基于FDM工艺的3D打印机机械结构设计

黄 蓓

（河南省商丘职业技术学院，商丘 476000）

随着科技的发展，商品之间的竞争愈演愈烈，不仅要满足个性化、实时化需求，更需要缩短研发和生产的时间，迅速抢占市场，同时降低成本，解决复杂零件加工的困难[1]。3D打印技术是一种具有划时代意义的新技术，能够通过计算机生成的产品模型满足用户需求，同时能及时发现产品缺陷并进行改进。相对于常规的机械加工，零部件的设计在很大程度上受限于设备和工具，而3D打印结合的增材制造技术可以在某种意义上解决这些问题，甚至可以解决机械结构非常精密复杂部件的生产问题[2]。

1 总体设计

机械系统主要由主机身结构、挤出机构、送丝机构以及传动机构等组成，主要用于支持轨道及其他零件的装配。挤出机构的作用是加热打印丝材，其挤压机理对打印成形的品质有很大影响。送丝机构是把打印丝材平稳送进挤压机构，确保在打印工序中输送连续的丝线[3]。该驱动装置可实现X、Y、Z轴的移动，使打印喷嘴精确定位。

2 三喷嘴挤出机构的设计

柱塞式挤出机结构体积较小，可以达到台式型3D打印的需要，因此选用柱塞式挤出机构[4]。柱塞式装置由散热风扇、环形散热片、加热模块、喷嘴以及测温电偶组成，利用加热腔中的固态丝作为丝材，将熔化后的丝材送到喷口，通过步进马达驱动。它的活塞式挤压构造见图1。

图1 柱塞式挤出机构

为了缩短冲程和缩短处理时间，采用一字形布置方式。打印时，三喷嘴在X、Y轴配合下完成三喷嘴的位移变换[5]。三喷嘴分别负责对被打印模具的外表、内部充填和支撑进行处理。在确保打印速度的前提下，提高了工件的加工精度。

设计完成的三喷嘴挤出机构的参数如表1所示。三喷嘴挤出机构的长度大于市场上其他单一的3D打印长度，但总体质量减轻，主要原因在于选择的进料方法不同。另外，各喷嘴的工作分工不同，但彼此配合，改善了成型零件的打印效果和加工精度。

表1 三喷嘴挤出机构参数

3 送丝机构的设计

在挤压成形时，送丝机构产生的送丝力是否能够维持较大且稳定连续，是影响打印成形质量的重要指标[6]。当前3D打印系统中采用熔融沉积（Fused Deposition Modeling，FDM）技术，由马达驱动一对摩擦轮，由摩擦轮夹持钢丝，由步进电动机驱动摩擦轮完成送丝。因此，结构上必须采用三喷嘴挤出机构，使挤出机构沿导向器移动。挤出机构的质量愈轻，打印的准确度越高，越有利于减少工作负荷。因此，必须将挤出机构的自重效应纳入其中。在送丝装置上，步进马达的质量大约在0.4 kg，加热铝块、散热片、喷头和加热杆等部件的质量大约在0.4 kg。3个喷头均使用同样的近程送丝机构，质量大约为2.4 kg。因此，喷头在导向装置上的压力是原先的3倍，缩短了3D打印整体的使用年限。要想在确保三喷头的同时尽量不缩短其使用年限，可以通过减少轨道负荷增大轨道的直径来实现。简单增大轨道的直径可以延长其使用年限，但会对整体的传动体系产生负荷。轨道的重量增大将导致导轨的质量增大，引发加速过程中制动不到位问题[7]，造成成型零件4个边角上的成型品质太差。因此，从减少导轨的负荷出发，合理布置送丝机构。为了解决挤压机构打印的打印效率与打印质量之间的冲突，提出了一种降低轨道负荷的办法，并介绍了三喷嘴挤压机构的末端进料方式。3种挤压机构均使用远端送丝装置完成丝料的输送，然而因打印品的外表面上的管口只有0.2 mm，在使用远端送丝时会因为磨盘与丝线的摩擦力不够产生打滑、脱丝困难、断续等问题，不能满足所需的准确率和精度要求[8]。为了降低挤压机的质量，确保具有较大的送丝力，本文采取一种由远端送丝和近端送丝组成的进料模式，在打印产品的外壁上使用0.2 mm的喷头挤压装置。设计它为近端送丝，而打印支撑与装料部分则由远端送丝装置组成。

4 散热机构的设计

与散热量有关的参数有散热区域、温度场、流速以及风向的长短。最佳的改善导热系数的情况是沿空气流动的方向较短，且沿空气的侧向较大，确保更大范围的散热[9]。当前的传热设备由风机和散热片组成。增加风机数目会增加挤压机的自重，从而对打印的速度产生不利作用，故不采用增设风机的方法。环状散热器的散热器性能与其本身的构造参数密切相关，因此必须对其进行分析、统计和分析其结果，找到合理的散热片配置，以确定选择的散热片型号和类型能取得最好的性能。

