【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造；拓展在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。 3D打印機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 3D打印的工作原理三維打印技術(shù)是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，選擇性地將零件的截面印刷在材料粉末上面，最后層層將各個(gè)截面粘結(jié)起來(lái). 可用于制造復(fù)雜形狀的模型中空模型，或者制造復(fù)合材料或非均勻材料的模型等.圖1是三維打印成型機(jī)的剖面示意圖. 其工藝是先由鋪粉輥從左往右移動(dòng), 將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層． 然后按照計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀, 然后成型缸平臺(tái)向下移動(dòng)一定距離，再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進(jìn)，最后得到的零件整體是由各個(gè)橫截面層層重疊起來(lái)的. 圖1 三維快速打印技術(shù)工作原理示意圖 3D打印的主要工作流程如圖2所示, 其中3D建模是3D打印的前提，相當(dāng)于平面印刷中的原稿，3D建模質(zhì)量的好壞決定了3D打印的質(zhì)量. 一般現(xiàn)有的3D建模軟件都可以實(shí)現(xiàn)建模，比如CADPro/e等矢量建模軟件，都可以輕易地實(shí)現(xiàn)3D建模. 3D分割將建立的3D模型分成一個(gè)個(gè)的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)決定, 厚度一般為幾十微米到幾百微米不等. 分割工序也是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，類似于打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序. 噴墨打印中將成型材料一層層噴涂在基材上. 目前比較流行的做法是先噴一層膠水,然后再在上面撒一層粉末，如此反復(fù), 噴頭一般可采用噴墨打印機(jī)的噴頭， 目前也有一些設(shè)備廠商提供專用的噴頭. 打印完成后，還需要對(duì)打印出來(lái)的3D模型進(jìn)行后處理，比如固化處理剝離模型的修整等等，最終完成所需要的模型的制作. 3D打印的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)模型制作相比，3D打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)如下: 1． 制作精度高。 經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，3D打印精度有了大幅度的提高。 目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以0．3mm以下。 2． 制作周期短。 傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過(guò)模具的設(shè)計(jì)模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期長(zhǎng)。 而3D打印則去除了模具的制作過(guò)程，使得模型的生產(chǎn)時(shí)間大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘就可以完成一個(gè)模型的打印。 3． 可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。 對(duì)于傳統(tǒng)模型的制作，個(gè)性化模型的生產(chǎn)就顯得力不從心，或者是成本高昂。 而3D打印對(duì)于打印的數(shù)量沒(méi)有限制，不管是一個(gè)還是多個(gè)，都可以以相同的成本制作出來(lái)。 4． 制作材料的多樣性。 一個(gè)3D打印系統(tǒng)往往可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。 比如金屬石料高分子材料都可以應(yīng)用于3D打印。 5． 制作成本相對(duì)低。 雖然現(xiàn)在3D打印系統(tǒng)和3D打印材料比較貴，但是如果用來(lái)制作個(gè)性化產(chǎn)品，其制作成本就相對(duì)較低了 加上現(xiàn)在新的材料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來(lái)的一種趨勢(shì)。 發(fā)展創(chuàng)新與突破3D打印被用作經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志封面，主題為看制造業(yè)新技術(shù)如何改變世界，詳細(xì)介紹了3D打印的歷史和發(fā)展，可見(jiàn)人們對(duì)于3D打印成為一項(xiàng)可以改變世界的影響力日益關(guān)注。 而3D打印的價(jià)值體現(xiàn)在想象力馳騁的各個(gè)領(lǐng)域，人們利用3D打印為自己所在的領(lǐng)域貼上了個(gè)性化的標(biāo)簽。人們紛紛展示了如何3D打印馬鈴薯巧克力小鎮(zhèn)模型，甚至擴(kuò)展到用3D打印汽車和飛機(jī)，3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著創(chuàng)新突破這一關(guān)鍵特質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 3D打印應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展延伸3D打印的優(yōu)勢(shì)在2011年被充分應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，利用3D打印進(jìn)行生物組織直接打印的概念日益受到推崇。 比較典型的包括Open3DP創(chuàng)新小組宣布3D打印在打印骨骼組織上的應(yīng)用獲得成功，利用3D打印技術(shù)制造人類骨骼組織的技術(shù)已經(jīng)成熟。 哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個(gè)研究小組則成功研制了一款可以實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞打印的設(shè)備。 另外，3D打印人體器官的嘗試也正在研究中。隨著3D打印材料的多樣化發(fā)展以及打印技術(shù)的革新，3D打印不僅在傳統(tǒng)的制造行業(yè)體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)其魅力更延伸至食品制造服裝奢侈品影視傳媒以及教育等多個(gè)與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。 3D打印速度尺寸及技術(shù)日新月異在速度突破上，2011年，個(gè)人使用3D打印機(jī)的速度已突破了送絲速度300mm每秒的極限，達(dá)到350mm每秒在體積突破上，3D打印機(jī)體積為適合不同行業(yè)的需求，也呈現(xiàn)輕盈和大尺寸的多樣化選擇。 