基于直角坐標系的3D打印機機械結構設計

唐芷嫻

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002）

0 引言

3D打印技術的產生的時間大致為20世紀80年代，由于其成本高，當時沒有得到有效的推廣。在社會不斷發展的過程中，材料成本不斷降低，促進了3D打印的發展，其已經在工業制造、生物醫療以及教育教學等各種領域中得到了廣泛應用。

1 3D打印的優勢

3D打印又稱“增材制造”可以在幾乎不增加成本的基礎上制造復雜物品。在傳統制造過程中，隨著產品復雜性的不斷的提升，其成本也會不斷提升，而3D打印針對這種復雜程度地變化，其成本卻不會出現明顯的提高。在產品多樣性不斷提升的過程中，其成本依舊不會出現明顯增加，也就是說其可以打印出多種形狀，降低對傳統機械人員和設備增加方面的成本，只需要一臺3D打印機就可以完成多種產品的打印制造。同時，3D打印可以實現不需要組裝的產品一體化成型，以分層制造為基礎，連接配套鉸鏈，縮短供應鏈，去除傳統的組裝環節，減少運輸環節和不必要的勞動力投入，在一定程度上還會減少環境污染。

此外，3D打印突破傳統受到工匠技術的產品形狀的局限，具有接近于無限的設計空間，且在打印過程中只需要遵守設計文件中的指示，對工作人員的專業技能要求不高，甚至可以在遠程環境中進行生產，具有“非技能制造”的特點。并且可以為用戶提供按需打印模式，降低產品庫存，可以隨時根據產品需求進行制造，為現有的商業模式提供突破的可能性，從單位生產空間上來看，3D打印機的占據的物理空間很小，無論是在居家使用還是辦公使用方面都有良好的適應性。

2 3D打印機的特點

3D打印屬于新型生產制造手段，集人工智能、數字化以及新型材料等技術特點，在速度和精度方面具有其獨特的優勢，在一定程度上可以有效提升我國制造行業在國際上的競爭力。按照其工作原理可以分為FDM（熔融沉積快速成型）、3DP（三維粉末黏接）、SLS（選擇性激光燒結）以及SLA（光固化成型），其中FDM的打印成本較低，對材料的要求也不高，操作簡便，具有較快的成型速度，常見的打印材料為PLA、ABS等，基本都是塑料和低熔點樹脂材料；3DP可以完成彩色零件的打印工作，不需要打印支撐結構，具有加快的成型速度，整個流程可以概括為鋪灑粉末－單層印刷－活塞下降的循環重復過程，主要的打印材料為金屬粉末；SLS打印的成型零件具有較高的強度，可以打印金屬材料，如合金粉末、銅粉等；SLA在表面精度上有突出的優勢，適用于光敏樹脂材料的打印工作。

按照其機械結構可以劃分為MakerBot機型、Reprap機型和Ultimaker機型，其中MakerBot機型的零部件十分標準，可以在相對短時間內完成調試和組裝整機的工作，在需要較長打印時間的情況下依舊可以保證打印位置的精準性和穩定性，保證打印精度，但是其價格較為昂貴；Reprap機型便于外出攜帶，重量輕，可以在占用少量空間的基礎上將打印尺寸進行提升，需要較長的安裝時間；而Ultimaker機型的打印區域更大，打印精密，效率可觀，但是造價較高，可打印的絲材較少。

當前，市場上常見的3D打印機類型主要是FDM，基于直角坐標系的設備在市場份額中約占70%左右，是FDM打印機的主流，綜合其基本特點和發展現狀來看，該文主要以當前已有的直角坐標系架構的3D打印機為基礎，結合其當前特點，進行優化設計，明確x軸、y軸、z軸等基本機械結構的情況，探索工藝改進方向。

3 基于直角坐標系設計3D打印機械結構分析

3.1 明確設計原則

基于直角坐標系，想要保證3D打印機械結構的設計質量，需要先制定整體性的設計原則。首先，應當堅持明確原則，即詳細制定設計方案，明確各個環節的設計制造重點，保證機械機構的功能設計合理，整體結構具有緊湊性特點，層次清晰。同時，以市場為導向，對價格、技術特點等進行合理控制，保證滿足市場需求，強化設計價值，促進3D打印的進一步發展。其次，堅持簡單的原則，即在保證性能良好的基礎上，盡可能地簡化并縮短3D打印的動力傳遞路線，提升傳遞效率，并方便后續的使用、安裝、操作和維修保養等工作。最后，堅持安全原則，優化設計機械結構各零部件的位置，合理安排其實際安裝點，保證操作人員的安全。在此基礎上，明確3D打印的基本結構，如圖1所示。

