唐凌　姜山　許文巍　夏娟

摘 要 鑒于當(dāng)前人們對3D打印技術(shù)的多樣化需求，以及結(jié)合目前市場上或者國外進(jìn)口的3D打印機(jī)的價格較高，無法對其進(jìn)行廣泛的推廣與應(yīng)用，就導(dǎo)致3D打印機(jī)技術(shù)的發(fā)展面臨一定的阻礙，現(xiàn)提出一種能夠家庭化、普遍化，并且基于三自由度懸臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)研究方案。而本文就是在普通3D打印機(jī)的工作原理上運(yùn)用三自由度的懸臂式結(jié)構(gòu)以及一款適用于家庭化桌面3D打印分層軟件的系統(tǒng)相結(jié)合而設(shè)計出的一款合乎一般家庭所需的新型桌面3D打印機(jī)。這款3D打印機(jī)在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)擴(kuò)大了打印的范圍，軟件上的設(shè)計使得操作界面更加友好、人性化，兩者的結(jié)合也令整機(jī)的規(guī)格略有縮小、成本降低，總體上能夠滿足大多數(shù)工薪家庭或者個人、企業(yè)對性價比的需求。

關(guān)鍵詞 多樣化需求 懸臂式 家庭化 3D打印機(jī) 性價比

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.020

Research on Home Based 3D Printer

TANG Ling， JIANG Shan， XU Wenwei， XIA Juan

（College of Machinery and Automation， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430081）

Abstract In view of the current diversified demand for 3D printing technology， and combined with the current market or foreign imports of 3D printers higher prices， cannot be widely popularization and application of the 3D technology have led to the development of printer face some obstacles， we put forward a family and generalized， and based on the 3D printer scheme of three degree of freedom mechanical cantilever structure. But this paper is the working principle of ordinary 3D printer using a cantilever structure with three degrees of freedom and a system applicable to the family of desktop 3D printing layered combination of software and the design of a new desktop 3D printer is generally required for family. The improvement in the structure of the 3D printer to expand the range of printing， the design of the software makes the interface more friendly and humane， the combination of the two makes the specification slightly reduced， cost is reduced， the overall demand for the price can meet the most working families or individuals， enterprises.

Keywords diversified demand； cantilever type； family； 3D printer； cost performance

0 引言

近年來，3D打印技術(shù)在各個制造領(lǐng)域得到了長足發(fā)展，并逐漸成為未來制造業(yè)重要技術(shù)之一的引領(lǐng)者，作為以三維數(shù)字軟件模型為基礎(chǔ)的快速成型系統(tǒng)，目前的發(fā)展態(tài)勢也在漸漸影響并改變著傳統(tǒng)的加工制造業(yè)。因為無需任何繁瑣復(fù)雜的機(jī)械加工過程以及多種多樣的模具，就能夠直接通過計算機(jī)輔助，經(jīng)由其中的圖形數(shù)據(jù)間接生成我們所想要的任何形狀的物體，所以無論在那個領(lǐng)域，從航空、船舶到汽車、儀器，從機(jī)器配件到家用玩具，大大小小的領(lǐng)域都有可能會用到3D快速成型技術(shù)。[1]但是，由于國內(nèi)對于生產(chǎn)3D打印機(jī)的成本或是從國外進(jìn)口的價格均相對較高而言，僅僅一臺普通的3D打印機(jī)動輒上萬元，對于一般的中小型企業(yè)或者對此相當(dāng)感興趣的家庭都具有一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。中小企業(yè)不愿批量購入、普通家庭又嫌棄性價比不高，因此就在一定程度上制約了3D打印技術(shù)在民間以及大眾企業(yè)間的推廣和傳播，也在一定程度上阻礙了它的技術(shù)發(fā)展。鑒于以上種種，基于家庭化桌面3D打印技術(shù)，對其基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)和上位機(jī)控制軟件做一定的融合，具體為運(yùn)用三自由度的懸臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合桌面3D打印分層技術(shù)設(shè)計出一款適用于家庭化使用的經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)。填補(bǔ)市場上對低成本并具備相應(yīng)打印要求的3D打印機(jī)的市場空白，滿足普通大眾以及中小企業(yè)對它的迫切需求。[2]

