基于家庭化3D打印机的研究

2018-08-07唐凌姜山许文巍夏娟

科教导刊 2018年12期

唐凌　姜山　许文巍　夏娟

摘要鉴于當前人们对3D打印技术的多样化需求，以及结合目前市场上或者国外进口的3D打印机的价格较高，无法对其进行广泛的推广与应用，就导致3D打印机技术的发展面临一定的阻碍，现提出一种能够家庭化、普遍化，并且基于三自由度悬臂式机械结构的3D打印机研究方案。而本文就是在普通3D打印机的工作原理上运用三自由度的悬臂式结构以及一款适用于家庭化桌面3D打印分层软件的系统相结合而设计出的一款合乎一般家庭所需的新型桌面3D打印机。这款3D打印机在结构上的改进扩大了打印的范围，软件上的设计使得操作界面更加友好、人性化，两者的结合也令整机的规格略有缩小、成本降低，总体上能够满足大多数工薪家庭或者个人、企业对性价比的需求。

关键词多样化需求悬臂式家庭化 3D打印机性价比

中图分类号：TB472 文献标识码：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

近年来，3D打印技术在各个制造领域得到了长足发展，并逐渐成为未来制造业重要技术之一的引领者，作为以三维数字软件模型为基础的快速成型系统，目前的发展态势也在渐渐影响并改变着传统的加工制造业。因为无需任何繁琐复杂的机械加工过程以及多种多样的模具，就能够直接通过计算机辅助，经由其中的图形数据间接生成我们所想要的任何形状的物体，所以无论在那个领域，从航空、船舶到汽车、仪器，从机器配件到家用玩具，大大小小的领域都有可能会用到3D快速成型技术。[1]但是，由于国内对于生产3D打印机的成本或是从国外进口的价格均相对较高而言，仅仅一台普通的3D打印机动辄上万元，对于一般的中小型企业或者对此相当感兴趣的家庭都具有一定的经济负担。中小企业不愿批量购入、普通家庭又嫌弃性价比不高，因此就在一定程度上制约了3D打印技术在民间以及大众企业间的推广和传播，也在一定程度上阻碍了它的技术发展。鉴于以上种种，基于家庭化桌面3D打印技术，对其基本的机械结构和上位机控制软件做一定的融合，具体为运用三自由度的悬臂式机械结构结合桌面3D打印分层技术设计出一款适用于家庭化使用的经济型3D打印机。填补市场上对低成本并具备相应打印要求的3D打印机的市场空白，满足普通大众以及中小企业对它的迫切需求。[2]

1 家庭化3D打印机的发展现状

当前，3D打印技术正在逐渐突破传统机械加工制造业的桎梏，成为现阶段新兴制造业的热门加工制造技术，其快速加工成型能够满足大多数企业或者个人的实际需求，具有一定的推广价值。并且，将其快速成型技术运用到我们的日常生活当中，特别是家庭化生活中一定能够带来非常大的便利，将科技运用于服务，也正是我国大力发展科技的最终目标。有时候，家庭中小孩儿玩的玩具或者我们常见的一些工具需要临时使用，而他们造型大都不会很简单，通过传统的人工单件加工会非常繁琐，直接在市场上购买操作上不方便，经济上又不是特别合适，所以就可能会用到家庭化的3D打印技术，利用家庭化桌面3D打印机能够很快并且很方便地制造出我们所需要的物品，如果加工材料选择合适，加工出来的物体的各方面性能也能够满足使用者的要求，在这个亲身体会加工的过程中也能够为操作者甚至是家中的小孩带来运用科学技术的乐趣。但是现有家庭化3D打印机的售价对于大多数中等左右收入的家庭来说勉强可以承受，为未来普及更多中下等收入的家庭由于种种目的需要购入一台3D打印机的实际需求，就对市场上现有的桌面3D打印机做适当的结构改进，使其生产成本降低以便能够满足绝大多数家庭甚至个人能够随心购买的经济需求。[3]

而国内外对3D打印機的研究也不尽相同。国外的许多打印机版本是开源的，并且在其网络上就提供了全套免费的源代码、机械结构图纸以及电路控制原理图等，其算法的更新换代也比较快，运行效率比较高，能够满足其本国国民的现实需要。鉴于此，国内的家庭化桌面3D打印机发展也是日益加强，因此近年来国内也是涌现出了各种版本的开源3D打印机。但是两边相比较的话，国内大多数的企业仅仅对国外的源代码以及计算机界面做了简单的汉化，缺乏自己的核心技术支撑或是创新性的改动。因此就以上种种问题特提取几种不同打印机中的结构以及软件系统做创造性糅合以及改进，以达到更加家庭化、低成本的目的。[4]

