基于FDM 型3D 打印機機械結構設計及優化

邢小穎，馬 運，王龍兵，湯 彬，姚啟明，徐江波

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

隨著時代的進步，3D 打印技術也得到了進一步發展并跨入了一個全新的領域，新的信息和控制以及材料等技術不斷被廣泛應用到機械制造領域，3D 打印技術也將被推向各個領域。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 打印成品的表面質量、粗糙度和物理性能，以實現直接面向產品制造。本文設計的3D 打印采用FDM（Fused Deposition Modeling）熔融堆積成型技術，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，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，將噴頭內熔融狀態的材料按照當前層的輪廓軌跡數據噴射，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 3D 打印機結構設計

1.1 3D 打印機設計基礎和依據

1.1.1 設計參數

打印機運行尺寸：200 mm×200 mm×200 mm。打印的最大范圍：200 mm×200 mm×200 mm。電機的轉速：3 600 r/min。噴頭最大運行速度：80 mm/s。最大成型件質量：約為10 kg。Z向定位精度：0.01 mm。加熱板、絲杠以及直線導軌軸等的總質量：約10 kg。

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 ℃。

1.2 3D 打印機整體結構設計

打印機的結構材料主要是鋁合金，底座由4 個地腳和1塊鋁板構成，這樣的底座穩固性非常強，能保證打印機在工作的時候不會發生搖動而導致打印精度下降。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，總結構圖如圖1 所示。

圖1 3D 打印機總結構圖

從整體結構分析，地腳（如圖2 所示）連接底板保證其打印機的穩固性，底板上面連接的龍門（如圖3 所示）是打印機最重要的結構，此結構上面固定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，所以龍門結構既會受到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定性。

圖2 地腳圖

圖3 龍門

圖4 拉筋

1.3 底座支架結構設計

底座支架結構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）的導槽與底座的光桿導套連接，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。

圖5 同步帶支架

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。

圖6 光杠支架

1.4 X 軸方向運動的優化設計

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，但在低速或微調時可能出現爬行，螺紋有側向間隙，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%），預緊力小，軸和軸承負荷小，單位長度質量很小，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，保證噴頭能平穩運動。同步帶傳動通過左邊的電機帶動同步帶輪完成。

1.5 Z 軸升降系統設計

Z軸方向的主要構件有電機L 板（如圖7 所示）、絲杠、光杠和上端L 板，這些構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，通過聯軸器驅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性能。采用步進電機驅動、精密滾珠絲杠傳動和精密導軌導向，步進電機配合細分驅動電路，直接連接滾珠絲杠來實現高分辨率驅動，消除中間齒輪傳動，減小了尺寸和傳輸誤差。

圖7 電機L 板

圖8 X 軸右端固定支架

圖9 X 軸左端固定支架

2 3D 打印機主要構件受力分析（X 方向光杠的受力分析）

當光杠、絲杠等構件工作時，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生變化，為保證光杠、絲杠正常工作，應有足夠的承受載荷的能力，因此，它應該滿足強度要求、剛度要求、穩定性要求。若構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，不能保證工程結構或機械安全工作。也不應不恰當地加大橫截面尺寸或選用優質材料，這樣會增加成本造成浪費。對構件進行必要的受力分析，在滿足強度、剛度和穩定性要求的前提下，為設計既經濟又安全的構件提供必要的理論基礎和計算方法。進行機械設計或工程結構設計時，要判定零件或構件受載后的工作應力，需要預先確定衡量的標準，這個標準就是許用應力。因此要對零件或構件進行許用應力校核，凡是零件或構件中的工作應力不超過許用應力時，這個零件或構件在運轉中是安全的，否則就是不安全的。光桿的受力與剪切如圖10 所示。

圖10 光桿的受力圖

光桿長為266 mm。根據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，所以被截取的左段桿也同樣保持平衡狀態。

令a=100 mm，b=166 mm，F=3 N。

取X1=0.08，求出噴頭力作用在X1點處時剪力和彎矩的大小：

取X2=0.12，求出噴頭力作用在X2點處時剪力和彎矩的大小：

對導軌再一次進行核對、校核、驗證，經過檢驗導軌剛度，最終得出總誤差為0.72 μm，查表知6 級精度導軌允許誤差13 μm，因此剛度足夠，保證在合理范圍內。

3 結論

對 FDM 型3D 打印機機械結構進行設計，基于Solidworks 軟件對框架結構底座支架及X軸方向運動的優化和Z 軸升降系統進行了設計，最后對機械部分總體進行裝配，對導軌的受力進行再一次計算，保證在合理范圍之內。3D 打印機成本較低，也可以應用學校教學，對今后3D 打印機的普及起到很大作用。