工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)實(shí)驗(yàn)分析

孫慧超， 王學(xué)旭， 曲興田， 張 昆， 閆龍威， 王宏一

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

自3D打印技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，一直是各行各業(yè)熱議的話題，也一直改變著傳統(tǒng)工業(yè)的制造理念。(3D打印技術(shù)屬于機(jī)械制造領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)，憑借其自身的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和加工周期短等優(yōu)勢(shì)，迅速在制造業(yè)占據(jù)一席之地[1-3]。將3D打印技術(shù)融入傳統(tǒng)行業(yè)，簡(jiǎn)化了工藝加工流程，極大程度地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率，推動(dòng)了先進(jìn)制造、現(xiàn)代制造和智能制造的蓬勃發(fā)展[4-7]。

目前3D打印發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，還存在諸多需要完善的方面。例如當(dāng)前3D打印支撐添加難以保證試件表面光潔度、自由曲面難以加工和中空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低等問(wèn)題[8-9]。就此，設(shè)計(jì)了工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)，希望通過(guò)工作平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)來(lái)減少甚至去除支撐，同時(shí)節(jié)約時(shí)間，減少打印耗材消耗，提高試件表面光潔度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一新式打印結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和可行性。

1 工作裝置實(shí)現(xiàn)原理

工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，上半部分由3組并連桿聯(lián)合控制噴頭的移動(dòng),即為通常的3-RRP(轉(zhuǎn)動(dòng)副R、轉(zhuǎn)動(dòng)副R、移動(dòng)副P(pán))并聯(lián)結(jié)構(gòu)；下半部分是3組并連桿加上一根固定的工作平臺(tái)支撐桿共同控制工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)并連桿一端連接在已經(jīng)固連在滑塊上的夾具體上，另一端通過(guò)球鉸與工作平臺(tái)相連，構(gòu)成3-RPS(轉(zhuǎn)動(dòng)副R、轉(zhuǎn)動(dòng)副P(pán)、球副S并聯(lián)機(jī)構(gòu)。打印時(shí)，下部分3個(gè)滑塊在3個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)齒形帶傳動(dòng)，使工作平臺(tái)完成繞固定軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合噴頭完成打印[10-11]。

1-上夾具塊； 2-同步帶； 3-噴頭連接桿； 4-噴頭結(jié)構(gòu)； 5-光杠； 6-支架； 7-滑塊； 8-下夾具塊； 9-工作平臺(tái)； 10-工作平臺(tái)連接桿； 11-工作平臺(tái)支撐桿； 12-步進(jìn)電動(dòng)機(jī)； 13-底座

圖1 作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)裝置[8,9]

當(dāng)2軸滑塊向上運(yùn)動(dòng)，3軸滑塊隨動(dòng)而1滑塊固定不動(dòng)時(shí)，工作平臺(tái)便完成了圍繞X軸的翻轉(zhuǎn)；2軸滑塊和3軸滑塊的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)調(diào)，1軸滑塊固定不動(dòng)時(shí)，工作平臺(tái)圍繞X軸反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)1軸滑塊向上運(yùn)動(dòng)，2、3軸滑塊隨動(dòng)時(shí)，工作平臺(tái)便圍繞Y軸翻轉(zhuǎn)；當(dāng)1軸滑塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，2、3軸滑塊仍隨動(dòng)時(shí)，工作平臺(tái)便圍繞Y軸反方向翻轉(zhuǎn)。

2 去除支撐的切片原理

工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)并不是在標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(Standad Template Library, STL)模型載入切片軟件后，經(jīng)過(guò)算法分析、參數(shù)設(shè)置直接生成G代碼。而是在生成G代碼前，多了兩個(gè)步驟：模型預(yù)切片和模型分塊。先對(duì)模型進(jìn)行預(yù)切片，也就是對(duì)模型進(jìn)行一定參數(shù)設(shè)置下的切片，檢測(cè)模型在自下而上打印時(shí)，是否需要添加支撐結(jié)構(gòu)[12-13]。如果不用添加，那么直接生成G代碼；如果存在支撐，則需要模型分塊，分塊的目的是使兩部分單獨(dú)打印時(shí)均不需要添加支撐，達(dá)到減少支撐的目的。