1 家庭化3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，3D打印技術(shù)正在逐漸突破傳統(tǒng)機(jī)械加工制造業(yè)的桎梏，成為現(xiàn)階段新興制造業(yè)的熱門加工制造技術(shù)，其快速加工成型能夠滿足大多數(shù)企業(yè)或者個人的實際需求，具有一定的推廣價值。并且，將其快速成型技術(shù)運(yùn)用到我們的日常生活當(dāng)中，特別是家庭化生活中一定能夠帶來非常大的便利，將科技運(yùn)用于服務(wù)，也正是我國大力發(fā)展科技的最終目標(biāo)。有時候，家庭中小孩兒玩的玩具或者我們常見的一些工具需要臨時使用，而他們造型大都不會很簡單，通過傳統(tǒng)的人工單件加工會非常繁瑣，直接在市場上購買操作上不方便，經(jīng)濟(jì)上又不是特別合適，所以就可能會用到家庭化的3D打印技術(shù)，利用家庭化桌面3D打印機(jī)能夠很快并且很方便地制造出我們所需要的物品，如果加工材料選擇合適，加工出來的物體的各方面性能也能夠滿足使用者的要求，在這個親身體會加工的過程中也能夠為操作者甚至是家中的小孩帶來運(yùn)用科學(xué)技術(shù)的樂趣。但是現(xiàn)有家庭化3D打印機(jī)的售價對于大多數(shù)中等左右收入的家庭來說勉強(qiáng)可以承受，為未來普及更多中下等收入的家庭由于種種目的需要購入一臺3D打印機(jī)的實際需求，就對市場上現(xiàn)有的桌面3D打印機(jī)做適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其生產(chǎn)成本降低以便能夠滿足絕大多數(shù)家庭甚至個人能夠隨心購買的經(jīng)濟(jì)需求。[3]

而國內(nèi)外對3D打印機(jī)的研究也不盡相同。國外的許多打印機(jī)版本是開源的，并且在其網(wǎng)絡(luò)上就提供了全套免費(fèi)的源代碼、機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙以及電路控制原理圖等，其算法的更新?lián)Q代也比較快，運(yùn)行效率比較高，能夠滿足其本國國民的現(xiàn)實需要。鑒于此，國內(nèi)的家庭化桌面3D打印機(jī)發(fā)展也是日益加強(qiáng)，因此近年來國內(nèi)也是涌現(xiàn)出了各種版本的開源3D打印機(jī)。但是兩邊相比較的話，國內(nèi)大多數(shù)的企業(yè)僅僅對國外的源代碼以及計算機(jī)界面做了簡單的漢化，缺乏自己的核心技術(shù)支撐或是創(chuàng)新性的改動。因此就以上種種問題特提取幾種不同打印機(jī)中的結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)做創(chuàng)造性糅合以及改進(jìn)，以達(dá)到更加家庭化、低成本的目的。[4]

2 3D打印技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前，3D打印機(jī)的設(shè)計有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別是開放式和封閉式的結(jié)構(gòu)，其中處于市場較為早期的一款結(jié)構(gòu)形式的機(jī)種是開放式的。通過各位科研工作者近幾年對3D打印技術(shù)的深入研究，開放式結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)正在逐漸退出市場，封閉式結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)漸漸興起，一場有關(guān)3D打印技術(shù)的革新也是愈來愈火熱。[5]

2.1 工作原理

不少人都了解，快速成型技術(shù)本身也可以叫做3D打印技術(shù)，它是以虛擬數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用熱熔材料熔點(diǎn)低以及可以快速成型的特點(diǎn)，通過材料擠出機(jī)構(gòu)中終端噴頭加熱以及擠出機(jī)的擠壓作用，將打印材料以非常細(xì)的絲狀物形態(tài)擠出，再根據(jù)在計算機(jī)系統(tǒng)界面先前編程好的打印路徑逐層“打印”，經(jīng)過一定時間的積累，最終得到自己預(yù)期中的產(chǎn)品。

