基于螺桿擠出原理的多材料3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u5490基于螺桿擠出原理的多材料3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計 190461.1引言 1254571.2基于螺桿擠出原理的多材料3D打印機總體設(shè)計 1108121.2.1方案一：擠出頭平面運動，打印平臺上下運動 2131091.2.2方案二：擠出頭上下運動，打印平臺平面運動 4266701.2.3總體方案確定 6250311.3關(guān)鍵部件設(shè)計 7212181.3.1絲桿傳動設(shè)計 7121721.3.2打印平臺設(shè)計 10277871.3.3機身框架設(shè)計 12214491.4關(guān)鍵部件選型 14158191.4.1直線模組選型 14289911.4.2驅(qū)動電機選型 15205791.5小結(jié) 17引言一臺完整的3D打印機由機械系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。其中，機械系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)決定了打印機的質(zhì)量和打印件的精度品質(zhì)。所以，對于打印機各部分需要做到準確數(shù)字化設(shè)計建模和裝配，這對設(shè)計的好壞有重要影響。在基于螺桿擠出原理多材料3D打印機中，機身框架、工作平臺、三軸運動系統(tǒng)和螺桿擠出頭組件系統(tǒng)一起組成了機械系統(tǒng)。機身框架可以承受框架自身重量、擠出頭重量和直線模組等外在載荷。工作平臺保證制件在上面累加成型。X軸、Y軸和Z軸方向獨立的直線運動組成了三軸運動系統(tǒng)，通過三軸運動系統(tǒng)的互相配合運動，可以精確實現(xiàn)打印頭在預(yù)定路徑的打印過程。擠出頭系統(tǒng)是用來成型材料的擠出結(jié)構(gòu)，來保證材料能夠準確又順暢的供給。設(shè)計和創(chuàng)新相輔相成，多材料3D打印機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在基于螺桿擠出原理的基礎(chǔ)上，提出兩種設(shè)計方案，并借助計算機輔助設(shè)計軟件完成三維CAD模型?；诼輻U擠出原理的多材料3D打印機總體設(shè)計本文提出的多材料3D打印機是基于螺桿擠出原理設(shè)計的3D打印裝置，與傳統(tǒng)的熱熔融3D打印機有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，打印材料為固態(tài)顆粒料的PLA基復(fù)合材料，不像傳統(tǒng)打印機必須通過送料小齒輪嚙合送出標準的線材，而固態(tài)顆粒料的PLA相對線材更易于獲得，節(jié)省原材料和加工成本，并設(shè)計全新的擠出機構(gòu)來打印；其次，將螺桿擠出原理運用在3D打印中，由于擠出頭的噴嘴口徑是1mm，因此可以顯著提高打印效率，且設(shè)計的打印機框架尺寸較大，可為大尺寸產(chǎn)品打印提供設(shè)計思路；最后，所設(shè)計的打印機能滿足兩種及以上材料同時打印、換料方便。設(shè)計方案是整個設(shè)計過程的基礎(chǔ)，要根據(jù)設(shè)計要求以及工作原理等進行方案設(shè)計。以傳統(tǒng)FDM熔融擠出桌面級3D打印機為原型，應(yīng)用螺桿擠出原理設(shè)計一種多材料3D打印機[37-44]。