簡易3D打印機結構設計

項楠楠 蘇嘯宇 李金泉

摘要：設計了一種簡易的3D打印機，對此3D打印機的結構、耗材和打印過程等部分進行了分析，提出了改進打印過程和提高打印精度的方法，從而達到降低成本、縮減時間和提高打印精度的目的。

關鍵詞：3D打印機;結構設計;噴頭

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0213-02

l 引言

1988年，Scott Crump發明了一種3D打印技術——熱熔解積壓成形技術（FDM）[1]，但價格十分高昂。隨著科技的發展，3D打印機種類增多，有些打印機價格也在不斷下降，國內的3D打印技術也在快速發展，與發達國家的差距逐步減少，專門從事生產3D打印機的廠家逐漸增多，打印精度可以達到0. 05～0.4mm[2，3]。3D打印機對于一些難加工的異形部件有著傳統加工方式難以替代的優勢，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?；诖?，本文對簡易3D打印機的結構設計進行了研究。

2 打印機結構和運動原理

簡易3D打印機由底部框架1、立式支架2、伺服電機3、同步齒形帶4、滑軌5、送料齒輪6、伺服電機7、推桿8、滑塊9、限位塊10、頂部框架11、風扇12、噴嘴13構成，如圖1。其中立式支架2、伺服電機3、同步齒形帶4、滑軌5、滑塊9、限位塊10和兩個推桿8構成一套控制機構，此3D打印機由三套這樣的控制機構控制，分別稱為X塔、Y塔和Z塔，噴嘴12的運動全部由這3個塔控制。在單個塔對噴嘴運動的控制中，主要可分為兩種運動方式。

一種是推桿8和噴頭12相對靜止，電機3帶動同步齒形帶4，使滑塊9上下移動，最終帶動噴嘴12在Z方向上下移動。圖1為此3D打印機結構。

第二種是噴嘴12在Z軸的高度不變，只在控制機構所在平面的X軸方向運動，簡化模型如圖2所示。設定推桿8桿長為C，則C的X軸和Y軸投影分別為B、A，則根據勾股定理A2+ B2=C2，當拉桿運動之后.X軸向投影的增加量為，y軸向投影的增加量為△y。

所以有：

所以運動可以轉化為以（-B，A）為圓心，C為半徑的圓，當z=O，y=o時，噴頭處于初始位置，圓上的點的坐標意味著當噴嘴水平移動x時，滑塊豎直方向需移動的距離y。

而在水平方向上，有3個這樣的機構在控制著噴嘴12移動，所以噴嘴的最終移動方向，是由3個方向上的向量疊加而成的，這樣控制的運動，精度比兩個電機分別控制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，在cura界面調整打印機的參數，讓打印機讀取切片文件，根據切片文件來形成預定軌跡，按軌跡打印出模型[4]。在硬件方面，由于3D打印機采用了熔融沉積成形技術（FDM）[5，6]，所以在打印之前需要預熱噴嘴12。同時加熱打印臺，防止打印時打印件冷卻過早。預熱到設定溫度后即開始打印。由伺服電機7帶動送料齒輪6將PLA耗材通過輸料管輸送到噴嘴12位置，噴嘴部分將PLA耗材熔化并噴出，由伺服電機3帶動同步齒形帶4控制3根滑軌上滑塊9的位置，滑塊9通過與噴嘴12連接的推桿8來控制噴嘴位置，用累加的方法將所需模型堆疊出來，打印完成后，噴嘴12自動回位，由限位塊10限制滑塊9的位置。圖3為3D打印機實物圖片，圖4為打印成品圖。

4 結語

本文分析了3D打印機的結構，在實際操作中，改變軟件中設定的B和A的數值與實物數值相匹配，提高了打印機的打印精度和準確性。同時軟件設置中層厚和填充率對打印速度都有影響，更小的層厚或更大的填充率會減慢打印速度。同時在打印過程中，需要在打印臺上貼一層美紋膠帶來提高粘附性，防止翹邊。

通過改變這些軟件和硬件方面的設置，最終成功地使打印的過程更加流暢。

參考文獻：

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

[2]孫浩然，馬丹丹，于長有.一種基于FDM技術的3D打印機成型精度的研究思路[J].科技創新與應用，2018（17）：69-71.

[3]趙欣.并聯結構3D打印機系統設計與控制工藝優化研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

[4]陳成軍，杜祥星，李章朋.基于FDM技術工業級3D打印機的設計與應用[J].信息技術與信息化，2013（6）.

[5]陳龍，肖軍，趙靜.淺析基于FDM技術的3D打印機設計與制作[J].時代汽車，2019（14）：94-95.

[6]楊琦，糜 娜.3D打印層厚參數對零件力學性能影響的研究[J].科技創新與應用，2019（ 30）：52-53，55.

收稿日期：2019-04-10

作者簡介：項楠楠（1991-），女，碩士研究生，研究方向為新材料精密及特種加工技術。

通訊作者;李金泉（1965-）.男，博士，教授，研究方向為切削理論與先進制造技術。