【正文】 第 3 章 3D 蛋糕打印機的具體設(shè)計 電動推桿的設(shè)計與選擇 DTZ 系列電動推桿，主要用于風(fēng)擋、漏斗開閉、亦可在送料、提升、間隙送進(jìn)料、夾緊、翻轉(zhuǎn)等各種場合使用，其結(jié)構(gòu)是電機、（減速機）、推桿采用平行形式邊接，其功能屬于占空間小實用型 電動推桿 。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)論述了在設(shè)計過程中擬定的四種設(shè)計方案，以及它們的優(yōu)缺點及使用范圍。可用于各種簡單或復(fù)雜的工藝流程中做為執(zhí)行機械使用，以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動控制。但蛋糕打印機對傳動系統(tǒng)的要求不是非常高，由普通的進(jìn)給系統(tǒng)就能滿足設(shè)計的 要求，同時直線電動機昂貴 ，在精度要求不是非常高時，盡可能的不去選擇該系統(tǒng)。 方案三采用直線電動機系統(tǒng)，直線電動機與托盤連接，直接實現(xiàn) Z 向的進(jìn)給運動，省掉了中間的傳動機構(gòu)，提高了機構(gòu)的工作效率，能夠完全滿足精度要求，同時直線電動機具有良好的加減速特性，減少了上升過程中不必要的沖擊，保護(hù)了蛋糕結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。(3)有較大的排氣噪聲。 方案二采用氣動系統(tǒng)作為動力源 實現(xiàn)托盤的直線進(jìn)給運動，單就運動形式可以滿足運動要求，且氣動裝置安全、可靠、成本低，使用維修方便，是一個不錯的設(shè)計方案。 （ 6）由于液壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮 性使這種傳動無法保證嚴(yán)格的傳動比。因此液壓傳動不宜在很高 圖 25 液壓缸 或很低的溫度下工作，一般工作溫度在 15℃~60℃ 范圍內(nèi)較合適。本方案采用壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥實現(xiàn)控制，液動系統(tǒng)由電動機提供動力，液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)移動。 方案比較 上一節(jié)中對托盤的直線進(jìn)給系統(tǒng)給出了四種傳動方案，本節(jié)中將對上述四種方案做進(jìn)一步的分析和研究，以便進(jìn)行方案的比較，以求確定出最終方案，便于在下一節(jié)中進(jìn)行方案的優(yōu)化，得出最優(yōu)方案。通過改變杠桿力臂長度，可以增大或加大行程。把電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，利用電動機正反轉(zhuǎn)完成推桿動作。 圖 23 直線電機驅(qū)動示意圖 電動推桿驅(qū)動 電動推桿驅(qū)動的優(yōu)點： 1 設(shè)計新穎精致、體積小 ； 2 精度高 ； 3 能實現(xiàn) 完全同步 ； 4 具有非常好的 自鎖性能 ； 5 干凈、 衛(wèi)生， 非常適合食品加工； 6 電機 直接驅(qū)動，不需要管道的氣源、油路，現(xiàn)已大量用于生產(chǎn)線 ； 7 操作簡單，維修方便。 直線電動機由于散熱面積大，容易冷卻，所以允許較高的電磁負(fù)荷，可提高電動機的容量定額。用直線電動機驅(qū)動時，由于不存在中間傳動 機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行。 直線電動機傳動 直線電動機裝置具有如下優(yōu)點： 直線電動機由于不需要中間傳動機械，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪聲。 圖 22 氣壓方案示意圖 氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。無論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強磁、振動、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動系統(tǒng)工作安全可靠。 （ 3）氣動控制動作迅速，反應(yīng)快；維護(hù)簡單，工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)和更換等問題。 氣壓傳動 氣壓傳動具有以下獨特的優(yōu)點： （ 1）以空氣作為工作介質(zhì)，取之不盡，處理方便，用過以后直接排入大氣，會污染環(huán)境，且可少設(shè)置或不必設(shè)置回氣管道。 圖 21 液壓方案示意圖 液壓傳動的基本原理： 液壓系統(tǒng) 利用 液壓泵 將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種 控制閥 和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件 (液壓缸 或 馬達(dá) )把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和回轉(zhuǎn)運動。 （ 3）換向容易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運動的轉(zhuǎn)換； （ 4）液壓泵和液壓馬達(dá)之間 用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制； （ 5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用 壽命 長； （ 6）操縱控制簡便，自動化程度高； （ 7）容易實現(xiàn)過載保護(hù)。 方案提出 液壓傳動 液壓傳動的優(yōu)點： （ 1）體積小、重量輕，例如同功率液壓馬達(dá)的重量只有電動機的 10%～ 20%。 3D 蛋糕打印機主要起以下作用： Z 向的軸向進(jìn)給運動； X 軸方向的運動； 3 蛋糕成品成型。通過方案的提出和比較，選擇了最優(yōu)方案，對其詳細(xì)設(shè)計并建模。三維打印機在普通打印機基礎(chǔ)上多了垂直方向的運動，使得平面打印變成了立體打印，在電腦控制下中進(jìn)行通過鋪粉餛、打印頭等組件的不斷運行完成打印任務(wù)，主要打印過程在成型缸供粉缸只做提供每層的粉末所用，如圖 1圖 14 所示。 3DP 打印機外型上與普通的打印機區(qū)別不大，設(shè)備左面是供粉缸，粉末材料被放置在里面并通過鋪粉餛均勻逐層分布到右邊成型缸部分，是快速成型過程的起始位置，右面的成 型缸就是部件制作的地方。它將簡單的二維打印變成了立體打印，給社會帶來了極大地變革，也使得原本只能在工廠進(jìn)行的模型打印可以搬入辦公室。然而，隨著計算機CAD, CAM 技術(shù)的飛速發(fā)展， 3D打印機應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，目前，在電影動漫、快速成型、工業(yè)制造、建筑設(shè)計、氣象、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域都能用彩色的3D 打印機制作需要的模型、沙盤、零件等。此技術(shù)以 Solidscape 公司的 T 系列三維成型機為代表， 3D systems 公司也相繼推出了熔融蠟的 3DP 成型機和噴射熱塑性塑料的 3DP 快速成型機。 (3) 熔融材料三維快速成型打印技術(shù) 此類技術(shù)與光固化三維快速成型打印技術(shù)過程比較類似，所使用成型材料為熔融材料，通過加熱材料熔融，使其按照所設(shè)計的輪廓從噴頭噴出，并逐層堆積，同時噴出相應(yīng)的支撐材料成型。但此類技術(shù)由于需要去除支撐材料，最后還需要通過后處理過程去除多余的支撐材料。按此過程不斷重復(fù)，層層疊加。 (2)光固化三維快速成型打印技術(shù) 此類技術(shù)原理同樣基于微滴噴射技術(shù)，但由液態(tài)光敏樹脂代替粉末材料作為成型材料，原理是將光敏樹脂按照計算機所設(shè)計的輪廓逐層噴出，并通過紫外光迅速固化成型。其成型原理是由噴墨打印頭按照計算機所設(shè)計的模具輪廓向粉末成型材料噴射液體粘結(jié)劑，使粉末逐層打印并重疊粘結(jié)成型制件，可通過對墨 盒數(shù)量及顏色的控制打印出多色三維零件。目前國外對 3DP 各種類型技術(shù)展開研究和開發(fā)工作并商業(yè)化的企業(yè)較多，其中以美國的 Z Corporation 公司、 3D Systems 公司和 Solidscape 公司，以及以色列的 OBJETGeometries 等公司作為主要代表。在生物領(lǐng)域，骨頭或器官的成型也可通過 3DP技術(shù)完成，不僅形狀合適，而且選擇適當(dāng)?shù)牟牧线€能解決其生物相容性等問題，甚至能將細(xì)胞排序直接成型出所需要的人體器官，而美國人提出的研制目標(biāo)是 :要讓三維快速成型打印機能夠復(fù)制出從運動鞋到人體器官等各種物體。支持多種材料類型，可以制作出具有石膏、塑料、橡膠、陶瓷等屬性的產(chǎn)品模型。 圖 11 3DP 技術(shù)工藝圖 圖 12 3DP 技術(shù)成型原理 三維快速成型打印技術(shù)種類 三維快速成型打印技術(shù)，是上世紀(jì) 80 年代末由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種基于微滴噴射的技術(shù)，該技術(shù)簡化了一般成型過程的程序，采用類似于噴墨打印機的獨特的噴墨技術(shù)，只是將噴墨打印機墨盒中的墨水換成了液體粘結(jié)劑或者成型樹脂。先由鋪粉餛從左往右移動，將供粉缸里的粉末均勻地在成型缸上鋪上一層，然后按照設(shè)計好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件最下一層截面的形狀，然后成型缸平臺向下移動一定距離，再由鋪粉餛從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的。圖 11 為 3DP 技術(shù)成型的工藝圖，通過撒布第一層粉末，噴灑粘結(jié)劑，下降平臺，繼續(xù)打印 ，周而復(fù)始。 粉末成型三維快速成型打印技術(shù)的原理及工藝過程是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，按計算機設(shè)計選擇性地將粉末材料逐層粘結(jié)起來。雖然該技術(shù)己具備一定的成型精度，但是比起其他的快速成型技術(shù)，精度還有待提高，特別是液滴茹結(jié)粉末的三維快速成形打印技術(shù) ，其表面精度受粉末成型材料特性和成型設(shè)備的約束比較明顯。由于該技術(shù)采用分層打印黏結(jié)成形，制件強度較其他快速成型方式稍低。這種成型方式不受所打印模具的形狀和結(jié)構(gòu)的任何約束，理論上可打印任何形狀的模型，可用于復(fù)雜模型的直接制造。