改进型桌面级3D打印机设计

摘要：本文的目标是利用solidworks设计改进型桌面级3D打印机，为此本文主要开展如下几方面工作：（1）分析FDM桌面级3D打印机在国内外的发展现状以及发展趋势，基于此提出新型3D打印机的设计方案。（2）对选择的方案进行分析，利用solidworks对其中的重要零部件进行精确的计算。（3）利用solidworks simulation对方案设计中主要结构件进行受力分析，得出详细的应力以及应变分布情况，进行材料强度方面的校核，并根据其应力以及应变分布选择性的进行设计优化。以某打印机为原型，参照其他打印机作出风扇挡风圈、打印机挡风板、耗材供料装置，创新性设计耗材中断报警装置、3D打印工作灯、以及耗材回收系统。

关键词：3D打印机创新；耗材中断；耗材回收

一、研究背景

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

目前，我国的3D打印事业由于起步较晚，目前还处于起步阶段，虽然有部分厂家已经在该领域有所突破，但整体上来看，在技术与生产上与国外相比还有很大差距。特别是在关键部件的生产上，国内的技术达不到高性能打印机的性能需求，所以需要从国外引进。这样的引进虽然是捷径，在短期内能够取得很好的效果，但是关键部件的引进也带来了一些问题。一方面，从国外引进成本很高，把产品的很大一部分利润让给了国外厂商，导致自己产品的成本居高不下，不具备很好的市场竞争力；另一方面，引进的并不是最先进的，经验表明，引进的技术与国外的先进技术至少有着5年的差距，要想赶上国外的脚步，就要有自己独立的技术与发明。

二、设计目的和意义

打印失败一般造成的原因为，模型问题、打印机故障、耗材断裂缠绕、最易发生的为模型变形翘边造成打印平面不平，影响打印质量，最终导致打印物件失败，为此，我们针对闪铸打印机修改时，特意添加了防风板，不同于迈睿机器的三面封闭，类似于makerbot机器的组装，但是为降低打印机的维修和安装复杂度又在makerbot的基础上稍作改动，修改后的打印机将在打印质量，拆装难易度上大幅度提升，用户的打印体验也会提高。

三、本文的创新设计

1、风扇护圈的添加

在使用某机器时，发现散热风扇前无金属护圈，金属护圈的作用是防止异物进入风扇内部，撞毁扇叶，一般预防飞蛾等昆虫。且在拆卸时保护拆卸人员不被扇叶刮伤、或防止拆卸工具伸入扇叶中。

2、成型底板改进

因为打印机的层厚最高可达0.1毫米，所以丝毫的误差都会影响打印质量，对于模型而言，第一层模型的铺设对后续的成型至关重要，相当于建筑的地基，地基不稳，会出现翘边、倒塌。

改进后的成型地板采用扣槽式结构，扣到加热地板上，且在成型地板上新增大量细小的孔，便于模型在底板上的固定。成型底板两侧还添加了两个突板块，便于拆卸去模型。

3、进料盘支架设计

针对不同的打印机适应常见线盘的直径、大小、粗细，避免打印过程中耗材盘从后部脱落；耗材丝将轴缠绕、耗材拉断等。

4、耗材进给中断报警器

在打印过程中因各种原因造成的耗材中断，都会对打印产生严重的影响。一旦出现断丝，若不能及时发现将会造成很大的损失，打印了几十个小时的模型告废。

方案：采用红外发射器，安装在打印机进给耗材处，实现的功能：当耗材正常进给时，红外线发生器自动感应前方后耗材进入，电路处于接通或者断开状态，指示灯不亮，当耗材进给处无耗材进入时，指示灯亮起，电路断开或接通，连接警报发生器，触发开关，发出告警声，200S后自动切断电源。打印机停止工作。

5、废料处理机构设计

类似打印机工作原理，將材料加热到软化状态、然后通过挤压将软化的耗材从固定的小孔中挤出，面临的问题，耗材回收质量不高、新加工耗材易出现气泡、杂质、或者断裂，影响打印质量精度，损害打印机。

设想解决方案：严格耗材出口圆管精度、废料分类细化研磨，加热压实去气泡。

通过电动机带动搅拌棒将耗材打碎，然后通过漏斗形圆盘倒入加热池，加热圈加热，压料装置运行，将软化耗材从直径1.75mm的圆孔中挤出，通过皮带传动到出口，再次穿过圆孔定型。最终缠绕成型，备用或他用。

废料处理机构：用于处理打印废料，通过回收研磨破碎加热，然后重新挤出，提高资源利用。含破碎机、加热机构、挤出机构。

参考文献：

[1]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M]：第七版.北京：高等教育出版社，2006：17.

[2]王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J].电子制作，2013，19：28-29.

[3]李德振.基于ARM的3D打印机控制系统研究[D].山东农业大学，2015.

作者简介：邢俊辉，男，山东济南人，山东交通技师学院机电学院 2017级3D打印专业学生