桌面三维打印机的设计

□ 麦恒嘉 □ 周志军 □ 刘 轶

共享智能装备有限公司 银川 750021

1 设计背景

三维打印技术是一种快速成型技术,已经广泛应用于工业、航空航天、教育、医疗等诸多方面。三维打印最突出的优点在于可快速打印复杂产品,缩短研发验证周期。当前,三维打印机设备多用于工业铸造领域,能够满足工业上高效低成本生产的要求,但涉及消费者、教育等领域的三维打印机设备较少。市面上针对消费者、教育领域的三维打印机主要以熔融沉积技术、立体光固化成型技术为主,这些设备成本低,可满足部分需求,但是受限于材料。基于当前情况,面向消费者、教育、创客等领域的桌面三维小型打印设备急需被设计应用。基于桌面三维打印机设备设计上需要综合考虑打印速度、精度、可靠性、成本等问题,需要设计并完善控制系统和核心结构。

2 成型原理

一个完整的三维打印成型流程如图1所示。打印前需要先利用软件建模,然后将建立好的模型进行部分修改优化,增加一些定位、测量、抓取等方便操作的辅助特征。接着,用布图软件将多个模型合理放置在有效打印空间中,最后进行切片并打印。打印时,先由铺粉器沿一定方向运动,在打印平台上形成一层平整的粉料。打印头根据模型截面形状选择性地喷射液料到平整的粉料平面上,然后打印平台下降一定高度,重复进行铺粉、打印、平台下降工作,最终完成整个模型的成型。喷射到液料的模型截面会固化,未喷射到液料的粉料对模型成型起到支撑作用。待模型固化后,取出固化的模型进行后续处理,回收并利用未被粘接的粉料。

▲图1 三维打印成型流程

3 设计要求

3.1 功能满足要求

为了满足打印功能,桌面三维打印机的运动系统需要包括X轴、Y轴、Z轴、铺粉部件、打印部件。X轴、Y轴用于驱动打印部件,使其在平整的粉末平面上选择性地喷射液料。Z轴用于驱动工作平台上升或者下降,实现三维立体模型的打印成型。铺粉部件用于将粉末材料一层层铺在工作平台上。

3.2 安装及维护便捷

由于桌面三维打印机定位面向教育、创客、个人等,因此设备安装、维护便捷性显得十分重要。当前应用于工业铸造的三维打印设备维护工作量相对较大,需要对设备定期保养,更换关键零部件,而这些维护操作有严格的要求,需要专业人员完成。如果桌面三维打印机依然需要这些维护保养操作,显然是不合理的,不仅会造成后期成本增加,而且会使设备竞争力减小,受众范围变窄。

3.3 铺粉方式简单

铺粉机构是桌面三维打印机核心部件,铺粉质量的好坏直接决定最终打印产品的质量。铺粉主要有供料、抹平两个基本动作组成,供料方式主要有振动连续供料、星形轮连续供料、供粉缸集中间歇供料,抹平方式则采用刮板或者辊子形式对供给的粉料抹平在工作平台上,最终形成平整的粉料平面。桌面三维打印机采用供粉缸供料、辊子抹平的方式,这样避免了振动产生的噪声,并且可以简化供料结构。

3.4 设备质量轻、体积小

桌面三维打印机面向教育等机构,其占用空间不能过大。一般教室门宽标准为86 cm,因此设备宽度不能超过86 cm,才能保证顺利搬入室内。此外,为了搬运方便,设备质量不能超过50 kg。

3.5 设备运行精度

桌面三维打印机设计时需要综合考虑设备成本、设备效率、设备精度。基于桌面三维打印机的X、Y轴运动系统采用同步带传动形式,可以兼顾精度及成本。Z轴运动系统采用同步带结合丝杠形式。

4 结构设计

4.1 总体结构

整个桌面三维打印机由框架、打印头、铺粉机构、成型箱、供粉箱,以及X、Y、Z轴运动系统组成。

框架需要支撑整个设备,框架在设计上需要考虑强度、可装配性以及其加工制作成本。框架的稳定性直接影响设备的精度,其设计尤为重要。为了在一定程度上节约成本,框架采用成品铝型材制成,铝型材具有质量轻、耐腐蚀、加工组装简单的特点。

