一種FDM式3D打印機(jī)的新型半自動(dòng)卸料打印平臺(tái)設(shè)計(jì)

黃 海，趙天嬋

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞523419）

0 引言

近年來，以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)將成為引領(lǐng)未來制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式[1]。其中FDM技術(shù)，即熔融沉積快速成型技術(shù)，因具有成型速度快、成本低、成型精度高等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，是3D打印技術(shù)中最具發(fā)展前景的成型技術(shù)之一。

在對(duì)FDM式3D打印機(jī)的研究過程中，發(fā)現(xiàn)3D打印機(jī)的打印平臺(tái)是比較重要的部分。打印平臺(tái)又稱底板或基板，是為打印件初始層提供粘附和支撐作用的基礎(chǔ)平臺(tái)。如果打印平臺(tái)不能有效粘附打印件，將會(huì)出現(xiàn)打印件底邊翹起問題。如果打印平臺(tái)與打印件粘結(jié)太過牢固，打印件將難以拆卸。

1 常見FDM打印平臺(tái)對(duì)比分析

常見的FDM打印平臺(tái)有以下幾種：

（1）玻璃板熱床平臺(tái)：如圖1所示，這類平臺(tái)由熱床、玻璃面板和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，是目前市面上最常見的打印平臺(tái)。通過熱床加熱，使打印材料保持在玻璃態(tài)或高彈態(tài)，從而使打印材料粘附在玻璃面板上。但由于玻璃表面過于光滑，與打印材料粘附不勞，需要使用膠水或美紋紙等輔助耗材增強(qiáng)粘附力。當(dāng)總粘附力不足以抵抗打印件收縮力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)打印件底邊翹起問題。當(dāng)總粘附力大于打印件收縮力時(shí)，則出現(xiàn)打印件不易拆卸的問題。

圖1 玻璃板熱床平臺(tái)

（2）鋁基板熱床平臺(tái)：如圖2所示，這類平臺(tái)由鋁基板熱床和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，常用于創(chuàng)客及DIY愛好者自制的3D打印機(jī)。通過將熱床電路印刷到鋁基板上，實(shí)現(xiàn)熱床與鋁合金面板融為一體，簡化了結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了加熱速度。但由于鋁基板表面的氧化鋁薄膜不易粘附打印材料，也需要使用美紋紙或耐高溫膠帶等輔助耗材。與玻璃板熱床平臺(tái)情況相同，鋁基板熱床平臺(tái)也存在打印件底邊翹起和打印件不易拆卸的問題。

圖2 鋁基板熱床平臺(tái)

（3）亞克力板平臺(tái)：如圖3所示，這類平臺(tái)由亞克力面板和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，常用于國外進(jìn)口的3D打印機(jī)。亞克力材料與打印材料同為塑料材質(zhì)，經(jīng)打印機(jī)噴頭加熱后兩者之間呈現(xiàn)浸潤粘結(jié)[2]形式。這種粘結(jié)形式下，打印件與亞克力面板粘結(jié)十分緊密。當(dāng)打印件底面積較大時(shí)，即使用鏟子和錘子也難以拆卸，而且容易損壞打印件和打印平臺(tái)。因此，適當(dāng)減小打印件底面與平臺(tái)的接觸面積，可以降低卸料難度。圖2中，亞克力板平臺(tái)上表面的多個(gè)圓形凹槽，就是為減小接觸面積而設(shè)計(jì)的。相比另外兩種平臺(tái)，亞克力板平臺(tái)存在的問題主要是卸料困難。

圖3 亞克力板平臺(tái)

通過對(duì)比分析，這三種常見打印平臺(tái)存在的打印件翹邊問題或打印件不易拆卸問題。其中打印件翹邊問題，主要是因?yàn)榇蛴〔牧吓c平臺(tái)表面的粘附力不足以抵消打印材料收縮力造成的。而亞克力材料的浸潤粘結(jié)特性，恰好可以有效解決這個(gè)問題。因此，只需解決打印件拆卸困難的問題。

本文主要針對(duì)打印件拆卸困難問題，進(jìn)行打印平臺(tái)的改進(jìn)研究。主要從以下三方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）減少打印平臺(tái)與打印件之間的接觸面積；（2）改進(jìn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)省力卸料；（3）通過3D打印機(jī)Z軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料功能。由于自動(dòng)卸料后，打印件與打印平臺(tái)仍有部分粘連，需要進(jìn)行手動(dòng)拆除，因此稱為半自動(dòng)卸料平臺(tái)。

2 半自動(dòng)卸料平臺(tái)結(jié)構(gòu)介紹及工作原理

半自動(dòng)卸料平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中板塊平臺(tái)為核心組件。板塊平臺(tái)由兩根支撐軸以及多個(gè)板塊零件、軸承、定位塊、定位擋圈等零件組成。為減少平臺(tái)與打印件之間的接觸面積，采用多個(gè)板塊零件共同組成打印平臺(tái)。板塊零件（如圖5所示）為類似“P”形的長條狀零件，材料為亞克力，厚度為7 mm.通過軸承連接，將板塊零件有孔端與支撐軸裝配在一起。板塊零件的細(xì)長端搭靠在另一根支撐軸上，且末端突出一小段。板塊零件之間首尾交錯(cuò)，并排安裝在支撐軸上。這些板塊零件將打印件與平臺(tái)的接觸面積分割成多個(gè)較小的獨(dú)立接觸面積，可以逐一進(jìn)行拆卸，降低手動(dòng)拆卸難度。每兩個(gè)板塊零件之間用瓦狀定位塊定位，確保板塊之間有固定的間隙，既可以減少打印件與平臺(tái)的接觸面積，又可以減少板塊之間的摩擦。定位擋圈共有4個(gè)，用無頭螺釘固定在支撐軸上，分別裝在板塊平臺(tái)兩側(cè)，對(duì)整個(gè)板塊平臺(tái)位置進(jìn)行定位。

