改進(jìn)型桌面級3D打印機設(shè)計

摘要：本文的目標(biāo)是利用solidworks設(shè)計改進(jìn)型桌面級3D打印機，為此本文主要開展如下幾方面工作：（1）分析FDM桌面級3D打印機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，基于此提出新型3D打印機的設(shè)計方案。（2）對選擇的方案進(jìn)行分析，利用solidworks對其中的重要零部件進(jìn)行精確的計算。（3）利用solidworks simulation對方案設(shè)計中主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力分析，得出詳細(xì)的應(yīng)力以及應(yīng)變分布情況，進(jìn)行材料強度方面的校核，并根據(jù)其應(yīng)力以及應(yīng)變分布選擇性的進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。以某打印機為原型，參照其他打印機作出風(fēng)扇擋風(fēng)圈、打印機擋風(fēng)板、耗材供料裝置，創(chuàng)新性設(shè)計耗材中斷報警裝置、3D打印工作燈、以及耗材回收系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：3D打印機創(chuàng)新；耗材中斷；耗材回收

一、研究背景

3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

目前，我國的3D打印事業(yè)由于起步較晚，目前還處于起步階段，雖然有部分廠家已經(jīng)在該領(lǐng)域有所突破，但整體上來看，在技術(shù)與生產(chǎn)上與國外相比還有很大差距。特別是在關(guān)鍵部件的生產(chǎn)上，國內(nèi)的技術(shù)達(dá)不到高性能打印機的性能需求，所以需要從國外引進(jìn)。這樣的引進(jìn)雖然是捷徑，在短期內(nèi)能夠取得很好的效果，但是關(guān)鍵部件的引進(jìn)也帶來了一些問題。一方面，從國外引進(jìn)成本很高，把產(chǎn)品的很大一部分利潤讓給了國外廠商，導(dǎo)致自己產(chǎn)品的成本居高不下，不具備很好的市場競爭力；另一方面，引進(jìn)的并不是最先進(jìn)的，經(jīng)驗表明，引進(jìn)的技術(shù)與國外的先進(jìn)技術(shù)至少有著5年的差距，要想趕上國外的腳步，就要有自己獨立的技術(shù)與發(fā)明。

二、設(shè)計目的和意義

打印失敗一般造成的原因為，模型問題、打印機故障、耗材斷裂纏繞、最易發(fā)生的為模型變形翹邊造成打印平面不平，影響打印質(zhì)量，最終導(dǎo)致打印物件失敗，為此，我們針對閃鑄打印機修改時，特意添加了防風(fēng)板，不同于邁睿機器的三面封閉，類似于makerbot機器的組裝，但是為降低打印機的維修和安裝復(fù)雜度又在makerbot的基礎(chǔ)上稍作改動，修改后的打印機將在打印質(zhì)量，拆裝難易度上大幅度提升，用戶的打印體驗也會提高。

三、本文的創(chuàng)新設(shè)計

1、風(fēng)扇護圈的添加

在使用某機器時，發(fā)現(xiàn)散熱風(fēng)扇前無金屬護圈，金屬護圈的作用是防止異物進(jìn)入風(fēng)扇內(nèi)部，撞毀扇葉，一般預(yù)防飛蛾等昆蟲。且在拆卸時保護拆卸人員不被扇葉刮傷、或防止拆卸工具伸入扇葉中。

2、成型底板改進(jìn)

因為打印機的層厚最高可達(dá)0.1毫米，所以絲毫的誤差都會影響打印質(zhì)量，對于模型而言，第一層模型的鋪設(shè)對后續(xù)的成型至關(guān)重要，相當(dāng)于建筑的地基，地基不穩(wěn)，會出現(xiàn)翹邊、倒塌。

改進(jìn)后的成型地板采用扣槽式結(jié)構(gòu)，扣到加熱地板上，且在成型地板上新增大量細(xì)小的孔，便于模型在底板上的固定。成型底板兩側(cè)還添加了兩個突板塊，便于拆卸去模型。

3、進(jìn)料盤支架設(shè)計

針對不同的打印機適應(yīng)常見線盤的直徑、大小、粗細(xì)，避免打印過程中耗材盤從后部脫落；耗材絲將軸纏繞、耗材拉斷等。

4、耗材進(jìn)給中斷報警器

在打印過程中因各種原因造成的耗材中斷，都會對打印產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。一旦出現(xiàn)斷絲，若不能及時發(fā)現(xiàn)將會造成很大的損失，打印了幾十個小時的模型告廢。

方案：采用紅外發(fā)射器，安裝在打印機進(jìn)給耗材處，實現(xiàn)的功能：當(dāng)耗材正常進(jìn)給時，紅外線發(fā)生器自動感應(yīng)前方后耗材進(jìn)入，電路處于接通或者斷開狀態(tài)，指示燈不亮，當(dāng)耗材進(jìn)給處無耗材進(jìn)入時，指示燈亮起，電路斷開或接通，連接警報發(fā)生器，觸發(fā)開關(guān)，發(fā)出告警聲，200S后自動切斷電源。打印機停止工作。

5、廢料處理機構(gòu)設(shè)計

類似打印機工作原理，將材料加熱到軟化狀態(tài)、然后通過擠壓將軟化的耗材從固定的小孔中擠出，面臨的問題，耗材回收質(zhì)量不高、新加工耗材易出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)、或者斷裂，影響打印質(zhì)量精度，損害打印機。

設(shè)想解決方案：嚴(yán)格耗材出口圓管精度、廢料分類細(xì)化研磨，加熱壓實去氣泡。

通過電動機帶動攪拌棒將耗材打碎，然后通過漏斗形圓盤倒入加熱池，加熱圈加熱，壓料裝置運行，將軟化耗材從直徑1.75mm的圓孔中擠出，通過皮帶傳動到出口，再次穿過圓孔定型。最終纏繞成型，備用或他用。

廢料處理機構(gòu)：用于處理打印廢料，通過回收研磨破碎加熱，然后重新擠出，提高資源利用。含破碎機、加熱機構(gòu)、擠出機構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李德振.基于ARM的3D打印機控制系統(tǒng)研究[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

作者簡介：邢俊輝，男，山東濟南人，山東交通技師學(xué)院機電學(xué)院 2017級3D打印專業(yè)學(xué)生