可折叠FDM 3D打印机设计与研究

商智高　郭韬　吴宇轩　董子铭　彭朝阳　周蕊　吴恩铭

摘要：在传统3D打印机的基础上，针对用户对于打印机便携性的需求，设计与研究一种便携式可折叠3D打印机。该3D打印机在保证稳定性和精确性的同时，通过折叠机构的设计使打印机具有了便携的特性。

关键词：3D打印机;机构设计;便携性需求;折叠机械臂

中图分类号：TP334.8

文献标识码：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.10.019

近年来，3D打印技术日趋成熟，并且得到了广泛应用。目前应用于家庭和工业模型设计的3D打印机以FDM（熔融堆积）打印机为主，而大部分桌面级FDM 3D打印机都是固定框架式结构，体积大、收纳不便。因此，本文基于FDM成型原理，设计一款便携式可折叠FDM 3D打印机，以满足用户对3D打印机轻型、便携的需求。

1 折叠3D打印机结构及原理

本文所研究的3D打印机是基于FDM成型原理的X，Y，Z轴打印机。该款3D打印机属于三自由度移动机构，主要由X，Y，Z三轴支撑机构、动力传动机构、送料机构、打印喷头和平台组件组成。打印机在工作过程中，能够实現打印喷头在空间X.Y，Z三个方向的三维机械运动。该折叠3D打印机不再采用固定不动的机身外壳，而是采用折叠机械臂设计，如图1所示，折叠后尺寸为233 mmx237 mmx57 mm，可打印最大体积为150 mmx130 mmxl00 mm。X，Y，轴方向采用步进电机与同步带实现传动，Z轴方向采用步进电机与梯形螺杆实现传动，利用滑块在三根直线滑轨上的移动，进而实现对X，Y，Z三个运动方向的控制。

2 结构设计方案

2.1 固定组件设计

固定组件如图2所示。固定组件为3D打印机的基础，具有安装打印平台、主板组件和显示面板组件的功能，不仅起到固定其他组件的作用，还具有容纳折叠组件中Y轴部件的功能。

该设计中固定部件主要由以下5部分组成：①机身基座保证了打印时机器的稳定性，并装备具有加热和调平功能的打印平台，以达到3D打印所需的精度要求，同时具有收纳折叠组件的作用;②X轴组件通过步进电机带动同步带轮与旋转基座，实现打印头在X轴方向上的平动;③X轴导轨副通过滑块与旋转基座的刚性连接，实现打印臂在X轴方向的机械运动;④旋转基座固定于X轴导轨副固上，将其固定在X轴组件的长角铝上;⑤显示面板组件包含3D打印机的显示屏与控制旋钮，用以输入指令和查看工作进度及设备使用情况。

2.2 折叠组件设计

折叠组件设计包含Z轴组件（如图3所示）和Y轴组件（如图4所示）两部分。

通过Z轴组件与旋转基座刚性连接，进而与机身基座构成旋转副，实现折叠功能。为了防止折叠机构展开后，因旋转定位不准而带来的打印精度下降的问题，设备通过蝶型螺栓和轴肩螺钉的双重固定来保证展开时打印机机械臂定位准确，从而在提升设备便捷性的同时而保证打印精度，同时通过旋转定位卡的设计保证了折叠机构折叠后的稳定性。Z轴各组件如图5所示。

Z轴组件包含活动翻转基座、导轨组件、电机丝杆组件。导轨组件和电机丝杆组件安装于活动翻转基座上。导轨组件中Z轴导轨副通过转接块与打印壁刚性连接。电机丝杆组件中的电机通过膜片联轴器带动丝杆螺母副运动，丝杆螺母与转接块通过标准紧固件连接，进而实现Z轴方向的运动。电机丝杆安装在电机固定座上。

Y轴组件通过与转接块的连接，完成Y轴组件在Z轴（竖直）方向上的运动。Y轴组件主要包含Y轴电机组件、挤出头、打印头风扇组件，打印头送料组件，打印臂组件。Y轴电机组件带动Y轴同步带运动，打印头通过同步带运动实现在Y轴上的运动。打印头送料组件与送料电机组件组合，作为送料机构从动部分参与打印材料的进出。

Y轴组件中打印头送料与风扇组件和挤出头实现3D打印机核心功能。打印头送料组件采用步进电机加齿轮的组合以加大送料与回抽的力，保证了送料与回抽的流畅程度。挤出头用于加热打印材料，其长时间工作，难以保证出料和回抽的平滑，因此发热严重。如果长时间高温工作，挤出头内部的磁性会减弱，并会导致打印材料过热，使材料软化弯曲，导致其从齿轮中流出，这通常在打印3-4h后发生，并且难以发现。因此，为了防止挤出头温度过高，该组件设计有两个风扇用于挤出头的散热。

Z轴组件电机丝杆部分中的电机固定座除了有固定电机的作用外，还作为折叠部件的一部分与固定组件中的旋转基座连接，如图6所示，共同实现机器可折叠的核心功能。电机固定座上有两个螺纹孔起了主要作用，水平方向的螺纹孔与轴肩螺钉的螺纹部分形成的螺纹连接，将旋转基座与电机固定座相对固定，保证机器水平稳定，而轴肩螺钉的无螺纹部分与旋转基座中的轴承形成转动副，实现了机器可折叠的功能;垂直方向的螺纹与蝶形螺钉在机器工作状态下形成螺纹连接，保证机器垂直稳定，并且初步保证了挤出头与打印平台的平行度。

2.3 调平组件设计

打印平台的平整程度决定了3D打印产品的质量。为了提高平台平整程度，打印平面采用定制的品格平台。同时为防止因设备所在工作平面不够水平而出现问题，在打印平台和固定平台之间设有4个调平旋钮，如图7所示。调平时，在打印平台上放置一张A4纸，控制打印喷头位于调平点正上方的固定位置，并平行拖拽纸张，如果纸张容易拖动，则说明打印头与平台间间距过大，相反，如果纸张难以拖动，那么说明间距过小。调节4个调平旋钮以改变平台与打印头的距离，确保打印头与打印平台调平点间达到最佳间距。并反复调试4个调平点，保证打印平台各点与打印头间距不变，进而实现调平。

3 系统方案设计

3D打印机电控系统部分由输入电路、输出电路、驱动电路、数据处理电路、控制电路组成。控制板负责主要的数据处理和控制，由Arduino Mega25 60主控板、4块A4988步进电机驱动板以及RAMPSl.4拓展板组成。控制系统程序说明如图8所示，调0时，控制板命令X，Y，Z轴步进电机向负方向转动，当滑块触碰限位开关时相应方向的步进电机停止转动，并记为该方向0点。预热阶段，控制喷头与热床加热，当达到一定温度时，信号反馈至控制板，并通过控制板控制温度系统保持一定温度，同时驱动电路开始工作。打印进行阶段，控制板通过识别切片软件处理后的3D模型文件，并将其转化为电信号以控制步进电机，进而达到控制打印喷头运动路径以及喷出量的目的。

4 结语

本文主要针对普通XYZ三轴3D打印机的机械结构进行改进，重点对可以折叠的Y轴组件进行设计与优化。使该设备在保证一定的打印精度和速度的同时，具有可折叠、体积小的特点，具有广阔的应用和市场前景。

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