圖1 3D打印機模型圖

3D 打印機械結構主要包括控制系統和機械系統，其中控制系統可以細化為溫控模塊（包括環境溫度、擠出頭外表溫度、外部支撐擠出頭溫度以及內部支撐擠出頭溫度）、普通輸出輸入模塊（外部支撐擠出頭電機、內部支撐擠出頭電機以及擠出頭外表電機）和高速輸出輸入模塊（x軸電機、y軸電機、z軸電機）；機械系統可以劃分為主機身結構、傳動機構（同步帶傳動的x軸和y軸、絲杠傳動的z軸）、擠出機構（噴嘴結構、加熱結構、散熱結構）和送絲機構（近端送絲、遠端送絲）。

3.2 x-y運動機構組件的設計

3.2.1 基礎分析

3D打印機中控制結構鋼架的主要機構就是x-y運動機構，利用馬達可以控制多個軸向運動，通過其和膠頭組件的結構可以合理地控制基于平面位置的運動情況，保證軸向面積的合理性，進而控制物體運行軌跡，運動機構的傳動精度、穩定性以及剛度等都直接影響了最終打印產品的質量，其基本原理體現流程為控制馬達控制軸運動－擠膠頭組件達到平面位置－直角分布x軸和y軸－形成物體形狀軌跡。x-y運動機構的運動形式為先從y步達到馬達，經過傳送帶使y聯動軸可以被帶動起來，然后由y聯動軸帶動其他部分，驅動傳動帶，帶動打印頭連接器的運動，x軸同樣經過聯動式的帶動方式實現整體性的驅動，使連接器在導向軸上進行運動。

3.2.2 設計方案

設計目標為在保證x-y運動機構原有性能的基礎上，提升其在動力傳動過程中的穩定性，進而保證打印產品的平整性。基于此，選擇單同步帶纏繞式模式，設計雙xy平面，運用單條驅動方式驅動每個方向的同步帶，提升其對邊同步能力，實現雙邊同步，構建功能相同的雙層結構，進行x-y運動機構一體化設計。

首先，設計U型架構，上層側重于y軸向的驅動方式，下層則側重于x軸向的驅動方式，利用軸承轉向、同步帶輪，向雙邊施加同步驅動力，提高傳動效率，盡量避免傳統部分3D打印機的運動裝置可能出現的較大的噪聲和較強烈的震動效果。通過這種設計實現以下效果：提升運動機構傳動的準確性，實現傳動比的恒定性，保證運行過程中不會出現預期之外的滑動現象；擴大3D打印機的速比范圍，提升功率傳遞范圍，參照市場上這種設計方式的3D打印機，正常情況下，其速比為10，線速度為50 m/s，功率為幾瓦到幾百瓦，可以實現長距離的傳動；提升傳動效率，減少能量消耗，提升其節能效果，降低噪聲，提升其綜合效益。

3.2.3 配套設計

Z運動機構的運動形式具有垂直性特點，負責驅動3D打印機的z向運動主要由導向軸、傳動絲桿、馬達、直線軸承以及載物臺組件構成，在其位移量小的情況下，可以有效地保證打印產品的表面質量，但是相應的效率為較低；在位移量大的情況下，其表面質量相對較低，但是效率較好。在其設計上需要保證其和xy方式相同，都是往復式的直線運動，采用帶傳動模式，1個主動輪對應1個從動輪，且其齒輪和同步帶之間的齒嚙合數量不能少于6個，避免出現打滑現象，并做好傳動皮帶的選擇。在整體傳動部件的選擇上需要考慮好各個影響因素，保證所選部件的質量，以步進電機為例，部分不同型號步進電機的數據信息，見表1。在建設設計效果的過程中，結合具體部件匹配度選擇合適的步進電機。

表1 部分步進電機數據

3.3 載物臺組件的設計

3.3.1 基本分析

3D打印機在運用過程中起承載物體作用的結構就是載物臺，其可以有效地保證3D打印機運行的安全性，會影響熱熔材料的使用。以FDM工藝為例，在運用FDM類型3D打印機的過程中，工作人員結合實際情況可能需要加熱載物臺才能保證將底層熔料充分和熱床進行具有結，提升對打印材料的凝結力。在正常情況下，針對其中加熱板需要將加熱溫度維持在80℃左右，并加熱涉及的銅蝕電路板，在加熱過程中選擇熱敏電阻，檢測好溫度。同時，做好載物臺的清理工作，保證其平整度，結合3D打印機可以打印的范圍，選取最大打印范圍設計臺面尺寸[1]。

3.3.2 設計方案

基于直角坐標，在載物臺和z軸連接時可以采用直角連接板，盡可能地將連接強度進行提升，并保證其垂直度的良好，將直線軸承作為垂直導向裝置，保證在直角連接板（基于雙邊）都可以安裝直線軸承，有效連接z軸導向軸，對z軸的移動方向起到良好的控制作用，并可以滿足載物臺彎矩需求。考慮到效率和載荷的問題，在設計和選擇過程中主要研究其最合適的剛度情況，校核移動平臺的情況。

