FDM型3D打印机的功能改进升级研究

赵亚平，赵敏，姚猛，翁芸娴，朱俊

（苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008）

1 研究背景

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如，打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等。之所以通俗地称其为“打印机”，是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。

这项打印技术称为3D立体打印技术。目前，3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计、数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品从开发到投入市场的时间。

2014年9月，在夏季达沃斯论坛上，国务院总理李克强公开发出“大众创业、万众创新”的号召，“双创”一词由此开始走红，而作为培养专业人才的高等院校，也积极将双创引入课堂中，建立了自己的双创空间，作为目前流行的3D 打印技术，也被各高校首选为自己的双创项目，如南京大学的Xworks双创空间、东北大学的Xworks双创空间等。

苏州农业职业技术学院智慧农业学院于2015年启动“双创，3Q教学”，努力践行“创课成就创客”“让每一位学生在此拓展未来”的教学理念，力争实现“争当智慧农业建设领跑者”的奋斗目标。学院积极组建智农3D打印技术工作室，采购安徽煜锐三维科技有限公司C500型桌面打印机。

2 C500型桌面打印机存在问题分析

随着设备使用年限的增长，目前，C500型桌面打印机使用存在一些问题。该打印机使用的打印材料为PLA，PLA是聚乳酸简称。聚乳酸（PLA）是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源（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条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。但是使用过程中发现，到了秋冬季节，打印机在打印过程中经常出现打印作品底座翘边，不能牢牢地和打印机的底板有效接触，容易出现打印翘边现象（如图1所示）这样一来，导致所打印的作品效果很差，甚至打印到一定高度时，作品坍塌，无法继续完成打印，从而浪费了打印耗材。

经过调研、分析，最终发现是因为秋冬季节，环境温度和打印机底板温度均较低，而PLA材料在熔融后，会很快发生凝固。为此工作室采取了一定的补救措施，如打开空调以提升环境温度，采用热熔枪和胶棒固定作品底座，然而，经过反复实验，效果均不够理想。同时在使用过程中，大家一致反映打印机操作界面不够人性化、文件格式兼容很低、作品打印效果相对较差。如重新购置设备，原有打印设备将不能得到很好的使用，造成资源浪费，且新设备购置成本很高。

图1 作品打印翘边图

3 打印机功能改进方案及实施

通过调研、资料搜集以及请教指导老师、企业工程师，决定对现有打印设备进行改进升级。最终确定了升级方案：更换设备主板、加装独立温控、屏幕、连接线束，为节约改进升级成本，团队自主设计并打印温控控制箱、屏幕转接板、固定块等元器件，团队成员进行安装，调试（如图2、3所示）。

图2 打印机主板、独立温控箱等

图3 安装与调试

改进后的3D打印机如图4所示。

4 结语

（1）项目中所需的温控控制箱、屏幕转接板、固定块等元器件由团队成员自主设计、自主打印制作完成，充分锻炼了动手能力及创新设计能力。

（2）打印机升级改造过程中，对整机进行了拆卸和安装，通过拆装更加熟悉理解打印设备的结构、组成、工作原理，有利于更好地使用和维护设备。

（3）实验证明，经升级改造后的3D打印机能够完全解决打印时作品容易翘边的问题，操作界面更加友好，可以兼容多种文件格式，最终能够确保最佳的作品打印效果。

（4）在对打印机改造升级过程中，遇到了各种各样的难题，通过查阅资料、请教指导老师，企业工程师、团队成员反复讨论论证等问题都一一得到了解决，大大节约了设备新购成本的同时，提升了学习的成就感，加强了团结协作。

图4 改进后的3D打印机