浙江大学3D创客中心 Make It Possible

减速器箱体的逆向与3D打印

图文 by 工程训练甲(五)组 于润泽 孙和轩     视频 by  工程训练甲(五)组  王文逸

 

    逆向工程绝不是仿制,而是一个从产品到设计的过程,就是根据已经存在的产品,反向推出产品设计数据(包括设计图和数据模型)的过程。我们本次的减速器3D打印是实物逆向工程,我们可以在没有该减速器原设计图纸和参数的情况下,通过数据测量、CAD三维模型重构、3D打印(模型制造)几个过程,进而制造出高附加值、高技术水平的新产品,实现零件的变异复原。减速器箱体的特点是体积小,尺寸精度要求高,如果能够成功制作出减速器箱体实现原箱体的功能,则可以证明逆向工程及3D打印技术在精度方面能达到较高的要求,体现其有较强的工业价值。

    减速器主要由箱体、齿轮轮系、电动机构成。通过齿轮间的传动,达到特定的传动比,从而实现减速的目的。因此减速器箱体需要实现的一个关键的功能是提供精确的定位尺寸,辅助齿轮与轴间的装配工作,使齿轮间能实现较好地啮合。因此一些关键的孔深以及孔间的距离需要十分精确。箱体需要实现的另一个功能是将电动机、齿轮等限制在箱体内部,以避免其干扰其它零件的运动。因此箱体间的销与销孔、螺栓孔等的半径、深度、位置等也需要精确,以便箱体与端盖能够实现固定。

    在逆向制作的过程中,还需要结合3D打印技术的特点,对原有的零件设计进行适当的修改。如圆角可以省略、螺钉连接应改为螺栓连接等。

 

方案设计

    本实验3D打印使用的是Delta系列打印机。该打印机设计轻巧,可打印尺寸大,工作速度高,操作自由度高。打印机原理是将丝状打印材料通过挤出头加热熔融挤出,在打印工件表面迅速冷却凝固,根据不同需求,可以打印出各种需求的模型。然而它也有一定的缺点。作为增材制造,其精度依赖于打印材料丝的粗细,又受热胀冷缩的影响,一般来说与常规制造相比其精度要差许多。因此在设计方案的时候应该考虑将孔、轴的尺寸适当设计得大一些以抵消精度上的误差。增材制造与常规制造相比,其另一特点不需要圆角、倒角等常规制造所必须的设计,因此在设计方案时可以省略圆角等设计,简化方案。另外,也可以对原有的零件设计作一些改动,只要使减速器仍满足原来的传动比即可。

    1. 由于箱体上有些部件无功能作用,予以去掉(图中红圈所示)。

    2. 首先绘制出半个箱体,并进行打印,挤出头加热205℃,加热床加热50℃,层高0.20mm,共打印53层,用时16min。打印出来的产品不尽人意。首先,支撑材料已经固化,去除基部支撑材料比较困难,在去掉基部支撑材料后基部粗糙度很大,而且某些孔洞有塌陷。其次,箱体内部中部两个小孔由于孔径太小基本没有打印成型。其他几个孔内部有横丝和凸起,外部非常粗糙,阻碍了齿轮转动。

    3. 接下来绘制了另一半箱体,主要是在前一半箱体的基础上做局部改变,打印时改变了打印参数,层宽改为0.08mm,共188层,用时1h。所得箱体粗糙度明显降低,但是装配突触表面还是太粗糙,两个半箱体由于突触和孔不配合导致无法合体。

    4. 增大孔径,重新打印,层宽仍然为0.08mm。最终可以安装,但是中部两个孔还是过于粗糙和不完整。因此决定去掉中部两个安装孔,并且基部斜着放置,放置角度设为lay flat方式,重新打印。这次箱体基部的支撑物很难去掉,在去除的同时不小心把突出的孔也去掉了。

    5. 在打印最后半个箱体时CURA设置中,将层高改为0.10mm,将填充密度由15%设置为10%,将platform adhesion type由brim 改为 raft,最后打印出来的底部去除支撑材料后非常整洁,整体粗糙度变化不大,而打印时间由于层高的加大反而减少(支撑方式的改变增加了打印时间但增加的时间不多)。

