熔積型快速成型機結構探究

摘 要：快速成形技術又稱快速原型制造（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術。誕生于20世紀80年代的美國，是集離散堆積成形思想的數字化成形技術、CAD、數控技術，激光技術及材料科學工程于一身，可以自動、快速地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造成為實物。以RP為技術支撐的快速模具制造RT（Rapid Tooling）正是為了簡短新產品的研發周期，更早日的向市場推出適銷、以客戶意圖定制的多品種、小批量產品而發展起來的新型制造技術。

關鍵詞：快速成型技術；離散堆積原理；模具

1 FDM型快速成型機原理

其中加熱噴頭在計算機的控制下，可根據截面輪廓的信息作X-Y平面運動和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料（如ABS及MABS塑料絲，蠟絲，聚烯烴樹脂絲，尼龍絲）由供絲機構送至噴頭，并在噴頭加熱至熔融態，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層成型完成后，工作臺下降一截面層的高度，在進行下一層的涂覆，如此循環，最終形成三維產品。

2 熔積成型（FDM）快速成型機的探究

在設計熔積成型（FDM）快速成型機時將其設計計算分為四個部分：

（1）噴嘴掃描機構；（2）噴嘴轉閥機構；（3）原材料存儲及送進機構；（4）可升降工作臺。

2.1 噴嘴掃描機構

噴嘴掃描機構的功能：完成噴嘴在X-Y軸方向上的運動，使噴嘴能夠精確的按照電腦軟件事先設定好的程序運動。這樣它需要在X-Y軸面內能夠自由移動，首先需要有傳動裝置。其次還需要有導軌為其導向，并且有軸承來固定。

2.1.1 導軌的選擇

（1）導軌的作用。導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌跡運動并承受運動部件的重量和工作載荷。用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動高效耐用。

（2）導軌應滿足的要求。a.導向精度；b.精度保持；c.移動靈敏度和定位精度；d.低速運動的平穩性；e.抗振性和穩定性；f.剛度；g.機構工藝性。

由于噴嘴的最大噴絲速度為200mm/s，相用滑動導軌可以符合支撐板的運動要求。直線滑動導軌一般由若干個平面組成，為便于制造、裝配和檢驗，其平面數應盡量少。選擇截面形狀是應注意：導軌磨損量隨表面比壓增加而增加，設計時應盡可能使導軌面垂直于外力方向；導軌磨損后對導向精度的影響要小。

P2232后，選擇雙三角形組合的滑動導軌組合形式，因結構特點是：兩個三角形導軌同時起支撐和導向作用，對兩導軌平行度要求較。

導向精度高，承載能力大，磨損均勻，磨損后相對位置變化較小對機床精度影響少。不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向面間無間隙。能自行補償垂直及水平方向的磨損。不能承受大的側向力。由于上述特點，這種組合形式的導軌常用于高精度的機床。

2.1.2 傳動裝置的選擇

經對比選擇的是選螺旋傳動，由絲杠和螺母組成的螺旋副來實現傳動的要求，主要是將回轉運動變為直線運動，同時完成運動和動力的傳遞。

螺旋傳動按用途可分為：傳力螺旋；傳導螺旋；傳導螺旋；調整螺旋

在這里將各類螺旋傳動的特點和應用做個比較：

（1）滑動螺旋傳動。滑動螺旋傳動的特點：傳動效率低（通常為30%-60%）磨損快；降速傳動比大，具有增力作用，結構簡單，加工方便；易于自鎖；運轉平穩，但低速或微調時可能出現爬行；螺反向有空行程，定位精度和軸向剛度較差

（2）滾動螺旋傳動。滾動螺旋傳動的特點：摩擦阻力小，傳動效率高（一般在90%以上）。

結構復雜，制造較難；與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3，高速進給可能，螺母和螺桿經調整預緊，高精度的保證，可得到很高的定位精度（5μm/300mm）和重復定位精度（1-2μm），并可以提高軸向剛度；工作壽命長，不易發生故障；抗沖擊性能太差。

精密機床的進給、分度機構的傳動螺旋。

經過上面的比較，由于熔積成型（FDM）快速成型機屬于精密機械，將滑螺旋傳動排除了。從其特點，定位精度差，軸向剛度低，其不適合熔積成型（FDM）快速成型機。采用滾動螺旋傳動完全可以滿足本課題的探究。

2.1.3 軸承的選擇

（1）圓椎滾子球軸承特點：圓柱滾子軸承和深溝球軸承相似度大，但其承受能力更大，為向心推力結構，可同時承受軸向徑向力，但其相對轉速低。精度差。

（2）角接觸軸承特點：其一般特性為極限轉速較高，剛性好，成本低，精度高等特點可以同時承受徑向載荷和軸向載荷，是高速精密轉軸的理想支撐。單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向力，在承受徑向載荷時會引起附加軸向力，并施加相應的反軸向載荷，因此該種軸承都成對使用，接觸疲勞是角接觸軸承的主要失效形式。

（3）圓柱滾子軸承特點：屬于可分離型軸承，安裝拆卸比較方便，由其是當要求內外圈與軸，殼體都是過盈配合時更顯示其優點。徑向承載能力大，適用于承受重負。摩擦系數小，適合高速。內外圈，可分離，便于安裝拆卸。但對于此類軸承配合的軸，殼體孔等相關零件的要求較高。經比較選擇，確定選用角接觸球軸承，軸承型號為7206C

2.2 噴轉閥機構的探究

噴嘴轉閥機構功能：將絲狀材料勻速的運送到加熱器里，需要有齒輪將絲狀材料拉入加熱器中，因噴嘴的體積較小，所以需選用尺寸小尺的電機。

動輪與電機齒輪嚙合負責傳遞動力，從動輪在一個雙矩形組合導軌的支撐下，由螺栓和彈簧調整其在X方向上運動以便加緊絲狀材料。由于滾子與絲材之間的摩擦力的作用，使絲材向碰頭的出口送進。在噴嘴下方有加熱線圈負責加熱使絲狀材料熔化后流出。

2.2.1 伺服電機的選擇

選用雙矩形組合的導軌特點：（1）承載能力大，制造簡單；（2）側導向面用鑲條調整間隙，使接觸剛度降低，而且必須留有間隙，降低了導向精度；（3）寬式組合導向面之間的距離L較大，受熱后膨脹量較大，所以要求間隙大，導向精度和導向性能不如窄式組合；綜上所述，選用雙矩形組合的導軌。

2.2.2 傳感器的選擇

本次探究用于采集噴嘴溫度的傳感器。熱電偶是利用“熱電效應”制成的一種測溫元件。任何兩種不同金屬或合金都可以組成熱電偶，要求熱電極材料在測溫范圍內。

要求熱電性質穩定而不隨時間變化，不易氧化或腐蝕，有足夠強度，電阻溫度系數要小，電導率要高而電勢要大，且容易制造加工。熱電極的直徑根據材料的價格、強度、電導率，和要求惰性時間、壽命等來選擇，一般采用直徑為0.2～0.5mm。對于瞬時溫度的測量，考慮到熱慣性要小，常犧牲一些壽命來保證惰性時間短，一般采用0.01～0.03mm的材料，以獲得更小的熱接點。

4 結束語

我所探究的快速成型機是根據現市場要求所設計，通過對FDM技術的認識了解過程到FDM技術做出的原型件，從材料的性能到外觀，非常接近實際，所以在制造概念產品和驗證產品功能方面具有獨特的優勢。

參考文獻

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