基于家庭化3D打印機的研究

唐凌　姜山　許文巍　夏娟

摘 要 鑒于當前人們對3D打印技術的多樣化需求，以及結合目前市場上或者國外進口的3D打印機的價格較高，無法對其進行廣泛的推廣與應用，就導致3D打印機技術的發展面臨一定的阻礙，現提出一種能夠家庭化、普遍化，并且基于三自由度懸臂式機械結構的3D打印機研究方案。而本文就是在普通3D打印機的工作原理上運用三自由度的懸臂式結構以及一款適用于家庭化桌面3D打印分層軟件的系統相結合而設計出的一款合乎一般家庭所需的新型桌面3D打印機。這款3D打印機在結構上的改進擴大了打印的范圍，軟件上的設計使得操作界面更加友好、人性化，兩者的結合也令整機的規格略有縮小、成本降低，總體上能夠滿足大多數工薪家庭或者個人、企業對性價比的需求。

關鍵詞 多樣化需求 懸臂式 家庭化 3D打印機 性價比

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.020

Research on Home Based 3D Printer

TANG Ling， JIANG Shan， XU Wenwei， XIA Juan

（College of Machinery and Automation， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430081）

Abstract In view of the current diversified demand for 3D printing technology， and combined with the current market or foreign imports of 3D printers higher prices， cannot be widely popularization and application of the 3D technology have led to the development of printer face some obstacles， we put forward a family and generalized， and based on the 3D printer scheme of three degree of freedom mechanical cantilever structure. But this paper is the working principle of ordinary 3D printer using a cantilever structure with three degrees of freedom and a system applicable to the family of desktop 3D printing layered combination of software and the design of a new desktop 3D printer is generally required for family. The improvement in the structure of the 3D printer to expand the range of printing， the design of the software makes the interface more friendly and humane， the combination of the two makes the specification slightly reduced， cost is reduced， the overall demand for the price can meet the most working families or individuals， enterprises.

Keywords diversified demand； cantilever type； family； 3D printer； cost performance

0 引言

近年來，3D打印技術在各個制造領域得到了長足發展，并逐漸成為未來制造業重要技術之一的引領者，作為以三維數字軟件模型為基礎的快速成型系統，目前的發展態勢也在漸漸影響并改變著傳統的加工制造業。因為無需任何繁瑣復雜的機械加工過程以及多種多樣的模具，就能夠直接通過計算機輔助，經由其中的圖形數據間接生成我們所想要的任何形狀的物體，所以無論在那個領域，從航空、船舶到汽車、儀器，從機器配件到家用玩具，大大小小的領域都有可能會用到3D快速成型技術。[1]但是，由于國內對于生產3D打印機的成本或是從國外進口的價格均相對較高而言，僅僅一臺普通的3D打印機動輒上萬元，對于一般的中小型企業或者對此相當感興趣的家庭都具有一定的經濟負擔。中小企業不愿批量購入、普通家庭又嫌棄性價比不高，因此就在一定程度上制約了3D打印技術在民間以及大眾企業間的推廣和傳播，也在一定程度上阻礙了它的技術發展。鑒于以上種種，基于家庭化桌面3D打印技術，對其基本的機械結構和上位機控制軟件做一定的融合，具體為運用三自由度的懸臂式機械結構結合桌面3D打印分層技術設計出一款適用于家庭化使用的經濟型3D打印機。填補市場上對低成本并具備相應打印要求的3D打印機的市場空白，滿足普通大眾以及中小企業對它的迫切需求。[2]

1 家庭化3D打印機的發展現狀

當前，3D打印技術正在逐漸突破傳統機械加工制造業的桎梏，成為現階段新興制造業的熱門加工制造技術，其快速加工成型能夠滿足大多數企業或者個人的實際需求，具有一定的推廣價值。并且，將其快速成型技術運用到我們的日常生活當中，特別是家庭化生活中一定能夠帶來非常大的便利，將科技運用于服務，也正是我國大力發展科技的最終目標。有時候，家庭中小孩兒玩的玩具或者我們常見的一些工具需要臨時使用，而他們造型大都不會很簡單，通過傳統的人工單件加工會非常繁瑣，直接在市場上購買操作上不方便，經濟上又不是特別合適，所以就可能會用到家庭化的3D打印技術，利用家庭化桌面3D打印機能夠很快并且很方便地制造出我們所需要的物品，如果加工材料選擇合適，加工出來的物體的各方面性能也能夠滿足使用者的要求，在這個親身體會加工的過程中也能夠為操作者甚至是家中的小孩帶來運用科學技術的樂趣。但是現有家庭化3D打印機的售價對于大多數中等左右收入的家庭來說勉強可以承受，為未來普及更多中下等收入的家庭由于種種目的需要購入一臺3D打印機的實際需求，就對市場上現有的桌面3D打印機做適當的結構改進，使其生產成本降低以便能夠滿足絕大多數家庭甚至個人能夠隨心購買的經濟需求。[3]