运动系统如图2所示。将X轴安装在Y轴运动系统上,Y轴运动系统分布在X轴两侧,对X轴运动系统起支撑作用。打印头安装在X轴运动系统上,沿X方向运动。Y轴运动系统安装在铝型材框架上。铺粉系统在X轴导轨下部,由电机驱动铺粉辊转动。Z轴运动系统分别位于成型箱以及供粉箱下部,分别驱动成型箱与供粉箱底板上升、下降。

▲图2 运动系统

成型箱及供粉箱的设计需要综合考虑精度与成本,由于桌面三维打印机体积小,可以考虑采用一整块材料加工出两个箱体,也可以采用几个零件组装而成。

4.2 各部分结构

框架所使用的铝型材属于韧性材料,对于韧性材质梁,当其危险截面上的最大正应力达到屈服强度时,即发生失效。校核强度时,先计算型材上的最大弯矩,再计算出最大应力,将最大应力与许用应力对比,即可判断铝型材强度是否满足使用要求。另外,也可以采用相关分析工具进行模拟仿真,用以校核铝型材框架的强度。使用静应力仿真模型,对模型施加对应的材质、载荷等,划分网格后模拟应力及变形情况,最终仿真情况如图3所示。对比最大应力与许用应力,其设计符合要求。

▲图3 框架仿真

打印头是决定打印产品质量好坏的关键部件。打印头要求能够连续稳定喷射液料,否则可能出现打印的产品质量不合格的情况。桌面三维打印机选择当前主流数字喷码机上使用的打印头,该喷头得到广泛验证并大量推广使用,具有良好的喷墨稳定性。此外,为了维护方便,将打印头设计为可拆装结构形式。打印头部件主要有打印头卡夹、打印头及打印头连接钣金。打印头卡夹上有弹簧及卡扣组件,可以实现快速安装、拆卸打印头。桌面三维打印机选用热发泡喷墨原理的喷头,集成墨盒,可以省去供墨系统及负压系统。打印头连接钣金与X轴滑块进行连接,可以实现打印头扫描运动。

X轴包括X轴型材横梁,横梁上安装有滑轨,滑轨上的滑块与打印头组件固定,同时滑轨上部有同步带。将同步带与滑块固定,即可实现同步带带动X轴滑块沿X方向运动。

Y轴驱动系统采用一侧驱动、一侧从动的方式。两侧分别安装导向光轴与直线轴承,导向光轴对X轴起支撑以及导向作用。在一侧导向光轴旁边安装同步带传动系统,步进电机驱动同步带运动,进而带动X轴运动。

Z轴升降机构如图4所示,分为供粉箱、成型箱两个升降机构,两个机构组成相同。供粉箱与成型箱通过中间隔板分开,四周侧壁直接使用成品铝板组合而成。两个箱体中间有活动底板,活动底板沿着四周侧壁上升或者下降。固定底板位于两个箱体的底部,固定底板上安装同步带传动系统及丝杠传动系统。同步带传动系统末端的从动轮通过丝母座与丝杠螺母连接,丝杠螺母与丝杠配合,丝杠螺母可以旋转,从而驱动丝杠上下移动。同时,在丝杆两侧设计导杆进行导向。供粉箱和成型箱的位移速度要求较低,故在设计时选择不同齿数的主动轮与从动轮,主动轮齿数少于从动轮齿数,在同步带传动下实现减速,增大输出力矩。步进电机驱动主动轮旋转,经过减速后,从动轮带动丝杠螺母转动,丝杠进而带动活动底板上升或者下降。为避免因为铺粉过程中粉料散落在成型箱外,造成粉料供应不足的问题,供粉箱的最大容积大于成型箱的最大容积。

▲图4 Z轴升降机构

铺粉机构安装在X轴型材横梁下部,在沿Y轴运动的同时自转,对供粉箱推出的粉料进行铺平、紧实。

5 结束语

桌面三维打印机成本较低,更适合面向大众推广,是三维打印机发展的一种趋势。当前市场上的三维打印设备主要面向工业铸造,缺少面向教育等消费者的桌面三维打印机。具有体积小、成本低、布局灵活方便等特点的桌面三维打印机尤其适用于高校、家庭等,可以推动三维打印机走向更广阔的市场,促进三维打印行业的发展。