工業(yè)級熔融沉積3D打印機結構優(yōu)化設計研究*

邵中魁 黃建軍 姜耀林 沈小麗

(浙江省機電設計研究院有限公司 浙江杭州311305)

3D打印技術，是制造業(yè)領域正在迅速發(fā)展的一項新興技術，它不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，僅利用三維設計數(shù)據(jù)在一臺設備上即可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件。越來越多的國家將3D打印技術作為第三次工業(yè)革命的重要標志之一，認為該技術將可能改變未來商品的制造方式及人類生活方式[1-2]。

熔融沉積（FDM）3D打印技術是快速成型制造領域應用較為廣泛的一類技術，據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前FDM 工藝系統(tǒng)在全球快速成型系統(tǒng)中的份額已達到55%以上。但是，熔融沉積3D打印技術同時也存在成型精度低、成型速度慢、表面質量差、噴頭容易堵塞等缺點，因此該工藝目前多數(shù)還是停留在“桌面級”階段[3]，也即僅限于制造中等復雜程度的小尺寸零件“原型”，以作為新產(chǎn)品設計開發(fā)過程中的概念模型或者形狀功能測試，難以直接制造可應用于工業(yè)領域的“功能性零件”。

相較于桌面級打印機，工業(yè)級熔融沉積3D打印機具有成型尺寸范圍大、成型速度快、成型精度高等突出優(yōu)點，但同時也存在技術難度大、設備成本高等問題，這在很大程度上限制了工業(yè)級 FDM 3D打印機在各領域的推廣應用[4]。

為此，本文將研究并設計一種工業(yè)級熔融沉積3D打印設備機械結構，并重點針對其主體運動機構開展結構優(yōu)化設計研究，以期為我國工業(yè)級熔融沉積3D打印技術提高作出一份貢獻。

1 熔融沉積成型原理分析

熔融沉積（Fused Deposition Modeling，簡稱FDM）3D打印技術的成型原理如圖1所示[5]：首先將絲狀熱塑性材料（ABS樹脂、尼龍、蠟等）由送絲機構送至FDM噴頭，F(xiàn)DM噴頭通過熱電偶將其中的絲材加熱至熔融態(tài)；計算機根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)控制FDM噴頭在X-Y平面內(nèi)作二維掃描運動，同時通過噴嘴將半流動狀態(tài)的材料均勻地擠出并鋪撒在工作平臺上，待其冷卻后沉積固化形成一層新的薄層截面；每打印完成一層截面，計算機控制Z軸電機使工作平臺（相對）降低一個層厚高度，開始打印下一層截面；每一層新打印成型的截面都沉積并粘結在上一層截面上，如此循環(huán)往復，直至整個零件模型打印完畢[6]。

圖1 熔融沉積成型原理圖

2 主體運動機構方案設計

主體運動機構設計是工業(yè)級熔融沉積 FDM 打印機研究開發(fā)的關鍵內(nèi)容。根據(jù)熔融沉積成型工藝原理，本文擬研究的 FDM 打印機主體運動機構應主要包含X軸、Y軸及Z軸共三軸運動機構。經(jīng)初步研究，提出兩種工業(yè)級 FDM 打印機主體運動機構方案可供選擇，如圖2所示[7]。

圖2 FDM打印機運動機構方案示意圖

圖2（a）所示的運動機構方案中，成型平臺做X軸與Z軸方向的復合運動，噴頭機構單獨做Y軸方向的單側軸向運動。因成型平臺集成了X軸與Z軸兩個方向的運動，容易造成成型平臺占空間、慣性大、響應慢。

圖2（b）所示的運動機構方案中，成型平臺單獨做Z 軸方向的單側軸向運動，噴頭機構做X軸與Y軸方面的X-Y平面復合運動。運動機構整體質量輕，慣性小，對于提高打印速度有很大幫助，并且在打印同樣大小的零件情況下，其所需要的空間小，具有很高的空間利用率。

