并联臂3D打印机挤出装置的组装与研究

2019年01月12日 自动化生产线 345 views

1.课题目标

本课题主要目的为了解并联臂结构3D打印机的基本结构和工作原理,并亲手组装一台并联臂3D打印机。其中特别负责打印机的挤出装置,探讨挤出装置不出丝的问题并考虑解决方案。

2.背景

    3D打印(Three Dimension Printing, 3DP)技术是采用离散材料(液体、粉末、丝、板、片、块等)逐层累加原理制造实体零件的技术。相对于传统的材料去除技术,3D打印是一种自下而上材料累加的制造工艺。进入21世纪以来,Delta系列机器人呈现出高速、高精度、灵活性等发展方向, Pier-rot团队相继发明了四支链的H4 以及Part4等机构, Clavel先后提出将外转动副改为移动副的三种变异形式,即直线型Delta结构,本文组装的3D打印机,其结构即为一种直线型Delta结构。

Delta结构3D打印机是Delta结构并联机器人与3D打印的融合。Delta型3D打印机作为3D打印机的个重要分支,它以价格低、占地面积极少,实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。Delta型3D打印机具有结构简单、安装维护方便性价比高等特点。Delta型如打印机因其区别于其他类型的3D打印机的独特优势在实际生活中应用越来越广。Delta机型是一种并联式运动结构的3D打印机,Delta机型实际上是分为两大类一种是工业上用的并联式机器人,另外一种是rostock的运动结构。本文组装了款Delta型3D打印机即基于三臀并联结构的桌面微型3D打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上,让其实现三维打印,让我们不需要花很高的成本去买专业级别的3D打印机。我们有时候想制作出些模型来观察和实验,不需要很高的精度,只是需要速度。我们便用Delta型并联机械手臂来实现3D打印,能保证一定的精度和速度,如果能制作出这样的3D的打印机,很多工程师都可以将自己的设计打印出来,通过对型3D打印机的深入研究挖提出其特有的优势使如打印技术发挥越来越大的作用

3.基本原理

3.1 Delta 3D打印机机构描述

Delta 3D打印机常被称为三角洲3D打印机或是并联臂3D打印机,该3D打印机由定平台、动平台以及连接两平台的3个分支组成,3个分支以定平台中心呈对称分布,具有相同的运动链,都含有一个平而平行四边形机构。该平行四边形机构一端与滑块连接,另一端与动平台连接,动平台中心与该3D打印机的打印头部分相连接,该平行四边形机构可等效为过其上下边中点的一根单杆。滑块安装在直线导轨上,导轨的下方安装有3台步进电机,步进电机带动轴上的同步带轮做旋转运动,同步带轮依靠与滑块固定在一起的同步带,将同步带轮的旋转运动转变为滑块的直线运动,滑块的上下运动使得动平台完成对打印头位置的控制。

3.2 打印原理

三维打印技术:首先利用三维设计软件对零件进行三维CAD实体建模,并将得到的三维实体模型以一定的厚度进行分层切片处理,生成二维的截面信息,然后根据每一层的截面信息,利用不同的方法生成截面的形状。这一过程反复进行,各截面层层叠加,最终形成三维实体。分层的厚度可以相等,也可以不等。分层越薄,生成的零件精度越高。FDM熔融层积成型技术是目前常用的3D打印技术之一。

三维打印机的工作原理如图所示。计算机控制快速成型机的加热喷头,依据每一层截面数据作x-y 平面运动。送丝机构将丝材送至喷头,经过加热、熔化,从喷头挤出的打印材料粘结到工作台面,然后快速冷却并凝固。每当其中一层截面打印完成后,工作台将下降前一次打印完成的高度,然后继续下一层的打印。如此循环重复,直到整个实体的造型完成。

3.3基本结构

Delta 3D 打印机机械系统主要包括运动机构、热头、挤出机构、工作台四个部分。送丝机构将低熔点丝状材料送给加热器,加热器通过挤压热头将丝材熔化成液体,喷头将熔化后的热塑材料丝挤出,挤压头按照零件的每一截面信息准确运动,半流动的热塑材料被挤出并沉积固化成精确的实际部件薄层,覆盖于已建造的零件之上,并在0.1s内迅速凝固,每当一层完成成型,工作台便下降上一层打印的高度,喷头再进行扫描喷丝完成下一层截面成型,如此循环反复,直到完成最后一层成型,这样由底到顶逐层地堆积成一个实体模型或零件。

