一種FDM式3D打印機(jī)的新型半自動卸料打印平臺設(shè)計

黃 海，趙天嬋

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞523419）

0 引言

近年來，以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)將成為引領(lǐng)未來制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式[1]。其中FDM技術(shù)，即熔融沉積快速成型技術(shù)，因具有成型速度快、成本低、成型精度高等特點，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，是3D打印技術(shù)中最具發(fā)展前景的成型技術(shù)之一。

在對FDM式3D打印機(jī)的研究過程中，發(fā)現(xiàn)3D打印機(jī)的打印平臺是比較重要的部分。打印平臺又稱底板或基板，是為打印件初始層提供粘附和支撐作用的基礎(chǔ)平臺。如果打印平臺不能有效粘附打印件，將會出現(xiàn)打印件底邊翹起問題。如果打印平臺與打印件粘結(jié)太過牢固，打印件將難以拆卸。

1 常見FDM打印平臺對比分析

常見的FDM打印平臺有以下幾種：

（1）玻璃板熱床平臺：如圖1所示，這類平臺由熱床、玻璃面板和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，是目前市面上最常見的打印平臺。通過熱床加熱，使打印材料保持在玻璃態(tài)或高彈態(tài)，從而使打印材料粘附在玻璃面板上。但由于玻璃表面過于光滑，與打印材料粘附不勞，需要使用膠水或美紋紙等輔助耗材增強(qiáng)粘附力。當(dāng)總粘附力不足以抵抗打印件收縮力時，會出現(xiàn)打印件底邊翹起問題。當(dāng)總粘附力大于打印件收縮力時，則出現(xiàn)打印件不易拆卸的問題。

圖1 玻璃板熱床平臺

（2）鋁基板熱床平臺：如圖2所示，這類平臺由鋁基板熱床和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，常用于創(chuàng)客及DIY愛好者自制的3D打印機(jī)。通過將熱床電路印刷到鋁基板上，實現(xiàn)熱床與鋁合金面板融為一體，簡化了結(jié)構(gòu)的同時提高了加熱速度。但由于鋁基板表面的氧化鋁薄膜不易粘附打印材料，也需要使用美紋紙或耐高溫膠帶等輔助耗材。與玻璃板熱床平臺情況相同，鋁基板熱床平臺也存在打印件底邊翹起和打印件不易拆卸的問題。

圖2 鋁基板熱床平臺

（3）亞克力板平臺：如圖3所示，這類平臺由亞克力面板和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，常用于國外進(jìn)口的3D打印機(jī)。亞克力材料與打印材料同為塑料材質(zhì)，經(jīng)打印機(jī)噴頭加熱后兩者之間呈現(xiàn)浸潤粘結(jié)[2]形式。這種粘結(jié)形式下，打印件與亞克力面板粘結(jié)十分緊密。當(dāng)打印件底面積較大時，即使用鏟子和錘子也難以拆卸，而且容易損壞打印件和打印平臺。因此，適當(dāng)減小打印件底面與平臺的接觸面積，可以降低卸料難度。圖2中，亞克力板平臺上表面的多個圓形凹槽，就是為減小接觸面積而設(shè)計的。相比另外兩種平臺，亞克力板平臺存在的問題主要是卸料困難。

圖3 亞克力板平臺

通過對比分析，這三種常見打印平臺存在的打印件翹邊問題或打印件不易拆卸問題。其中打印件翹邊問題，主要是因為打印材料與平臺表面的粘附力不足以抵消打印材料收縮力造成的。而亞克力材料的浸潤粘結(jié)特性，恰好可以有效解決這個問題。因此，只需解決打印件拆卸困難的問題。

本文主要針對打印件拆卸困難問題，進(jìn)行打印平臺的改進(jìn)研究。主要從以下三方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）減少打印平臺與打印件之間的接觸面積；（2）改進(jìn)平臺結(jié)構(gòu)，采用杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)省力卸料；（3）通過3D打印機(jī)Z軸的驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)自動卸料功能。由于自動卸料后，打印件與打印平臺仍有部分粘連，需要進(jìn)行手動拆除，因此稱為半自動卸料平臺。

2 半自動卸料平臺結(jié)構(gòu)介紹及工作原理

半自動卸料平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中板塊平臺為核心組件。板塊平臺由兩根支撐軸以及多個板塊零件、軸承、定位塊、定位擋圈等零件組成。為減少平臺與打印件之間的接觸面積，采用多個板塊零件共同組成打印平臺。板塊零件（如圖5所示）為類似“P”形的長條狀零件，材料為亞克力，厚度為7 mm.通過軸承連接，將板塊零件有孔端與支撐軸裝配在一起。板塊零件的細(xì)長端搭靠在另一根支撐軸上，且末端突出一小段。板塊零件之間首尾交錯，并排安裝在支撐軸上。這些板塊零件將打印件與平臺的接觸面積分割成多個較小的獨立接觸面積，可以逐一進(jìn)行拆卸，降低手動拆卸難度。每兩個板塊零件之間用瓦狀定位塊定位，確保板塊之間有固定的間隙，既可以減少打印件與平臺的接觸面積，又可以減少板塊之間的摩擦。定位擋圈共有4個，用無頭螺釘固定在支撐軸上，分別裝在板塊平臺兩側(cè)，對整個板塊平臺位置進(jìn)行定位。

