桌面级3D打印机送丝机构设计

宋爱利+王海艳++庞敏+王福龙

摘 要：3D打印技术在我国已发展数十年，桌面级3D打印机逐渐普及。该文针对FDM技术桌面级3D打印机存在送丝装置摩擦力大、不稳定等问题，对内、外送丝机构分别进行研究设计，外部送丝机构采用曲柄滑块和外伸梁结构，对支撑架进行有限元分析与优化设计，内部送丝机构增加辅助微调装置，从而改善整个送丝机构使用性能，降低送丝阻力，确保喷嘴稳定喷料，提高打印质量。

关键词：3D打印技术 送丝结构 有限元分析

中图分类号：TP33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0111-03

基于FDM技术的3D打印机，是将ABS、PLA等丝材加热至熔融态，按设定好的路径挤出并逐层堆积成实体。原材料从初始固态经过挤出变成半液态融料，送丝方式对半液态原材料的挤出力影响很大，送丝阻力是影响喷嘴出丝不稳定的主要原因。通过对内外送丝机构进行改进设计，解决送丝装置摩擦力大、原材料供应不稳定问题。

1 外部送丝机构设计

1.1 设计方案

目前桌面级3D打印机丝盘主要有0.5kg、1.0kg等规格，不同重量的丝盘内径尺寸不一致性，设计出适应不同内径且可调节的外部送丝机构，尽可能减少送丝摩擦阻力，设置主轴支撑结构、结合轴承自润滑，避免因丝料不足引起喷嘴断丝、产品缺陷。根据实验数据分析选用曲柄滑块结构设计方案，见图1。

1.2 具体结构设计

1.2.1 支撑轴的设计

支撑轴是外部送丝机构的关键结构之一，是主要受力部件。材料选择普通碳钢Q200，由于其不与电动机直接连接，扭矩较小，在设计中应综合考虑其自重，按照挤压计算。

初选轴径7mm、挤压力50N，计算得出挤压应力=Pa。材料许用应力为=200×106Pa>满足要求，由于轴上有一处键槽，将计算值加大3%，取8mm。

外部送丝不会出现高速转动，可承受纯轴向力，选用深沟球轴承，为使所选轴径与轴承内孔径相适应，选取轴承型号为6022，相关参数为d，B。轴各段直径与长度，根据所选轴承，与轴配合部位的直径为10mm，轴承宽度B，为了定位精准，轴承位的长度应比B略短一些，取8mm。

由于考虑轴承轴向定位，应该设计轴肩满足要求；轴承端盖的总宽度为12mm，同时为了方便装卸与润滑，令轴一端面距其为20mm。

1.2.2 支撑架的设计

支撑结构设计为外伸梁式，此结构简单且适用性广。根据原材料丝盘外徑尺寸最大为200mm、最宽尺寸为66mm，设计支撑架具体尺寸，见图2。

由于配合轴承，上部中心孔宽度设计为17mm、直径为30mm，底部尺寸设计为95mm×120mm×15mm，上部圆周直径为50mm。支撑架初始高度尺寸设计为155mm，余量较大，足够不同规格丝盘进行更换，可调直径范围为22.28～83.88mm，支撑最大、最小尺寸见图3、图4。

1.2.3 支撑架的分析与优化

在进行有限元分析时，将导入的三维模型对象离散化，使其成为有限个微小点，减小计算难度，简化解算过程。分析模型的离散化，是基于力学特性进行的，需提前定义部件材质，故外部送丝支撑架选用材料为灰铸铁。

外部支撑各零部件质量为1.5kg，虽然目前较多使用的原材料质量为2kg，但也有少数情况会使用5kg的原材料，材料质量初步设置为6.5kg，从受力角度分析，该零部件主要受法向垂直力65N。首先设置网格细节，将其全部网格化，结果为：节总数649225，单元总数410048。运行迭代计算，根据应力、应变等云图分布分析，整体网格化不能满足分析要求，并且存在应力奇异区域。

经进一步设置网格参数细化网格区域，对出现应力奇异点的区域进行细分，设置网格参数细化单元大小为2，比率为1.1，基本单元为5，自由过渡生成网格。

将圆角半径尺寸更改为5mm、在拐角处增加一个半径为10mm的圆角，然后进行迭代计算，运行结果应力、位移云图见图5、图6。

分析应力云图最大应力为1.962MPa，远远小于材料的许用应力200MPa，零部件应力分布离散，没有应力奇异点堆积现象。分析位移分布云图最大位移量为0.0232mm，不属于宏观变量。

综上，外部送丝支撑架在正常工作时，能够承载不同原材料的载荷，不会因为原材料重量的问题而发生重大变形或应力破坏，设计尺寸和原材料满足正常使用的要求。

2 内部送丝机构设计

内部送丝机构是加热挤出装置的主要结构，采用步进电机驱动送丝轮转动，通过送丝齿轮上齿牙推送固态原材料，与从动轮配合将丝材送至送丝管内，进入加热装置。挤出方式有活塞式、滑片泵式、柱塞泵式3种，综合考虑装置性能和设计复杂性，采用活塞式挤出装置，该设计控制精度要求低，整体质量小，加工难度小，加工成本低，开发周期短。改进后的加热挤出装置见图7。

在现有挤出加热装置内部送丝机构基础上增加了辅助微调功能，通过弹簧调节辅助送丝轮、主动送丝齿轮与原材料模型之间的距离，提高主动送丝齿轮与原材料模型的有效接触，有效解决了丝料进丝无力或者脱丝现象。

电机为挤出加热装置提供动力，根据三维模型质量评估，X、Y、Z三轴承重与原材料重量均不超过2kg，且Z轴最大为2kg。综合考虑选择电机型号为42HS4013A4，即为双相42步进电机。

3 结语

本文在充分了解现有原材料重量、丝盘尺寸的基础上，对外部送丝结构采用曲柄滑块结构，实现了不同孔径丝盘自紧配合使用，减小了抽丝阻力，有效避免了原材料供应不连续问题。同时，对内部送丝结构也进行了改进，设置辅助轮微调结构，提高送丝轮与丝材的挤压力，避免送丝轮磨损造成的压力减小。希望能引出其他设计者更广阔的设计思路共同推动3D打印技术的发展。

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