王澤昊

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)和機體的設計代表著該項技術(shù)的發(fā)展程度，本文基于對開放式3D打印機結(jié)構(gòu)以及封閉式3D打印機結(jié)構(gòu)進行整體分析的前提下，對3D打印機機體外觀造型進行了整體的設計，并同時從3D打印機的應用材料、應用軟件及打印效果和未來發(fā)展趨勢上進行了綜述。

關(guān)鍵詞：3D打印機 結(jié)構(gòu) 造型設計

3D打印機是以三維數(shù)字軟件模型為基礎，運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。

一、3D打印技術(shù)研究的現(xiàn)狀

自20世紀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)。清華大學在現(xiàn)代成型學理論、分層實體制造、FDM（英文全名為Frequency Division Multiplexing）工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了多種三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料，成型精度達到40.2mm；中國科技大學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)域所達到的研究成果。

二、3D打印機機體創(chuàng)新設計

（一）開放式3D打印機機體結(jié)構(gòu)分析

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

該3D打印機由框架、X組件、Y平臺組件、Z組件、擠出機及熱嘴組件、電路控制部分聯(lián)接組成。X組件由103、104、105、106、107、108、109與擠出機及熱嘴組件組成，通過同步帶聯(lián)結(jié)，可實現(xiàn)200在光軸105及X軸上往復運動。Y平臺組件由115、116、117、118、119、120、121、122、123組成，通過同步帶122與電機帶輪121聯(lián)接，可實現(xiàn)平臺在光軸120XY方向往復運動。Z組件由102、110、111、112、113、114組成，實現(xiàn)102隨電機112、114旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。Z組件102與107、104內(nèi)部的螺母聯(lián)接，實現(xiàn)當電機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組件整體升降運動，升降運動的精度由精確控制步進電機與步進角脈沖數(shù)量確定。104、107內(nèi)部有軸承與101框架立柱滾動接觸，實現(xiàn)X組件升降平穩(wěn)運動。200由擠出機、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。由機體X、Y、Z，3組運動進而打印出需求的物件。

（二）封閉式3D打印機機體結(jié)構(gòu)分析

近幾年通過對3D打印機機體創(chuàng)新設計的研究，開放式3D打印機正逐漸被封閉式3D打印機所取代。封閉式3D打印機的耗材更換方便，打開機殼頂蓋，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)動電機固定于立體框架后下方連接桿上，Y軸驅(qū)動電機固定于立體框架右后方連接桿上，X軸驅(qū)動電機固定于右側(cè)固定器上的設計，降低了三維打印機工作時的振動，提高了產(chǎn)品的打印質(zhì)量；提高了三維打印機內(nèi)部的空間利用率，打印范圍大；結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便。

（三）3D打印機未來創(chuàng)新趨勢

未來隨著3D打印技術(shù)和商業(yè)應用的發(fā)展幅度增加，大量的個性化商品定制將逐漸成為小型3D打印機的主要制造對象，這勢必衍生出新的3D打印細分產(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)的進步，使企業(yè)具備快速響應市場需求的能力，特別是形成適應全球市場上豐富多樣的客戶群，實現(xiàn)遠程定制異地設計就地生產(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)等不斷被廣泛應用到制造領(lǐng)域，3D打印機的制造技術(shù)也必將被推向更高的層面。未來3D打印機的發(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。

三、3D打印機的應用性能和效果評估

（一）3D打印機的應用材料

為了確保3D打印機的打印功能，其所選用的材料占有至關(guān)重要的地位。既要有適當?shù)娜埸c，也要有較好的黏滯性，同時更需要達到產(chǎn)品快速成型的目的。ABS和PLA是目前3D打印機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，其硬度還不能夠應用在所有的工業(yè)領(lǐng)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度。

（二）3D打印機的效果評估

為保證3D打印機的速度、效率和精度，以及打印過程中的工藝方法，總結(jié)出以下3D打印機的產(chǎn)品規(guī)格及性能指標，為現(xiàn)階段3D打印機應用性能評估的參看依據(jù)：

打印最大尺寸：252x199x150mm

精密度：極細O.lmm，中細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3D打印機正在飛速發(fā)展之中，并受到各行各業(yè)的高度重視。隨著3D打印機未來市場需求的不斷擴大，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，在這股巨大的消費浪潮的刺激下，3D打印機的更新與換代的創(chuàng)新發(fā)展速度，必將超出現(xiàn)有許多專家的預測。

四、結(jié)語

在今天，3D打印機機體體積的小型化、化與低廉的價格、操作簡便的軟件平臺，以及更加適應分布化生產(chǎn)的機械結(jié)構(gòu)和世界設計與制造一體化的需求包含家庭日常應用的需求正在融為一體；在未來，3D打印機軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，同時拓展其在生物醫(yī)學、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應用，綜合這些內(nèi)容，3D打印技術(shù)的創(chuàng)新成果已經(jīng)近在咫尺。

參考文獻：

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