3D打印機成型精度分析研究與優化設計

黃楓杰

（廣州市高級技工學校，廣州 510000）

3D打印機的工作原理與常規打印機非常相似。它們由液體或粉末狀材料組成，有時也稱為快速成型機。近年來快速成型技術在制造技術領域方面取得一次重大突破。3D打印技術是一層層的打印起來變成三維模型的，它的通常術語是3D數字模型文件這一類的制造過程。3D打印機中的計算機可以逐層控制“打印材料”，沿著掃描路徑進行打印，最后控制計算機藍圖，打印出一個三維產品。3d打印技術是計算機輔助設計、數控技術、激光技術等多種學科技術的集成；是基于“離散/堆積成型”的成型思想，通過建立三維數模與計算機程序控制，利用疊層加工的方法將材料“堆積”而形成三維實體。

1 總體方案及結構設計

1.1 引言

3D打印機的附加技術已經開發了數十年。該技術現已非常成熟，目前已廣泛應用于民用市場，并最終為人們所認可。如今該項技術已經得到了廣闊的發展前景，在工業制造中不斷增添了新的色彩，從而看出技術的進步程度。

牙醫對患者進行牙齒修復或診斷時首先使用掃描儀對患者牙齒輪廓進行掃描，隨后使用打印機打印出適合患者的糾正模具，幫助患者實現修復。

1.2 3D打印機模型設備的方案分析

本文所設計的機械系統設計思路如下：X/Y軸組成平面掃描運動框架機構選用：X、Y軸導軌均采用絲杠機構，Z軸光桿則采用絲桿機構。

三回旋軸機構（即工作臺）伺服電機——轉軸

XYZ這三個方向的移動都是使用絲桿來傳動的，由電機作為動力源，與普通的打印機相似，控制工作臺上的三個自由度旋轉一定的角度，系統將根據打印復雜模型的需要和控制工作臺的旋轉每次打印完一層，隨后完成下一層信息讀取，隨后根據讀取的信息進行下一層打印，直到所有的模型都打印完畢。每個自由度的控制驅動都是單獨的。

（2）系統框架。系統框架組成如表1所示

表1 系統框架結構圖

1.3 溫度控制回路設計

（1）打印耗材的選用。為了實現3D打印機的功能，所選材料對于實現3D打印機的功能也很重要。需要更低的熔點和更好的粘度。ABS材料是FDM最常用的打印材料。通常以長絲包裝提供各種顏色，并通過3D打印噴嘴進行熔融和打印。如果ABS的熔點不同，則通常是細絲包裝。PLA保險絲是3D打印機中廣泛使用的材料，并且相對環保。通常，它們不需要加熱床，易于使用，并且更適合于低端3D打印機。綜合考慮我們最終選擇了P L A 、AB S耗材，這種材料即廉價又穩定。

（2）設計思路概述。由于PLA/ABS這兩種打印材料的熔點溫度在2300C左右，直到上升到2600C以上就屬于分解溫度，需要成型的溫度應該是在2500C以下這樣。控制回路中傳感器的作用很大，它把實際的溫度返回到反饋控制回路中，并將其溫度進行調整輸出命令，命令由單片機輸出。

1.4 噴頭移動及噴出量調節的設計

（1）噴頭系統的功能要求。噴頭的料絲的岀絲速度應與噴頭的掃描速度一致，因為是根據掃描路徑進行堆積成型的，所以這兩個速度要失效高效配合，以期保證打印成型的產品質量和效果，使得工件實體材料堆積均勻，減少毛刺。

成型工藝對噴頭系統的相關功能要求主要包含下述幾個方面，現對其進行論述：①供應功能：把已經圈好在絲筒上的絲狀材料，取出并把它通過其它方法送到指定位置。②熔絲功能和送絲功能：送完成型絲及時熔化后，熔融絲送入液化器。③流道功能：為熔融材料提供流通通道。④定徑功能：對噴嘴擠出的材料的最終尺寸，噴嘴孔的直徑確定擠出的絲的直徑，并且絲被堆疊以滿足所需的細直徑。當噴嘴的移動停止時，擠出的長絲停止的功能也受到控制。根據掃描路徑控制噴嘴止動件，并根據噴嘴模式控制絲線以確保高質量的成型路徑。

Client/Server是一種請求-響應模型，在一次完整的通信過程中，Client與Server之間將完成以下步驟：

（2）噴頭實現方法設計。在描述熔融沉積印刷技術的操作原理之前，首先可以想象這樣一個場景：在糕點店里壓蛋糕花，將奶油填充到頂部有小孔的錐形塑料中，然后輕敲此錐形的塑料塑料向下滑動，按板，按下并移動，就像用筆刷一樣，完成收集的第一層后，將其抬起一點，重復第一層的工作并重復以上過程。直到您最終獲得所需的形狀，這才是FDM的基本思想。

熔化的沉積物也具有不同的名稱，稱為備用沉積物。絲狀熔融材料在冷凝器中用于通過加熱金屬絲以提供熱量并通過細噴嘴的噴嘴擠出的熱量而熔化。根據每層的參數控制加熱噴嘴。噴嘴可以在X軸和Y軸方向上移動。電線被擠出到模具中，噴嘴和金屬絲被印刷在一起，并且層的高度增加，在冷卻形式下的溫度處于外部溫度。熔融沉積成型工藝對于成型溫度的要求較高，在加工過程中必須要保持穩定，不能產生較大的幅度，絲材和噴頭的溫度需要在一定范圍內。因此，需要添加反饋溫度控制電路來對液化器溫度進行嚴格控制，減少溫度對熔融沉積成型工藝的影響。

