双坐标3D打印机设计*

苏锦奇，张　超，张俊歌

(中国矿业大学银川学院，宁夏 银川　750021)

0　引　言

3D打印技术又称积层制造(Additive Manufacturing，AM)，它是一种以数字模型文件为基础，综合应用了CAD/CAM技术，激光技术，光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印方式来构造三维实体的技术[1]。

本设计来源于工程实践，以Makerbot系列的3D打印机为基础，在驱动、传动和工作方面进行改进。Makerbot系列的3D打印机为目前市面上绝大多数的3D打印机的结构类型，由于其结构较为成熟，精度较高，速度较快，且稳定，可搭载多喷头，为3D打印制造商的首选。针对国内3D打印机普遍精度低、速度慢的的问题，本设计通过三维Solid Works建模软件进行建模仿真的方法，在Makerbot系列3D打印机的基础上，重点引入极坐标系打印技术，解决传统打印机在弧状外形实体逐层打印上存在的此类问题，缩短打印时间提高打印精度。

1　双坐标3D打印机的结构设计

1.1　双坐标3D打印机的组成及工作原理

1.1.1双坐标3D打印机的组成

3D打印机的主要零件组成如表1所示。

表1　3D打印机的主要零件组成

1.1.2双坐标3D打印机的工作原理

3D打印机在工作时四角的两根光杠和滚珠丝杠起到空间支撑和提供打印机在Z方向上运动空间的作用。打印机共有4个电机，其中X轴、Y轴和Z轴方向上各一个电机，剩余的一个是传送打印材料到挤出头用的。工作台支架上装有一个电机，带动工作台的旋转及通过同步带传动驱动两侧的滚珠丝杠螺母带动工作台支架沿滚珠丝杠做Z方向运动。X和Y方向的打印是通过安装在X和Y方向上的十字滑向块移动完成的，电机驱动X和Y方向的滚珠丝杠旋转，由滚珠丝杠螺母副分别带动X和Y方向光杠沿其方向上的滚珠丝杠做直线运动，使十字滑向块带动挤出头在XY平面内运动，从而完成了双坐标的基础设计。

1.2　机械结构设计

1.2.1整体框架结构布局

打印机的底座和工作台支架主要由标准型材构成，Z方向的传动通过两根光杠和两根滚珠丝杠来承担，光杠和滚珠丝杠与底座支架型材和上端的固定之间均是用连接部件固定连接，周围通过板材加固以增加结构的稳定性。X和Y方向的滚珠丝杠固定均是通过滚珠丝杠两端的连接部件与固定在打印机板材外壳上的光杆进行连接，以实现X和Y方向滚珠丝杠在Z方向上的固定和分别在X和Y方向上的移动。

1.2.2各部分结构设计

(1) 底座支架和工作台支架结构的设计

底座支架，它的主要作用是固定打印机的底部结构和固定Z方向的光杠和滚珠丝杠，同时给打印机的板材外壳安装提供固定支架。工作台支架它的主要作用是放置加热板和工作台以及电机位置的固定。

图1　支架结构设计图　　　1.25×25型材　2.丝杠固定支座　3.光杠固定支座　4.型材连接螺钉　5.螺栓　6.螺母　7.紧定螺钉　8.工作台支架连接件　9.张紧轮　10.工作台支架底板　11.连接螺栓　12.电磁离合器　13.伺服电机　14.同步带1　15.同步带2　16.工作台支撑杆

工作台支架是构建极坐标系的关键。图1所示的结构中，电机驱动主轴旋转，通过电磁离合器带动以连接轴为中心的工作台旋转从而形成极坐标系，极坐标系的引入使得三维模型加工中弧度部分模型的加工变得易于实现，提了高其加工速度和节约制造成本，弥补了笛卡尔坐标系在此类模型加工中存在的精度低的问题。

(2) X轴、Y轴和Z轴方向运动的设计

X轴方向和Y轴方向的运动主要靠电机通过联轴器驱动滚珠丝杠带动十字滑块在XOY平面内运动。Z轴方向的运动主要靠工作台下的电机通过同步带传动驱动两侧立着的滚珠丝杠螺母旋转完成的，如图2所示[2]。

图2　Z轴方向运动结构图　　　1.光杠　2.工作台支架连接件　3.光杠　4.滚珠丝杠　5.滚珠丝杠螺母副　6.轴承座　7.滚珠丝杠

2　电机与传动部件的选用

2.1　驱动电机的选择

交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机，结合3D打印机的打印要求和成本等多方面因素，选用伺服电机作为在X、Y和Z方向的传动控制电机，选用步进电机作为挤出头部分送丝机构的传动控制电机。

2.2　联轴器和离合器的选择

本设计选用弹性管联轴器为传动构件。其结构简单，加工、安装方便，外形尺寸小，质量轻，传动精度高，结构紧凑，小转矩主要用于传递运动。可用于脉冲或伺服电动机与编码等小功率控制系统传动结构[3]。Z方向的电机与工作台和滚珠丝杠螺母副之间通过离合器来实现控制。综合考虑3D打印机的体积、机构和控制方式后选用湿式多片电磁离合器最为合适，参考其转速范围和转矩后选用不同规格的湿式多片电磁离合器。

2.3　同步传送带的选用

基于圆弧齿形同步带轮具有齿根承载能力好、寿命长、耐磨性高和无噪声等优点，选用其将会使Z方向运动更为平稳和精确。

3　双坐标3D打印机三维建模装配体及爆炸视图设计

本设计采用SolidWorks建模软件对3D打印机进行三维建模分析。SolidWorks软件具有庞大的三维设计功能，能够精准的完成对三维模型零件的配合、评估和修正。如图3所示，分别为双坐标3D打印机的三维建模装配体和爆炸视图[4]。

图3　3D打印机三维建模装配体和爆炸视图

4　结　语

本文从最初对3D打印机现今的工业地位和未来的发展趋势的分析，到后来通过对新型3D打印机的整体结构设计、各部件结构设计、各驱动和辅助装置的选取和最后的三维实体建模和仿真分析最终实现设计了具有双坐标打印功能的创新型3D打印机，完成了对传统打印机的更新和缺陷上的改进，新型双坐标3D打印机将会更具有工业价值。