3.3.3 配套設計

在支撐載物臺的實際上，不可缺少的是水平調節彈簧，使其和直角連接板、垂直導向裝置形成有機的整體，保證載物臺質量。需要彈簧可以保證熱床和擠出頭有一致性，也就是具備調節水平面的功能，同時，在z軸操作出現問題的情況下，彈簧可以干預其感應位置，起到阻尼緩沖的作用，防止擠出頭受到不必要的損傷。此外，改進整體的機身結構，將機械結構的設計合理地整合，提升設計效果和設計價值[2]。

3.4 噴頭結構的優化

3.4.1 基本分析

結合3D打印機的噴頭結構，利用直角坐標系，分別設計擠出機、噴嘴結構和送絲結構。其中，擠出機屬于該結構中的核心部分，擠出動力直接影響了送料的流暢程度和準確情況，進而影響了打印產品的質量，3D打印機的擠出機部分主要由熱敏電阻、送料喉管以及噴嘴等部分構成，基本運行原理就是將物料進行加熱和輸送，通過噴嘴和加熱塊遞送材料，通過齒輪和驅動桿的作用施加作用力，將已經經過加熱熔化處理的物料流出到固定位置進行凝固處理。而送絲結構和噴嘴結構基本屬于運行層面的整體，在步進電機的作用下，可以將線狀耗材送入送絲結構內部，將線狀耗材進行加熱熔斷處理，然后將其擠出。在此過程中，噴頭結構會根據實際運行需求呈現x-y或x-z的運行軌跡。

3.4.2 設計方案

在設計擠出機時，設計雙噴頭模式，分別負責不同耗材的打印工作，結合經濟性和實用性的要求，實現優勢互補。其中一個噴頭可以沿用傳統3D打印機中的活塞式擠出機，另一個擠出機設計為曲桿扭轉式，在螺旋曲桿上連接步進電機，通過步進電機讓軸轉動帶動相應部分順時針轉動，實現送料凹槽和連桿齒輪之間的同步轉動，保證順利進行進料。其中需要保證結構的緊湊性，提升運行平穩性，保證流量的合理性，表2是2種擠出機類型的優缺點。

在噴嘴結構的設計上，主要考慮加熱塊部件對其的影響，在優化其使用壽命的同時兼顧對耗材的消耗率，需要結合不同材料的導熱率，在正常情況下，金剛石的導熱率為1300 W/m·K～2400 W/m·K，硅為611 W/m·K，金為317 W/m·K，銀為429 W/m·K，鋁為240 W/m·K，鋅為110 W/m·K，鐵為84 W/m·K～90 W/m·K，綜合其經濟效益和導熱率，設計選擇鋁材制作加熱塊。結合當前部分3D打印機會出現耗材拉絲和堵料的問題，設計在傳統構件的基礎上，增設耐高溫四氯軟管，保證工作的流暢性。

在送絲結構的設計上，雙噴頭結構的重量基本都在x軸上，會增加其載荷，增加直線光軸的壓強和壓力。基于此，需要將光桿的直徑進行一定程度地增加，進而提升機械結構系統的整體荷載力，在遠程進料上選擇送料結構和噴嘴結構相分離的模式，提升其相對獨立性，進而減少x軸向的載荷，提升擠出機的基礎能力。

3.5 設計結果實驗

將以上的設計方案進行整合，在不考慮控制系統的情況下，設計3D打印機，將基于直角坐標系的機械結構設計轉化為實踐，分析設計情況。實驗材料選擇PLA耗材，選取性能標準為2.8～3.0的介電常數、127 ℃的熱變形溫度、161 ℃的玻璃化溫度、0.0005～0.0006的耗散因子等，準備好相應的切片軟件，該文采用的切片軟件為CUPA。在此基礎上，明確3D打印的工藝參數包括但不限于層高、支撐類型、打印速度、熱床溫度、填充密度、移動速凍、回抽長度、流量、外殼厚度以及底部厚度。

設計打印模型如圖2所示，觀察3D打印機的打印轉臺，分析其是否具有部分打印機的翹曲變形等問題，經過多次實踐驗證，打印結果滿足設計要求，具有一定的可行性，與設計前原3D打印機相比，精度有所提升，打印后將零件進行拆卸觀察，其中絲材并沒有殘留在其中，實踐效果較為理想，各部件運行正常且流暢。

圖2 打印模型

4 結語

綜上所述，由于3D打印機的使用具有特殊性的影響，其機械結構的設計需要立足于傳統機械機構圖形，結合現代社會對其的需求情況，進行一定程度地創新，延伸和規范創作路線，改良其適應性，為其奠定良好的結構形態基礎，保證其性能滿足使用需求，從而提升打印產品的質量，促進相關行業的發展。