3D高精度打印機的設(shè)計
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)計主要是從現(xiàn)階段3d打印技術(shù)出發(fā)，結(jié)合當前打印機昂貴，精確度不夠而提出的利用齒條齒輪光柵尺設(shè)計的一款更物美價廉的產(chǎn)品。XYZ高精度3D打印機基于我們前期“多功能 3D 打印機”的原理和經(jīng)驗，自主設(shè)計機械結(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（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
1.背景
目前市場上打印機產(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)桌面級大型 3D 打印機的售價在幾萬元人民幣左右，一些國內(nèi)的仿制品價格可以低到幾千元，國產(chǎn)的3D打印機雖然價格低，但同時在質(zhì)量很難保障。對于桌面級 3D 打印機來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限，而且對于企業(yè)用戶來說，3D打印機的使用成本仍然很高。XYZ 高精度 3D 打印機可廣泛應(yīng)用在設(shè)計鄰域，尤其是工業(yè)設(shè)計，數(shù)碼產(chǎn)品開模等，可以在數(shù)小時內(nèi)完成一個高精度模具的打印，可以節(jié)約很多產(chǎn)品到市場的開發(fā)時間。 XYZ高精度3D 打印機可以打印對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)計出一個模型之后，無論是一所房子還是人工心臟瓣膜,都可通過高精度3D打印機進行打印，填補市場高精度3D打印機市場的需求。XYZ 高精度 3D 打印機基于我們前期多功能 3D 打印機的經(jīng)驗，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)計了一套機械結(jié)構(gòu)來提高打印機擠出噴頭位置的精確度，實現(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)計的機械結(jié)構(gòu)來提高打印精度。與傳統(tǒng)3D打印機相比，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)實現(xiàn)電機不失步打印且快速打印，節(jié)省時間。
它所可實現(xiàn)的目標
（1）掌握XYZ結(jié)構(gòu)的3D打印機核心技術(shù)
（2）實際打印精度達到0.1mm
（3）實現(xiàn)離散打印功能
（4）面向低成本進行優(yōu)化，所做設(shè)計必須符合低成本要求
（5）實現(xiàn)能夠打印 PLA 材料的 XYZ 結(jié)構(gòu)的 3D 打印機樣機一臺，為量產(chǎn)低成本的XYZ架構(gòu)的3D打印機技術(shù)預(yù)研。
4.3D打印技術(shù)的基本原理
首先得通過計算機建模軟件設(shè)計模型（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打印機上，3D打印機會把這些切片堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。
5.實施方案：
（1）為了能夠更清楚的理解 XYZ 高精度 3D 打印機的技術(shù)內(nèi)容，請參閱下圖有詳細說明。如圖一是實現(xiàn)高精度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由直流減速電機帶動齒輪傳動，齒輪在帶動齒條。在齒條的側(cè)面安裝光柵條，光柵條隨著齒條移動，在光電對管中，當光柵條通過時，光電對管過檢測來讀取光柵刻度。在XY軸上，分別固定該裝置，則可得到擠出噴頭的機械位移信息。
圖一 機械設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
（2）圖五是打印機的整體框架圖。 在頂部是一個十字形打印行走機構(gòu)，在行走機構(gòu)的中心位置安裝的是擠出噴頭，把光柵尺固定在機框上，光電對管（光柵讀頭）隨著擠出噴頭運動，可得到擠出噴頭的精確機械位移信息，提高了擠出噴頭位置的精確度。打印平臺是在電機的驅(qū)動下垂直于Z軸可上下運動
圖二 打印件結(jié)構(gòu)圖
圖三 XYZ高精度3D打印機的控制軟件
（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：步進電機 打印材料：PLA材料，ABS材料，熱塑性材料，可食用材料等 。
6.設(shè)計總結(jié)
本文主要介紹了我們所設(shè)計的新型的含有光柵尺和齒輪齒條的 3d 打印機。實際打印精度達到 0.1mm 實現(xiàn)離散打印面向低成本進行優(yōu)化，所做設(shè)計符合低成本要求，能夠?qū)崿F(xiàn)打印PLA 材料的 XYZ 結(jié)構(gòu)的 3D 打印機，為量產(chǎn)低成本的 XYZ 架構(gòu)的3D打印機技術(shù)預(yù)研。
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