廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 蘇秋仁

廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 李深旺

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局 張慶瑩

3D打印是一種通過逐層打印方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。本文通過研究3D打印一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、斷料自檢測(cè)技術(shù)、斷電續(xù)打技術(shù)、噪聲抑制技術(shù)等，形成3D打印機(jī)小型化、一體化、智能化、實(shí)用化的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域中快速成型和打印的需求。

1 3D打印

3D打印也稱為增材制造工藝，其基本原理為：構(gòu)建實(shí)物的3D數(shù)字模型，形成輸入文件，打印機(jī)以粉末狀金屬或塑料等可粘合材料作為打印材料，采用逐層打印的方式構(gòu)建出實(shí)際產(chǎn)品。可見，3D打印機(jī)則是將真實(shí)的原材料（如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層，然后不斷重復(fù)一層層疊加，最終變成空間實(shí)物。被廣泛用在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程、汽車，航空、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印具有無限的設(shè)計(jì)空間、零制造技能要求、個(gè)性化設(shè)計(jì)與定制、材料組合方式多樣等優(yōu)點(diǎn)。目前3D打印技術(shù)主要分為SLA立體光固化成型技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、LOM層疊法成形技術(shù)、FDM熔積成型技術(shù)等。

科研創(chuàng)新活動(dòng)往往需要新零件、新設(shè)備來輔助研究。新零件設(shè)備往往具有時(shí)效性強(qiáng)、非標(biāo)準(zhǔn)、非量產(chǎn)等特點(diǎn)，由于制造工藝復(fù)雜、制造成本高、制造周期長(zhǎng)，往往“自己不能造、廠家不愿造”，陷入“缺設(shè)備、等設(shè)備”的困境?？蒲腥藛T把大量精力放在制造新零件設(shè)備上，分散了時(shí)間精力、遲滯了科研創(chuàng)新進(jìn)度，造成科研人員創(chuàng)新力的極大浪費(fèi)。新零件設(shè)備難以快速制備已成為亟需解決的技術(shù)難題。

針對(duì)該問題，本文設(shè)計(jì)并制造一種桌面級(jí)3D打印技術(shù)。通過研究3D打印一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、斷料自檢測(cè)技術(shù)、斷電續(xù)打技術(shù)、噪聲抑制技術(shù)等，形成3D打印機(jī)小型化、一體化、智能化、實(shí)用化設(shè)計(jì)方案，為新零件設(shè)備的便捷制造提供解決方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的3D打印機(jī)采用的是FDM熔積成型技術(shù)，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上采用X，Y，Z三個(gè)軸向的直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性也較好通過將各個(gè)功能模塊包括電源、主板、控制面板、內(nèi)存卡、UPS電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、噴頭、傳感器等集成到一個(gè)機(jī)柜中，構(gòu)成一個(gè)桌面級(jí)3D打印機(jī)，并形成相應(yīng)的小型化、集成化設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖1所示是3D打印一體化集成系統(tǒng)示意圖。

圖1 3D打印一體化集成系統(tǒng)示意圖

2.2 電機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)的額定電壓、啟動(dòng)頻率、調(diào)速要求以及所需功率來選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率。常用電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)及伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，在不過載的情況下，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)只取決于脈沖信號(hào)；因此，可以通過控制脈沖數(shù)來控制電機(jī)的定位和轉(zhuǎn)速。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格較為便宜，雖然打印速度較慢，而本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)并不要求高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。

2.3 噴頭設(shè)計(jì)

采取噴嘴直接噴熱固性塑料在加熱底板上，在噴嘴處有一電機(jī)控制噴嘴高度，高度層層增加，即可慢慢打印出想要的樣品，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠從而對(duì)噴頭進(jìn)行控制與定位。噴頭入口、出口的口徑參數(shù)需要精心設(shè)計(jì)選擇。

2.4 機(jī)構(gòu)部件和電裝部件設(shè)計(jì)

機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)主要包括傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)、外部加固件設(shè)計(jì)以及鋁型材組構(gòu)件設(shè)計(jì)。電裝線使用顏色區(qū)分，不設(shè)線標(biāo)，可通過鋁型材的凹槽走線。照明部件使用12v燈帶通過開關(guān)控制。

2.5 斷料檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

斷料檢測(cè)采用無反饋中斷式設(shè)計(jì)。限位開關(guān)在無料的時(shí)候反饋信號(hào)回主板，主板停止噴頭移動(dòng)，并抬升噴頭到一定位置，再由工作人員進(jìn)行填料繼續(xù)打印。

2.6 自動(dòng)調(diào)平技術(shù)設(shè)計(jì)

通過霍爾傳感器檢測(cè)平臺(tái)上特定點(diǎn)的高度來生成平臺(tái)高度矩陣，從而軟件上達(dá)到平臺(tái)解算，從而使噴頭與平臺(tái)的距離固定。

2.7 斷電續(xù)打技術(shù)設(shè)計(jì)

使用UPS作為備用電源，加上內(nèi)存卡存儲(chǔ)單層信息，從而做到斷電移動(dòng)噴頭，上電后可以從斷掉的那一層重新續(xù)打。

最后，制作一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)樣機(jī)，將提出的技術(shù)解決方案融入到3D打印機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制作之中，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性與實(shí)用性。

3 結(jié)論

根據(jù)上節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)該桌面級(jí)3D打印機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制造。圖2所示為本文設(shè)計(jì)和制造的桌面級(jí)3D打印機(jī)所打印出來的各種“非標(biāo)零件”實(shí)物圖。

圖2 3D打印的“非標(biāo)零件”實(shí)物圖

本文研究了3D打印機(jī)存在的問題，設(shè)計(jì)和制作了一種桌面級(jí)3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了打印機(jī)小型化、一體化、智能化、實(shí)用化的設(shè)計(jì)。對(duì)所制作的桌面級(jí)3D打印機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的桌面級(jí)3D打印機(jī)能夠完成基本打印功能，可以滿足部分“非標(biāo)零件”難制造、難生產(chǎn)的問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。