可折疊FDM 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與研究

商智高　郭韜　吳宇軒　董子銘　彭朝陽(yáng)　周蕊　吳恩銘

摘要：在傳統(tǒng)3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)用戶對(duì)于打印機(jī)便攜性的需求，設(shè)計(jì)與研究一種便攜式可折疊3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)在保證穩(wěn)定性和精確性的同時(shí)，通過折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使打印機(jī)具有了便攜的特性。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);便攜性需求;折疊機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TP334.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.019

近年來，3D打印技術(shù)日趨成熟，并且得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用于家庭和工業(yè)模型設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)以FDM（熔融堆積）打印機(jī)為主，而大部分桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)都是固定框架式結(jié)構(gòu)，體積大、收納不便。因此，本文基于FDM成型原理，設(shè)計(jì)一款便攜式可折疊FDM 3D打印機(jī)，以滿足用戶對(duì)3D打印機(jī)輕型、便攜的需求。

1 折疊3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

本文所研究的3D打印機(jī)是基于FDM成型原理的X，Y，Z軸打印機(jī)。該款3D打印機(jī)屬于三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由X，Y，Z三軸支撐機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、打印噴頭和平臺(tái)組件組成。打印機(jī)在工作過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)打印噴頭在空間X.Y，Z三個(gè)方向的三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)。該折疊3D打印機(jī)不再采用固定不動(dòng)的機(jī)身外殼，而是采用折疊機(jī)械臂設(shè)計(jì)，如圖1所示，折疊后尺寸為233 mmx237 mmx57 mm，可打印最大體積為150 mmx130 mmxl00 mm。X，Y，軸方向采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，Z軸方向采用步進(jìn)電機(jī)與梯形螺桿實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，利用滑塊在三根直線滑軌上的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)X，Y，Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的控制。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 固定組件設(shè)計(jì)

固定組件如圖2所示。固定組件為3D打印機(jī)的基礎(chǔ)，具有安裝打印平臺(tái)、主板組件和顯示面板組件的功能，不僅起到固定其他組件的作用，還具有容納折疊組件中Y軸部件的功能。

該設(shè)計(jì)中固定部件主要由以下5部分組成：①機(jī)身基座保證了打印時(shí)機(jī)器的穩(wěn)定性，并裝備具有加熱和調(diào)平功能的打印平臺(tái)，以達(dá)到3D打印所需的精度要求，同時(shí)具有收納折疊組件的作用;②X軸組件通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪與旋轉(zhuǎn)基座，實(shí)現(xiàn)打印頭在X軸方向上的平動(dòng);③X軸導(dǎo)軌副通過滑塊與旋轉(zhuǎn)基座的剛性連接，實(shí)現(xiàn)打印臂在X軸方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng);④旋轉(zhuǎn)基座固定于X軸導(dǎo)軌副固上，將其固定在X軸組件的長(zhǎng)角鋁上;⑤顯示面板組件包含3D打印機(jī)的顯示屏與控制旋鈕，用以輸入指令和查看工作進(jìn)度及設(shè)備使用情況。

2.2 折疊組件設(shè)計(jì)

折疊組件設(shè)計(jì)包含Z軸組件（如圖3所示）和Y軸組件（如圖4所示）兩部分。

通過Z軸組件與旋轉(zhuǎn)基座剛性連接，進(jìn)而與機(jī)身基座構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副，實(shí)現(xiàn)折疊功能。為了防止折疊機(jī)構(gòu)展開后，因旋轉(zhuǎn)定位不準(zhǔn)而帶來的打印精度下降的問題，設(shè)備通過蝶型螺栓和軸肩螺釘?shù)碾p重固定來保證展開時(shí)打印機(jī)機(jī)械臂定位準(zhǔn)確，從而在提升設(shè)備便捷性的同時(shí)而保證打印精度，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)定位卡的設(shè)計(jì)保證了折疊機(jī)構(gòu)折疊后的穩(wěn)定性。Z軸各組件如圖5所示。

Z軸組件包含活動(dòng)翻轉(zhuǎn)基座、導(dǎo)軌組件、電機(jī)絲桿組件。導(dǎo)軌組件和電機(jī)絲桿組件安裝于活動(dòng)翻轉(zhuǎn)基座上。導(dǎo)軌組件中Z軸導(dǎo)軌副通過轉(zhuǎn)接塊與打印壁剛性連接。電機(jī)絲桿組件中的電機(jī)通過膜片聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿螺母副運(yùn)動(dòng)，絲桿螺母與轉(zhuǎn)接塊通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)絲桿安裝在電機(jī)固定座上。

