣薄膜、耐熱纖維、耐熱粘粘劑以及耐熱涂料等領域。依據耐高溫時間長短，將其分為長時間以及瞬間高溫材料。瞬間高溫材料是指其在1 000～10 000 ℃高溫條件下可以堅持幾秒或者幾分鐘內材料不發生化學、物理結構變化，其中耐高溫材料還包含燒蝕材料。燒蝕材料一般在300～600 ℃溫度條件下，并在空氣氛圍內可長時間保持其力學性能以及耐化學腐蝕性。

綜合上述耐高溫材料選擇方案3種：PPS塑料(聚苯硫醚)、LCP(高性能特種工程塑料)和高溫尼龍。PPS可耐溫度為260 ℃；LCP可耐溫度高的為300～350 ℃；高溫尼龍可耐溫度為260～290 ℃；最終選擇LCP特種工程材料。如圖8、圖9所示。

3 D打印機的送絲機構

3.1 送絲機構的簡介

圖8 加熱板正面

圖9 加熱板反面

3D打印機的送料機構，包括：用于輸送待加工的物料的送料組件；用于為待加工的物料進行熔融的熔融組件；熔融組件包括熔爐、噴嘴及用于為熔爐加熱的感應組件；所述噴嘴與熔爐固定連接；感應組件套設在熔爐的外周[23,24]。本次設計的3D打印機的送料機構的安全性高，且適用范圍較廣泛。

3.2 送絲機構的設計

3D打印機同步送絲機構（如圖10），其包括機架、設置在機架的打印機構，打印機構包括設置在機架上的安裝座、卡絲輪組、設置在卡絲輪組下方的導入熱熔絲的導料管，卡絲輪組包括第一卡絲輪和第二卡絲輪，同步傳動裝置同步驅動第一卡絲輪和第二卡絲輪，采用了驅動輪，能使得左右兩邊的卡絲輪根據需要來滾動，增大了送絲推力，保證送絲可靠，同時采用彈性將熱熔絲壓緊，進一步減小了熱熔絲打滑的可能性，提高了3D打印機打印可靠性。

圖10 送絲機構基本結構

3.3 打印機框架及噴頭的設計

3.3.1 打印機框架

采用鋁合金架構，重量僅為不銹鋼的1/3，但是強度是亞克力的5倍，結構穩定以保證噴頭長時間高速的打印，強韌的合金可以滿足彈性需要，讓打印變得高質。據今年的金屬市場價格鋁合金比不銹鋼平均便宜人民幣10元左右，如圖11所示。

圖11 框架基本結構

3.3.2 噴頭的設計

先熱熔性ABS或者PLA絲材纏繞于供料輥子上，隨后步進電機對輥子進行驅動旋轉，ABS或者PLA絲材會因主動輥和從動輥之間相互的摩擦力作用下從擠出機的噴頭中擠送出。導向套處于供料輥與噴頭間，低摩擦阻尼材料所制成的導向套，可以使絲材從供料輥中順利準確的送到噴頭內腔內[25]。

將電阻絲加熱器架設在噴頭上方，當絲材被電阻絲加熱器加熱至熔融狀態后，再采用擠出機把熔融態絲材擠壓至工作臺上，當材料冷卻、硬化后，在工作臺上會出現工件的截面輪廓。

本設計中擬選擇FDM工藝用于懸空結構制件原型的制作，所以必須配套支撐結構用以制件的支持。另外，為降低材料的成本以及確保成型效率較高，在所設計的FDM設備中選用了雙噴頭形式（如圖12～圖13）。雙噴頭配置的選擇，可以使其中一個噴頭用于成型材料的擠出，則另外一噴頭用于支撐材料的擠出。

一般而言，采用雙噴頭的成型方式時，絲材的要求更為精致，且其價位不低，沉積效率不高。同時，會采用粗糙較大的絲材用以制作支撐材料，且該成型材料成本不高，另外其沉積效率很高。一般選擇相對于成型材料的熔點較低的材料或者水溶性材料作為支撐材料的原料，這種材料的選取可在成型后期，經過相應的化學或者物理方式輕易的將支撐結構處理干凈。

圖12 雙噴頭簡圖

圖13 雙噴頭UG圖

4 結論

本文針對融熔沉積3D打印機機械結構的設計，開展對打印機機械結構的優化研究，針對家庭型小型熔融沉積3D打印機的機械結構進行校核、對比驗證。家庭型小型打印機成本較低，也可以應用學校教學，對今后3D打印機的普及起到很大作用，主要結論如下：

（1）首先根據熔融沉積3D打印機國內外現有技術水平，闡述了軟件開發的難度，分析了其原因，國內的軟件開發的進程和突破。表明了我國在這方面的研究雖然是自己開發、自成體系，但不是相對封閉。

（2）首先明確了本次設計的主要工作，確定了設計工作參數，把設計思路清晰的分為了四個大步驟，為了后面的設計作了很好的準備。

（3）然后決定了機械部分的設計包括機械結構傳動裝置和熔融沉積3D打印機的整體布局設計。解決了從電機到執行部分采取幾種解決方案，通過各個方案的比較最終確定了傳動裝置選擇同步帶傳動。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，通過對反應型步進電機、永磁式步進電機、混合型步進電機以及單相式步進電機等的對比和驗證，確定使用57BYG096電機型號。輔助傳動裝置確定了導軌、絲杠的型號以及噴頭和打印機整體框架的設計。

（4）再次對機械部分總體設計的計算，針對前面對導軌、絲杠、步進電機、噴頭等再一次進行了核對、校核、驗證、對它們的受力、額定壽命、等效轉動慣量、轉動力矩以及傳動效率進行了再一次的計算，最后要保證他們在合理范圍之內。

（5）最后對簡單送絲機構作了介紹并闡述了它的結構最終確定了應用同步送絲機構。