基于螺桿擠出原理多材料3D打印裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)該可靠、運動穩(wěn)定。打印機搭建可以選擇合適的機械運動結(jié)構(gòu)，同時為了便于檢修，需要設(shè)計檢修位置并配備一定數(shù)量的可互換備件，使得多材料3D打印機在使用過程中出現(xiàn)問題隨時能檢修，更換易損件。打印機機械形式有三種，分別是串聯(lián)型、平行連桿型和直角坐標型[45]，綜合本文的大框架螺桿擠出打印的特點，結(jié)合對3D打印機的各種運動結(jié)構(gòu)的分析，本文所設(shè)計的兩種基于螺桿擠出原理多材料3D打印機的設(shè)計方案均為UM結(jié)構(gòu)，即直角坐標型?，F(xiàn)代先進的設(shè)計方法不同于以往的傳統(tǒng)直覺和經(jīng)驗手工計算的設(shè)計方法，其具有快速、高效和節(jié)能的優(yōu)點。此處主要運用了CAD、CAE、優(yōu)化設(shè)計和綠色設(shè)計等先進方法。本文使用CAD軟件進行了打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計的零件三維建模、總裝配和二維工程圖；使用以有限單元法為代表的計算機輔助工程技術(shù)對打印機必要部件進行有限元分析；使用優(yōu)化設(shè)計的方法可以在滿足產(chǎn)品使用功能的前提下，盡可能使用少的材料來達到設(shè)計的目的；使用可生物降解的PLA混合顆粒料作為打印原材料，使用了綠色設(shè)計的理念，有利于節(jié)能減排。應(yīng)用這些先進設(shè)計方法不僅可以有效的縮短設(shè)計時間和經(jīng)濟成本，還能使設(shè)計與生態(tài)環(huán)保理念有效結(jié)合?；谏鲜鏊鶎懀疚奶岢鰞煞N結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。方案一，如圖2-1所示，螺桿擠出頭組件系統(tǒng)做二維平面運動，即Y軸運動影響X軸運動，X軸運動影響擠出頭打印系統(tǒng)的運動，打印平臺做豎直方向Z軸的升降運動。方案二，如圖2-2所示，螺桿擠出頭組件系統(tǒng)做豎直方向的升降運動，打印平臺做二維平面運動。方案一：擠出頭平面運動，打印平臺上下運動該方案的3D打印機打印平臺做豎直方向的升降運動，螺桿擠出頭在二維平面運動，螺桿擠出頭做打印擠出運動[46]。即擠出頭平面運動，打印平臺上下運動，Creo三維建模如圖2-1所示。基于螺桿擠出原理多材料3D打印機機械結(jié)構(gòu)包括機身框架系統(tǒng)、螺桿擠出頭組件系統(tǒng)、三軸運動系統(tǒng)和打印平臺部分。為減少整體重量，機身框架為8080鋁型材，零部件采用鋁合金材料，整機尺寸為1000×1000×1800mm，成型空間根據(jù)XYZ軸最大行程確定為600×600×1000mm。螺桿擠出頭組件系統(tǒng)安裝在由X軸和Y軸組成的工字型直線模組上，X軸和Y軸的平面移動部件通過L形角件與打印機框架連接，該系統(tǒng)隨著X軸和Y軸的移動在二維平面做擠出運動，進而實現(xiàn)在打印機平面擠出運動；打印平臺安裝在Z軸移動部件上，打印平臺通過Z軸絲杠帶動實現(xiàn)在豎直方向的上升和下降運動，進而實現(xiàn)打印機豎直方向的移動。打印過程中的運動如下：打印平臺上升至Z軸上方，與螺桿擠出頭保持一定間隙，螺桿擠出頭組件系統(tǒng)完成固定層厚的水平運動時，打印平臺完成一個固定層厚的下降運動，通過螺桿擠出頭組件系統(tǒng)和打印平臺的移動配合，實現(xiàn)3D打印。