基于理實一體化的3D打印機設計與制造研究

杜世法

在“中國制造2025”大背景下，知識在迅猛增長，智能制造、云計算、大數據、機器人、3D打印技術都在迅猛發展。

一、課題研究的意義

通過對買教具和研發教具在價格、作用、性價比上進行分析，筆者認為設計、自制3D打印機具有深層意義。

基于教學人才培養、設備需求、專業發展方向以及系部整體向智能制造、高端制造轉型的需要，3D打印機的設計與制造恰恰成為解決上述問題的關鍵點。

以下通過分析3D打印機的設計與制造對學生理實一體化培養的意義，完成3D打印機的設計與制造。

二、3D打印機的設計與制造的意義

在“中國制造2025”的大背景下，在全國智能制造的引領下，通過理實一體化教學，讓學生完成3D打印機的設計與制造。

3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術即快速成形技術的一種機器，它是以數字建模為基礎，運用塑料、特殊蠟材或粉末狀金屬等具有可黏合性的材料，通過打印技術使材料一層層粘合起來制造三維物體的加工設備。

3D打印技術已經初步具有成功的商用模式。如在消費電子業、航空業和汽車制造業等領域，3D打印技術可以以較低的成本、較高的效率生產小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。另外，3D打印技術獲得較廣泛應用的領域是個性化消費品產業。

1.價格

雖然現在市場上3D打印機的價位各有千秋，但實用又兼顧學生實訓需求的設備還是價格不菲。現在可以根據3D打印機的工作原理、工作結構和特點，由機械設計與制造專業和電氣專業的學生來完成3D打印機的制造。

2.自制3D打印機的作用

自制3D打印機可以滿足系部專業發展的要求，是系部專業整體向智能制造、高端制造華麗轉型的一個關鍵點；滿足教學和教學設備所需，帶領學生向智能制造的領域進行探索；同時為學生提供真實實訓項目，滿足學生實訓的要求。

三、3D打印機的設計與制造

1.3D打印機的結構

（1）基本結構有三角形的、矩形盒狀、矩形支架狀。

（2）DIY打印機的難度需要在精度和組裝難度之間衡量。有的機子要求精度高，打印效果好，但是價位和組裝都是學校難以做到的。有的結構簡單，打印效果也不錯，但是其對零部件裝調需要較豐富的經驗。因此，我們要找到適合的結構。

2.3D打印機的設計

在理實一體化模式下，教師對學生進行指導，學生可以在學習基本知識點和技能點的前提下，進行創新設計和制造。

3D打印機的設計包括以下幾部分。

（1）總體設計。在總體設計中包括系統概述，對整體工作性能進行分析；系統框架設計，輸入設備、存儲外設、上位機、溫度傳感器的測量值—單片機分析—溫度控制回路、XYZ各方向電機控制、噴出量控制、顯示設備。

（2）打印耗材的選用。為了實現3 D打印機的功能，所選材料也很重要。既要有較低的熔點，也要有較好的黏滯性，同時需要快速成型。綜合考慮，筆者最終選擇了P L AA /B S耗材。

（3）XYZ三方向控制電機的設計；噴頭移動及噴出量調節的設計，包括噴頭系統的功能要求、噴頭實現方法設計；機械結構，包括傳動方式的選擇；轉動慣量的計算；噴頭的選擇；電機的選擇，包括伺服電機與步進電機的取舍、交流直流伺服電機對比；負載轉矩的計算；打印速度的初步估計。

（4）傳感器的選用與設計。溫度傳感器的接觸式特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續在線測溫，并且接觸式測溫系統結構簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，可方便地組成多路集中測量與控制系統。

3.3D打印機的制造

測試、安裝中所需的工具有一字旋具、壓線鉗、剝線鉗、鑷子、電烙鐵、尖嘴鉗、片口、高溫膠帶等。

所需要的配件有：3D打印機主控件，12V /200W開關電源，100k ntc熱敏電阻2個，兩相四線步進電機1個，限位開關1個，12V加熱管，12V風扇，12V加熱床PCB板。

四、小結

基于“中國制造2025”，鑒于專業發展需要和教學需求、學生理實一體化教學及實訓實操的要求，迫切需要在3D打印技術方面對學生進行培養，讓學生學習、實踐3D打印機的設計與制造。

（作者單位：渤海船舶職業學院）