整個3D打印機(jī)的系統(tǒng)由兩個部分組成：上位機(jī)和3D打印機(jī)。其中，上位機(jī)的作用主要是兩個：模型的設(shè)計和模型的三維切片。也就是說，3D打印機(jī)通常是根據(jù)計算機(jī)上所事先設(shè)計好的控制指令按照特定的路徑逐層打印，從而完成所需要的作品。[6]其中，事先設(shè)計好的3D模型是進(jìn)行3D打印工作的基礎(chǔ)，一般情況下，通常用二維或者三維軟件AutoCAD、SolidWorks等設(shè)計出來并存儲為STL或SLA等文件格式。同時，在設(shè)計出自己所需要的3D模型后還要進(jìn)行檢驗，即檢查所要進(jìn)行打印工作的模型大小是否符合現(xiàn)有3D打印機(jī)的尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，如果發(fā)現(xiàn)不是特別匹配，則需要對模型尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷囊员銤M足要求。

而為了達(dá)到3D打印機(jī)應(yīng)該有的快速成型效果，在其打印開始之前，首先需要選用合適的切片軟件對模型進(jìn)行切片處理。在完成切片工作之后，則需要利用這款切片軟件將切后的物體形狀、尺寸等有關(guān)信息翻譯成3D打印機(jī)所能夠識別的G代碼指令，方便打印機(jī)的正常打印操作（圖1）。[7]

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

市場上現(xiàn)有的打印機(jī)中存在兩種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分別是龍門式以及懸臂式，作為3D打印機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，考慮到兩種結(jié)構(gòu)形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性，就龍門式結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)空間受限的問題，現(xiàn)選擇懸臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中懸臂式3D機(jī)械結(jié)構(gòu)由四個部分組成，包括：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)、垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)、水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)、材料擠出機(jī)構(gòu)，并且每一個部分都自帶一個單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動。[8]其中，材料擠出機(jī)構(gòu)安裝在3D打印機(jī)的打印頭上，并利用熔融材料在擠出機(jī)構(gòu)內(nèi)部中滾輪和伺服電機(jī)齒輪之間的相互嚙合作用對熔融材料進(jìn)行進(jìn)給和撤出。由于懸臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊運(yùn)動方式，即材料的打印成型主要依賴豎直方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和水平方向的直線運(yùn)動共同實現(xiàn)，這種運(yùn)動方式相比于傳統(tǒng)的龍門式機(jī)械結(jié)構(gòu)少了一條水平面的運(yùn)動導(dǎo)軌，如此的話就不會受到打印空間的制約，打印范圍更大。

