双材料挤出式光固化打印机设计

李汉华

摘要：在工业生产中，伴随着个性化产品需求的增加和产品开发速度的加快，对3D打印技术的需求越来越大。光固化3D打印技术是目前3D打印技术中最成熟、市场占有率最高的技术。但由于现代光固化3D打印机技术的局限性，在使用过程中出现了一些问题。两种方法各有优点，提高成型效率和表面质量。近几年来，3D打印技术在打印精度、打印速度和打印材料方面都有了长足的发展。现在，3D打印技术在各个生产领域得到了广泛的应用。为满足陶瓷材料与感光聚合物材料同时用于3D打印的需要，需要设计一款双材料挤出式 3D 打印机。

关键词：3D打印;光固化;SLA技术;DLP技术

第一章  优化设计

1.1 机械安装

为使双原理成型设备工作，将两个成型设备分开安装，DLP成型设备安装在前，用激光反射器将水平图像向上反射。激光和振动镜系统被安装在右边，另外用来将激光向上反射。水平位置上的两个装置发出的光能垂直穿过两个镜子。该机是一种采用倒印法、树脂槽底成象的小型设备，通过上述两个镜面，可将两套设备发出的紫外线照射到槽底，使两套成型设备同时工作。

1.2 两种成型装置图案校准

为确保两种工作模式的匹配，对设备进行了多次调整。①每台激光投影仪均配有校正装置和固定装置，调节激光镜的位置和倾斜角度;②DLP投影机可执行尺寸校正、畸变调整、光强调整、网格显示等功能;③激光可进行光强调节和激光探测。可调整角度。我们做了一个测试程序，用激光生成一个特殊的网格。激光振镜的畸变可通过调整激光振镜的激励功率电位器来调节振镜的电压值。

使用该装置可使两个投影装置产生的图像重叠。一般情况下，机组安装后可一次调节。假如图片没有对齐，需要再次调整。装置的调整采用以下方法：

①调节 DLP装置的图象失真，采用尺法测量图象的四边和对角长度;

②通过软件传送网格，可以说是用尺子测量出网格的大小，DLP图像的大小可以调节;

③开启激光振镜系统，编写程序使激光形成方形并与中心线相交，调节镜片使激光形中心与 DLP像中心相交;

④激光式网格尺测量，调整电位器，使测量值与程序设定值匹配;⑤锁定调整装置，保留调整参数。

第二章  各系统工作原理

2.1 单螺杆泵

单螺杆泵（helical rotor pump）是由单螺杆和双端蜗壳组成的转子式容积泵。单螺杆泵的工作原理是：单螺杆泵的螺杆与套管相互作用，通过电机带动螺杆的旋转，进而不断地改变吸入腔和排出腔的容积，实现物料的输送。单螺杆泵螺杆的螺纹为单头。具有相同直径的圆的圆心位于同一条螺旋线上，并且与螺杆轴线之间有一个固定的偏心距。单螺杆泵的螺杆正是由这样的围绕轴线旋转并沿轴向移动的圆面形成的。头数比是螺杆的一个重要参数。单螺杆泵的转子头数与定子头数之比即为单螺杆泵的转子头数比。螺旋泵可按头数分为单头和多头等。机头比越大，泵转速越低，扭矩越大。而速度越高，输出转矩就越小。当螺杆和套管相互配合时，在螺杆和套管的表面之间会形成一系列密封的孔洞，并且每个孔洞也在螺杆和套管上分成两个孔洞。螺旋式旋转时，靠近吸料端的吸料量逐渐增大，吸料量也随之增加。随着螺杆的继续转动，在吸入室体积继续增大到最大之后，吸入室關闭，液体沿着轴向被推到排出室。通过这样交替地不断吸入和排出流体，最终实现液体被不断地排出。

