作品名稱：高精度桌面級3D打印機
學校名稱：武漢東湖學院
參賽隊伍：C411
參賽學生：徐茂能 莫澤明 鄭寶洲
指導老師：張榮 王祖萌
開發(fā)背景： 3D打印技術最早誕生于1984年。查爾斯胡爾將光學技術應用到了3D快速成型領域，拉開了3D打印的帷幕，20世紀末期，3D打印行業(yè)在國內(nèi)外受到廣泛關注，各種3D打印技術也在很多方面得到應用并快速發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)覆蓋到制造，學術，航空航天，醫(yī)療，軍事，教育等各個領域。FDM3D打印，是一種新型的增材制造快速成型技術，是以數(shù)據(jù)化的數(shù)字模型為基本，使用熱塑性材料。將材料加熱融化，使噴頭沿模型截面做填充運動，材料快速凝固與周圍材料迅速結(jié)合來加工的過程。
結(jié)構(gòu)說明：基于圓柱坐標的3D打印機機型。
使用說明：與傳統(tǒng)FDM 3D打印機使用相同， 切片軟件為OctoPrint。
設計意義：針對目前基于笛卡兒直角坐標系的FDM3D打印機在打印旋轉(zhuǎn)體時精度低，存在速度慢等一系列問題，設計開發(fā)一種基于圓柱坐標系的 FDM 3D 打印機。其成型原理與機械結(jié)構(gòu)借鑒了傳統(tǒng)的FDM 3D打印機，并在此結(jié)構(gòu)基礎上將基于笛卡兒坐標系的運動方式改為基于圓柱坐標系的運動方式。相較于傳統(tǒng)的 FDM 3D 打印機，在使用相同的硬件(包含電機、噴頭、打印耗材)配置情況下，使用該設備打印旋轉(zhuǎn)體模型時可以擁有有更高的打印精度，在某些情況下還可以實現(xiàn)更快的打印速度、更高打印精度的桌面級3D打印機。
設計原理：該圓柱坐標3D打印機總共有4個電機，一個是用于該坐標系R極軸，控制極軸運動距離；一個用在坐標系角度軸，控制打印平臺運動角度；一個是用于該坐標系Z軸，控制Z軸上下運動；剩余一個運用于輸送打印材料到噴頭。不同于常見的3D打印機有X,Y軸，該3D打印機將X，Y的直線運動轉(zhuǎn)換成了一個半徑與角度定位的運動方式，此款打印機中的θ角度軸是做的360°的圓周運動，在平臺下配置一個電動作為旋轉(zhuǎn)臺，對設計成圓形的打印底板進行準確的旋轉(zhuǎn)角度的控制．設打印底板的原點位置為圓柱坐標的底面圓心位置．設備中的 R極軸為往復直線運動，設計時，定義R極軸經(jīng)過基板原點，并且R極軸原點即為坐標系的原點．半徑R方向由同步齒形帶傳動，定位方向由直線導軌保持。旋轉(zhuǎn)角由電機直接控制，旋轉(zhuǎn)打印平臺由軸承保持。Z軸傳動由絲桿傳動，定位方向由直線導軌保持。
設計方案：打印機的結(jié)構(gòu)主要由6061鋁材加工配合構(gòu)成， Z軸運動是通過立在兩根直線導軌中間的絲桿實現(xiàn)傳動，由頂部的步進電機通過聯(lián)軸器直接帶動絲桿實現(xiàn)懸臂上下運動。每個加工零件之間的配合精度要求很高，涉及到影響打印精度的零件都設計有定位，保證配合要求，保證打印機的整體結(jié)構(gòu)合理，安裝精度高，整體結(jié)實。X極軸是懸臂梁結(jié)構(gòu)，需要承載的有擠出噴頭，散熱風扇，導軌以及滑塊等重物。為了保證打印時 X 極軸運轉(zhuǎn)的精度，要求 X 極軸必須有較好的剛性。采用一塊300mm×50mm×10mm的6061鋁材使用CNC加工，作為懸臂梁。在懸臂左側(cè)設計有雙滑塊的定位，能保證安裝精度，使用雙滑塊也能是懸臂剛性更好，更穩(wěn)定。懸臂右側(cè)就是X極軸的運動導軌以及擠出噴頭，采用 2GT 同步帶傳動使 X 軸做直線往復運動。直線導軌都是采用12的鍍鉻硬軌，長度 190 mm; 公差: 0.02 mm 以內(nèi); 直線度: 0.02 mm/m; 硬度: HRC58 ～ 62。滑塊為12號標準長度滑塊。