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桌面级3D打印机送丝机构设计

发布时间:2018-05-09 11:31:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:3D打印技术 送丝结构 有限元分析
    中图分类号:TP33 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)10(c)-0111-03
    基于FDM技术的3D打印机,是将ABS、PLA等丝材加热至熔融态,按设定好的路径挤出并逐层堆积成实体。原材料从初始固态经过挤出变成半液态融料,送丝方式对半液态原材料的挤出力影响很大,送丝阻力是影响喷嘴出丝不稳定的主要原因。通过对内外送丝机构进行改进设计,解决送丝装置摩擦力大、原材料供应不稳定问题。
    1 外部送丝机构设计
    1.1 设计方案
    目前桌面级3D打印机丝盘主要有0.5kg、1.0kg等规格,不同重量的丝盘内径尺寸不一致性,设计出适应不同内径且可调节的外部送丝机构,尽可能减少送丝摩擦阻力,设置主轴支撑结构、结合轴承自润滑,避免因丝料不足引起喷嘴断丝、产品缺陷。根据实验数据分析选用曲柄滑块结构设计方案,见图1。
    1.2 具体结构设计
    1.2.1 支撑轴的设计
    支撑轴是外部送丝机构的关键结构之一,是主要受力部件。材料选择普通碳钢Q200,由于其不与电动机直接连接,扭矩较小,在设计中应综合考虑其自重,按照挤压计算。
    初选轴径7mm、挤压力50N,计算得出挤压应力=Pa。材料许用应力为=200×106Pa>满足要求,由于轴上有一处键槽,将计算值加大3%,取8mm。
    外部送丝不会出现高速转动,可承受纯轴向力,选用深沟球轴承,为使所选轴径与轴承内孔径相适应,选取轴承型号为6022,相关参数为d,B。轴各段直径与长度,根据所选轴承,与轴配合部位的直径为10mm,轴承宽度B,为了定位精准,轴承位的长度应比B略短一些,取8mm。
    由于考虑轴承轴向定位,应该设计轴肩满足要求;轴承端盖的总宽度为12mm,同时为了方便装卸与润滑,令轴一端面距其为20mm。
    1.2.2 支撑架的设计
    支撑结构设计为外伸梁式,此结构简单且适用性广。根据原材料丝盘外�匠叽缱畲笪�200mm、最宽尺寸为66mm,设计支撑架具体尺寸,见图2。
    由于配合轴承,上部中心孔宽度设计为17mm、直径为30mm,底部尺寸设计为95mm×120mm×15mm,上部圆周直径为50mm。支撑架初始高度尺寸设计为155mm,余量较大,足够不同规格丝盘进行更换,可调直径范围为22.28~83.88mm,支撑最大、最小尺寸见图3、图4。
    1.2.3 支撑架的分析与优化
    在进行有限元分析时,将导入的三维模型对象离散化,使其成为有限个微小点,减小计算难度,简化解算过程。分析模型的离散化,是基于力学特性进行的,需提前定义部件材质,故外部送丝支撑架选用材料为灰铸铁。
    外部支撑各零部件质量为1.5kg,虽然目前较多使用的原材料质量为2kg,但也有少数情况会使用5kg的原材料,材料质量初步设置为6.5kg,从受力角度分析,该零部件主要受法向垂直力65N。首先设置网格细节,将其全部网格化,结果为:节总数649225,单元总数410048。运行迭代计算,根据应力、应变等云图分布分析,整体网格化不能满足分析要求,并且存在应力奇异区域。
    经进一步设置网格参数细化网格区域,对出现应力奇异点的区域进行细分,设置网格参数细化单元大小为2,比率为1.1,基本单元为5,自由过渡生成网格。
    将圆角半径尺寸更改为5mm、在拐角处增加一个半径为10mm的圆角,然后进行迭代计算,运行结果应力、位移云图见图5、图6。
    分析应力云图最大应力为1.962MPa,远远小于材料的许用应力200MPa,零部件应力分布离散,没有应力奇异点堆积现象。分析位移分布云图最大位移量为0.0232mm,不属于宏观变量。
    综上,外部送丝支撑架在正常工作时,能够承载不同原材料的载荷,不会因为原材料重量的问题而发生重大变形或应力破坏,设计尺寸和原材料满足正常使用的要求。
    2 内部送丝机构设计
    内部送丝机构是加热挤出装置的主要结构,采用步进电机驱动送丝轮转动,通过送丝齿轮上齿牙推送固态原材料,与从动轮配合将丝材送至送丝管内,进入加热装置。挤出方式有活塞式、滑片泵式、柱塞泵式3种,综合考虑装置性能和设计复杂性,采用活塞式挤出装置,该设计控制精度要求低,整体质量小,加工难度小,加工成本低,开发周期短。改进后的加热挤出装置见图7。
    在现有挤出加热装置内部送丝机构基础上增加了辅助微调功能,通过弹簧调节辅助送丝轮、主动送丝齿轮与原材料模型之间的距离,提高主动送丝齿轮与原材料模型的有效接触,有效解决了丝料进丝无力或者脱丝现象。
    电机为挤出加热装置提供动力,根据三维模型质量评估,X、Y、Z三轴承重与原材料重量均不超过2kg,且Z轴最大为2kg。综合考虑选择电机型号为42HS4013A4,即为双相42步进电机。
    3 结语
    本文在充分了解现有原材料重量、丝盘尺寸的基础上,对外部送丝结构采用曲柄滑块结构,实现了不同孔径丝盘自紧配合使用,减小了抽丝阻力,有效避免了原材料供应不连续问题。同时,对内部送丝结构也进行了改进,设置辅助轮微调结构,提高送丝轮与丝材的挤压力,避免送丝轮磨损造成的压力减小。希望能引出其他设计者更广阔的设计思路共同推动3D打印技术的发展。
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