一種便捷式3D打印機的結構設計

曲凱，徐波，李輝宇

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一種便捷式3D打印機的結構設計

曲凱，徐波，李輝宇

（山東省臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005）

針對個性化3D打印的需求，以便捷、實用、成本低為目的，設計一款便捷式3D打印機的機械結構部分，包含整體框架、打印噴頭行走機構、工作臺行走機構，并對機械結構部分進行三維建模。

3D打印機；結構設計；智能制造；三維模型

3D打印成為了設計領域的一種潮流，它引領了新型制造技術的發展，給傳統制造業帶來了挑戰，軟件技術和互聯網的發展更加提升了3D打印技術在智能制造中的應用價值。為了使3D打印走進千家萬戶，本文設計了一種便捷式3D打印機，主要對打印機的機械結構部分進行了優化設計，保證了3D打印機具有結構簡單、成本低廉、強度可靠、使用方便的特點。

1 3D打印的基本原理

常見的3D打印是以三維數字軟件模型為基礎，使用可熔化的塑料線材為原料，采用熔融擠壓堆積成型（FDM）技術制作產品的方法。其基本工作原理是逐層打印，先將打印頭加熱，塑料線材軟化，再根據三維模型的分層信息逐層燒結，固化堆積成型。FDM打印工作原理如圖1所示。

圖1 FDM打印工作原理

2 3D打印機機體結構創新設計

為了促進3D打印機使用領域家庭化、平民化，要求3D打印機的機體結構簡單、微型、便攜。因此，對傳統的3D打印機進行了結構上的創新設計，該打印機主要分為機體框架、打印噴頭行走機構、工作臺行走機構、原料驅動機構四大部分。具體三維結構如圖2所示。

3D打印機機體框架采用鋁型材制造，鋁型材質量輕、硬度韌性好、價格便宜，不用進行二次加工。本次設計采用的鋁型材尺寸為20 mm×20 mm，鋁型材的橫截面如圖3所示。整個機體框架的尺寸為350 mm×350 mm，正方體結構，如圖4所示。

圖2 便攜式3D打印機機體結構

圖3 鋁型材橫截面（單位：mm）

圖4 便攜式3D打印機機體框架（單位：mm）

打印噴頭行走機構主要由方向和方向行走機構組成，傳動部分主要采用弧形齒同步帶傳動機構，弧形齒同步帶的齒可以平滑準確地嚙合在帶輪的齒槽中，沒有空隙，保證了較高的傳動精度，弧形齒同步帶步距小，使得打印噴頭行走精度高，打印產品質量可靠。噴頭行走可以單獨在方向或者方向，也可以同時在和方向行走。噴頭行走依靠步進電機驅動，每步1.8°，通過控制器發出的步進角脈沖保證了步進電機按照設定的精度運行。噴頭的支撐依靠高精度的光軸，同時，光軸也起到導向功能，打印噴頭行走機構如圖5所示。

圖5 打印噴頭行走機構

方向的行走由工作臺執行，噴頭部分在方向上沒有移動行程，因此，依靠工作臺帶動工件在方向行走，該部分的驅動由步進電機提供動力，通過彈性聯軸器與直線軸承聯接，帶動工作臺上下移動，直線軸承安裝簡單，占用結構空間小，運動阻力非常小，可以應用于高速直線運動場合，直線軸承采用法蘭豎直安裝，對安裝基礎要求低，非常適合3D打印機。工作臺行走機構如圖6所示。

3 結論

本文設計的便攜式3D打印機機體結構，可以滿足普通家庭的需求，其成本低、使用方便，其工作在，，三維空間，工作行程不大于180 mm，符合小型化的要求。噴頭的移動精度為毫米級，提高了產品的打印精度。

圖6 工作臺行走機構

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2095－6835（2019）03－0053－02

TP334.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.053

徐波（1975—），男，研究方向為機械設計。

〔編輯：張思楠〕