基于FDM工藝的多功能3D打印機結構設計

摘" 要：該文針對傳統3D打印機對于零部件的打印精度、加工效率以及許多異形曲面結構打印難以達到加工需求，且設備在運作時還會發熱振動，產生噪音等問題進行優化，采用Creo軟件設計一種基于熔融沉積制造（FDM）工藝且具備打印、打磨、清掃功能的3D打印機，并對多個零部件3D模型進行仿真和力學分析，分析噴頭的溫度場分布及五孔連接蓋板、腳墊支架的受力分布。結果表明，該設計可實現減少耗材，降低發熱振動，有效提高打印精度，縮短打印時間，結構穩定合理，具有較好的推廣應用價值。

關鍵詞：FDM；3D打印機；多功能；結構設計；3D模型

中圖分類號：TH113" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0046-04

Abstract： In this paper， aiming at the problems such as the printing accuracy and processing efficiency of the parts and parts of the traditional 3D printer， the printing of many special-shaped curved surfaces are difficult to meet the processing requirements， and the equipment will heat， vibrate and generate noise during operation， a 3D printer based on fused deposition manufacturing （FDM） process is designed by using Creo software， which has the functions of printing， polishing and cleaning. The 3D models of several parts are simulated and mechanically analyzed， and the temperature field distribution of the sprinkler and the force distribution of the five-hole connecting cover plate and the foot cushion bracket are analyzed. The results show that the design can reduce consumables， reduce heating vibration， effectively improve printing accuracy， shorten printing time， stable and reasonable structure， and has a good value of popularization and application.

Keywords： FDM; 3D printer; multi-function; structural design; 3D model

隨著中國等一批新興國家不斷向該領域進軍，3D打印技術逐漸成為一種重要的制造方法。3D打印機不僅可以打印出不同硬度、不同柔韌性、不同顏色和不同透明度的物品，而且打印出的這些不同性能的物品在模具制造、醫療、鞋業等不同產業都得到了廣泛的應用。但目前，我國采用的傳統3D打印技術存在產品質量差，打印時間長及材料利用率低等問題，制約我國3D打印技術的發展[1]。本文擬對3D打印機的機械結構進行設計，在綜合考慮性能與經濟性的基礎上完成對其零部件的討論與仿真。

1" 設計思路

1.1" FDM打印原理

FDM型3D打印機主要通過分層制造、層層疊加的制造方法成型，使用的原料通常是如ABS、PLA等熱塑性材料。打印原理如圖1所示，通過使用Creo軟件設計出需要打印的三維模型的尺寸及形狀；然后在切片軟件中載入該模型，設置相應參數[2]，并通過SD卡輸入接口導入后，材料通過擠出機構被送進熱熔噴頭并加熱到一定溫度使其熔化，讓噴頭沿預設模型截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半熔融狀態的材料按軟件分層數據所編寫的控制路徑擠出并沉積在指定的位置凝固，層層堆積成形[3]。整個過程往復循環，最終形成所需打印的物體。

1.2" 結構設計方案

打印機為基于FDM型的十字架優化結構，如圖2所示，其結構材料主要是鋁合金。如圖2所示，機械結構系統主要包括機構系統和傳動系統兩大組成部分。機構系統采用多功能轉換器（打印噴頭、打磨器和粉刷頭），具有制作、打磨、清掃三功能合一；設計有搖籃式擺動平臺，可實現特殊復雜曲面的打印工作，無需添加額外結構支撐，減少耗材，滿足日用及工業生產等多樣化需求；配有滾筒式置放架，便于PLA材料的裝拆，并與擠出機結構相近，使得整機設計結構緊湊。傳動系統采用5自由度設計，x，y，z向為平移自由度，u，v向為旋轉自由度，以此組成升降和移動結構，可減少摩擦阻力，實現噴嘴y方向左右移動；移動工作臺底座x向前后移動有更快的速度；工作臺面基底u向具有更靈活的擺動，v向具有更快的轉動速度；z軸為螺旋軸，絲桿旋轉，帶動噴嘴支架實現升降，使打印噴嘴精確定位。

2" 機械結構設計

2.1" 機身底座結構設計

本3D打印機的機身基底包括框架基底（圖3），框架基底的兩側中部設有2個豎直的方形立柱（圖4），底部設有UPS電源、開關按鈕和蓄電池。兩個豎直的方形立柱頂部架設有水平的方形立柱，2個豎直的方形立柱內側設有z軸向絲杠；其中1個豎直的方形立柱頂部設有置放架，框架基底由4塊30 mm×30 mm×700 mm鋁板通過螺釘進行鉚接構成；方形立柱由3塊鋁板通過五孔連接蓋板和螺絲連接立于框架基底的左右兩邊中部，組成700 mm×700 mm×700 mm的整機框架；絲材置放架由2個圓錐形空心滾筒構成，通過螺絲固結于方形立柱上方右頂角，絲材與方形立柱側面的擠出機相連；腳墊支架位于框架基底四端位置，使底座穩固性較強，能保證打印機在工作時不會發生搖動而導致打印精度下降[4]。

2.2" 多功能轉換器設計

本設計中的多功能轉換器是一種集合了制作、打磨和清掃三種功能的裝置，如圖5所示，主要由打印噴頭、打磨器和粉刷頭組成。它通過雙軸套支架固定在光滑的x軸組件上并由u方向的短軸控制，可實現不同的功能結構進行轉換，減少工件加工和加工機械切換的次數，同時保證3D打印機準確的定位和穩定的工作狀態。

