桌面3D打印機結構分析及機體設計研究

摘要：

3D打印技術作為個性化商品定制的重要生產手段，其自身的結構和機體的設計代表著該項技術的發(fā)展程度，本文基于對開放式桌面3D打印機結構以及封閉式桌面3D打印機結構進行整體分析的前提下，對桌面3D打印機機體外觀造型進行了整體的設計，并同時從桌面3D打印機的應用材料、應用軟件及打印效果和未來發(fā)展趨勢上進行了綜述。

關鍵詞：

桌面3D打印機 結構 造型設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2015） 02-0092-03

引言

桌面3D打印機是以三維數字軟件模型為基礎，運用可加熱熔化的塑料線材為原料，通過逐層打印的形式來疊加熔化后的塑料原料，以達到快速成型目的的一種脫離模具生產的三維制作技術…。這種通過逐層疊加的方式來制作物件的技術最早出現在上個世紀90年代中后期，即一種利用光固化以及紙層疊等相關技術的快速成型裝置。這種技術經過十多年的不斷更新與修正，在今天已經趨于成熟，它與市面上的一些普通3D打印機的構件原理相同，使用塑料線材為材料，再使用3D軟件建模后設計的數字物體，通過電腦控制3D打印機，把塑料打印線材疊加起來，最終把經過軟件設計的三維物體變成實物。如今這一技術已成功在一些特定的生活生產領域內得到使用。

1 3D打印技術研究的現狀

自20世紀90年代以來，國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發(fā)。清華大學在現代成型學理論、分層實體制造、FDM（英文全名為Frequency Division Multiplexing）工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了多種三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，成型精度達到40.2mm；中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。根據目前我國的3D打印技術的發(fā)展研究趨勢，國內的3D打印技術研發(fā)水平，有望在兩到三年內取得歐美等一些國家目前在此領域所達到的研究成果。

2 桌面3D打印機機體創(chuàng)新設計

2.1 開放式桌面3D打印機機體結構分析

桌面3D打印機作為一種常見的3D打印機的機種，一直受到眾多3D打印技術愛好者的青睞。目前桌面3D打印機的設計一般為開放式和封閉式兩種結構，而開放式桌面3D打印機是目前市場上較為早期的機種。

如圖1所示：該桌面3D打印機由框架、X組件、Y平臺組件、Z組件、擠出機及熱嘴組件、電路控制部分聯接組成。X組件由103、104、105、106、107、108、109與擠出機及熱嘴組件組成，通過同步帶聯結，可實現200在光軸105及X軸上往復運動。Y平臺組件由115、116、117、118、119、120、121、122、123組成，通過同步帶122與電機帶輪121聯接，可實現平臺在光軸120XY方向往復運動。Z組件由102、110、111、112、113、114組成，實現102隨電機112、114旋轉轉動。Z組件102與107、104內部的螺母聯接，實現當電機112、114轉動時，絲桿102旋轉，同時螺母與絲桿的傳送聯接，X組件整體升降運動，升降運動的精度由精確控制步進電機與步進角脈沖數量確定。104、107內部有軸承與101框架立柱滾動接觸，實現X組件升降平穩(wěn)運動。200由擠出機、X滑座、熱嘴組成，X滑座上有同步帶卡槽，可收緊同步帶裝置。由機體X、Y、Z，3組運動進而打印出需求的物件。

2.2 封閉式桌面3D打印機機體結構分析

近幾年通過對桌面3D打印機機體創(chuàng)新設計的研究，開放式桌面3D打印機正逐漸被封閉式桌面3D打印機所取代。在使用更為先進的封閉式桌面3D打印機時，需先將耗材穿過機殼引入三維打印機內部，這種機型整體外觀簡潔美觀，結構設計科學合理。