而國內外對3D打印機的研究也不盡相同。國外的許多打印機版本是開源的，并且在其網絡上就提供了全套免費的源代碼、機械結構圖紙以及電路控制原理圖等，其算法的更新換代也比較快，運行效率比較高，能夠滿足其本國國民的現實需要。鑒于此，國內的家庭化桌面3D打印機發展也是日益加強，因此近年來國內也是涌現出了各種版本的開源3D打印機。但是兩邊相比較的話，國內大多數的企業僅僅對國外的源代碼以及計算機界面做了簡單的漢化，缺乏自己的核心技術支撐或是創新性的改動。因此就以上種種問題特提取幾種不同打印機中的結構以及軟件系統做創造性糅合以及改進，以達到更加家庭化、低成本的目的。[4]

2 3D打印技術原理和結構設計

當前，3D打印機的設計有兩種結構形式，分別是開放式和封閉式的結構，其中處于市場較為早期的一款結構形式的機種是開放式的。通過各位科研工作者近幾年對3D打印技術的深入研究，開放式結構的3D打印機正在逐漸退出市場，封閉式結構的3D打印機漸漸興起，一場有關3D打印技術的革新也是愈來愈火熱。[5]

2.1 工作原理

不少人都了解，快速成型技術本身也可以叫做3D打印技術，它是以虛擬數字模型文件為基礎，利用熱熔材料熔點低以及可以快速成型的特點，通過材料擠出機構中終端噴頭加熱以及擠出機的擠壓作用，將打印材料以非常細的絲狀物形態擠出，再根據在計算機系統界面先前編程好的打印路徑逐層“打印”，經過一定時間的積累，最終得到自己預期中的產品。

整個3D打印機的系統由兩個部分組成：上位機和3D打印機。其中，上位機的作用主要是兩個：模型的設計和模型的三維切片。也就是說，3D打印機通常是根據計算機上所事先設計好的控制指令按照特定的路徑逐層打印，從而完成所需要的作品。[6]其中，事先設計好的3D模型是進行3D打印工作的基礎，一般情況下，通常用二維或者三維軟件AutoCAD、SolidWorks等設計出來并存儲為STL或SLA等文件格式。同時，在設計出自己所需要的3D模型后還要進行檢驗，即檢查所要進行打印工作的模型大小是否符合現有3D打印機的尺寸規格標準，如果發現不是特別匹配，則需要對模型尺寸進行適當的修改以便滿足要求。

而為了達到3D打印機應該有的快速成型效果，在其打印開始之前，首先需要選用合適的切片軟件對模型進行切片處理。在完成切片工作之后，則需要利用這款切片軟件將切后的物體形狀、尺寸等有關信息翻譯成3D打印機所能夠識別的G代碼指令，方便打印機的正常打印操作（圖1）。[7]

2.2 機械結構

市場上現有的打印機中存在兩種形式的機械結構，分別是龍門式以及懸臂式，作為3D打印機的執行機構，考慮到兩種結構形式各自的優缺點以及經濟性，就龍門式結構的3D打印機空間受限的問題，現選擇懸臂式機械結構設計。其中懸臂式3D機械結構由四個部分組成，包括：旋轉運動機構、垂直運動機構、水平運動機構、材料擠出機構，并且每一個部分都自帶一個單獨的伺服電機驅動。[8]其中，材料擠出機構安裝在3D打印機的打印頭上，并利用熔融材料在擠出機構內部中滾輪和伺服電機齒輪之間的相互嚙合作用對熔融材料進行進給和撤出。由于懸臂式機械結構的特殊運動方式，即材料的打印成型主要依賴豎直方向的旋轉運動和水平方向的直線運動共同實現，這種運動方式相比于傳統的龍門式機械結構少了一條水平面的運動導軌，如此的話就不會受到打印空間的制約，打印范圍更大。

具體的機構組成為：擠出機構上的打印頭通過打印頭上的固定件與水平導軌滑塊連接起來，而水平導軌滑塊則通過滾珠絲杠螺母副的方式與水平導軌連接起來，并由伺服電動機來驅動，使打印頭能夠左右水平移動，這些裝置的組合就構成了懸臂式3D打印機機械結構的懸臂裝置，同時也滿足了其圓柱坐標系中的半徑參數；同樣的，用連接板將上述的懸臂裝置通過垂直導軌滑塊與垂直導軌機械連接起來并由一臺單獨的垂直伺服電機來驅動，令整個懸臂裝置能夠上下移動，這便構成了圓柱坐標系中的豎直參量；然后，用支撐架和機構的底座旋轉裝置將垂直導軌連接并用另一臺單獨的底部旋轉軸伺服電機來驅動垂直導軌和懸臂裝置一起做旋轉運動，這便構建起圓柱坐標系的弧度參量。[9]至此，整個3D打印機綜合以上的三個機械結構就建立起了一個同時具備旋轉運動、水平移動和上下移動的三自由度機械結構。

