智能雙色3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

張潤五，郭鶴

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智能雙色3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

張潤五，郭鶴

（鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

3D打印技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)制造業(yè)中較為成熟的增材制造技術(shù)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造業(yè)中加工手段效率低、高能耗、重污染及人力成本高的缺點(diǎn)?，F(xiàn)代機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)當(dāng)積極引進(jìn)3D打印技術(shù)，充分發(fā)揮該技術(shù)高精度、高質(zhì)量等優(yōu)勢，再基于市面上各種三維成型軟件，建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零件的數(shù)學(xué)模型，完成對機(jī)械零件的制作加工。旨在設(shè)計(jì)一款高效率、低成本的桌面級智能雙色3D打印機(jī)。

3D打印；雙混漸變色；笛卡爾坐標(biāo)系；增材制造技術(shù)

1 概述

相比于傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)車、銑、鉗、焊、鑄造等諸多傳統(tǒng)加工工藝，先進(jìn)制造中諸多先進(jìn)加工工藝具有高效、節(jié)能、環(huán)保、高精度等諸多優(yōu)勢。3D打印技術(shù)屬于先進(jìn)制造行業(yè)中的快速成型技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)建立數(shù)字模型，運(yùn)用工程塑料或金屬粉末材料，通過分層打印的方式來構(gòu)造物體的一種增材制造技術(shù)。

2 雙色3D打印機(jī)原理及結(jié)構(gòu)

2.1 3D打印機(jī)原理

3D打印有多種方法，然而，應(yīng)用最為廣泛、成熟的是熔融沉積成型技術(shù)。該技術(shù)將熱熔性材料通過特定的加熱棒加熱融化，通過喉管將材料擠出成0.1～0.4 mm的細(xì)絲，之后根據(jù)模型設(shè)定的G代碼形成特定的行程軌跡，堆積細(xì)絲于熱床之上，線動(dòng)成面，形成特定形狀的層面，同理完成第二個(gè)層面，通過層層堆積，面動(dòng)成體形成所設(shè)定的3D模型。

2.2 3D打印機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 型材機(jī)架

通過型材堆積來搭建3D打印機(jī)機(jī)架有許多優(yōu)勢：①價(jià)格低廉。在沒有工業(yè)大批量生產(chǎn)的情況下，如果采用鑄造或鈑金作為機(jī)架，價(jià)格往往是型材組裝的數(shù)倍。②容錯(cuò)性高。鑄造或鈑金機(jī)架在被加工出來之后由于其自身特性，當(dāng)發(fā)生裝配干涉等錯(cuò)誤時(shí)，難以修改自身結(jié)構(gòu)，型材由于自身特性易于修改自身結(jié)構(gòu)，規(guī)避裝配干涉。

2.2.2 主控電氣柜

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電流使用率高于70%時(shí)，其發(fā)熱量與振動(dòng)將會(huì)急劇上升，由此會(huì)降低打印機(jī)架的使用壽命。這一現(xiàn)象在小型3D打印機(jī)上尚不明顯，但基于大型3D打印機(jī)使用86步進(jìn)電機(jī)外接大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求，大型機(jī)的散熱量與振動(dòng)會(huì)成幾何關(guān)系上升，此時(shí)，就需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的電氣柜來避免精度降低。

2.2.3 模型成型平臺(tái)

有一塊400 mm×400 mm的鋁板熱床用以承載打印工件，可以沿軸上下移動(dòng)，上覆同等大小的晶格板。晶格板是一種玻璃和復(fù)合材料覆蓋的結(jié)合體，表面復(fù)合涂層加熱情況下會(huì)體現(xiàn)出很強(qiáng)的黏性，當(dāng)平臺(tái)加熱時(shí)，微孔膨脹，打印耗材會(huì)滲入微孔，耗材粘連于平臺(tái)之上，而當(dāng)溫度降低至常溫時(shí)，晶格板失去黏性，耗材可以被輕易取下。

2.2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

采用基于迪卡爾坐標(biāo)系設(shè)計(jì)的新型同步帶傳動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性，運(yùn)動(dòng)更加敏捷，提高了打印效率，降低了機(jī)械故障的發(fā)生概率。

3 3D打印機(jī)硬件分析

3.1 打印機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 打印機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

該打印機(jī)的原理是通過2個(gè)電機(jī)同時(shí)控制的移動(dòng)，當(dāng)左右2個(gè)電機(jī)同向的時(shí)候，往軸移動(dòng)，2個(gè)電機(jī)反向的時(shí)候往軸移動(dòng)。2個(gè)電機(jī)的同時(shí)作用比單個(gè)電機(jī)控制一軸穩(wěn)定，同時(shí)，能夠減少1個(gè)電機(jī)，節(jié)約成本、簡化結(jié)構(gòu)。原理圖如圖1所示。

圖1 CoreXY原理圖

3.1.2 傳動(dòng)方式計(jì)算及校核

該3D打印機(jī)軸選取為1605絲桿傳動(dòng)，基于笛卡爾坐標(biāo)系的傳動(dòng)則采用直線導(dǎo)軌與同步帶傳動(dòng)。需要計(jì)算傳動(dòng)所需扭矩來選型步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.1.2.1軸絲杠傳動(dòng)所需扭矩

