大型三角式FDM3D打印機的研發探析

李一帆　曲文君

摘要：本文基于研發一款大尺寸3D打印機，具有打印尺寸大、具有自動上色和智能中斷暫停的功能，主體結構采用三角式結構，提高打印速度和打印精度，且三角式結構適合打印回轉體模型，在大尺寸框架設計中因幾何原因，強度和可靠性更高，保證打印過程中的平穩性和安全性。

關鍵詞：三角式；3D；打印機

3D打印技術剛剛興起，各類打印機層出不窮，但普遍面臨著打印尺寸小、價格相對較高，而低價位的3D打印機打印精度極差，難以滿足設計和生產需求。高端打印機造價昂貴難以普及，大型設備市場前景雖大，但普及率有待提高，故很少有企業從事大型3D打印機的研發和生產，其多半停留在試驗和測試的階段。我們一般可以接觸到3D打印機多為桌面打印機，打印范圍一般小于A4紙大小，普遍為20*15*14cm的桌面級3D打印機，實際打印生產中很少可以達到這個有效尺寸，對于打印大型模型產生制約，多次打印和拼裝則有會降低精度和物品的美觀程度。除此之外目前主流打印機均采用線式塑料耗材，打印出來后均為單色或與耗材顏色一致，無法實現多色打印，而使用多噴頭的3D打印機卻因為受結構和尺寸限制最多可以放置兩個噴頭，實現雙色打印，然而依舊無法滿足生產需要。且打印過程中會出現斷絲現象，而設備不具有智能感應，通用的機械感應方式誤判率較高，會產生浪費工作成果的誤提示。

該設備研發成功后最大的打印范圍可以達到0.8米的直徑乘以1.2M的打印高度，其尺寸可以滿足日常大部分模型的要求，避免了模型設計時的分部設計減少建模勞動量，免去重復打印取件的繁瑣工作，提高打印效率，避免拼裝和組裝，增強模型的強度和穩定性，且外觀一體更具美觀。

采用進料口處顏色涂抹裝置，可通過底部平臺高度檢測的脈沖信號自動進行上色，實現多色打印，且結構簡單，不占用噴頭位置的寶貴空間，反應靈敏故障率低。通過進料口增設紅外感應裝置，當前列耗材阻礙光線信號時，報警器無動作，當檢測到進料口出沒有障礙時，進行報警，配合耗材盤的運動檢測裝置進行斷料驗證，一旦確定斷料后緊急停機，避免長時間的無料打印產生的設備損耗和無用功。該設備將全部使用開源硬件，和拼裝式結構，便于拆卸，且因其靈活性和改造潛力可用于其他項目的研發和改進。

研發的問題及解決對策：

（1）結構不穩定、震動晃動，打印過程中對打印產生干涉，影響精度，解決方案：三角式橫梁結構、底部配重、加強筋與角鐵鏈接。

（2）同步帶、傳動軸、并聯臂的不同軸、不水平的情況。解決方案：水平測量儀測量水平高度、并聯臂使用彈簧緊固。

（3）連接件、非標件的采購和使用。解決方案：無法采購的非標件特殊件使用三維建模設計后使用桌面級打印機打印生產驗證，用于實際工程中。為提高強度填充密度設置高于50%。

（4）傳動裝置動力不足。使用42步進電機和57步進電機作為動力源的打印區別，打印精度和打印速度之間的變化。解決方案：改換57步進電機外加驅動。

（5）成型底板拆卸困難，無法校準。解決方案：磁懸標尺插口式設計，將成型底板三點安裝滑動套管，底部梳理三根帶標尺的光軸，且在地面與成型板底部安裝極性相同的通電式磁鐵，利用磁懸浮控制底板的水平高度，通過標尺查看具體水平數值，利用通電電流大小實現底部成型底板的升降，減少摩擦，操作簡單、易于拆卸。

（6）如何利用三原色進行自動調色上色。解決方案：采用進料口處顏色涂抹裝置，可通過底部平臺高度檢測的脈沖信號自動進行上色，實現多色打印。

（7）打印機并聯臂長度與打印直徑的比例關系、并聯臂的長度變化與打印極限行程的關系。解決方案：使用同步帶傳動，長距離時產生的彈性拉長對打印精度的影響。塑料耗材在大范圍打印過程中的變形情況，嘗試計算出材料的變形時間和溫差效應。從而計算出最佳的打印尺寸和打印范圍。

因此我們研發的這款大尺寸3D打印機，具有打印尺寸大、具有自動上色和智能中斷暫停的功能，主體結構采用三角式結構，提高打印速度和打印精度，且三角式結構適合打印回轉體模型，在大尺寸框架設計中因幾何原因，強度和可靠性更高，保證打印過程中的平穩性和安全性。

參考文獻：

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項目：本項目由大學生創新創業訓練項目資助（項目編號：201610452049）