具體的機(jī)構(gòu)組成為：擠出機(jī)構(gòu)上的打印頭通過打印頭上的固定件與水平導(dǎo)軌滑塊連接起來，而水平導(dǎo)軌滑塊則通過滾珠絲杠螺母副的方式與水平導(dǎo)軌連接起來，并由伺服電動機(jī)來驅(qū)動，使打印頭能夠左右水平移動，這些裝置的組合就構(gòu)成了懸臂式3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的懸臂裝置，同時也滿足了其圓柱坐標(biāo)系中的半徑參數(shù)；同樣的，用連接板將上述的懸臂裝置通過垂直導(dǎo)軌滑塊與垂直導(dǎo)軌機(jī)械連接起來并由一臺單獨(dú)的垂直伺服電機(jī)來驅(qū)動，令整個懸臂裝置能夠上下移動，這便構(gòu)成了圓柱坐標(biāo)系中的豎直參量；然后，用支撐架和機(jī)構(gòu)的底座旋轉(zhuǎn)裝置將垂直導(dǎo)軌連接并用另一臺單獨(dú)的底部旋轉(zhuǎn)軸伺服電機(jī)來驅(qū)動垂直導(dǎo)軌和懸臂裝置一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這便構(gòu)建起圓柱坐標(biāo)系的弧度參量。[9]至此，整個3D打印機(jī)綜合以上的三個機(jī)械結(jié)構(gòu)就建立起了一個同時具備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、水平移動和上下移動的三自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)對于任何機(jī)構(gòu)而言都是屬于大腦級別的地位，所以控制系統(tǒng)作為3D打印機(jī)的核心亦是相當(dāng)于它的“大腦”，在計算機(jī)接收到從切片軟件中事先設(shè)計好的優(yōu)化G代碼指令后，緊接著計算機(jī)就會對其進(jìn)行全面分析，并由計算機(jī)制定路徑再控制伺服電機(jī)按照設(shè)定好的路徑移動，最后進(jìn)行預(yù)期的打印任務(wù)，完成成品的打印。[10]這里的控制系統(tǒng)采用mega2560作為主控芯片，其中零位傳感器安裝在X、Y、Z軸的末端，用于初始化坐標(biāo)系，確定電機(jī)移動的最大范圍；伺服電機(jī)的驅(qū)動模塊則是驅(qū)動打印機(jī)的噴頭按照計算機(jī)設(shè)定好的路徑進(jìn)行運(yùn)動；WiFi模塊的重點(diǎn)則是控制數(shù)據(jù)的無線傳輸，令其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線控制；噴頭溫度控制模塊主要控制單頭電熱管兩端的電壓以便能夠間接控制噴頭的溫度，實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度的功能，使噴頭的溫度穩(wěn)定在預(yù)期的設(shè)定值，以使得打印材料能夠快速熔融成型；[11]最后，熱床加熱模塊則是通過加熱電路使熱床具備一定的溫度從而令打印的材料能夠完整的附著在熱床上，方便打印加工，總的來說跟噴頭溫度的控制模塊非常相似（圖2）。[12]

4 交互式界面設(shè)計

就桌面級經(jīng)濟(jì)型的3D打印機(jī)而言，為了使其能夠家庭化，就必須令它滿足這幾個條件：（1）具備收入在中下等的家庭都可以接受的價格；（2）規(guī)格上不能太大，買回來的整機(jī)能夠擺放在家里一張普通規(guī)格的桌子上既可；（3）企業(yè)購買3D打印機(jī)是為了令其產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價值，滿足一定的盈利要求，但家庭購買大都是為了娛樂或者教育等因素，所以就要求能夠打印一些外形比較復(fù)雜的模型，并且軟件本身還要具備較高的穩(wěn)定性，以免影響用戶的體驗，總的來說就是打印能力要到位；[13]（4）最后一個便是易上手，普通家庭購入后不同于企業(yè)有專人培訓(xùn)以及專人使用、維護(hù)，普通家庭的話，可能每一位成員都會有使用的可能，對于其中的各種參數(shù)設(shè)定、界面理解都要能夠很快適應(yīng)，也就是說對于一位新手用戶而言能夠在一定時間內(nèi)理解并學(xué)會“傻瓜式”打印操作。

考慮到家庭化桌面3D打印機(jī)從模型建立到成品的完成所要經(jīng)歷的步驟以及結(jié)合上述的四個條件，對于這款桌面級的家庭化低成本3D打印機(jī)的控制軟件界面的設(shè)計方案如下：對于一款家庭化3D打印機(jī)而言，人機(jī)交互的界面一定要“友好”，而這款軟件的主界面分別由標(biāo)題欄、文字菜單、快捷菜單、主視圖區(qū)、整體信息顯示區(qū)、概要信息顯示區(qū)六個小的區(qū)域組成，標(biāo)題欄位于最上方，用于顯示文件名稱等信息；文字菜單緊挨著標(biāo)題欄之下，這菜單提供了大多數(shù)軟件操作界面的具有的最基本操作選項，包括：新建、打開、保存、分層、填充、視圖、模型、G代碼，依次排列并且操作簡便；而在主視圖區(qū)域，利用鼠標(biāo)的滾輪可以實現(xiàn)對界面的實時縮放以及模型的任意旋轉(zhuǎn)；在左側(cè)的快捷菜單欄，顧名思義就是提供給用戶熟悉操作流程后實現(xiàn)快速操作的作用；右側(cè)的概要信息與快捷菜單欄對稱安置，其中概要信息包括主視圖、俯視圖、右視圖的視圖切換以及模型尺寸、面片數(shù)目、分層厚度、層數(shù)、填充間距和路徑數(shù)等模型的主要信息，而這一欄也是提供給用戶更加直觀了解模型各種參數(shù)的地方；整個操作界面提供給了用戶幾乎絕大多數(shù)有用的信息，對于用戶而言，界面中的每一個功能區(qū)不一定都會用到，但起碼提供給了用戶選擇的可能性，去挑選對自己有價值的信息。

