裝配框架及平面運動組件

【任務(wù)目標(biāo)】1.掌握框架及平面運動組件各零部件的名稱及型號。2.了解各部件的作用。3.了解所需零件的規(guī)格。4.掌握框架及平面運動組件的組裝方法。

房子能否穩(wěn)固的屹立不倒完全取決于地基是否夯實、框架是否穩(wěn)定。FDM3D打印機其實也是一樣的，在打印過程中，X、Y軸的運動頻次高、強度大，在這種情況下能否依然保證高精度的打印效果完全取決于打印機框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的FDM3D打印機包含了多種運動結(jié)構(gòu)，如果要了解運動結(jié)構(gòu)以及部件的運動狀態(tài)時往往需要拆卸鈑金外殼，操作復(fù)雜、費時，而且不便拆裝觀察。

利用全鋁型材拼裝的框架能更直觀的觀察各部件的運動情況，當(dāng)設(shè)備部件出現(xiàn)問題時可以在第一時間檢測出問題所在，便于后期的檢修與維護。同時，也能更好的觀察到整個打印的成形過程，簡單、清晰的了解成形原理。此外，在其他部件的選擇上也具有很多優(yōu)點，例如鋁型材安裝方便，部件互換性高等。

下面就讓我們一起通過整個安裝流程來了解各部件的優(yōu)點以及它們的作用吧。1.框架及平面運動組件的構(gòu)成

鋁型材框架是整個打印機關(guān)鍵打印部件重量的主要承擔(dān)者，承載打印機運動系統(tǒng)的主要依托。設(shè)備整體的框架結(jié)構(gòu)主要是由四種不同規(guī)格的鋁型材構(gòu)成，鋁型材材質(zhì)密度小、重量輕、耐腐蝕、延展性好、化學(xué)性能穩(wěn)定，非常適合用于框架結(jié)構(gòu)。鋁型材之間通過角鋁進行連接，再加上與底部地腳的配合，可以輕松的將設(shè)備整體框架結(jié)構(gòu)固定在平臺上。同時還需要在鋁型材上安裝Z軸的步進電機，為后續(xù)任務(wù)的組裝工作提前做好準備。

平面運動組件，主要是由前面任務(wù)組裝的打印頭模塊、X軸運動模塊組成，是負責(zé)打印頭在X軸、Y軸方向移動的，因為X軸、Y軸的移動范圍是一個平面，故又稱之為平面運動組件。平面運動組件整體是依托在框架結(jié)構(gòu)上的，如果框架結(jié)構(gòu)組裝時不能保證其整體的穩(wěn)定性，打印頭在進行平面運動時就會出現(xiàn)抖動的情況，直接反映在3D打印模型上的結(jié)果就是抖動紋和震紋的出現(xiàn)。所以在組裝時，需要重點注意框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保每一根型材及輔助連接的角鋁處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在組裝平面運動組件時，首先，將光軸（X）從任務(wù)2的兩個X軸運動模塊中穿過，光軸（X）兩端使用光軸固定座（X）固定。之后，將組裝好的部分安裝至框架結(jié)構(gòu)上。隨后，將兩根光軸（Y）穿過任務(wù)1中組裝完成的噴頭組件，并將光軸（Y）的兩端固定在X軸運動模塊中的導(dǎo)向軸支架上。2.各部件的規(guī)格與作用

框架部分由鋁型材、角碼、地腳、光軸固定座（Z）、電機支架Z、步進電機、聯(lián)軸器。平面運動組件由光軸（X）、光軸固定座（X）、光軸（Y）以及前置任務(wù)中組裝好的打印頭模塊、組成。

1）鋁型材：不同型號的鋁型材安裝時所處的位置、安裝順序都不一樣，所以在安裝步驟中我們應(yīng)該先了解各型號的鋁型材。（如圖1-79）鋁型材的選取很大程度上決定著平臺的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性越高，打印效果越好。這里所使用的鋁型材主要有以下四種規(guī)格：20*20*540mm（A-1鋁型材）、20*20*456mm（A-2鋁型材）、20*20*571mm（A-3鋁型材）、20*20*496mm（A-4鋁型材）。圖1-79鋁型材

