一種桌面級3D打印機的設(shè)計與制造

廣西大學行健文理學院 蘇秋仁

廣西大學電氣工程學院 李深旺

廣西電網(wǎng)有限責任公司南寧供電局 張慶瑩

3D打印是一種通過逐層打印方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。本文通過研究3D打印一體化設(shè)計技術(shù)、斷料自檢測技術(shù)、斷電續(xù)打技術(shù)、噪聲抑制技術(shù)等，形成3D打印機小型化、一體化、智能化、實用化的設(shè)計方案，實現(xiàn)各領(lǐng)域中快速成型和打印的需求。

1 3D打印

3D打印也稱為增材制造工藝，其基本原理為：構(gòu)建實物的3D數(shù)字模型，形成輸入文件，打印機以粉末狀金屬或塑料等可粘合材料作為打印材料，采用逐層打印的方式構(gòu)建出實際產(chǎn)品。可見，3D打印機則是將真實的原材料（如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層，然后不斷重復一層層疊加，最終變成空間實物。被廣泛用在工業(yè)設(shè)計、建筑、工程、汽車，航空、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育等領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印具有無限的設(shè)計空間、零制造技能要求、個性化設(shè)計與定制、材料組合方式多樣等優(yōu)點。目前3D打印技術(shù)主要分為SLA立體光固化成型技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、LOM層疊法成形技術(shù)、FDM熔積成型技術(shù)等。

科研創(chuàng)新活動往往需要新零件、新設(shè)備來輔助研究。新零件設(shè)備往往具有時效性強、非標準、非量產(chǎn)等特點，由于制造工藝復雜、制造成本高、制造周期長，往往“自己不能造、廠家不愿造”，陷入“缺設(shè)備、等設(shè)備”的困境?？蒲腥藛T把大量精力放在制造新零件設(shè)備上，分散了時間精力、遲滯了科研創(chuàng)新進度，造成科研人員創(chuàng)新力的極大浪費。新零件設(shè)備難以快速制備已成為亟需解決的技術(shù)難題。

針對該問題，本文設(shè)計并制造一種桌面級3D打印技術(shù)。通過研究3D打印一體化設(shè)計技術(shù)、斷料自檢測技術(shù)、斷電續(xù)打技術(shù)、噪聲抑制技術(shù)等，形成3D打印機小型化、一體化、智能化、實用化設(shè)計方案，為新零件設(shè)備的便捷制造提供解決方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的3D打印機采用的是FDM熔積成型技術(shù)，在設(shè)計結(jié)構(gòu)上采用X，Y，Z三個軸向的直線運動，控制簡單、控制精度高、運行穩(wěn)定性也較好通過將各個功能模塊包括電源、主板、控制面板、內(nèi)存卡、UPS電源、驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機、噴頭、傳感器等集成到一個機柜中，構(gòu)成一個桌面級3D打印機，并形成相應(yīng)的小型化、集成化設(shè)計技術(shù)。

圖1所示是3D打印一體化集成系統(tǒng)示意圖。

圖1 3D打印一體化集成系統(tǒng)示意圖

2.2 電機設(shè)計

根據(jù)電機的額定電壓、啟動頻率、調(diào)速要求以及所需功率來選擇電動機的額定功率。常用電機主要有步進電機、直流電機及伺服電機，步進電機可將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘枺诓贿^載的情況下，電機的運動只取決于脈沖信號；因此，可以通過控制脈沖數(shù)來控制電機的定位和轉(zhuǎn)速。同時，步進電機的價格較為便宜，雖然打印速度較慢，而本文設(shè)計的3D打印機并不要求高速運轉(zhuǎn)，所以選用步進電機作為驅(qū)動裝置。

2.3 噴頭設(shè)計

采取噴嘴直接噴熱固性塑料在加熱底板上，在噴嘴處有一電機控制噴嘴高度，高度層層增加，即可慢慢打印出想要的樣品，用步進電機帶動絲杠從而對噴頭進行控制與定位。噴頭入口、出口的口徑參數(shù)需要精心設(shè)計選擇。

2.4 機構(gòu)部件和電裝部件設(shè)計

機械構(gòu)件的設(shè)計主要包括傳動方式設(shè)計、外部加固件設(shè)計以及鋁型材組構(gòu)件設(shè)計。電裝線使用顏色區(qū)分，不設(shè)線標，可通過鋁型材的凹槽走線。照明部件使用12v燈帶通過開關(guān)控制。

2.5 斷料檢測技術(shù)設(shè)計

斷料檢測采用無反饋中斷式設(shè)計。限位開關(guān)在無料的時候反饋信號回主板，主板停止噴頭移動，并抬升噴頭到一定位置，再由工作人員進行填料繼續(xù)打印。

2.6 自動調(diào)平技術(shù)設(shè)計

通過霍爾傳感器檢測平臺上特定點的高度來生成平臺高度矩陣，從而軟件上達到平臺解算，從而使噴頭與平臺的距離固定。

2.7 斷電續(xù)打技術(shù)設(shè)計

使用UPS作為備用電源，加上內(nèi)存卡存儲單層信息，從而做到斷電移動噴頭，上電后可以從斷掉的那一層重新續(xù)打。

最后，制作一臺桌面級3D打印機樣機，將提出的技術(shù)解決方案融入到3D打印機樣機的設(shè)計與制作之中，并搭建實驗平臺并進行實驗研究，驗證設(shè)計方案的正確性與實用性。

3 結(jié)論

根據(jù)上節(jié)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，對該桌面級3D打印機進行了設(shè)計和制造。圖2所示為本文設(shè)計和制造的桌面級3D打印機所打印出來的各種“非標零件”實物圖。

圖2 3D打印的“非標零件”實物圖

本文研究了3D打印機存在的問題，設(shè)計和制作了一種桌面級3D打印機，實現(xiàn)了打印機小型化、一體化、智能化、實用化的設(shè)計。對所制作的桌面級3D打印機進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的桌面級3D打印機能夠完成基本打印功能，可以滿足部分“非標零件”難制造、難生產(chǎn)的問題，達到了設(shè)計目的。