3D打印機(jī)的自主開(kāi)發(fā)

陳銳 周振山 杜泰東

摘 要：本文對(duì)3D打印機(jī)的原理、發(fā)展歷史、類型展開(kāi)論述，針對(duì)教學(xué)或者家用入門(mén)級(jí)3D打印機(jī)的材料、組裝與調(diào)試展開(kāi)研究，提供了自主開(kāi)發(fā)制作3D打印機(jī)的方法。

關(guān)鍵詞：3D打??；3D打印原理；3D打印機(jī)

3D打印是一種分層成型技術(shù)，3D打印被視為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一是在英國(guó)著名的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一書(shū)中對(duì)3D打印的重要性闡述之后。作為基于數(shù)字模型的輸出技術(shù)和以往的技術(shù)最大區(qū)別是傳統(tǒng)技術(shù)是一種減法成型，傳統(tǒng)技術(shù)在材料上切割、磨削、腐蝕去掉多余的部分得到實(shí)體模型。而3D打印技術(shù)原理相反，舉例說(shuō)明——用融化的塑料等材料一層一層堆積固化形成實(shí)體模型。3D打印經(jīng)歷了30年的發(fā)展經(jīng)歷了不斷突破的技術(shù)壁壘，在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如國(guó)防、醫(yī)療、服裝珠寶、建筑、汽車(chē)制造、航空航天、建筑、食品等。同時(shí)價(jià)格也有所下降，但是對(duì)于一些教學(xué)為主要任務(wù)的單位現(xiàn)在的價(jià)格還是讓人望而卻步，3D打印機(jī)的原理簡(jiǎn)單、材料易得、可進(jìn)行自我復(fù)制，所以對(duì)精度要求不高時(shí)可以自己裝配出簡(jiǎn)易的3D打印機(jī)。

一、3D打印的基本概念

3D打印技術(shù)學(xué)名增材制造，維基百科對(duì)3D打印的定義是：3D打?。?D printing），又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成形技術(shù)（Rapid prototyping）的一種。它是一種以數(shù)字模型文件（digitaldata files）為基礎(chǔ)的直接制造技術(shù)，幾乎可以制造任意形狀三維實(shí)體（3-dimensionalobject）。3D打印運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體，即‘積層制造。

二、3D打印的發(fā)展簡(jiǎn)史

3D打印技術(shù)最早由日本提出，后在美國(guó)發(fā)揚(yáng)光大，現(xiàn)在全世界引起了熱潮。八十年代后葉，SLA技術(shù)、SLS技術(shù)、FDM技術(shù)、3DP技術(shù)在這段時(shí)間相繼問(wèn)世，帶動(dòng)了3D打印技術(shù)的高速發(fā)展，進(jìn)入和初步發(fā)展階段。3D Systems、Stratasys、EOS等企業(yè)成立，開(kāi)啟了3D打印商業(yè)化時(shí)代。其中主要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)有：

第一臺(tái)商用3D打印機(jī)誕生，時(shí)間1986年、地點(diǎn)美國(guó)；麻省理工學(xué)院獲3D印刷技術(shù)專利，時(shí)間1993年；至2005年，ZCorp公司研制Spectrum Z510成功；2010年3D打印在汽車(chē)制造業(yè)嶄露頭角，世界上第一輛3D打印汽車(chē)Urbee問(wèn)世；在醫(yī)療業(yè)2012年用人體細(xì)胞3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織；2015年3D打印技術(shù)制造出一架無(wú)人機(jī)樣機(jī)。

三、3D打印機(jī)的分類

按技術(shù)類型分類可以分為：

1. 3D打印熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling， FDM）：是目前應(yīng)用最廣泛的一種3D打印技術(shù)。所應(yīng)用的材料是ABS塑料 和PLA塑料。這些材料的特點(diǎn)是流動(dòng)性強(qiáng)、熱縮率低、，價(jià)格低廉、無(wú)異味、無(wú)毒、自潤(rùn)滑性差，可以很好的粘在熱床上。

這種技術(shù)是通過(guò)熱熔將耗材融化，然后通過(guò)直徑很小的噴頭擠出。擠出的融化后的耗材，沉積在熱熔版上，當(dāng)溫度降低到低于固化溫度模型就開(kāi)始固化，通過(guò)這種操作的反復(fù)進(jìn)行，最終得到模型。

2. 立體平板印刷（Stereolithography， SLA）：是通過(guò)液態(tài)樹(shù)脂材料的光固化技術(shù)進(jìn)行3D打印輸出。主要耗材是光敏樹(shù)脂，通過(guò)紫外光或者其他光源通過(guò)多鏡片反射，將溫度傳遞給液態(tài)樹(shù)脂，進(jìn)而凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。

3. 選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering， SLS）：多用在金屬制品的建模。耗材為多聚體粉末、鋁粉、鋼粉和鎂粉等。通過(guò)耗材粉末的層層鋪裝，然后用激光灼燒在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末溶解，反復(fù)這一過(guò)程、層層疊加，最終獲得輸出模型。