2）地腳：地腳的主要作用是將鋁型材底部固定在平臺上，提高鋁型材在平臺上的穩(wěn)定性，如果直接安裝鋁型材，會因為其底部接觸面積小、不穩(wěn)定，導(dǎo)致出現(xiàn)晃動的情況?；蝿訉?D打印機的運作有很大的影響，所以要盡可能的避免這種情況的發(fā)生。（如圖1-80）圖1-80地腳

3）角碼：所使用的角碼規(guī)格為20mm*28mm，角碼是連接鋁型材的重要部件，按照安裝方式大致可分為隱藏安裝和外露安裝。隱藏式角碼能節(jié)省安裝空間，但是連接強度沒有外露式高，因此可根據(jù)不同的安裝需求選用不同的角碼。這里選擇的是外露式角碼，一方面對于3D打印機來說型材框架的連接強度是當(dāng)下需要重點關(guān)注的問題，另一方面外露式角碼更直觀，利于學(xué)習(xí)和了解其組裝過程。（如圖1-81）圖1-81角碼

4）光軸固定座（Z）：在安裝Z軸的光軸時，因為重力原因光軸會上下移動，需要使用光軸固定座鎖緊光軸上下兩端。（如圖1-82）圖1-82光軸固定座（Z）

5）步進電機：這里的步進電機是為了給Z軸方向提供動力，從而帶動打印平臺上下移動。對于小型的FDM3D打印來說一個步進電機即可提供垂直運動力，中型的設(shè)備往往需要兩個步進電機在設(shè)備的左右兩側(cè)同時運作，才能保證運動力的充足。（如圖1-83）圖1-83步進電機

6）電機支架Z：電機支架的作用是將步進電機固定在型材框架上。（如圖1-84）圖1-84電機支架Z

7）聯(lián)軸器：主要是用來將不同機構(gòu)中的主動軸和從動軸牢固地連接起來一同旋轉(zhuǎn)，并傳遞運動和扭矩的機械部件。在組裝3D打印機時，聯(lián)軸器的一端固定在步進電機的電機軸上，另一端連接絲杠，把電機的扭矩傳遞給絲杠。聯(lián)軸器還有補償兩軸之間由于制造安裝不精確、工作時的變形或熱膨脹等原因所發(fā)生的偏移（包括軸向偏移、徑向偏移、角偏移或綜合偏移），以及緩和沖擊、吸振的功能。（如圖1-85）圖1-85聯(lián)軸器

8）光軸：是打印頭模塊、X軸運動模塊運動的“軌道”，光軸的精度決定運動模塊滑動的流暢度，從而影響打印的精度。光軸除了承擔(dān)一部分組件的重量外，最重要的是實現(xiàn)運動部件的平穩(wěn)移動。（如圖1-86）圖1-86光軸

9）光軸固定座（X）：既承擔(dān)著Y方向的光軸重量，也承擔(dān)著這個打印頭模塊及固定塊的重量，同時導(dǎo)向軸支架在運動件中為X方向運動滑塊，通過它來實現(xiàn)X軸方向上的平穩(wěn)移動。（如圖1-87）圖1-87光軸固定座（X）3.框架及平面運動組件的組裝

1）取出A-1鋁型材和地腳，并將二者組裝在一起；將T型螺母通過地腳側(cè)面的孔位放入型材的凹槽內(nèi)。（如圖1-88）圖1-88組裝地腳a

2）隨后將M4*8mm的內(nèi)六角螺絲、墊片與之前放入的T型螺母連接，擰緊螺絲，將另一側(cè)的T型螺母、內(nèi)六角螺絲、墊片按照同樣的方式連接，確保A-1鋁型材和地腳緊密裝配在一起。（如圖1-89）圖1-89組裝地腳b

3）將剩余的三組A-1鋁型材和地腳按照上面的方法進行固定（在進行整體組裝時需要確保地腳開口朝向內(nèi)側(cè)，左右兩側(cè)的地腳開口是相對的）。（如圖1-90）圖1-90組裝地腳c