螺桿擠出頭組件系統(tǒng)具有供料、送料和加熱的功能，它由電機、螺桿、料筒、加熱線圈和擠出噴嘴等部件組成，電機經(jīng)減速器與螺桿連接；螺桿和料筒配合，且留有一定的間隙來輸送打印材料；加熱線圈纏繞在料筒外周的加熱部分，熔融后的多材料由螺桿按照一定的轉(zhuǎn)速輸送至擠出噴嘴，完成擠出運動。打印平臺具有承載打印件的作用，它包括三層，分別是最下端的支撐板，中間層的加熱板和最上端的玻璃板，為了導(dǎo)熱均勻也可以在加熱板上放置鋁板導(dǎo)熱。但本設(shè)計方案因選擇的加熱板上可以直接放置玻璃板，所以就不需要加鋁板增加絲杠承重。支撐板通過Z軸絲杠和導(dǎo)向光軸固定在一起，加熱板和支撐板通過彈簧調(diào)平螺釘在四角連接，玻璃板直接粘貼在加熱板上。a）不加外殼的打印機b）加外殼的打印機圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1設(shè)計方案三維模型Fig.2-1Threedimensionalmodelofthedesignscheme打印平臺移動部件是由中間的滾珠絲杠和兩側(cè)導(dǎo)向光軸帶動的，它們通過支撐座固定在打印機機身框架兩側(cè)。中間滾珠絲杠的兩端用方型軸承座固定，再使用聯(lián)軸器和電機連接，進而驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)完成打印平臺的上下直線運動；兩側(cè)導(dǎo)向光軸通過T型導(dǎo)向軸支座兩端固定，其中導(dǎo)向光軸上裝有直線軸承。其中，中間的滾珠絲杠的螺母座和兩側(cè)的導(dǎo)向光軸的直線軸承與打印平臺的支撐板通過螺栓固定。X軸和Y軸移動部件由兩組線性模組構(gòu)成，兩組線性模組組成一個“工”字型。第一組線性模組就是Y軸，共有2根，平行固定在打印機機身框架上；第二組線性模組就是X軸，縱向垂直設(shè)置并安裝在第一組線性模組上，即被做縱向移動的第一組線性模組驅(qū)動做橫向移動。在第二組線性模組上安裝有擠出裝置，它們通過末端裝有風扇的擠出頭支架相連接。機身框架由16根鋁型材組成，其中包括4根1800mm的豎直鋁型材和12根1000mm的水平鋁型材，再加以鋁型材固定角座，船型螺母等。工字型模組和Z軸上端支撐座安裝在機身框架的頂部，Z軸驅(qū)動電機及底部支撐座安裝機身框架的底部，機身框架的豎直部分將這兩者相連接?；诼輻U擠出原理多材料3D打印機，通過兩組擠出裝置在水平面上的橫向和縱向移動，這種十字交叉方式的設(shè)計方案，使移動過程中振動減少，并且能夠更好地適應(yīng)高速打印。此外，兩組擠出裝置同時使用兩種顆粒料進行打印，不僅提高了打印效率，節(jié)約了成本，機身框架大尺寸設(shè)計還增大了打印范圍。方案二：擠出頭上下運動，打印平臺平面運動該方案的打印平臺做XY方向的平面運動，螺桿擠出頭組件做Z軸升降運動。即擠出頭上下運動，打印平臺平面運動，Creo三維建模如圖2-2所示?；诼輻U擠出原理多材料3D打印機擠出頭組件設(shè)計包括第一送料裝置，第二送料裝置，第一螺桿擠出頭運動組件，第二螺桿擠出頭運動組件，X軸運動組件，Y軸運動組件和打印機框架。第一螺桿擠出機構(gòu)安裝在打印機框架上，第二螺桿擠出機構(gòu)結(jié)構(gòu)與第一螺桿擠出機構(gòu)相同也安裝在打印機框架上；送料裝置中的料箱出口與螺桿擠出機構(gòu)中的擠出料筒進料口連接。 圖2-2設(shè)計方案三維模型Fig.2-2Threedimensionalmodelofdesignschemes螺桿擠出機構(gòu)包括：安裝板、擠出電機、擠出螺桿、擠出料筒和擠出噴頭；擠出電機和擠出料筒安裝在安裝板上，擠出螺桿同軸設(shè)置在擠出料筒中，擠出料筒外圈包裹有加熱圈；擠出電機的輸出軸與擠出螺桿的上端連接，擠出螺桿的下端與擠出噴頭連接；擠出螺桿與擠出噴頭通過螺紋連接。