改進型桌面級3D打印機設計

摘要：本文的目標是利用solidworks設計改進型桌面級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打印機在國內外的發展現狀以及發展趨勢，基于此提出新型3D打印機的設計方案。（2）對選擇的方案進行分析，利用solidworks對其中的重要零部件進行精確的計算。（3）利用solidworks simulation對方案設計中主要結構件進行受力分析，得出詳細的應力以及應變分布情況，進行材料強度方面的校核，并根據其應力以及應變分布選擇性的進行設計優化。以某打印機為原型，參照其他打印機作出風扇擋風圈、打印機擋風板、耗材供料裝置，創新性設計耗材中斷報警裝置、3D打印工作燈、以及耗材回收系統。

關鍵詞：3D打印機創新；耗材中斷；耗材回收

一、研究背景

3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術。

3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

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

二、設計目的和意義

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、最易發生的為模型變形翹邊造成打印平面不平，影響打印質量，最終導致打印物件失敗，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雜度又在makerbot的基礎上稍作改動，修改后的打印機將在打印質量，拆裝難易度上大幅度提升，用戶的打印體驗也會提高。

三、本文的創新設計

1、風扇護圈的添加

在使用某機器時，發現散熱風扇前無金屬護圈，金屬護圈的作用是防止異物進入風扇內部，撞毀扇葉，一般預防飛蛾等昆蟲。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

因為打印機的層厚最高可達0.1毫米，所以絲毫的誤差都會影響打印質量，對于模型而言，第一層模型的鋪設對后續的成型至關重要，相當于建筑的地基，地基不穩，會出現翹邊、倒塌。

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

3、進料盤支架設計

針對不同的打印機適應常見線盤的直徑、大小、粗細，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，都會對打印產生嚴重的影響。一旦出現斷絲，若不能及時發現將會造成很大的損失，打印了幾十個小時的模型告廢。

方案：采用紅外發射器，安裝在打印機進給耗材處，實現的功能：當耗材正常進給時，紅外線發生器自動感應前方后耗材進入，電路處于接通或者斷開狀態，指示燈不亮，當耗材進給處無耗材進入時，指示燈亮起，電路斷開或接通，連接警報發生器，觸發開關，發出告警聲，200S后自動切斷電源。打印機停止工作。

5、廢料處理機構設計

類似打印機工作原理，將材料加熱到軟化狀態、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，耗材回收質量不高、新加工耗材易出現氣泡、雜質、或者斷裂，影響打印質量精度，損害打印機。

設想解決方案：嚴格耗材出口圓管精度、廢料分類細化研磨，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：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、擠出機構。

參考文獻：

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作者簡介：邢俊輝，男，山東濟南人，山東交通技師學院機電學院 2017級3D打印專業學生