圖4 半自動(dòng)卸料平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖5 板塊零件圖

頂拆板截面呈倒T形，固定安裝在底板上。自動(dòng)卸料時(shí)，板塊零件突出的一小段將與頂拆板凸脊接觸，實(shí)現(xiàn)杠桿結(jié)構(gòu)。

Z軸傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)連接支撐軸與3D打印機(jī)Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將Z軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力傳遞到板塊平臺(tái)上，為自動(dòng)卸料提供驅(qū)動(dòng)力。

半自動(dòng)卸料平臺(tái)工作原理如下：

（1）打印開始前，3D打印機(jī)各軸回零。在Z軸回零過程中，板塊平臺(tái)沿Z軸向上運(yùn)動(dòng)，板塊零件依靠自身的重力自動(dòng)復(fù)位，使平臺(tái)上表面恢復(fù)平整。

（2）打印期間板塊平臺(tái)上表面一直保持水平。

（3）當(dāng)模型打印完成后，整個(gè)打印平臺(tái)一直向下運(yùn)動(dòng)，下降到設(shè)定的位置才停止。平臺(tái)下降過程中，板塊零件突出的部分與頂拆板凸脊逐漸接觸并被頂起，打印平臺(tái)上表面由平面逐漸變成了V字形（如圖6所示）。粘附在平臺(tái)上的打印件，其底面與平臺(tái)逐漸剝離，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料。

圖6 半自動(dòng)自卸料平臺(tái)（卸料狀態(tài)）

（4）打印平臺(tái)停止下降后，自動(dòng)卸料步驟結(jié)束。此時(shí)，打印件底面大部分已經(jīng)與平臺(tái)分離，但仍有部分未分離，需要手動(dòng)將打印件拆下。

3 自動(dòng)卸料時(shí)的受力分析

為驗(yàn)證半自動(dòng)卸料平臺(tái)在自動(dòng)卸料時(shí)的省力效果，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)作受力情況簡圖，如圖7所示。圖中兩條斜線段表示兩個(gè)板塊零件；兩個(gè)三角形表示頂拆板；兩個(gè)小圓表示兩根支撐軸，兩個(gè)小圓的圓心為板塊零件的旋轉(zhuǎn)中心；F1、F2表示打印機(jī)的自動(dòng)卸料所需的拆卸力。

圖7 自動(dòng)卸料受力情況簡圖

以底面為30 mm×30 mm的打印件為例，令打印件在平臺(tái)正中心。故兩個(gè)板塊零件受力情況相同，取其一作受力分析圖，如圖8所示。L=300 mm為單個(gè)板塊零件的臂長；l=30 mm為打印件底邊長度；l1=（300+30）/2=165 mm為有效拆卸臂長；R為打印件與平臺(tái)的粘結(jié)強(qiáng)度；F1為單個(gè)板塊零件所需的拆卸力。為測得粘結(jié)強(qiáng)度R，在相同亞克力材料的平臺(tái)上，使用相同打印材料打印一個(gè)底面為30 mm×30 mm的打印件。然后用粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀測量打印件從平臺(tái)剝離瞬間所需的最大力值，即為粘結(jié)力X值。經(jīng)多次測量，取最大粘結(jié)力X值為0.265 kN.

根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度公式：

即打印件與平臺(tái)的接觸面，每平方毫米需要0.294 N才能拆卸。

根據(jù)杠桿原理可以近似得出：

注，S為打印件與單個(gè)板塊零件的接觸面積；7為板塊零件寬度。

則，拆卸整個(gè)打印件需要的力：

注：0.5為板塊零件直接的固定間隙值0.5 mm.

若在相同粘結(jié)強(qiáng)度情況下，普通亞克力平臺(tái)拆卸該打印件所需的拆卸力：

圖8 打印件拆卸時(shí)受力分析圖

根據(jù)式（3）和式（4）可以得省力比 P：

即同樣拆卸底面為30 mm×30 mm的打印件，半自動(dòng)卸料平臺(tái)只需要普通平臺(tái)拆的0.17倍拆卸力即可拆卸，省力效果明顯。

4 半自動(dòng)卸料平臺(tái)拆卸效果

目前半自動(dòng)卸料平臺(tái)已經(jīng)制作完成（如圖9所示），經(jīng)過實(shí)際打印測試，半自動(dòng)卸料效果良好。由于加工工藝不完善，導(dǎo)致實(shí)際制作的打印平臺(tái)上的表面不平整。為了避免打印件底面不平整，所以需要打印底板（如圖10箭頭所指部分）。模型打印完成后半自動(dòng)卸料的效果如圖10（a）所示，此時(shí)模型底板大部分已經(jīng)與板塊平臺(tái)分離，僅一根板塊零件與模型底板粘連。手動(dòng)拆卸效果如圖10（b）所示，徒手就能將模型取下，然后將底板撕下來即可?？梢钥吹讲鹦逗蟮牡装灞３滞旰茫瑳]有殘留在打印平臺(tái)，方便下次打印。模型底面比較容易與底板分離，且模型底面很平整?？傮w拆卸效果符合預(yù)期。

圖9 半自動(dòng)卸料平臺(tái)

圖10 打印件拆卸后效果圖

5 結(jié)語

研制的3D打印機(jī)半自動(dòng)卸料平臺(tái)，采用亞克力材料板塊零件組成的杠桿機(jī)構(gòu)平臺(tái)，解決了常見平臺(tái)存在的卸料困難問題，并實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)卸料。后續(xù)可以完善平臺(tái)加工工藝，以提高3D打印效率。