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1、3D打印機結構設計與制作分析
針對目前開源型桌面級3D打印機成本較高的問題。設計了一種新型懸臂式3D打印機的結構。本文主要介紹了打印機的設計方案以及電機選型與材料選擇方面的分析。經過一系列計算且與傳統(tǒng)制作工藝相比較分析后，選用42HS02步進電機，由PLA材料制成的連接件替代金屬零部件，解決了傳統(tǒng)打印機維修繁瑣、裝配復雜、占地面積大等問題。當今人們的生活需求提速較快，已不滿足于此時代的技術水平。而3D打印機的出現(xiàn)在很大程度上緩解了這一現(xiàn)狀。3D打印技術現(xiàn)在作為快速成型技術的一種，它與傳統(tǒng)打印機相比最大的區(qū)別在于可以使用非液體材料來進行打印，且介質種類也多種多樣。該技術現(xiàn)在在教育，建筑，珠寶
2、，工業(yè)設計，航空航天，醫(yī)療產業(yè)，土木工程，軍事以及其他領域都有所應用。針對于3D打印機初學者來說，業(yè)內常規(guī)的3D打印機的結構過于單一，常見的3D打印機為龍門式三坐標的3D打印機，其結構的穩(wěn)定性以及長期性一直被廣泛應用，但是因為龍門式3D打印機通過三個導軌滑塊機構進行三坐標的定位，所占空間較大，重量較重，打印速度慢，同時需要的動力能源較多，無法達到更好的節(jié)能效果以及滿足人類對空間的需求性。箱體式結構也是目前市面上較為流行的，但它結構較為復雜，不易裝配，維修繁瑣，而且零件精度要求較高，整個機型的成本高。Delta三角洲機型相比較于其他結構占地面積較小，但是由于打印機需要給3個并聯(lián)臂留出移動空間，這
3、就直接限制了打印機在空間上的利用。除此之外由于其坐標定位采用的是一種特殊的插值算法，對于一些弧形結構只能采用多個直線段逼近的方法，導致其打印精度稍有不足。傳統(tǒng)的3D打印機結構復雜、體積較大，制作成本高，而且操作不易掌握。不適用于人手一臺去了解并學習，因此設計了一種新型懸臂式結構的3D打印機，旨在解決上述現(xiàn)有技術中存在的傳統(tǒng)3D打印機結構復雜、操作繁瑣、不利于教學演示的技術問題。
1懸臂式3D打印機結構
懸臂式3D打印機的總體結構如圖1所示，大致可以分為四個部分，分別是水平運動機構、垂直運動機構、懸臂運動機構、材料擠出機構。該四部分之間均由打印而成的零件進行連接，
4、且這四部分各自用一個步進電機來進行驅動，圖中均有標出。X軸底座上與擠出機相連安裝的步進電機，利用PLA材料在擠出機滾輪與電機齒輪軸之間的咬合的方式，實現(xiàn)對打印材料的進給與撤出；其余三個步進電機則是來對噴頭在打印位置上的確定，Z軸方向上由步進電機固定的給定量算出所需的步進角，先將三維打印轉化為每一平面內的二維打印，接著Y軸方向也由步進電機進行驅動，致使每一平面內的二維打印又轉化為很多條直線上的一維打印，最終由X軸上的步進電機來確定最終的位置。X軸、Y軸、Z軸各裝設有限位開關，在這三個軸向上機構運行的極限位置處設置有擋塊，當限位開關接觸到相對應的擋塊時，實現(xiàn)作用使其運動停止或返回初始運行狀態(tài)，以此
5、來避免某些零件因打印機在運行時超出其極限位置時所導致的損壞，極大概率上保護了機械結構的完整性與安全性。
1.1懸臂運動機構設計
懸臂運動機構即打印機的X軸平面，結構如圖2所示。X軸打印行程為X=140mm，理論精度為0.01mm。X軸底座、打印頭座、X軸端座等連接件均由3D打印制作，材質PLA，強度重量均滿足使用條件。打印頭座與傳動滑塊采用一體化設計，通過直線軸承與X軸光桿直接連接，減輕了懸臂的受力，保證了打印機的打印速度和精度。中間同步帶采用內嵌設計，保證了打印機運行的穩(wěn)定性，與X軸的底座和端座相連并由X軸底座上的步進電機進行驅動，實現(xiàn)打印噴頭的左右移動。以及
6、X軸底座上與擠出機相連安裝的步進電機，利用PLA材料在擠出機滾輪與電機齒輪軸之間的咬合的方式，將料送至打印噴頭，實現(xiàn)對打印材料的進給與撤出。這樣構成了該打印機的懸臂運動機構。
1.2水平運動機構設計
水平運動機構如圖3所示，Y軸打印行程為Y=120mm，理論精度為0.01mm。采用兩個2020鋁型材、一個2040鋁型材和兩個3D打印而成的端座搭建成了整個打印機的底座框架。載物臺通過四個直線軸承與兩跟光杠相連，中間同步帶依舊采用內嵌設計，步進電機通過同步帶傳動，帶動與載物臺連接的同步帶壓板實現(xiàn)移動，保證了打印機運行的穩(wěn)定。載物臺上放置玻璃板以便于噴頭在上打印零件，
