金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

曾齊高，羅飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳518040；3.深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060）

1 引言

為滿足日益苛刻的工業(yè)低成本和高性能要求，結(jié)合快速成型技術(shù)和金屬粉末注射成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，深圳大學(xué)李積彬教授提出了粉末冶金快速成型敏捷制造概念[1]，用金屬粉末材料制造產(chǎn)品樣品零件，從而降低成型機(jī)成本，提高零件機(jī)械性能。

金屬粉末3D打印成型技術(shù)是基于粉末冶金快速成型敏捷制造概念而提出并升級的新技術(shù)、新工藝[2]，是集金屬粉末注射成型技術(shù)和快速成型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)而提出的一項(xiàng)新工藝[3]。

金屬粉末3D打印裝備的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)金屬粉末3D打印工藝的基本保證，也是驗(yàn)證金屬粉末3D打印工藝可行性的重要保障。金屬粉末3D打印裝備系統(tǒng)開發(fā)可分為4個層次，最高層為工藝原理層，其次為軟件系統(tǒng)，再其次為控制系統(tǒng)層，最底層為機(jī)械系統(tǒng)層[4]。

本文旨在解決金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)是裝備的關(guān)鍵所在，是裝備功能實(shí)現(xiàn)的保證。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

金屬粉末3D打印機(jī)開發(fā)的本質(zhì)，就是根據(jù)工藝原理的需要構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)工藝過程的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。裝備總體設(shè)計(jì)是一個全局性的重要問題，設(shè)計(jì)時一方面要考慮裝備本身的內(nèi)在因素，另一方面要考慮產(chǎn)品的外部因素，如環(huán)境和人等。另外，它還必須具有外形美觀、比例協(xié)調(diào)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，做到機(jī)器、環(huán)境和人達(dá)到最佳的統(tǒng)一效果。

金屬粉末3D打印機(jī)的機(jī)械本體主要包括兩個部分：一是金屬粉末堆積快速成型裝置——三維快速成型平臺；二是金屬粉末擠出裝置——單螺桿擠出裝置，如圖1所示。

圖1 金屬粉末3D打印機(jī)機(jī)械本體

3 三維快速成型平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維快速成型平臺是金屬粉末擠出堆積快速成型裝備的一大核心裝置，是提供金屬成型零件尺寸及形狀精度的保證。成型平臺從功能上可分為XY聯(lián)動平臺和Z軸滑臺兩部分。目前，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲桿進(jìn)給系統(tǒng)仍是快速成型伺服系統(tǒng)主要的驅(qū)動裝置，如圖2所示，其加速度可以達(dá)到1g，進(jìn)給速度可以達(dá)到40～60m/min，定位精度20～50μm。

3.1 XY聯(lián)動平臺設(shè)計(jì)

XY聯(lián)動平臺是三維快速成型平臺一大關(guān)鍵部件，根據(jù)零件模型的每一層輪廓信息，按照一定的規(guī)律運(yùn)動要求，可以插補(bǔ)出任意所需的軌跡，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。XY聯(lián)動平臺技術(shù)參數(shù)如下：

X軸有效行程：300mm；Y軸有效行程：400mm；X軸 負(fù) 載：30kg；Y軸 負(fù)載：15kg；重復(fù) 定 位 精度：0.01mm；最大運(yùn)動速度：40mm/s；最大加速度：1g。

圖2 滾珠絲桿傳動系統(tǒng)原理圖

圖3 XY聯(lián)動平臺

X、Y滑臺驅(qū)動裝置是由伺服電機(jī)+滾珠絲桿+直線導(dǎo)軌組成，是一個將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的典型裝置，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。滑臺的側(cè)面均安裝有光電限位開關(guān)，運(yùn)動過程中，實(shí)現(xiàn)正負(fù)限位，以及原點(diǎn)定位功能，方便對其實(shí)行運(yùn)動控制及實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控。

