3D打印机结构设计

王泽昊

摘要：3D打印技术作为个性化商品定制的重要生产手段，其自身的结构和机体的设计代表着该项技术的发展程度，本文基于对开放式3D打印机结构以及封闭式3D打印机结构进行整体分析的前提下，对3D打印机机体外观造型进行了整体的设计，并同时从3D打印机的应用材料、应用软件及打印效果和未来发展趋势上进行了综述。

关键词：3D打印机 结构 造型设计

3D打印机是以三维数字软件模型为基础，运用可加热熔化的塑料线材为原料，通过逐层打印的形式来叠加熔化后的塑料原料，以达到快速成型目的的一种脱离模具生产的三维制作技术。这种通过逐层叠加的方式来制作物件的技术最早出现在上个世纪90年代中后期，即一种利用光固化以及纸层叠等相关技术的快速成型装置。

一、3D打印技术研究的现状

自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM（英文全名为Frequency Division Multiplexing）工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了多种三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到40.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。根据目前我国的3D打印技术的发展研究趋势，国内的3D打印技术研发水平，有望在两到三年内取得欧美等一些国家目前在此领域所达到的研究成果。

二、3D打印机机体创新设计

（一）开放式3D打印机机体结构分析

3D打印机作为一种常见的3D打印机的机种，一直受到众多3D打印技术爱好者的青睐。目前3D打印机的设计一般为开放式和封闭式兩种结构，而开放式3D打印机是目前市场上较为早期的机种。

该3D打印机由框架、X组件、Y平台组件、Z组件、挤出机及热嘴组件、电路控制部分联接组成。X组件由103、104、105、106、107、108、109与挤出机及热嘴组件组成，通过同步带联结，可实现200在光轴105及X轴上往复运动。Y平台组件由115、116、117、118、119、120、121、122、123组成，通过同步带122与电机带轮121联接，可实现平台在光轴120XY方向往复运动。Z组件由102、110、111、112、113、114组成，实现102随电机112、114旋转转动。Z组件102与107、104内部的螺母联接，实现当电机112、114转动时，丝杆102旋转，同时螺母与丝杆的传送联接，X组件整体升降运动，升降运动的精度由精确控制步进电机与步进角脉冲数量确定。104、107内部有轴承与101框架立柱滚动接触，实现X组件升降平稳运动。200由挤出机、X滑座、热嘴组成，X滑座上有同步带卡槽，可收紧同步带装置。由机体X、Y、Z，3组运动进而打印出需求的物件。

（二）封闭式3D打印机机体结构分析

近几年通过对3D打印机机体创新设计的研究，开放式3D打印机正逐渐被封闭式3D打印机所取代。封闭式3D打印机的耗材更换方便，打开机壳顶盖，轻轻按压扳手，即可更换耗材，送丝喉管延伸至主动轮和从动轮相接处的下方，送丝喉管具有导热功能，有效避免了送丝喉管中堵丝现象的发生；通过固定件固定连接杆构成整体立体框架，顶部托架和底部托架固定Z轴滑杆，固定件的定位孔固定Y轴滑杆，沿Y轴滑杆滑动的固定器固定X轴滑杆，Z轴驱动电机固定于立体框架后下方连接杆上，Y轴驱动电机固定于立体框架右后方连接杆上，X轴驱动电机固定于右侧固定器上的设计，降低了三维打印机工作时的振动，提高了产品的打印质量；提高了三维打印机内部的空间利用率，打印范围大；结构简单，组装方便。

（三）3D打印机未来创新趋势

未来随着3D打印技术和商业应用的发展幅度增加，大量的个性化商品定制将逐渐成为小型3D打印机的主要制造对象，这势必衍生出新的3D打印细分产业和新的商业销售模式，在这些综合模式紧密结合的促进下，3D打印技术的发展势必带来的产品技术、制造技术与管理技术的进步，使企业具备快速响应市场需求的能力，特别是形成适应全球市场上丰富多样的客户群，实现远程定制异地设计就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式商业模式等多个方面发生根本性的变化。随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印机的制造技术也必将被推向更高的层面。未来3D打印机的发展，将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要创新趋势。

三、3D打印机的应用性能和效果评估

（一）3D打印机的应用材料

为了确保3D打印机的打印功能，其所选用的材料占有至关重要的地位。既要有适当的熔点，也要有较好的黏滞性，同时更需要达到产品快速成型的目的。ABS和PLA是目前3D打印机所使用的两种最常见的材料。

ABS树脂材料是常见的五大合成树脂材料之一，它在耐热、耐低温、耐化学药性等方面都有着良好的表现，同时ABS材料还易于加工制造各种塑料产品，其特征还表现在易于进行着色处理、喷镀、焊接、热压以及黏结等方面，但ABS材料的相对密度为1.05G/CM3左右，其硬度还不能够应用在所有的工业领域。PLA材料是由聚乳酸所制成，除能生物降解外，它的生物相容性、光泽度、透明性、手感都相对较好，同时它在耐菌性、阻燃性和抗紫外线性方面，也都有良好的表现，它的加工温度一般在200℃左右，由此可见PLA材料具有较低的熔体强度。

（二）3D打印机的效果评估

为保证3D打印机的速度、效率和精度，以及打印过程中的工艺方法，总结出以下3D打印机的产品规格及性能指标，为现阶段3D打印机应用性能评估的参看依据：

打印最大尺寸：252x199x150mm

精密度：极细O.lmm，中细0.2mm，快打0.3mm，喷嘴0.4 mm

电力AC输入电源：100-240V，50-60Hz约1.75A

软件：MakerWare Bundle 2.0，U操作系统Linux （10.04+）， Windows（XP/7），and OSX （10.6+），控制接口USB，Wi-Fi（未来会增加）

支持档案格式：STL，obj，thing，makerbot

材料耗料：PLA树脂

耗料直径：1.75 mm

机械外型大小：490 x 320 x 380 mm（不合耗料轴）/490 x 420 x 380mm（含耗料轴）

打印平台：耐高温硼化玻璃

以3D打印技术为依托的3D打印机正在飞速发展之中，并受到各行各业的高度重视。随着3D打印机未来市场需求的不断扩大，不难推测该产品未来的销售市场将出现异常激烈的竞争局面，在这股巨大的消费浪潮的刺激下，3D打印机的更新与换代的创新发展速度，必将超出现有许多专家的预测。

四、结语

在今天，3D打印机机体体积的小型化、化与低廉的价格、操作简便的软件平台，以及更加适应分布化生产的机械结构和世界设计与制造一体化的需求包含家庭日常应用的需求正在融为一体；在未来，3D打印机软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，同时拓展其在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用，综合这些内容，3D打印技术的创新成果已经近在咫尺。

参考文献：

[1]刘辛军.并联机器人机构新构型设计的探讨[J].中国机械工程，2001，（12）.

[2]刘禹.3D技术、3D打印的中文定名[J].中国科技术语，2013，15（4）.