复合式悬浮成型平台的模块化3D打印机

    张学宇 杨栋

    摘 要 针对传统FDM3D打印机一体化或组装式维护不便的情况，设计出家庭DIY和教育专用的便携式模块化多用途FDM3D打印机，设计原型为组装型立方3D打印机，组装型立方式FDM3D打印机一般针对DIY爱好者，其结构相对简单，但安装较为繁琐。针对原型组装立方3D打印机的缺点，创新设计出本款便携式模块化多用途FDM3D打印机，主要创新点有以下几方面：（1）将打印机结构重新优化，采用模块化设计，方便安装。将各功能模块线路改为末端插接，更换时不需要将整条线路拆卸，只需更换末端部件即可。（2）蓄电功能模块，实现打印机无电源情况下的打印工作。（3）针对传统成型平台调平复杂，平台过高，喷头划伤平台，且造成喷头堵塞，平台过低，粘结不牢，易翘边变形脱落的问题，设计出可调磁悬浮复合式成型平台，方便快速抽取平台。（4）构成打印机的所有零部件均可在各个场合单独使用，蓄电池可作为充电宝，成型平台可做加热器，打印机风扇和LED灯光可以直接通过USB与电脑相连接。

    关键词 3D打印机 悬浮式复合成型平台

    1概述研究意义

    近年来，3D打印技术在军事、工业、农业、医学及教育等领域发展迅速，对于家庭或DIY爱好者来说，对于打印机的打印质量和打印速度并没有工厂的要求严苛，个人用户多会以成本和功能来衡量各类打印机，因此未来几年内，我国的家用、个人DIY以及教育普及所用的打印机仍然以低成本的FDM打印机为主。

    目前市面上的普及性FDM打印机一般分为两种，一种为组装式、一种为一体式。组装式打印机对使用者而言有一定的技术基础要求，需要了解一定的电路知识，还需要进行复杂的调试和匹配，零部件繁多，各种连接件紧固件需要人工组装，耗时耗力。一体式打印机一般为工厂提前装配好的打印机，大量采用注塑件，拆装后细小零部件依旧很多，而且外壳由注塑一体成型，或钣金焊接，白白占用较大空间。

    2关键技术

    2.1喷头横梁设计

    便携式模块化多功能打印机设计，主要设计难点在于：模块化构建，如何实现交叉运动的零配件快速组装，如何保证连接的精度和稳定性。

    横梁上安装有喷头单元，喷头单元的零部件繁多，该进前的打印机横梁设计更换喷头单元零部件时复杂繁琐，不易操作。

    模块化拼接可使喷头单元快速拆卸，拼插旋拧设计可以保证喷头单元在三轴位置固定，不会发生偏移。

    2.2成型底板折疊拼装设计

    传统3D打印平台，平台下降到最底处后，虽然可以腾出空间，但无法放置重量较大的物体，平台承重较轻，承重点为平台靠近光杠的一侧。平台与底部无直接连接，主要依靠弹簧作用力维持平台水平度，施以重物压力之后，会造成弹簧塑形变形，影响平台水平度，从而降低打印质量。

    而改为折叠平台后，直接将底部平台的空间闲置出来，可用于摆放多余耗材和打印机的其他周边产品。将平台折叠可以使最终的打印机所占空间降到最低，从而实现小型化、携带方便的设计目的。

    2.3悬浮式复合型成型平台

    成型平台与加热板叠放在一起，加热板下固定四块矩形磁石，高度通过四个与光杆连接的非标件进行限制。非标件设有矩形槽，可用来镶嵌磁石，磁石极性与加热板底部磁石相对处磁性相同，通过同性相斥使平台悬浮在光杆之上，高度方向被非标件的弧形弯板限制，弧形弯板与底部螺纹旋钮相连，通过旋钮调节弯板高度。旋钮标有刻度，便于调平。

    2.4打印机外壳伸缩设计

    外壳设计为四个伸缩机构构成，每个伸缩机构有两个伸缩级。

    第一级伸缩机构通过弹簧限位，当内部支撑件向外拉伸时，弹簧楔子脱离外部角件的挤压，在弹簧的作用下弹出，此时第一级伸缩完成，该机构与雨伞的设计相仿。

    第二级伸缩机构由一个带有凸块的圆柱体和一个带有凹槽的管状体配合而成。圆柱顶端与顶壳通过轴承连接，即圆柱体可以在径向旋转，通过凸块与凹槽来固定第二级位置。

    3后期研究

    3D打印机电路部分包含电机、加热棒、温度回传、散热分扇、加热地板，接口型式多种多样。因该款打印机适用定向为家庭学校教育、个人DIY爱好者，因此充分发挥其每一个部件的通用或多用途的性能是必须的。而提高其部件的通用性或多用性的方法，最实用的便是将现有电路接头改为生活常用线路接头，如USB接口。

    参考文献

    [1] 梁琦.3D打印机在图书馆服务中的应用与分析[J].图书与情报，2013（06）：109-111.

    [2] 王瑞玲.3D打印机设计的初步分析[J].电子制作，2013（19）：28-29.