3D高精度打印機(jī)的設(shè)計(jì)

2017-3-23  來源：寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院  作者：郭彥麟 張冬

      摘要：本文的設(shè)計(jì)主要是從現(xiàn)階段3d打印技術(shù)出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前打印機(jī)昂貴，精確度不夠而提出的利用齒條齒輪光柵尺設(shè)計(jì)的一款更物美價(jià)廉的產(chǎn)品。XYZ高精度3D打印機(jī)基于我們前期“多功能 3D 打印機(jī)”的原理和經(jīng)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來提高3D打印精度，采用閉環(huán)控制熔融沉積快速成型技術(shù)，可快速打印，效率更高。與市場高精度 3D 打印機(jī)（好幾萬）相比，使用成本低，精度更高且速度更快。

      關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)

      1.背景

      目前市場上打印機(jī)產(chǎn)品參差不齊，打印精度不夠精確，生產(chǎn)成本過高，因此 3D 打印機(jī)市場前景廣闊，有很大的發(fā)展空間。

      2.意義

      大多數(shù)桌面級(jí)大型 3D 打印機(jī)的售價(jià)在幾萬元人民幣左右，一些國內(nèi)的仿制品價(jià)格可以低到幾千元，國產(chǎn)的3D打印機(jī)雖然價(jià)格低，但同時(shí)在質(zhì)量很難保障。對(duì)于桌面級(jí) 3D 打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對(duì)于企業(yè)用戶來說，3D打印機(jī)的使用成本仍然很高。XYZ 高精度 3D 打印機(jī)可廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)鄰域，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)，數(shù)碼產(chǎn)品開模等，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)高精度模具的打印，可以節(jié)約很多產(chǎn)品到市場的開發(fā)時(shí)間。 XYZ高精度3D 打印機(jī)可以打印對(duì)精度要求較高的三維模型，使用 3D 打印控制軟件- Repetier-host1.0,工程師設(shè)計(jì)出一個(gè)模型之后，無論是一所房子還是人工心臟瓣膜,都可通過高精度3D打印機(jī)進(jìn)行打印，填補(bǔ)市場高精度3D打印機(jī)市場的需求。XYZ 高精度 3D 打印機(jī)基于我們前期多功能 3D 打印機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，采用閉環(huán)控制熔融沉積快速成型技術(shù)，應(yīng)用光柵尺原理，自主設(shè)計(jì)了一套機(jī)械結(jié)構(gòu)來提高打印機(jī)擠出噴頭位置的精確度，實(shí)現(xiàn)高精度打印。

      3.核心技術(shù)簡介

      (1)應(yīng)用光柵尺原理，自主設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來提高打印精度。與傳統(tǒng)3D打印機(jī)相比，打印精度更高，技術(shù)要求更高。

      (2)采用閉環(huán)控制熔融沉積快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)不失步打印且快速打印，節(jié)省時(shí)間。

      它所可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

     （1）掌握XYZ結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)核心技術(shù)

     （2）實(shí)際打印精度達(dá)到0.1mm

     （3）實(shí)現(xiàn)離散打印功能

     （4）面向低成本進(jìn)行優(yōu)化，所做設(shè)計(jì)必須符合低成本要求

     （5）實(shí)現(xiàn)能夠打印 PLA 材料的 XYZ 結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)樣機(jī)一臺(tái)，為量產(chǎn)低成本的XYZ架構(gòu)的3D打印機(jī)技術(shù)預(yù)研。

      4.3D打印技術(shù)的基本原理

      首先得通過計(jì)算機(jī)建模軟件設(shè)計(jì)模型（如果有現(xiàn)成的模型更好），再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數(shù)據(jù)，并把這些信息傳送到3D打印機(jī)上，3D打印機(jī)會(huì)把這些切片堆疊起來，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。

      5.實(shí)施方案：

     （1）為了能夠更清楚的理解 XYZ 高精度 3D 打印機(jī)的技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱下圖有詳細(xì)說明。如圖一是實(shí)現(xiàn)高精度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由直流減速電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，齒輪在帶動(dòng)齒條。在齒條的側(cè)面安裝光柵條，光柵條隨著齒條移動(dòng)，在光電對(duì)管中，當(dāng)光柵條通過時(shí)，光電對(duì)管過檢測(cè)來讀取光柵刻度。在XY軸上，分別固定該裝置，則可得到擠出噴頭的機(jī)械位移信息。

圖一 機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

     （2）圖五是打印機(jī)的整體框架圖。 在頂部是一個(gè)十字形打印行走機(jī)構(gòu)，在行走機(jī)構(gòu)的中心位置安裝的是擠出噴頭，把光柵尺固定在機(jī)框上，光電對(duì)管（光柵讀頭）隨著擠出噴頭運(yùn)動(dòng)，可得到擠出噴頭的精確機(jī)械位移信息，提高了擠出噴頭位置的精確度。打印平臺(tái)是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下垂直于Z軸可上下運(yùn)動(dòng)

圖二 打印件結(jié)構(gòu)圖

圖三 XYZ高精度3D打印機(jī)的控制軟件

      （4）打印技術(shù)：采用“閉環(huán)控制熔融沉積快速成型技術(shù)”，即FDM. 電機(jī)：步進(jìn)電機(jī) 打印材料：PLA材料，ABS材料，熱塑性材料，可食用材料等 。

       6.設(shè)計(jì)總結(jié)

       本文主要介紹了我們所設(shè)計(jì)的新型的含有光柵尺和齒輪齒條的 3d 打印機(jī)。實(shí)際打印精度達(dá)到 0.1mm 實(shí)現(xiàn)離散打印面向低成本進(jìn)行優(yōu)化，所做設(shè)計(jì)符合低成本要求，能夠?qū)崿F(xiàn)打印PLA 材料的 XYZ 結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)，為量產(chǎn)低成本的 XYZ 架構(gòu)的3D打印機(jī)技術(shù)預(yù)研。