擠出噴頭下方設(shè)置有打印平臺。送料裝置包括進料系統(tǒng)支架，進料系統(tǒng)支架上設(shè)置有料箱，料箱上連接有料斗，料箱出口與螺桿擠出機構(gòu)中的擠出料筒進料口連接；進料系統(tǒng)支架上安裝有進料步進電機，料箱內(nèi)與料箱出口相對的一側(cè)設(shè)置有推板，進料步進電機的輸出軸與推板連接。送料裝置的送料管由軟管和硬管組成，軟管可以隨著打印Z軸組件上下動態(tài)伸縮。打印機Z軸運動組件包括兩套獨立的螺桿擠出頭裝置。螺桿擠出頭裝置包括電機、螺桿、料筒、噴嘴和加熱圈。其中在打印機最上層和第三層的鋁型材中間部位各有一根水平鋁型材，兩根鋁型材用來固定打印機Z軸絲杠和光軸?？蚣茏钌蠈雍偷谌龑又g的距離由打印機Z軸行程長短決定框架第三層鋁型材位置。兩套螺桿擠出頭組件通過Z軸固定板固定在板子上，Z軸向固定板通過與滾珠絲杠的螺母座固定，實現(xiàn)Z軸上下運動。X軸運動機構(gòu)包括X軸底板，X軸底板固定在對底層的打印機框架鋁型材水平面上。X軸底板上設(shè)置有X軸電機和X軸絲杠；X軸向電機的輸出軸與X軸向絲杠一端連接，打印平臺連接在X軸向絲杠的滑塊上。最下端的Y軸運動機構(gòu)包括Y軸底板，Y軸底板上設(shè)置有Y軸電機和Y軸絲杠；Y軸電機的輸出軸與Y軸絲杠一端連接；Y軸向絲杠上的絲杠滑塊上固定連接有連接滑塊，X軸底板固定安裝在連接滑塊上。X軸運動機構(gòu)還包括兩個X軸向光軸，兩個X軸光軸平行設(shè)置在X軸絲杠兩側(cè)，打印平臺的兩側(cè)分別與兩個X軸向光軸上的滑塊連接。Y軸運動機構(gòu)還包括兩個Y軸向光軸，兩個Y軸導(dǎo)向光軸平行設(shè)置在Y軸向絲杠兩側(cè)，X軸平臺的兩側(cè)分別與兩個Y軸向光軸上的滑塊固定連接。X軸運動機構(gòu)和Y軸運動機構(gòu)組合平面二維運動。設(shè)置料斗、進料步進電機和進料筒，使用時，通過料斗、進料步進電機和進料筒向擠出料筒中進料，因此普通粒料就可以作為打印材料，打印原料來源方便快捷；并且，這種進料方式，不會造成耗材浪費，不會因為耗材折斷而造成打印中斷或失敗。該裝置為大型3D打印裝置，且使用螺桿擠出，打印效率高。配備有兩套螺桿擠出機構(gòu)，可實現(xiàn)多材料3D打印?？傮w方案確定1）進料方式對比方案一以常規(guī)式料斗來達到送料的目的，通過料斗向擠出機進行供料，利用粒料的自重使其進入料筒中，隨著料筒內(nèi)螺桿的旋轉(zhuǎn)，粒料以一定的速度不斷向前移動，從而實現(xiàn)粒料的進料；方案二采用儲料罐通過軟硬管與料筒連接進行送料，在儲料罐外添加電機進行從下端往上端送料，使粒料進入料筒。經(jīng)過比較兩種送料機構(gòu)設(shè)計方案，由于第二種方案中，軟管的長度較長，容易發(fā)生堵料現(xiàn)象，反而會降低工作效率；而第一種方案是常規(guī)的輸送方式，提高了效率，也杜絕了堵料現(xiàn)象。所以，根據(jù)進料方式選擇第一種方案可行性強。2）三軸運動系統(tǒng)對比影響多材料3D打印機打印精度和打印效率的因素有很多，例如擠出頭運動精度、加熱溫度和原材料特性等，其中擠出頭運動精度與三軸運動系統(tǒng)息息相關(guān)。三軸運動方式的合理設(shè)計影響了整體裝備的空間布局。