3D打印机结构设计与制作

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　针对目前开源型桌面级3D打印机成本较高的问题。设计了一种新型悬臂式3D打印机的结构。本文主要介绍了打印机的设计方案以及电机选型与材料选择方面的分析。经过一系列计算且与传统制作工艺相比较分析后，选用42HS02步进电机，由PLA材料制成的连接件替代金属零部件，解决了传统打印机维修繁琐、装配复杂、占地面积大等问题。当今人们的生活需求提速较快，已不满足于此时代的技术水平。而3D打印机的出现在很大程度上缓解了这一现状。

　　3D打印技术现在作为快速成型技术的一种，它与传统打印机相比最大的区别在于可以使用非液体材料来进行打印，且介质种类也多种多样。该技术现在在教育，建筑，珠宝，工业设计，航空航天，医疗产业，土木工程，军事以及其他领域都有所应用。针对于3D打印机初学者来说，业内常规的3D打印机的结构过于单一，常见的3D打印机为龙门式三坐标的3D打印机，其结构的稳定性以及长期性一直被广泛应用，但是因为龙门式3D打印机通过三个导轨滑块机构进行三坐标的定位，所占空间较大，重量较重，打印速度慢，同时需要的动力能源较多，无法达到更好的节能效果以及满足人类对空间的需求性。箱体式结构也是目前市面上较为流行的，但它结构较为复杂，不易装配，维修繁琐，而且零件精度要求较高，整个机型的成本高。Delta三角洲机型相比较于其他结构占地面积较小，但是由于打印机需要给3个并联臂留出移动空间，这就直接限制了打印机在空间上的利用。除此之外由于其坐标定位采用的是一种特殊的插值算法，对于一些弧形结构只能采用多个直线段逼近的方法，导致其打印精度稍有不足。传统的3D打印机结构复杂、体积较大，制作成本高，而且操作不易掌握。不适用于人手一台去了解并学习，因此设计了一种新型悬臂式结构的3D打印机，旨在解决上述现有技术中存在的传统3D打印机结构复杂、操作繁琐、不利于教学演示的技术问题。

　　1悬臂式3D打印机结构

　　悬臂式3D打印机的总体结构如图1所示，大致可以分为四个部分，分别是水平运动机构、垂直运动机构、悬臂运动机构、材料挤出机构。该四部分之间均由打印而成的零件进行连接，且这四部分各自用一个步进电机来进行驱动，图中均有标出。X轴底座上与挤出机相连安装的步进电机，利用PLA材料在挤出机滚轮与电机齿轮轴之间的咬合的方式，实现对打印材料的进给与撤出；其余三个步进电机则是来对喷头在打印位置上的确定，Z轴方向上由步进电机固定的给定量算出所需的步进角，先将三维打印转化为每一平面内的二维打印，接着Y轴方向也由步进电机进行驱动，致使每一平面内的二维打印又转化为很多条直线上的一维打印，最终由X轴上的步进电机来确定最终的位置。X轴、Y轴、Z轴各装设有限位开关，在这三个轴向上机构运行的极限位置处设置有挡块，当限位开关接触到相对应的挡块时，实现作用使其运动停止或返回初始运行状态，以此来避免某些零件因打印机在运行时超出其极限位置时所导致的损坏，极大概率上保护了机械结构的完整性与安全性。

　　1.1悬臂运动机构设计

　　悬臂运动机构即打印机的X轴平面，结构如图2所示。X轴打印行程为X=140mm，理论精度为0.01mm。X轴底座、打印头座、X轴端座等连接件均由3D打印制作，材质PLA，强度重量均满足使用条件。打印头座与传动滑块采用一体化设计，通过直线轴承与X轴光杆直接连接，减轻了悬臂的受力，保证了打印机的打印速度和精度。中间同步带采用内嵌设计，保证了打印机运行的稳定性，与X轴的底座和端座相连并由X轴底座上的步进电机进行驱动，实现打印喷头的左右移动。以及X轴底座上与挤出机相连安装的步进电机，利用PLA材料在挤出机滚轮与电机齿轮轴之间的咬合的方式，将料送至打印喷头，实现对打印材料的进给与撤出。这样构成了该打印机的悬臂运动机构。