如圖2所示：該封閉式桌面3D打印機的耗材更換方便，打開機殼頂蓋，輕輕按壓扳手，即可更換耗材，送絲喉管延伸至主動輪和從動輪相接處的下方，送絲喉管具有導熱功能，有效避免了送絲喉管中堵絲現象的發(fā)生；通過固定件固定連接桿構成整體立體框架，頂部托架和底部托架固定Z軸滑桿，固定件的定位孔固定Y軸滑桿，沿Y軸滑桿滑動的固定器固定X軸滑桿，Z軸驅動電機固定于立體框架后下方連接桿上，Y軸驅動電機固定于立體框架右后方連接桿上，X軸驅動電機固定于右側固定器上的設計，降低了三維打印機工作時的振動，提高了產品的打印質量；提高了三維打印機內部的空間利用率，打印范圍大；結構簡單，組裝方便。

2.3 桌面3D打印機未來創(chuàng)新趨勢

現階段針對小型桌面3D打印機這種產品，國內的一些科技企業(yè)逐漸已經具備了從研發(fā)到生產的能力，并且由于目前3D打印機技術的公開以及不斷普及，一些規(guī)模較小，產品技術較為領先的小型企業(yè)，不斷充實自己的科研團隊，以先進國外技術為參照，技術創(chuàng)新水平不斷攀升，特別是在對桌面3D打印機機體的設計創(chuàng)新上，更是在世界3D打印技術領域內占有一席之地，而且一些較為成功的產品還遠銷到東南亞及歐美等一些國家和地區(qū)。

未來隨著3D打印技術和商業(yè)應用的發(fā)展幅度增加，大量的個性化商品定制將逐漸成為小型桌面3D打印機的主要制造對象，這勢必衍生出新的3D打印細分產業(yè)和新的商業(yè)銷售模式，在這些綜合模式緊密結合的促進下，3D打印技術的發(fā)展勢必帶來的產品技術、制造技術與管理技術的進步，使企業(yè)具備快速響應市場需求的能力，特別是形成適應全球市場上豐富多樣的客戶群，實現遠程定制異地設計就地生產和銷售的協(xié)調化新型生產模式，使生產模式商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，桌面3D打印機的制造技術也必將被推向更高的層面。未來桌面3D打印機的發(fā)展，將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要創(chuàng)新趨勢，如圖3所示。

3 桌面3D打印機的應用性能和效果評估

3.1 桌面3D打印機的應用材料

為了確保桌面3D打印機的打印功能，其所選用的材料占有至關重要的地位。既要有適當的熔點，也要有較好的黏滯性，同時更需要達到產品快速成型的目的。ABS（英文全名為acrylonitrile-butadiene-styrenecopolymer）和PLA（英文全名為polylactic acid）是目前桌面3D打印機所使用的兩種最常見的材料。

ABS樹脂材料是常見的五大合成樹脂材料之一，它在耐熱、耐低溫、耐化學藥性等方面都有著良好的表現，同時ABS材料還易于加工制造各種塑料產品，其特征還表現在易于進行著色處理、噴鍍、焊接、熱壓以及黏結等方面，但ABS材料的相對密度為1.05G/CM3左右，其硬度還不能夠應用在所有的工業(yè)領域。帶有生物環(huán)保材料特征的PLA材料，也是另外常見的桌面3D打印機材料之一，PLA材料是由聚乳酸所制成，除能生物降解外，它的生物相容性、光澤度、透明性、手感都相對較好，同時它在耐菌性、阻燃性和抗紫外線性方面，也都有良好的表現，它的加工溫度一般在200℃左右，由此可見PLA材料具有較低的熔體強度。綜合來看PLA和ABS材料這兩者都存在相對的缺點，如PLA較低的軟化溫度，以及ABS的硬度不夠等缺憾?；谀壳斑@種情況，市場上已經研究出另外幾種適用于3D打印機的新材料，如碳纖維強化PLA材料，高溫型復合PLA材料，以及聚碳酸酯合成ABS材料等。碳纖維強化PLA又名碳纖維增強聚乳酸，該材料堅硬且耐彎曲。高溫型復合PLA是由礦物質填充組成的改良性PLA與成核劑混合而成，具有耐高溫與強密度兩種顯著的特征。由聚碳酸酯和ABS合成的可塑性塑膠，它結合了兩種材料的優(yōu)異特性，正在逐漸取代市場上3D打印機所用的ABS材料。