表2-SEQ表2-\*ARABIC13D打印機常用三軸運動方式分析Table2-1Analysisofthecommonthree-axismotionmodeof3Dprinter方案方案一方案二運動方式擠出頭做XY軸二維平面運動，打印平臺做Z軸升降運動打印平臺做XY軸平面運動，擠出頭做Z軸升降運動優(yōu)點空間利用率高噴頭僅做Z方向上的獨立運動，對噴頭進料影響較小缺點由于噴頭頻繁運動會影響進料和成型精度由于工作平臺占用空間大，空間利用率低為了設(shè)計出符合要求的三軸運動系統(tǒng)，可以遵循以下原則：第一，在設(shè)計的打印速度范圍內(nèi)，各軸運動時平穩(wěn)運行，整體運動協(xié)調(diào)，響應(yīng)時間短，定位誤差小，重復(fù)定位精度高；第二，運動部件所安裝的機身框架，單個組件互換性強、可加工性好，組件間安裝牢固可靠，整體結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足要求。方案一和方案二的運動方式對比如表2-1所示，以當前的3D打印機為例，通過分析其運動方式：方案一在運動可行域、空間利用率和打印效率等方面，優(yōu)于方案二，方案二適用于擠出頭較重的場合。結(jié)合本文設(shè)計實際需求，擠出頭為基于螺桿擠出原理多材料3D打印擠出頭，結(jié)構(gòu)精巧，重量輕。故本文多材料3D打印機的三軸運動方式選擇方案一，即擠出頭做XY平面運動，打印平臺做Z軸升降移動。3）傳動方式對比多材料3D打印機使用滾珠絲杠進行Z軸上下運動，它具有承載能力高、穩(wěn)定性好、定位精度高和結(jié)構(gòu)簡單的特點，可以將電機的旋轉(zhuǎn)運動形式轉(zhuǎn)變成打印平臺的線性運動形式。兩套設(shè)計方案中，Z軸都是步進電機旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠螺母做旋轉(zhuǎn)運動，與絲杠螺母座相連的螺母墊板進行線性運動。只是方案一帶動的是打印平臺進行上升和下降運動，而方案二帶動的是雙螺桿擠出頭進行上升和下降運動。方案一的XY軸運動設(shè)計的是工字型線性模組，工字型線性模組固定安裝在打印機機身框架上，三根直線模組安裝穩(wěn)定不晃動，線性模組采用封閉式護罩保護，內(nèi)部是精密滾珠絲杠。方案二的XY軸運動設(shè)計的是兩套外置絲杠垂直交叉配合，由于兩套外置絲杠要不斷運動，所以精度不及方案一。由于方案一直線模組運動精度高，可快速響應(yīng)，所以選擇方案一中的傳動方式。綜上所述，通過對比兩套方案的打印精度、進料方式、三軸運動系統(tǒng)和傳動方式，發(fā)現(xiàn)方案一要優(yōu)于方案二。由此得出3D打印機的本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計圖（如圖2-1a）所示）。所以選擇方案一的擠出頭平面運動，打印平臺上下運動的打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。關(guān)鍵部件設(shè)計絲桿傳動設(shè)計1）絲杠傳動設(shè)計選型滾珠絲杠是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。如圖2-3，是滾珠絲杠原理示意圖。本文選用方案一擠出頭在XY平面二維運動，打印平臺隨Z軸上下運動。根據(jù)移動物體的重量為打印件和支撐板重量、Z軸運動速度、安裝方向等，確定打印平臺安裝在Z軸移動部件上實現(xiàn)豎直方向的上下移動。Z軸移動部件是指通過滾珠絲杠實現(xiàn)。打印平臺固定在絲杠的螺母座上。啟動Z軸上的驅(qū)動86步進電機，聯(lián)軸器兩端連接步進電機輸出軸和滾珠絲杠軸，兩側(cè)絲杠上的每個螺母座上有四個φ8mm的孔，可以固定打印平臺的下端的支撐板，從而帶動打印平臺上下工作。321滾珠絲杠原理示意圖321滾珠絲杠原理示意圖41411.絲杠2.滾道3.螺母4.