基于理實(shí)一體化的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與制造研究

杜世法

在“中國(guó)制造2025”大背景下，知識(shí)在迅猛增長(zhǎng)，智能制造、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、3D打印技術(shù)都在迅猛發(fā)展。

一、課題研究的意義

通過(guò)對(duì)買教具和研發(fā)教具在價(jià)格、作用、性價(jià)比上進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)、自制3D打印機(jī)具有深層意義。

基于教學(xué)人才培養(yǎng)、設(shè)備需求、專業(yè)發(fā)展方向以及系部整體向智能制造、高端制造轉(zhuǎn)型的需要，3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造恰恰成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。

以下通過(guò)分析3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造對(duì)學(xué)生理實(shí)一體化培養(yǎng)的意義，完成3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。

二、3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造的意義

在“中國(guó)制造2025”的大背景下，在全國(guó)智能制造的引領(lǐng)下，通過(guò)理實(shí)一體化教學(xué)，讓學(xué)生完成3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。

3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種累積制造技術(shù)即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是以數(shù)字建模為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料、特殊蠟材或粉末狀金屬等具有可黏合性的材料，通過(guò)打印技術(shù)使材料一層層粘合起來(lái)制造三維物體的加工設(shè)備。

3D打印技術(shù)已經(jīng)初步具有成功的商用模式。如在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造型。另外，3D打印技術(shù)獲得較廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域是個(gè)性化消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)。

1.價(jià)格

雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上3D打印機(jī)的價(jià)位各有千秋，但實(shí)用又兼顧學(xué)生實(shí)訓(xùn)需求的設(shè)備還是價(jià)格不菲?，F(xiàn)在可以根據(jù)3D打印機(jī)的工作原理、工作結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，由機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)和電氣專業(yè)的學(xué)生來(lái)完成3D打印機(jī)的制造。

2.自制3D打印機(jī)的作用

自制3D打印機(jī)可以滿足系部專業(yè)發(fā)展的要求，是系部專業(yè)整體向智能制造、高端制造華麗轉(zhuǎn)型的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)；滿足教學(xué)和教學(xué)設(shè)備所需，帶領(lǐng)學(xué)生向智能制造的領(lǐng)域進(jìn)行探索；同時(shí)為學(xué)生提供真實(shí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)的要求。

三、3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

1.3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)

（1）基本結(jié)構(gòu)有三角形的、矩形盒狀、矩形支架狀。

（2）DIY打印機(jī)的難度需要在精度和組裝難度之間衡量。有的機(jī)子要求精度高，打印效果好，但是價(jià)位和組裝都是學(xué)校難以做到的。有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，打印效果也不錯(cuò)，但是其對(duì)零部件裝調(diào)需要較豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，我們要找到適合的結(jié)構(gòu)。

2.3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)

在理實(shí)一體化模式下，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)基本知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)的前提下，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造。

3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)包括以下幾部分。

（1）總體設(shè)計(jì)。在總體設(shè)計(jì)中包括系統(tǒng)概述，對(duì)整體工作性能進(jìn)行分析；系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，輸入設(shè)備、存儲(chǔ)外設(shè)、上位機(jī)、溫度傳感器的測(cè)量值—單片機(jī)分析—溫度控制回路、XYZ各方向電機(jī)控制、噴出量控制、顯示設(shè)備。

（2）打印耗材的選用。為了實(shí)現(xiàn)3 D打印機(jī)的功能，所選材料也很重要。既要有較低的熔點(diǎn)，也要有較好的黏滯性，同時(shí)需要快速成型。綜合考慮，筆者最終選擇了P L AA /B S耗材。

（3）XYZ三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì)；噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)，包括噴頭系統(tǒng)的功能要求、噴頭實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)；機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)方式的選擇；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算；噴頭的選擇；電機(jī)的選擇，包括伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的取舍、交流直流伺服電機(jī)對(duì)比；負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算；打印速度的初步估計(jì)。

（4）傳感器的選用與設(shè)計(jì)。溫度傳感器的接觸式特別適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，并且接觸式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)。

3.3D打印機(jī)的制造

測(cè)試、安裝中所需的工具有一字旋具、壓線鉗、剝線鉗、鑷子、電烙鐵、尖嘴鉗、片口、高溫膠帶等。

所需要的配件有：3D打印機(jī)主控件，12V /200W開(kāi)關(guān)電源，100k ntc熱敏電阻2個(gè)，兩相四線步進(jìn)電機(jī)1個(gè)，限位開(kāi)關(guān)1個(gè)，12V加熱管，12V風(fēng)扇，12V加熱床PCB板。

四、小結(jié)

基于“中國(guó)制造2025”，鑒于專業(yè)發(fā)展需要和教學(xué)需求、學(xué)生理實(shí)一體化教學(xué)及實(shí)訓(xùn)實(shí)操的要求，迫切需要在3D打印技術(shù)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)踐3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。

（作者單位：渤海船舶職業(yè)學(xué)院）