桌面三維打印機的設計

□ 麥恒嘉 □ 周志軍 □ 劉 軼

共享智能裝備有限公司 銀川 750021

1 設計背景

三維打印技術是一種快速成型技術,已經廣泛應用于工業、航空航天、教育、醫療等諸多方面。三維打印最突出的優點在于可快速打印復雜產品,縮短研發驗證周期。當前,三維打印機設備多用于工業鑄造領域,能夠滿足工業上高效低成本生產的要求,但涉及消費者、教育等領域的三維打印機設備較少。市面上針對消費者、教育領域的三維打印機主要以熔融沉積技術、立體光固化成型技術為主,這些設備成本低,可滿足部分需求,但是受限于材料。基于當前情況,面向消費者、教育、創客等領域的桌面三維小型打印設備急需被設計應用。基于桌面三維打印機設備設計上需要綜合考慮打印速度、精度、可靠性、成本等問題,需要設計并完善控制系統和核心結構。

2 成型原理

一個完整的三維打印成型流程如圖1所示。打印前需要先利用軟件建模,然后將建立好的模型進行部分修改優化,增加一些定位、測量、抓取等方便操作的輔助特征。接著,用布圖軟件將多個模型合理放置在有效打印空間中,最后進行切片并打印。打印時,先由鋪粉器沿一定方向運動,在打印平臺上形成一層平整的粉料。打印頭根據模型截面形狀選擇性地噴射液料到平整的粉料平面上,然后打印平臺下降一定高度,重復進行鋪粉、打印、平臺下降工作,最終完成整個模型的成型。噴射到液料的模型截面會固化,未噴射到液料的粉料對模型成型起到支撐作用。待模型固化后,取出固化的模型進行后續處理,回收并利用未被粘接的粉料。

▲圖1 三維打印成型流程

3 設計要求

3.1 功能滿足要求

為了滿足打印功能,桌面三維打印機的運動系統需要包括X軸、Y軸、Z軸、鋪粉部件、打印部件。X軸、Y軸用于驅動打印部件,使其在平整的粉末平面上選擇性地噴射液料。Z軸用于驅動工作平臺上升或者下降,實現三維立體模型的打印成型。鋪粉部件用于將粉末材料一層層鋪在工作平臺上。

3.2 安裝及維護便捷

由于桌面三維打印機定位面向教育、創客、個人等,因此設備安裝、維護便捷性顯得十分重要。當前應用于工業鑄造的三維打印設備維護工作量相對較大,需要對設備定期保養,更換關鍵零部件,而這些維護操作有嚴格的要求,需要專業人員完成。如果桌面三維打印機依然需要這些維護保養操作,顯然是不合理的,不僅會造成后期成本增加,而且會使設備競爭力減小,受眾范圍變窄。

3.3 鋪粉方式簡單

鋪粉機構是桌面三維打印機核心部件,鋪粉質量的好壞直接決定最終打印產品的質量。鋪粉主要有供料、抹平兩個基本動作組成,供料方式主要有振動連續供料、星形輪連續供料、供粉缸集中間歇供料,抹平方式則采用刮板或者輥子形式對供給的粉料抹平在工作平臺上,最終形成平整的粉料平面。桌面三維打印機采用供粉缸供料、輥子抹平的方式,這樣避免了振動產生的噪聲,并且可以簡化供料結構。

3.4 設備質量輕、體積小

桌面三維打印機面向教育等機構,其占用空間不能過大。一般教室門寬標準為86 cm,因此設備寬度不能超過86 cm,才能保證順利搬入室內。此外,為了搬運方便,設備質量不能超過50 kg。

3.5 設備運行精度

桌面三維打印機設計時需要綜合考慮設備成本、設備效率、設備精度。基于桌面三維打印機的X、Y軸運動系統采用同步帶傳動形式,可以兼顧精度及成本。Z軸運動系統采用同步帶結合絲杠形式。

4 結構設計

4.1 總體結構

整個桌面三維打印機由框架、打印頭、鋪粉機構、成型箱、供粉箱,以及X、Y、Z軸運動系統組成。

框架需要支撐整個設備,框架在設計上需要考慮強度、可裝配性以及其加工制作成本。框架的穩定性直接影響設備的精度,其設計尤為重要。為了在一定程度上節約成本,框架采用成品鋁型材制成,鋁型材具有質量輕、耐腐蝕、加工組裝簡單的特點。

