一种桌面级3D打印机的设计与制造

广西大学行健文理学院 苏秋仁

广西大学电气工程学院 李深旺

广西电网有限责任公司南宁供电局 张庆莹

3D打印是一种通过逐层打印方式来构造物体的技术。本文通过研究3D打印一体化设计技术、断料自检测技术、断电续打技术、噪声抑制技术等，形成3D打印机小型化、一体化、智能化、实用化的设计方案，实现各领域中快速成型和打印的需求。

1 3D打印

3D打印也称为增材制造工艺，其基本原理为：构建实物的3D数字模型，形成输入文件，打印机以粉末状金属或塑料等可粘合材料作为打印材料，采用逐层打印的方式构建出实际产品。可见，3D打印机则是将真实的原材料（如金属、陶瓷、塑料、砂等）输出为一薄层，然后不断重复一层层叠加，最终变成空间实物。被广泛用在工业设计、建筑、工程、汽车，航空、医疗产业、教育等领域。相对于传统制造工艺，3D打印具有无限的设计空间、零制造技能要求、个性化设计与定制、材料组合方式多样等优点。目前3D打印技术主要分为SLA立体光固化成型技术、SLS选择性激光烧结技术、LOM层叠法成形技术、FDM熔积成型技术等。

科研创新活动往往需要新零件、新设备来辅助研究。新零件设备往往具有时效性强、非标准、非量产等特点，由于制造工艺复杂、制造成本高、制造周期长，往往“自己不能造、厂家不愿造”，陷入“缺设备、等设备”的困境。科研人员把大量精力放在制造新零件设备上，分散了时间精力、迟滞了科研创新进度，造成科研人员创新力的极大浪费。新零件设备难以快速制备已成为亟需解决的技术难题。

针对该问题，本文设计并制造一种桌面级3D打印技术。通过研究3D打印一体化设计技术、断料自检测技术、断电续打技术、噪声抑制技术等，形成3D打印机小型化、一体化、智能化、实用化设计方案，为新零件设备的便捷制造提供解决方案。

2 结构设计

2.1 主结构设计

本文的3D打印机采用的是FDM熔积成型技术，在设计结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，控制简单、控制精度高、运行稳定性也较好通过将各个功能模块包括电源、主板、控制面板、内存卡、UPS电源、驱动系统、步进电机、喷头、传感器等集成到一个机柜中，构成一个桌面级3D打印机，并形成相应的小型化、集成化设计技术。

图1所示是3D打印一体化集成系统示意图。

图1 3D打印一体化集成系统示意图

2.2 电机设计

根据电机的额定电压、启动频率、调速要求以及所需功率来选择电动机的额定功率。常用电机主要有步进电机、直流电机及伺服电机，步进电机可将电信号转变为位移信号，在不过载的情况下，电机的运动只取决于脉冲信号；因此，可以通过控制脉冲数来控制电机的定位和转速。同时，步进电机的价格较为便宜，虽然打印速度较慢，而本文设计的3D打印机并不要求高速运转，所以选用步进电机作为驱动装置。

2.3 喷头设计

采取喷嘴直接喷热固性塑料在加热底板上，在喷嘴处有一电机控制喷嘴高度，高度层层增加，即可慢慢打印出想要的样品，用步进电机带动丝杠从而对喷头进行控制与定位。喷头入口、出口的口径参数需要精心设计选择。

2.4 机构部件和电装部件设计

机械构件的设计主要包括传动方式设计、外部加固件设计以及铝型材组构件设计。电装线使用颜色区分，不设线标，可通过铝型材的凹槽走线。照明部件使用12v灯带通过开关控制。

2.5 断料检测技术设计

断料检测采用无反馈中断式设计。限位开关在无料的时候反馈信号回主板，主板停止喷头移动，并抬升喷头到一定位置，再由工作人员进行填料继续打印。

2.6 自动调平技术设计

通过霍尔传感器检测平台上特定点的高度来生成平台高度矩阵，从而软件上达到平台解算，从而使喷头与平台的距离固定。

2.7 断电续打技术设计

使用UPS作为备用电源，加上内存卡存储单层信息，从而做到断电移动喷头，上电后可以从断掉的那一层重新续打。

最后，制作一台桌面级3D打印机样机，将提出的技术解决方案融入到3D打印机样机的设计与制作之中，并搭建实验平台并进行实验研究，验证设计方案的正确性与实用性。

3 结论

根据上节的设计结构，对该桌面级3D打印机进行了设计和制造。图2所示为本文设计和制造的桌面级3D打印机所打印出来的各种“非标零件”实物图。

图2 3D打印的“非标零件”实物图

本文研究了3D打印机存在的问题，设计和制作了一种桌面级3D打印机，实现了打印机小型化、一体化、智能化、实用化的设计。对所制作的桌面级3D打印机进行了实验研究。实验结果表明，所设计的桌面级3D打印机能够完成基本打印功能，可以满足部分“非标零件”难制造、难生产的问题，达到了设计目的。