FDM型3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計探究
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摘要：根據(jù)3D打印技術(shù)的指標、參數(shù)，在滿足標準化型材的前提下對3D打印機進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，對X軸方向運動進行優(yōu)化，詳細分析某些重要零部件的參數(shù)和原理作用。因受應(yīng)力影響3D打印機在工作過程中可能會發(fā)生變形，所以對X方向運動的光桿進行受力分析校核，以確保3D打印機能打印出精度較高的產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；受力分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
隨著時代的進步，3D打印技術(shù)也得到了進一步發(fā)展并跨入了一個全新的領(lǐng)域，新的信息和控制以及材料等技術(shù)不斷被廣泛應(yīng)用到機械制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向各個領(lǐng)域。需研制更多類型的打印材料，提升打印材料的打印速度、效率和精度，提高3D打印成品的表面質(zhì)量、粗糙度和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品制造。本文設(shè)計的3D打印采用fdm（FusedDepositionModeling）熔融堆積成型技術(shù)，以絲狀材料為基本原料（如塑料，通過電加熱模塊將絲材料加熱至熔融狀態(tài)，本文選擇PLA材料），在處理器的控制下，控制噴頭在平面X-Y軸做二維平面運動，將噴頭內(nèi)熔融狀態(tài)的材料按照當前層的輪廓軌跡數(shù)據(jù)噴射，冷卻固化后形成工件的當前層截面，完成一層后，噴頭在Z軸方向垂直移動單位高度，進行下一層堆積，這樣逐層堆積后形成三維工件。
1.13D打印機設(shè)計基礎(chǔ)和依據(jù)
1.1.1設(shè)計參數(shù)。打印機運行尺寸：200mm×200mm×200mm。打印的最大范圍：200mm×200mm×200mm。電機的轉(zhuǎn)速：3600r/min。噴頭最大運行速度：80mm/s。最大成型件質(zhì)量：約為10kg。Z向定位精度：0.01mm。加熱板、絲杠以及直線導(dǎo)軌軸等的總質(zhì)量：約10kg。1.1.2材料選擇。打印材料：PLA工程塑料，PLA耗材熔點為230℃左右，分解溫度260℃以上，因此其通常成型溫度在250℃左右。加熱板材料：LCP特種工程材料300～350℃。
1.23D打印機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
打印機的結(jié)構(gòu)材料主要是鋁合金，底座由4個地腳和1塊鋁板構(gòu)成，這樣的底座穩(wěn)固性非常強，能保證打印機在工作的時候不會發(fā)生搖動而導(dǎo)致打印精度下降。打印機共有5個電機，2個同步電機用在Z軸方向，1個用在X軸方向，1個用在Y軸方向，剩下1個用來傳送材料到噴頭。在打印機兩邊裝有2個同步電機連接絲杠，帶動噴頭所在的光杠在Z軸方向做上下運動。X軸方向電機連接在噴頭的同步帶使噴頭完成左右運動，Y軸方向底座的電機帶動加熱板完成前后運動，總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從整體結(jié)構(gòu)分析，地腳（如圖2所示）連接底板保證其打印機的穩(wěn)固性，底板上面連接的龍門（如圖3所示）是打印機最重要的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)上面固定Z軸方向的電機支架和光杠絲杠支架，同時也固定X軸方向的電機支架和2根光杠，所以龍門結(jié)構(gòu)既會受到Z軸上下運動的力，也會受到X軸同步帶的拉力以及電機的重力，因此，考慮到打印機工作中的載荷作用，設(shè)計2個拉筋（如圖4所示），與龍門固定在一起形成一個整體，有效地約束龍門骨架的變形，增大了龍門的剛度和穩(wěn)定性。
1.3底座支架結(jié)構(gòu)設(shè)計
底座支架結(jié)構(gòu)主要作用是連接支撐底板和加熱板，并帶動加熱板做前后運動。底座支架分為光杠支架和同步帶支架，在打印過程中起關(guān)鍵作用，它們的運動決定了加熱板的運動。同步帶支架（如圖5所示）的導(dǎo)槽與底座的光桿導(dǎo)套連接，支架中間由同步帶固定，電機通過帶動同步帶使加熱板在光桿做Y軸方向的前后運動。加熱板與支架通過桿固定連接，底座支架帶動加熱板做來回運動。光杠支架（如圖6所示）的作用是支撐整個底板、固定光桿、電機。考慮到受力情況，光杠支架固定在底板上，底板左右各有2個支架固定2根光杠，支架中間有固定電機的地方，而且板材相對比較厚，因為要承受比較大的力，包括電機自重和同步帶的拉力。
1.4X軸方向運動的優(yōu)化設(shè)計
