摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，针对个性化3D打印的需求，以便捷、实用、成本低为目的我们设计一款便捷式3D打印机的机械结构部分，包含整体框架、打印喷头行走机构、工作台行走机构，并对机械结构部分进行三维建模。
关键词：3D打印机；结构设计；智能制造；三维模型
引言
3D打印技术作为一种新兴技术，在工业领域中的作用越来越大。而熔融挤压沉积成型法(FDM)具有体积小、价格便宜、成本低、材料清洁、更换方便、后处理简单等优点，所以该技术逐步占据3D打印的优势地位。FDM3D打印技术是将送入喷头的热塑性丝料加热融化，同时与喷头连接在一起的喷嘴根据计算机软件生成的G代码走轨迹打印。完成一个层片成型后，工作台下降一个层片厚度，再成型下一层面，最后层层叠加堆积完成所需实体造型。当前基于FDM技术的传统3D打印设备有两种打印方式:单喷头打印或双喷头打印。单喷头打印机只能进行单一色彩模型的打印。双喷头打印机虽包括主、副两个喷头，但成型过程中模型的打印只能由主喷头完成，而副喷头打印的是模型支撑，在后处理中该支撑是被去除掉的。因此双喷头打印机仍无法实现多色彩模型制作。为克服当前3D打印机只能进行纯色打印，无法实现多色彩模型制造这一缺陷，本文在现有技术的基础之上，改进了单喷头3D打印机结构，通过解决多个喷头空间分布结构、规划多个喷头运动路线，完成了多喷头3D打印机的整机结构及控制算法设计，并通过运动仿真分析，实现了喷头可自动、交替、全方位、无干涉地进行多色彩模型三维打印的目的。
1 3D打印机机体结构创新设计
3D 打印的基本原理常见的 3D 打印是以三维数字软件模型为基础，使用可熔化的塑料线材为原料，采用熔融挤压堆积成型（FDM）技术制作产品的方法。其基本工作原理是逐层打印，先将打印头加热，塑料线材软化，再根据三维模型的分层信息逐层烧结，固化堆积成型。FDM 打印工作原理如图 1 所示。为了促进3D打印机使用领域家庭化、平民化，要求3D打印机的机体结构简单、微型、便携。因此，对传统的3D打印机进行了结构上的创新设计，该打印机主要分为机体框架、打印喷头行走机构、工作台行走机构、原料驱动机构四大部分。具体三维结构如图 2 所示。3D打印机机体框架采用铝型材制造，铝型材质量轻、硬度韧性好、价格便宜，不用进行二次加工。本次设计采用的铝型材尺寸为20mm×20mm铝型材的横截面如图 3 所示。打印喷头行走机构主要由X方向和Y方向行走机构组成，传动部分主要采用弧形齿同步带传动机构，弧形齿同步带的齿可以平滑准确地啮合在带轮的齿槽中，没有空隙，保证了较高的传动精度，弧形齿同步带步距小，使得打印喷头行走精度高，打印产品质量可靠。喷头行走可以单独在X方向或者Y方向，也可以同时在X和Y方向行走。喷头行走依靠步进电机驱动，每步1.8°，通过控制器发出的步进角脉冲保证了步进电机按照设定的精度运行。Z方向的行走由工作台执行，喷头部分在Z方向上没有移动行程，因此，依靠工作台带动工件在Z方向行走，该部分的驱动由步进电机提供动力，通过弹性联轴器与直线轴承联接，带动工作台上下移动，直线轴承安装简单，占用结构空间小，运动阻力非常小，可以应用于高速直线运动场合，直线轴承采用法兰竖直安装，对安装基础要求低，非常适合3D打印机。
图 2 便携式 3D 打印机机体结构
2 四轴机械臂式3D打印机设计方案
总体框架设计：概述：本系统采用软硬件结合的方式实现，首先从计算机中读取三维模型，并制定部分参数，由单片机对模型进行剖析，分解，建立起框架结构，单片机将控制指令输出给打印机，促使喷头的打印材料融化。系统调动驱动电路控制电机，带动喷头在坐标系的X、Y、Z三维度上进行移动，同时系统还可以自动调节喷出的材料以及材料的多少，在这个操作之下，一层层的打印就完成了。每打好一层，系统从计算机中读取下一层的参数，直到操作全部完成，一个3D打印的产品就成型了。温控回路的设计：耗材：选用熔点为230℃左右，分解温度260℃以上ABS/PLA耗材，因此产品成型时，整体温度在250℃以下。回路框架：设定好空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→现前温度→温度传感器→A/D转换器→单片机喷头移动及喷出量调节的设计：喷头系统的功能要求：供应功能、熔丝功能与料丝送进功能、流道功能、定径功能、出丝速度匹配与出丝起停控制功能。喷头实现方法设计：基于所选择的打印耗材，采用熔融沉积成型技术的喷出技术，严格控制温度，根据片层参数控制加热喷头，并使其温度保持在平稳状态，沿模型断面层一层一层扫描，同时控制熔融液体的体积、流量，使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。
3 多喷头3D打印机的运动仿真分析
利用SolidWorks软件对多喷头3D打印机的动作过程进行虚拟仿真，依据其特有的逻辑控制算法控制喷头、工作台产生位移，实现了喷头间运动轨迹不干涉、工作台运动路径无误差的打印目的，完成对多喷头打印机的运动轨迹、空间分布、驱动方向、结构方案、控制算法等模块的测试及研究。模拟仿真时，先构建多彩色CAD模型，再给定分层厚度，将该三维模型转换为二维数据信息。并利用多喷头3D打印机的控制功能，完成每组喷头及工作台的实时位移，保证该模型的各色彩区域都可成型。在后处理阶段，将打印好的二维层片，层层叠加堆积成所需彩色实体模型。多色彩3D打印机的运动仿真过程如下:1)构建彩色数据模型，利用三维造型软件建立一个多色彩的三维数据模型并保存为STL格式;2)CAD模型分层软件将STL模型转换成G代码;3)根据模型的色彩信息，控制系统将不同色彩的分层数据(G代码)分类存储;4)通过串口通信下载G代码到打印机微控制器的储存器中;5)固件编译后执行打印;6)需改变打印颜色时，程序产生中断命令，当前喷头停止喷丝动作并回原点;7)工作台移动至需变换色彩喷头处;8)喷头、工作台执行打印动作。
结语
本文设计的便携式3D打印机机体结构，可以满足普通家庭的需求，其成本低、使用方便，其工作在X，Y，Z三维空间，工作行程不大于180mm，符合小型化的要求。喷头的移动精度为毫米级，提高了产品的打印精度。
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论文作者:覃少荣
论文发表刊物:《科技研究》2019年2期
论文发表时间:2019/5/14
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