打印噴頭和設(shè)備維護(hù)簡單，只需要簡單地定期清理，每次使用的成型材料少，剩余材料 可以繼續(xù)重復(fù)使用，可靠性高，運行費用和維護(hù)費用低。單個打印噴頭的的移動速度十分迅速，且成型之后的干燥硬化速度很快。 成型速度快。 打印過程無污染。 材料類型選擇廣泛 。 3D 快速成型打印技術(shù) 三維快速成型打印技術(shù)特點 三維快速成型打印技術(shù)具有很多優(yōu)點，主要如下所述 : 成本低，體積小。如北京隆源公司開發(fā)的 AFS300激光快速成型機、清華大學(xué)研 制的多功能快速造型系統(tǒng) MRPMS、上海交通大學(xué)開發(fā)的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計算機輔助快速制造系統(tǒng)等，均己商業(yè)化。日本、新加坡、挪威等國外其他機構(gòu)也紛紛投入該技術(shù)研究，目前己開發(fā)出各種類型成熟的快速成型技術(shù)。 表 11 常用快速成型材料的分類 形態(tài) 液態(tài) 固態(tài)粉末 固態(tài)片材 固態(tài)絲材 非金屬 金屬 名稱 光固化樹脂 蠟粉 塑料粉 覆膜陶瓷粉 覆膜砂 金屬粉 覆膜金屬粉 紙 塑料 +粘結(jié)劑 陶瓷箔 +粘結(jié)劑 金屬箔 +粘結(jié)劑等 蠟絲 ABS 絲 等 成型方法 SLA SLS 3DP LOM FDM 快速成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)較早開始了快速成型技術(shù)的研究工作。 3DP 是目前快速成形技術(shù)研究的熱點之一，應(yīng)用前景十分看好。通過噴頭用粘結(jié)劑將零件的截面打印在材料粉末上面，或者將成型樹脂一層一層噴出，分別固化粘結(jié)成型，其成型過程是將各個二維截面重疊粘結(jié)成為一個三維實 體。 3DP (Three Dimension Printing)工藝。 FDM C Fused Deposition Modeling)工藝。如此反復(fù)直至零件的所有截面切割粘結(jié)完。工作臺上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚。完成之后，工作臺帶動己成型的工件下降，與帶狀片材分離。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接。 LOM C Laminated Object Manufacturing)工藝。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，繼續(xù)有選擇地?zé)Y(jié)下層截面。 SLS C Selective Laser Sintering)工藝。 SLA 方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域最成熟的方法，研究應(yīng)用最廣泛，其成型精度較高，原材料利用率高。 SLA (Stereolithogrphy Apparatus)工藝。 根據(jù)成型方法，快速成型技術(shù)可分為兩類 :基于激光及其他光源的成型技術(shù)(Laser Technology )，如 :光固化成型 (SLA)、選擇激光粉末燒結(jié) (SLS)、分層實體制造 (LOM)、形狀沉積成型 (CSDM)等 。 成型技術(shù)綜述 快速成型簡介 快速成型技術(shù)通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積材料疊加起來形成三維實體，與計算機系統(tǒng)結(jié)合，以提高快速成型效率和精度，與傳統(tǒng)的去除成型形成鮮明的對照，其工藝工程主要包括三維模型構(gòu)造、近似處理、切片處理、截面加工、截面疊加、后處理等。通過計算機軟件的簡單設(shè)計，再利用三維立體打印機成型，在很短時間內(nèi)便可實現(xiàn)從計算機設(shè)計模型到三維實物的轉(zhuǎn)變，減少了不必 要的浪費，可以加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，使開發(fā)過程更為直觀精確，在設(shè)計階段的分析過程尤為重要，迅速占領(lǐng)市場。其中，石膏粉末具有成型硬化速度快、成形精度高、強度好、價格低廉、無毒環(huán)保、適合模型驗證等優(yōu)點，因此本研究選用石膏粉末作為基材，通過對其進(jìn)行改性并加入一定比例的其他粉末及添加劑。 在各類 快速成型技術(shù)中，三維快速成型打印技術(shù)被譽為其中最有生命力的技術(shù)，具有設(shè)備和操作簡單、材料類型廣泛、材料便宜、成型過程中無污染、成型精度高、成形速度快等優(yōu)點，該技術(shù)成本低廉，運行及維護(hù)費用低，可靠性高，而且不需要專門的支撐材料。該技術(shù)借助精密傳動、激光、計算機、數(shù)控等一系列現(xiàn)代化手段，將計算機輔助設(shè)計 ((CAD)和計算機輔助制造 ((CAM)集成一體，可以自動、直接、精確、快速地把想要設(shè)計的物體從思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實體原型或模具，從而可以對產(chǎn)品進(jìn)行快速準(zhǔn)確的修改、分析和評價，大大縮短了制造周期。 快速成型技術(shù)是計算機輔助設(shè)計及制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)(SFT)、材料去除成型 (MPR)或材料增加成型 (MAP)技術(shù)以及它們的集成。 powder molding material 目錄