X軸方向的運動之前是使用滑動絲杠，但其在運動過程中摩擦阻力太大，而且傳動效率低，雖運動平穩(wěn)，但在低速或微調(diào)時可能出現(xiàn)爬行，螺紋有側(cè)向間隙，反向運動時有空行程，定位精度和軸向剛度較差，因此，將X軸方向運動改為靠同步帶帶動噴頭完成運動，噴頭固定在上下2條同步帶上，提高了運動時的穩(wěn)定性，確保同步帶傳動比準確，傳動的范圍廣，傳動比大，效率高（高達98%），預(yù)緊力小，軸和軸承負荷小，單位長度質(zhì)量很小，因此它允許線速度高。噴頭的運動方向是光杠的軸向，為了使噴頭運動時不受摩擦力影響，還需在噴頭上套上光杠軸套，保證噴頭能平穩(wěn)運動。同步帶傳動通過左邊的電機帶動同步帶輪完成。
1.5Z軸升降系統(tǒng)設(shè)計
Z軸方向的主要構(gòu)件有電機L板（如圖7所示）、絲杠、光杠和上端L板，這些構(gòu)件能完成零件支撐和在Z軸方向運動，電機L板固定在底板上連接電機，通過聯(lián)軸器驅(qū)動絲杠上的噴頭上下移動，絲杠和光杠通過X軸右端的支架（如圖8所示）和X軸左端的支架（如圖9所示）進行固定，此支架既可以固定Z軸方向的絲杠、光杠，也可以固定X軸方向的電機和2根光杠，Z軸帶動噴頭上升一層的厚度，實現(xiàn)零件的堆積，確保定位精度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度和層與層之間的粘結(jié)性能。采用步進電機驅(qū)動、精密滾珠絲杠傳動和精密導(dǎo)軌導(dǎo)向，步進電機配合細分驅(qū)動電路，直接連接滾珠絲杠來實現(xiàn)高分辨率驅(qū)動，消除中間齒輪傳動，減小了尺寸和傳輸誤差。
23D打印機主要構(gòu)件受力分析
（X方向光杠的受力分析）當光杠、絲杠等構(gòu)件工作時，將會受到載荷的作用，它們有抵抗破壞的能力，但在外力作用下這種能力又是有限度的，而且在外力作用下，它們的尺寸和形狀還將發(fā)生變化，為保證光杠、絲杠正常工作，應(yīng)有足夠的承受載荷的能力，因此，它應(yīng)該滿足強度要求、剛度要求、穩(wěn)定性要求。若構(gòu)件橫截面尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當，將不能滿足上述要求，不能保證工程結(jié)構(gòu)或機械安全工作。也不應(yīng)不恰當?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)材料，這樣會增加成本造成浪費。對構(gòu)件進行必要的受力分析，在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，為設(shè)計既經(jīng)濟又安全的構(gòu)件提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。進行機械設(shè)計或工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力，需要預(yù)先確定衡量的標準，這個標準就是許用應(yīng)力。因此要對零件或構(gòu)件進行許用應(yīng)力校核，凡是零件或構(gòu)件中的工作應(yīng)力不超過許用應(yīng)力時，這個零件或構(gòu)件在運轉(zhuǎn)中是安全的，否則就是不安全的。光桿的受力與剪切如圖10所示。光桿長為266mm。根據(jù)平衡方程求出約束力，然后用截面假想沿C處把光杠切開為左右兩段，取左端梁為脫離體，因桿原來處于平衡狀態(tài)，所以被截取的左段桿也同樣保持平衡狀態(tài)。令a=100mm，b=166mm，F(xiàn)=3N。確定約束力：ΣMA=0，ΣMB=0。yAF=3×0.166/0.266=1.87N，yBF=3×0.1/0.266=1.13N。取X1=0.08，求出噴頭力作用在X1點處時剪力和彎矩的大?。篎s（x1）=Fb/l（0＜x1＜a）l/FxM1bx1）（（0≤x1≤a）Fs（x1）=3×0.166/0.266=1.87（0＜x1＜a）M（x1）=3×0.166×0.08/0.266=0.15N·m（0≤x1≤a）取X2=0.12，求出噴頭力作用在X2點處時剪力和彎矩的大小：Fs（x2）=﹣3×0.1/0.266=﹣1.13N（a＜x2＜l）M（x2）=3×0.1×（0.266－0.12）/0.266=0.16N·m（a≤x2≤l）對導(dǎo)軌再一次進行核對、校核、驗證，經(jīng)過檢驗導(dǎo)軌剛度，最終得出總誤差為0.72μm，查表知6級精度導(dǎo)軌允許誤差13μm，因此剛度足夠，保證在合理范圍內(nèi)。
3結(jié)論
對FDM型3D打印機機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，基于Solidworks軟件對框架結(jié)構(gòu)底座支架及X軸方向運動的優(yōu)化和Z軸升降系統(tǒng)進行了設(shè)計，最后對機械部分總體進行裝配，對導(dǎo)軌的受力進行再一次計算，保證在合理范圍之內(nèi)。3D打印機成本較低，也可以應(yīng)用學(xué)校教學(xué)，對今后3D打印機的普及起到很大作用。
作者:邢小穎 馬運 王龍兵 湯彬 姚啟明 徐江波 單位:清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心