2 3D打印技术原理和结构设计

当前，3D打印机的设计有两种结构形式，分别是开放式和封闭式的结构，其中处于市场较为早期的一款结构形式的机种是开放式的。通过各位科研工作者近几年对3D打印技术的深入研究，开放式结构的3D打印机正在逐渐退出市场，封闭式结构的3D打印机渐渐兴起，一场有关3D打印技术的革新也是愈来愈火热。[5]

2.1 工作原理

不少人都了解，快速成型技术本身也可以叫做3D打印技术，它是以虚拟数字模型文件为基础，利用热熔材料熔点低以及可以快速成型的特点，通过材料挤出机构中终端喷头加热以及挤出机的挤压作用，将打印材料以非常细的丝状物形态挤出，再根据在计算机系统界面先前编程好的打印路径逐层“打印”，经过一定时间的积累，最终得到自己预期中的产品。

整个3D打印机的系统由两个部分组成：上位机和3D打印机。其中，上位机的作用主要是两个：模型的设计和模型的三维切片。也就是说，3D打印机通常是根据计算机上所事先设计好的控制指令按照特定的路径逐层打印，从而完成所需要的作品。[6]其中，事先设计好的3D模型是进行3D打印工作的基础，一般情况下，通常用二维或者三维软件AutoCAD、SolidWorks等设计出来并存储为STL或SLA等文件格式。同时，在设计出自己所需要的3D模型后还要进行检验，即检查所要进行打印工作的模型大小是否符合现有3D打印机的尺寸规格标准，如果发现不是特别匹配，则需要对模型尺寸进行适当的修改以便满足要求。

而为了达到3D打印机应该有的快速成型效果，在其打印开始之前，首先需要选用合适的切片软件对模型进行切片处理。在完成切片工作之后，则需要利用这款切片软件将切后的物体形状、尺寸等有关信息翻译成3D打印机所能够识别的G代码指令，方便打印机的正常打印操作（图1）。[7]

2.2 机械结构

市场上现有的打印机中存在两种形式的机械结构，分别是龙门式以及悬臂式，作为3D打印机的执行机构，考虑到两种结构形式各自的优缺点以及经济性，就龙门式结构的3D打印机空间受限的问题，现选择悬臂式机械结构设计。其中悬臂式3D机械结构由四个部分组成，包括：旋转运动机构、垂直运动机构、水平运动机构、材料挤出机构，并且每一个部分都自带一个单独的伺服电机驱动。[8]其中，材料挤出机构安装在3D打印机的打印头上，并利用熔融材料在挤出机构内部中滚轮和伺服电机齿轮之间的相互啮合作用对熔融材料进行进给和撤出。由于悬臂式机械结构的特殊运动方式，即材料的打印成型主要依赖竖直方向的旋转运动和水平方向的直线运动共同实现，这种运动方式相比于传统的龙门式机械结构少了一条水平面的运动导轨，如此的话就不会受到打印空间的制约，打印范围更大。

具体的机构组成为：挤出机构上的打印头通过打印头上的固定件与水平导轨滑块连接起来，而水平导轨滑块则通过滚珠丝杠螺母副的方式与水平导轨连接起来，并由伺服电动机来驱动，使打印头能够左右水平移动，这些装置的组合就构成了悬臂式3D打印机机械结构的悬臂装置，同时也满足了其圆柱坐标系中的半径参数；同样的，用连接板将上述的悬臂装置通过垂直导轨滑块与垂直导轨机械连接起来并由一台单独的垂直伺服电机来驱动，令整个悬臂装置能够上下移动，这便构成了圆柱坐标系中的竖直参量；然后，用支撑架和机构的底座旋转装置将垂直导轨连接并用另一台单独的底部旋转轴伺服电机来驱动垂直导轨和悬臂装置一起做旋转运动，这便构建起圆柱坐标系的弧度参量。[9]至此，整个3D打印机综合以上的三个机械结构就建立起了一个同时具备旋转运动、水平移动和上下移动的三自由度机械结构。

