水泥材料3D打印机的设计

张佳文　田相克　张学宇　马保聪

【摘 要】针对普通3D打印机通常材料为塑料或树脂等材料，而水泥材料的3D打印机较少。本文以在现有FDM技术进行水泥材料的打印机设计。首先阐述了3D打印的原理，工作方式，然后从机身设计，挤出结构，传动结构，工作平台几个方面对基于FDM的水泥材料3D打印机设计进行了探讨，为大型水泥打印机的研发提供借鉴。

【关键词】FDM；3D打印；机身设计；挤出结构；传动结构；工作平台

3D打印，又称作增材制造，作为快速成形领域的一种新兴技术，目前基于FDM技术的3D打印机具有诸多优点，其独特的增材制造技术降低了复杂性零件的加工难度，而且支撑材料便于去除，大大缩短了产品制造周期，而且3D打印技术采用的是层层叠加的制造方式，传统工艺无法加工复杂性零件的问题也迎刃而解。然而，目前市面上基于FDM技术3D打印机的引进价格较为昂贵，而且技术服务难以适应我国的需要，设备使用及维护成本高。因此，3D打印设备的国产化研究与开发对这一先进技术在我国的推广非常重要。从目前发展情况来看，3D打印技术将逐步深入到我国制造业的发展与开发，带领高新技术产业的发展与进步[1-2]。本文针对这一现状，对基于FDM技术的水泥材料3D打印机设计进行探讨。

1 基于FDM的3D打印机工作方式

基于FDM技术3D打印机工作方式是采用分层方式进行打印。首先，要将工件模型进行分层处理得到切片文件再进行下一步的打印过程，现有基于FDM技术3D打印机切片方式，打印时内部支撑层厚与表面成型层厚均采用同一数值，在分层算法及轨迹路径规划上易于实现，但控制层厚度的方式通过喷头挤出材料时给予一定压力，使得挤出材料被压至扁平状，若打印目标具有薄壁特征，则3D打印机难以实现加工要求。本设计将内部支撑与表面成型及辅助支撑采用不同成型层厚，设外表层厚度为n，辅助支撑层厚度为3n，内部支撑层厚度为3n，将模型按此层厚配置进行切片，最开始挤出机构按照切片数据对外表面进行打印，打印层数为3，然后挤出机构根据切片数据对辅助支撑和内部支撑进行打印，打印层数为1，工件按此方式循环，直至完成加工。

2 水泥3D打印机的机身设计

打印机机身是整个打印机设备承重基础，包括滚珠丝杠副、驱动电机和相应的固定装置、直线导轨等。打印机的结构设计为底板固定不动，成型底板采用双片5mm电木板拼接而成，保证平台的平面度，机身机构使用8040铝型材作为主要承重结构件，成型底板不升高，喷头进行X、Y、Z三轴运动，为保证打印精度和打印效果，设备尺寸Z轴改为双并联丝杠，保证喷头在X轴运动时，运动轨迹为同一高度。而承重支架用于支撑Z轴在Y方向上的运动。传统的地面式设计，双Z轴除了可以在高度上进行升降以外还兼顾Y轴（左右）运动，由于受力部分在底部，且Z轴高度较高，因材料固定在喷头上，重量较大，加上X轴后整体重量更为突出，受力不均，打印一定高度的物体时整体不平衡。两侧的支架改为实体的墙体或者更为牢固的钢架结构，采用外接管道输送材料，外接材料储存在设备之外并高于设备的高度，利用重力和压力作用，使材料由上而下进入喷头位置，喷头采用铰刀式设计结构，借鉴比较成熟的现有水泥打印机的喷头设计并加以改进。框架设计如图1所示。

3 水泥3D打印机的挤出结构设计

本设计增添一款熟料挤出装置，可实现自动更换喷头，把水泥材料挤出机与塑料材料挤出机相互结合。利用改进3D打印喷头出口截面形状控制出丝截面，提高材料层与层之间的粘结强度，改善打印产品表面光洁度，提高产品整体强度。结构设计采用类似数控车床的自动换刀原理，避免一种刀具无法处理某种工序。该结构设计，通过软件实现喷头部件的更换，不同的叠加方式或者斜面倾斜角度都会对打印件产生影响。目前的FDM 3D打印机的喷头截面形状均为圆孔型，可以对任何角度进行过度，每层之间都能实现重叠堆积。

