淺析基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)計與制作

陳龍 肖軍 趙靜

摘 要：3D打印（Three Dimensions Printing）是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果，被認(rèn)為是工業(yè)革命的前奏。 它可以自動、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)換為具有一定功能的原型或直接制造零件。利用3D打印技術(shù)可以為零件原型制作、原型測試、新設(shè)計思想實現(xiàn)等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。

本次科研項目，研究的是基于FDM（熔融沉積）技術(shù)的3D打印機(jī)，F(xiàn)DM（熔融沉積）技術(shù)在目前3D打印領(lǐng)域使用相對廣泛，原理簡易，對于學(xué)生科研項目比較適合，普適性更強(qiáng)。其應(yīng)用于多個領(lǐng)域，比如，汽車零部件生產(chǎn)、飛機(jī)零部件生產(chǎn)、各類玩具廠商、各類模具甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也擁有很大的發(fā)展前景。課題意義非凡，對科研小組成員以及3D打印技術(shù)的校園推廣有很大的幫助和影響，對創(chuàng)新設(shè)計思維、3D建模軟件應(yīng)用、個人動手能力、團(tuán)隊合作能力等都擁有極高的要求。

關(guān)鍵詞：FDM（熔融沉積）;3D打印;3D建模與設(shè)計

1 項目研究的主要內(nèi)容

1.基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)打印原理及打印機(jī)結(jié)構(gòu)分析

2.研究了解主要3D打印機(jī)的主要零部件種類、各零部件與主控制板電壓電流適配、電路測試過程

3.DIY 3D打印機(jī)的組裝、調(diào)試、測試與運行

2 項目研究的目的與意義

本次科研項目是對3D打印機(jī)的深入探索與研究，滲透多個領(lǐng)域，是鍛煉綜合能力的有效方式，其中最重要的是三維計算機(jī)輔助設(shè)計，需要個人通過電腦輔助建模軟件的應(yīng)用，自主設(shè)計的打印所需零件。如今，三維計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中的重要內(nèi)容之一，3D打印技術(shù)可以在課堂上及時打印、展示學(xué)生利用三維計算 機(jī)輔助設(shè)計軟件設(shè)計出的作品，有助于學(xué)生提高設(shè)計熱情，也利于工程意識及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。項目進(jìn)展過程中，所遇到的困難與難題，是對于學(xué)員一種考驗，是突破常規(guī)思維模式，推陳出新的激發(fā)點，有利于鍛煉學(xué)員個人動手能力與團(tuán)隊合作能力。

在科研項目進(jìn)展過程中，學(xué)生與導(dǎo)師的技術(shù)交流，強(qiáng)化雙方知識體系，同時吸引了很對對3D打印感興趣的學(xué)生一起探討學(xué)習(xí)，增長學(xué)識，增進(jìn)友誼。

最終，產(chǎn)品制作與設(shè)計過程中，可能帶來一定經(jīng)濟(jì)效益。比如，DIY 3D打印機(jī)本身可以試銷售，打印機(jī)所打印模型可以網(wǎng)絡(luò)銷售，以及制作過程中的設(shè)計組件也可以進(jìn)行銷售。從科研教學(xué)到市場經(jīng)濟(jì)都擁有很大的意義。

3 項目研究方法與分析流程

本次科研項目是基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)設(shè)計與制作，因此首先需要了解的是3D打印領(lǐng)域中的前沿技術(shù)— FDM（熔融沉積）技術(shù)，研究其工作原理，其次需要了解FDM（熔融沉積）技術(shù)在應(yīng)用于3D打印機(jī)的具體形式，熟悉掌握基于FDM（熔融沉積）技術(shù)的3D打印機(jī)的打印原理。

進(jìn)行市場調(diào)研與考察：了解人們應(yīng)用FDM（熔融沉積）技術(shù)的3D打印機(jī)的種類，并做優(yōu)勢與劣勢分析，通過對比選擇本地科研項目所要制作的3D打印機(jī)基本構(gòu)架模型，并做詳細(xì)的零件組成分析，以及部分現(xiàn)有相似零部件拆解、組裝的學(xué)習(xí)。理論分析，將3D打印機(jī)分解成五大模塊：框架結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)、噴頭組件、加熱板組件、以及相關(guān)鏈接組件。

數(shù)據(jù)采集：確定本次項目所要制作的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)為龍門結(jié)構(gòu)。后，首先，需要進(jìn)行主控制板的選擇，根據(jù)所需要的功能及打印精度，確定主板主要參數(shù)并記錄在冊。

