金屬粉末3D打印機的機械結構設計＊

曾齊高，羅飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業技術學校，廣東深圳518172；2.深圳技師學院，廣東深圳518040；3.深圳市模具先進制造技術重點實驗室，廣東深圳518060）

1 引言

為滿足日益苛刻的工業低成本和高性能要求，結合快速成型技術和金屬粉末注射成型技術的優點，深圳大學李積彬教授提出了粉末冶金快速成型敏捷制造概念[1]，用金屬粉末材料制造產品樣品零件，從而降低成型機成本，提高零件機械性能。

金屬粉末3D打印成型技術是基于粉末冶金快速成型敏捷制造概念而提出并升級的新技術、新工藝[2]，是集金屬粉末注射成型技術和快速成型技術優點而提出的一項新工藝[3]。

金屬粉末3D打印裝備的開發是實現金屬粉末3D打印工藝的基本保證，也是驗證金屬粉末3D打印工藝可行性的重要保障。金屬粉末3D打印裝備系統開發可分為4個層次，最高層為工藝原理層，其次為軟件系統，再其次為控制系統層，最底層為機械系統層[4]。

本文旨在解決金屬粉末3D打印機的機械結構設計，機械結構是裝備的關鍵所在，是裝備功能實現的保證。

2 機械結構總體設計

金屬粉末3D打印機開發的本質，就是根據工藝原理的需要構建可實現工藝過程的機械系統、控制系統和軟件系統。裝備總體設計是一個全局性的重要問題，設計時一方面要考慮裝備本身的內在因素，另一方面要考慮產品的外部因素，如環境和人等。另外，它還必須具有外形美觀、比例協調、操作方便等優點，做到機器、環境和人達到最佳的統一效果。

金屬粉末3D打印機的機械本體主要包括兩個部分：一是金屬粉末堆積快速成型裝置——三維快速成型平臺；二是金屬粉末擠出裝置——單螺桿擠出裝置，如圖1所示。

圖1 金屬粉末3D打印機機械本體

3 三維快速成型平臺結構設計

三維快速成型平臺是金屬粉末擠出堆積快速成型裝備的一大核心裝置，是提供金屬成型零件尺寸及形狀精度的保證。成型平臺從功能上可分為XY聯動平臺和Z軸滑臺兩部分。目前，采用交流伺服電機驅動的滾珠絲桿進給系統仍是快速成型伺服系統主要的驅動裝置，如圖2所示，其加速度可以達到1g，進給速度可以達到40～60m/min，定位精度20～50μm。

3.1 XY聯動平臺設計

XY聯動平臺是三維快速成型平臺一大關鍵部件，根據零件模型的每一層輪廓信息，按照一定的規律運動要求，可以插補出任意所需的軌跡，其結構如圖3所示。XY聯動平臺技術參數如下：

X軸有效行程：300mm；Y軸有效行程：400mm；X軸 負 載：30kg；Y軸 負載：15kg；重復 定 位 精度：0.01mm；最大運動速度：40mm/s；最大加速度：1g。

圖2 滾珠絲桿傳動系統原理圖

圖3 XY聯動平臺

X、Y滑臺驅動裝置是由伺服電機+滾珠絲桿+直線導軌組成，是一個將旋轉運動轉化為直線運動的典型裝置，被廣泛應用于工程實際中。滑臺的側面均安裝有光電限位開關，運動過程中，實現正負限位，以及原點定位功能，方便對其實行運動控制及實時狀態監控。

XY聯動平臺從結構上由X軸直線滑臺模塊，Y軸直線滑臺模塊組成，所以設計以及制造裝配的過程也是按兩個單獨的模塊進行。直線滑臺模塊的設計首先應根據所承受的負載選擇伺服電機、聯軸器、滾珠絲桿副、直線導軌副、軸承等標準件的型號。

以X軸滑臺模塊設計為例，根據設計輸入：X軸行程為300mm，負載為30kg，最大速度要求40mm/s，最大加速度要求1g，重復定位精度0.01mm。根據計算后選擇電機為松下400W伺服電機，型號為：MHMD042P1C；采用威遠滾珠絲桿副，型號為：LL2005-3-P5-520X605；HIWIN直線導軌，型號為：HGW15CA2R700ZAH+DD/E2。根據所選的標準件然后設計其他一些零部件，最終設計結果如圖4所示。為了減輕整個裝備的重量，并且由于滑臺模塊負載較小，所以除標準件外的一些其他零件的材料均選用鋁合金。

圖4 直線滑臺模塊

由于Y軸滑臺模塊與X軸滑臺模塊設計思路一致，設計輸入參數也是相差無幾，所以其設計過程不再贅述。

3.2 Z軸滑臺

三維快速成型平臺中另一關鍵部件即為Z軸滑臺模塊，擠出裝置經噴嘴擠出的熔融狀絲材在成型臺面上成型完一層后，擠出裝置需沿Z軸向上移動一個單位的行程，此過程即需要Z軸滑臺模塊來實現。

由于整個螺桿擠出裝置安裝在Z軸滑臺上，所以其負載較大，并且行程要求不高。其設計參數如下：Z軸行程：150mm；Z軸負載：80kg；重復定位精度：0.01mm；最大運動速度：40mm/s；最大加速度：1g。

Z軸滑臺模塊驅動裝置同樣采用伺服電機+滾珠絲桿+直線導軌結構，所以其設計過程同X、Y軸滑臺模塊相似，但是由于負載較大，并且為垂直方向，因此根據計算選擇電機為松下400W伺服電機，型號為MHMD042P1C（帶抱閘）；由于其行程較短，選擇滾珠絲桿副型號為威遠LLZD2005-3-P5-270X400，直線導軌副型號為HGW25CA2R580ZAH+DD/E2。為了保證Z軸滑臺模塊的剛度要求，其大部分零件材料采用45鋼，設計結果如圖5所示。

圖5 Z軸滑臺模塊

4 單螺桿擠出裝置

金屬3D打印機中核心部分即為單螺桿擠出裝置，它是熔融絲材制備裝置，堆積快速成型的前提保證。單螺桿擠出裝置主要由螺桿、料筒、噴嘴、螺桿驅動裝置、支承裝置等幾大部分組成，詳細設計見曾齊高的《金屬3D打印機的擠出裝置的結構設計》[5]。

5 裝備機架

裝備機架主要包括大理石平臺，龍門架，電控箱組成。如圖6所示，大理石采用1級精度，龍門架主體采用槽鋼焊接，電控箱采用方通焊接。

圖6 裝備機架

6 結論

本文闡述了金屬粉末擠出堆積快速成型裝備機械系統層的設計過程，其中主要包括三維快速成型平臺、單螺桿擠出裝置和裝備機架三部分的設計。

三維快速成型平臺包括XY聯動平臺，Z軸滑臺兩部分組成，是擠出堆積快速成型工藝實現的保證。單螺桿擠出裝置的核心零件螺桿，料筒，噴嘴，螺桿驅動裝置以及螺桿支承裝置，軸承系統的設計以及壽命計算。裝備機架的大理石平臺，龍門架結構等設計。