水泥材料3D打印机的设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 水泥材料 3D 打印机的设计 【摘 要】针对普通 3D 打印机通 常材料为塑料或树脂等材料，而水泥材 料的 3D 打印机较少。本文以在现有 FDM 技术进行水泥材料的打印机设计。 首先阐述了 3D 打印的原理，工作方式， 然后从机身设计，挤出结构，传动结构， 工作平台几个方面对基于 FDM 的水泥 材料 3D 打印机设计进行了探讨，为大 型水泥打印机的研发提供借鉴。 中国论文网 /8/view-12932592.htm 【关键词】FDM； 3D 打印；机 身设计；挤出结构；传动结构；工作平 台 3D 打印，又称作增材制造，作 为快速成形领域的一种新兴技术，目前 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 基于 FDM 技术的 3D 打印机具有诸多 优点，其独特的增材制造技术降低了复 杂性零件的加工难度，而且支撑材料便 于去除，大大缩短了产品制造周期，而 且 3D 打印技术采用的是层层叠加的制 造方式，传统工艺无法加工复杂性零件 的问题也迎刃而解。然而，目前市面上 基于 FDM 技术 3D 打印机的引进价格 较为昂贵，而且技术服务难以适应我国 的需要，设备使用及维护成本高。因此， 3D 打印设备的国产化研究与开发对这 一先进技术在我国的推广非常重要。从 目前发展情况来看，3D 打印技术将逐 步深入到我国制造业的发展与开发，带 领高新技术产业的发展与进步1-2。本 文针对这一现状，对基于 FDM 技术的 水泥材料 3D 打印机设计进行探讨。 1 基于 FDM 的 3D 打印机工作 方式 基于 FDM 技术 3D 打印机工作 方式是采用分层方式进行打印。首先， 要将工件模型进行分层处理得到切片文 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 件再进行下一步的打印过程，现有基于 FDM 技术 3D 打印机切片方式，打印时 内部支撑层厚与表面成型层厚均采用同 一数值，在分层算法及轨迹路径规划上 易于实现，但控制层厚度的方式通过喷 头挤出材料时给予一定压力，使得挤出 材料被压至扁平状，若打印目标具有薄 壁特征，则 3D 打印机难以实现加工要 求。本设计将内部支撑与表面成型及辅 助支撑采用不同成型层厚，设外表层厚 度为 n，辅助支撑层厚度为 3n，内部支 撑层厚度为 3n，将模型按此层厚配置进 行切片，最开始挤出机构按照切片数据 对外表面进行打印，打印层数为 3，然 后挤出机构根据切片数据对辅助支撑和 内部支撑进行打印，打印层数为 1，工 件按此方式循环，直至完成加工。 2 水泥 3D 打印机的机身设计 打印机机身是整个打印机设备承 重基础，包括滚珠丝杠副、驱动电机和 相应的固定装置、直线导轨等。打印机 的结构设计为底板固定不动，成型底板 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 采用双片 5mm 电木板拼接而成，保证 平台的平面度，机身机构使用 8040 铝 型材作为主要承重结构件，成型底板不 升高，喷头进行 X、Y、Z 三轴运动， 为保证打印精度和打印效果，设备尺寸 Z 轴改为双并联丝杠，保证喷头在 X 轴 运动时，运动轨迹为同一高度。而承重 支架用于支撑 Z 轴在 Y 方向上的运动。 传统的地面式设计，双 Z 轴除了可以在 高度上进行升降以外还兼顾 Y 轴（左右） 运动，由于受力部分在底部，且 Z 轴高 度较高，因材料固定在喷头上，重量较 大，加上 X 轴后整体重量更为突出，受 力不均，打印一定高度的物体时整体不 平衡。两侧的支架改为实体的墙体或者 更为牢固的钢架结构，采用外接管道输 送材料，外接材料储存在设备之外并高 于设备的高度，利用重力和压力作用， 使材料由上而下进入喷头位置，喷头采 用铰刀式设计结构，借鉴比较成熟的现 有水泥打印机的喷头设计并加以改进。 