可折疊FDM 3D打印機設計與研究

商智高　郭韜　吳宇軒　董子銘　彭朝陽　周蕊　吳恩銘

摘要：在傳統3D打印機的基礎上，針對用戶對于打印機便攜性的需求，設計與研究一種便攜式可折疊3D打印機。該3D打印機在保證穩定性和精確性的同時，通過折疊機構的設計使打印機具有了便攜的特性。

關鍵詞：3D打印機;機構設計;便攜性需求;折疊機械臂

中圖分類號：TP334.8

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.019

近年來，3D打印技術日趨成熟，并且得到了廣泛應用。目前應用于家庭和工業模型設計的3D打印機以FDM（熔融堆積）打印機為主，而大部分桌面級FDM 3D打印機都是固定框架式結構，體積大、收納不便。因此，本文基于FDM成型原理，設計一款便攜式可折疊FDM 3D打印機，以滿足用戶對3D打印機輕型、便攜的需求。

1 折疊3D打印機結構及原理

本文所研究的3D打印機是基于FDM成型原理的X，Y，Z軸打印機。該款3D打印機屬于三自由度移動機構，主要由X，Y，Z三軸支撐機構、動力傳動機構、送料機構、打印噴頭和平臺組件組成。打印機在工作過程中，能夠實現打印噴頭在空間X.Y，Z三個方向的三維機械運動。該折疊3D打印機不再采用固定不動的機身外殼，而是采用折疊機械臂設計，如圖1所示，折疊后尺寸為233 mmx237 mmx57 mm，可打印最大體積為150 mmx130 mmxl00 mm。X，Y，軸方向采用步進電機與同步帶實現傳動，Z軸方向采用步進電機與梯形螺桿實現傳動，利用滑塊在三根直線滑軌上的移動，進而實現對X，Y，Z三個運動方向的控制。

2 結構設計方案

2.1 固定組件設計

固定組件如圖2所示。固定組件為3D打印機的基礎，具有安裝打印平臺、主板組件和顯示面板組件的功能，不僅起到固定其他組件的作用，還具有容納折疊組件中Y軸部件的功能。

該設計中固定部件主要由以下5部分組成：①機身基座保證了打印時機器的穩定性，并裝備具有加熱和調平功能的打印平臺，以達到3D打印所需的精度要求，同時具有收納折疊組件的作用;②X軸組件通過步進電機帶動同步帶輪與旋轉基座，實現打印頭在X軸方向上的平動;③X軸導軌副通過滑塊與旋轉基座的剛性連接，實現打印臂在X軸方向的機械運動;④旋轉基座固定于X軸導軌副固上，將其固定在X軸組件的長角鋁上;⑤顯示面板組件包含3D打印機的顯示屏與控制旋鈕，用以輸入指令和查看工作進度及設備使用情況。

2.2 折疊組件設計

折疊組件設計包含Z軸組件（如圖3所示）和Y軸組件（如圖4所示）兩部分。

通過Z軸組件與旋轉基座剛性連接，進而與機身基座構成旋轉副，實現折疊功能。為了防止折疊機構展開后，因旋轉定位不準而帶來的打印精度下降的問題，設備通過蝶型螺栓和軸肩螺釘的雙重固定來保證展開時打印機機械臂定位準確，從而在提升設備便捷性的同時而保證打印精度，同時通過旋轉定位卡的設計保證了折疊機構折疊后的穩定性。Z軸各組件如圖5所示。

Z軸組件包含活動翻轉基座、導軌組件、電機絲桿組件。導軌組件和電機絲桿組件安裝于活動翻轉基座上。導軌組件中Z軸導軌副通過轉接塊與打印壁剛性連接。電機絲桿組件中的電機通過膜片聯軸器帶動絲桿螺母副運動，絲桿螺母與轉接塊通過標準緊固件連接，進而實現Z軸方向的運動。電機絲桿安裝在電機固定座上。

Y軸組件通過與轉接塊的連接，完成Y軸組件在Z軸（豎直）方向上的運動。Y軸組件主要包含Y軸電機組件、擠出頭、打印頭風扇組件，打印頭送料組件，打印臂組件。Y軸電機組件帶動Y軸同步帶運動，打印頭通過同步帶運動實現在Y軸上的運動。打印頭送料組件與送料電機組件組合，作為送料機構從動部分參與打印材料的進出。

Y軸組件中打印頭送料與風扇組件和擠出頭實現3D打印機核心功能。打印頭送料組件采用步進電機加齒輪的組合以加大送料與回抽的力，保證了送料與回抽的流暢程度。擠出頭用于加熱打印材料，其長時間工作，難以保證出料和回抽的平滑，因此發熱嚴重。如果長時間高溫工作，擠出頭內部的磁性會減弱，并會導致打印材料過熱，使材料軟化彎曲，導致其從齒輪中流出，這通常在打印3-4h后發生，并且難以發現。因此，為了防止擠出頭溫度過高，該組件設計有兩個風扇用于擠出頭的散熱。

Z軸組件電機絲桿部分中的電機固定座除了有固定電機的作用外，還作為折疊部件的一部分與固定組件中的旋轉基座連接，如圖6所示，共同實現機器可折疊的核心功能。電機固定座上有兩個螺紋孔起了主要作用，水平方向的螺紋孔與軸肩螺釘的螺紋部分形成的螺紋連接，將旋轉基座與電機固定座相對固定，保證機器水平穩定，而軸肩螺釘的無螺紋部分與旋轉基座中的軸承形成轉動副，實現了機器可折疊的功能;垂直方向的螺紋與蝶形螺釘在機器工作狀態下形成螺紋連接，保證機器垂直穩定，并且初步保證了擠出頭與打印平臺的平行度。

2.3 調平組件設計

打印平臺的平整程度決定了3D打印產品的質量。為了提高平臺平整程度，打印平面采用定制的品格平臺。同時為防止因設備所在工作平面不夠水平而出現問題，在打印平臺和固定平臺之間設有4個調平旋鈕，如圖7所示。調平時，在打印平臺上放置一張A4紙，控制打印噴頭位于調平點正上方的固定位置，并平行拖拽紙張，如果紙張容易拖動，則說明打印頭與平臺間間距過大，相反，如果紙張難以拖動，那么說明間距過小。調節4個調平旋鈕以改變平臺與打印頭的距離，確保打印頭與打印平臺調平點間達到最佳間距。并反復調試4個調平點，保證打印平臺各點與打印頭間距不變，進而實現調平。

3 系統方案設計

3D打印機電控系統部分由輸入電路、輸出電路、驅動電路、數據處理電路、控制電路組成。控制板負責主要的數據處理和控制，由Arduino Mega25 60主控板、4塊A4988步進電機驅動板以及RAMPSl.4拓展板組成。控制系統程序說明如圖8所示，調0時，控制板命令X，Y，Z軸步進電機向負方向轉動，當滑塊觸碰限位開關時相應方向的步進電機停止轉動，并記為該方向0點。預熱階段，控制噴頭與熱床加熱，當達到一定溫度時，信號反饋至控制板，并通過控制板控制溫度系統保持一定溫度，同時驅動電路開始工作。打印進行階段，控制板通過識別切片軟件處理后的3D模型文件，并將其轉化為電信號以控制步進電機，進而達到控制打印噴頭運動路徑以及噴出量的目的。

4 結語

本文主要針對普通XYZ三軸3D打印機的機械結構進行改進，重點對可以折疊的Y軸組件進行設計與優化。使該設備在保證一定的打印精度和速度的同時，具有可折疊、體積小的特點，具有廣闊的應用和市場前景。

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