隨著現階段3D打印機材料技術更新的加快，更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是復合金屬材料的直接成型技術，已經成為了今后桌面3D打印機應用研究的一個新的熱點。

3.2 桌面3D打印機的應用軟件技術

基于目前3D打印技術民用化普及的趨勢，桌面3D打印機的軟件設計平臺，正從專業(yè)設計軟件向更為簡單的操作界面及應用內容上發(fā)展，其中比較成熟的平臺有基于互聯網的3D設計平臺3DTin，另外微軟、谷歌以及其他軟件行業(yè)巨頭，也相繼推出了各種開放平臺的3D打印機應用軟件，這些行業(yè)動作都大大降低了3D設計的門檻，甚至有的應用已經可以讓普通用戶通過類似玩樂高積木的方式設計3D模型。跟隨著目前硬件技術的強勢發(fā)展趨勢，軟件技術也在日新月異的不斷更新換代中。

4 桌面3D打印機的效果評估

為保證桌面3D打印機的速度、效率和精度，以及打印過程中的工藝方法，提高打印成品的質量，針對目前市場上的桌面3D打印機的機械結構和物理性能，總結出以下桌面3D打印機的產品規(guī)格及性能指標，為現階段桌面3D打印機應用性能評估的參看依據：

打印最大尺寸：252x199x150mm

精密度：極細O.lmm，中細0.2mm，快打0.3mm，噴嘴0.4 mm

電力AC輸入電源：100-240V，50-60Hz約1.75A

軟件：MakerWare Bundle 2.0，U操作系統(tǒng)Linux （10.04+）， Windows（XP/7），and OSX （10.6+），控制接口USB，Wi-Fi（未來會增加）

支持檔案格式：STL，obj，thing，makerbot

材料耗料：PLA樹脂

耗料直徑：1.75 mm

機械外型大?。?90 x 320 x 380 mm（不合耗料軸）/490 x 420 x 380mm（含耗料軸）

打印平臺：耐高溫硼化玻璃

以3D打印技術為依托的桌面3D打印機正在飛速發(fā)展之中，并受到各行各業(yè)的高度重視。隨著桌面3D打印機未來市場需求的不斷擴大，不難推測該產品未來的銷售市場將出現異常激烈的競爭局面，在這股巨大的消費浪潮的刺激下，桌面3D打印機的更新與換代的創(chuàng)新發(fā)展速度，必將超出現有許多專家的預測。如圖4所示，就是兩款假設可被進行推廣的封閉式桌面3D打印機外觀模型。

結語

在今天，3D打印機機體體積的小型化、桌面化與低廉的價格、操作簡便的軟件平臺，以及更加適應分布化生產的機械結構和世界設計與制造一體化的需求包含家庭日常應用的需求正在融為一體；在未來，3D打印機軟件集成化，實現CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，并使設計者可以直接應用互聯網遠程在線制造，同時拓展其在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領域的創(chuàng)造性應用，綜合這些內容，毫無疑問3D打印技術的創(chuàng)新成果已經近在咫尺。

2014年河南省產學研合作項目，桌面3D打印產品系統(tǒng)設計與開發(fā)，№13 2107000072

2013年河南省教育廳科學技術重點研究項目，機場地勤人員頭盔與UI交互設計研究，№148590001

2014年鄭州市普通科技攻關計劃研究項目，小型3D打印機產品組的建模與實踐設計研究，№141PPTGG362

2014年鄭州航空工業(yè)管理學院青年科研基金項目：鄭航3D打印機產品設計與建模實踐研究，№2014142002w