無斷料3D打印機結構設計創(chuàng)新

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摘要:結合無斷料3d打印機裝置的設計背景和結構設計，創(chuàng)新了打印機自助打印功能，解決了無人管理時打印機原材不足和耗盡問題，提高了操作3D打印機的簡便性，達到了打印機超長時間打印的目的，節(jié)約了管理人員的時間，提高了工作效率。

關鍵詞:無斷料3D打印機;結構設計;創(chuàng)新

隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術也逐漸成熟起來。作為現(xiàn)代化機械設備之一，3D打印技術日新月異，不僅推動了新材料、新技術、新工藝的發(fā)展，而且還創(chuàng)新了各種功能。

1無斷料3D打印機裝置的設計背景

1.13D打印機的發(fā)展背景

隨著科技的發(fā)展與進步，如今，工作和生活中很多方面都離不開打印機，因此，打印機的不斷改進已成為科技發(fā)展的一個重要方面。3D打印機(FDM)是由一定的打印原料加熱融化、隨后在一定條件下變?yōu)槌善?。打印過程中，材料不足時存在打印中斷問題;材料快要耗盡時需要人為更換材料浪費時間;打印材料不足以打印成成品。根據(jù)人們在工作和生活中對3D打印機的要求，需要研究和設計出一種省時、精確換材、無斷料的3D打印機，以此解決以上存在的問題。

1.23D打印機在國內(nèi)外的發(fā)展前景

1.2.1國際上的發(fā)展情況經(jīng)過多年的探索，打印技術在國際上有了飛速發(fā)展。目前，已經(jīng)可以在0.01mm的層厚上打印，并且可以形成24位色彩打印。在世界3D打印機行業(yè)中，USA的3DSystems與Stratasys兩家集團的產(chǎn)品占有大部分市場份額。其中，3DSystems企業(yè)的實力最強，基本上代表了3D打印技術當下的技術水準和以后的發(fā)展方向，其還可以為專業(yè)人士及相應消費者提供3D打印系統(tǒng)。在西方發(fā)達國家，3D打印技術早就開始了商業(yè)模式，如在消耗電子產(chǎn)品業(yè)、宇航業(yè)和汽車建造業(yè)等領域，3D打印技術可以以較小的成本、較高的效率產(chǎn)出少量的特定構件，從而完成復雜而精準的組裝。如今，各國3D打印機制作行業(yè)均處在急劇的購買與合并過程中，行業(yè)巨擎正快速崛起。

1.2.2國內(nèi)的發(fā)展情況近年來，我國開始主動研發(fā)3D打印技術。國內(nèi)快速成型技術的研發(fā)工作始于20世紀80年代末，在時間點上和國際上保持一致，已經(jīng)形成了北航、華中科大、西安交大、清華大學四大研發(fā)中心，在科研水平上已經(jīng)達到了國際一流水準。五道口在今代成型學說、分層實體制作、FDMT藝等方向擁有很好的科學研究方向。在分層實體制作工藝方向上，華中科大有不俗的成績，并已公布了HRP系列成形機器和成型材料。當前，國內(nèi)擁有3D打印設備進行貿(mào)易運作的實業(yè)公司有:光韻達、金運激光、中航重機等，這些集團基本形成了3D打印機的集體制作與出售團隊。但是，由于我國近年才引入3D打印技術，與發(fā)達國家相比較，還有很大差距，主要體現(xiàn)在技術和市場應用方面，研發(fā)水平不高，與市場銜接度較低，目前還未產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。有專家預測，打開市場后，2020年，我國的打印市場有望突破2000億元，前景無限廣闊。

2無斷料3D打印機

2.1無斷料3D打印機的結構設計

由圖1可見，知限位開關(1)、(1')和擠出機連接在一起，擠出機(4)、(4')由壓力調(diào)節(jié)(2)、(2')和主力支架(3)、(3')構成，擠出機和步進電機(5)、(5')鉸鏈在一起，使材料在輸料管(6)、(6')中運輸，經(jīng)過三向轉接頭(7)，通過喉管到達(8)中的加熱塊加熱融化，經(jīng)過外面的散熱扇散熱，在噴嘴處擠出來，在步進電機和螺絲杠桿(11)、(11')(控制X軸、Z軸既左右和上下的運動)和熱床(9)(在Y軸既前后移動)的運行下，最終在熱床(9)上成型，3D打印機的整體效果在(10)的固定下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2無斷料3D打印機裝置的工作過程

插通電源，輸入需打印的文件信息，在步進電機和擠出機的作用下，打印材料從左邊的限位開關進入，隨后進入輸料管中，經(jīng)過三向輸料管進入豎直方向的輸料管，之后，在(8)處的加熱塊處加熱融化，并在風扇和散熱管的作用下散熱以防損壞，隨后在噴嘴處擠出融化的線條，在步進電機和螺絲杠桿的控制下，完成三維打印。若在打印途中，打印材料缺失，此時限位開關(1)不被材料擠壓從而發(fā)出信號。設此時限位開關到擠出機底部的距離為X，由cura上的擠出速度V計算T:主板接收到信號后，在T時間內(nèi)啟動步進電機(2')，隨后把打印材料送入輸料管(6')中繼續(xù)打印，最終完成模型打印。

3無斷料3D打印機裝置的創(chuàng)新點

此裝置在原3D打印機的基礎上，新增加了一對限位開關、一個步進電機和擠出機。當需要打印一個比較大的物件、并且現(xiàn)有打印機上剩余材料不足的時候，可以充分利用剩余的材料繼續(xù)打印。另外，在打印過程中，若出現(xiàn)打印材料缺失、管理人員不在現(xiàn)場(不能手動送料)、模型緊急需要的情況下，此裝置的出現(xiàn)解決了這一困難，并且可以連續(xù)打印耗材量較大的模型，且操作簡單，打印機可自動處理。

4結語

無斷料3D打印機在實際運行中，解決了打印材料缺失、且緊急需要的情況下的打印問題，方便對模型的打印，節(jié)約了打印時間，提高了工作效率。此裝置的研發(fā)前景廣闊，具有較大的潛在市場。

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作者：祝國慶 王海宇 朱芝俊 張海錄 單位：黑龍江科技大學機械工程學院