3.4 挤出装置

并联臂3D打印机的挤出装置主要包括喷头(又称热头,打印头),挤出机(又称送料机),散热风扇,送料管和碳纤管组成。

Ⅰ.热头部分

热头组件主要有铝合金散热器、铝合金加热块、黄铜喷嘴、不锈钢喉管、电加热棒、热敏电阻、PTFE铁氟龙远程送料管、送料管接头等元件组成。工作时,电加热棒和热敏电阻共同作用,使热头组件最前端的铝合金加热块保持在一定温度,会把塑料熔化成胶态。后头的塑料在挤出机的作用下持续往前推挤,就可以让胶态的塑料从喷孔连续挤出,形成可进行三维打印的热熔丝。

Ⅱ. 挤出机部分

挤出机主要包括步进电机、挤出齿轮、U形轮、弹簧压紧机构组成。如图所示。

当打印机正常工作时,如图中的挤出电机上的铜齿轮和弹簧的弹力使U形轮将耗材紧紧的夹住。当送料电机正常转动时,电机轴上的铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进。耗材在热头部分被加热融化成液体,挤出力通过耗材传递到喷头。当挤出力大于耗材在铜头管道流动中受到的阻力时,耗材才能从热头被挤出。

如果铜头温度不够、铜头内有杂质、耗材没有得到充分熔化或过丝孔过小,就会造成阻力过大,会导致出丝不畅。

4.机器组装

    4.1喷头,风扇组装

喷头主要部件包括挤出头,加热块,喉管,铁氟龙内管(在喉管内),散热器和铁氟龙远程送料管。各部位间都有螺纹,将挤出头和加热块拧紧,喉管从另一边拧入加热块,散热器包裹喉管的上半部分也是螺纹拧紧,最后在散热器上方拧上铁氟龙远程送料管。喷头各部分之间最重要的是一定要拧紧,非常紧。

加热块中需要塞进加热棒和测温用热敏电阻。加热棒塞进大孔里,拧开机米螺丝后将加热棒塞至中心,拧紧机米螺丝固定加热棒。热敏电阻塞进小孔里,热敏电阻没有配固定用的装置,可以和加热棒的线捆一起,反正要保证热敏电阻不会掉出来。

用两个半圆形的器件夹住喷头散热器上部较细的部分并固定到喷头这部分的支架上,用螺丝将风扇也固定到支架上,最好使风扇线朝向一边,特别注意风扇一定不能吹到加热块,否则加热块温度不够出不了丝。最后安装好微动开关和探针,调整喷头和风扇还有微动开关的走线到一起用理线管理到一起,整个喷头部分算是安装完成。

4.2碳纤杆的安装

碳纤杆用于连接喷头部分与导轨上的滑车。螺丝穿过碳纤杆的鱼眼轴承后穿过喷头部分的支架,螺母在另一侧拧紧固定,用同样的方法将碳纤杆另一侧固定到滑车上。安装碳纤杆值得注意的地方就是一定不要大力出奇迹,如果拧不动一定是螺丝螺母没有对齐,大力很容易使脆弱的喷头支架产生裂痕。

4.3挤出机的安装

挤出机主要用于推动打印材料进入喷头部分。首先用螺丝将步进电机固定到挤出机支架上,将挤出杠杆的一端用螺丝固定到支架另一侧,注意这里不要太紧,保持挤出杠杆可以旋转。用螺丝将压丝轮安装到挤出杠杆的一端,根据压丝轮的高度在电机轴上安装咬丝轮,注意咬丝轮凹槽需要完美咬住耗材,拧紧咬丝轮上的机米螺丝以固定。挤出杠杆的另一端则需要安装横向的弹簧以保证压丝轮能够时刻压紧耗材。最后将挤出机整体安装到3D打印机外部框架上。

最后在机器组装完成后将送料管的两端分别插入挤出机和喷头部分的接头里。

5.问题及改进

并联臂3D打印机在挤出机构方面的问题主要是不出丝。

一卷厚重的材料最终从3D打印机喷头出来后变成细细的料丝,靠的是挤出机的工作。如果挤出力不够或者阻力过大,就会出现喷头不出丝的现象,所以要想找到3D打印机不出丝的原因,势必要了解挤出机的工作原理。

挤出力的产生:弹簧的弹力使轴承夹和挤出电机上的铜齿轮将耗材紧紧的夹住,挤出电机转动时,铜齿轮通过摩擦力带动耗材前进

挤出力的传递:挤出力只有通过耗材传递到喷头,才能够真正起到作用。要想挤出力顺利传递就必须注意两个问题:减少在挤出机到喷头的过程中消耗的力;耗材保证固态,液态或者是变软的耗材传递力不足。