5 結(jié)論

針對家用經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，本文創(chuàng)新性地將三自由度懸臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合桌面3D打印機(jī)的控制軟件和系統(tǒng)設(shè)計出一款適用于絕大多數(shù)對3D打印機(jī)感興趣的家庭，無論其收入高低。而對于今天在3D打印機(jī)這個廣闊的市場上，隨著整機(jī)規(guī)格逐漸縮小的同時，價格也一直只居高不下，難以滿足大部分家庭甚至是企業(yè)的經(jīng)濟(jì)上限。隨著社會的進(jìn)步，科技的進(jìn)步，3D打印這門新型的技術(shù)產(chǎn)業(yè)只會愈來愈火熱，愈來愈能夠為平民大眾帶來便利，3D打印的市場也會隨之?dāng)U大，所以就不能夠讓高成本成為制約3D打印技術(shù)發(fā)展的桎梏。于是考慮到這種情況，對現(xiàn)有家庭化3D打印機(jī)進(jìn)行一定程度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化勢在必行。同時，由于3D打印技術(shù)的日漸成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了能夠使使用者直接應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操作打印機(jī)的功能，并且能夠打印出來的物品也是越來越多樣化，越來越能夠滿足各種領(lǐng)域的需要，已在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等眾多領(lǐng)域嶄露頭角，所以基于以上種種情況，3D打印技術(shù)的革新會越來越受到各界的重視。

基金項目：國家級創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201610488005）：一種新型3D打印機(jī)設(shè)計與分析

參考文獻(xiàn)

[1] 張自強(qiáng)，王占禮，陳延偉，等.基于FDM3D打印機(jī)三噴嘴擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計，2016（11）：56-59.

[2] 韓善靈，李志勇，肖宇，等.熔融沉積成型3D打印機(jī)混色裝置的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2015（11）：116-118.

[3] 陳鵬，劉焱，梅永亮. FDM桌面3D打印機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，2017（2）：126-128.

[4] 程偉，李向陽，戴俊平，等.基于Arduino桌面級折疊3D打印機(jī)的設(shè)計[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016.29（4）：97-99.

[5] 葛慶，汪崟.基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)擠出機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016.39（22）：100-103.

[6] 鄧鋼鋒.工業(yè)級3D打印機(jī)調(diào)研[J].機(jī)械工程師，2014（12）：134-136.

[7] 鄭鯤.國產(chǎn)桌面級3D打印機(jī)設(shè)計評價——以FDM式3D打印機(jī)為例[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（10）：92-92.

[8] 王振華，薛嚴(yán)冰，許琳娜.基于STM32的立體式3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017.36（3）：130-134.

[9] 夏清，周兵，林展帆.基于Arduino的并聯(lián)FDM式3D打印機(jī)的軟硬件實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017.36（6）：158-162.

[10] 趙寒濤，董莘，吳岡，等.熔融沉積式工業(yè)3D打印機(jī)的研制及其程序?qū)崿F(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2016.35（9）：122-126.

[11] 管放，葛天成，劉利.仿真醫(yī)學(xué)模型3D打印機(jī)人機(jī)界面設(shè)計[J].機(jī)電一體化，2016.22（4）：53-55.

[12] 王淼軍，韋海成，肖明霞，等.基于Arduino的3D打印機(jī)熱床自平衡調(diào)節(jié)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017.40（12）：108-112.

[13] 冉蓓，張廣潮.工業(yè)設(shè)計中快速成型技術(shù)的應(yīng)用[J].設(shè)計，2015（14）：145-148.