滾珠圖2-3滾珠絲杠原理示意圖Fig.2-3Schematicdiagramofballscrew表2-2絲杠選型Table2-2Screwtypeselection型號精度等級軸外徑（mm）導(dǎo)程（mm）螺距(mm)螺紋方向3205-1500C103255R通過查閱《機械設(shè)計手冊》，Z軸絲杠螺紋直徑計算的最小值為30mm，故選擇φ32mm的絲杠。由于打印機框架高度設(shè)計為1800mm，所以，根據(jù)計算，減去86步進電機和聯(lián)軸器長度，選型長度1500mm的絲杠，故絲杠選型如表2-2所示。Z軸移動部件選型如表2-3所示。表2-3Z軸移動部件選型Table2-3Selectionofz-axismovingparts名稱型號數(shù)量滾珠絲杠3205-15002方型軸承座BKBF254光軸（導(dǎo)向軸）30-15004直線軸承(方法蘭型)LHFWS304T型導(dǎo)向軸支座（光軸支座）SK3082）絲杠校核計算為了確認選型的基本安全性，下面對所設(shè)計選型的絲杠進行容許軸向負載，容許轉(zhuǎn)速和壽命的計算。容許軸向負載（P）（2-1）式中：P ——容許軸向負載（N）； ——負載作用點間距（mm）；E ——楊氏模量（）；I ——絲杠軸螺紋內(nèi)徑截面的最小慣性矩（）；d ——絲杠底徑（mm）； ——由滾珠絲杠的支撐方式?jīng)Q定的系數(shù)，見表2-4； ——由滾珠絲杠的支撐方式?jīng)Q定的系數(shù)，見表2-4；Α ——安全系數(shù)=0.5。表2-4n和m系數(shù)表Table2-4TableofNandMcoefficients支撐方法nm鉸支-鉸支15固定-鉸支210固定-固定419.9固定-自由0.251.2本文中已知絲杠軸徑32mm，導(dǎo)程5mm，安裝方法為固定-固定，m=19.9，負載作用點間距即絲杠有效行程l=1300mm，絲杠底徑d=25mm，則容許軸向負載P由公式2-1計算得：N。根據(jù)本文設(shè)計的打印機絲杠軸承受打印平臺的負載最大為50000N，P>50000N，故所選絲杠容許軸向負載P滿足設(shè)計要求。容許轉(zhuǎn)速（Nc）（2-2）式中：Nc——容許轉(zhuǎn)速（r/min）；l ——支撐間距（mm）； ——安全系數(shù)，取0.8； ——比重(7.8×10-6kg/mm3）；E ——楊氏模量(2.06×105N/mm2)；g ——由滾珠絲杠的支撐方式?jīng)Q定的系數(shù)，見表2-5；λ ——由滾珠絲杠的支撐方式?jīng)Q定的系數(shù)，見表2-5。表2-5支撐方式系數(shù)Table2-5Coefficientofsupportmode支撐方法gλ鉸支-鉸支9.7π固定-鉸支15.13.927固定-固定21.94.73固定-自由3.41.875本文中已知絲杠軸徑φ32mm，導(dǎo)程為5mm，因為支撐方式為固定-固定，所以g取值21.9，負載作用點間距即絲杠有效行程l=1300mm，絲杠底徑d=25mm則容許轉(zhuǎn)速由公式2-2計算得3239.64min-1。滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速取決于必要的進給速度和滾珠絲杠的導(dǎo)程，且須小于容許轉(zhuǎn)速。由經(jīng)驗可知，絲杠容許轉(zhuǎn)速遠遠大于實際打印轉(zhuǎn)速需求，所以3205絲杠滿足打印機轉(zhuǎn)速使用要求。壽命（Lh）（2-3）式中： ——壽命時間（小時）； ——基本動額定負載（N）； ——軸向平均負載（N）；Nm ——平均轉(zhuǎn)速（）； ——運行系數(shù)，見表2-6。