本文以6个散热片为参照，结合实践和散热片的构造需求，探讨散热片数目对散热片性能的作用。

（1）将散热片的数目按6～13研究，其他大小和样品大小相同。散热片数目越多，散热片的容量越大。同时，在散热片数目为13的情况下，气温下降。

（2）选取不同的厚度0.6～2.0 mm，其他大小与样品翅片相同，且散热片间距越大，散热片的散热片容积也越大。此外，气温在下降，并没有造成太大的影响。

（3）探讨邻近散热片间距对散热片的影响，按实践和散热片的构造需要，将邻近的散热片间距按1.0～2.4 mm的不同值进行分析，其余的大小与样品翅片的大小相同。散热片间距越大，散热片的散热片容积越大，温度越低。

（4）采用3～10个不同的值来计算散热片的长度，其他的大小和样品的散热片相同。在8个散热片中，散热片的温度是最小的。

5 传动机构设计

将两台步进电动机对称置于主体机身的一端，并分别用X、Y表示。4个紧固槽分别位于主体的4个直角上，其中固定式、步进电动机、喷口运动总成通过铰链与同步旋转轴线相连。在x-y平面中，使用同轴传送[10]。同步皮带是齿轮与皮带之间的一种传动形式，不存在相对滑移，且具有稳定、精确、高传输速度、降低振动以及降低噪声的特点。因为皮带驱动时会产生一种带状松驰，所以每一条皮带的一端都有一个张紧轮（二者相交的部位是上下两个平面）。在x-y同步转动的情况下，喷头组合装置在x轴正方向上运动，移动部件2位置。在x-y同步转动的情况下，喷头组合装置在x轴上的负向运动，移动部件3位置。随着x步进马达的顺时针转动和步进马达的反向转动，喷管的组合装置沿y轴正向运动。随着x步进马达的顺时针转动和步进马达的反向转动，喷头的组合装置沿y轴的负向运动。所以，调整电流方向即可改变喷头组件的运动轨迹。传动机构如图2所示。

图2 传动机构设计

将两台步进电动机对称置于主体机身的一端，并分别用X、Y表示。4个紧固槽分别位于主体的4个直角上，其中固定式、步进电动机、喷口运动总成通过铰链与同步旋转轴线相连。在x-y平面中，使用同轴传送。同步带是一种齿轮与胶条互相啮合的打印机，其Z轴向采用滚珠螺杆与步进马达相连的驱动模式，使打印工作台在平面上下之间运动。球形丝杠能够将旋转方向的移动转换成直线移动，自身的承重性能高，且具有稳定性、可逆性、定位精度高以及构造简易等优点。它的高精度使其能够在Z轴上进行微小的高位移，从而可以改善3D打印机打印的准确性。对3D打印机构的驱动机构进行改造，提高了其传输性能。该打印机构的传动比原有的机械结构更好，提高了总体结构的强度和刚性。该传动装置采用双步进电动机进行扭力调节，可将步进电动机的驱动功率提升一倍。步进马达与打印挤压装置分开，使打印中的步进电动机不再占用实际打印的空间，从而减轻了喷头移动的质量，降低了惯性，提高了打印的准确性。

6 机身结构和工作平台设计

机体的构造以整个3D打印设备的基本部件为基础，由丝杠、三喷嘴挤出机构、步进电机及直线导轨组成。三喷嘴的主体结构设计必须具备高强度、紧凑及低负载等优点，因此在材质方面结合多种要素选择了金属板材作为3D打印机的主体，基板厚度3 mm。这种材质易于拆解，易于进行防腐操作。

工作平台由Z轴向的滚珠丝杠支撑，由步进电动机驱动，在水平面上上下移动。挤压式喷射器在x-y平面中沿工件外侧的外形进行扫描，最后在工作台上打印。因此，工作平台的稳定与否直接影响打印产品的品质。打印品在成形时，由喷嘴挤压而成的丝在室温下遇冷会发生凝固和收缩，会导致产品翘角。为防止产品高温快速降低，必须在工作台上增加一个加热热床，避免由于丝的温度突然降低而引起翘角。该方案使用印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）热床，并将其加热到一个较高的温度，以减轻因打印时冷却而产生的物料收缩。该热床由电阻器产生热量，经过电阻器发热，发热均匀，可添加人工调节，工作平稳，不易破损。

7 结语

以改善打印速度和打印品质为目标，研制了三喷嘴式挤压装置，对三喷嘴式挤压装置及喷头的构造进行研究，并在工件表面使用了各种口径的喷头，分别对内外部进行打印。研究送丝机构的布置及摩擦轮的结构，提出了一种利用远端送丝和近端送丝布置的方法，以改善打印速度和准确性。通过对散热片的模拟实验，研究各部件的散热性能，并分析各部件的性能，进而优化其性能，同时对其传动方式、主体构造等进行了详细分析与设计。