摘要：

3D打印技術(shù)作為個性化商品定制的重要生產(chǎn)手段，其自身的結(jié)構(gòu)和機(jī)體的設(shè)計代表著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展程度，本文基于對開放式桌面3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)以及封閉式桌面3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析的前提下，對桌面3D打印機(jī)機(jī)體外觀造型進(jìn)行了整體的設(shè)計，并同時從桌面3D打印機(jī)的應(yīng)用材料、應(yīng)用軟件及打印效果和未來發(fā)展趨勢上進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：

桌面3D打印機(jī) 結(jié)構(gòu) 造型設(shè)計

中圖分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069 （2015） 02-0092-03

引言

桌面3D打印機(jī)是以三維數(shù)字軟件模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用可加熱熔化的塑料線材為原料，通過逐層打印的形式來疊加熔化后的塑料原料，以達(dá)到快速成型目的的一種脫離模具生產(chǎn)的三維制作技術(shù)…。這種通過逐層疊加的方式來制作物件的技術(shù)最早出現(xiàn)在上個世紀(jì)90年代中后期，即一種利用光固化以及紙層疊等相關(guān)技術(shù)的快速成型裝置。這種技術(shù)經(jīng)過十多年的不斷更新與修正，在今天已經(jīng)趨于成熟，它與市面上的一些普通3D打印機(jī)的構(gòu)件原理相同，使用塑料線材為材料，再使用3D軟件建模后設(shè)計的數(shù)字物體，通過電腦控制3D打印機(jī)，把塑料打印線材疊加起來，最終把經(jīng)過軟件設(shè)計的三維物體變成實(shí)物。如今這一技術(shù)已成功在一些特定的生活生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)得到使用。

1 3D打印技術(shù)研究的現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM（英文全名為Frequency Division Multiplexing）工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了多種三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到40.2mm；中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。根據(jù)目前我國的3D打印技術(shù)的發(fā)展研究趨勢，國內(nèi)的3D打印技術(shù)研發(fā)水平，有望在兩到三年內(nèi)取得歐美等一些國家目前在此領(lǐng)域所達(dá)到的研究成果。

2 桌面3D打印機(jī)機(jī)體創(chuàng)新設(shè)計

2.1 開放式桌面3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)分析

桌面3D打印機(jī)作為一種常見的3D打印機(jī)的機(jī)種，一直受到眾多3D打印技術(shù)愛好者的青睞。目前桌面3D打印機(jī)的設(shè)計一般為開放式和封閉式兩種結(jié)構(gòu)，而開放式桌面3D打印機(jī)是目前市場上較為早期的機(jī)種。

如圖1所示：該桌面3D打印機(jī)由框架、X組件、Y平臺組件、Z組件、擠出機(jī)及熱嘴組件、電路控制部分聯(lián)接組成。X組件由103、104、105、106、107、108、109與擠出機(jī)及熱嘴組件組成，通過同步帶聯(lián)結(jié)，可實(shí)現(xiàn)200在光軸105及X軸上往復(fù)運(yùn)動。Y平臺組件由115、116、117、118、119、120、121、122、123組成，通過同步帶122與電機(jī)帶輪121聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)平臺在光軸120XY方向往復(fù)運(yùn)動。Z組件由102、110、111、112、113、114組成，實(shí)現(xiàn)102隨電機(jī)112、114旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。Z組件102與107、104內(nèi)部的螺母聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)112、114轉(zhuǎn)動時，絲桿102旋轉(zhuǎn)，同時螺母與絲桿的傳送聯(lián)接，X組件整體升降運(yùn)動，升降運(yùn)動的精度由精確控制步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)角脈沖數(shù)量確定。104、107內(nèi)部有軸承與101框架立柱滾動接觸，實(shí)現(xiàn)X組件升降平穩(wěn)運(yùn)動。200由擠出機(jī)、X滑座、熱嘴組成，X滑座上有同步帶卡槽，可收緊同步帶裝置。由機(jī)體X、Y、Z，3組運(yùn)動進(jìn)而打印出需求的物件。

2.2 封閉式桌面3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)分析

近幾年通過對桌面3D打印機(jī)機(jī)體創(chuàng)新設(shè)計的研究，開放式桌面3D打印機(jī)正逐漸被封閉式桌面3D打印機(jī)所取代。在使用更為先進(jìn)的封閉式桌面3D打印機(jī)時，需先將耗材穿過機(jī)殼引入三維打印機(jī)內(nèi)部，這種機(jī)型整體外觀簡潔美觀，結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理。

