并聯混色3D打印機設計與研究

呂　蒙，可心萌，牛晨旭，李春亞

(鄭州鐵路職業技術學院，河南　鄭州　451460)

0　引言

近年來，3D打印技術迅猛發展并得到了廣泛應用，它不同于傳統的減材制造方式，是一種通過將材料逐層累加而實現三維物體成型的增材制造技術[1]。3D打印幾乎涉及材料加工與制造的各大領域，目前可打印材料包括金屬、陶瓷、塑料、混凝土、生物體、食品等。根據“互聯網+3D打印”理念，可利用3D打印機直接將三維數字模型轉化為樣機實物，為未來市場提供了新的機會和商業模式[2]。

3D打印機從成型方式上分為以下幾種：材料層疊成型(LOM)、層壓制造技術(LLM)、熔融沉積成型(FDM)、紫外線光固化成型(SLA)等[3]。本文主要研究一種以樹脂和工程塑料為打印材料的FDM型3D打印機 。

1　并聯3D打印機結構及原理

基于FDM成型原理的并聯3D打印機主要包括機械本體部分、效應器運動結構、噴頭加熱及冷卻部分、擠出機及送料部分、熱床及打印托盤部分。

機械本體由兩個等邊三角形框架和三根立柱共同構成一個三角形棱柱，運動結構安裝在三角棱柱的內部[4]，如圖1所示。其中步進電機帶動安裝在立柱內側的滑塊移動，通過球形連桿機構將三個立柱上的豎直位移耦合為效應器平臺的三維運動，如圖2所示。這種并聯式耦合運動方式具有反應靈敏、運動速度快的特點[5]。

熱床安裝于三棱柱機械框架的底部，用于對打印零件底部進行加熱，防止打印材料冷縮翹曲；擠出噴嘴與加熱塊和散熱器安裝于效應器下方，用于產生恒定溫度，使打印材料能夠迅速融化并噴出，同時散熱結構能夠避免加熱頭過熱。擠出機安裝于機身外圍，由步進電機、送料齒輪和從動輪組成，使打印材料按照一定的速度進入加熱噴頭，完成固定速度和固定體積的材料擠出。

2　并聯3D打印機的設計

并聯式FDM型3D打印機主要包括機身結構框架、動力與傳動機構、擠出機與遠程送料機構、打印噴頭組件、打印平臺等部分。圖3為并聯式FDM型3D打印機整體裝配效果圖。

2.1　機體設計

機體采用正三角棱柱式并聯結構設計，上、下框架正三角形邊長為310 mm，立柱高度為640 mm，采用高強度鋁合金型材和角度連接件搭建，設計打印范圍為Φ200 mm×230 mm圓柱體，框架角部連接如圖4所示。其中限位開關采用側位安裝方式，可以在立柱高度保持不變的情況下增大打印高度將近20 mm，增大并聯打印機的體積利用率[6]。

圖1并聯3D打印機框架圖2并聯3D打印機運動結構圖33D打印機整機裝配效果圖圖4角部連接局部裝配圖

為保證打印精度與打印速度，采用臺灣上銀MGN12H直線導軌滑塊作為移動副，安裝于立柱內側立面。直線導軌滑塊上安裝有滑臺，用于固定傳動同步帶與球形連桿，其結構如圖5所示。

2.2　打印頭設計

打印頭安裝于效應器平臺下方，包括雙進料管接頭、雙進料散熱器、散熱器風扇、雙喉管、兩進一出混色加熱塊、加熱管、噴嘴、模型冷卻風扇、模型冷卻風扇風嘴，如圖6所示。采用兩進一出噴頭模式，支持打印單色、雙色、任意比例混色模型。

