3D打印機結構設計

王澤昊

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展程度，本文基于對開放式3D打印機結構以及封閉式3D打印機結構進行整體分析的前提下，對3D打印機機體外觀造型進行了整體的設計，并同時從3D打印機的應用材料、應用軟件及打印效果和未來發展趨勢上進行了綜述。

關鍵詞：3D打印機 結構 造型設計

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。

一、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。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勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優勢，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，并開發了光固化成型系統及相應成型材料，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打印技術的發展研究趨勢，國內的3D打印技術研發水平，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。

二、3D打印機機體創新設計

（一）開放式3D打印機機體結構分析

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3D打印機是目前市場上較為早期的機種。

該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。

（二）封閉式3D打印機機體結構分析

近幾年通過對3D打印機機體創新設計的研究，開放式3D打印機正逐漸被封閉式3D打印機所取代。封閉式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。

（三）3D打印機未來創新趨勢

未來隨著3D打印技術和商業應用的發展幅度增加，大量的個性化商品定制將逐漸成為小型3D打印機的主要制造對象，這勢必衍生出新的3D打印細分產業和新的商業銷售模式，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調化新型生產模式，使生產模式商業模式等多個方面發生根本性的變化。隨著智能制造的進一步發展成熟，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，3D打印機的制造技術也必將被推向更高的層面。未來3D打印機的發展，將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要創新趨勢。

三、3D打印機的應用性能和效果評估

（一）3D打印機的應用材料

為了確保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和PLA是目前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領域。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。

（二）3D打印機的效果評估

為保證3D打印機的速度、效率和精度，以及打印過程中的工藝方法，總結出以下3D打印機的產品規格及性能指標，為現階段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

機械外型大小：490 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3D打印機正在飛速發展之中，并受到各行各業的高度重視。隨著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，3D打印機的更新與換代的創新發展速度，必將超出現有許多專家的預測。

四、結語

在今天，3D打印機機體體積的小型化、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，同時拓展其在生物醫學、建筑、車輛、服裝等更多行業領域的創造性應用，綜合這些內容，3D打印技術的創新成果已經近在咫尺。

參考文獻：

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