3 控制系统设计

控制系统对于任何机构而言都是属于大脑级别的地位，所以控制系统作为3D打印机的核心亦是相当于它的“大脑”，在计算机接收到从切片软件中事先设计好的优化G代码指令后，紧接着计算机就会对其进行全面分析，并由计算机制定路径再控制伺服电机按照设定好的路径移动，最后进行预期的打印任务，完成成品的打印。[10]这里的控制系统采用mega2560作为主控芯片，其中零位传感器安装在X、Y、Z轴的末端，用于初始化坐标系，确定电机移动的最大范围；伺服电机的驱动模块则是驱动打印机的喷头按照计算机设定好的路径进行运动；WiFi模块的重点则是控制数据的无线传输，令其能够实现远距离的无线控制；喷头温度控制模块主要控制单头电热管两端的电压以便能够间接控制喷头的温度，实现调节温度的功能，使喷头的温度稳定在预期的设定值，以使得打印材料能够快速熔融成型；[11]最后，热床加热模块则是通过加热电路使热床具备一定的温度从而令打印的材料能够完整的附着在热床上，方便打印加工，总的来说跟喷头温度的控制模块非常相似（图2）。[12]

4 交互式界面设计

就桌面级经济型的3D打印机而言，为了使其能够家庭化，就必须令它满足这几个条件：（1）具备收入在中下等的家庭都可以接受的价格；（2）规格上不能太大，买回来的整机能够摆放在家里一张普通规格的桌子上既可；（3）企业购买3D打印机是为了令其产生一定的经济价值，满足一定的盈利要求，但家庭购买大都是为了娱乐或者教育等因素，所以就要求能够打印一些外形比较复杂的模型，并且软件本身还要具备较高的稳定性，以免影响用户的体验，总的来说就是打印能力要到位；[13]（4）最后一个便是易上手，普通家庭购入后不同于企业有专人培训以及专人使用、维护，普通家庭的话，可能每一位成员都会有使用的可能，对于其中的各种参数设定、界面理解都要能够很快适应，也就是说对于一位新手用户而言能够在一定时间内理解并学会“傻瓜式”打印操作。

考虑到家庭化桌面3D打印机从模型建立到成品的完成所要经历的步骤以及结合上述的四个条件，对于这款桌面级的家庭化低成本3D打印机的控制软件界面的设计方案如下：对于一款家庭化3D打印机而言，人机交互的界面一定要“友好”，而这款软件的主界面分别由标题栏、文字菜单、快捷菜单、主视图区、整体信息显示区、概要信息显示区六个小的区域组成，标题栏位于最上方，用于显示文件名称等信息；文字菜单紧挨着标题栏之下，这菜单提供了大多数软件操作界面的具有的最基本操作选项，包括：新建、打开、保存、分层、填充、视图、模型、G代码，依次排列并且操作简便；而在主视图区域，利用鼠标的滚轮可以实现对界面的实时缩放以及模型的任意旋转；在左侧的快捷菜单栏，顾名思义就是提供给用户熟悉操作流程后实现快速操作的作用；右侧的概要信息与快捷菜单栏对称安置，其中概要信息包括主视图、俯视图、右视图的视图切换以及模型尺寸、面片数目、分层厚度、层数、填充间距和路径数等模型的主要信息，而这一栏也是提供给用户更加直观了解模型各种参数的地方；整个操作界面提供给了用户几乎绝大多数有用的信息，对于用户而言，界面中的每一个功能区不一定都会用到，但起码提供给了用户选择的可能性，去挑选对自己有价值的信息。

5 结论

针对家用经济型3D打印机的结构设计问题，本文创新性地将三自由度悬臂式机械结构结合桌面3D打印机的控制软件和系统设计出一款适用于绝大多数对3D打印机感兴趣的家庭，无论其收入高低。而对于今天在3D打印机这个广阔的市场上，随着整机规格逐渐缩小的同时，价格也一直只居高不下，难以满足大部分家庭甚至是企业的经济上限。随着社会的进步，科技的进步，3D打印這门新型的技术产业只会愈来愈火热，愈来愈能够为平民大众带来便利，3D打印的市场也会随之扩大，所以就不能够让高成本成为制约3D打印技术发展的桎梏。于是考虑到这种情况，对现有家庭化3D打印机进行一定程度的结构优化势在必行。同时，由于3D打印技术的日渐成熟，已经实现了能够使使用者直接应用互联网远程操作打印机的功能，并且能够打印出来的物品也是越来越多样化，越来越能够满足各种领域的需要，已在生物医学、建筑、车辆、服装等众多领域崭露头角，所以基于以上种种情况，3D打印技术的革新会越来越受到各界的重视。

基金项目：国家级创新训练项目（201610488005）：一种新型3D打印机设计与分析

参考文献

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