其中冷卻風扇為渦輪風扇，其作用是向冷卻風嘴提供較低溫度空氣氣流，氣流通過特殊設計的冷卻風嘴快速噴出，從而加速對當前打印層的冷卻，提高成型效果和精度。

2.3　打印平臺設計

打印平臺位于機體框架下部、底座框架上部，用于承載打印模型。圖7為打印平臺剖面圖，包括熱床加熱板、高硼硅玻璃托盤、磨砂托盤、可拆卸金屬薄膜層。

圖5導軌滑塊局部裝配圖圖6打印頭裝配示意圖圖7打印機平臺結構示意圖

最底層熱床加熱板為3D打印機打印平臺提供恒溫熱源，是打印平臺熱床的主要結構部件。熱床加熱板上方安裝一塊圓形高硼硅玻璃板，該層為導熱層和物理支撐層，用于承載打印模型。但考慮到玻璃材料表面較光滑，打印機噴嘴長期接觸或偶爾碰撞易損壞，因此一般不在高硼硅玻璃表面直接打印模型[7]。在高硼硅玻璃表面貼一層磨砂塑料托盤，使打印機噴嘴與平臺誤觸時可以起到緩沖作用。

目前，大多數3D打印機采用機械式開關作為調平傳感器，其精度和穩定性較差，調平效果不理想。為保證較高的調平精度，采用49點接觸導電式自動調平機構。調平時，在打印平臺上方平鋪一層金屬薄膜層并接調平探測端口陰極，同時打印機噴嘴接調平探測端口陽極，當噴嘴與平臺金屬薄膜層接觸時產生調平信號，調平結束后將金屬薄膜層取下即可。

3　并聯式FDM型3D打印機的優化與實驗分析

3.1　打印頭冷卻系統優化設計

基于FDM成型原理的并聯3D打印機整機具備三套獨立的強制冷卻系統：主板與驅動電路冷卻系統、打印噴頭散熱片冷卻系統和模型冷卻系統。

其中主板與驅動電路冷卻系統主要作用為幫助打印機主板和步進電機驅動芯片散熱降溫[8]。打印噴頭散熱片冷卻系統可以為噴頭散熱片和喉管散熱，防止喉管過熱后打印材料軟化堵塞送料管。模型冷卻系統包括安裝在效應器平臺上的渦輪風扇和風嘴，能夠在打印過程中實時對噴嘴噴出的材料進行冷卻，縮短熔融材料的固化時間，提高打印質量和打印精度。圖8為具備材料噴出冷卻和不具備材料噴出冷卻的模型成型對比。

3.2　實驗分析

3.2.13D打印實驗

對3D打印機設備的打印穩定性、可靠性和打印質量進行實驗，實驗過程中打印機最大無故障連續打印時間超過24 h，打印質量穩定、工作可靠，圖9為部分打印測試樣件。

3.2.2尺寸精度實驗

使用并聯3D打印機樣機對3個組次共15個固定尺寸的立方體和圓柱體進行打印成型，并對測量結果進行統計，統計結果如表1所示。由表1可見，打印精度不跟隨尺寸變化而等比例變化，且都為正偏差，打印精度滿足預期要求。

圖8模型冷卻開啟效果對比圖9打印測試樣件

表1　尺寸測量誤差統計表

4　結語

通過對并聯式混色3D打印機的重新設計和結構優化，包括機械結構設計、動力傳動部件設計、打印機效應器噴頭設計、自動調平硬件優化、打印機人機界面優化、冷卻系統結構優化，大幅度提高了并聯3D打印機的穩定性、可靠性，提升了3D打印機的易用性、打印質量和打印精度，為擴展3D打印機的應用領域奠定基礎。

參考文獻：

[1]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012(26)：3-5.

[2]杜鵬,王斌.淺析3D打印機的發展趨勢[J].中國信息科技，2014(7):37-39.

[3]劉欣靈.3D打印機及其工作原理[J].網絡與信息，2012(2)：30.

[4]王冰，彭斌彬.并聯機床結構分析[J].北華航天工業學院學報，2006(5):41-42．

[5]顧祎娜，朱方聞.淺析3D打印技術及其在機械專業教學中的應用[J].天津職業院校聯合學報，2016(12)：28-29.

[6]雷蔓，呂健，劉征宏，等.基于逆向工程與3D打印的工藝品保護與開發[J].制造業自動化，2014(5)：141-144.

[7]劉辛軍，汪勁松，高峰，等.并聯機器人機構新構型設計的探討[J].中國機械工程，2001(12):80-83．

[8]王瑞玲．3D打印機設計的初步分析 [J].電子制作，2013 (11)：28-29.