4）M3*8mm內(nèi)六角螺絲將電機支架Z與電機固定在一起。（如圖1-91）圖1-91安裝電機支架

5）使用聯(lián)軸器自帶的鎖緊螺絲將聯(lián)軸器與步進電機的電機軸固定在一起（此步驟只需鎖緊聯(lián)軸器下方的螺絲）。（如圖1-92）圖1-92安裝聯(lián)軸器

6）將兩個T型螺母放入A-2鋁型材凹槽內(nèi)，把前面步驟中組裝好的電機倒置在型材上，電機支架Z上的兩個孔位對準提前放好的T型螺母，使用M4*8內(nèi)六角螺絲從孔位中穿過并與T型螺母固定在一起（電機需安裝在A-2鋁型材的中間位置）。（如圖1-93）圖1-93安裝電機組件

7）將兩個角碼通過M4*8mm內(nèi)六角螺絲和T型螺母安裝在A-2鋁型材的兩端。（如圖1-94）圖1-94安裝角碼

8）按照同樣的方法，安裝好另一組A-2鋁型材和電機。（如圖1-95）圖1-95安裝另一組電機

9）將組裝好的A-2鋁型材與兩根A-1鋁型材組裝在一起，同樣使用M4*8mm內(nèi)六角螺絲和T型螺母進行固定。（如圖1-96）圖1-96鋁型材組裝圖1-97頂部角碼與鋁型材10）安裝兩個頂部角碼，安裝時確保角碼與型材的頂部齊平。之后將A-4鋁型材放置在角碼上方，使用M4*8mm內(nèi)六角螺絲和T型螺母固定。（如圖1-97）

11）按照同樣方法組裝好另一組框架結(jié)構(gòu)，兩組框架結(jié)構(gòu)分別位于設(shè)備的左右兩側(cè)。組裝時注意，地腳開口的一邊與電機安裝朝向要一致，否則會影響后續(xù)部分的安裝。將兩組框架結(jié)構(gòu)電機朝向相對擺放，緊貼地腳的上沿安裝角碼。將A-3鋁型材放置在安裝好的角碼上。（如圖1-98）圖1-98框架結(jié)構(gòu)組裝a

12）放置好的A-3鋁型材使用M4*8mm內(nèi)六角螺絲和T型螺母固定。隨后將組裝好的框架結(jié)構(gòu)使用M4*10mm的內(nèi)六角螺絲安裝在底板上。（如圖1-99）圖1-99框架結(jié)構(gòu)組裝b

13）將光軸（X）穿過任務(wù)2中的X軸運動模塊，并在光軸的兩端安裝光軸固定座（X），并將光軸固定座（X）上的鎖緊螺絲擰緊。（如圖1-100）圖1-100組裝X軸運動模塊圖1-101安裝光軸固定座（X）14）提前將M4*8mm的內(nèi)六角螺絲和T型螺母安裝在有限位開關(guān)的光軸固定座（X）上，但不要將螺絲擰緊，方便后續(xù)調(diào)整。（如圖1-101）

15）首先，按照上面的方法組裝好另一組。隨后，找到其中帶有限位開關(guān)的一組，光軸固定座（X）將兩端的T型螺母調(diào)整為橫向。（如圖1-102）圖1-102T型螺母調(diào)整

16）將帶有限位開關(guān)的一組從靠近操作者一方的框架處裝入，將橫向的T型螺母滑進型材的凹槽處（務(wù)必確保光軸固定座（X）與型材齊平，否則后續(xù)的型材框架會安裝不上），并將螺絲擰緊。（如圖1-103）圖1-103安裝X軸運動組件