如圖2所示：該封閉式桌面3D打印機(jī)的耗材更換方便，打開機(jī)殼頂蓋，輕輕按壓扳手，即可更換耗材，送絲喉管延伸至主動輪和從動輪相接處的下方，送絲喉管具有導(dǎo)熱功能，有效避免了送絲喉管中堵絲現(xiàn)象的發(fā)生；通過固定件固定連接桿構(gòu)成整體立體框架，頂部托架和底部托架固定Z軸滑桿，固定件的定位孔固定Y軸滑桿，沿Y軸滑桿滑動的固定器固定X軸滑桿，Z軸驅(qū)動電機(jī)固定于立體框架后下方連接桿上，Y軸驅(qū)動電機(jī)固定于立體框架右后方連接桿上，X軸驅(qū)動電機(jī)固定于右側(cè)固定器上的設(shè)計，降低了三維打印機(jī)工作時的振動，提高了產(chǎn)品的打印質(zhì)量；提高了三維打印機(jī)內(nèi)部的空間利用率，打印范圍大；結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便。

2.3 桌面3D打印機(jī)未來創(chuàng)新趨勢

現(xiàn)階段針對小型桌面3D打印機(jī)這種產(chǎn)品，國內(nèi)的一些科技企業(yè)逐漸已經(jīng)具備了從研發(fā)到生產(chǎn)的能力，并且由于目前3D打印機(jī)技術(shù)的公開以及不斷普及，一些規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)較為領(lǐng)先的小型企業(yè)，不斷充實(shí)自己的科研團(tuán)隊(duì)，以先進(jìn)國外技術(shù)為參照，技術(shù)創(chuàng)新水平不斷攀升，特別是在對桌面3D打印機(jī)機(jī)體的設(shè)計創(chuàng)新上，更是在世界3D打印技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地，而且一些較為成功的產(chǎn)品還遠(yuǎn)銷到東南亞及歐美等一些國家和地區(qū)。

未來隨著3D打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展幅度增加，大量的個性化商品定制將逐漸成為小型桌面3D打印機(jī)的主要制造對象，這勢必衍生出新的3D打印細(xì)分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)銷售模式，在這些綜合模式緊密結(jié)合的促進(jìn)下，3D打印技術(shù)的發(fā)展勢必帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進(jìn)步，使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力，特別是形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客戶群，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定制異地設(shè)計就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模式商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，桌面3D打印機(jī)的制造技術(shù)也必將被推向更高的層面。未來桌面3D打印機(jī)的發(fā)展，將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要創(chuàng)新趨勢，如圖3所示。

3 桌面3D打印機(jī)的應(yīng)用性能和效果評估

3.1 桌面3D打印機(jī)的應(yīng)用材料

為了確保桌面3D打印機(jī)的打印功能，其所選用的材料占有至關(guān)重要的地位。既要有適當(dāng)?shù)娜埸c(diǎn)，也要有較好的黏滯性，同時更需要達(dá)到產(chǎn)品快速成型的目的。ABS（英文全名為acrylonitrile-butadiene-styrenecopolymer）和PLA（英文全名為polylactic acid）是目前桌面3D打印機(jī)所使用的兩種最常見的材料。

ABS樹脂材料是常見的五大合成樹脂材料之一，它在耐熱、耐低溫、耐化學(xué)藥性等方面都有著良好的表現(xiàn)，同時ABS材料還易于加工制造各種塑料產(chǎn)品，其特征還表現(xiàn)在易于進(jìn)行著色處理、噴鍍、焊接、熱壓以及黏結(jié)等方面，但ABS材料的相對密度為1.05G/CM3左右，其硬度還不能夠應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。帶有生物環(huán)保材料特征的PLA材料，也是另外常見的桌面3D打印機(jī)材料之一，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、光澤度、透明性、手感都相對較好，同時它在耐菌性、阻燃性和抗紫外線性方面，也都有良好的表現(xiàn)，它的加工溫度一般在200℃左右，由此可見PLA材料具有較低的熔體強(qiáng)度。綜合來看PLA和ABS材料這兩者都存在相對的缺點(diǎn)，如PLA較低的軟化溫度，以及ABS的硬度不夠等缺憾?；谀壳斑@種情況，市場上已經(jīng)研究出另外幾種適用于3D打印機(jī)的新材料，如碳纖維強(qiáng)化PLA材料，高溫型復(fù)合PLA材料，以及聚碳酸酯合成ABS材料等。碳纖維強(qiáng)化PLA又名碳纖維增強(qiáng)聚乳酸，該材料堅硬且耐彎曲。高溫型復(fù)合PLA是由礦物質(zhì)填充組成的改良性PLA與成核劑混合而成，具有耐高溫與強(qiáng)密度兩種顯著的特征。由聚碳酸酯和ABS合成的可塑性塑膠，它結(jié)合了兩種材料的優(yōu)異特性，正在逐漸取代市場上3D打印機(jī)所用的ABS材料。