表2-6運行系數(shù)Table2-6Operatingfactor運行情況無沖擊的靜態(tài)運行正常運行伴隨有沖擊的運動fw1.0~1.21.2~1.51.5~2.0本文滾珠絲杠型式為SFSR3205-1500，軸向平均負載Pm取值1000N，平均轉(zhuǎn)速Nm按容許轉(zhuǎn)速Nc取值2600，運行系數(shù)取1.2，查得SFSR03205-1500的基本動額定負載C為18030N，則計算的壽命為21742.97小時。故該型號的滾珠絲杠的額定壽命遠遠滿足設(shè)計要求。打印平臺設(shè)計1）打印平臺設(shè)計選型Z軸移動部件即打印平臺是通過滾珠絲杠實現(xiàn)，同時滾珠絲杠左右兩側(cè)有兩根φ30mm的導(dǎo)向光軸，導(dǎo)向光軸穿過打印平臺支撐板的孔來間隙配合通過直線軸承來固定，4根光軸通過8個T軸導(dǎo)向軸支座兩端固定。打印平臺固定在絲杠的螺母座上。啟動Z軸上的驅(qū)動86步進電機，聯(lián)軸器兩端連接步進電機和滾珠絲杠軸，兩側(cè)絲杠上的每個螺母座上有四個φ8的孔，可以固定打印平臺的下端支撐板，從而帶動打印平臺上下工作。Z軸步進電機驅(qū)動滾珠絲杠支撐整個工作平臺上下運動，光軸起導(dǎo)向支撐作用。圖2-4打印平臺Fig.2-4Printingplatform最下端的支撐板設(shè)計平臺尺寸為：900×900×12mm。材料為Q235鋼板。中間層的加熱板是為了打印時首層打印可以平整打印，防止翹邊，選擇PCB板，PCB板是用電阻絲均勻加熱[47-48]。配合亞克力玻璃板在四周使用彈簧螺釘可以手動調(diào)平。PCB加熱板尺寸根據(jù)成型空間設(shè)計為680×680mm。如圖2-4所示。最上端的制件接觸板采用亞克力板，該板質(zhì)量輕巧，表面光潔，耐高溫，尺寸設(shè)計為600×600×5mm。2）打印平臺的強度校核由于打印平臺最下端的支撐板設(shè)計平臺尺寸為：mm。且材料為Q235，假設(shè)打印機在中間部位受到擠壓，所以會產(chǎn)生彎曲變形。（2-4）式中：Mmax——彎矩（）；F——壓力（N）；L——長度（mm）。打印平臺支撐板為矩形截面，其中它的抗彎截面模量可以通過下式計算：（2-5）式中：——抗彎截面模量（mm3）；b——截面寬度（mm）；h——截面高度（mm）。平臺的強度計算公式為：（2-6）式中：——最大應(yīng)力。本文中平臺承受約5000N的壓力，L長為900mm，b為900mm，h為12mm，則由公式2-4、公式2-5和公式2-6，計算可得：=52.083MPa。材料的許用應(yīng)力：（2-7）式中：——許用應(yīng)力；——屈服極限；——安全系數(shù)。經(jīng)過計算，由于打印平臺材料Q235的屈服極限是235MPa，安全系數(shù)是1.5，所以許用應(yīng)力是156.7MPa，而=52.083MPa，因為，所以打印平臺的支撐板符合強度設(shè)計要求。機身框架設(shè)計1）機身框架設(shè)計選型本論文框架選用優(yōu)質(zhì)的歐標6061-T6工業(yè)鋁型材，表面平整不易腐蝕，可以組裝不同的設(shè)備框架或者臺罩，拆卸方便。根據(jù)前文2.1節(jié)打印機結(jié)構(gòu)選擇直角坐標結(jié)構(gòu)，故機身框架鋁型材選擇8080歐標鋁型材，打印機機身框架水平方向鋁型材長度為1000mm，共16根；打印機機身框架豎直方向鋁型材長度為1800mm，共4根；8080鋁型材通過船形螺母、大圓平墊、螺栓、直角件、T字連接板和L形連接板固定連接。其建模實例如圖2-5a）所示。