目前已有多款適合辦公室打印的小巧3D打印機(jī)，并在不斷挑戰(zhàn)輕盈極限，為未來(lái)進(jìn)入家庭奠定基礎(chǔ)。在ViennaUniversityof Technology的一個(gè)研究項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了迄今為止世界上最小的3D打印設(shè)備，并且降低了打印設(shè)備的制造成本，也有望未來(lái)進(jìn)駐家庭在大尺寸領(lǐng)域，在德國(guó)的3D打印公 司發(fā)布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印機(jī)，該款大尺寸3D打印機(jī)使打印大尺寸部件一次成型成為可能【3】。3D打印技術(shù)日新月異，在2011年Lexus對(duì)外發(fā)布了新3D打印技術(shù)，該技術(shù)基于高科技循環(huán)編織技術(shù)，使用激光進(jìn)行3D打印，能夠以編織的方式制作復(fù)雜的3D模型 設(shè)計(jì)平臺(tái)革新基于3D打印民用化普及的趨勢(shì)，3D打印的設(shè)計(jì)平臺(tái)正從專業(yè)設(shè)計(jì)軟件向簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)應(yīng)用發(fā)展，其中比較成熟的平臺(tái)有基于WEB的3D設(shè)計(jì)平臺(tái)—— 3DTin，另外，微軟谷歌以及其他軟件行業(yè)巨頭也相繼推出了基于各種開放平臺(tái)的3D打印應(yīng)用，大大降低了3D設(shè)計(jì)的門檻，甚至有的應(yīng)用已經(jīng)可以讓普通用戶通過(guò)類似玩樂(lè)高積木的方式設(shè)計(jì)3D模型。2 總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 3 D打印機(jī),專業(yè)領(lǐng)域又稱快速原型機(jī),是數(shù)字化增材技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展后的逐漸走向民用市場(chǎng)的技術(shù)成果。其推廣不僅意味著科技的進(jìn)步,更為工業(yè)制造概念增添了新的內(nèi)涵,有著廣闊的發(fā)展前景。本文擬對(duì)3 D打印機(jī)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),在綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上完成其元件 的討論與選型。 3 D打印機(jī)利用不同的材料打印立體模型,利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù),設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出一個(gè)初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心臟瓣膜,之后通過(guò)3 D打印機(jī) 進(jìn)行打印。打印的原料種類繁多,有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料均可使用。例如塑料、橡膠等。打印材質(zhì)視具體情況而定。 3 D打印機(jī)在9 0年代中期就出現(xiàn)了。隨著科技的發(fā)展,它已經(jīng)投人到各種科技工作的領(lǐng)域當(dāng)中。通過(guò)一層一層堆積的液體和粉末來(lái) 生產(chǎn)物體,可以用來(lái)制造一次性的機(jī)械產(chǎn)品以及模型。牙科醫(yī)生利用3 D打印機(jī)掃描患者的牙齒輪廓后復(fù)制出合適的矯正模具。產(chǎn)品生產(chǎn)廠商用它來(lái)完成對(duì)產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì),以避免在大規(guī)模生產(chǎn)后修改設(shè)計(jì)。展覽館用它復(fù)制真品,以避免真品被參觀者損毀。 總體框架的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述系統(tǒng)由輸人設(shè)備制定部分參數(shù),從存儲(chǔ)設(shè)備或者直接從計(jì)算機(jī) 中得到事先建好的三維模型,由單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析,切片,建立 必要的支撐結(jié)構(gòu),再?gòu)膯纹瑱C(jī)輸出控制指令,控制噴頭型材料融化,并通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī),帶動(dòng)噴頭進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng),并控制噴頭的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的多少。每打好一 層,從外 部設(shè)備讀取下一層的參數(shù),再打印下一 層,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,還需要后期的材料回收工作。 系統(tǒng)框架輸入設(shè)備、存儲(chǔ)外設(shè)、上位機(jī)、溫度傳感器的測(cè)量值單片機(jī)分析溫度控制回路、XYZ各方向電機(jī)控制、噴出量控制、顯示設(shè)備 溫度控制回路設(shè)計(jì) 打印耗材的選用為了實(shí)現(xiàn)3 D打印機(jī)的功能,所選材料也很重要。既要由較低的熔點(diǎn),也要有較好的粘滯性,同時(shí)也需要快速成型。綜合考慮,我們最終選擇了P L AA /B S耗材。 設(shè)計(jì)思路概述ABS/PLA耗材熔點(diǎn)為230℃左右,分解溫度260℃以上,故其通常成型溫度在250℃以下?？刂苹芈肥褂脺囟葌鞲衅鞣祷禺?dāng)前溫度,反饋回路保證了溫度保持恒定,控制器統(tǒng)一使用了單片機(jī)來(lái)輸出指令【4】。(3) 控制回路方框圖如下：設(shè)置的空氣溫度→單片機(jī)→D/A轉(zhuǎn)換器→加熱電路→當(dāng)前溫度→溫度傳感器→A/D轉(zhuǎn)換器→單片機(jī) x y z三方向控制電機(jī)的設(shè)計(jì)采用化繁為簡(jiǎn)的思路,將三維打印轉(zhuǎn)化為二維進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一維 打印。即Z方向采用步進(jìn)電機(jī),由步進(jìn)電機(jī)固定的 給量算出所需的步進(jìn)角,用這種方式將三維打印先轉(zhuǎn)化為每一平面內(nèi)的二維打印,再由Y方向也為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng),則每一平面內(nèi)的二維打印又轉(zhuǎn)化為很多條 直線上的一維打印。 噴頭移動(dòng)及噴出量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) 噴頭系統(tǒng)的功能要求 熔融擠出系統(tǒng)對(duì)噴頭系統(tǒng)的基本要求 是:將成型料絲送人液化器中,在其中及時(shí)而充分地熔化,由固態(tài)變 為熔融態(tài),然后再進(jìn)一步從更小直徑的噴嘴中以極細(xì)絲狀擠出,按掃描路徑堆積成型。而且送絲速度要與掃描速度相匹配,以保證均勻一 致的材料堆積路徑。成型工藝對(duì)噴頭系統(tǒng)的功能要求可以分解為以下幾點(diǎn):