Y軸組件通過與轉(zhuǎn)接塊的連接，完成Y軸組件在Z軸（豎直）方向上的運(yùn)動(dòng)。Y軸組件主要包含Y軸電機(jī)組件、擠出頭、打印頭風(fēng)扇組件，打印頭送料組件，打印臂組件。Y軸電機(jī)組件帶動(dòng)Y軸同步帶運(yùn)動(dòng)，打印頭通過同步帶運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在Y軸上的運(yùn)動(dòng)。打印頭送料組件與送料電機(jī)組件組合，作為送料機(jī)構(gòu)從動(dòng)部分參與打印材料的進(jìn)出。

Y軸組件中打印頭送料與風(fēng)扇組件和擠出頭實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)核心功能。打印頭送料組件采用步進(jìn)電機(jī)加齒輪的組合以加大送料與回抽的力，保證了送料與回抽的流暢程度。擠出頭用于加熱打印材料，其長(zhǎng)時(shí)間工作，難以保證出料和回抽的平滑，因此發(fā)熱嚴(yán)重。如果長(zhǎng)時(shí)間高溫工作，擠出頭內(nèi)部的磁性會(huì)減弱，并會(huì)導(dǎo)致打印材料過熱，使材料軟化彎曲，導(dǎo)致其從齒輪中流出，這通常在打印3-4h后發(fā)生，并且難以發(fā)現(xiàn)。因此，為了防止擠出頭溫度過高，該組件設(shè)計(jì)有兩個(gè)風(fēng)扇用于擠出頭的散熱。

Z軸組件電機(jī)絲桿部分中的電機(jī)固定座除了有固定電機(jī)的作用外，還作為折疊部件的一部分與固定組件中的旋轉(zhuǎn)基座連接，如圖6所示，共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器可折疊的核心功能。電機(jī)固定座上有兩個(gè)螺紋孔起了主要作用，水平方向的螺紋孔與軸肩螺釘?shù)穆菁y部分形成的螺紋連接，將旋轉(zhuǎn)基座與電機(jī)固定座相對(duì)固定，保證機(jī)器水平穩(wěn)定，而軸肩螺釘?shù)臒o(wú)螺紋部分與旋轉(zhuǎn)基座中的軸承形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器可折疊的功能;垂直方向的螺紋與蝶形螺釘在機(jī)器工作狀態(tài)下形成螺紋連接，保證機(jī)器垂直穩(wěn)定，并且初步保證了擠出頭與打印平臺(tái)的平行度。

2.3 調(diào)平組件設(shè)計(jì)

打印平臺(tái)的平整程度決定了3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量。為了提高平臺(tái)平整程度，打印平面采用定制的品格平臺(tái)。同時(shí)為防止因設(shè)備所在工作平面不夠水平而出現(xiàn)問題，在打印平臺(tái)和固定平臺(tái)之間設(shè)有4個(gè)調(diào)平旋鈕，如圖7所示。調(diào)平時(shí)，在打印平臺(tái)上放置一張A4紙，控制打印噴頭位于調(diào)平點(diǎn)正上方的固定位置，并平行拖拽紙張，如果紙張容易拖動(dòng)，則說明打印頭與平臺(tái)間間距過大，相反，如果紙張難以拖動(dòng)，那么說明間距過小。調(diào)節(jié)4個(gè)調(diào)平旋鈕以改變平臺(tái)與打印頭的距離，確保打印頭與打印平臺(tái)調(diào)平點(diǎn)間達(dá)到最佳間距。并反復(fù)調(diào)試4個(gè)調(diào)平點(diǎn)，保證打印平臺(tái)各點(diǎn)與打印頭間距不變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)電控系統(tǒng)部分由輸入電路、輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)處理電路、控制電路組成?？刂瓢遑?fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)處理和控制，由Arduino Mega25 60主控板、4塊A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板以及RAMPSl.4拓展板組成?？刂葡到y(tǒng)程序說明如圖8所示，調(diào)0時(shí)，控制板命令X，Y，Z軸步進(jìn)電機(jī)向負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滑塊觸碰限位開關(guān)時(shí)相應(yīng)方向的步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并記為該方向0點(diǎn)。預(yù)熱階段，控制噴頭與熱床加熱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，信號(hào)反饋至控制板，并通過控制板控制溫度系統(tǒng)保持一定溫度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路開始工作。打印進(jìn)行階段，控制板通過識(shí)別切片軟件處理后的3D模型文件，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而達(dá)到控制打印噴頭運(yùn)動(dòng)路徑以及噴出量的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)普通XYZ三軸3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)對(duì)可以折疊的Y軸組件進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。使該設(shè)備在保證一定的打印精度和速度的同時(shí)，具有可折疊、體積小的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

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