四、3D打印機(jī)的原理

CAD軟件基材→3D虛擬模型→分割→二維圖形信息→噴頭→三維模型→后期處理→成品

通過(guò)立體掃描或者建模軟件對(duì)需要的產(chǎn)品進(jìn)行建模，3D打印機(jī)與數(shù)字模型的描述方法不同，所以無(wú)法直接打印，而需要將建好的數(shù)字模型導(dǎo)入到切片軟件中，切片軟件會(huì)將數(shù)字模型分割成若干的截面?zhèn)鬟f給3D打印機(jī)打印。打印出的產(chǎn)品如果有不精確之處可以進(jìn)行后期處理，經(jīng)過(guò)修整、上色等步驟后，得到最終的模型。

五、組裝打印機(jī)的材料（類型為三臂reprap型打印機(jī)）與

1、組裝效應(yīng)器

效應(yīng)器的基本組成是擠出頭，擠出頭上連接中空的加熱棒，用于融耗材和送出耗材，打印時(shí)擠出頭送出耗材，打印停止命令時(shí)耗材回抽。效應(yīng)器上安裝限位開(kāi)關(guān)，他是在打印中給打印機(jī)平面的觸感。繼續(xù)安裝支撐結(jié)構(gòu)和各種螺絲螺帽和銅墊擠出機(jī)的零件有：625軸承一個(gè)、銅質(zhì)擠出輪一個(gè)、打印件、各類m3m4m5螺絲及頂螺絲墊片若干。

2、組裝框架

底座是三個(gè)角件連接三個(gè)鋁材拼成的三角形，拼接時(shí)給CPU和顯示器預(yù)留螺帽，拼好后把長(zhǎng)條鋁材從角件孔中插入。同時(shí)組裝上下角件時(shí)裝入步進(jìn)電機(jī)以及滑動(dòng)軸承。

3、安裝打印平臺(tái)

可以用圓形鋁板或者玻璃，固定在骨架下面的底座上。kossel打印的pla塑料是很難附著在鋁板上面的，打印時(shí)可使用美文紙固定。如果預(yù)算允許可以使用加熱底盤(pán)。

4、安裝顯示器

安裝液晶顯示器

5、安裝主板

ramps1.4和mega2560組裝完畢后，燒錄Marlin固件。連接lcdsd卡控制器模塊測(cè)試正常。

5、安裝開(kāi)關(guān)，電源

6、線路拼接

六、自裝打印機(jī)的調(diào)試

1、電路調(diào)試

連接電腦，將電路與電源接通。通過(guò)主控軟件給電路發(fā)送一組指令，檢查機(jī)器是否的一一響應(yīng)。通過(guò)了電路調(diào)試才可以進(jìn)行下一步測(cè)試，如果沒(méi)有通過(guò)電路測(cè)試，要自己檢查是否機(jī)械部件有問(wèn)題，或者電路沒(méi)有接通。直到問(wèn)題排除再進(jìn)行下一步的調(diào)試。

2、打印測(cè)試

導(dǎo)入一個(gè)已經(jīng)做好的3D模型，使用切片軟件制作成STL模型。使用裝配的打印機(jī)打印出來(lái)，這個(gè)過(guò)程可能延續(xù)幾個(gè)小時(shí)。

3、機(jī)械調(diào)試

針對(duì)打印模型的情況進(jìn)行最后的機(jī)械調(diào)試；

通過(guò)模型的高度確認(rèn)Z軸是否正常；

通過(guò)是否有錯(cuò)層情況判斷打印平臺(tái)的狀態(tài)是否正常；

檢測(cè)圓孔是否中正，判斷X軸Y軸是否正常；

根據(jù)熱出絲的順利與否來(lái)檢測(cè)耗材融化的速度。

3D打印技術(shù)在教學(xué)中的作用不可估量，發(fā)展?jié)摿薮?，因?yàn)?D打印架起了理論與現(xiàn)實(shí)的橋梁，讓知識(shí)成果變得可以觸摸，促進(jìn)了數(shù)字模型的實(shí)物化。在職業(yè)技術(shù)院校的教學(xué)中可以運(yùn)用到室內(nèi)設(shè)計(jì)、烹飪、中西面點(diǎn)、園林等多種專業(yè)。

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項(xiàng)目基金：該文為“黑龍江省技工教育2016年度科研課題研究項(xiàng)目”子課題“計(jì)算機(jī)藝術(shù)設(shè)計(jì)一體化課程改革”（編號(hào)：JG20160063）科研成果。

該文為“黑龍江省技工教育2016年度科研課題研究項(xiàng)目”子課題“現(xiàn)代學(xué)徒制在技工院校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用專業(yè)的應(yīng)用研究與實(shí)踐”（編號(hào)：JG20160044）科研成果。

該文為“黑龍江省技工教育2016年度科研課題研究項(xiàng)目”子課題“校企合作面臨的主要問(wèn)題與對(duì)策研究”（編號(hào)：JG20160067）科研成果。

該文為“黑龍江省技工教育2016年度科研課題研究項(xiàng)目”子課題“新時(shí)期技工院校學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)與對(duì)策研究”（編號(hào)：JG20160031）科研成果。