3D打印機的自主開發

陳銳 周振山 杜泰東

摘 要：本文對3D打印機的原理、發展歷史、類型展開論述，針對教學或者家用入門級3D打印機的材料、組裝與調試展開研究，提供了自主開發制作3D打印機的方法。

關鍵詞：3D打印；3D打印原理；3D打印機

3D打印是一種分層成型技術，3D打印被視為第三次工業革命的重要標志之一是在英國著名的《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一書中對3D打印的重要性闡述之后。作為基于數字模型的輸出技術和以往的技術最大區別是傳統技術是一種減法成型，傳統技術在材料上切割、磨削、腐蝕去掉多余的部分得到實體模型。而3D打印技術原理相反，舉例說明——用融化的塑料等材料一層一層堆積固化形成實體模型。3D打印經歷了30年的發展經歷了不斷突破的技術壁壘，在各個領域得到了應用，如國防、醫療、服裝珠寶、建筑、汽車制造、航空航天、建筑、食品等。同時價格也有所下降，但是對于一些教學為主要任務的單位現在的價格還是讓人望而卻步，3D打印機的原理簡單、材料易得、可進行自我復制，所以對精度要求不高時可以自己裝配出簡易的3D打印機。

一、3D打印的基本概念

3D打印技術學名增材制造，維基百科對3D打印的定義是：3D打印（3D printing），又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成形技術（Rapid prototyping）的一種。它是一種以數字模型文件（digitaldata files）為基礎的直接制造技術，幾乎可以制造任意形狀三維實體（3-dimensionalobject）。3D打印運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體，即‘積層制造。

二、3D打印的發展簡史

3D打印技術最早由日本提出，后在美國發揚光大，現在全世界引起了熱潮。八十年代后葉，SLA技術、SLS技術、FDM技術、3DP技術在這段時間相繼問世，帶動了3D打印技術的高速發展，進入和初步發展階段。3D Systems、Stratasys、EOS等企業成立，開啟了3D打印商業化時代。其中主要的時間節點有：

第一臺商用3D打印機誕生，時間1986年、地點美國；麻省理工學院獲3D印刷技術專利，時間1993年；至2005年，ZCorp公司研制Spectrum Z510成功；2010年3D打印在汽車制造業嶄露頭角，世界上第一輛3D打印汽車Urbee問世；在醫療業2012年用人體細胞3D打印機打印出人造肝臟組織；2015年3D打印技術制造出一架無人機樣機。

三、3D打印機的分類

按技術類型分類可以分為：

1. 3D打印熔融沉積成型技術（Fused deposition modeling， FDM）：是目前應用最廣泛的一種3D打印技術。所應用的材料是ABS塑料 和PLA塑料。這些材料的特點是流動性強、熱縮率低、，價格低廉、無異味、無毒、自潤滑性差，可以很好的粘在熱床上。

這種技術是通過熱熔將耗材融化，然后通過直徑很小的噴頭擠出。擠出的融化后的耗材，沉積在熱熔版上，當溫度降低到低于固化溫度模型就開始固化，通過這種操作的反復進行，最終得到模型。

2. 立體平板印刷（Stereolithography， SLA）：是通過液態樹脂材料的光固化技術進行3D打印輸出。主要耗材是光敏樹脂，通過紫外光或者其他光源通過多鏡片反射，將溫度傳遞給液態樹脂，進而凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產品。

3. 選擇性激光燒結（Selective laser sintering， SLS）：多用在金屬制品的建模。耗材為多聚體粉末、鋁粉、鋼粉和鎂粉等。通過耗材粉末的層層鋪裝，然后用激光灼燒在需要成型的區域，讓材料粉末溶解，反復這一過程、層層疊加，最終獲得輸出模型。

四、3D打印機的原理

CAD軟件基材→3D虛擬模型→分割→二維圖形信息→噴頭→三維模型→后期處理→成品

通過立體掃描或者建模軟件對需要的產品進行建模，3D打印機與數字模型的描述方法不同，所以無法直接打印，而需要將建好的數字模型導入到切片軟件中，切片軟件會將數字模型分割成若干的截面傳遞給3D打印機打印。打印出的產品如果有不精確之處可以進行后期處理，經過修整、上色等步驟后，得到最終的模型。

五、組裝打印機的材料（類型為三臂reprap型打印機）與

1、組裝效應器

效應器的基本組成是擠出頭，擠出頭上連接中空的加熱棒，用于融耗材和送出耗材，打印時擠出頭送出耗材，打印停止命令時耗材回抽。效應器上安裝限位開關，他是在打印中給打印機平面的觸感。繼續安裝支撐結構和各種螺絲螺帽和銅墊擠出機的零件有：625軸承一個、銅質擠出輪一個、打印件、各類m3m4m5螺絲及頂螺絲墊片若干。

2、組裝框架

底座是三個角件連接三個鋁材拼成的三角形，拼接時給CPU和顯示器預留螺帽，拼好后把長條鋁材從角件孔中插入。同時組裝上下角件時裝入步進電機以及滑動軸承。

3、安裝打印平臺

可以用圓形鋁板或者玻璃，固定在骨架下面的底座上。kossel打印的pla塑料是很難附著在鋁板上面的，打印時可使用美文紙固定。如果預算允許可以使用加熱底盤。

4、安裝顯示器

安裝液晶顯示器

5、安裝主板

ramps1.4和mega2560組裝完畢后，燒錄Marlin固件。連接lcdsd卡控制器模塊測試正常。

5、安裝開關，電源

6、線路拼接

六、自裝打印機的調試

1、電路調試

連接電腦，將電路與電源接通。通過主控軟件給電路發送一組指令，檢查機器是否的一一響應。通過了電路調試才可以進行下一步測試，如果沒有通過電路測試，要自己檢查是否機械部件有問題，或者電路沒有接通。直到問題排除再進行下一步的調試。

2、打印測試

導入一個已經做好的3D模型，使用切片軟件制作成STL模型。使用裝配的打印機打印出來，這個過程可能延續幾個小時。

3、機械調試

針對打印模型的情況進行最后的機械調試；

通過模型的高度確認Z軸是否正常；

通過是否有錯層情況判斷打印平臺的狀態是否正常；

檢測圓孔是否中正，判斷X軸Y軸是否正常；

根據熱出絲的順利與否來檢測耗材融化的速度。

3D打印技術在教學中的作用不可估量，發展潛力巨大，因為3D打印架起了理論與現實的橋梁，讓知識成果變得可以觸摸，促進了數字模型的實物化。在職業技術院校的教學中可以運用到室內設計、烹飪、中西面點、園林等多種專業。

參考文獻：

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