FDM型3D打印機的功能改進升級研究

趙亞平，趙敏，姚猛，翁蕓嫻，朱俊

（蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008）

1 研究背景

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如，打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等。之所以通俗地稱其為“打印機”，是參照了普通打印機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

這項打印技術稱為3D立體打印技術。目前，3D打印已經成為一種潮流，并開始廣泛應用在設計領域，尤其是工業設計、數碼產品開模等，可以在數小時內完成一個模具的打印，節約了很多產品從開發到投入市場的時間。

2014年9月，在夏季達沃斯論壇上，國務院總理李克強公開發出“大眾創業、萬眾創新”的號召，“雙創”一詞由此開始走紅，而作為培養專業人才的高等院校，也積極將雙創引入課堂中，建立了自己的雙創空間，作為目前流行的3D 打印技術，也被各高校首選為自己的雙創項目，如南京大學的Xworks雙創空間、東北大學的Xworks雙創空間等。

蘇州農業職業技術學院智慧農業學院于2015年啟動“雙創，3Q教學”，努力踐行“創課成就創客”“讓每一位學生在此拓展未來”的教學理念，力爭實現“爭當智慧農業建設領跑者”的奮斗目標。學院積極組建智農3D打印技術工作室，采購安徽煜銳三維科技有限公司C500型桌面打印機。

2 C500型桌面打印機存在問題分析

隨著設備使用年限的增長，目前，C500型桌面打印機使用存在一些問題。該打印機使用的打印材料為PLA，PLA是聚乳酸簡稱。聚乳酸（PLA）是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米、木薯等）所提出的淀粉原料制成。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環境，這對保護環境非常有利，是公認的環境友好材料。但是使用過程中發現，到了秋冬季節，打印機在打印過程中經常出現打印作品底座翹邊，不能牢牢地和打印機的底板有效接觸，容易出現打印翹邊現象（如圖1所示）這樣一來，導致所打印的作品效果很差，甚至打印到一定高度時，作品坍塌，無法繼續完成打印，從而浪費了打印耗材。

經過調研、分析，最終發現是因為秋冬季節，環境溫度和打印機底板溫度均較低，而PLA材料在熔融后，會很快發生凝固。為此工作室采取了一定的補救措施，如打開空調以提升環境溫度，采用熱熔槍和膠棒固定作品底座，然而，經過反復實驗，效果均不夠理想。同時在使用過程中，大家一致反映打印機操作界面不夠人性化、文件格式兼容很低、作品打印效果相對較差。如重新購置設備，原有打印設備將不能得到很好的使用，造成資源浪費，且新設備購置成本很高。

圖1 作品打印翹邊圖

3 打印機功能改進方案及實施

通過調研、資料搜集以及請教指導老師、企業工程師，決定對現有打印設備進行改進升級。最終確定了升級方案：更換設備主板、加裝獨立溫控、屏幕、連接線束，為節約改進升級成本，團隊自主設計并打印溫控控制箱、屏幕轉接板、固定塊等元器件，團隊成員進行安裝，調試（如圖2、3所示）。

圖2 打印機主板、獨立溫控箱等

圖3 安裝與調試

改進后的3D打印機如圖4所示。

4 結語

（1）項目中所需的溫控控制箱、屏幕轉接板、固定塊等元器件由團隊成員自主設計、自主打印制作完成，充分鍛煉了動手能力及創新設計能力。

（2）打印機升級改造過程中，對整機進行了拆卸和安裝，通過拆裝更加熟悉理解打印設備的結構、組成、工作原理，有利于更好地使用和維護設備。

（3）實驗證明，經升級改造后的3D打印機能夠完全解決打印時作品容易翹邊的問題，操作界面更加友好，可以兼容多種文件格式，最終能夠確保最佳的作品打印效果。

（4）在對打印機改造升級過程中，遇到了各種各樣的難題，通過查閱資料、請教指導老師，企業工程師、團隊成員反復討論論證等問題都一一得到了解決，大大節約了設備新購成本的同時，提升了學習的成就感，加強了團結協作。

圖4 改進后的3D打印機