7、載物臺下方有四個螺母，通過轉動螺母來調節(jié)載物臺上玻璃板的水平，以便更好地打印零件。其中一個端座上固定有一個主控板，這塊主控板通過已經處理好的3D模型文件的G代碼來進行4個步進電機的電路進行控制，分別作用于水平運動機構、垂直運動機構、懸臂運動機構、材料擠出機構，控制其輸出的速度，讓高溫噴頭將原材料融化后精確的打印在水平運動機構的載物臺上，形成最終的實體模型。1.3垂直運動機構設計垂直運動機構作為連接懸臂運動機構和水平運動機構的橋梁，雖然結構很簡單，但是依舊是不可或缺的一環(huán)。Z軸打印行程為Z=120mm，理論精度為0.005mm。Z軸上驅動電機為42步進電機，考慮到應實現(xiàn)整個懸臂運動機構的上下位移
8、，因此步進電機與絲杠的銜接處裝設了一個聯(lián)軸器，該零件可以起到承上啟下的作用有著承載能力大、效率高、拆卸方便的優(yōu)點。絲杠通過連接X軸上X軸底座內部的T8法蘭螺母帶動Z平面移動。
2步進電機型號的選取及計算
在打印機的初步設計中，考慮到打印機整體的結構，進行了一系列的計算來最終確定了作為驅動驅動的電動機。作為混合式步進電機，它結合了反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點，選用步進角為1.8的兩相步進電機。從垂直運動機構入手，采用滾軸絲杠來驅動打印機的懸臂，使其實現(xiàn)垂直往復運動。1.3垂直運動機構設計垂直運動機構作為連接懸臂運動機構和水平運動機構的橋梁，雖然結構很簡單，但是依舊
9、是不可或缺的一環(huán)。Z軸打印行程為Z=120mm，理論精度為0.005mm。Z軸上驅動電機為42步進電機，考慮到應實現(xiàn)整個懸臂運動機構的上下位移，因此步進電機與絲杠的銜接處裝設了一個聯(lián)軸器，該零件可以起到承上啟下的作用有著承載能力大、效率高、拆卸方便的優(yōu)點。絲杠通過連接X軸上X軸底座內部的T8法蘭螺母帶動Z平面移動。
3材料選擇
對于科技產品而言，金屬是不可缺少的一種材料，在傳統(tǒng)的制造業(yè)當中，金屬材料在生產過程中所需時間周期較長，且造成的廢棄材料再經回爐重造后也會產生相應的成本。在某些非必要的條件下，這些利用金屬材料產生的零件也可用另一種材料來進行替代，若采用3D
10、打印這種快速成型技術則上述問題可在實際中得到一定程度上的解決。針對本文中3D打印機的制作過程，由于連接件數量較多，形狀各異，在市場上幾乎很難見到，因此我們對這部分零件只能進行“定制”。若要選用傳統(tǒng)的金屬制造業(yè)來制作這部分零件，則需要投入大量財力來進行制作。在投入生產過程當中，不論是利用人力還是自動化的流水線來用各種工藝的制作方法來對其進行制造，都需要考慮因不合格產品所造成利潤的降低。而生產出來的零件只針對于這一種打印機來進行使用，也體現(xiàn)出了生產的局限性。若使用打印金屬材料的3D打印機來進行該部分零件的的制作，可除去不必要的人力和物力資源，但還是避免不了金屬材料造價的昂貴性。而對于面向初學者的桌
11、面級3D打印機來說，在確保打印精度的前提下，可以適當減輕該打印機的重量，那么我們就可以從上述討論的金屬連接件著手來進行考慮。RepRap打印機最常用的材料為的PLA材料，它是一種綠色高分子材料，由PLA材料打印出來的部件平均單拉強度為56.6MPa，平均彈性模量值為3368MPa，從而表明RepRap打印機的部件可以得到相當水平的抗拉強度和彈性模量。而且由PLA打印出產品的手感、光澤度以及耐熱性都很好，還具有一定的耐菌性和阻燃性，質量與金屬相比更為輕便，價格也在承受范圍內。該3D打印機的打印材料在設計時也考慮利用PLA材料，可使打印機在某些連接件磨損后由自身打印出另外一個一模一樣的零件來進行更換，也可以復制出另一套自己的零件。節(jié)約了大量的人力物力財力。
結束語：
最后，該打印機部分結構件由3D打印制作而成，因此可以每個人都可以動手去設計這部分零件并自行更換，且結構簡單，拆卸較為方便，更有利于面向于初學者進行教學演示，極大的提高了人們的創(chuàng)新思維能力與動手能力。
3D打印機結構設計與制作分析
