构架型3D打印机创新设计

孙正阳q

摘要：本文针对用3D打印机无法满足较大且不可移动对象的修复问题，设计了构架型3D打印机。打印机主体分为上下两部分结构，上部为打印部件，其中X、Y轴用双同步带来保证往返传动，Z轴采用电动推杆，能有效的完成在原有对象上进行修复工作。下部采用了吸盘固定支撑，连杆传动，实现上部机械装置的升降和横移。本机能够快速安装到设施上并进行3D打印快速修复功能。

关键词：3D打印;快速成型技术;支架;修复

0  引言

3D打印技术是一种典型的快速成型制造技术，在物品修复方面具备较大优势。如民航飞机上的在翼维修，比单独打印制作的效率提高很多，减少故障飞机的停飞时间，直接在打印对象上进行喷漆、图案设计等工作[1-2]。在生物体修复方面，已经取得大量的应用[3-4]。在文物修复方面，可以识别不完整部分的原始形状，并将形状扩展到缺失部分，这种可进行修复工作的3D打印机具有很大的实用意义[5-6]。本文针对大型不可移动文物等设施，设计了一种能够快速安装到设施上并进行修复打印的3D打印机。

1  打印机整机设计

该3D打印机是一款能够拆卸移动并且能够进行修复的3D打印机，其整机三维模型如图1所示，主体分为上下两部分结构，上半部分为打印部件，分为X、Y、Z轴运动机构、材料挤出机构、送丝机构、喷头机构、散热机构、传动机构、紧固机构等。下半部分为可移动支架，实现打印部件移动功能。使用时，仅需将快速安装机构通过螺纹等连接方式稳定的和需3D打印的原工件待加工部位连接，再把其他模块化部件安装到快速安装机构上，清理工作区，该设备便可正常使用。此种结构整体可实现修复的特定功能，稳定性高，灵活性好，适应性强。

2  打印部件设计

2.1 Z轴设计

如图2所示的Z轴采用了电动推杆，能有效的完成在原有对象上进行修复工作，并设计了紧固件保持Z轴平稳，喷头设计散热片和涡轮风扇来进行材料的喷涂。其传动原理是电机驱动小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合实现减速，大齿轮带动丝杠，丝杠上利用螺母副将转动量变为固定在丝杠上喷头的直线位移量。

2.2 同步带及同步轮的選用

打印机采用弧齿同步完成了X、Y轴的传输。选用传动比为1：1圆弧齿形带作为XY轴的传动，选用步进电机提供动力，将电机轴的转动转化为带轮上的直线运动，其传动效率可达到98%，并且对工作条件要求低。

2.3 喷头的设计

打印机喷头（图3）是3D打印机中决定成型工件打印精度的关键部件，按照设计要求，线材直径为1.75mm，喉管连接着喷嘴，是输送线材的管道，但喉管的直径是大于线材直径1.75mm，中间存在间隙，加热后成为熔融态的线材不仅会从喷嘴中挤出，还会进入间隙堵住打印喷头，故为了打印过程顺畅，必须要把喷头的温度控制在一个范围内，喉管散热（图4）温度保持在能使倒流的熔融态耗材凝固的低温，对喉管散热的措施主要是散热环和散热风扇，散热环有大的散热面积，有效降温，减少倒流。黄铜喷嘴材料：黄铜，尺寸：13mm×7mm，精度0.4mm，螺纹外径6mm，内径2mm，外螺纹连接。

2.4 挤出机设计

挤出机结构（图5）中，丝料通过送丝孔进入嵌入V型轴承中，由步进电机驱动的送丝轮推入喷头，进入喉管，再由加热块加热至熔融态，过程中还需要温度传感器监测温度，从喷嘴中挤出打印工件。挤出机电机选择17HS-6022型步进电机。

2.5 行程控制

行程控制用到的是机械限位开关，机械限位开关就是将弹簧片的变形量转换成电信号发送给微型处理器，再发给主控电路板停止电机转动，从而达到行程控制的要求。综合以上要求，X、Y、Z轴各有两个限位开关，总共需要6个。

3  可移动支架设计

根据设计要求，确定了这种支架形式（图1）。对于支架，运用了软件ANSYS进行有限元分析。

首先，分析了支架连接件，材料为QT400-15，弹性模量为1.62×1011，泊松比为0.3，其三维模型如图6（a）所示，受力如图6（b）所示，根据受力，分析了不同应变的等效云图，探究了不同随机变量对支架可靠性的影响，对实体模型进行了网格划分（图6（c）），选定材料之后，判断出支架连接部位的危险系数最高，所以对这个部位进行应变分析，分析结果如图6（d）和图6（e）所示，最后对整个部件做了应变分析（图6（f）），根据仿真数值可知，该部件的承载能力足够。

其次，在相同的参数下对支架座进行了相同的有限元分析，可知，材料选择正确，满足承载要求。通过整体分析可知，打印机支架设计合理，满足设计要求。

4  结论

本文利用SoildWorks软件对3D打印机三维模型进行搭建，在传统3D打印机的基础上进行了改进，采用弧齿同步带完成了X、Y轴的传输，使其在结构上更加合理，适用范围更加广泛;使用喷头喉管散热结构，保证喷头送丝的准确性和稳定性;更改了传统3D打印机升降平台通过丝杠传动，将Z轴的传动方式改为直线电机带动电推杆，将平台的升降变为Z轴本身的运动，Z轴考虑精度问题，并设计了紧固件保持Z轴平稳，保证打印的精确性。

参考文献：

[1]贾婷婷.航空维修中3D打印技术的有效应用[J].粘接，2019，40（08）：105-107.

[2]江洪，刘敬仪.3D打印在航空航天领域中的应用初探[J].新材料产业，2019（02）：21-24.

[3]刘春煦，高静，赵雨薇，等.一种3D打印定深孔导板引导的精准牙体预备技术[J].华西口腔医学杂志，2020，38（03）：354-359.

[4]刘杨，张啸，罗春阳，等.应用3D生物打印的软骨支架修复关节软骨缺损[J].中华骨科杂志，2020（06）：344-352.

[5]刘杰，孙令真，李映.3D打印技术在文物保护方面的应用[J].科技风，2019（06）：86-87.

[6]郭欢磊，王聪华.3D打印技术在文物保护方面的应用[J].电脑知识与技术，2017，13（29）：260-261，264.