隨著現(xiàn)階段3D打印機(jī)材料技術(shù)更新的加快，更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是復(fù)合金屬材料的直接成型技術(shù)，已經(jīng)成為了今后桌面3D打印機(jī)應(yīng)用研究的一個新的熱點(diǎn)。

3.2 桌面3D打印機(jī)的應(yīng)用軟件技術(shù)

基于目前3D打印技術(shù)民用化普及的趨勢，桌面3D打印機(jī)的軟件設(shè)計平臺，正從專業(yè)設(shè)計軟件向更為簡單的操作界面及應(yīng)用內(nèi)容上發(fā)展，其中比較成熟的平臺有基于互聯(lián)網(wǎng)的3D設(shè)計平臺3DTin，另外微軟、谷歌以及其他軟件行業(yè)巨頭，也相繼推出了各種開放平臺的3D打印機(jī)應(yīng)用軟件，這些行業(yè)動作都大大降低了3D設(shè)計的門檻，甚至有的應(yīng)用已經(jīng)可以讓普通用戶通過類似玩樂高積木的方式設(shè)計3D模型。跟隨著目前硬件技術(shù)的強(qiáng)勢發(fā)展趨勢，軟件技術(shù)也在日新月異的不斷更新?lián)Q代中。

4 桌面3D打印機(jī)的效果評估

為保證桌面3D打印機(jī)的速度、效率和精度，以及打印過程中的工藝方法，提高打印成品的質(zhì)量，針對目前市場上的桌面3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和物理性能，總結(jié)出以下桌面3D打印機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格及性能指標(biāo)，為現(xiàn)階段桌面3D打印機(jī)應(yīng)用性能評估的參看依據(jù)：

打印最大尺寸：252x199x150mm

精密度：極細(xì)O.lmm，中細(xì)0.2mm，快打0.3mm，噴嘴0.4 mm

電力AC輸入電源：100-240V，50-60Hz約1.75A

軟件：MakerWare Bundle 2.0，U操作系統(tǒng)Linux （10.04+）， Windows（XP/7），and OSX （10.6+），控制接口USB，Wi-Fi（未來會增加）

支持檔案格式：STL，obj，thing，makerbot

材料耗料：PLA樹脂

耗料直徑：1.75 mm

機(jī)械外型大?。?90 x 320 x 380 mm（不合耗料軸）/490 x 420 x 380mm（含耗料軸）

打印平臺：耐高溫硼化玻璃

以3D打印技術(shù)為依托的桌面3D打印機(jī)正在飛速發(fā)展之中，并受到各行各業(yè)的高度重視。隨著桌面3D打印機(jī)未來市場需求的不斷擴(kuò)大，不難推測該產(chǎn)品未來的銷售市場將出現(xiàn)異常激烈的競爭局面，在這股巨大的消費(fèi)浪潮的刺激下，桌面3D打印機(jī)的更新與換代的創(chuàng)新發(fā)展速度，必將超出現(xiàn)有許多專家的預(yù)測。如圖4所示，就是兩款假設(shè)可被進(jìn)行推廣的封閉式桌面3D打印機(jī)外觀模型。

結(jié)語

在今天，3D打印機(jī)機(jī)體體積的小型化、桌面化與低廉的價格、操作簡便的軟件平臺，以及更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和世界設(shè)計與制造一體化的需求包含家庭日常應(yīng)用的需求正在融為一體；在未來，3D打印機(jī)軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，并使設(shè)計者可以直接應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程在線制造，同時拓展其在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用，綜合這些內(nèi)容，毫無疑問3D打印技術(shù)的創(chuàng)新成果已經(jīng)近在咫尺。

2014年河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目，桌面3D打印產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，№13 2107000072

2013年河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研究項(xiàng)目，機(jī)場地勤人員頭盔與UI交互設(shè)計研究，№148590001

2014年鄭州市普通科技攻關(guān)計劃研究項(xiàng)目，小型3D打印機(jī)產(chǎn)品組的建模與實(shí)踐設(shè)計研究，№141PPTGG362

2014年鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目：鄭航3D打印機(jī)產(chǎn)品設(shè)計與建模實(shí)踐研究，№2014142002w