運動系統如圖2所示。將X軸安裝在Y軸運動系統上,Y軸運動系統分布在X軸兩側,對X軸運動系統起支撐作用。打印頭安裝在X軸運動系統上,沿X方向運動。Y軸運動系統安裝在鋁型材框架上。鋪粉系統在X軸導軌下部,由電機驅動鋪粉輥轉動。Z軸運動系統分別位于成型箱以及供粉箱下部,分別驅動成型箱與供粉箱底板上升、下降。

▲圖2 運動系統

成型箱及供粉箱的設計需要綜合考慮精度與成本,由于桌面三維打印機體積小,可以考慮采用一整塊材料加工出兩個箱體,也可以采用幾個零件組裝而成。

4.2 各部分結構

框架所使用的鋁型材屬于韌性材料,對于韌性材質梁,當其危險截面上的最大正應力達到屈服強度時,即發生失效。校核強度時,先計算型材上的最大彎矩,再計算出最大應力,將最大應力與許用應力對比,即可判斷鋁型材強度是否滿足使用要求。另外,也可以采用相關分析工具進行模擬仿真,用以校核鋁型材框架的強度。使用靜應力仿真模型,對模型施加對應的材質、載荷等,劃分網格后模擬應力及變形情況,最終仿真情況如圖3所示。對比最大應力與許用應力,其設計符合要求。

▲圖3 框架仿真

打印頭是決定打印產品質量好壞的關鍵部件。打印頭要求能夠連續穩定噴射液料,否則可能出現打印的產品質量不合格的情況。桌面三維打印機選擇當前主流數字噴碼機上使用的打印頭,該噴頭得到廣泛驗證并大量推廣使用,具有良好的噴墨穩定性。此外,為了維護方便,將打印頭設計為可拆裝結構形式。打印頭部件主要有打印頭卡夾、打印頭及打印頭連接鈑金。打印頭卡夾上有彈簧及卡扣組件,可以實現快速安裝、拆卸打印頭。桌面三維打印機選用熱發泡噴墨原理的噴頭,集成墨盒,可以省去供墨系統及負壓系統。打印頭連接鈑金與X軸滑塊進行連接,可以實現打印頭掃描運動。

X軸包括X軸型材橫梁,橫梁上安裝有滑軌,滑軌上的滑塊與打印頭組件固定,同時滑軌上部有同步帶。將同步帶與滑塊固定,即可實現同步帶帶動X軸滑塊沿X方向運動。

Y軸驅動系統采用一側驅動、一側從動的方式。兩側分別安裝導向光軸與直線軸承,導向光軸對X軸起支撐以及導向作用。在一側導向光軸旁邊安裝同步帶傳動系統,步進電機驅動同步帶運動,進而帶動X軸運動。

Z軸升降機構如圖4所示,分為供粉箱、成型箱兩個升降機構,兩個機構組成相同。供粉箱與成型箱通過中間隔板分開,四周側壁直接使用成品鋁板組合而成。兩個箱體中間有活動底板,活動底板沿著四周側壁上升或者下降。固定底板位于兩個箱體的底部,固定底板上安裝同步帶傳動系統及絲杠傳動系統。同步帶傳動系統末端的從動輪通過絲母座與絲杠螺母連接,絲杠螺母與絲杠配合,絲杠螺母可以旋轉,從而驅動絲杠上下移動。同時,在絲桿兩側設計導桿進行導向。供粉箱和成型箱的位移速度要求較低,故在設計時選擇不同齒數的主動輪與從動輪,主動輪齒數少于從動輪齒數,在同步帶傳動下實現減速,增大輸出力矩。步進電機驅動主動輪旋轉,經過減速后,從動輪帶動絲杠螺母轉動,絲杠進而帶動活動底板上升或者下降。為避免因為鋪粉過程中粉料散落在成型箱外,造成粉料供應不足的問題,供粉箱的最大容積大于成型箱的最大容積。

▲圖4 Z軸升降機構

鋪粉機構安裝在X軸型材橫梁下部,在沿Y軸運動的同時自轉,對供粉箱推出的粉料進行鋪平、緊實。

5 結束語

桌面三維打印機成本較低,更適合面向大眾推廣,是三維打印機發展的一種趨勢。當前市場上的三維打印設備主要面向工業鑄造,缺少面向教育等消費者的桌面三維打印機。具有體積小、成本低、布局靈活方便等特點的桌面三維打印機尤其適用于高校、家庭等,可以推動三維打印機走向更廣闊的市場,促進三維打印行業的發展。