大型三角式FDM3D打印机的研发探析

李一帆　曲文君

摘要：本文基于研发一款大尺寸3D打印机，具有打印尺寸大、具有自动上色和智能中断暂停的功能，主体结构采用三角式结构，提高打印速度和打印精度，且三角式结构适合打印回转体模型，在大尺寸框架设计中因几何原因，强度和可靠性更高，保证打印过程中的平稳性和安全性。

关键词：三角式；3D；打印机

3D打印技术刚刚兴起，各类打印机层出不穷，但普遍面临着打印尺寸小、价格相对较高，而低价位的3D打印机打印精度极差，难以满足设计和生产需求。高端打印机造价昂贵难以普及，大型设备市场前景虽大，但普及率有待提高，故很少有企业从事大型3D打印机的研发和生产，其多半停留在试验和测试的阶段。我们一般可以接触到3D打印机多为桌面打印机，打印范围一般小于A4纸大小，普遍为20*15*14cm的桌面级3D打印机，实际打印生产中很少可以达到这个有效尺寸，对于打印大型模型产生制约，多次打印和拼装则有会降低精度和物品的美观程度。除此之外目前主流打印机均采用线式塑料耗材，打印出来后均为单色或与耗材颜色一致，无法实现多色打印，而使用多喷头的3D打印机却因为受结构和尺寸限制最多可以放置两个喷头，实现双色打印，然而依旧无法满足生产需要。且打印过程中会出现断丝现象，而設备不具有智能感应，通用的机械感应方式误判率较高，会产生浪费工作成果的误提示。

该设备研发成功后最大的打印范围可以达到0.8米的直径乘以1.2M的打印高度，其尺寸可以满足日常大部分模型的要求，避免了模型设计时的分部设计减少建模劳动量，免去重复打印取件的繁琐工作，提高打印效率，避免拼装和组装，增强模型的强度和稳定性，且外观一体更具美观。

采用进料口处颜色涂抹装置，可通过底部平台高度检测的脉冲信号自动进行上色，实现多色打印，且结构简单，不占用喷头位置的宝贵空间，反应灵敏故障率低。通过进料口增设红外感应装置，当前列耗材阻碍光线信号时，报警器无动作，当检测到进料口出没有障碍时，进行报警，配合耗材盘的运动检测装置进行断料验证，一旦确定断料后紧急停机，避免长时间的无料打印产生的设备损耗和无用功。该设备将全部使用开源硬件，和拼装式结构，便于拆卸，且因其灵活性和改造潜力可用于其他项目的研发和改进。

研发的问题及解决对策：

（1）结构不稳定、震动晃动，打印过程中对打印产生干涉，影响精度，解决方案：三角式横梁结构、底部配重、加强筋与角铁链接。

（2）同步带、传动轴、并联臂的不同轴、不水平的情况。解决方案：水平测量仪测量水平高度、并联臂使用弹簧紧固。

（3）连接件、非标件的采购和使用。解决方案：无法采购的非标件特殊件使用三维建模设计后使用桌面级打印机打印生产验证，用于实际工程中。为提高强度填充密度设置高于50%。

（4）传动装置动力不足。使用42步进电机和57步进电机作为动力源的打印区别，打印精度和打印速度之间的变化。解决方案：改换57步进电机外加驱动。

（5）成型底板拆卸困难，无法校准。解决方案：磁悬标尺插口式设计，将成型底板三点安装滑动套管，底部梳理三根带标尺的光轴，且在地面与成型板底部安装极性相同的通电式磁铁，利用磁悬浮控制底板的水平高度，通过标尺查看具体水平数值，利用通电电流大小实现底部成型底板的升降，减少摩擦，操作简单、易于拆卸。

（6）如何利用三原色进行自动调色上色。解决方案：采用进料口处颜色涂抹装置，可通过底部平台高度检测的脉冲信号自动进行上色，实现多色打印。

（7）打印机并联臂长度与打印直径的比例关系、并联臂的长度变化与打印极限行程的关系。解决方案：使用同步带传动，长距离时产生的弹性拉长对打印精度的影响。塑料耗材在大范围打印过程中的变形情况，尝试计算出材料的变形时间和温差效应。从而计算出最佳的打印尺寸和打印范围。

因此我们研发的这款大尺寸3D打印机，具有打印尺寸大、具有自动上色和智能中断暂停的功能，主体结构采用三角式结构，提高打印速度和打印精度，且三角式结构适合打印回转体模型，在大尺寸框架设计中因几何原因，强度和可靠性更高，保证打印过程中的平稳性和安全性。

参考文献：

[1]孙聚杰.3D 打印材料及研究热点[J].丝网印刷，2013（12）：3439.

[2]曾昆.3D 打印的材料之殇[J].新材料产业，2014（10）：3941.

[3]谢彪，王小腾，林润雄，等.光固化 3D 打印材料[J].网印刷，2014（10）： 3739.

项目：本项目由大学生创新创业训练项目资助（项目编号：201610452049）