下面以一個(gè)組合體來(lái)解釋這個(gè)原理，如圖2所示。三棱柱的底角為α，斜面上鑲嵌著一個(gè)長(zhǎng)方體，通常以這樣的位置和姿態(tài)打印該物件時(shí)，需要通過(guò)算法控制去添加支撐。如圖3所示，Cura軟件添加的支撐，目的是要通過(guò)工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印或者減少支撐。首先實(shí)現(xiàn)思路是將一個(gè)要打印的零件分為兩部分，目的是將其分解為不具有懸臂梁、簡(jiǎn)支梁和外伸梁等結(jié)構(gòu)以及中空結(jié)構(gòu)的部分，然后打印就分為了兩個(gè)部分，第1部分可以實(shí)現(xiàn)不添加支撐打印，然后平臺(tái)翻轉(zhuǎn)一定角度β，第2部分也實(shí)現(xiàn)了不添加支撐打印。如圖4所示將模型繞某軸逐漸旋轉(zhuǎn)得到的臨界角度為角度β，將模型重置回水平之后，用傾角-β的平面切割得到如圖4兩部分結(jié)構(gòu)。

圖2 組合體

圖4 預(yù)切片和模型分塊示意圖

如圖5所示，那么打印完成部分翻轉(zhuǎn)，使繼續(xù)打印平面翻轉(zhuǎn)至垂直于噴頭的水平面,繼續(xù)進(jìn)行打印。

圖5 翻轉(zhuǎn)后原理圖

該過(guò)程需要一系列的坐標(biāo)和位置轉(zhuǎn)化，因?yàn)槠脚_(tái)圍繞X軸或者Y軸旋轉(zhuǎn)了角度β，確定繼續(xù)打印的位置也發(fā)生了變化。這個(gè)過(guò)程看似為后續(xù)的打印增加了難度，但翻轉(zhuǎn)前打印的第1部分的所有坐標(biāo)在模型中都有確定的坐標(biāo)，這個(gè)過(guò)程只需要計(jì)算繼續(xù)打印時(shí)的平面的位置以及模型變化后的空間坐標(biāo)?，F(xiàn)在假設(shè)平臺(tái)圍繞圖1中Y軸旋轉(zhuǎn)了β°，取其中一點(diǎn)平臺(tái)未旋轉(zhuǎn)時(shí)它的原坐標(biāo)P0(X0,Y0,Z0)。由幾何知識(shí)可知一個(gè)點(diǎn)圍繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)則該軸的坐標(biāo)不變，所以轉(zhuǎn)動(dòng)后的P1(X1,Y1,Z1)點(diǎn)的縱坐標(biāo)(Y坐標(biāo))不變，即Y1=Y0。如圖6和圖7所示，P0旋轉(zhuǎn)前做Y軸的垂線，設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng)(其實(shí)這步計(jì)算過(guò)程中分割平面的每一個(gè)點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)L)，當(dāng)點(diǎn)P0圍繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)β°時(shí)，實(shí)質(zhì)上是線段L圍繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)β°，再設(shè)線段L與平臺(tái)夾角為θ。

圖6 分割平面中一點(diǎn)P0

圖7 分割平面中P0圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)示意圖

原坐標(biāo)P0(X0,Y0,Z0)中:

X0=LcosθZ0=Lsinθ

旋轉(zhuǎn)后的P1中：

X1=Lcos(θ-β)Z1=Lsin(θ-β)

則

Y1=Y0

即

綜上，得出了當(dāng)平臺(tái)圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)P1坐標(biāo)，則也可得出平臺(tái)圍繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)所得到的點(diǎn)P2的坐標(biāo)P2(X2,Y2,Z2)，其中：

X2=X0

即

3 打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于雙并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)的工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)3D打印機(jī)工作平臺(tái)在打印過(guò)程中與噴頭并聯(lián)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)減少支撐材料甚至去除支撐材料并提高打印效率[14-15]。

驗(yàn)證基于雙并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)的工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)3D打印機(jī)能否通過(guò)工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)去除支撐。設(shè)計(jì)如圖2所示試件，試件三角形上的矩形結(jié)構(gòu)與垂直于打印平臺(tái)的法線成80°，遵循當(dāng)前45°添加支撐的理論，矩形打印過(guò)程中需要添加支撐結(jié)構(gòu)。

