简易3D打印机结构设计

简易3D打印机结构设计

1988年，Scott Crump发明了一种3D打印技术——热熔解积压成形技术（FDM），但价格十分高昂。随着科技的发展，3D打印机种类增多，有些打印机价格也在不断下降，国内的3D打印技术也在快速发展，与发达国家的差距逐步减少，专门从事生产3D打印机的厂家逐渐增多，打印精度可以达到0. 05～0.4mm[2，3]。3D打印机对于一些难加工的异形部件有着传统加工方式难以替代的优势，极大的方便了人们的生活，如何在保证精度的前提下尽量降低成本，一直是科研人员研究的目标。基于此，本文对简易3D打印机的结构设计进行了研究。

2 打印机结构和运动原理

简易3D打印机由底部框架1、立式支架2、伺服电机3、同步齿形带4、滑轨5、送料齿轮6、伺服电机7、推杆8、滑块9、限位块10、顶部框架11、风扇12、喷嘴13构成，如图1。其中立式支架2、伺服电机3、同步齿形带4、滑轨5、滑块9、限位块10和两个推杆8构成一套控制机构，此3D打印机由三套这样的控制机构控制，分别称为X塔、Y塔和Z塔，喷嘴12的运动全部由这3个塔控制。在单个塔对喷嘴运动的控制中，主要可分为两种运动方式。

一种是推杆8和喷头12相对静止，电机3带动同步齿形带4，使滑块9上下移动，最终带动喷嘴12在Z方向上下移动。图1为此3D打印机结构。

第二种是喷嘴12在Z轴的高度不变，只在控制机构所在平面的X轴方向运动，简化模型如图2所示。设定推杆8杆长为C，则C的X轴和Y轴投影分别为B、A，则根据勾股定理A2+ B2=C2，当拉杆运动之后.X轴向投影的增加量为，y轴向投影的增加量为△y。

所以有：

所以运动可以转化为以（-B，A）为圆心，C为半径的圆，当z=O，

y=o时，喷头处于初始位置，圆上的点的坐标意味着当喷嘴水平移动x时，滑块竖直方向需移动的距离y。

而在水平方向上，有3个这样的机构在控制着喷嘴12移动，所以喷嘴的最终移动方向，是由3个方向上的向量叠加而成的，这样控制的运动，精度比两个电机分别控制X、Y方向要更高。

3 工作原理

软件方面需要首先将想要打印的STL三维模型做成.Gcode切片模型，然后连接到打印机，在cura界面调整打印机的参数，让打印机读取切片文件，根据切片文件来形成预定轨迹，按轨迹打印出模型。在硬件方面，由于3D打印机采用了熔融沉积成形技术（FDM）[5，6]，所以在打印之前需要预热喷嘴12。同时加热打印台，防止打印时打印件冷却过早。预热到设定温度后即开始打印。由伺服电机7带动送料齿轮6将PLA耗材通过输料管输送到喷嘴12位置，喷嘴部分将PLA耗材熔化并喷出，由伺服电机3带动同步齿形带4控制3根滑轨上滑块9的位置，滑块9通过与喷嘴12连接的推杆8来控制喷嘴位置，用累加的方法将所需模型堆叠出来，打印完成后，喷嘴12自动回位，由限位块10限制滑块9的位置。图3为3D打印机实物图片，图4为打印成品图。

4 结语

本文分析了3D打印機的结构，在实际操作中，改变软件中设定的B和A的数值与实物数值相匹配，提高了打印机的打印精度和准确性。同时软件设置中层厚和填充率对打印速度都有影响，更小的层厚或更大的填充率会减慢打印速度。同时在打印过程中，需要在打印台上贴一层美纹胶带来提高粘附性，防止翘边。

通过改变这些软件和硬件方面的设置，最终成功地使打印的过程更加流畅。