基于理实一体化的3D打印机设计与制造研究

杜世法

在“中国制造2025”大背景下，知识在迅猛增长，智能制造、云计算、大数据、机器人、3D打印技术都在迅猛发展。

一、课题研究的意义

通过对买教具和研发教具在价格、作用、性价比上进行分析，笔者认为设计、自制3D打印机具有深层意义。

基于教学人才培养、设备需求、专业发展方向以及系部整体向智能制造、高端制造转型的需要，3D打印机的设计与制造恰恰成为解决上述问题的关键点。

以下通过分析3D打印机的设计与制造对学生理实一体化培养的意义，完成3D打印机的设计与制造。

二、3D打印機的设计与制造的意义

在“中国制造2025”的大背景下，在全国智能制造的引领下，通过理实一体化教学，让学生完成3D打印机的设计与制造。

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术即快速成形技术的一种机器，它是以数字建模为基础，运用塑料、特殊蜡材或粉末状金属等具有可黏合性的材料，通过打印技术使材料一层层粘合起来制造三维物体的加工设备。

3D打印技术已经初步具有成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得较广泛应用的领域是个性化消费品产业。

1.价格

虽然现在市场上3D打印机的价位各有千秋，但实用又兼顾学生实训需求的设备还是价格不菲。现在可以根据3D打印机的工作原理、工作结构和特点，由机械设计与制造专业和电气专业的学生来完成3D打印机的制造。

2.自制3D打印机的作用

自制3D打印机可以满足系部专业发展的要求，是系部专业整体向智能制造、高端制造华丽转型的一个关键点；满足教学和教学设备所需，带领学生向智能制造的领域进行探索；同时为学生提供真实实训项目，满足学生实训的要求。

三、3D打印机的设计与制造

1.3D打印机的结构

（1）基本结构有三角形的、矩形盒状、矩形支架状。

（2）DIY打印机的难度需要在精度和组装难度之间衡量。有的机子要求精度高，打印效果好，但是价位和组装都是学校难以做到的。有的结构简单，打印效果也不错，但是其对零部件装调需要较丰富的经验。因此，我们要找到适合的结构。

2.3D打印机的设计

在理实一体化模式下，教师对学生进行指导，学生可以在学习基本知识点和技能点的前提下，进行创新设计和制造。

3D打印机的设计包括以下几部分。

（1）总体设计。在总体设计中包括系统概述，对整体工作性能进行分析；系统框架设计，输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值—单片机分析—温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备。

（2）打印耗材的选用。为了实现3 D打印机的功能，所选材料也很重要。既要有较低的熔点，也要有较好的黏滞性，同时需要快速成型。综合考虑，笔者最终选择了P L AA /B S耗材。

（3）XYZ三方向控制电机的设计；喷头移动及喷出量调节的设计，包括喷头系统的功能要求、喷头实现方法设计；机械结构，包括传动方式的选择；转动惯量的计算；喷头的选择；电机的选择，包括伺服电机与步进电机的取舍、交流直流伺服电机对比；负载转矩的计算；打印速度的初步估计。

（4）传感器的选用与设计。温度传感器的接触式特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，可方便地组成多路集中测量与控制系统。

3.3D打印机的制造

测试、安装中所需的工具有一字旋具、压线钳、剥线钳、镊子、电烙铁、尖嘴钳、片口、高温胶带等。

所需要的配件有：3D打印机主控件，12V /200W开关电源，100k ntc热敏电阻2个，两相四线步进电机1个，限位开关1个，12V加热管，12V风扇，12V加热床PCB板。

四、小结

基于“中国制造2025”，鉴于专业发展需要和教学需求、学生理实一体化教学及实训实操的要求，迫切需要在3D打印技术方面对学生进行培养，让学生学习、实践3D打印机的设计与制造。

（作者单位：渤海船舶职业学院）