因此，經(jīng)以上分析對比，本文擬采用圖2(b)所示的運動機構方案，工作平臺設計安裝在 Z軸上，而打印噴頭設計安裝在X軸、Y軸上；打印機工作時X軸、Y軸同時驅動噴頭在X-Y平面內(nèi)做高速掃描運動（噴頭高度不變），而工作平臺在 Z軸驅動下做垂直方向運動，以最大化地減小X軸、Y軸高速平面運動時的慣性質量，提高打印機高速工作性能。

3 打印機整體三維結構設計

在完成 FDM打印機主體運動機構方案設計的基礎上，基于 Solidworks軟件完成該工業(yè)級 FDM打印機整體機械結構設計，如圖3所示，主要包括X軸、Y軸、Z軸、噴頭、成型平臺五大部分。在FDM打印機驅動系統(tǒng)設計方面，X軸、Y軸、Z軸都分別采用伺服直驅結構，即采用伺服電機直接驅動絲杠滑塊組件運動，以最大化地減少中間傳動環(huán)節(jié)、提高傳動效率，其中X軸、Y軸均以直線導軌及滑塊作為導向，而 Z軸則以導柱導套作為導向。在FDM打印機整體結構布局方面，X軸、Y軸獨立設計安裝在打印機頂部，工作平臺設計安裝在Z軸上，而打印噴頭設計安裝在X軸、Y軸上。

圖3 FDM打印機整體結構設計

該 FDM 打印機工作原理為：打印機工作時噴頭在X軸、Y軸驅動下做X-Y平面掃描運動（噴頭高度不變），通過合理控制X軸、Y軸運動插補即可實現(xiàn)X-Y平面內(nèi)按任意軌跡打印成型；每打印完一層截面，Z軸驅動工作平臺下降一個層厚高度，開始下一層截面打??；如此循環(huán)往復，直至整個零件打印完畢。

4 X-Y軸運動機構靜力學分析

本文設計的工業(yè)級熔融沉積3D打印機的X-Y軸平面運動機構為細長桿結構、且需承受打印噴頭模塊整體工作重量，容易造成X-Y運動軸彎曲、變形，影響打印機X-Y軸運動精度、增大X-Y軸運動阻力、甚至造成 X-Y軸卡死。因此，本文基于ANSYS有限元分析軟件對該熔融沉積3D打印機的X-Y軸平面運動機構開展結構靜力學分析，以分析研究該 X-Y軸運動機構的結構強度及機構剛度是否符合設計要求。

為方便仿真計算、提高分析計算速度，本文僅取由運動剛度最弱的X軸驅動光桿、Y軸驅動光桿及噴頭支座三部分組成的 X-Y軸運動機構作為分析研究對象，并針對噴頭支座處于X-Y軸中間位置時的最惡劣工況狀態(tài)進行分析。將該模型進行適當簡化處理后導入ANSYS軟件Static Structural結構靜力學分析模塊。首先對該X-Y軸運動機構模型劃分網(wǎng)格，設置網(wǎng)格尺寸size為2mm，共生成134629個網(wǎng)格節(jié)點及43655個網(wǎng)格單元，如圖4.a所示；在此基礎上，再對該X-Y軸運動機構模型施加載荷及約束條件，分別在X、Y軸運動光桿兩端施加fix固定約束、以模擬X-Y軸運動光桿實際運動約束，并在噴頭支座底部施加 force載荷 100N，以模擬10kg噴頭模塊重量載荷，如圖4.b所示。

圖4 X-Y軸運動機構模型前處理

在完成模型前處理的基礎上，對該X-Y軸運動機構的應力及變形情況進行分析計算，計算結果分別如圖5、圖6所示。

圖5所示為X-Y軸運動機構應力分布圖。由圖5可知，該X-Y軸運動機構在最惡劣工況狀態(tài)下的最大應力約為35MPa，而X、Y軸驅動光桿的材料屈服強度在200MPa以上，安全系數(shù)很高，因此判定X-Y軸運動機構在結構強度方面滿足設計要求。