    6. 最后装配齿轮带电评测时,箱体内部4个齿轮啮合很好,但与马达的啮合出现问题,导致马达的转动不能传递给减速齿轮。马达齿轮与下齿轮啮合不到,但是与不应该接触的上齿轮有接触摩擦,这个很致命。

    最后通过测量,发现两个孔高度均矮了1mm,导致整个二级齿轮传动系统位置相对箱体底面降低1mm。解决方法就是将两个孔均升高1mm。这个问题很关键,我们到最后才发现,在原装件中马达齿轮与离它最近的上齿轮相差近0.2mm,这在测绘、实际打印过程对精度的控制要求很高!

 

制作过程视频:点击看视频

 

心得体会

    在打印的过程中,应该将platform adhesion type设置为raft,填充密度由15%设置为10%。层高视情况而定。因为支撑方式的设置在带来少量打印时间增加的同时大大提高了底面的质量,而层高的改变对于粗糙度的改变有限但对打印时间影响很大(但层高也可能会对z轴方向的精度有很大影响)。当然,打印参数的设置应该由具体零件来确定,应该考虑零件的底面面积、重心位置、重量、精度要求等参数,在打印时间与打印精度之间寻求平衡。
    3D打印的精度受很多方面的影响。如打印材料丝的粗细(即层高)、热胀冷缩、打印过程中丝材的多余脱落、甩出等,都会影响打印的精度。
    我们在设计与打印的过程中就受到了精度的影响。在设计定位销与销孔时,我们将销直径与孔直径设计得相同,在常规制造中,在满足一定精度要求的前提下(且这一精度要求并不难满足),如此设计是可以完成装配的,但打印出来的零件却根本无法完成装配。通过观察,我们发现无法装配的原因是孔内部、销外部存在毛刺,以及孔、销的粗糙度都很高。
    我们查阅资料发现,由于3D打印本身工艺特点,使得零件特征的实体尺寸向外延伸,即小尺寸的孔直径偏小,小尺寸的轴直径偏大。偏差量一般在0.2~0.5mm左右,对于大尺寸特征(30mm以上)由于材料本身的弹性一般可以不考虑这个问题,但对于小尺寸特征则必须考虑这个问题,而对其作出补偿。对于需要直接装配的场合,建议用0.3~0.4mm的调整量以保证能够顺利装配避免干涉。因此,我们在之后的设计中扩大了孔的直径,将孔的直径扩大了0.4mm,最终实现了装配。
    然而在扩大孔径后,中部两个孔(即图二画圈处)还是过于粗糙和不完整不能实现装配。我们并没有找到其不完整的原因,因为参照之前打印的作品,在该孔径下的孔应该能够完整、比较光滑地打印出来。我猜测是由于两孔位置比较特殊,周围并无实体,因此打印机喷头在打印完中部孔快速移动到其它位置时少量丝材受热熔化从喷头甩出到零件上,导致孔粗糙。我们的解决办法是去掉中部的定位孔、销。
总结:由于减速器箱体尺寸小,测量误差、打印误差对它的精度影响都很大,因此在设计时应适当调整,缩小零件特征的实体尺寸。同时应尽量简化设计结构,为调整后的零件腾出空间装配齿轮。

 

    对于打印机存在的问题与改进设想
    首先,打印过程中丝材的多余脱落、甩出的问题,可以通过智能减慢打印速度的方法来解决。具体来说,就是在打印可能会因为丝材的多余脱落、甩出造成精度问题的地方(如周围没有实体的地方)放慢打印速度,保证喷头处无丝材再移动到下一需打印的地方。另外,我认为Cura软件也可以做出改进。例如,现阶段软件能给出打印时间、消耗材料长度等数据,但我希望它还可以提供显示底面可能会呈现的粗糙度、受热胀冷缩、层高等影响后模型的变化等功能,从而让使用者在打印之前就对将要打印出来的零件的特征、变化有所了解,如果出现了致命的变化可以不打印而返回修改,这样就节约了打印者的时间。

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发布: maker 分类: maker经验 评论: 0 浏览: 1
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