圖4 半自動卸料平臺結(jié)構(gòu)圖

圖5 板塊零件圖

頂拆板截面呈倒T形，固定安裝在底板上。自動卸料時，板塊零件突出的一小段將與頂拆板凸脊接觸，實現(xiàn)杠桿結(jié)構(gòu)。

Z軸傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)連接支撐軸與3D打印機(jī)Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)，將Z軸電機(jī)的驅(qū)動力傳遞到板塊平臺上，為自動卸料提供驅(qū)動力。

半自動卸料平臺工作原理如下：

（1）打印開始前，3D打印機(jī)各軸回零。在Z軸回零過程中，板塊平臺沿Z軸向上運(yùn)動，板塊零件依靠自身的重力自動復(fù)位，使平臺上表面恢復(fù)平整。

（2）打印期間板塊平臺上表面一直保持水平。

（3）當(dāng)模型打印完成后，整個打印平臺一直向下運(yùn)動，下降到設(shè)定的位置才停止。平臺下降過程中，板塊零件突出的部分與頂拆板凸脊逐漸接觸并被頂起，打印平臺上表面由平面逐漸變成了V字形（如圖6所示）。粘附在平臺上的打印件，其底面與平臺逐漸剝離，從而實現(xiàn)自動卸料。

圖6 半自動自卸料平臺（卸料狀態(tài)）

（4）打印平臺停止下降后，自動卸料步驟結(jié)束。此時，打印件底面大部分已經(jīng)與平臺分離，但仍有部分未分離，需要手動將打印件拆下。

3 自動卸料時的受力分析

為驗證半自動卸料平臺在自動卸料時的省力效果，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)作受力情況簡圖，如圖7所示。圖中兩條斜線段表示兩個板塊零件；兩個三角形表示頂拆板；兩個小圓表示兩根支撐軸，兩個小圓的圓心為板塊零件的旋轉(zhuǎn)中心；F1、F2表示打印機(jī)的自動卸料所需的拆卸力。

圖7 自動卸料受力情況簡圖

以底面為30 mm×30 mm的打印件為例，令打印件在平臺正中心。故兩個板塊零件受力情況相同，取其一作受力分析圖，如圖8所示。L=300 mm為單個板塊零件的臂長；l=30 mm為打印件底邊長度；l1=（300+30）/2=165 mm為有效拆卸臂長；R為打印件與平臺的粘結(jié)強(qiáng)度；F1為單個板塊零件所需的拆卸力。為測得粘結(jié)強(qiáng)度R，在相同亞克力材料的平臺上，使用相同打印材料打印一個底面為30 mm×30 mm的打印件。然后用粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀測量打印件從平臺剝離瞬間所需的最大力值，即為粘結(jié)力X值。經(jīng)多次測量，取最大粘結(jié)力X值為0.265 kN.

根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度公式：

即打印件與平臺的接觸面，每平方毫米需要0.294 N才能拆卸。

根據(jù)杠桿原理可以近似得出：

注，S為打印件與單個板塊零件的接觸面積；7為板塊零件寬度。

則，拆卸整個打印件需要的力：

注：0.5為板塊零件直接的固定間隙值0.5 mm.

若在相同粘結(jié)強(qiáng)度情況下，普通亞克力平臺拆卸該打印件所需的拆卸力：

圖8 打印件拆卸時受力分析圖

根據(jù)式（3）和式（4）可以得省力比 P：

即同樣拆卸底面為30 mm×30 mm的打印件，半自動卸料平臺只需要普通平臺拆的0.17倍拆卸力即可拆卸，省力效果明顯。

4 半自動卸料平臺拆卸效果

目前半自動卸料平臺已經(jīng)制作完成（如圖9所示），經(jīng)過實際打印測試，半自動卸料效果良好。由于加工工藝不完善，導(dǎo)致實際制作的打印平臺上的表面不平整。為了避免打印件底面不平整，所以需要打印底板（如圖10箭頭所指部分）。模型打印完成后半自動卸料的效果如圖10（a）所示，此時模型底板大部分已經(jīng)與板塊平臺分離，僅一根板塊零件與模型底板粘連。手動拆卸效果如圖10（b）所示，徒手就能將模型取下，然后將底板撕下來即可。可以看到拆卸后的底板保持完好，沒有殘留在打印平臺，方便下次打印。模型底面比較容易與底板分離，且模型底面很平整。總體拆卸效果符合預(yù)期。

圖9 半自動卸料平臺

圖10 打印件拆卸后效果圖

5 結(jié)語

研制的3D打印機(jī)半自動卸料平臺，采用亞克力材料板塊零件組成的杠桿機(jī)構(gòu)平臺，解決了常見平臺存在的卸料困難問題，并實現(xiàn)了半自動卸料。后續(xù)可以完善平臺加工工藝，以提高3D打印效率。