如圖8所示，用切片軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切片并添加支撐結(jié)構(gòu)為最初狀態(tài)，控制工作平臺(tái)沿X軸翻轉(zhuǎn)時(shí)，隨著翻轉(zhuǎn)角度的增加，支撐結(jié)構(gòu)逐漸減少，直到翻轉(zhuǎn)12°去除支撐結(jié)構(gòu)。

圖8 80°試件切片結(jié)果與平臺(tái)翻轉(zhuǎn)的關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄工作平臺(tái)從翻轉(zhuǎn)0°到翻轉(zhuǎn)12°每翻轉(zhuǎn)1°時(shí)打印過(guò)程中所需打印時(shí)間t與打印耗材m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)工作平臺(tái)不翻轉(zhuǎn)打印時(shí)需要打印耗材153.85 g；隨工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)所需打印耗材不斷減少，直到工作平臺(tái)沿X軸翻轉(zhuǎn)12°時(shí)，打印耗材趨于穩(wěn)定值118.27 g，這時(shí)打印過(guò)程中已經(jīng)去除支撐結(jié)構(gòu)所需要的打印耗材。由于實(shí)驗(yàn)選擇100%填充方式進(jìn)行打印，故減少的部分就是支撐結(jié)構(gòu)部分?？梢钥闯龃蛴∵^(guò)程可以控制工作平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)達(dá)到減少甚至去除耗材的目的。3D打印過(guò)程中，打印結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不會(huì)添加打印時(shí)間，打印時(shí)間主要取決于打印件的大小和支撐材料的多少。隨著控制工作平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)，支撐材料和打印時(shí)間也隨之減少。由圖9可知，工作平臺(tái)不翻轉(zhuǎn)時(shí)打印時(shí)間為503 min，打印時(shí)間隨工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)而減少，直至翻轉(zhuǎn)12°以后打印時(shí)間穩(wěn)定在389 min，減少了23%的打印時(shí)間。

(a) 試件翻轉(zhuǎn)角度與打印時(shí)間曲線

(b) 試件翻轉(zhuǎn)角度與消耗耗材曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)能否實(shí)現(xiàn)大角度懸臂結(jié)構(gòu)的打印，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印驗(yàn)證。設(shè)計(jì)如圖10所示實(shí)驗(yàn)試件，使結(jié)構(gòu)一部分分別與法線成60°、65°、70°、75°、80°、85°，分別進(jìn)行試件打印。在打印過(guò)程中控制工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)一定角度觀察打印件的支撐情況，驗(yàn)證工作平臺(tái)沿X軸與Y軸翻轉(zhuǎn)±30°能否實(shí)現(xiàn)去除打印支撐結(jié)構(gòu)。

圖10 驗(yàn)證平臺(tái)翻轉(zhuǎn)與支撐結(jié)構(gòu)關(guān)系的試件

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分結(jié)構(gòu)與法線成大角度的試件通過(guò)打印過(guò)程中工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)一定角度可以去除支撐結(jié)構(gòu)，加快打印時(shí)間和節(jié)省打印耗材。實(shí)驗(yàn)得到如圖11工作平臺(tái)需翻轉(zhuǎn)的角度與不同角度試件的關(guān)系 (1～6組依次為60°，65°，70°，75°，80°和85°試件)。由圖11可見(jiàn)，隨試件部分結(jié)構(gòu)與法線所成角度遞增，所需工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)角度也隨之遞增，到與法線成85°時(shí)，工作平臺(tái)只需要翻轉(zhuǎn)18°就可以去除支撐。

圖11 工作平臺(tái)需翻轉(zhuǎn)的角度β與不同角度試件關(guān)系圖

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前對(duì)于工作平臺(tái)可翻轉(zhuǎn)的3D打印機(jī)的需求和研究，這種可以解決懸臂結(jié)構(gòu)及中空結(jié)構(gòu)試件使用FDM技術(shù)難于加工以及支撐難以去除等問(wèn)題的3D打印機(jī)做了進(jìn)一步的分析和探索。提出了裝置在控制和功能實(shí)現(xiàn)方面的解決思路和方案，并將該設(shè)備進(jìn)一步在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用與探索，逐步完善該實(shí)驗(yàn)裝備及其相關(guān)打印理論。