　　1.2水平运动机构设计

　　水平运动机构如图3所示，Y轴打印行程为Y=120mm，理论精度为0.01mm。采用两个2020铝型材、一个2040铝型材和两个3D打印而成的端座搭建成了整个打印机的底座框架。载物台通过四个直线轴承与两跟光杠相连，中间同步带依旧采用内嵌设计，步进电机通过同步带传动，带动与载物台连接的同步带压板实现移动，保证了打印机运行的稳定。载物台上放置玻璃板以便于喷头在上打印零件，载物台下方有四个螺母，通过转动螺母来调节载物台上玻璃板的水平，以便更好地打印零件。其中一个端座上固定有一个主控板，这块主控板通过已经处理好的3D模型文件的G代码来进行4个步进电机的电路进行控制，分别作用于水平运动机构、垂直运动机构、悬臂运动机构、材料挤出机构，控制其输出的速度，让高温喷头将原材料融化后精确的打印在水平运动机构的载物台上，形成最终的实体模型。1.3垂直运动机构设计垂直运动机构作为连接悬臂运动机构和水平运动机构的桥梁，虽然结构很简单，但是依旧是不可或缺的一环。Z轴打印行程为Z=120mm，理论精度为0.005mm。Z轴上驱动电机为42步进电机，考虑到应实现整个悬臂运动机构的上下位移，因此步进电机与丝杠的衔接处装设了一个联轴器，该零件可以起到承上启下的作用有着承载能力大、效率高、拆卸方便的优点。丝杠通过连接X轴上X轴底座内部的T8法兰螺母带动Z平面移动。

　　2步进电机型号的选取及计算

　　在打印机的初步设计中，考虑到打印机整体的结构，进行了一系列的计算来最终确定了作为驱动驱动的电动机。作为混合式步进电机，它结合了反应式和永磁式步进电机的优点，选用步进角为1.8°的两相步进电机。从垂直运动机构入手，采用滚轴丝杠来驱动打印机的悬臂，使其实现垂直往复运动。1.3垂直运动机构设计垂直运动机构作为连接悬臂运动机构和水平运动机构的桥梁，虽然结构很简单，但是依旧是不可或缺的一环。Z轴打印行程为Z=120mm，理论精度为0.005mm。Z轴上驱动电机为42步进电机，考虑到应实现整个悬臂运动机构的上下位移，因此步进电机与丝杠的衔接处装设了一个联轴器，该零件可以起到承上启下的作用有着承载能力大、效率高、拆卸方便的优点。丝杠通过连接X轴上X轴底座内部的T8法兰螺母带动Z平面移动。

　　3材料选择

　　对于科技产品而言，金属是不可缺少的一种材料，在传统的制造业当中，金属材料在生产过程中所需时间周期较长，且造成的废弃材料再经回炉重造后也会产生相应的成本。在某些非必要的条件下，这些利用金属材料产生的零件也可用另一种材料来进行替代，若采用3D打印这种快速成型技术则上述问题可在实际中得到一定程度上的解决。针对本文中3D打印机的制作过程，由于连接件数量较多，形状各异，在市场上几乎很难见到，因此我们对这部分零件只能进行“定制”。若要选用传统的金属制造业来制作这部分零件，则需要投入大量财力来进行制作。在投入生产过程当中，不论是利用人力还是自动化的流水线来用各种工艺的制作方法来对其进行制造，都需要考虑因不合格产品所造成利润的降低。而生产出来的零件只针对于这一种打印机来进行使用，也体现出了生产的局限性。若使用打印金属材料的3D打印机来进行该部分零件的的制作，可除去不必要的人力和物力资源，但还是避免不了金属材料造价的昂贵性。而对于面向初学者的桌面级3D打印机来说，在确保打印精度的前提下，可以适当减轻该打印机的重量，那么我们就可以从上述讨论的金属连接件着手来进行考虑。RepRap打印机最常用的材料为的PLA材料，它是一种绿色高分子材料，由PLA材料打印出来的部件平均单拉强度为56.6MPa，平均弹性模量值为3368MPa，从而表明RepRap打印机的部件可以得到相当水平的抗拉强度和弹性模量。而且由PLA打印出产品的手感、光泽度以及耐热性都很好，还具有一定的耐菌性和阻燃性，质量与金属相比更为轻便，价格也在承受范围内。该3D打印机的打印材料在设计时也考虑利用PLA材料，可使打印机在某些连接件磨损后由自身打印出另外一个一模一样的零件来进行更换，也可以复制出另一套自己的零件。节约了大量的人力物力财力。

　　结束语：

　　最后，该打印机部分结构件由3D打印制作而成，因此可以每个人都可以动手去设计这部分零件并自行更换，且结构简单，拆卸较为方便，更有利于面向于初学者进行教学演示，极大的提高了人们的创新思维能力与动手能力。

　　作者：孙博涵