設計了一種中空旋轉(zhuǎn)盤，上下兩層: 上層為打印工作平臺，預留 3 個 3 mm 的固定調(diào)節(jié)孔，下層為腹板式結(jié)構(gòu)用于支撐上層板以及與旋轉(zhuǎn)軸的連接; 選用大扭矩的 57 步進電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上附加四線集電環(huán)以便于在旋轉(zhuǎn)平臺下方加上熱床和熱敏電阻，解決了現(xiàn)有極坐標 3D 打印機無法加入熱床的難題。Z 軸負載 X 軸懸臂梁、電機和噴頭等，是整個3D 打印機中承載最大的一根軸，不能因 X 軸的運動3D 打印機中承載最大的一根軸，不能因 X 軸的運動而晃動和滑動。綜合以上因素，設計為單 Z 軸結(jié)構(gòu)，采用 T8 絲杠進行傳動，彈性聯(lián)軸器連接 Z 軸 42 步進電機和 T8 絲杠; 導向滑動采用直線光軸和軸承配合。結(jié)旋轉(zhuǎn)平臺的傳動方式選擇。Z軸的傳動方式選擇由于極軸懸臂是垂直上下運動，本身重量較大，Z軸的運動需要的要求是精度高，傳遞平穩(wěn)，能自鎖，打印機不通電時懸臂不會自然下降，不需要追求傳遞速度，綜合考慮，采取絲桿傳動是最好的選擇，絲桿傳遞平穩(wěn)，可傳遞力矩大，可以滿足懸臂垂直上下運動，精度高，打印時模型的側(cè)面光滑，表面效果要好，整體結(jié)構(gòu)緊湊。
實用突破點：我國對于3D打印的研究相對較晚，目前正處于快速發(fā)展與蓬勃發(fā)展之中。3D打印機的發(fā)展也處于一個快速成長期.20 世紀 90 年代初，武漢大學，清華大學、華中科技大學等高校，在3D 打印設備制造技術、3D 打印工業(yè)應用研究等方面開展了積極的探索，已有部分技術處于世界先進水平。本設計針對目前基于笛卡兒直角坐標系的FDM(Fused Deposition Modeling)工藝熔融沉積制造3D打印機在打印旋轉(zhuǎn)體時精度低，存在速度慢等一系列問題，設計開發(fā)打造一款基于圓柱坐標系的 FDM 3D 打印機。相較于傳統(tǒng)常見的桌面級FDM 3D打印機，在采用相同條件硬件配置情況下，使用該打印機打印旋轉(zhuǎn)體模型時可以達到更好的打印效果精度，在某些情況下還能達到更快的打印速度。
設計創(chuàng)新點：目前市場上存在的桌面級 FDM3D 打印機主要是笛卡爾坐標系機械結(jié)構(gòu)和基于 Delta并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)的3D打印機，基于笛卡爾坐標系和Delta并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)的3D打印機發(fā)展十分迅速，已經(jīng)到了十分成熟的階段。各種外觀，傳動方式也越來越優(yōu)秀合理，性能、精度、速度都得到了非常大的進步。切片計算軟件也越來越快，越來越智能，各方面越來越完善。但是采用這兩種機械結(jié)構(gòu)設計的3D打印機相對來說打印速度比較慢，對于有高速打印的需求不易滿足，尤其在打印回轉(zhuǎn)類模型時插補性能較差，導致打印精度不高。而現(xiàn)有的基于圓柱坐標的3D打印機發(fā)展卻不是很明顯，機型還停留在很原始的設計之上，各方面都存在缺陷不合理的地方，精度不高，速度慢。切片軟件也十分有限，漏洞多，只能處理簡單的模型零件。通過查找現(xiàn)有的文獻資料，針對目前已有的機型機器選擇進行優(yōu)化改進，對機械結(jié)構(gòu)不合理的地方進行改進，對現(xiàn)有的程序進一步的開發(fā)和完善。通過研究、分析已有的圓柱坐標3D打印機，在現(xiàn)有的3D打印機機械結(jié)構(gòu)的基礎上，設計開發(fā)了一種單臂圓柱坐標3D打印機。本設計開發(fā)改進一款新型圓柱坐標的3D打印機，提高了圓柱坐標型的精度、速度、穩(wěn)定性、實用性等各方面優(yōu)點。