本次科研小組經(jīng)過，縝密的考慮，根據(jù)本次實驗需求決定使用赤兔主板。

赤兔主板：

主板是3D打印機(jī)的核心是3D打印機(jī)的大腦。主板由CPU，輸入輸出接口，存儲器等等組成的。赤兔主板的特色模塊比較豐富，有雙噴頭，多噴頭，wifi，斷點續(xù)大，大電機(jī)，大功率加熱板等等模塊，本次我們增加雙噴頭木塊，通過調(diào)整主板內(nèi)置參數(shù)使噴頭接口作為雙Z軸，做成傳統(tǒng)的：“龍門”結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。主板的各個參數(shù)比較關(guān)鍵，對于步進(jìn)電機(jī)，加熱板，噴頭都要適配，不同的加電方式有不同的工作狀態(tài)，不同的狀態(tài)功能差異特別大。通過調(diào)試XYZZ的自動歸位， 我們需要調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的最大行程和速度，還有主板功能鍵的調(diào)和，達(dá)到自動歸為的功能。每一個模塊功能都很豐富，比如wifi模塊，通過wifi可以直接傳輸文件，不用一直拔插多次，這樣不僅方便而且延長了機(jī)器的壽命。

其次，根據(jù)現(xiàn)有打印機(jī)的型號，測量各用電零件與主控制板之間的電流、電壓及電阻，選擇所需數(shù)據(jù)并記錄在冊。

數(shù)據(jù)篩選與3D打印機(jī)零件購買：通過各零部件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計、考量，篩選有用數(shù)據(jù)，按照參數(shù)購買必要部件，比如：電機(jī)、主控制板、加熱板、噴頭、光桿、框架型材等。

零件組裝與連接件設(shè)計優(yōu)化：將基本零部件購買之后，進(jìn)行組裝會發(fā)現(xiàn)，部分零件不符合實際需求，所以需要學(xué)員通過三維計算機(jī)輔助軟件進(jìn)行自主畫圖設(shè)計、打印，然后安裝優(yōu)化。這是最重要也是最難的環(huán)節(jié)之一。

DIY打印機(jī)調(diào)試：

①傳動機(jī)構(gòu)調(diào)試，傳動機(jī)構(gòu)主要包括X、Y、Z軸的電機(jī)絲杠平衡度并調(diào)試，并且需要設(shè)計連接件使之能夠與光桿鏈接，保證連接體可以平穩(wěn)順暢的運行。

②噴頭調(diào)試，為了使噴頭能夠與Y軸固定，需要自主設(shè)計一個打印件，將噴頭與光桿連接，并且保證噴頭可以平穩(wěn)的在Y軸上運行。

③加熱平臺調(diào)試，加熱平臺需要與X軸的傳動軸連接，保證水平度和與兩條Z軸的平衡度，可以實現(xiàn)平穩(wěn)順暢地隨電機(jī)運行而前后移動。

④整體平衡度、位置調(diào)試

（需用建模軟件自行設(shè)計連接件）

DIY打印機(jī)測試：

①X、Y、Z軸的運行情況，是否順暢、穩(wěn)定，

②單軸、雙軸、三軸運動是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況

③平臺平順性觀察

④使用三維建模軟件畫簡單模型，切片、導(dǎo)入打印機(jī)，上機(jī)打印測試噴頭、平臺、機(jī)械傳動整體配合情況

⑤制定優(yōu)化方案

DIY打印機(jī)運行：首先三維立體建模使用solideworks或者CATIA進(jìn)行建模，將模型切片之后導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印運行，觀察整體運行情況，針對相關(guān)問題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 項目研究結(jié)論與成果

首先，擁有一臺可以將用于教學(xué)、展示的、可以將思維具體化、模型化的簡易實用廉價的3D打印機(jī)！

其次，更重要培養(yǎng)了對于3D打印機(jī)深入研究的，在本次研究中的創(chuàng)新創(chuàng)意層出不窮。例如：

1.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，針對穩(wěn)定性差進(jìn)行改進(jìn)，采用40毫米口徑立方體鋁合金搭建。

2.傳動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，采用絲杠、電機(jī)一體化，減少Z軸不平衡的可能性

3.零件優(yōu)化，連接件自主設(shè)計打印，突破了常規(guī)零件機(jī)械性組裝的一些痛點。

4.打印機(jī)的成本得到優(yōu)化，DIY3D打印機(jī)得到實現(xiàn)，在校園中3D打印技術(shù)得到深入推廣，科研氛圍得到很高的培養(yǎng)。

5 未來項目研究的推廣

1.通過DIY 3D打印機(jī)制作，更好的向?qū)W校更多的專業(yè)推廣，讓更多學(xué)生學(xué)習(xí)到什么是3D打印技術(shù)、3D打印技術(shù)的優(yōu)越性以及3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與組成。

2.DIY的3D打印機(jī)被我院實驗室用于教學(xué)和科研展示，未來通過不斷完善優(yōu)化之后，學(xué)生、老師可以將自己所設(shè)計的模型，通過3D打印機(jī)立即打印出來，無需復(fù)雜的開模與機(jī)械制造過程，就可以實現(xiàn)模型驗證科學(xué)假設(shè)。

3.通過DIY打印機(jī)打印出來的3D樣品可以用于宣傳展示、市場調(diào)查、試銷售。產(chǎn)品制作過程中產(chǎn)生的打印組件、甚至打印機(jī)整體各零件可以進(jìn)行模塊化，進(jìn)入市場銷售，目前市場價來看，DIY打印組件一套120元、DIY打印機(jī)2000元以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于制作成本，前景可觀！

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