框架设计如图 1 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 3 水泥 3D 打印机的挤出结构设 计 本设计增添一款熟料挤出装置， 可实现自动更换喷头，把水泥材料挤出 机与塑料材料挤出机相互结合。利用改 进 3D 打印喷头出口截面形状控制出丝 截面，提高材料层与层之间的粘结强度， 改善打印产品表面光洁度，提高产品整 体强度。结构设计采用类似数控车床的 自动换刀原理，避免一种刀具无法处理 某种工序。该结构设计，通过软件实现 喷头部件的更换，不同的叠加方式或者 斜面倾斜角度都会对打印件产生影响。 目前的 FDM 3D 打印机的喷头截面形状 均为圆孔型，可以对任何角度进行过度， 每层之间都能实现重叠堆积。 由于水泥材料颗粒过于粗大，本 设计采用增加喷头数量，使每个喷头出 丝通孔截面形状不同，适用于各类零部 件不同表面打印要求。采用 57 大扭矩 步进电机，下接铰刀，使用金属壳将铰 刀包裹在内，周边留有空隙，通过顶端 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 固定铰刀与外壳的相对位置，保C 铰 刀在工作过程中不会发生位置偏移。金 属壳上方开有入料口，外接输料管道， 水泥材料通过管道被空气压缩入喷头内， 电机工作，铰刀旋转带动材料下移，通 过下端小口挤出，完成出料工作。金属 外壳外设有三个固定卡扣，便于与 X 轴 横梁固定夹紧，卡扣可上下滑移，移动 到合适位置后可以固定，三种位置可以 改变喷头和成型底板的距离，适合打印 不同材料或不同层厚的模型。 4 水泥 3D 打印机传动结构设计 基于 FDM 技术 3D 打印机挤出 机构的运动过程，要求整体运动速度平 稳、可控。3D 打印机进行打印工作时， 要求在 Z 轴方向上对打印对象逐层堆积， 以最终获得与打印对象相似度高的宏观 几何形体。挤出机构的传动设计有两种， 一种是单传动机构，还有一种是双向传 动机构设计，从成本和研发时间上考虑， 本设计采用单向传动机构设计，如图 2 所示。在传动过程中，挤出机构在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 XOY 平面上的运动将采用同步齿形带 传动的方式。控制挤出机构的位移，通 过电机带动带轮转动，经齿形带转化为 挤出机构的位移量，电机转动角度的控 制精度，决定位移精度。步进电机可以 将产生的电脉冲信号转换为角位移或者 线位移的，属于开环控制元步进电机。 正常工作时电机转速和停止位置由脉冲 信号的频率以及脉冲数决定，与负载变 化无关，而且具有良好的起停响应和反 转响应。步进电机由于速度和脉冲频率 成正比，因此通过控制脉冲频率便可以 实现电机转动的速度的调控，转速范围 较宽。并且在设计挤出机构时，需结合 输料机构的设计方案来进行设计。在挤 出机构中，由于 57 步进电机重量为 0.7kg，水泥喷头重 0.3 kg，最终所设计 的挤出机构整体重量为 1kg。当材料流 入喷头部分时，在材料和输料管道重量 的作用下，光杠承受的压力会急剧增大， 因此普通光杠无法满足设计使用要求， 故将 X 轴路线承重部件改为 2020 铝型 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 材，取消皮带光杠设计改为皮带滚珠导 轨，以提高承重能力，降低因重量带来 变形，从而提高了打印质量3。 5 水泥 3D 打印机工作平台的设 计 水泥材料质量较重，水泥 3D 打 印机整体结构较大，打印平台大，为保 证打印平台的平面度和强度，采用质量 和密度较大的电木板。若按照传统设计， 电机带动平台升高，然后逐层下降，需 要极大辅助固定装置，且带动高质量平 台需要的电机扭矩太大，耗电多，噪音 大，效率低，易振动，本设计把打印平 台固定在地面，不加热、不运动，一次 性调平后可长期打印。传统成型底板通 常无法同时满足粘合强度以及快速取模 型两大要求。平台清理复杂繁琐，清理 不净，影响后期打印质量。本设计采用 复合式 3D 打印成型平台设计，满足粘 合强度高，模型拆卸便捷要求。 6 结论 本文对基