由于水泥材料颗粒过于粗大，本设计采用增加喷头数量，使每个喷头出丝通孔截面形状不同，适用于各类零部件不同表面打印要求。采用57大扭矩步进电机，下接铰刀，使用金属壳将铰刀包裹在内，周边留有空隙，通过顶端固定铰刀与外壳的相对位置，保證铰刀在工作过程中不会发生位置偏移。金属壳上方开有入料口，外接输料管道，水泥材料通过管道被空气压缩入喷头内，电机工作，铰刀旋转带动材料下移，通过下端小口挤出，完成出料工作。金属外壳外设有三个固定卡扣，便于与X轴横梁固定夹紧，卡扣可上下滑移，移动到合适位置后可以固定，三种位置可以改变喷头和成型底板的距离，适合打印不同材料或不同层厚的模型。

4 水泥3D打印机传动结构设计

基于FDM技术3D打印机挤出机构的运动过程，要求整体运动速度平稳、可控。3D打印机进行打印工作时，要求在Z轴方向上对打印对象逐层堆积，以最终获得与打印对象相似度高的宏观几何形体。挤出机构的传动设计有两种，一种是单传动机构，还有一种是双向传动机构设计，从成本和研发时间上考虑，本设计采用单向传动机构设计，如图2所示。在传动过程中，挤出机构在XOY平面上的运动将采用同步齿形带传动的方式。控制挤出机构的位移，通过电机带动带轮转动，经齿形带转化为挤出机构的位移量，电机转动角度的控制精度，决定位移精度。步进电机可以将产生的电脉冲信号转换为角位移或者线位移的，属于开环控制元步进电机。正常工作时电机转速和停止位置由脉冲信号的频率以及脉冲数决定，与负载变化无关，而且具有良好的起停响应和反转响应。步进电机由于速度和脉冲频率成正比，因此通过控制脉冲频率便可以实现电机转动的速度的调控，转速范围较宽。并且在设计挤出机构时，需结合输料机构的设计方案来进行设计。在挤出机构中，由于57步进电机重量为0.7kg，水泥喷头重0.3 kg，最终所设计的挤出机构整体重量为1kg。当材料流入喷头部分时，在材料和输料管道重量的作用下，光杠承受的压力会急剧增大，因此普通光杠无法满足设计使用要求，故将X轴路线承重部件改为2020铝型材，取消皮带光杠设计改为皮带滚珠导轨，以提高承重能力，降低因重量带来变形，从而提高了打印质量[3]。

5 水泥3D打印机工作平台的设计

水泥材料质量较重，水泥3D打印机整体结构较大，打印平台大，为保证打印平台的平面度和强度，采用质量和密度较大的电木板。若按照传统设计，电机带动平台升高，然后逐层下降，需要极大辅助固定装置，且带动高质量平台需要的电机扭矩太大，耗电多，噪音大，效率低，易振动，本设计把打印平台固定在地面，不加热、不运动，一次性调平后可长期打印。传统成型底板通常无法同时满足粘合强度以及快速取模型两大要求。平台清理复杂繁琐，清理不净，影响后期打印质量。本设计采用复合式3D打印成型平台设计，满足粘合强度高，模型拆卸便捷要求。

6 结论

本文对基于FDM技术的3D打印机的工作机理进行分析，从机身设计，挤出结构，传动结构，送料结构，工作平台几个方面对基于FDM的水泥材料3D打印机外形设计进行了探讨。为后期水泥材料3D打印设备研发提供一定理论参考，促进3D打印技术在我国的开发与产业化应用。

【参考文献】

[1]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J].电子制作2013，19：28-29.

[2]杜鹏，王斌.浅析3D打印机的发展趋势[J].中国科技信息，2014，07：141-143.

[3]王瑞玲.对3D打印机喷头XYZ三个方向位置控制的优化设计探究[J].电子测试，2014，02：1-2.