軸扭矩：

式（1）中：為驅(qū)動(dòng)扭矩，kgf·mm；為軸向負(fù)載，；為絲杠導(dǎo)程，mm；為進(jìn)給絲杠的正效率。

=+g，其中，為絲杠的軸向切削力，N；為導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)；為移動(dòng)物體質(zhì)量（工作臺(tái)+工件），kg；g為9.8.經(jīng)測量得知軸承重4 kg，選用1605絲杠，因此=5，滾珠絲杠的通常為0.001～0.003，在此取極端情況0.01，絲杠正效率取0.94.

3.1.2.2同步帶傳動(dòng)所需扭矩

直線導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算公式為：

=×（+）+. （2）

式（2）中：為摩擦力，N；為摩擦力系數(shù)；為運(yùn)動(dòng)垂直方向負(fù)荷，N；為刮油片阻力，N。

直線導(dǎo)軌效率約為0.01，經(jīng)測量得知導(dǎo)軌滑塊所需承重為1 kg。選取的步進(jìn)電機(jī)扭矩為1 N·m，因?yàn)橥綆ё陨硇始巴獠恐嗡鶐淼哪Σ亮?，因此取同步輪傳遞效率最低為0.90.

滑塊滑動(dòng)所需力為：f=×（+）+≈5.2 N，拉=/×4≈10.94 N，拉＞f.

因此，電機(jī)扭矩滿足傳動(dòng)要求。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選型

該打印機(jī)使用的是2A、1 N·m的42步進(jìn)電機(jī)，而該3D打印機(jī)使用5個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于軸傳動(dòng)，1個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于軸傳動(dòng)，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于擠出機(jī)。其中，用于軸傳動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橐ＷC電機(jī)2 A電流，而當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流使用率高于70%時(shí)，發(fā)熱量與顫動(dòng)急劇上升，因此，選取額定電流4 A的TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。用于軸傳動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橛?個(gè)電機(jī)共用1個(gè)驅(qū)動(dòng)，需要工作電流4 A，因此，選取額定電流為5 A的ATK-2MD4850 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

用于擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī)因?yàn)椴⒉恍枰^大的扭矩，因此，選用額定電流為2.5 A的DRV8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4 3D打印機(jī)軟件分析

4.1 3D打印機(jī)樂積主控板

該3D打印機(jī)采用當(dāng)前市面上較為成熟的樂積S主板，該主板支持雙頭擴(kuò)張模塊，采用 STM32F4微處理器，是能夠滿足3D打印的一款高性能一體主控板，不需要更多的外接模塊。該主控板可采用A4988、DRV8825或其他（可單獨(dú)外接大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊），驅(qū)動(dòng)接口為4路16細(xì)分，支持由三維模型而計(jì)算出的G-code代碼進(jìn)行3D打印。該主控板支持雙混色、電腦聯(lián)機(jī)、WiFi控制、打印暫停保存、斷電開機(jī)續(xù)打等功能。

4.2 STL模型文件

STL文件是在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中以三角網(wǎng)格來表現(xiàn)三維模型的一種文件格式，STL是最多快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型，能夠精確描述三維模型的幾何信息，并不支持顏色材質(zhì)等信息，是3D打印機(jī)支持的最常見文件格式。1個(gè)STL文件使用三角面來近似地模擬出三維模型的表面，經(jīng)過有限元組合成特定的三維模型，當(dāng)三角面越小，其分辨率越高。

4.3 雙混色原理分析

該3D打印機(jī)采用E3D Cyclops型雙色混合噴頭，該噴頭的混合腔較小，能夠混合大部分流入混合腔的PLA材料，而要形成較為完美的混色效果，需要配置打印文件，大部分STL打印文件配置與常規(guī)機(jī)器相同，只有少許配置不同。可將擠出頭配置成1個(gè)，添加2進(jìn)1出的插件，修改2種材料的出絲比例，旨在控制2種顏色的混合比例，從而實(shí)現(xiàn)2種材料的混色效果。

4.4 3D打印流程

將需要打印的三維模型轉(zhuǎn)化成為STL文件，使用Creatware上位機(jī)程序?qū)TL文件進(jìn)行切片處理，首先修改層高數(shù)、出絲寬度及填充率等基礎(chǔ)參數(shù)，再修改顏色的混合比例，實(shí)現(xiàn)顏色混合的目的，最后切片生成G代碼，輸入到3D打印機(jī)之中，完成打印過程。

5 結(jié)論

3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)制造業(yè)是一項(xiàng)重大的技術(shù)革新，本文介紹的是一種基于笛卡爾坐標(biāo)系能夠高精度低成本打印的桌面級3D打印機(jī)，更加適合對3D打印機(jī)的初步研究，能夠滿足一些對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的工件制造需求。

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2095－6835（2018）20－0138－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.138

〔編輯：張思楠〕