圖5 X-Y軸運動機構應力分布圖

圖6所示為X-Y軸運動機構變形分布圖。由圖6可知，該X-Y軸運動機構在最惡劣工況狀態(tài)下的最大變形量約為0.14mm，考慮到X、Y軸驅動光桿長度最大達600mm，該變形量對機構運動精度影響較小、也不會造成X-Y軸變形卡死現(xiàn)象，因此判定X-Y軸運動機構在機構剛度方面也滿足設計要求。

圖6 X-Y軸運動機構變形分布圖

5 成型平臺結構拓撲優(yōu)化

成型平臺作為3D打印零件生成及支承平臺，幅面尺寸達600mm×400mm，且工作時需在Z軸驅動下實現(xiàn)上下分層運動。為提高Z軸動態(tài)響應性能，需盡可能減小成型平臺質量。因此，本文將基于ANSYS有限元分析軟件對該熔融沉積3D打印機的成型平臺開展結構拓撲優(yōu)化分析，以分析研究該成型工作平臺最佳輕量化設計方案。

將該成型平臺模型進行適當簡化處理后導入ANSYS軟件Shape Optimization結構拓撲優(yōu)化模塊。首先對該成型平臺模型劃分網(wǎng)格，設置網(wǎng)格尺寸size為2mm，共生成182006個網(wǎng)格節(jié)點及100409個網(wǎng)格單元，如圖7所示。

圖7 成型平臺模型劃分網(wǎng)格

在此基礎上，再對該成型平臺模型施加載荷及約束條件，分別在成型平臺四角施加 Cylindrical Support圓柱面約束、以模擬實際四個導向約束，并分別在成型平臺左右兩端施加 fix固定約束、以模擬實際絲杠螺母嚙合約束，最后在成型平臺底部施加 force載荷 1000N，以模擬成型零件重量載荷，如圖8所示。

圖8 成型平臺模型劃施加載荷及約束條件

在完成模型前處理的基礎上，對該成型平臺進行結構拓撲優(yōu)化分析計算，計算結果如圖9所示。以圖9所示的拓撲優(yōu)化分析結果為參考，再對成型平臺模型重新進行輕量化優(yōu)化設計，最終設計結果如圖10所示，優(yōu)化后成型平臺重量為4.5kg，比優(yōu)化前重量6.5kg減小了30.7%，輕量化優(yōu)化設計效果顯著。

圖9 成型平臺模型結構拓撲優(yōu)化分析結果

圖10 成型平臺模型輕量化優(yōu)化設計

6 結語

（1）本文對工業(yè)級融沉積3D打印機主體運動機構設計方案進行了分析研究，最終采用的運動機構方案為成型平臺單獨做 Z 軸方向的單側軸向運動、噴頭機構做X軸與Y軸方向的X-Y平面復合運動，具有運動機構整體質量輕、慣性小、空間利用率高等優(yōu)點，有利于提高該 FDM打印機的高速工作性能。

（2）本文基于 Solidworks軟件完成了工業(yè)級FDM打印機整體機械結構設計，其主要由X軸、Y軸、Z軸、噴頭、成型平臺五大部分組成，工作平臺設計安裝在Z軸上，而打印噴頭設計安裝在X軸、Y軸上。

（3）本文基于ANSYS有限元分析軟件對工業(yè)級熔融沉積3D打印機的X-Y軸平面運動機構開展了結構靜力學分析，根據(jù)應力分布圖、變形分布圖等分析結果，判定所設計的X-Y軸運動機構在結構強度及機構剛度方面都滿足設計要求。

（4）本文基于ANSYS有限元分析軟件對工業(yè)級熔融沉積3D打印機的成型平臺開展了結構拓撲優(yōu)化分析，并以拓撲優(yōu)化分析結果為參考對成型平臺模型重新進行輕量化優(yōu)化設計，實現(xiàn)了減重30.7%。