2 滾珠絲杠螺母的設計

（1）工作條件。由于本文所設計的設備傳動機構為螺母副，其主要功能是對傳感器承載進行動態測量，因而抗扭性能較差，該機構在工作時主要受剪切力租用，同時受彎曲和扭轉和特定負荷影響。

（2）主要的失效形式。滾珠絲桿在工作時會受到彎 曲、疲勞、扭 轉、沖 擊等主要的幾個力所影響，在絲桿的接觸處，如轉動滑動的工作表面受到接觸應力。工作時間長了會出現接觸疲勞破壞，也會存在機械損傷與磨損。彎曲比較大時，絲桿會承受交變應力；磨損也是因為滾珠與滾道表面的硬度來決定的，表面硬度越差，越容易磨損甚至會發生斷裂。為減少磨損，提高滾珠與滾道的表面硬度或涂抹潤滑劑。

（3）材料的性能要求。結合工作的條件與主要失效形式，屬于高精度、輕載荷滾珠絲桿，一般選擇低合金工具鋼材料制造零件，制造的零件表面需要加熱淬火處理，有的還要把整個零件整體淬火的，高精度的滾珠絲桿使用滲氮鋼來制造可以預防在熱處理時產生變形，選用的滲氮鋼牌號如鋼，需經處理后使用。

根據工作條件需要絲桿也可以選用淬火鋼進行制造，還有的螺母也可以選擇鑄造錫青銅進行鑄造加工，其材料的表面應該要具有高硬度及耐磨性好的性能，及綜合機械性能也需要比較高才滿足要求。

3 絲桿螺旋傳動的類型、特點與應用

絲桿傳動裝置的主要部件包括螺桿和螺母。螺母和螺釘一起工作后，螺釘開始移動，變速箱由電動機驅動。它主要傳遞運動和力，分為兩種：將旋轉運動轉換為線性運動，將線性運動轉換為旋轉運動。

3.1 滾珠絲桿的特點

（1）傳動效率更高：普通滾珠絲杠的滾珠與絲杠之間的接觸點很小，因此摩擦力也很低，螺母與滾珠之間的運動是相對的，但是傳動效率可以達到90-98%。與其他滑動螺旋相比，摩擦力小，可以由直線轉成旋轉運動。即使絲桿在很小的扭矩之下轉動，其推力也是很大（旋轉運動轉成直線運動），甚至對于其它傳統的螺桿系統要強上2-4倍的效果。

（2）運動平穩性：滾珠絲桿工作起來摩擦阻力是很小的，也沒有任何的顫動，十分流暢，在低速運動是滾珠沒有打滑現象還可以進行微量進給的控制，是很靈敏的，是傳統典型的點接觸滾動運動。

（3）精度高：滾珠絲杠在運轉時產生的溫度低，熱脹冷縮、軸向間隙拉伸等問題這些效果都不大，對其運轉無影響還具有較高的定位精度。

滾珠絲桿有三種不同的支撐方式，如下圖所示：

圖1 滾珠絲桿的四種支撐方式

選用不同的滾珠絲杠支撐方式，其軸向載荷和轉速也有所差異。該設計采用第二種類型，一端固定另一端支持，適用中速和高精度。

3.2 滾珠絲桿螺母的潤滑和防塵隔離

（1）油潤滑。礦物油適用于大多數的滾動軸承，高轉速時滾珠絲桿副的溫度也是比較小的，油還可以降低其溫度，對滾珠絲桿而言油潤滑比脂潤滑好。如果使用油潤滑補充潤滑油的時間間隔八小時之后，在重新潤滑都可以。

（2）脂潤滑。如采用脂潤滑可以使用很長時間后，在進行補充脂潤滑，與油潤滑相比相隔的時間也長。但是脂潤滑使用太久了，要進行清理上面的雜物和舊的潤滑脂清理干凈，才能更換新的潤滑脂，一般是半年到一年換一次脂。廠家生產脂的時候裝脂的罐子上面都會有使用說明和提示，應按照上面的說明進行使用。

（3）防塵與隔離。由于異物和灰塵是造成滾珠絲杠和滾子軸承快速磨損和損壞的重要因素，因此需要采取防護措施，并且通過安裝防塵圈預防產生灰塵。

滾珠絲杠副設計時應當注意下述問題：①安裝滾珠絲杠時，請確保螺母均勻地加載，并且作用在螺母上的總力會流過滾珠絲杠軸，這樣可以提高使用壽命和精度。②防逆轉：盡管滾珠絲杠傳動的效率很高，但在實際應用過程中有必要防止預期的傳動，在電機帶動絲桿，電機停下來時，產生的運動部件的自重慣性引起的逆傳動現象，為了防止出現逆轉，可采用離合器或停電自鎖電機等方式。③防護：滾珠絲杠副在行程兩個方向要裝有行程開關，限制行程起到保護作用，以防超程撞壞其它東西及影響其精度和壽命。④防止熱變形：滾珠絲杠運動期間產生的熱量以及其他組件產生的熱量，這對滾柱絲杠的定位精度有重要影響，并且熱量會使絲杠膨脹和伸長。因而分析各種熱源因素采取措施控制熱源。