17）將兩根光軸（Y）穿過任務(wù)1中組裝好的打印頭模塊，隨后將光軸（Y）安裝在沒有限位開關(guān)的光軸固定座（X）上，并將四顆頂絲擰緊。（如圖1-104）圖1-104安裝光軸（Y）圖1-105安裝平面運動組件18）將組裝好的部分與有限位開關(guān)的光軸固定座（X）聯(lián)接在一起，并將頂絲擰緊。隨后將左右兩側(cè)的光軸固定座（X）通過內(nèi)六角螺絲和T型螺母固定在型材框架上。（如圖1-105）圖1-106組裝光軸固定座（Z）19）組裝光軸固定座（Z），將內(nèi)六角螺絲和T型螺母安裝在光軸固定座（Z）上，隨后將T型螺母調(diào)整方向，確保能夠穿過型材的凹槽。（如圖1-106）

20）將組裝好的光軸固定座（Z），安裝在左右兩側(cè)的型材框架上，此時螺絲不要擰緊。將上下8個光軸固定座（Z）組裝好后安裝在框架型材的凹槽內(nèi)。（如圖1-107）圖1-107安裝光軸固定座（Z）

21）最后，將A-5鋁型材安裝至設(shè)備框架上，A-5鋁型材側(cè)面有兩個螺孔，將螺孔對準左右兩側(cè)的A-4鋁型材的頂部，使用6*20mm內(nèi)六角螺絲擰緊，另一邊使用同樣方法固定。（如圖1-108）圖1-108安裝A-5鋁型材

多軸3D打印技術(shù)

模型支撐一直是限制FDM3D打印技術(shù)表面質(zhì)量優(yōu)化的關(guān)鍵因素之一，如果可以在不加支撐的前提下，完成模型懸空部分的打印，模型整體，尤其是底部的表面質(zhì)量將得到極大的提升。為了解決這個問題，早在2014年，英國一家3D打印設(shè)備制造商就推出一款名為5AxisMaker的五軸加工平臺。用戶只需要簡單更換加工噴頭，便可以獲得集合噴涂、切割、3D掃描、3D打印等多種功能于一身的五軸加工平臺。這臺機器雖然還不是所謂的五軸3D打印機，但是標(biāo)志著五軸3D打印的出現(xiàn)。

2015年2月，德國的一家制造企業(yè)將五軸3D打印技術(shù)進一步發(fā)展，他們將3D打印機嫁接到五軸數(shù)控機床上，在立式銑床主軸上安裝了一個3D打印機的噴頭，在第四、第五軸轉(zhuǎn)臺上增加了加熱平臺。至此，將五軸加工機床與3D打印設(shè)備相結(jié)合的設(shè)計理念得到驗證加強。2015年7月，一臺五軸3D打印機在挪威奧斯陸大學(xué)誕生，與之前的研究有所不同，它并不是工業(yè)級用機，也不是由企業(yè)研發(fā)制造，而是一臺桌面型設(shè)備，由該校兩名研究生設(shè)計研發(fā)。但其原型機已經(jīng)展現(xiàn)了此后五軸3D打印機的主要特色，即通過多出的兩軸使打印頭可在更多平面上打印，減少3D打印過程中支撐結(jié)構(gòu)的使用，提高設(shè)備制造凹陷、懸垂等特殊結(jié)構(gòu)的能力。2016年5月，日本造出該國首臺五軸混合制造3D打印機，這款機器將五軸加工機床與基于FDM工藝的3D打印技術(shù)結(jié)合起來，并用計算機進行精確控制，可謂相當(dāng)超前。此后不久，日本工業(yè)巨頭三菱也宣布著手研發(fā)五軸3D打印技術(shù)。2017年2月法國斯特拉斯堡的工業(yè)金屬3D打印設(shè)備制造商BeAMMachines，已經(jīng)向北美解決方案中心交付了五軸打印設(shè)備Magic2.0，它使用了激光金屬沉積成形（LMD）增材制造技術(shù)，這是一款多功能的機器，擁有修改和修復(fù)技術(shù)組件的功能。修復(fù)燃氣輪機軸封、靜子葉片、渦輪葉片，以及一些以往無法修復(fù)的高價值零件。）

2017年6月瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)的兩名學(xué)生OliverTolar和DenisHerrmann開發(fā)了一臺基于普通FDM三角洲3D打印機的6軸3D打印機，增加了可以自動傾斜的打印平臺，打印平臺由3個電機帶動3條連桿，可以實現(xiàn)