2.2 光固化灯

光敏树脂是一种由齐聚物、稀释剂、光引发剂等高分子组成的胶状物，目前已广泛应用于光固化快速成型等领域。一般情况下，那些大分子乱糟糟地排列在一起，像栅栏的碎片。这些聚合物经紫外线照射后结合形成交联聚合物，液体感光树脂变成固体。近几年光敏树脂由于其优异的性能，在3D打印领域得到了应用。

在设计中，为加速光敏树脂的固化，加快打印机的生产效率，在挤出装置上设计并安装了一个光固化灯。光固化灯是一种通过发射紫外线光线，从而加快光敏材料的固化的设备。目前，气体放电灯是工业上最常用的光固化灯。其中，高压气体放电等为目前在工业生产中常用的光固化灯。

2.3 滚珠丝杠

滚珠丝杠副（ball screw）是一种主要由丝杠和丝杠螺母装配而成的螺旋传动元件。目前，滚珠丝杠副是在进行传动时精度最高，最常用的机械装置。把一种特殊的钢球加入到滚珠丝杠和滚珠螺母中，使旋转运动变为直线运动，或使直线运动变为旋转运动。因此，滚珠丝杠既是实现线性运动和旋转运动之间的相互转换的元 件，也是传动原件。

第三章  电机方案的选择及选型

3.1 所驱动的负载类型

3.1.1直流电机

DC电机的优点是，通过改变电压，可以方便地调整速度，并能提供更大的转矩。用于需要经常调节的负荷，如钢厂轧钢机，矿山提升机等。而如今，随着变频技术的发展，交流电机也可以通过变频来实现调速。然而，尽管变频电机的价格比普通电机要高很多，但变频电机的价格却是设备的大件，所以直流电机还有一个优势。

3.1.2异步电机

异步电机的优点是设计简单、运行稳定、维护方便、价格低廉。制作 I也是这项艺术中最简单的。一位年长的技术员告诉我，装配一台直流电动机的工作时间可以是两台同步电动机，也可以是四台几乎同样功率的感应电动机。看得出来吧所以，异步电动机在工业中得到了广泛的应用。

3.1.3同步电动机

同步电机依靠励磁电流运行;无励磁时电机不同步运行。该激励系统为直流系统，与转子相连。其速度和极性与定子相同。如果励磁出现问题，电机就会失去步频，无法进行调整，从而触发保护“励磁故障”电机跳闸。所以，同步电机的第二个缺点就是需要增加励磁装置，以前是直接用直流电机，现在则主要用硅整流器来驱动。俗话说的好，复杂的设计，需要更多的硬件，故障率会更高。

3.2 额定功率

电动机的额定功率是指电动机的输出功率，即轴功率，也就是电动机的特性参数。常有人问及电动机的尺寸，通常不是指电动机的尺寸，而是指其额定功率。它是衡量电机容许负荷的最重要指标，也是选择电机时必须考虑的参数要求。

发动机功率的正确选择原则应是在发动机能够满足机械负荷要求时，以最经济合理的方式确定发动机功率。若选用功率过大，会增加设备投资，造成电机损耗，电机负荷频繁运行，电机效率和功率因数均较低;反之，若选用功率过小，则会过早损坏电机。

第四章  结论

通过对此项技术的深入研究，开发的双组份挤压式光固化3D打印机能满足相关要求，初步地实现了以陶瓷材料为主体，光敏树脂为支撑的实体的打印。但是与现在已经发展相对较为成熟的3D打印技术相比，此次设计的双材料挤出式光固化3D打印机仍有很多不足，比如精度不够，打印速度较低，整体体积较大等。可以通过不断地设计、改动来完善此次设计。

参考文献：

[1] 孙凤;宋君峰;金嘉琦;金俊杰;光固化成型技术的实体表面防变形方法研究[J];机械工程师;2016年01期

[2] 金嘉琦;宋君峰孙凤;侯占山;立体光固化成型技术的节材研究[J];机械工程师;2015年08期

[3] 王慧，吕宏;机械设计课程设计[M].北京大学出版社，2011.

[4] 朱理;机械原理[M].高等教育出版社，2010.

身份证号码：210381198909104013  辽宁科技大学