3D打印机的自主开发

陈锐 周振山 杜泰东

摘 要：本文对3D打印机的原理、发展历史、类型展开论述，针对教学或者家用入门级3D打印机的材料、组装与调试展开研究，提供了自主开发制作3D打印机的方法。

关键词：3D打印；3D打印原理；3D打印机

3D打印是一种分层成型技术，3D打印被视为第三次工业革命的重要标志之一是在英国著名的《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一书中对3D打印的重要性阐述之后。作为基于数字模型的输出技术和以往的技术最大区别是传统技术是一种减法成型，传统技术在材料上切割、磨削、腐蚀去掉多余的部分得到实体模型。而3D打印技术原理相反，举例说明——用融化的塑料等材料一层一层堆积固化形成实体模型。3D打印经历了30年的发展经历了不断突破的技术壁垒，在各个领域得到了应用，如国防、医疗、服装珠宝、建筑、汽车制造、航空航天、建筑、食品等。同時价格也有所下降，但是对于一些教学为主要任务的单位现在的价格还是让人望而却步，3D打印机的原理简单、材料易得、可进行自我复制，所以对精度要求不高时可以自己装配出简易的3D打印机。

一、3D打印的基本概念

3D打印技术学名增材制造，维基百科对3D打印的定义是：3D打印（3D printing），又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），属于快速成形技术（Rapid prototyping）的一种。它是一种以数字模型文件（digitaldata files）为基础的直接制造技术，几乎可以制造任意形状三维实体（3-dimensionalobject）。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，即‘积层制造。

二、3D打印的发展简史

3D打印技术最早由日本提出，后在美国发扬光大，现在全世界引起了热潮。八十年代后叶，SLA技术、SLS技术、FDM技术、3DP技术在这段时间相继问世，带动了3D打印技术的高速发展，进入和初步发展阶段。3D Systems、Stratasys、EOS等企业成立，开启了3D打印商业化时代。其中主要的时间节点有：

第一台商用3D打印机诞生，时间1986年、地点美国；麻省理工学院获3D印刷技术专利，时间1993年；至2005年，ZCorp公司研制Spectrum Z510成功；2010年3D打印在汽车制造业崭露头角，世界上第一辆3D打印汽车Urbee问世；在医疗业2012年用人体细胞3D打印机打印出人造肝脏组织；2015年3D打印技术制造出一架无人机样机。

三、3D打印机的分类

按技术类型分类可以分为：

1. 3D打印熔融沉积成型技术（Fused deposition modeling， FDM）：是目前应用最广泛的一种3D打印技术。所应用的材料是ABS塑料 和PLA塑料。这些材料的特点是流动性强、热缩率低、，价格低廉、无异味、无毒、自润滑性差，可以很好的粘在热床上。

这种技术是通过热熔将耗材融化，然后通过直径很小的喷头挤出。挤出的融化后的耗材，沉积在热熔版上，当温度降低到低于固化温度模型就开始固化，通过这种操作的反复进行，最终得到模型。

2. 立体平板印刷（Stereolithography， SLA）：是通过液态树脂材料的光固化技术进行3D打印输出。主要耗材是光敏树脂，通过紫外光或者其他光源通过多镜片反射，将温度传递给液态树脂，进而凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。

3. 选择性激光烧结（Selective laser sintering， SLS）：多用在金属制品的建模。耗材为多聚体粉末、铝粉、钢粉和镁粉等。通过耗材粉末的层层铺装，然后用激光灼烧在需要成型的区域，让材料粉末溶解，反复这一过程、层层叠加，最终获得输出模型。

四、3D打印机的原理

CAD软件基材→3D虚拟模型→分割→二维图形信息→喷头→三维模型→后期处理→成品

通过立体扫描或者建模软件对需要的产品进行建模，3D打印机与数字模型的描述方法不同，所以无法直接打印，而需要将建好的数字模型导入到切片软件中，切片软件会将数字模型分割成若干的截面传递给3D打印机打印。打印出的产品如果有不精确之处可以进行后期处理，经过修整、上色等步骤后，得到最终的模型。

五、组装打印机的材料（类型为三臂reprap型打印机）与

1、组装效应器

效应器的基本组成是挤出头，挤出头上连接中空的加热棒，用于融耗材和送出耗材，打印时挤出头送出耗材，打印停止命令时耗材回抽。效应器上安装限位开关，他是在打印中给打印机平面的触感。继续安装支撑结构和各种螺丝螺帽和铜垫挤出机的零件有：625轴承一个、铜质挤出轮一个、打印件、各类m3m4m5螺丝及顶螺丝垫片若干。

2、组装框架

底座是三个角件连接三个铝材拼成的三角形，拼接时给CPU和显示器预留螺帽，拼好后把长条铝材从角件孔中插入。同时组装上下角件时装入步进电机以及滑动轴承。

3、安装打印平台

可以用圆形铝板或者玻璃，固定在骨架下面的底座上。kossel打印的pla塑料是很难附着在铝板上面的，打印时可使用美文纸固定。如果预算允许可以使用加热底盘。

4、安装显示器

安装液晶显示器

5、安装主板

ramps1.4和mega2560组装完毕后，烧录Marlin固件。连接lcdsd卡控制器模块测试正常。

5、安装开关，电源

6、线路拼接

六、自装打印机的调试

1、电路调试

连接电脑，将电路与电源接通。通过主控软件给电路发送一组指令，检查机器是否的一一响应。通过了电路调试才可以进行下一步测试，如果没有通过电路测试，要自己检查是否机械部件有问题，或者电路没有接通。直到问题排除再进行下一步的调试。

2、打印测试

导入一个已经做好的3D模型，使用切片软件制作成STL模型。使用装配的打印机打印出来，这个过程可能延续几个小时。

3、机械调试

针对打印模型的情况进行最后的机械调试；

通过模型的高度确认Z轴是否正常；

通过是否有错层情况判断打印平台的状态是否正常；

检测圆孔是否中正，判断X轴Y轴是否正常；

根据热出丝的顺利与否来检测耗材融化的速度。

3D打印技术在教学中的作用不可估量，发展潜力巨大，因为3D打印架起了理论与现实的桥梁，让知识成果变得可以触摸，促进了数字模型的实物化。在职业技术院校的教学中可以运用到室内设计、烹饪、中西面点、园林等多种专业。

参考文献：

[1]维基百科

[2]罗军.3D 打印技术的现状及发展趋势. [J].2013.03.

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[6]赖周艺. FDM 3D打印鳄鱼模型翘曲变形分析与优化[J].深圳职业技术学院学报，2014.（3）

[7]祝智庭.《现代教育术——走向信息化未来》 [M].北京.教育科学出版社，2002

项目基金：该文为“黑龙江省技工教育2016年度科研课题研究项目”子课题“计算机艺术设计一体化课程改革”（编号：JG20160063）科研成果。

该文为“黑龙江省技工教育2016年度科研課题研究项目”子课题“现代学徒制在技工院校计算机网络应用专业的应用研究与实践”（编号：JG20160044）科研成果。

该文为“黑龙江省技工教育2016年度科研课题研究项目”子课题“校企合作面临的主要问题与对策研究”（编号：JG20160067）科研成果。

该文为“黑龙江省技工教育2016年度科研课题研究项目”子课题“新时期技工院校学生学习特点与对策研究”（编号：JG20160031）科研成果。