a）鋁型材框架b）打印機操作面板圖2-5打印機機體重要部分Fig.2-5Importantpartsofprinterbody其中，如圖2-1a)所示，打印機的機身外殼為鈑金材料SECC。根據(jù)經(jīng)驗，此處在打印機機身框架處安裝厚度為3mm的鈑金外殼。紅綠燈是：工作狀態(tài)指示燈。如圖2-5b)所示，打印機體的右側(cè)是操作面板，主要功能是實現(xiàn)打印機的開關(guān)和打開打印文件和可視化打印等功能。17寸顯示屏下方有7寸工控屏、開機按鈕和外部USB以及SD卡接口；藍色圓柱是鍵盤的抽屜拉手，打開后就有鍵盤。2）鋁型材的校核本文設(shè)計的基于螺桿擠出原理多材料3D打印機機身框架由8080鋁型材搭建而成，機身框架需承受直線模組重量、打印平臺重量及擠出頭和料筒重量等。為了保證打印機能夠正常打印，需要對打印機機身框架型材進行校核計算。3D打印機的外部框架主要由鋁型材進行連接，打印機的框架用來承受打印件和所有零部件的重量。為了保證3D打印能夠正常工作，對其主要受力部件應(yīng)進行相對應(yīng)的強度校核，確保機器工作時能夠正常穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，使之能夠精準的打印出所需制件。本論文框架上橫梁說明：一條歐標SC-8-8080A的鋁型材，長度L=1000mm，兩端固定，在其中間部位加載100公斤的載荷，校核其強度。如圖2-6所示，其中負載用P表示，單位為N；型材長度用L表示，單位為mm；彈性模量E=71000；截面慣性矩I，單位為。10001000a)受力分析1b)受力分析2圖2-6受力分析Fig.2-6Forceanalysis1）校核型材的抗彎強度在《機械設(shè)計手冊》中查到型材集中載荷簡支梁結(jié)構(gòu)。其最大彎矩為：（2-10）8080鋁合金6061-T6查彈性模量為E=71000，查型材技術(shù)參數(shù)表，得截面慣性矩，抗彎截面系數(shù)為。代入正應(yīng)力公式（用80面作承載面）：（2-11）查表，6061-T6的屈服強度為145Mpa，除以安全系數(shù)1.5，88.85MPa≤145/1.5MPa,故此款型材用8080面作承載面能滿足承載100公斤的強度。2）校核型材的剛度按最大撓度公式（用8080面作承載面）：（2-12）按公式：（2-13）故用型材8080面承載可滿足剛度要求。關(guān)鍵部件選型直線模組選型直線模組和滾珠絲杠原理相似，都是有一個固定軌道和一個沿著軌道移動的滑塊，滑塊上可以固定安裝其他部件，比如可以固定本文設(shè)計的擠出頭組件，從而可以帶動擠出頭實現(xiàn)平面二維運動。且直線模組誤差小，可以承受的負載重，精度也比較高。圖2-8XY軸工字型模組Fig.2-8XYaxisI-shapedmodule本文設(shè)計的直線模組為“工”字型，如圖2-8所示。它共由三根精密絲杠組成，其中，兩根平行的模組長度相同，本文對兩平行模組起名為Y軸，最上端橫梁稱呼其為X軸，X軸和Y軸合成二維平面運動。根據(jù)打印機機身框架的長和寬，可以確定線性模組X軸和Y軸長度取值分別為910mm、870mm、870mm。表2-7XY工字型模組參數(shù)Table2-7ParametersofXYaxisI-shapedmodule參數(shù)內(nèi)容參數(shù)內(nèi)容品牌FUYU型號FSL80有效行程910mm精度±0.05mm最大速度200mm/s最大負載40kg(水平)20kg(垂直)標配電機兩相60步進電機（電機位置右置）絲桿規(guī)格G1610直線傳動模組是高精密的自動化元件，異物的進入，將直接影響模組的運動精度和使用壽命。故選擇的是封閉型直線模組，可以減少異物進入，對打印機在XY軸平面的運動精度起到有效保障作