簡(jiǎn)易3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)楠楠 蘇嘯宇 李金泉

摘要：設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的3D打印機(jī)，對(duì)此3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)、耗材和打印過(guò)程等部分進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)打印過(guò)程和提高打印精度的方法，從而達(dá)到降低成本、縮減時(shí)間和提高打印精度的目的。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);噴頭

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（ 2019） 24-0213-02

l 引言

1988年，Scott Crump發(fā)明了一種3D打印技術(shù)——熱熔解積壓成形技術(shù)（FDM）[1]，但價(jià)格十分高昂。隨著科技的發(fā)展，3D打印機(jī)種類(lèi)增多，有些打印機(jī)價(jià)格也在不斷下降，國(guó)內(nèi)的3D打印技術(shù)也在快速發(fā)展，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距逐步減少，專(zhuān)門(mén)從事生產(chǎn)3D打印機(jī)的廠家逐漸增多，打印精度可以達(dá)到0. 05～0.4mm[2，3]。3D打印機(jī)對(duì)于一些難加工的異形部件有著傳統(tǒng)加工方式難以替代的優(yōu)勢(shì)，極大的方便了人們的生活，如何在保證精度的前提下盡量降低成本，一直是科研人員研究的目標(biāo)?；诖?，本文對(duì)簡(jiǎn)易3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

2 打印機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理

簡(jiǎn)易3D打印機(jī)由底部框架1、立式支架2、伺服電機(jī)3、同步齒形帶4、滑軌5、送料齒輪6、伺服電機(jī)7、推桿8、滑塊9、限位塊10、頂部框架11、風(fēng)扇12、噴嘴13構(gòu)成，如圖1。其中立式支架2、伺服電機(jī)3、同步齒形帶4、滑軌5、滑塊9、限位塊10和兩個(gè)推桿8構(gòu)成一套控制機(jī)構(gòu)，此3D打印機(jī)由三套這樣的控制機(jī)構(gòu)控制，分別稱(chēng)為X塔、Y塔和Z塔，噴嘴12的運(yùn)動(dòng)全部由這3個(gè)塔控制。在單個(gè)塔對(duì)噴嘴運(yùn)動(dòng)的控制中，主要可分為兩種運(yùn)動(dòng)方式。

一種是推桿8和噴頭12相對(duì)靜止，電機(jī)3帶動(dòng)同步齒形帶4，使滑塊9上下移動(dòng)，最終帶動(dòng)噴嘴12在Z方向上下移動(dòng)。圖1為此3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)。

第二種是噴嘴12在Z軸的高度不變，只在控制機(jī)構(gòu)所在平面的X軸方向運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。設(shè)定推桿8桿長(zhǎng)為C，則C的X軸和Y軸投影分別為B、A，則根據(jù)勾股定理A2+ B2=C2，當(dāng)拉桿運(yùn)動(dòng)之后.X軸向投影的增加量為，y軸向投影的增加量為△y。

所以有：

所以運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為以（-B，A）為圓心，C為半徑的圓，當(dāng)z=O，y=o時(shí)，噴頭處于初始位置，圓上的點(diǎn)的坐標(biāo)意味著當(dāng)噴嘴水平移動(dòng)x時(shí)，滑塊豎直方向需移動(dòng)的距離y。

而在水平方向上，有3個(gè)這樣的機(jī)構(gòu)在控制著噴嘴12移動(dòng)，所以噴嘴的最終移動(dòng)方向，是由3個(gè)方向上的向量疊加而成的，這樣控制的運(yùn)動(dòng)，精度比兩個(gè)電機(jī)分別控制X、Y方向要更高。

3 工作原理

軟件方面需要首先將想要打印的STL三維模型做成.Gcode切片模型，然后連接到打印機(jī)，在cura界面調(diào)整打印機(jī)的參數(shù)，讓打印機(jī)讀取切片文件，根據(jù)切片文件來(lái)形成預(yù)定軌跡，按軌跡打印出模型[4]。在硬件方面，由于3D打印機(jī)采用了熔融沉積成形技術(shù)（FDM）[5，6]，所以在打印之前需要預(yù)熱噴嘴12。同時(shí)加熱打印臺(tái)，防止打印時(shí)打印件冷卻過(guò)早。預(yù)熱到設(shè)定溫度后即開(kāi)始打印。由伺服電機(jī)7帶動(dòng)送料齒輪6將PLA耗材通過(guò)輸料管輸送到噴嘴12位置，噴嘴部分將PLA耗材熔化并噴出，由伺服電機(jī)3帶動(dòng)同步齒形帶4控制3根滑軌上滑塊9的位置，滑塊9通過(guò)與噴嘴12連接的推桿8來(lái)控制噴嘴位置，用累加的方法將所需模型堆疊出來(lái)，打印完成后，噴嘴12自動(dòng)回位，由限位塊10限制滑塊9的位置。圖3為3D打印機(jī)實(shí)物圖片，圖4為打印成品圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際操作中，改變軟件中設(shè)定的B和A的數(shù)值與實(shí)物數(shù)值相匹配，提高了打印機(jī)的打印精度和準(zhǔn)確性。同時(shí)軟件設(shè)置中層厚和填充率對(duì)打印速度都有影響，更小的層厚或更大的填充率會(huì)減慢打印速度。同時(shí)在打印過(guò)程中，需要在打印臺(tái)上貼一層美紋膠帶來(lái)提高粘附性，防止翹邊。

通過(guò)改變這些軟件和硬件方面的設(shè)置，最終成功地使打印的過(guò)程更加流暢。

參考文獻(xiàn)：

[l]李小麗，馬劍雄，李 萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2011（7）.

[2]孫浩然，馬丹丹，于長(zhǎng)有.一種基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)成型精度的研究思路[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（17）：69-71.

[3]趙欣.并聯(lián)結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制工藝優(yōu)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[4]陳成軍，杜祥星，李章朋.基于FDM技術(shù)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化，2013（6）.

[5]陳龍，肖軍，趙靜.淺析基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與制作[J].時(shí)代汽車(chē)，2019（14）：94-95.

[6]楊琦，糜 娜.3D打印層厚參數(shù)對(duì)零件力學(xué)性能影響的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（ 30）：52-53，55.

收稿日期：2019-04-10

作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)楠楠（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾虏牧暇芗疤胤N加工技術(shù)。

通訊作者;李金泉（1965-）.男，博士，教授，研究方向?yàn)榍邢骼碚撆c先進(jìn)制造技術(shù)。