XY聯(lián)動平臺從結(jié)構(gòu)上由X軸直線滑臺模塊，Y軸直線滑臺模塊組成，所以設(shè)計(jì)以及制造裝配的過程也是按兩個單獨(dú)的模塊進(jìn)行。直線滑臺模塊的設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)所承受的負(fù)載選擇伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲桿副、直線導(dǎo)軌副、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件的型號。

以X軸滑臺模塊設(shè)計(jì)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入：X軸行程為300mm，負(fù)載為30kg，最大速度要求40mm/s，最大加速度要求1g，重復(fù)定位精度0.01mm。根據(jù)計(jì)算后選擇電機(jī)為松下400W伺服電機(jī)，型號為：MHMD042P1C；采用威遠(yuǎn)滾珠絲桿副，型號為：LL2005-3-P5-520X605；HIWIN直線導(dǎo)軌，型號為：HGW15CA2R700ZAH+DD/E2。根據(jù)所選的標(biāo)準(zhǔn)件然后設(shè)計(jì)其他一些零部件，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。為了減輕整個裝備的重量，并且由于滑臺模塊負(fù)載較小，所以除標(biāo)準(zhǔn)件外的一些其他零件的材料均選用鋁合金。

圖4 直線滑臺模塊

由于Y軸滑臺模塊與X軸滑臺模塊設(shè)計(jì)思路一致，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)也是相差無幾，所以其設(shè)計(jì)過程不再贅述。

3.2 Z軸滑臺

三維快速成型平臺中另一關(guān)鍵部件即為Z軸滑臺模塊，擠出裝置經(jīng)噴嘴擠出的熔融狀絲材在成型臺面上成型完一層后，擠出裝置需沿Z軸向上移動一個單位的行程，此過程即需要Z軸滑臺模塊來實(shí)現(xiàn)。

由于整個螺桿擠出裝置安裝在Z軸滑臺上，所以其負(fù)載較大，并且行程要求不高。其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Z軸行程：150mm；Z軸負(fù)載：80kg；重復(fù)定位精度：0.01mm；最大運(yùn)動速度：40mm/s；最大加速度：1g。

Z軸滑臺模塊驅(qū)動裝置同樣采用伺服電機(jī)+滾珠絲桿+直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，所以其設(shè)計(jì)過程同X、Y軸滑臺模塊相似，但是由于負(fù)載較大，并且為垂直方向，因此根據(jù)計(jì)算選擇電機(jī)為松下400W伺服電機(jī)，型號為MHMD042P1C（帶抱閘）；由于其行程較短，選擇滾珠絲桿副型號為威遠(yuǎn)LLZD2005-3-P5-270X400，直線導(dǎo)軌副型號為HGW25CA2R580ZAH+DD/E2。為了保證Z軸滑臺模塊的剛度要求，其大部分零件材料采用45鋼，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 Z軸滑臺模塊

4 單螺桿擠出裝置

金屬3D打印機(jī)中核心部分即為單螺桿擠出裝置，它是熔融絲材制備裝置，堆積快速成型的前提保證。單螺桿擠出裝置主要由螺桿、料筒、噴嘴、螺桿驅(qū)動裝置、支承裝置等幾大部分組成，詳細(xì)設(shè)計(jì)見曾齊高的《金屬3D打印機(jī)的擠出裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[5]。

5 裝備機(jī)架

裝備機(jī)架主要包括大理石平臺，龍門架，電控箱組成。如圖6所示，大理石采用1級精度，龍門架主體采用槽鋼焊接，電控箱采用方通焊接。

圖6 裝備機(jī)架

6 結(jié)論

本文闡述了金屬粉末擠出堆積快速成型裝備機(jī)械系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)過程，其中主要包括三維快速成型平臺、單螺桿擠出裝置和裝備機(jī)架三部分的設(shè)計(jì)。

三維快速成型平臺包括XY聯(lián)動平臺，Z軸滑臺兩部分組成，是擠出堆積快速成型工藝實(shí)現(xiàn)的保證。單螺桿擠出裝置的核心零件螺桿，料筒，噴嘴，螺桿驅(qū)動裝置以及螺桿支承裝置，軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及壽命計(jì)算。裝備機(jī)架的大理石平臺，龍門架結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)。