3 控制系統設計

控制系統對于任何機構而言都是屬于大腦級別的地位，所以控制系統作為3D打印機的核心亦是相當于它的“大腦”，在計算機接收到從切片軟件中事先設計好的優化G代碼指令后，緊接著計算機就會對其進行全面分析，并由計算機制定路徑再控制伺服電機按照設定好的路徑移動，最后進行預期的打印任務，完成成品的打印。[10]這里的控制系統采用mega2560作為主控芯片，其中零位傳感器安裝在X、Y、Z軸的末端，用于初始化坐標系，確定電機移動的最大范圍；伺服電機的驅動模塊則是驅動打印機的噴頭按照計算機設定好的路徑進行運動；WiFi模塊的重點則是控制數據的無線傳輸，令其能夠實現遠距離的無線控制；噴頭溫度控制模塊主要控制單頭電熱管兩端的電壓以便能夠間接控制噴頭的溫度，實現調節溫度的功能，使噴頭的溫度穩定在預期的設定值，以使得打印材料能夠快速熔融成型；[11]最后，熱床加熱模塊則是通過加熱電路使熱床具備一定的溫度從而令打印的材料能夠完整的附著在熱床上，方便打印加工，總的來說跟噴頭溫度的控制模塊非常相似（圖2）。[12]

4 交互式界面設計

就桌面級經濟型的3D打印機而言，為了使其能夠家庭化，就必須令它滿足這幾個條件：（1）具備收入在中下等的家庭都可以接受的價格；（2）規格上不能太大，買回來的整機能夠擺放在家里一張普通規格的桌子上既可；（3）企業購買3D打印機是為了令其產生一定的經濟價值，滿足一定的盈利要求，但家庭購買大都是為了娛樂或者教育等因素，所以就要求能夠打印一些外形比較復雜的模型，并且軟件本身還要具備較高的穩定性，以免影響用戶的體驗，總的來說就是打印能力要到位；[13]（4）最后一個便是易上手，普通家庭購入后不同于企業有專人培訓以及專人使用、維護，普通家庭的話，可能每一位成員都會有使用的可能，對于其中的各種參數設定、界面理解都要能夠很快適應，也就是說對于一位新手用戶而言能夠在一定時間內理解并學會“傻瓜式”打印操作。

考慮到家庭化桌面3D打印機從模型建立到成品的完成所要經歷的步驟以及結合上述的四個條件，對于這款桌面級的家庭化低成本3D打印機的控制軟件界面的設計方案如下：對于一款家庭化3D打印機而言，人機交互的界面一定要“友好”，而這款軟件的主界面分別由標題欄、文字菜單、快捷菜單、主視圖區、整體信息顯示區、概要信息顯示區六個小的區域組成，標題欄位于最上方，用于顯示文件名稱等信息；文字菜單緊挨著標題欄之下，這菜單提供了大多數軟件操作界面的具有的最基本操作選項，包括：新建、打開、保存、分層、填充、視圖、模型、G代碼，依次排列并且操作簡便；而在主視圖區域，利用鼠標的滾輪可以實現對界面的實時縮放以及模型的任意旋轉；在左側的快捷菜單欄，顧名思義就是提供給用戶熟悉操作流程后實現快速操作的作用；右側的概要信息與快捷菜單欄對稱安置，其中概要信息包括主視圖、俯視圖、右視圖的視圖切換以及模型尺寸、面片數目、分層厚度、層數、填充間距和路徑數等模型的主要信息，而這一欄也是提供給用戶更加直觀了解模型各種參數的地方；整個操作界面提供給了用戶幾乎絕大多數有用的信息，對于用戶而言，界面中的每一個功能區不一定都會用到，但起碼提供給了用戶選擇的可能性，去挑選對自己有價值的信息。

5 結論

針對家用經濟型3D打印機的結構設計問題，本文創新性地將三自由度懸臂式機械結構結合桌面3D打印機的控制軟件和系統設計出一款適用于絕大多數對3D打印機感興趣的家庭，無論其收入高低。而對于今天在3D打印機這個廣闊的市場上，隨著整機規格逐漸縮小的同時，價格也一直只居高不下，難以滿足大部分家庭甚至是企業的經濟上限。隨著社會的進步，科技的進步，3D打印這門新型的技術產業只會愈來愈火熱，愈來愈能夠為平民大眾帶來便利，3D打印的市場也會隨之擴大，所以就不能夠讓高成本成為制約3D打印技術發展的桎梏。于是考慮到這種情況，對現有家庭化3D打印機進行一定程度的結構優化勢在必行。同時，由于3D打印技術的日漸成熟，已經實現了能夠使使用者直接應用互聯網遠程操作打印機的功能，并且能夠打印出來的物品也是越來越多樣化，越來越能夠滿足各種領域的需要，已在生物醫學、建筑、車輛、服裝等眾多領域嶄露頭角，所以基于以上種種情況，3D打印技術的革新會越來越受到各界的重視。

基金項目：國家級創新訓練項目（201610488005）：一種新型3D打印機設計與分析

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