2.3" 搖籃式擺動平臺設計

3D打印機設計難點在于打印物體如何實現自身的旋轉與傾斜。為實現物體的旋轉、傾斜，設計其打印平面進行一定角度傾斜。本設計在傳統三軸的基礎上增加v擺動軸和w旋轉軸，如圖6所示，分別是通過舵機控制擺動架的轉動方向和42電機控制熱床旋轉方向。該搖籃式擺動平臺位于移動底座上，底座通過軸套滑塊連接于2個y軸向光軸上方位置，擺動平臺位于移動底座上的雙立式支架處，旋轉熱床工作臺位于擺動平臺中間位置。當打印曲面時，控制器控制u軸向步進電機和v軸向步進電機，使旋轉熱床工作臺與擺動平臺按照預設位置轉動，可實現特殊復雜曲面的打印工作，無需添加額外結構支撐，減少耗材，滿足日用及工業生產等多樣化需求。

3" 仿真驗證

在實踐應用中往往需要分析溫度場、應力場等多種物理場的綜合問題。本設計采用Creo軟件設計了3D打印機噴頭、腳墊支架和五孔連接蓋板3D模型，并進行溫度場仿真分析及應力場求解，分析了噴頭的溫度場分布和五孔連接蓋板、腳墊支架的受力分布，根據分析結果驗證本結構設計的可靠性[5]。

3.1" 打印噴頭溫度場分析

根據FDM型顆粒擠出機3D打印機噴頭模型進行溫度場仿真分析。噴頭材料為45鋼，其最高受熱溫度為400 ℃。根據熱力學第二定律，熱量總是自動地從熱的部分傳遞到冷的部分[6]。打印機噴頭傳熱以傳導、對流為主，熱輻射可忽略。通過對打印噴頭施加10 W的熱載荷后，由圖7可以看出，噴頭溫度從下到上持續下降，表示溫度是從加熱管傳到各個部件。在傳熱過程中，溫度繼續下降，各部件之間存在熱傳導，同時部件與空氣之間存在熱對流。在噴口處和尾部的溫度最高。最高溫度為材料入口處344.0 ℃，最低溫度為擠出口處319.2 ℃，噴嘴溫度不低于PLA耗材熔點195 ℃，可以充分利用熱量，確保PLA耗材的溫度保持在熔點以上，從而確保順利出絲。

3.2" 部分零件結構分析

3.2.1" 腳墊支架分析

帶入強度條件公式

σ=F/A 。 （1）

經計算得到腳墊支架最大工作應力為σ1=700 Pa，σ1lt;[σ]，未超過其材料的許用應力。

以質量盡可能小的原則并結合實際情況取腳墊支架垂直長度L=22 mm，材料為聚酯（PET），其彈性模量為E1=2 GPa。利用CRreo軟件對于腳墊支架進行施加12.5 N的載荷所得到的位移圖（圖9）和應變圖（圖10）。受到壓力腳墊支架產生的最大位移約為0.03 mm，出現在腳墊中心鏤空處，最大應變存在于內部為ε1 =8×10-3。

帶入公式

σ=Eε ， （2）

式中：σ2=1.6 MPa，σ2lt;[σ]，未超過其材料的許用應力。根據上述計算結果可知，其最大應力在承受范圍內，位移變化影響可忽略不計。可起到減震，保證設備平穩運行的作用。

3.2.2" 五孔連接蓋板分析

五孔連接蓋板垂直連接于水平方向的打印機主體框架固定其整體結構，在其工作初始位置，五孔連接蓋板受力為F1和F2，其大小相等，寬度為d，垂直長度為l，如圖11所示。在初始設計時，其材料為45鋼，其彈性模量為E2=200 GPa， Fs=25 N，d=20 mm，A=（πd2）/4=3 142 mm2，[τ]=110 MPa。

帶入剪切強度條件公式

τ=Fs /A。

經計算得到剪切應力為τ=7.9 MPa，τlt;[τ]，未超過其材料的許用切應力。

采用Creo軟件對蓋板左側與底部各施加25 N的載荷，產生的位移圖（圖12）與應變圖（圖13）。由于采用螺紋連接，五處孔位固定，在負載的作用下左側與底面分別產生了0.001 2 mm的最大位移，位移量較小可以忽略不計。最小位移位于螺紋連接處為0。而五孔連接蓋板的受力主要集中于螺紋連接處，負載在蓋板內所產生的最大應變ε2為6×10-7，帶入公式（2），進行強度校核。經計算得到，σ3=120 Pa，σ3lt;[σ]，蓋板的拉伸強度校核是安全的。

4" 結論

基于傳統3D打印機所存在的打印表面粗糙，精度低、效率不高等問題，本文設計了一款FDM工藝的多功能3D打印機，具備打印、打磨、清掃功能，可打印異形曲面結構。采用高性能散熱排和傳感器進行智能溫度控制，配備減震支座，結構設計緊湊，可實現減震散熱。通過仿真與受力分析，討論了本結構設計的合理性。在控制成本的情況下，能有效地提高3D打印機的工作穩定性和打印精度，縮短打印時間，具有潛在的市場價值和科研應用價值。

參考文獻：

[1] 吳曉燕，王立成.基于CAD建模的FDM快速成型技術及其誤差分析[J].科技視界，2015（34）：71-72.

[2] 沈林，王圖南，周佳愷.FDM型3D打印機的設計與優化[J].科學技術創新，2020（3）：98-99.

[3] 趙志鐸.桌面級3D打印機設計定位研究[J].設計，2018（7）：89-91.

[4] 邢小穎，馬運，王龍兵，等.基于FDM型3D打印機機械結構設計及優化[J].科技與創新，2021（19）：128-129，132.

[5] 譚富德，王克用，郭根清，等.3D打印機噴頭結構以及材料優化及溫度場有限元分析[J].農業裝備與車輛工程，2022，60（10）：140-144.

[6] 雷子山.基于FDM技術的3D打印機控制技術分析與研究[J].河南科技，2019（23）：8-10.