阻力:耗材被加热融化成液体后,在铜头管道中流动会受到较大的阻力,只有挤出力大于这个阻力耗材才能被挤出。如果过丝孔过小、铜头内有杂质、铜头温度不够或耗材没有得到充分熔化,就会造成阻力过大,最终导致出丝不畅。

出料:当(挤出力-阻力)大于等于打印机正常工作所需的值,耗材在铜头处受热熔化,然后在力的推动下被挤出铜头。注意:这里指打印机正常工作所需的值,而不是可以将耗材挤出的值。

从3D打印机挤出机的工作原理中,我们可以了解到3D打印机出丝不畅主要有两个原因:挤出力不足、挤出力传递损耗和阻力过大。

5.1挤出力不足的原因及解决方案

Ⅰ. 挤出电机铜齿上有耗材碎屑,铜齿轮与耗材间摩擦力减小,挤出力不足。

解决办法:拆下挤出电机上的部件,清理铜齿轮上的耗材碎屑,以及部件内可能残留的杂质。

Ⅱ. 挤出机部件变形,弹簧形变变小,提供的压力不足,导致齿轮与轴承咬合力不够,对耗材的摩擦力降低。

解决办法:更换变形的部件,如果配备铝合金部件可避免出现这个问题。如果打印件变形,就检查一下风扇和散热片的安装以及部件固定螺丝是否拧紧。

5.2阻力过大的原因及解决方案

Ⅰ. 挤出头被杂质堵住,导致挤出阻力过大。

解决办法:加热铜头至220℃,用最细的内六角扳手伸入喉管,将喉管中残留物带出。若还不能解决问题,请用细钢丝或吉他弦在加热情况下清理喷头的出丝口。

Ⅱ. 挤出头温度不够,耗材无法充分熔化,挤出阻力过大。

解决办法:不同的3D打印材料温度要求是有差异的,温度过高会使材料烧焦、喷头堵死,打印前可向厂家了解情况。如果温度显示不正常,请检查温度传感器接线是否正常。

5.3挤出力传递损耗的原因及解决方案

Ⅰ. 3D打印机风扇或者散热片装反,导致铜齿轮处散热不足,耗材温度升高,材料变软,挤出力不能充分传递。

解决方案:用手试一下风扇哪边有风,要将散热片平整的那一面对着电机,并检查部件是否因过热变形。

Ⅱ.远程挤出机设计导致的挤出力在送料管中的损耗

解决方案:更换挤出机的位置,使送丝管弯曲小,送丝管短那么送丝阻力就小,送丝也准确。实在不行在牺牲打印速度并选用重量小步进电机的情形下改用近程挤出机暴力解决。

6.感想与体会

    本次搭建3D打印机一是让我深入了解了3D打印技术的发展和3D打印的原理,二则是亲手搭建过程中收获了不少解决问题的能力和亲自动手的成就感。

3D打印技术的出现给工业设计的发展带来了新的契机,以往我们使用手绘、计算机渲染等方式来表达设计造型,这些方式虽然直观但并没有实体模型来的生动。同时3D打印的出现使得原始的设计流程变得精简,使设计师能够专注于产品形态创意和功能创新,即设计即生产。产品的造型设计向着多样化方向发展,由于3D打印的出现某些产品的制造出现了转机。

我们使用的都是桌面级的打印机,打印出模型的分辨率和大小都有很大的限制。我在新闻上了解到几年前就有打印出的金属手枪,无人飞机等问世了,前年我国也有“土豪金”汽车问世,这些都说明3D打印的前景十分广阔,将来能够应用到医疗、军事、建筑、航天等各个领域。但就目前来看3D打印的发展还有很长一段路要走,首先材料就是一个大问题, 3D打印的产品只能看不能用,因为这些产品上不能加上电子元器件,无法为电子产品量产。3D打印即使不生产电子产品,但受材料的限制,可以生产的其他产品也很少,即使生产出来的产品,也无法量产,而且一摔就碎。在这方面我也一些体会,因为我们所使用的打印机材料就受到一定限制。但即使如此3D打印依然很有未来。

完成这次打印机组装离不开老师的耐心指导,通过老师的指导与传授,减少摸索中的一些失误,少走许多弯路。结构设计的过程,同时也是专业知识的学习过程,而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。把学过的专业知识运用于实际,在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识,并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。同时,在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中,既可以印证学过的书本知识,又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。

亲手组装是真正的与平时的理论学习不同,即使你认真的做出了准备还是会出现各种预料之外的事情,真正落到实物真能锻炼自己随机应变的思考能力,是其他情况所难以得到的。

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